文國來 ，陳爽爽，肖應(yīng)欽

（1.廣東南粵生態(tài)環(huán)境科技有限公司，廣東 江門 529100；2.惠州出入境檢驗檢疫局，廣東 惠州 516006）

垃圾堆肥化過程對原生垃圾可以顯著減量和降解有機(jī)物及降低含水率，同時可適度提高垃圾發(fā)熱量和降低浸出液中氨氮濃度［1］。有研究指出，生活垃圾于生物反應(yīng)器厭氧發(fā)酵3～5個月的基礎(chǔ)上，曝氣對發(fā)酵垃圾具有較好的除水效果，可加速有機(jī)質(zhì)的降解，氮、磷、鉀等主要營養(yǎng)元素經(jīng)曝氣呈現(xiàn)濃縮效應(yīng)，提高了垃圾的肥效和利用價值［2］。筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，利用好氧堆肥原理研制了1 套處理裝置和工藝，采用垃圾分選、堆肥倉高溫發(fā)酵、后袋式發(fā)酵及負(fù)壓抽氣、生物濾池除臭等綜合技術(shù)集中無害化處理農(nóng)村生活垃圾，縮短發(fā)酵時間，然后通過篩分，可生產(chǎn)生物有機(jī)肥，從而做到垃圾減量化、資源化利用。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與地點

本試驗在廣州市番禺區(qū)大石鎮(zhèn)猛涌村進(jìn)行，該村垃圾日產(chǎn)生量2 t，基本為廚余、塑料袋、塑料盒、紙巾等生活垃圾。取樣測得垃圾的基本理化性質(zhì)為：含水率50%～70%，pH 5.19，水溶性碳70.0 g/kg，COD 16 266.0 mg/L，NH3-N 52.5 mg/L。

1.2 工藝流程

試驗采用的工藝流程如圖1 所示。去除塑料、玻璃、磚瓦、金屬、紡織物等難降解的和大件物質(zhì)后，投入堆肥反應(yīng)裝置進(jìn)行預(yù)處理12 d，采取連續(xù)進(jìn)料的方式。

圖1 工藝流程

1.3 試驗裝置

本試驗采用的裝置如圖2 所示。該裝置由堆肥反應(yīng)倉、抽風(fēng)機(jī)、冷凝塔和生物濾池4個部分組成。堆肥倉設(shè)置了4個小倉，每個小堆肥倉的規(guī)格為1.45 m×0.9 m×1.2 m，可容納垃圾1.56 m3，其中堆體高度大致為1 m，整個裝置為全密封式。

圖2 生活垃圾生物穩(wěn)定化處理裝置

1.4 試驗方法

試驗采用的方法為：高溫發(fā)酵12 d→后熟化12 d→最終熟化12 d，堆肥時間為36 d，形成堆肥產(chǎn)品。

1.5 測試指標(biāo)與測試方法

1.5.1 樣品采集

取猛涌村垃圾中轉(zhuǎn)站原生生活垃圾100 kg，其中有機(jī)垃圾占78.4%，混合均勻，為便于采樣和實驗室測定，分取5 kg 裝入尼龍網(wǎng)袋，共12袋，埋入堆肥反應(yīng)器中隨堆體一起進(jìn)行高溫發(fā)酵處理，12 d 后袋式發(fā)酵。分別在第0、4、8、12、24、36 天取樣分析各項指標(biāo)，24 h 內(nèi)即進(jìn)行室內(nèi)測定。

1.5.2 測試指標(biāo)與測試方法

溫度：堆體溫度利用溫度計測定，堆體高度為1 m，設(shè)置上（10 cm）、中（30 cm）、下（60 cm）3個點測量溫度，然后取其平均值。水分：105 ℃烘干法。稱取樣品并將其與蒸餾水以1：10（W：V）充分混合，振蕩1 h，離心30 min 后過濾，以備水溶性指標(biāo)的測定。pH：pHS-3D 型pH計（上海精科）。水溶性碳：重鉻酸鉀氧化法。NH3-N：納氏試劑分光光度法（HJ 535—2009）。COD：快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）。全氮：半微量開氏法；全磷：NaOH 熔融-鉬銻抗比色法；全鉀：NaOH 熔融-火焰光度法。有機(jī)質(zhì)：重鉻酸鉀容量法-外加熱法。

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度的變化

微生物在自身的生命活動過程中氧化分解有機(jī)物，同時放出熱量，溫度的變化是好氧堆肥過程中的一個很重要的指標(biāo)［3］。堆肥化過程中，微生物分解有機(jī)物，并產(chǎn)生熱量，有時原料溫度會上升到70～80 ℃。溫度上升到70 ℃以上后，不適宜大多數(shù)好熱微生物的生長繁殖，微生物大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)，這時在死亡的微生物含有的各種酶作用下，有機(jī)質(zhì)的分解仍能夠進(jìn)行一段時間［4］。發(fā)熱程度決定于原料組成及堆積規(guī)模，而且翻堆也使其變化。由于高溫度和水分蒸發(fā)，雜草種子和病原菌等有害因素被殺滅。堆肥過程中的溫度變化受到堆肥物料、有機(jī)含量、pH、C/N、通氣性、水分含量等多種因素的共同影響［5］。圖3 為在高溫發(fā)酵12 d 堆體溫度隨時間的變化情況，在設(shè)備良好的保溫情況下，4個倉堆體溫度都在第2 天達(dá)到50 ℃左右，隨后便進(jìn)入高溫發(fā)酵期，堆體的平均溫度在60 ℃左右，且能維持10 d 以上，達(dá)到了GB 7959—2012 糞便無害化衛(wèi)生要求的規(guī)定（至少持續(xù)5 d 保持高溫50～55 ℃以上）。

圖3 堆體溫度隨時間的變化

2.2 水分和pH 的變化

水分是堆肥中微生物生長代謝所必需的，堆肥化過程中最適合的含水率是50%～60%，超過70%，則會明顯降低分解速度，溫度也會受到影響［6］。本試驗中原料有機(jī)成分的比例很大，占70%以上，水分含量高，在試驗中，用枯枝落葉堆肥調(diào)節(jié)了水分，使其在60%左右。本試驗采用風(fēng)機(jī)抽風(fēng)，如圖4 a 所示，堆體在高溫下水分被逐漸蒸發(fā)，水蒸氣被抽走，高溫發(fā)酵階段堆體水分減少了20.8%。袋式發(fā)酵階段繼續(xù)降低，堆肥結(jié)束時堆肥成品含水率為29.7%左右。

許多研究者指出pH 是作為堆肥成熟指標(biāo)之一，堆肥化在堿性狀態(tài)中進(jìn)行，因為堆肥化過程中產(chǎn)生氨氣。pH 也受堆肥原料和條件的影響，只能作為堆肥腐熟的一個必要條件，而不是充分條件［7-10］。一般認(rèn)為pH 在7.5～8.5 時，可獲得最大降解速率。本試驗生活垃圾原料為酸性，從圖4 b 看出，在高溫發(fā)酵階段，pH 上升，堆肥第8天pH 為8.8，此過程中堆體物料在微生物的作用下有機(jī)酸不斷分解轉(zhuǎn)化，而含氮有機(jī)物分解使氨含量增加致使pH 上升，第8 天至第12 天堆體一直處于微堿性環(huán)境，有利于微生物降解有機(jī)物。出倉后隨著堆肥的進(jìn)行，氨產(chǎn)生量減少，有機(jī)酸與之中和，從而使pH 逐漸穩(wěn)定。從圖4 b 可以看出，在堆肥結(jié)束時pH 略減少至7.87，堆體呈中性或者略堿性，符合堆肥腐熟時的特征。

圖4 含水率和pH 隨時間變化

2.3 水溶性碳（WSC）的變化

水溶性碳是堆肥原料中各種微生物優(yōu)先利用的碳源。N.V.Hue 等認(rèn)為堆肥水溶性碳含量低于10 g/kg 時，堆肥即已達(dá)到腐熟［11］。而通過研究城市生活垃圾、牛糞、污泥與落葉混合物3 種原料分別堆肥時水溶性碳的變化，得出在經(jīng)過140 d 堆肥后，3 種堆肥的水溶性碳的含量均可達(dá)到4 g/kg 以下［12］。鄒璇等發(fā)現(xiàn)以干雞糞、米糠、磷礦粉和木薯渣混合堆肥時，經(jīng)過63 d 堆肥結(jié)束時水溶性碳含量也在10 g/kg 以下［13］。還有研究者認(rèn)為水溶性碳在5 g/kg 以下可以認(rèn)為堆肥已腐熟，其相關(guān)研究論文中的有機(jī)垃圾堆肥中物料的水溶性碳基本上降到5g/kg以下。根據(jù)前人的研究成果，由圖5 可見，本試驗生活垃圾堆肥的水溶性碳先大幅度下降，后略有升高，最后下降。原因是在堆肥初期，微生物大量生長繁殖需要利用堆肥中可直接利用的水溶性碳，使得前8 d 堆肥水溶性碳含量迅速下降，此后由于微生物活性增強(qiáng)，有機(jī)垃圾中的纖維素、半纖維素也開始降解，導(dǎo)致堆肥水溶性碳略有上升，最后水溶性碳逐漸被微生物利用，含量降低。經(jīng)過36 d 的處理后最終含量為4.45 g/kg，生活垃圾穩(wěn)定化程度提高。

2.4 浸出液NH3－N 和COD 變化

圖5 水溶性碳隨時間變化

生活垃圾穩(wěn)定化過程中，其中蛋白質(zhì)等含氮類物質(zhì)的降解會累積大量的NH3－N，從圖6 a 可以看出，在堆肥初期即前4 d 氨氮濃度迅速升高，最大時濃度為93.8 mg/L，此后從第4 天至第8天下降的速度也比較快，第12 天降至31.9 mg/L。出倉后袋式發(fā)酵期間下降比較平緩并趨于穩(wěn)定，堆肥結(jié)束時氨氮濃度為15.1 mg/L。產(chǎn)生此變化的原因是在堆肥前幾天，垃圾的pH 較低，為酸性，在堆置的過程中產(chǎn)生較多的氨氮，但是隨著垃圾的pH 上升，導(dǎo)致NH3/NH3-N 的電離平衡向生成NH3的方向發(fā)展［14］，氨氮便開始減少，產(chǎn)生刺激性氣味的NH3較多。在堆肥后期由于微生物的降解，蛋白質(zhì)等含氮有機(jī)物含量減少，堆肥浸出液中氨氮含量也減少，相應(yīng)垃圾的穩(wěn)定性得到提高［15］。

圖6 浸提液NH3-N 和COD 隨時間變化

生活垃圾穩(wěn)定化過程中，在倉內(nèi)高溫發(fā)酵階段堆肥浸出液中的有機(jī)物迅速礦化，從圖6 b可以看出，在前12 d COD 迅速下降，從開始的16 266 mg/L 降到第12 天的3 903 mg/L，降低了12 363 mg/L。經(jīng)過高溫堆肥預(yù)處理后，袋式發(fā)酵期間COD 繼續(xù)下降，但下降趨于平緩，最后至堆肥結(jié)束時為1 770 mg/L，相對峰值下降了89.1%，結(jié)果表明生活垃圾浸出液污染產(chǎn)生潛力大大地消減，穩(wěn)定性得到相應(yīng)提高［16］。

2.5 堆肥成品各項指標(biāo)

堆肥篩分后測定成品的各項指標(biāo)，如表1 所示。參考NY 525—2002 技術(shù)指標(biāo)，該試驗堆肥成品除了水分外，酸堿度、有機(jī)質(zhì)含量、總養(yǎng)分指標(biāo)均達(dá)到了有機(jī)肥料標(biāo)準(zhǔn)。

表1 堆肥成品指標(biāo)

3 結(jié)論

1）通過溫度、水分、pH、水溶性碳和堆肥浸提液NH3-N、COD 濃度的測定結(jié)果可以看出，溫度能達(dá)到60 ℃至少10 d 以上，使堆肥無害化；水分在堆肥結(jié)束時為29.7%，pH 為7.87，水溶性碳為4.45 g/kg，說明堆肥腐熟度好。浸提液NH3-N 為15.1 mg/L，是峰值（93.8 mg/L）的16.1%；COD 1 770 mg/L，為峰值（16 266 mg/L）的10.9%，生活垃圾污染潛力大大消減，穩(wěn)定性提高，說明利用該工藝處理農(nóng)村生活垃圾是可行的。

2）利用根據(jù)好氧堆肥原理研發(fā)的裝置，并采用高溫發(fā)酵12 d→后熟化12 d→最終熟化12 d，堆肥時間為36 d 的處理工藝能保證堆肥充分腐熟，生活垃圾基本穩(wěn)定化，整個處理過程無二次污染，環(huán)保效果好。

3）經(jīng)過篩分后的堆肥產(chǎn)品，氮、磷、鉀含量之和超過4%。

4）該處理工藝占地面積小（20 m2），操作簡便，能耗低，在垃圾源頭分類的基礎(chǔ)上，此工藝用來處理生活垃圾具有很好的推廣示范作用。

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