我国农村有机生活垃圾好氧堆肥研究进展

陈 冰，张思梦，蒲志红

(中国城市建设研究院有限公司，北京 100120)

1 我国农村有机生活垃圾污染现状

随着我国综合国力和经济水平不断提高，农村生活水平有大幅提升，农村生活垃圾产量增长迅速，出现“垃圾围村”现象，严重损害了农村生态环境，我国农村生活垃圾产生量约为3亿t，并以每年8%～10%的速率增长[1]，大量无法及时有效处理的生活垃圾影响农民正常生产生活和农村经济建设，是我国亟需解决的问题。2014年我国启动农村生活垃圾治理专项活动，提出用5年时间实现全国90%村庄的生活垃圾得到治理的目标，2015年住建部发布《住房城乡建设部等部门关于全面推进农村垃圾治理的指导意见》，指出要在全国100个县推行农村生活垃圾分类和资源化利用示范试点，旨在推进农村生活垃圾能够“减量化、资源化”处理。

我国农村生活垃圾与城市生活垃圾相比有较大差别，主要包括厨余、草木、树叶、秸秆、纸类、布类、渣石、灰土、塑料、玻璃等，具有数量大、热值低、垃圾堆放点分散、单位产量小、成分复杂、季节变化性大、区域差异明显等特点。随着我国经济总体实力不断增强，农村经济迅猛发展，农民生活水平得到提高，导致农村生活垃圾在数量上和结构上均向城市生活垃圾靠拢，表现为生活垃圾中有机物数量增多，但是由于我国国土辽阔，各个地区人口分布、饮食习惯等存在差异，生活垃圾产生量和结构成分不同。各省市农村生活垃圾产生量为0.03～8.50kg/(人·d)，其中北京市农村生活垃圾产生量最大，是最小值黑龙江省的2.85倍[2]。不同区域农村垃圾产生量为中部地区>东部地区>西部地区，南北方农村生活垃圾差异较显著，北方农村人均生活垃圾高于南方，北方以渣土等无机物为主，南方以厨余垃圾等有机物为主。

2 农村有机生活垃圾好氧堆肥处理技术概述

2.1 好氧堆肥基本定义

好氧堆肥是在通气条件好，氧气充足的条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化以及分解的过程。好氧微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多生物体。通常，好氧堆肥的温度较高，一般在55～60 ℃时较好，所以好氧堆肥也称高温堆肥。高温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌，同时，对有机质的降解速度快，堆肥所需天数短，臭气发生量少，是堆肥化的首选。农村生活垃圾有其多样性和复杂性，随着农村社会经济水平提高，农民物质生活不断改善，农村生活垃圾中有机质和水分含量较高的厨余垃圾占到垃圾总量的24%[3]，好氧堆肥处理农村有机生活垃圾具有优势。

2.2 好氧堆肥进程

农村有机生活垃圾堆肥是一个生物化学反应过程，将垃圾中的有机质分解为CO2、H2O、肥料等并释放大量热量。从垃圾堆积到肥料腐熟，微生物类群比较复杂，根据堆肥过程中温度的变化，可以将农村有机生活垃圾好氧堆肥分成3个阶段：中温阶段、高温阶段和腐熟阶段。

2.2.1 中温阶段

中温阶段也称为升温阶段。在堆肥初期，堆体基本呈中温(15～45 ℃)，堆体中嗜温性微生物如中温放线菌、蘑菇菌等利用堆肥中可溶性有机物质糖类、脂肪、碳水化合物等不断繁殖。在转换和利用化学能过程中释放大量热量，由于堆料的保温作用，温度逐渐升高，促进嗜温菌大量繁殖，导致更多有机物降解，释放更多热量，堆体温度不断升高[4]。

2.2.2 高温阶段

当堆体温度上升到45 ℃以上时，堆肥进入高温阶段。随着温度升高，嗜温性微生物生命活动受到抑制作用，甚至出现嗜温性微生物大量死亡现象，此时大量嗜热性微生物生长活跃。上一阶段残留的、新形成的可溶性有机物质继续分解，有机物中复杂难分解的化合物开始分解。堆肥物质开始进入稳定状态，形成腐殖质。堆肥过程中，堆体温度50 ℃时，放线菌、嗜热真菌较活跃，60 ℃时，嗜热性放线菌、细菌较活跃，70 ℃时微生物大量死亡。

堆肥过程中，堆体内微生物生长可分为3个阶段，即对数增长期、减速增长期、内源呼吸期。在对数生长期时，由于营养物质过剩，微生物生长繁殖速度较快，处于对数生长；当堆体中有机物被大量微生物消耗而迅速减少时，营养物质成为微生物生长繁殖的限制因素，微生物生长繁殖速度随着营养物质浓度降低而减速；当堆体中的营养物质消耗殆尽时，微生物无法从外界获得营养转而进入内源呼吸期。内源呼吸伴随微生物整个生命期一直存在，由于外界营养物质充足时，细胞内合成作用远大于消耗，但是当外界营养物质匮乏时，微生物无法从外界获得营养物质，只能通过代谢自身细胞内营养物质来维持微生物的生命活动。最终导致微生物生长不断受到限制，大量甚至绝大部分微生物死亡。

2.2.3 腐熟阶段

在高温阶段，嗜温性微生物大量死亡，嗜热性微生物生命繁殖旺盛，内源呼吸后期，堆体中容易降解的有机物基本降解完毕，剩下较难降解的有机物，营养物质匮乏，嗜热性微生物大量死亡，释放热量减少，堆体温度随之降低，进入腐熟阶段。在腐熟阶段中，由于堆体温度下降，嗜温性微生物开始大量繁殖，分解堆体中剩余的较难分解成分复杂的有机物。随着腐殖质不断增多且温度下降至40 ℃时，堆肥达到稳定状态。

3 好氧堆肥影响因素

3.1 含水率

在堆肥过程中，含水率具有非常重要的地位，微生物从堆体中摄取水分来维持正常生命活动。堆体中水分的含量影响有机生活垃圾好氧堆肥的发酵速度和堆肥质量，而且，水分含量因素对微生物生命活动的影响比温度大很多，可以仅仅通过调控微生物外界环境中水分含量来改变微生物的生命活动的活性，因此，含水率对好氧堆肥成败具有非常重要的作用，要使堆体处于最佳含水率。在好氧堆肥期间，微生物以水为媒介对有机物进行生物降解。含水率较低时，微生物对有机物生物降解速度受影响，含水率低于10%～15%时，微生物的新陈代谢作用普遍停止。堆体中含水率过高，会使堆体通气性能降低，空气流通作用下降，氧气含量减少甚至造成厌氧环境，影响微生物的好氧生命活动。大量研究结果表明，针对不同堆肥基质的最佳含水率范围为45%～70%，而对于大多数堆肥基质含水率最佳范围为50%～60%，但无论什么堆肥基质，堆体中含水率不能低于40%。因此，对于堆体初期含水率达不到最佳范围时需要对含水率进行调控。当堆体含水率低于最佳范围时，只需要对堆体进行补水来达到最佳含水率范围；当堆体含水率高于最佳含水率范围时，需要在堆体中添加调理剂，从而使堆体含水率降低到最佳范围。

3.2 碳氮比(C/N)

好氧堆肥过程中碳氮比影响微生物对有机物的分解速度，决定好氧堆肥时间。有研究表明，当堆体中碳氮比为15∶1时，碳元素缺少，氮元素过量，微生物分解有机物速率加快，堆体温度上升快，但达到最高温度较低，好氧堆肥周期缩短，多余的氮会以氨气的形式挥发或者溶液方式流失，不利于好氧堆肥的进行。当堆体碳氮比高于35∶1时，微生物进行更多次的生命循环活动，对有机物降解作用时间会更长来消耗掉过量的碳，堆体温度上升较慢，但达到的最高温度会升高。大量研究结果表明碳氮比最佳范围为25～35∶1[5,6]。碳氮比对好氧堆肥具有非常重要的作用，要保证好氧堆肥正常顺利进行，必须使堆体中碳氮比维持在一个适宜范围内。好氧堆肥过程中，氮的转化作用主要为氨化和硝化，大量的氮会以氨的形式挥发，如果没有较好的保氮措施，氮的损失会达到9.6%～19.6%，为了加强保氮作用，可以在堆体中添加对氨具有吸附作用的泥煤、沸石、钙、盐等碳酸盐来保持堆体中氮的含量。因此，当堆体中碳氮比较高时，氮元素缺乏，可以在堆体中添加具有保持氮作用的调理剂，也可以适当添加畜禽粪便等氮源进行调节；当堆体中碳氮比较低时，碳元素缺乏，可以在堆体中添加米糠、木屑等高碳含量的调理剂来将碳氮比调节至适宜范围。

3.3 温度

堆体温度极大影响微生物生长繁殖和堆肥进程，对堆肥反应速率具有决定性作用，适宜的温度可以促进堆肥顺利进行。堆体温度随着堆肥时间的增加而变化，一般的，好氧堆肥堆体的温度变化可以分为3个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段。在堆肥初期，堆体下部的温度比上部温度高，随着堆肥时间不断增加，堆体上部的温度逐渐比堆体下部温度高。堆体温度变化还受到调理剂和堆料初始温度的影响。当堆体中调理剂含量较高时，堆体升温和降温速度较快，高温阶段持续时间短。当堆体中调理剂含量较低时，堆体升温速度和降温速度均较慢，堆体能够达到最高温度较低，起不到对堆体进行杀虫灭菌作用。大量研究发现，嗜温菌的适宜温度是30～40 ℃，嗜热菌的适宜温度是45～60 ℃，高温堆肥适宜温度为45～60 ℃，高温好氧堆肥可将堆体中寄生虫、虫卵、病原菌等杀死，又可以将嗜热菌保持在高生命活动状态，加速对堆体中有机物分解，加快好氧堆肥进程。

3.4 pH值

在堆肥过程中，pH值随着好氧堆肥进行而逐渐变化。pH值不会直接影响堆体中微生物对有机质的降解，而是影响微生物的生命活动活性，间接影响好氧堆肥进行。堆体中适宜的pH值可以促进微生物生长繁殖，加速好氧堆肥进程，pH值过高或者过低均会抑制微生物的生长繁殖，降低微生物分解有机物的能力，减缓堆肥效率。一般的，能够进行好氧堆肥允许的pH值范围为3～12，而适宜好氧堆肥的范围为7.5～8.5[7]。研究发现，不同的堆肥原料初始pH值不同。堆肥初始pH值较低，会极大抑制好氧堆肥的进行，微生物对有机质降解速率比处于适宜pH值的堆体降解速率慢。当堆体pH值维持在8左右时，可以显著提高好氧堆肥反应速度，极大缩短整个好氧堆肥的反应时间，但是当pH值为5时，微生物对堆体中葡萄糖和蛋白质的生物降解作用几乎停止。因此，为了提高好氧堆肥过程中微生物生命活动活性，可以添加石灰、氯化铁等调理剂来控制堆体pH值，保证好氧堆肥顺利快速进行。

3.5 有机质含量

好氧堆肥是堆体中微生物分解有机物的生物化学过程，堆体中有机物含量会直接影响堆肥温度的变化和微生物的生命繁殖。对于好氧堆肥过程，要保证堆体的发热量和温度。研究结果表明，高温好氧堆肥中，适宜的有机物含量范围是20%～80%。当堆体中有机物含量高于80%时，高含量的有机物需要更加大量的氧气供应，而实际情况很难达到堆体对空气的要求，会使堆体产生缺氧状态进行厌氧发酵，使好氧堆肥工艺失败，产生不合格的产品。当堆体中有机物含量低于20%，堆肥过程产生的热量较低，不能达到好氧堆肥过程中所需要的高温，致使堆体中嗜热菌生命活动受到抑制且无法杀灭堆体中有毒有害的致病菌、寄生虫等，无法保证好氧堆肥的顺利进行和产品质量。在进行农村生活垃圾好氧堆肥过程中，含量较高的无机物不利于好氧堆肥的顺利进行，应当适当调整堆肥原料的有机物组分。可以在农村生活垃圾中添加部分污水污泥、畜禽粪便、农作物秸秆等，既可以增加堆体中有机物含量，又可以处理部分污水污泥、畜禽粪便、农作物秸秆等。

3.6 通气量

通气量也是好氧堆肥能够成功的一个非常重要因素，通气是为了给堆体中好氧微生物在降解有机质过程中提供生长繁殖必须的氧气，维持微生物正常生命活动，如果堆体内氧含量过低，会使微生物处于缺氧状态，降低有机物分解速率，甚至进行厌氧发酵；调节堆体温度，堆体内嗜热菌进行生物降解有机物需要微生物在生命活动中产生的高温，但是，长时间的高温会抑制微生物的生命活性，需要控制通风量来调节堆体温度；散失大量水分使堆肥迅速干化，在堆肥后期应大量通风，通过空气带走堆体内大量水分并使堆体降温，减少堆肥产品的重量、体积，便于后期利用。

4 讨论与建议

好氧堆肥的出现可以追溯到几千年前，作为农业大国，我国农村很早就有将废弃的农作物秸秆和人畜粪便等有机生活垃圾混合堆肥的传统，而且好氧堆肥是农村资源化利用有机生活垃圾非常重要的方法，有着非常广阔的前景。但是，农村生活有机垃圾好氧堆肥相关研究存在复杂的相互作用关系，随着环境等多种因素变化而变化。当前，我国农村有机生活垃圾资源化利用程度依然不足，体现出了我国农村管理方面存在很多问题。农村生活垃圾处理的法律不完善，没有农村有机生活垃圾污染防治的专项立法；农村有机生活垃圾资源化处理体系建设滞后，重视程度有待提高；乡镇以下垃圾收集运输处理等设施落后，主要表现在设施数量少、服务半径小、放置位置不合理等情况。为解决这些问题，应当完善相关法律，因地制宜与相互借鉴相结合细化地方管理办法，研究出台相关专项可行的法律；加大基础设施投入，推进体系建设，加大在农村地区生活垃圾资源化相关知识的宣传培训，提高地方政府和农民对其的重视；加大垃圾堆肥处理终端技术研发，促进垃圾减量化、无害化、资源化利用。