廚余垃圾堆肥產(chǎn)出物中重金屬含量分析及潛在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

中圖分類號(hào)：X820.4

文章編號(hào)：1674-6139（2025）06-0151-05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

Content Analysis and Potential Risk Assessment of Heavy Metal in Compost Made with Kitchen Waste

Lai Jinli ^1，2 ，Wang Xiaoyan1，2， Sun Yu^1，2 ，Cai Xiaobo1，2，Ren Xiaoling ^1，2 （1.Beijing City Management Research Institute，Beijing 100028，China; 2.Beijing Key Laboratory of Domestic Waste Testing Analysisand Evaluation，Beijing 1OOo28，China）

Abstract：Inordertoanalyzeheavymetalsof thecompostmadewithitchenwaste，representativecompostsampleswerecolected fromfourdiferentproceses，whicharecharacterizedbyhightemperaturecomposting，dyamiccomposting，rapidcompostakingand on-sitecompostreatment.Inthissudyontentofhavymetalssuchssenic，mercuryleadcadmimandchromminopost samples wereanalyzed.The concentrations of As，Hg，Pb，Gdand Cr in all the compost samples ranged from 0.03～4.36 ， 0.01～0.78 ， 0.00＼～26.80，0.00＼～2.30， 2.40～124.00mg/kg ．The average concentrations of As， Hg ，Pb，Gd and Cr were 1.03，0.27，10.71， 0.71， 28.59mg/kg ，respectively.Theresult reached thestandardof NationalLimit Standards Organic Fertilizer（NY/T525-2021）. Singlefactorplutionindexmethod，comprehensivepolutionindexmethodandpotentialeologicalhazardindexmethodwereusedto evaluatetheriskof4typesofsamples，andtheresultsshowedthatheavymetalpolutionwaslessharmful totheenvironment.

Keywords：kitchen waste；compost；heavy metal pollution；risk assessment

前言

農(nóng)業(yè)農(nóng)村部《關(guān)于2023年全國(guó)肥料質(zhì)量監(jiān)督抽查情況的通報(bào)》中，有機(jī)肥料抽樣結(jié)果合格率為

76.6% ，存在總碑、總鉛、總鎘等重金屬超標(biāo)情況。這些重金屬因毒性、持久性和生物富集性成為全球共同關(guān)注的環(huán)境問(wèn)題[1-2]。重金屬一旦進(jìn)入生態(tài)后，會(huì)通過(guò)多種途徑，如土壤－植物系統(tǒng)、水體－生物系統(tǒng)等，進(jìn)行遷移和轉(zhuǎn)化，可能進(jìn)入食物鏈對(duì)人類健康構(gòu)成潛在威脅[3]

廚余垃圾加入了秸稈、瓜秧等輔助材料，通過(guò)好氧發(fā)酵等工藝轉(zhuǎn)化為堆肥，這一舉措顯著促進(jìn)了資源的循環(huán)利用[4-5]。學(xué)者在堆肥領(lǐng)域的研究已經(jīng)相當(dāng)廣泛，涵蓋了堆肥技術(shù)、影響因素以及效果評(píng)估等多個(gè)方面[6-8]。然而，垃圾分類后，產(chǎn)出物理化特性產(chǎn)生變化，并且面臨市場(chǎng)認(rèn)可度不高的問(wèn)題，主要原因之一是對(duì)A s，Hg，Pb，Cd 和Cr這五種重金屬含量的研究及評(píng)價(jià)相對(duì)匱乏。

為提升堆肥處理的無(wú)害化水平，驗(yàn)證垃圾處理的成效，研究采集了四種不同堆肥處理工藝得到的產(chǎn)出物。對(duì)樣品中 和 Cr 五種重金屬進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)定、分析與評(píng)價(jià)。期望為提升堆肥產(chǎn)出物的質(zhì)量、有效防治環(huán)境污染以及構(gòu)建和完善廚余垃圾資源化產(chǎn)業(yè)鏈條提供有力的數(shù)據(jù)支撐和科學(xué)依據(jù)。

材料與方法

1. 1 供試樣品的采集

供試樣品采自北京市4種好氧堆肥處理設(shè)施。按季度抽樣檢測(cè)，跟蹤18個(gè)月，共采集樣品24個(gè)。北京位于北緯39度56分、東經(jīng)116度20分，地處華北大平原的北部，建有生化處理設(shè)施24座，設(shè)計(jì)處理能力為8230噸/日，主要的生化處理工藝是好氧堆肥和厭氧發(fā)酵。（見圖1）

采樣點(diǎn)A：采用隧道式高溫好氧堆肥發(fā)酵技術(shù)，（以下簡(jiǎn)稱高溫堆肥）設(shè)計(jì)處理量 ，廚余垃圾經(jīng)預(yù)處理、固液分離、添加輔料后，進(jìn)行強(qiáng)制發(fā)酵、后腐熟發(fā)酵得到堆肥樣品，周期30天，工藝特點(diǎn)是經(jīng)濟(jì)、有效，技術(shù)簡(jiǎn)單[4]

采樣點(diǎn)B：采用“全自動(dòng)機(jī)械化-生物動(dòng)態(tài)好氧堆肥\"技術(shù)（動(dòng)態(tài)堆肥），設(shè)計(jì)處理量 1600t/d ，廚余垃圾與園林廢棄物混合后，進(jìn)行動(dòng)態(tài)好氧發(fā)酵，期間機(jī)械自動(dòng)翻堆，周期25天，特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)廚余垃圾與園林廢棄物協(xié)同處理。

采樣點(diǎn)C：采用“生物強(qiáng)化腐殖化”快速制肥技術(shù)（快速制肥），設(shè)計(jì)處理量 400‰ ，使用大型控氧生化處理設(shè)備，快速降解廢棄物固相中的營(yíng)養(yǎng)成分，周期1天，特點(diǎn)是周期快，日產(chǎn)日清，占地面積小、處理時(shí)間短。

采樣點(diǎn)D：采用“微生物 + 反應(yīng)倉(cāng)”技術(shù)就地處理廚余垃圾（就地制肥），設(shè)計(jì)處理量 1Vd ，向設(shè)備中加入耐高溫的好氧微生物菌，控制反應(yīng)溫度，不斷攪拌，實(shí)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)的快速降解，周期7天，特點(diǎn)是源頭減量 90% ，節(jié)約運(yùn)輸成本，緩解了集中處理壓力。

堆肥樣品的采集，依據(jù)《生活垃圾采樣和分析方法》（CJ/T313－2009）標(biāo)準(zhǔn)，在無(wú)大風(fēng)、雨、雪條件下，采用四分法采集樣品，以確保樣品的均勻性和代表性。操作為將堆肥樣品攪拌均勻后堆成圓形，將其十字四等分，隨機(jī)舍棄對(duì)角的兩份，余下部分重復(fù)操作，直至達(dá)到所需的采樣量。

1.2 樣品的處理

采集的堆肥樣品依據(jù)《肥料汞、砷、鎘、鉛、鉻、鎳含量的測(cè)定》（NY/T1978-2022）進(jìn)行處理。采用原子熒光光譜法測(cè)定As和 Hg 重金屬含量，采用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)定了 Pb 、Cd和Cr重金屬的含量。具體方法：稱取一定量試樣（精確到 _0.001g ，置于100mL 燒杯中，用少量水潤(rùn)濕，加入 20mL 王水，蓋上表面皿，于可調(diào)電熱板上消化。蒸至近干，用滴管滴加鹽酸數(shù)滴，驅(qū)趕剩余硝酸，反復(fù)數(shù)次，直至再次滴加鹽酸時(shí)無(wú)棕黃色煙霧出現(xiàn)為止。用少量水沖洗表面皿及燒杯內(nèi)壁并加熱溶解，取下冷卻，過(guò)濾，濾液收集于 50ml 容量瓶中，濾干后用少量水沖洗三次以上，合并于濾液。一份加入 10ml 濃度為 50g/l 硫脲溶液和 3ml 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 50% 鹽酸，用水定容，混勻，放置30分鐘后測(cè)試As和 Hg ；一份定容，混勻，測(cè)試 和 Cr 。每個(gè)樣品重復(fù)3次，取平均值，同時(shí)進(jìn)行空白對(duì)照試驗(yàn)。

1.3 重金屬污染的評(píng)價(jià)方法

研究采用單因子污染指數(shù)法、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法和潛在生態(tài)危害指數(shù)法對(duì)堆肥樣品重金屬污染進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

1.3.1單因子指數(shù)評(píng)價(jià)法

單因子污染指數(shù)法是采用污染物的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的比值作為單因子污染指數(shù)，污染指數(shù)越大，受污染程度越重。

P_i=C_i/S_i

式（1）中， P_i 為堆肥中重金屬 χ_i 的污染指數(shù)； C_i 為堆肥中重金屬 i 的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)平均值， mg/kg，S_i 為有機(jī)肥料中重金屬 χ_i 的限量值， mg/kg

1.3.2 綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)法

內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法同時(shí)兼顧了單因子污染指數(shù)的平均值和最高值，突出了重金屬含量較高的污染物對(duì)堆肥的影響，能夠更加全面的反應(yīng)重金屬污染情況，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外最常用的綜合評(píng)價(jià)方法之一[5」。

式（2）中， 為堆肥中重金屬的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)； P_i 為堆肥中各類重金屬的單因子污染指數(shù)平均值； P_imax 為堆肥中單一重金屬的單因子污染指數(shù)最大值[6]

1.3.3潛在生態(tài)危害指數(shù)法

1980年瑞典科學(xué)家Hakanson從沉積學(xué)角度提出了潛在生態(tài)危害指數(shù)法，用于評(píng)價(jià)重金屬污染程度[]，這種方法綜合考慮生態(tài)環(huán)境效應(yīng)和毒理學(xué)等方面，用等價(jià)指數(shù)分級(jí)評(píng)價(jià)潛在污染情況，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境評(píng)價(jià)。表達(dá)式如式（3）：

式（3）中， RI 為多元素環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)綜合指數(shù)； E_rⁱ 為第 i 種重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)； P_i 為第 i 種重金屬元素的單因子污染指數(shù)； 為重金屬 χ_i 的毒性響應(yīng)系數(shù)，Hakanson制定的重金屬標(biāo)準(zhǔn)化毒性系數(shù) T_rⁱ 分別為As = 10、Hg=40、Pb =5、Cd=30和Cr = 2[8]

單因子污染指數(shù)、內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)、潛在生態(tài)危害指數(shù)評(píng)級(jí)見表1。

1.4五種重金屬的限量標(biāo)準(zhǔn)

標(biāo)準(zhǔn)[9]及5種重金屬限量指標(biāo)見表2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

研究利用Excel2016完成堆肥樣品檢測(cè)數(shù)據(jù)的整理運(yùn)算和統(tǒng)計(jì)分析，用Origin2021進(jìn)行制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1重金屬含量分布

統(tǒng)計(jì)24個(gè)樣品檢測(cè)結(jié)果，如表3所示，5種重金屬元素含量的最大值均符合標(biāo)準(zhǔn)限量指標(biāo)。廚余垃圾堆肥中 As，Hg，Pb，Cd 和 Cr5 種重金屬含量的變化范圍分別為 0.03～4.36，0.01～0.78，0.00～26.80，0.00 ～2.30.2.40～124.00mg/kg ，平均值分別為 1.03，0.27 ）10.71，0.71，28.59mg/kg 。Cd含量未檢出樣品數(shù)有6個(gè)，占總抽樣數(shù)的 25.0% 。 Hg 含量變化范圍最小， Cr 含量變化范圍最大，其平均值遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離中位數(shù)，結(jié)合變異系數(shù)大于 1.0^[10] ，說(shuō)明這組數(shù)據(jù)的波動(dòng)性較大，因?yàn)闃悠分袠O個(gè)別樣品的Cr含量較高，拉高均值。

2.2 四類堆肥重金屬含量分析

抽樣采集的高溫堆肥、動(dòng)態(tài)堆肥、快速制肥、就地制肥樣品中，全部檢出了 As，Hg，Pb，Cd 和Cr中某種或多種重金屬元素。分析5種重金屬元素在4類樣品中平均值含量，如圖2所示。As和Cd表現(xiàn)為高溫堆肥 gt; 動(dòng)態(tài)堆肥 gt; 就地制肥 gt; 快速制肥， Pb 含量與As、Cd含量呈現(xiàn)類似規(guī)律，高溫堆肥、動(dòng)態(tài)堆肥中Pb的含量接近，并遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于就地制肥和快速制肥。 Hg 含量與其他重金屬含量比較，總體較低。Cr含量表現(xiàn)為快速制肥 gt; 就地制肥料 gt; 高溫堆肥gt; 動(dòng)態(tài)堆肥。

2.3單因子指數(shù)評(píng)價(jià)

根據(jù)5種廚余垃圾堆肥樣品中重金屬元素的均值與其標(biāo)準(zhǔn)限量指標(biāo)（如表2所示），按照式（1）運(yùn)算，得出對(duì)應(yīng)的單因子污染指數(shù)進(jìn)行比較分析（如圖3（a）所示），高溫堆肥、動(dòng)態(tài)堆肥的Cd單因子污染指數(shù)最高，分別為0.34和0.32，按照單因子污染評(píng)價(jià)等級(jí)（如表1所示）可得出，在小于1.0的范圍內(nèi)，屬于清潔水平?？焖僦品屎途偷刂品实膯我蜃游廴局笖?shù)普遍較低，屬于清潔水平。單因子污染指數(shù)最小的為快速制肥中的As，數(shù)值僅為0.02。

2.4綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)

如圖3（b）所示，4種工藝產(chǎn)出樣品的內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)由大到小分別為高溫堆肥 gt; 動(dòng)態(tài)堆肥 gt; 快速制肥 gt; 就地制肥，數(shù)值分別0.27、0.25、0.23、0.19，所有數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于警戒線0.7，結(jié)果為安全級(jí)別，多個(gè)元素對(duì)環(huán)境的綜合潛在風(fēng)險(xiǎn)和危害較小。

2.5 潛在生態(tài)危害評(píng)價(jià)

高溫堆肥、動(dòng)態(tài)堆肥、快速制肥、就地制肥4類樣品的重金屬環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)見表4，潛在生態(tài)危害指數(shù)分別為18.57、17.51、11.76、14.16。

4類樣品RI值均小于150，即均為低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，從大到小分別為高溫堆肥 gt; 動(dòng)態(tài)堆肥 gt; 就地制肥 gt; 快速制肥。這與綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)果略有差異，主要原因體現(xiàn)在兩方面，一是內(nèi)梅羅綜合污染指數(shù)法引入最大的單因子污染指數(shù)，在快速制肥工藝中有個(gè)別樣品Cr檢測(cè)結(jié)果高于其他數(shù)據(jù)，導(dǎo)致離散程度大，此污染物對(duì)環(huán)境影響和貢獻(xiàn)突出，二是潛在生態(tài)危害指數(shù)引入了毒性響應(yīng)系數(shù)，盡管Cr含量偏高，然而毒性響應(yīng)系數(shù)為2，低于其他重金屬毒性響應(yīng)系數(shù)，使得潛在生態(tài)危害指數(shù)較低，使得綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)登記為快速制肥 gt; 就地制肥。As、Hg，Pb，Cd 和Cr的潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)因子 E_rⁱ 均小于40，總體來(lái)看生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)程度處于輕微級(jí)別，低度潛在風(fēng)險(xiǎn)危害。

3結(jié)論

堆肥中 As，Hg，Pb，Cd 和 c_r 含量范圍分別為0.03～4.36，0.01～0.78，0.00～26.80，0.00～2.30 2.40～124.00mg/kg ，均值為 1.03，0.27，10.71，0.71 、28.59mg/kg ，符合《有機(jī)肥料》標(biāo)準(zhǔn)限值。不同堆肥工藝重金屬含量呈現(xiàn)不同分布規(guī)律。通過(guò)單因子、綜合污染指數(shù)和潛在生態(tài)危害指數(shù)法評(píng)估，結(jié)果為清潔水平、安全級(jí)別和微級(jí)別的低潛在生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。因土壤中重金屬會(huì)有不同程度的積累，建議定期檢測(cè)產(chǎn)品，達(dá)標(biāo)后出廠；作為土壤調(diào)理劑進(jìn)行調(diào)配后使用；給出施用量、頻次及稀釋倍數(shù)；并后續(xù)定期檢測(cè)土壤重金屬含量與形態(tài)，預(yù)防污染風(fēng)險(xiǎn)。

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