高 娣， 奚永蘭， 劉 洋， 曹風雷， 朱 艷， 王宇欣， 孔祥平， 杜 靜， 葉小梅

(1.江蘇省農(nóng)業(yè)科學院循環(huán)農(nóng)業(yè)研究中心，江蘇 南京 210014； 2.南京農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210014； 3.江蘇大學農(nóng)業(yè)裝備工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013； 4.江蘇省沛縣大屯街道環(huán)衛(wèi)辦公室，江蘇 沛縣 221611)

隨著中國經(jīng)濟的飛速發(fā)展，城鄉(xiāng)差距越來越大，為了進一步減小城鄉(xiāng)之間的差距，近年來黨中央提出了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略目標，在《中共中央國務(wù)院關(guān)于實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的意見》中，黨中央將“改善農(nóng)民居住環(huán)境，建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村”列為重要目標之一[1]。隨著農(nóng)民生活水平的不斷提高，農(nóng)村固體廢棄物的數(shù)量急劇增長，給農(nóng)村環(huán)境造成了巨大壓力。因此，建設(shè)美麗宜居鄉(xiāng)村，必須解決農(nóng)村生活垃圾問題。

與城市生活垃圾的處理規(guī)模相比，人們對農(nóng)村生活垃圾的關(guān)注度和處理程度不高，大多數(shù)垃圾露天隨意堆放，不但孳生蚊蟲，而且會產(chǎn)生惡臭氣味，從而嚴重污染環(huán)境衛(wèi)生。造成這一局面的原因是多方面的，其中的主要原因是農(nóng)村居民較為分散，尤其在山村地區(qū)，這導致生活垃圾的運輸處置成本非常高[2]，因此需要探索低成本的農(nóng)村生活垃圾處理模式。目前，在各種生活垃圾的處理方法中，厭氧發(fā)酵法因其既能有效處理垃圾又能產(chǎn)生清潔的能源而受到廣泛關(guān)注，成為近年來研究的熱點，厭氧發(fā)酵主要指廢棄物在厭氧條件下通過微生物的代謝活動而被穩(wěn)定化，同時產(chǎn)生甲烷、二氧化碳和氫氣的過程[3]。分析有機垃圾的養(yǎng)分含量對評價厭氧發(fā)酵質(zhì)量具有重要意義，不同地方的生活垃圾養(yǎng)分含量受到經(jīng)濟和生活習慣的影響有較大差別。農(nóng)村生活垃圾中餐廚垃圾等易腐有機物含量高，是厭氧發(fā)酵較好的原料，而且農(nóng)村不同于城市，具有廣闊的地理空間，適合建設(shè)厭氧發(fā)酵設(shè)施。

沛縣作為江蘇省較早啟動垃圾分類的縣(市)，自從2016年啟動農(nóng)村生活垃圾分類試點工作后，農(nóng)村的環(huán)境面貌得到了有效改進，進一步提高了農(nóng)民的生活質(zhì)量和幸福指數(shù)。2017年6月，沛縣被中華人民共和國住建部確定為全國農(nóng)村垃圾分類和資源化利用示范縣，大屯街道成為江蘇省農(nóng)村生活垃圾分類試點鎮(zhèn)。2019年9月，沛縣被列為國家衛(wèi)生縣城。隨著國家“綠色宜居村鎮(zhèn)技術(shù)創(chuàng)新”項目的啟動，沛縣大屯街道也被列為分類后村鎮(zhèn)生活垃圾資源化利用的項目示范工程所在地。除了較為普遍的堆肥處理方式外，厭氧發(fā)酵處理技術(shù)是實現(xiàn)生活垃圾資源化利用的另一重要路徑，因此有必要對當?shù)氐挠袡C生活垃圾進行理化性質(zhì)分析，從而為生活垃圾發(fā)酵工程的技術(shù)路線選擇提供主要基礎(chǔ)參數(shù)。由于沛縣有機垃圾的前段分揀較為細致且大屯街道各個垃圾處理站點都采用同樣的垃圾分類模式收集，因此本研究選取大屯街道王莊村的生活垃圾分類處置中心為取樣點，按月對大屯街道生活垃圾分類處置中心的生活垃圾原料堆垛進行為期1年的多點采樣，分析其含水率、全氮含量、全磷含量、全鉀含量、有機碳含量、纖維素含量、半纖維素含量、木質(zhì)素含量的變化，研究用該生活垃圾原料進行厭氧發(fā)酵的可行性。由于目前尚缺少對沛縣有機生活垃圾理化性質(zhì)的分析，所以這一選題具有較大的研究價值。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2018年9月至2019年8月，對在江蘇省徐州市沛縣大屯街道王莊村生活垃圾分類處置中心的生活垃圾原料堆垛進行多點采樣，各點取2 kg樣品并混合后取2 kg混合樣品，采樣頻率為每月1次。

1.2 研究方法

在測定理化性質(zhì)指標時，設(shè)3個平行樣，結(jié)果取平均值。

1.2.1 含水率的測定 樣品于105 ℃烘箱中烘干至恒質(zhì)量時的質(zhì)量占樣品原質(zhì)量的比例即為樣品的含水率，計算公式如下：

含水率=(m0-m1)/m0×100%

(1)

式中，m1為樣品中的干物質(zhì)質(zhì)量(g)，m0為樣品的總質(zhì)量(g)。

1.2.2 有機碳含量的測定 樣品中有機碳含量的測定采用稀釋熱法[4]，利用濃硫酸和重鉻酸鉀迅速混合時所產(chǎn)生的熱量來氧化有機質(zhì)，剩余的重鉻酸鉀用硫酸亞鐵來滴定，根據(jù)所消耗的重鉻酸鉀的量來計算樣品中有機碳含量，計算公式如下：

(2)

式中，V1為滴定空白樣品所用FeSO4溶液的體積(ml)，V2為滴定樣品所用FeSO4溶液的體積(ml)，c為所用FeSO4溶液的當量濃度(N)，0.003為1當量濃度碳的質(zhì)量(g)，1.330為氧化矯正系數(shù)，m為樣品干質(zhì)量(g)。

1.2.3 全氮含量的測定 樣品全氮含量的測定采用凱氏定氮法[4]，將樣品烘干至恒質(zhì)量后，首先經(jīng)粉碎機粉碎，再過60目篩，然后取0.1～0.2 g樣品進行消煮。將消煮液冷卻、定容后取過濾液進行蒸餾，然后采用酸式滴定法進行測定，計算公式如下：

(3)

式中，V為滴定樣品所用酸標準溶液體積(ml)，V0為滴定空白樣品所用酸標準溶液體積(ml)，c為所用酸標準溶液濃度(mol/L)，14為氮原子的摩爾質(zhì)量(g/mol)，m為烘干樣品質(zhì)量(g)，n=消煮溶液定容體積(L)/所取體積(L)。

1.2.4 全磷含量的測定 樣品經(jīng)H2SO4-H2O2消煮后，采用釩鉬黃比色法測定其全磷含量[4]。消煮后樣品中的正磷酸鹽在酸性條件下可以與偏磷酸鹽、鉬酸鹽形成穩(wěn)定的黃色釩鉬酸鹽，用分光光度計可以測得樣品中的全磷含量，計算公式如下：

(4)

式中，ρ為通過標準曲線查得的顯色液中磷的質(zhì)量濃度(μg/ml)，V為顯色液體積(ml)，分取倍數(shù)=消煮液體積/吸取的消煮液體積，m為干樣品質(zhì)量(g)。

1.2.5 全鉀含量的測定 樣品用H2SO4-H2O2消煮后，可以采用火焰光度計測定樣品中的全鉀含量[4]，計算公式如下：

(5)

式中，ρ為通過標準曲線查得的顯色液中鉀的質(zhì)量濃度(μg/ml)，V為測定液體積(ml)，分取倍數(shù)=消煮液體積/吸取的消煮液體積，m為干樣品質(zhì)量(g)。

1.2.6 半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量的測定 采用范氏洗滌纖維分析法測定樣品中的纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量[4]。先將樣品用中性洗滌劑煮沸，煮沸后剩余的部分為中性洗滌纖維，主要成分為半纖維素、纖維素、木質(zhì)素和硅酸鹽。然后用酸性洗滌劑處理樣品，洗滌后剩余的部分為酸性洗滌纖維，主要包括纖維素、木質(zhì)素和硅酸鹽。再用72%硫酸處理酸性洗滌纖維，所剩殘渣主要包括木質(zhì)素和硅酸鹽。最后，將殘渣放入馬弗爐中灰化，消失的那一部分即為木質(zhì)素。因此，通過上述不同處理前后的質(zhì)量差分別可以計算得出半纖維素、纖維素和木質(zhì)素含量(本研究以質(zhì)量分數(shù)計)。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 25.0進行計算、統(tǒng)計和處理分析,作圖軟件為OriginPro 9.1。

2 結(jié)果與分析

2.1 沛縣大屯街道有機生活垃圾的處理現(xiàn)狀

大屯街道位于江蘇省徐州市沛縣中北部，南鄰沛城，西接安國鎮(zhèn)，東臨微山湖，總面積為51.5 km2，總?cè)丝跒?.223×105人，地處蘇北濱湖平原，氣候宜人，風景優(yōu)美，土地肥沃，物產(chǎn)豐富，屬于溫暖帶半濕潤氣候，四季分明，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，春季天氣多變，年平均氣溫為14.2 ℃，年平均無霜期約為201 d，一般年平均降水量為816.4 mm，年平均相對濕度為72%[5]。此外，大屯街道是工業(yè)強鎮(zhèn)和農(nóng)業(yè)大鎮(zhèn)，其中農(nóng)作物以小麥、水稻為主，糧食作物面積為5 600 hm2，村鎮(zhèn)工業(yè)和私營個體企業(yè)基礎(chǔ)扎實，經(jīng)濟發(fā)展迅猛[6]。

全鎮(zhèn)共設(shè)19個行政村，常住人口為5.7×104人，春夏季日產(chǎn)垃圾量較大，可達65 t，秋冬季日產(chǎn)垃圾量較少，為55 t左右，人均日產(chǎn)垃圾量為1.14～0.96 kg。沛縣自從2016年啟動農(nóng)村生活垃圾分類試點后，積極推進垃圾分類工作，形成了“戶分類投放、村分揀收集、鎮(zhèn)回收清運、有機垃圾生態(tài)處理”的模式，創(chuàng)新性地采用“兩分法”的分類方式，將生活垃圾分為“可堆肥垃圾”和“其他垃圾”，每天定時收集垃圾，將“其他垃圾”經(jīng)中轉(zhuǎn)站壓縮后送到垃圾焚燒廠，并對“可堆肥垃圾”進行資源化處理。

2.2 沛縣大屯街道有機生活垃圾理化性質(zhì)的年度變化

2.2.1 沛縣大屯街道有機生活垃圾含水率的年度變化 垃圾的含水率受當?shù)貧夂?、季?jié)、垃圾成分等多種因素的影響。從圖1可以看出，沛縣大屯街道有機生活垃圾含水率偏高，整體在78%左右，其中4月、7月、9月的有機生活垃圾含水率大于78%，主要由于春夏季溫度較高，人們消耗新鮮蔬菜、水果等含水率高的食物較多；而11月、12月、2月等月份的含水率低于78%，主要原因可能是秋冬季節(jié)新鮮蔬菜、水果的產(chǎn)量少、消耗量低，且垃圾的總產(chǎn)量也比春夏季節(jié)低。目前，大多數(shù)有機垃圾的處理方式為堆肥，有研究發(fā)現(xiàn)，堆肥原料最適合的含水率約為65%[7]，但是有機垃圾的含水率較高，為80%～70%，不適合采用堆肥處理?；谵r(nóng)村有機垃圾的高含水率、高有機質(zhì)含量的特性，采用厭氧發(fā)酵方式處理農(nóng)村有機垃圾，不但可以實現(xiàn)垃圾的無害化和資源化，同時可以創(chuàng)造一定的經(jīng)濟利益[8]。綜上得出，用厭氧發(fā)酵法處理沛縣大屯街道的有機生活垃圾較堆肥處理法更為適宜。

圖1 沛縣大屯街道有機生活垃圾含水率的年度變化Fig.1 Annual changes in moisture content of organic domestic waste in Datun Street, Pei County

2.2.2 沛縣大屯街道有機生活垃圾中養(yǎng)分含量的年度變化 沛縣大屯街道有機生活垃圾主要由剩菜、剩飯、菜葉、果皮等組成，所以其有機碳、氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素含量豐富。從圖2、圖3可以看出，沛縣大屯街道有機生活垃圾的有機碳含量和全氮含量豐富，其中1-12月的平均有機碳含量約為40%，4月、5月的有機碳含量均低于35%，分別為29%、30%，可能是由于冬季過后，居民的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從高脂肪、高熱量飲食轉(zhuǎn)換為清淡飲食；1-12月的全氮含量為12～26 g/kg，其中9月、10月、11月的全氮含量都較低，分別為12 g/kg、15 g/kg、11 g/kg，可能由于該時間段屬于夏秋交替的季節(jié)，肉類等高蛋白質(zhì)食物的消耗量較少，而12月、1月、2月的全氮含量較高，分別為26 g/kg、21 g/kg、23 g/kg，可能由于冬季春節(jié)期間肉類等高蛋白質(zhì)食物的消耗量較高。從圖3還可以看出，1-12月沛縣大屯街道有機生活垃圾的全磷含量為2～12 g/kg，全鉀含量為7～16 g/kg。厭氧發(fā)酵過程中起主導作用的是產(chǎn)甲烷菌，產(chǎn)甲烷菌生長狀態(tài)良好是厭氧發(fā)酵過程順利進行的前提，由于產(chǎn)甲烷菌所需的主要營養(yǎng)物質(zhì)為有機碳、氮、磷、鉀等，而大屯街道有機生活垃圾中有機碳、氮、磷、鉀含量豐富，因而均能滿足厭氧發(fā)酵的工藝要求[9]。

圖2 沛縣大屯街道有機生活垃圾中有機碳含量的年度變化Fig.2 Annual changes in organic carbon content of organic domestic waste in Datun Street, Pei County

圖3 沛縣大屯街道有機生活垃圾中氮、磷、鉀含量的年度變化Fig.3 Annual changes in nitrogen, phosphorus and potassium contents of organic domestic waste in Datun Street, Pei County

2.2.3 沛縣大屯街道有機生活垃圾碳氮比(C/N)的年度變化 一般認為，適宜的碳氮比 (有機物中有機碳質(zhì)量分數(shù)與總氮質(zhì)量分數(shù)的比值)為15～30[7]。若碳氮比過高，表明含氮量不足，緩沖能力較低，pH值容易降低，反之若碳氮比過低，則表明含氮量過高，微生物會將多余的氮代謝為氨(NH3)釋放出來，從而使影響發(fā)酵液酸堿度的物質(zhì)碳酸氫銨(NH4HCO3)含量增加，碳酸氫銨含量增加雖然可以提高發(fā)酵液的緩沖能力，但是銨鹽容易積累，從而抑制發(fā)酵反應(yīng)的進行[10]。從圖4可以看出，沛縣大屯街道1-12月有機生活垃圾的平均碳氮比約為17，其中12月、2月的碳氮比較低，分別為15、16，可能是春節(jié)期間肉類等高蛋白質(zhì)食物的消耗量較大等原因造成的；而4月的碳氮比比2月更低，可能是2019年4月肉類價格有所降低，肉類消費量增加造成的，6月、9月、11月的碳氮比較高，分別為24、36、40，結(jié)合當?shù)氐氖吖牧糠治隹芍赡苁窍募臼吖颓锛炯t薯、馬鈴薯等高淀粉含量的應(yīng)季蔬果消耗量較大。綜上可知，沛縣大屯街道各月份有機生活垃圾的碳氮比較適宜厭氧發(fā)酵。

圖4 沛縣大屯街道有機生活垃圾碳氮比的年度變化Fig.4 Annual changes in carbon-nitrogen ratio of organic domestic waste in Datun Street, Pei County

2.2.4 沛縣大屯街道有機生活垃圾中半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量的年度變化 由圖5可以看出，1-12月沛縣大屯街道有機生活垃圾中的半纖維素含量為8%～22%，其中12月、1月、4月的半纖維素含量較低，分別為9.10%、8.00%、9.05%，這可能是由冬季新鮮蔬菜的消耗量較少造成的；除了1月的纖維素含量為8%外，其余月份的纖維素含量基本都在10%以上，最高的是11月(18%)；由于大屯街道的有機生活垃圾主要由剩飯、剩菜、菜葉和果皮組成，所以木質(zhì)素含量偏低，1-12月的平均含量約為8%。在厭氧發(fā)酵過程中，易溶解的碳水化合物降解得最快，蛋白質(zhì)、脂肪降解的速度次之，最難降解的是纖維素、木質(zhì)素[11]。農(nóng)作物秸稈普遍被用作厭氧發(fā)酵的原料，其半纖維素含量約為20%，纖維素含量約為35%，木質(zhì)素含量約為20%[12]。綜上，與農(nóng)作物秸稈相比，沛縣大屯街道有機生活垃圾更易降解。

圖5 沛縣大屯街道有機生活垃圾半纖維素、纖維素、木質(zhì)素含量的年度變化Fig.5 Annual changes in hemicellulose, cellulose and lignin contents of organic domestic waste in Datun Street, Pei County

2.3 沛縣大屯街道有機生活垃圾理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

通過對沛縣大屯街道1年內(nèi)有機生活垃圾理化性質(zhì)的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，不同養(yǎng)分含量間存在一定的相關(guān)性。由表1可以看出，全鉀含量與全氮含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.492，P<0.01)，而全磷含量與全氮含量呈極顯著負相關(guān)(r=-0.561，P<0.01)；沛縣大屯街道有機生活垃圾的C/N與其他多數(shù)指標間具有較高的相關(guān)性，其中C/N與全氮含量呈極顯著負相關(guān)(r=-0.849，P<0.01),而C/N與有機碳含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.730，P<0.01)，C/N與全磷含量呈極顯著正相關(guān)(r=0.627，P<0.01)，半纖維素含量也與C/N具有較高的相關(guān)性(r=0.717，P<0.01)，半纖維素含量與纖維素含量也呈極顯著正相關(guān)(r=0.679，P<0.01)。C/N是厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵性指標，可以判斷厭氧發(fā)酵效果的好壞，從以上相關(guān)性分析結(jié)果看出，C/N與全氮含量、全磷含量、有機碳含量、木質(zhì)素含量、纖維素含量、半纖維素含量等均具有極顯著相關(guān)性。

2.4 沛縣大屯街道有機生活垃圾的可利用性展望

從環(huán)保的角度看，沛縣大屯街道有機生活垃圾主要廢棄物來源為剩飯、剩菜、蔬菜葉、瓜果皮等，這些物質(zhì)在自然條件下極易發(fā)生降解、腐敗，從而污染環(huán)境。采用厭氧發(fā)酵技術(shù)可以使農(nóng)村有機生活垃圾更好地發(fā)酵降解。從經(jīng)濟角度看，厭氧發(fā)酵充分利用了有機廢棄物中的有機質(zhì)能源，使生活垃圾得到了再次利用，從而大大降低了能源成本[13]。此外，農(nóng)村地區(qū)地理空間大，便于就地建設(shè)有機生活垃圾厭氧發(fā)酵設(shè)施生產(chǎn)沼氣，在當?shù)靥幚砩罾蟠蠊?jié)約了垃圾運輸成本。由此可見，沛縣大屯街道有機生活垃圾厭氧發(fā)酵具有較好的開發(fā)利用前景[14]。

表1 沛縣大屯街道1年內(nèi)有機生活垃圾理化性質(zhì)的相關(guān)性

3 結(jié) 論

通過1年內(nèi)每個月對沛縣大屯街道有機生活垃圾進行取樣，分析其理化性質(zhì)，主要結(jié)果為：沛縣大屯街道有機生活垃圾含水率集中在75%～80%；有機碳含量約為40%；氮含量豐富，全氮含量為12～26 g/kg；C/N主要為17～23，發(fā)酵過程中無需調(diào)節(jié)C/N；木質(zhì)素含量較低(3%～13%)，易降解；生活垃圾各理化性質(zhì)間具有一定的相關(guān)性，尤其是C/N與其他大多數(shù)指標間具有顯著相關(guān)性。綜上可得，沛縣大屯街道有機生活垃圾是較理想的厭氧發(fā)酵原料。