農(nóng)村地區(qū)園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥試驗(yàn)研究＊

陳海濱，楊黎潔，許笑笑，郭 帥，梁 莎，楊家寬

（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430074）

0 引言

我國生活垃圾總量不斷增長，制約著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的健康發(fā)展和人民生活品質(zhì)的提升。目前，我國大部分城市已經(jīng)形成了比較成熟的生活垃圾收運(yùn)處理系統(tǒng)，使生活垃圾得到了有效的減量化、資源化、無害化處理。而對于農(nóng)村地區(qū)，按照我國農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生率中位值為0.521 kg/（人·d）［1］，以及國家統(tǒng)計(jì)年鑒中公布的2022 年農(nóng)村人口數(shù)據(jù)，可以估算2022 年我國農(nóng)村生活垃圾年產(chǎn)量約0.93×108t。隨著我國農(nóng)民收入和消費(fèi)水平的提高，農(nóng)村生活垃圾年增長率達(dá)8%～10%［2］，但暫未形成成熟的處理體系。農(nóng)村生活垃圾存在來源較為分散、居民對垃圾分類意識(shí)不足、垃圾處理設(shè)施不完善等問題。在垃圾分類與新農(nóng)村建設(shè)的大背景下，部分農(nóng)村地區(qū)逐漸形成了生活垃圾“干濕分類”、易腐垃圾（俗稱“濕垃圾”）就地堆肥處理的新模式。但易腐垃圾含水率高，碳氮比（C/N）低，單獨(dú)進(jìn)行好氧堆肥不利于微生物發(fā)酵和通風(fēng)供氧。

隨著垃圾分類制度不斷細(xì)化和推進(jìn)，園林垃圾的處理問題也逐漸受到了關(guān)注?，F(xiàn)階段我國城市園林垃圾的處理主要采用棄管、焚燒、填埋和少量資源化利用4 種方式［3］。而農(nóng)村地區(qū)的園林垃圾基本處于隨意丟棄狀態(tài)，資源化利用水平較低，且園林垃圾體積大、產(chǎn)生地隨機(jī)性高，較難收集運(yùn)輸［4］。園林垃圾成分較為單一，主要是由木質(zhì)素、纖維素等組成，具有資源化利用的潛力［5］。尤其風(fēng)干后的園林垃圾具有含水率低、C/N高的特點(diǎn)，理論上可解決易腐垃圾含水率高、C/N低造成單獨(dú)堆肥效果不佳的問題。因此，在農(nóng)村地區(qū)開展園林垃圾和易腐垃圾協(xié)同資源化處理研究具有可行性。

我國利用好氧堆肥技術(shù)處理的對象主要是污泥或者生活垃圾，對于園林垃圾等新興垃圾的研究較少，且大多采用的是靜態(tài)好氧堆肥技術(shù)。動(dòng)態(tài)堆肥較靜態(tài)堆肥具有堆肥周期短、供氧充足等優(yōu)點(diǎn)，課題組前期開展了農(nóng)村易腐垃圾間歇性動(dòng)態(tài)堆肥試驗(yàn)［6］，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥在初級發(fā)酵階段有較好的升溫效果，且升溫速度快、發(fā)酵溫度高。因此，本研究選用二次性好氧堆肥工藝，采用裝配式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置，在安徽省鳳陽縣小崗村實(shí)地進(jìn)行園林垃圾和易腐垃圾協(xié)同動(dòng)態(tài)堆肥試驗(yàn)，對堆肥過程關(guān)鍵影響因素進(jìn)行分析，研究不同原料配比下含水率對園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥效果的影響，探究協(xié)同堆肥原料含水率最佳范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原料及預(yù)處理

小崗村生活垃圾收運(yùn)量約為2 t/d，以廚余垃圾為主的易腐成分占比為73.3%，折算可得易腐垃圾總量為1.5 t/d。易腐垃圾具有季節(jié)性特點(diǎn)，具體表現(xiàn)為春、夏季易腐垃圾占比較大，秋、冬季易腐垃圾占比較小。結(jié)合小崗村地區(qū)的實(shí)際情況，協(xié)同堆肥試驗(yàn)使用的園林垃圾主要包括：①當(dāng)?shù)氐缆肪G化自然凋謝或人工養(yǎng)護(hù)過程中產(chǎn)生的樹葉、樹枝等；②當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物自然凋謝或收獲時(shí)被丟棄的植物殘?bào)w。本研究所用園林垃圾為小崗村實(shí)地收集所得的楓樹葉、樟樹葉及其小型枝干。剛掉落的園林垃圾含水率較高，太陽暴曬風(fēng)干后，其含水率降至約20%，方可進(jìn)行協(xié)同堆肥。

協(xié)同堆肥原料的預(yù)處理主要包括分揀、破碎和混合。分揀環(huán)節(jié)通過鐵鍬等工具將易腐垃圾中的塑料、大型骨頭、金屬等不可堆肥的物質(zhì)和廢舊電池等有害垃圾分選出來。破碎環(huán)節(jié)使用破碎機(jī)將園林垃圾破碎至5～8 cm 的粒度范圍，同時(shí)使用鐵鍬將易腐垃圾破碎至相同的粒度范圍。分揀和破碎完成后，通過人工混合的方式將園林垃圾與易腐垃圾按原料含水率設(shè)計(jì)值以一定比例進(jìn)行充分混勻，以保障初級堆肥發(fā)酵效果。

1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備及工藝流程

協(xié)同堆肥試驗(yàn)所用裝置為課題組前期開發(fā)的裝配式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置［6］，具有建設(shè)周期短、建設(shè)投資少、占地面積小、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)。所用儀器設(shè)備主要有含水率測定儀（XFSFY-120A）、溫度計(jì)（T 150）、磅秤（TCS-500）、鐵鍬、物料破碎機(jī)（6 刀-4.8 kW）等。

該堆肥裝置由多層發(fā)酵倉裝配而成，單層發(fā)酵倉的長、寬、高分別為1.5、1.5、1.6 m，主要由進(jìn)料系統(tǒng)、通風(fēng)供氧系統(tǒng)和翻堆卸料系統(tǒng)3 部分組成。進(jìn)料系統(tǒng)通過提升電機(jī)使進(jìn)料桶運(yùn)送至頂層，倒入頂層發(fā)酵倉內(nèi)，頂層的旋轉(zhuǎn)布料器使物料均勻散落在發(fā)酵倉中；通風(fēng)供氧系統(tǒng)有兩套，一套通過堆體溫度調(diào)節(jié)通風(fēng)量，另一套通過底層與頂層之間的溫度差形成“煙囪效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)通風(fēng)；翻堆卸料系統(tǒng)是間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置的關(guān)鍵。旋轉(zhuǎn)軸位于翻板2/3 處，每層發(fā)酵倉底設(shè)計(jì)有3 塊翻板，每次翻堆時(shí)翻板逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，物料順著翻板間空隙落到下一層，最后一層翻板兼有出料功能。此外，所有翻板均通過PLC 程序進(jìn)行自鎖控制，只有當(dāng)下層翻板處于水平位置時(shí)，上層翻板才能翻轉(zhuǎn)至垂直進(jìn)行翻堆卸料，保證卸料過程有序進(jìn)行。其工藝流程為頂層進(jìn)料，底層出料，物料通過翻板由上而下進(jìn)行翻堆卸料，空氣自下而上流動(dòng)，保證初級堆肥階段物料與空氣充分接觸，如圖1 所示。

圖1 堆肥裝置工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic of composting device

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

協(xié)同堆肥試驗(yàn)選用二次性好氧堆肥工藝，分為初級堆肥階段和次級堆肥階段。主要研究不同原料含水率配比下協(xié)同堆肥初級堆肥階段的溫度變化、減量化程度等相關(guān)參數(shù)，以及初級堆肥半成品在經(jīng)過1 個(gè)月的次級堆肥腐熟階段后產(chǎn)品的無害化與資源化程度。園林垃圾和易腐垃圾協(xié)同堆肥試驗(yàn)操作流程如圖2 所示。

圖2 協(xié)同堆肥試驗(yàn)流程Figure 2 Experiment flow of the collaborative composting

1.3.1 含水率設(shè)計(jì)

美國環(huán)境保護(hù)署（EPA）的相關(guān)規(guī)定［7］表明：堆肥原料含水率下限值為40%。我國團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/HW 00011—2020 農(nóng)村易腐垃圾小型堆肥技術(shù)規(guī)程對好氧堆肥原料的含水率范圍規(guī)定為45%～65%。因此，本協(xié)同堆肥試驗(yàn)中原料含水率的設(shè)計(jì)值為45%、50%、55%、60%、65%和70%，共進(jìn)行6 倉（C1～C6）協(xié)同堆肥試驗(yàn)。

1.3.2 協(xié)同堆肥原料配比設(shè)計(jì)及理論C/N

根據(jù)課題組前期堆肥試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，堆肥原料填充率取60%，密度γ取300 kg/m3，計(jì)算可得每倉協(xié)同堆肥原料的總質(zhì)量為648 kg，按650 kg 進(jìn)行計(jì)算。易腐垃圾的理論含水率為70%～85%，風(fēng)干后園林垃圾的理論含水率為10%～25%［8］。為方便計(jì)算，取易腐垃圾含水率為80%，園林垃圾含水率為20%。此外，易腐垃圾的典型C/N 為14∶1，園林垃圾的典型C/N 為58∶1［9］，因此計(jì)算得協(xié)同堆肥原料組成設(shè)計(jì)及理論C/N 如表1 所示。

表1 協(xié)同堆肥原料組成設(shè)計(jì)及理論C/NTable 1 Design of raw material composition and theoretical C/N ratio for collaborative composting

堆肥原料的C/N 宜為20∶1～30∶1［10］。對于本研究的協(xié)同堆肥試驗(yàn)，其原料之一的園林垃圾由于含有生物較難降解的木質(zhì)素和纖維素，其原料中有機(jī)物的可降解性偏低，故而本研究協(xié)同堆肥原料C/N 應(yīng)該比傳統(tǒng)的堆肥原料更高。

6 倉協(xié)同堆肥試驗(yàn)實(shí)際堆肥進(jìn)料情況如表2 所示。從含水率來看，6 倉協(xié)同堆肥試驗(yàn)均按照試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)進(jìn)行原料配比，實(shí)際進(jìn)料的含水率和C/N都在設(shè)計(jì)值附近。

表2 協(xié)同堆肥試驗(yàn)實(shí)際進(jìn)料情況Table 2 Actual feeding situation of collaborative composting

1.3.3 溫度監(jiān)測

在協(xié)同好氧堆肥過程中對發(fā)酵倉進(jìn)行了溫度監(jiān)測，單個(gè)發(fā)酵倉側(cè)面有3 個(gè)測溫孔（圖3），分別位于倉體的上、中、下部，每天使用溫度計(jì)對堆體進(jìn)行溫度監(jiān)測，取3 處溫度實(shí)測值的平均值作為堆體實(shí)際溫度。

圖3 發(fā)酵倉測溫孔分布Figure 3 Distribution of temperature measuring holes in fermentation chamber

1.3.4 通風(fēng)設(shè)計(jì)

通風(fēng)量在好氧堆肥各階段起著重要作用。就初級堆肥而言，升溫階段目的是激起微生物活性，應(yīng)勤通風(fēng)；到達(dá)高溫階段，則應(yīng)增大通風(fēng)量，利用通風(fēng)為微生物活動(dòng)提供充足的氧氣，同時(shí)帶走堆體中大量水汽，起到降低物料含水率和保持堆體溫度的效果。本節(jié)主要對單層發(fā)酵倉的通風(fēng)供氧進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算。

保障好氧堆肥能順利進(jìn)行的通風(fēng)量為最低通風(fēng)量Qlow，按公式（1）計(jì)算［11］：

式中：Qlow為保障好氧堆肥順利進(jìn)行的最低通風(fēng)量，m3/d；Ro2為好氧速率，取103.3 mol/（m3·d）；M為發(fā)酵倉內(nèi)堆肥原料的質(zhì)量，kg；γ為堆肥原料的密度，kg/m3；0.107 為經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)。

根據(jù)1.3.2 對堆肥原料的設(shè)計(jì)可知，理論上發(fā)酵倉內(nèi)原料的質(zhì)量M為650 kg，堆肥原料的γ為300 kg/m3，代入公式（1）可計(jì)算出保障好氧堆肥順利進(jìn)行的Qlow=23.94 m3/d，即0.017 m3/min；

充分去除堆體水分和維持堆體溫度的通風(fēng)量為最高通風(fēng)量Qh，在對Qh進(jìn)行計(jì)算時(shí)，將單個(gè)發(fā)酵倉看作1 個(gè)堆肥系統(tǒng)，通過對系統(tǒng)的熱量平衡來計(jì)算。

堆體發(fā)酵溫度為65 ℃時(shí)產(chǎn)生的熱量qr按公式（2）計(jì)算［11］：

式中：qr為堆肥原料發(fā)酵產(chǎn)生的生化反應(yīng)熱，kJ/d；ε為易降解有機(jī)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，取0.15；Mr為堆肥原料的摩爾質(zhì)量，g/mol；qo2為氧氣的反應(yīng)熱，為443.12 kJ/mol；18.75 為經(jīng)驗(yàn)公式參數(shù)；kT為物料溫度為T時(shí)的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)常數(shù)，為0.038 d-1。將M=650 kg，Mr=416 g/mol 等數(shù)值代入公式（2）可得到qr=73 997.58 kJ/d。

在忽略倉體散熱的情況下，堆肥系統(tǒng)的熱量損失可按公式（3）進(jìn)行計(jì)算：

式中：qs為堆肥系統(tǒng)需要的熱量，kJ/d；qt為堆肥原料溫度上升需要的熱量，kJ/d，在高溫階段堆體不再升溫，故此時(shí)qt=0；qa為冷空氣升溫所需要的熱量，kJ/d；qw為水汽蒸發(fā)吸熱所需要的熱量，kJ/d。

式中：Ca為空氣比熱容，取1.007 kJ/（kg·℃）；ma為通氣量，kg/d；T為出氣溫度，取65 ℃，T0為堆體初始溫度，取20 ℃。

式中：?為水汽化所需熱量，取2 260 kJ/kg；mw為通氣量為ma時(shí)能帶走的水汽的量，kg/min。mw按公式（7）～公式（9）進(jìn)行計(jì)算［11］：

式中：Pout為出氣蒸氣壓，kPa；Pin為進(jìn)氣蒸氣壓，kPa；Tout為出氣溫度，取338 K；Tin為進(jìn)氣溫度，取298 K；?out為出氣相對溫度，取1.0；?in為進(jìn)氣相對溫度，取0.8。

根據(jù)系統(tǒng)熱量守恒，即qr=qs，可以計(jì)算出Qh=239.7 m3/d，即0.16 m3/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 堆肥溫度分析

初級堆肥階段主要是利用高溫菌作用實(shí)現(xiàn)有機(jī)物迅速降解和物料無害化。從圖4（a）和圖4（b）可以看出，6 倉協(xié)同堆肥試驗(yàn)在初級堆肥階段整體溫度情況表現(xiàn)正常，均能在初級堆肥階段實(shí)現(xiàn)無害化（65 ℃以上3 d），其中原料含水率為46.21%的C1 倉只能勉強(qiáng)保持65 ℃以上3 d。隨著含水率升高，升溫速度加快，原料含水率為73.15% 的C6 倉在進(jìn)料10 h 后便升溫至65 ℃以上，并可保持高溫3 d 以上，無害化程度良好。

圖4 C1～C6 倉初級發(fā)酵及協(xié)同堆肥試驗(yàn)全過程溫度變化Figure 4 Temperature variation of primary fermentation and the whole process of collaborative composting experiment in C1～C6 warehouse

次級堆肥階段主要是實(shí)現(xiàn)較難降解有機(jī)物的分解和物料資源化。從圖4（c）和圖4（d）可以看出，協(xié)同堆肥試驗(yàn)的初級堆肥階段均能實(shí)現(xiàn)物料無害化，有機(jī)物被大量分解后堆體溫度明顯下降。次級堆肥階段剛開始溫度會(huì)有回升，短暫維持高溫后平穩(wěn)下降，第30 天左右與環(huán)境溫度相差較小，堆體內(nèi)有機(jī)質(zhì)基本腐熟穩(wěn)定化。

原料含水率在60% 以下的C1、C2、C3 倉在次級堆肥階段第23 天左右溫度基本維持穩(wěn)定，和環(huán)境溫度相當(dāng)，堆體有機(jī)質(zhì)基本腐熟穩(wěn)定化；原料含水率在60% 以上的C4、C5、C6 倉在次級堆肥階段第28 天時(shí)堆體溫度仍然處于下降狀態(tài)，有機(jī)物未充分腐熟穩(wěn)定化?？紤]園林垃圾含有大量木質(zhì)素、纖維素等降解緩慢的物質(zhì)，在初級堆肥階段無法被完全降解，次級堆肥降解所需時(shí)間也比傳統(tǒng)堆肥時(shí)間更長。

2.2 減量化分析

減量化情況是評價(jià)好氧堆肥是否成功的主要指標(biāo)之一，T/HW 00011—2020 中對初級堆肥減量化指標(biāo)進(jìn)行了量化規(guī)定，要求減容率和減重率都應(yīng)在20%以上。對6 倉堆肥試驗(yàn)初級堆肥產(chǎn)品進(jìn)行減量化分析，如表3 所示，結(jié)果均滿足T/HW 00011—2020 中減量化指標(biāo)要求，減量化效果較好。6 倉協(xié)同堆肥試驗(yàn)的初級堆肥過程的減容率為26.71%～38.14%，C1、C2、C3 和C4 倉的減容率均低于30%，考慮原料中園林垃圾較多，在初級堆肥階段較難完全分解，故減容率表現(xiàn)不如C5 和C6。6 倉協(xié)同堆肥試驗(yàn)的初級堆肥過程的減重率為30.62%～38.48%，其中C6 倉的減重率最大，達(dá)到38.48%。

表3 初級堆肥減量化效果分析Table 3 Analysis of reduction effect in primary composting

半成品含水率也是判斷初級堆肥是否成功的主要指標(biāo)之一。T/HW 00011—2020 規(guī)定初級堆肥的產(chǎn)品含水率應(yīng)在55% 以下。本次試驗(yàn)所用的間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置設(shè)計(jì)有兩套通風(fēng)系統(tǒng)，可以有效除去堆體內(nèi)的水分。試驗(yàn)結(jié)束后對出料的含水率進(jìn)行了測定，并根據(jù)公式（10）計(jì)算了脫水效率，結(jié)果如表4 所示。經(jīng)過初級堆肥后6 倉物料的脫水效率都保持在40%左右。C1、C2、C3 和C4 倉初級堆肥出料含水率均滿足規(guī)程要求，而C5 和C6 倉初級堆肥出料含水率不滿足規(guī)程要求。

表4 初級堆肥脫水效率分析Table 4 Dehydration efficiency analysis of primary composting

式中：Pw為進(jìn)料含水率，%；Q進(jìn)為進(jìn)料質(zhì)量，kg；P出為出料含水率，%；Q出為出料質(zhì)量，kg。

2.3 協(xié)同堆肥產(chǎn)品質(zhì)量分析

初級堆肥結(jié)束后，選取了堆肥試驗(yàn)溫度較好的C5 和C6 倉的初級堆肥產(chǎn)品運(yùn)往二次堆場進(jìn)行次級堆肥，次級堆肥約28 d 后堆體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，好氧堆肥基本完成，堆肥原料形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。對C5 和C6 倉的次級堆肥產(chǎn)品進(jìn)行無害化和資源化檢測，結(jié)果如表5 所示。

表5 次級堆肥產(chǎn)品無害化檢測結(jié)果Table 5 Results of harmless test of secondary composting products

從無害化角度來看，C5 和C6 倉的次級堆肥產(chǎn)品中汞和砷的含量遠(yuǎn)小于指標(biāo)要求，糞大腸菌群值和蛔蟲卵死亡率均達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，由此可知物料在經(jīng)過初級堆肥和次級堆肥后已完全實(shí)現(xiàn)無害化。從資源化角度來看，C5 和C6 倉的次級堆肥產(chǎn)品中總養(yǎng)分和有機(jī)物含量等指標(biāo)均達(dá)到NY/T 525—2021 的指標(biāo)要求。次級堆肥完成后，產(chǎn)品的pH 呈弱堿性，能滿足指標(biāo)要求。從含水率來看，C5 倉的次級堆肥產(chǎn)品含水率低于30%，滿足其商業(yè)化流通相關(guān)指標(biāo)要求，C6 倉的次級堆肥產(chǎn)品含水率略高于30%，但不影響其就地使用。從種子發(fā)芽指數(shù)來看，C6 倉的次級堆肥產(chǎn)品的種子發(fā)芽指數(shù)為53.4%，相較于其初級堆肥產(chǎn)品的11.4%有很大的提升，說明次級堆肥過程可進(jìn)一步分解初級堆肥階段難以分解的有機(jī)物，并降低其植物毒性，使得種子發(fā)芽指數(shù)大幅上升，基本滿足就地利用的要求，能實(shí)現(xiàn)次級堆肥產(chǎn)品資源化利用。

3 結(jié)論與展望

1）研究表明原料含水率越高，初級堆肥溫度效果和減量化效果越好。不同含水率配比下園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥在初級堆肥階段均能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品無害化。同時(shí)，次級堆肥產(chǎn)品的pH 和含水率滿足就地回田使用的要求，總養(yǎng)分和有機(jī)物含量等均達(dá)到NY/T 525—2021 的指標(biāo)要求，能實(shí)現(xiàn)堆肥產(chǎn)品資源化利用。園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥試驗(yàn)可行性和可操作性高，含水率在70% 以上也可實(shí)現(xiàn)有效堆肥，有效拓寬了傳統(tǒng)堆肥的原料含水率范圍（45%～65%）。

2）從本研究的結(jié)果看，園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥可行性高，在原料含水率較高的情況下仍能取得較好的好氧堆肥效果，實(shí)現(xiàn)園林垃圾與易腐垃圾的資源化處理，這種處理方式值得在農(nóng)村范圍內(nèi)推廣使用。在后續(xù)的研究中，建議進(jìn)一步研究各種典型的園林垃圾與易腐垃圾協(xié)同堆肥的不同效果，并重點(diǎn)關(guān)注次級堆肥階段的時(shí)間問題，保證園林垃圾中的木質(zhì)素、纖維素能充分降解，形成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。