秦韓淼，譚志海，李世浩，秦 池，谷茂林，譚探探，花 雷

(西安工程大學(xué) 環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院，陜西 西安 710048)

0 引 言

我國城市垃圾粉碎填埋比例占80%，堆肥資源化處理量較低。城市生活垃圾累計存儲量已達60×109t[1]，并且城市垃圾年產(chǎn)量以1.5×109t為基點，每年以8%～10%的速率遞增，垃圾堆占耕地500 km2,產(chǎn)生的有害滲濾液和氣體直接經(jīng)濟損失達80億元人民幣[2]。隨著城市生活水平的提高和居住環(huán)境的改善，生活垃圾的主要成分也由以前的爐灰、煤渣轉(zhuǎn)變?yōu)閺N余垃圾?，F(xiàn)在的生活垃圾中40%以上是廚余垃圾[3]。在北京、上海等一線城市，廚余垃圾的占比高達60%～80%，對比其他垃圾，廚余垃圾具有含水率高、有機成分多、易腐爛、有害成分少等特點，為堆肥提供了必要的條件[4]。但其成分隨季節(jié)浮動較大且鹽分高，對堆肥有一定的阻礙作用[5-6]。如果不加以改善，在廚余垃圾收集和處理中會產(chǎn)生大量滲濾液和有害氣體，從而污染環(huán)境[7]。此外，廚余垃圾單位質(zhì)量熱值為2 100～3 100 kJ/kg，含水率非常高，對其能源化處理效益低，焚燒發(fā)電產(chǎn)熱不足[8]，其堆放也會造成土壤污染和地下水污染。秸稈等廢棄物仍以焚燒還田為主，利用率極低且會產(chǎn)生二次污染[9]。因此，尋找一種聯(lián)合堆肥方法以實現(xiàn)廚余垃圾和秸稈廢棄物資源化處理尤為重要。

本文通過對十堰市示范點的生活垃圾進行收集、分類、分析其組分及理化性質(zhì)、比較高溫堆肥技術(shù)下廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥腐熟效果和氮素控制效果。

1 實 驗

1.1 樣品采集

采集十堰市茅箭區(qū)五堰街道高檔區(qū)、政府家屬院、市第二小學(xué)和龔家灣社區(qū)垃圾樣品。選取新鮮樣品，經(jīng)手工分揀為廚余垃圾、其他垃圾和灰土。廚余垃圾和秸稈作為堆肥原料，各項指標包括含水率、總有機碳(TOC)、總氮(TN)、固相碳氮比(C/N)見表1。

表1 堆肥原料各項指標Tab.1 Various indicators of composting raw materials

1.2 堆肥方法

將廚余垃圾原料與廚余垃圾+秸稈(濕基質(zhì)量比9∶1)混合原料分別裝填在2個密閉自動發(fā)酵罐中進行堆肥，廚余垃圾罐和廚余垃圾+秸稈罐通風(fēng)量均為0.15 m3/h。不銹鋼密封式堆肥發(fā)酵罐高度0.7 m，外直徑0.46 m，壁厚0.05 m，密閉式堆肥發(fā)酵罐示意圖如圖1所示。

圖1 密閉式堆肥發(fā)酵罐示意圖Fig.1 Schematic diagram of closed composting fermentation tank

1.3 分析方法

直接測定廚余垃圾、其他垃圾和灰土的比例并測定總體質(zhì)量及各部分質(zhì)量。堆肥溫度用溫度自動檢測系統(tǒng)直接讀取。含水率是在105～110 ℃下的干燥箱中放置24 h，取出冷卻至室溫稱其質(zhì)量計算得出。pH值用S-3C型pH計測量； EC濃度用DDS-11A型電導(dǎo)率儀測量；E4/E6用722型可見光分光光度計在波長465、665 nm處分別測吸光度值；將廚余垃圾干燥并過0.149 mm篩，采用重鉻酸容量法-外加熱法測TOC，采用凱氏定氮法測TN，C/N由TOC/TN計算得出。在堆肥高溫期的不同時間，抽取發(fā)酵倉頂部的氣體，用標準硫酸滴定，測出氨氣含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 廚余垃圾理化性質(zhì)

對2020年3月10日和2020年4月21日取得的廚余垃圾樣品進行理化性質(zhì)測定，主要測定了其含水率、pH、電導(dǎo)率(EC)、TOC、TN和C/N，結(jié)果見表2。

表2 廚余垃圾的理化性質(zhì)Tab.2 The physical and chemical properties of kitchen waste

從表2可以看出，經(jīng)大類粗分后各居民點的廚余垃圾含水率在70%～77%之間，僅龔家灣社區(qū)相對較低。廚余垃圾包括水果、果皮和蔬菜，它們未經(jīng)風(fēng)干所以含水率較高。此外，廚余垃圾均呈酸性，電導(dǎo)率值較低，表明鹽分含量不高。廚余垃圾TOC含量較高，不同社區(qū)差別不大，最高可達532.57 g/kg，平均達458.16 g/kg，總氮含量在9.86～25.96 g/kg之間變化，平均為15.44 g/kg，C/N均值為33.4，適宜直接堆肥。

2.2 堆肥過程中腐熟度指標變化

2.2.1 pH變化 廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥2種堆肥處理方式隨堆肥時間的增加，pH值均有上升，堆肥過程中pH變化規(guī)律如圖2所示。

圖2 堆肥過程中pH值的變化Fig.2 Variation of pH value during composting

2.2.2 EC變化 EC表示堆肥浸提取液(取少量堆肥原料，加清水?dāng)嚢韬?，放?～5 min)中的離子濃度，堆肥過程中EC變化規(guī)律如圖3所示。

圖3 堆肥過程中EC變化Fig.3 Variation of EC during composting

從圖3可以看出，2種堆肥處理方式的EC變化呈先上升后下降的趨勢。因為升溫期以及高溫期微生物的活性較大，會大量分解有機物，使得堆體中可溶性鹽類含量增多[13]。隨后由于CO2、NH3的揮發(fā)，堆體中的EC值有所下降[14]。堆肥結(jié)束時電導(dǎo)率均小于4 mS/cm，置于土壤中，對農(nóng)作物的生長過程不會產(chǎn)生影響。從電導(dǎo)率指標看，2種堆肥方式都達到了腐熟標準。除堆肥的初始階段外，廚余垃圾堆肥的電導(dǎo)率值均高于廚余垃圾+秸稈堆肥，表明添加秸稈有助于堆肥腐熟度的提高。

2.2.3 腐熟度變化E4/E6表示采用腐殖酸(HA)[15]堿溶液作為溶劑在波長465、665 nm處的光密度比值。它是表征HA組成結(jié)構(gòu)的重要指標，可以反映腐熟程度。2種堆肥方式E4/E6的變化如圖4所示。

圖4 堆肥過程中E4/E6值的變化

從圖4可以看出，隨著堆肥時間的增加，E4/E6值呈上升趨勢，且中后期廚余垃圾+秸稈堆肥值高于廚余垃圾堆肥值。廚余垃圾+秸稈堆肥的前期變化較大，表明大量腐殖酸隨著時間變化向分子量越來越大和縮和度越來越高的方向轉(zhuǎn)化，說明腐殖化程度加深。從堆肥腐殖化作用的本質(zhì)看，廚余垃圾中的有機物大量轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)。廚余垃圾+秸稈堆肥的E4/E6值較大，表明堆體中有機物質(zhì)逐漸向固相大分子腐殖酸轉(zhuǎn)化，液相中小分子有機酸越來越少，堆肥腐殖化效果較好[16]。

2.2.4 TOC、TN和C/N變化 隨著堆肥時間的增加，廚余垃圾堆肥與廚余垃圾+秸稈堆肥的有機質(zhì)含量逐漸降低，堆肥過程中TOC、TN和C/N變化規(guī)律見表3。

從表3可以看出，在2種堆肥過程中，TOC的含量逐漸減少，這是由于原料中大量有機物在微生物作用下不斷分解轉(zhuǎn)化為CO2、水和小分子物質(zhì)，從而使得TOC隨著堆肥時間的延長明顯下降。隨著堆肥時間的延長，廚余垃圾+秸稈堆肥的TN呈上升趨勢。由于廚余垃圾+秸稈堆肥保水效果好，吸附了一些滲濾液，有利于氮素固定和保持，導(dǎo)致其TN含量上升，而廚余垃圾堆肥的TN呈下降趨勢，主要由于廚余垃圾作為原料不利于氮素固定和保持，同時滲濾液產(chǎn)生量較大，容易造成堆肥TN含量損失[17]。堆肥結(jié)束時，廚余垃圾+秸稈堆肥的TN含量相對較高，說明廚余垃圾+秸稈堆肥可以有效地控制氮素損失。理想C/N為20～40，綜合考慮控制在24～30,當(dāng)C/N降到約16時，則可認為堆肥基本腐熟[18]。廚余垃圾堆肥中C/N呈先上升再下降的趨勢，說明廚余垃圾堆肥中TOC和TN的變化不一致。堆肥升溫階段，氮素損失較強烈，而碳素損失較低，因此C/N呈上升趨勢。到后期至堆肥結(jié)束時，氮素損失較弱，而碳素損失較高，因此C/N呈下降趨勢。廚余垃圾堆肥結(jié)束時C/N仍高達32.579，說明廚余垃圾堆肥效果較差，腐熟程度較差。廚余垃圾+秸稈堆肥在整個堆肥期間TOC不斷減少，TN不斷增加，所以C/N呈下降趨勢，堆肥結(jié)束后廚余垃圾+秸稈堆肥C/N低于廚余垃圾堆肥。因此，添加秸稈可以提高廚余垃圾堆肥的腐熟程度和堆肥品質(zhì)。

表3 堆肥過程中TOC、TN和C/N變化Tab.3 Changes in TOC,TN and C/N during composting process

2.3 堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生規(guī)律

在整個堆肥期間，廚余垃圾+秸稈聯(lián)合堆肥過程中無滲濾液產(chǎn)生。廚余垃圾單獨堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量較多，堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生規(guī)律如圖5所示。

圖5 廚余垃圾堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量及累計產(chǎn)生量變化Fig.5 Leachate production and cumulative production during composting of kitchen waste

從圖5可以看出，滲濾液從堆肥的第3天開始產(chǎn)生，第21天后不再產(chǎn)生。滲濾液產(chǎn)生量與溫度有較好的相關(guān)性。當(dāng)溫度較低時，好氧微生物分解有機物緩慢，廚余垃圾堆肥中的水分大多以結(jié)合水的形式存在，滲濾液產(chǎn)生較少；而當(dāng)溫度較高時有機物被大量分解，產(chǎn)生較多游離水分，較容易以滲濾液的形式流出[19]。滲濾液累積產(chǎn)生量在3～9 d上升頻率最快，這一階段正是微生物處于活躍狀態(tài)，分解有機物速度最快的時期。最終的滲濾液累計產(chǎn)生量約為4.96 kg，占堆肥原料的18.26%。

2.4 堆肥過程中氨氣排放規(guī)律

在整個堆肥期間，2種堆肥方式前期均沒有出現(xiàn)氨氣的排放，后期呈現(xiàn)3次先上升后下降的趨勢，堆肥過程中氨氣的產(chǎn)生量變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 堆肥過程中氨氣的產(chǎn)生量變化Fig.6 Variation of NH3 production during composting

3 結(jié) 論

1) 從pH值、EC、E4/E6和C/N等指標來看，2種垃圾堆肥方式均達到了基本腐熟的效果。添加秸稈的堆肥其腐熟程度優(yōu)于廚余垃圾單獨堆肥，同時可以吸附轉(zhuǎn)化廚余垃圾中可溶性鹽分離子，有效降低堆肥中的鹽分濃度。

2) 從水分變化來看，廚余垃圾堆肥過程中滲濾液的產(chǎn)生量占堆肥原料的18.26%，而添加秸稈的堆肥過程中滲濾液產(chǎn)生量為0，蒸發(fā)損失了大量水分，可見秸稈的添加有效地改善了廚余垃圾堆肥過程中滲濾液的產(chǎn)生，也避免了以滲濾液形式產(chǎn)生的臭氣污染。

3) 從氨氣排放來看，廚余垃圾+秸稈堆肥中NH3的排放量明顯高于廚余垃圾單獨堆肥。添加秸稈加速了有機物的分解轉(zhuǎn)化，增加了通氣量，使得NH3揮發(fā)量不斷增加。