生活垃圾生物稳定化处理效果研究*

文国来 ，陈爽爽，肖应钦

（1.广东南粤生态环境科技有限公司，广东 江门 529100；2.惠州出入境检验检疫局，广东 惠州 516006）

垃圾堆肥化过程对原生垃圾可以显著减量和降解有机物及降低含水率，同时可适度提高垃圾发热量和降低浸出液中氨氮浓度［1］。有研究指出，生活垃圾于生物反应器厌氧发酵3～5个月的基础上，曝气对发酵垃圾具有较好的除水效果，可加速有机质的降解，氮、磷、钾等主要营养元素经曝气呈现浓缩效应，提高了垃圾的肥效和利用价值［2］。笔者在前人研究的基础上，利用好氧堆肥原理研制了1 套处理装置和工艺，采用垃圾分选、堆肥仓高温发酵、后袋式发酵及负压抽气、生物滤池除臭等综合技术集中无害化处理农村生活垃圾，缩短发酵时间，然后通过筛分，可生产生物有机肥，从而做到垃圾减量化、资源化利用。

1 材料与方法

1.1 试验材料与地点

本试验在广州市番禺区大石镇猛涌村进行，该村垃圾日产生量2 t，基本为厨余、塑料袋、塑料盒、纸巾等生活垃圾。取样测得垃圾的基本理化性质为：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 工艺流程

试验采用的工艺流程如图1 所示。去除塑料、玻璃、砖瓦、金属、纺织物等难降解的和大件物质后，投入堆肥反应装置进行预处理12 d，采取连续进料的方式。

图1 工艺流程

1.3 试验装置

本试验采用的装置如图2 所示。该装置由堆肥反应仓、抽风机、冷凝塔和生物滤池4个部分组成。堆肥仓设置了4个小仓，每个小堆肥仓的规格为1.45 m×0.9 m×1.2 m，可容纳垃圾1.56 m3，其中堆体高度大致为1 m，整个装置为全密封式。

图2 生活垃圾生物稳定化处理装置

1.4 试验方法

试验采用的方法为：高温发酵12 d→后熟化12 d→最终熟化12 d，堆肥时间为36 d，形成堆肥产品。

1.5 测试指标与测试方法

1.5.1 样品采集

取猛涌村垃圾中转站原生生活垃圾100 kg，其中有机垃圾占78.4%，混合均匀，为便于采样和实验室测定，分取5 kg 装入尼龙网袋，共12袋，埋入堆肥反应器中随堆体一起进行高温发酵处理，12 d 后袋式发酵。分别在第0、4、8、12、24、36 天取样分析各项指标，24 h 内即进行室内测定。

1.5.2 测试指标与测试方法

温度：堆体温度利用温度计测定，堆体高度为1 m，设置上（10 cm）、中（30 cm）、下（60 cm）3个点测量温度，然后取其平均值。水分：105 ℃烘干法。称取样品并将其与蒸馏水以1：10（W：V）充分混合，振荡1 h，离心30 min 后过滤，以备水溶性指标的测定。pH：pHS-3D 型pH计（上海精科）。水溶性碳：重铬酸钾氧化法。NH3-N：纳氏试剂分光光度法（HJ 535—2009）。COD：快速消解分光光度法（HJ/T 399—2007）。全氮：半微量开氏法；全磷：NaOH 熔融-钼锑抗比色法；全钾：NaOH 熔融-火焰光度法。有机质：重铬酸钾容量法-外加热法。

2 结果与讨论

2.1 温度的变化

微生物在自身的生命活动过程中氧化分解有机物，同时放出热量，温度的变化是好氧堆肥过程中的一个很重要的指标［3］。堆肥化过程中，微生物分解有机物，并产生热量，有时原料温度会上升到70～80 ℃。温度上升到70 ℃以上后，不适宜大多数好热微生物的生长繁殖，微生物大量死亡或进入休眠状态，这时在死亡的微生物含有的各种酶作用下，有机质的分解仍能够进行一段时间［4］。发热程度决定于原料组成及堆积规模，而且翻堆也使其变化。由于高温度和水分蒸发，杂草种子和病原菌等有害因素被杀灭。堆肥过程中的温度变化受到堆肥物料、有机含量、pH、C/N、通气性、水分含量等多种因素的共同影响［5］。图3 为在高温发酵12 d 堆体温度随时间的变化情况，在设备良好的保温情况下，4个仓堆体温度都在第2 天达到50 ℃左右，随后便进入高温发酵期，堆体的平均温度在60 ℃左右，且能维持10 d 以上，达到了GB 7959—2012 粪便无害化卫生要求的规定（至少持续5 d 保持高温50～55 ℃以上）。

图3 堆体温度随时间的变化

2.2 水分和pH 的变化

水分是堆肥中微生物生长代谢所必需的，堆肥化过程中最适合的含水率是50%～60%，超过70%，则会明显降低分解速度，温度也会受到影响［6］。本试验中原料有机成分的比例很大，占70%以上，水分含量高，在试验中，用枯枝落叶堆肥调节了水分，使其在60%左右。本试验采用风机抽风，如图4 a 所示，堆体在高温下水分被逐渐蒸发，水蒸气被抽走，高温发酵阶段堆体水分减少了20.8%。袋式发酵阶段继续降低，堆肥结束时堆肥成品含水率为29.7%左右。

许多研究者指出pH 是作为堆肥成熟指标之一，堆肥化在碱性状态中进行，因为堆肥化过程中产生氨气。pH 也受堆肥原料和条件的影响，只能作为堆肥腐熟的一个必要条件，而不是充分条件［7-10］。一般认为pH 在7.5～8.5 时，可获得最大降解速率。本试验生活垃圾原料为酸性，从图4 b 看出，在高温发酵阶段，pH 上升，堆肥第8天pH 为8.8，此过程中堆体物料在微生物的作用下有机酸不断分解转化，而含氮有机物分解使氨含量增加致使pH 上升，第8 天至第12 天堆体一直处于微碱性环境，有利于微生物降解有机物。出仓后随着堆肥的进行，氨产生量减少，有机酸与之中和，从而使pH 逐渐稳定。从图4 b 可以看出，在堆肥结束时pH 略减少至7.87，堆体呈中性或者略碱性，符合堆肥腐熟时的特征。

图4 含水率和pH 随时间变化

2.3 水溶性碳（WSC）的变化

水溶性碳是堆肥原料中各种微生物优先利用的碳源。N.V.Hue 等认为堆肥水溶性碳含量低于10 g/kg 时，堆肥即已达到腐熟［11］。而通过研究城市生活垃圾、牛粪、污泥与落叶混合物3 种原料分别堆肥时水溶性碳的变化，得出在经过140 d 堆肥后，3 种堆肥的水溶性碳的含量均可达到4 g/kg 以下［12］。邹璇等发现以干鸡粪、米糠、磷矿粉和木薯渣混合堆肥时，经过63 d 堆肥结束时水溶性碳含量也在10 g/kg 以下［13］。还有研究者认为水溶性碳在5 g/kg 以下可以认为堆肥已腐熟，其相关研究论文中的有机垃圾堆肥中物料的水溶性碳基本上降到5g/kg以下。根据前人的研究成果，由图5 可见，本试验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，微生物大量生长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强，有机垃圾中的纤维素、半纤维素也开始降解，导致堆肥水溶性碳略有上升，最后水溶性碳逐渐被微生物利用，含量降低。经过36 d 的处理后最终含量为4.45 g/kg，生活垃圾稳定化程度提高。

2.4 浸出液NH3－N 和COD 变化

图5 水溶性碳随时间变化

生活垃圾稳定化过程中，其中蛋白质等含氮类物质的降解会累积大量的NH3－N，从图6 a 可以看出，在堆肥初期即前4 d 氨氮浓度迅速升高，最大时浓度为93.8 mg/L，此后从第4 天至第8天下降的速度也比较快，第12 天降至31.9 mg/L。出仓后袋式发酵期间下降比较平缓并趋于稳定，堆肥结束时氨氮浓度为15.1 mg/L。产生此变化的原因是在堆肥前几天，垃圾的pH 较低，为酸性，在堆置的过程中产生较多的氨氮，但是随着垃圾的pH 上升，导致NH3/NH3-N 的电离平衡向生成NH3的方向发展［14］，氨氮便开始减少，产生刺激性气味的NH3较多。在堆肥后期由于微生物的降解，蛋白质等含氮有机物含量减少，堆肥浸出液中氨氮含量也减少，相应垃圾的稳定性得到提高［15］。

图6 浸提液NH3-N 和COD 随时间变化

生活垃圾稳定化过程中，在仓内高温发酵阶段堆肥浸出液中的有机物迅速矿化，从图6 b可以看出，在前12 d COD 迅速下降，从开始的16 266 mg/L 降到第12 天的3 903 mg/L，降低了12 363 mg/L。经过高温堆肥预处理后，袋式发酵期间COD 继续下降，但下降趋于平缓，最后至堆肥结束时为1 770 mg/L，相对峰值下降了89.1%，结果表明生活垃圾浸出液污染产生潜力大大地消减，稳定性得到相应提高［16］。

2.5 堆肥成品各项指标

堆肥筛分后测定成品的各项指标，如表1 所示。参考NY 525—2002 技术指标，该试验堆肥成品除了水分外，酸碱度、有机质含量、总养分指标均达到了有机肥料标准。

表1 堆肥成品指标

3 结论

1）通过温度、水分、pH、水溶性碳和堆肥浸提液NH3-N、COD 浓度的测定结果可以看出，温度能达到60 ℃至少10 d 以上，使堆肥无害化；水分在堆肥结束时为29.7%，pH 为7.87，水溶性碳为4.45 g/kg，说明堆肥腐熟度好。浸提液NH3-N 为15.1 mg/L，是峰值（93.8 mg/L）的16.1%；COD 1 770 mg/L，为峰值（16 266 mg/L）的10.9%，生活垃圾污染潜力大大消减，稳定性提高，说明利用该工艺处理农村生活垃圾是可行的。

2）利用根据好氧堆肥原理研发的装置，并采用高温发酵12 d→后熟化12 d→最终熟化12 d，堆肥时间为36 d 的处理工艺能保证堆肥充分腐熟，生活垃圾基本稳定化，整个处理过程无二次污染，环保效果好。

3）经过筛分后的堆肥产品，氮、磷、钾含量之和超过4%。

4）该处理工艺占地面积小（20 m2），操作简便，能耗低，在垃圾源头分类的基础上，此工艺用来处理生活垃圾具有很好的推广示范作用。

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