湖南生活垃圾分类处置及生物质废弃物肥料化研究进展

卢红玲，崔新卫，高 鹏，彭福元

（1. 长沙师范学院，湖南 长沙 410100；2. 湖南省农业环境生态研究所，湖南 长沙 410125）

随着我国经济社会的发展，居民消费水平不断提高，随之而来的，生活垃圾产量激增，尤其在人口密集的城市，垃圾处理量赶不上垃圾产量，加剧了垃圾处理的严峻性。在垃圾分类治理领域，西方发达国家从1970年代开始进行生活垃圾分类治理，经过四五十年的探索完善，各国已因地制宜建立起不同的生活垃圾分类模式[1]。我国生活垃圾的分类治理发展相对较晚，但充分利用后发优势，垃圾分类管理思路明确，即前端减量—中间回收循环利用—末端处理。垃圾分类可以从前端减少需要处置的垃圾总量，合理循环利用其中资源，降低环境污染，减轻填埋压力。笔者对比国际典型的垃圾分类处置方法，比较了各处置方法的优缺点，介绍了目前国内及湖南省垃圾分类方案，分析了生物质废弃物理化性状及肥料化利用可行性，以期为推进生活垃圾分类处置及生物质废弃物肥料化提供参考。

1 垃圾分类简介

1.1 垃圾分类的提出及意义

2016年12月21日，习近平总书记指出：“普遍推行垃圾分类制度，关系13亿多人生活环境改善，关系垃圾能不能减量化、资源化、无害化处理……要加快建立分类投放、分类收集、分类运输、分类处理的垃圾处理系统……”。2017年，我国颁布《生活垃圾分类制度实施方案》，首次提出生活垃圾分类标准制定的基本原则；2020年，印发《关于进一步推进生活垃圾分类工作的若干意见》，提出“因地制宜，制定相对统一的生活垃圾分类类别”的目标。垃圾分类依规分类投放、储运及处置垃圾。在过去，垃圾多以卫生填埋方法处置，既占用填埋场地，处理不适当将对环境产生不可逆的污染，还是一种资源的极大浪费。推行垃圾分类意义重大：一是垃圾分类可以使其中部分资源再利用，避免浪费；二是通过不同的工艺处理分类后的垃圾，减少和防止污染，降低给环境带来的危害；三是通过垃圾分类，减少进入末端的垃圾，防止末端垃圾处理设施无限膨胀；四是垃圾分类是现代生活方式的重要内容，垃圾有效分类，是国民素质提高的具体表现之一[2]。

1.2 国际垃圾分类收集和处置模式比较

国际上垃圾分类主要有以下三种模式：一是以美国为代表的简单分类模式，分2~3类，垃圾处理方式以填埋为主，其垃圾填埋量占垃圾产量的50%以上[3]。 二是以德国、瑞典等欧盟国家为代表的有限分类模式，将垃圾分5~6类，先将有机垃圾分出，之后通过工业化分选装置进一步精细化分选后资源化处理，对无法资源化的予以焚烧处理。2018年世界银行统计数据显示，德国垃圾回收利用率为47.8%，垃圾堆肥利用率为18.2%，垃圾焚烧率为31.7%[4-7]。瑞典采用押金回收垃圾制度和生产者责任制度，2005年瑞典国家的89%垃圾经再生处理或生物处理回用，据报道，2005—2015年瑞典产生的垃圾中再生处理占97%以上，填埋处理仅1.5%[8]。三是以日本为代表的无限分类模式，前端分类复杂，类别甚至超出100种。居民分类的资源垃圾进入资源利用企业，其余的垃圾进入垃圾处理企业，主要采用焚烧处理，除陶瓷、玻璃和金属类垃圾外，其他垃圾（包括厨余垃圾）都通过焚烧处理。统计数据显示，日本垃圾焚烧率为80.2%，回收利用率为4.9%，堆肥利用率为0.4%，厌氧消化为0.1%，填埋率1.1%[4-9]。国际上对生活垃圾回收利用率通用的计算方法是，生活垃圾中可回收垃圾量和单独收集并资源化处理的有机垃圾量占生活垃圾产生总量的比例，焚烧不计入回收利用统计。因此，日本是世界上垃圾焚烧率最高的国家[10]。

纪丹凤[11]采用生命周期法评价了城市生活垃圾的4种方式，即焚烧、卫生填埋、综合处理（将垃圾集中后分可回收、可堆肥、可焚烧、可填埋4类分别处理）和堆肥，认为堆肥处理产生污染物少，对环境影响小，但资源消耗量大；焚烧能回收热能，但产生大量NOx和CO2，对环境影响最大；填埋释放CH4，若后续收集处理填埋气，可降低该方式的环境影响；而综合处理有机结合以上3种方式，最大程度地利用了其有用成分，同时减少了不必要的环境排放，对环境的影响最小。根据效益/费用比较，得分依次为综合处理＞堆肥处理＞填埋＞焚烧。其中堆肥方式处理成本较高，但过程对人体健康和人类生产危害小，其环境污染产生的经济损失小；同时，堆肥产品有良好的环境生态收益，故而效益/费用比高。卫生填埋方法简单、建场后运营成本较低，是垃圾分类以前大多数城市广泛应用的处理方法，但其资源化利用率低、运营收益小、污染大的劣势突出，发展至今，许多地方的卫生填埋场达到储量警戒线，迫使使用该方式的地方考虑其他方式。焚烧处理虽然回收热能的收益高，但过程处理成本和环境污染大，所以该法的效益/费用比最低。

1.3 我国垃圾分类方法

生活垃圾内容包括范围广，目前在我国大多数地方都分为可回收垃圾、厨余垃圾、有害垃圾和其他垃圾4类，其中可回收垃圾包括金属、塑料、废纸、玻璃和纺织物5个种类，可回收至相应工厂进行利用；厨余垃圾主要指食品类废弃物，经生化技术堆肥处理生产有机肥；有害垃圾主要包括过期药品、废电池、废灯管、废水银温度计等，这些垃圾必须进行无害化处理；其他垃圾主要包括除上述几类垃圾之外的砖瓦陶瓷、灰尘渣土、废纸、废塑料、脏污纸巾等难以回收的废弃物，通常采用卫生填埋或者焚烧，以有效减少对环境的污染。

2 湖南垃圾分类处置

2.1 垃圾分类方案实施前的混合收集方式

在湖南，垃圾分类方案实施前采取的混合收集方式，城镇生活垃圾的处置有两条途径：一是废品回收，如居民自行将有回收价值的废旧物资售出，及部分群众自发的从垃圾集中地捡拾塑料、玻璃、废纸收集，通过售出进入市场；二是生活垃圾未经处理混杂在一起，由环卫部门收集再集中处置。进入市场的回收废品经处理再利用，集中处置的垃圾经压缩转运至垃圾填埋场。

混合收集方式方便了垃圾产出者的倾倒，及垃圾处理前端的收集和运输环节，但增加了后续环节的处理难度。随着环保意识的普及，该方式的缺陷越来越明显：首先，处理场地吃紧，作为生活垃圾主要归宿的填埋场库容消耗速度远超预期；其次，混合收集中混入有毒有害物质等增加垃圾无害化处理难度；第三，混合收集降低了垃圾中有用物质的再利用价值。

在垃圾分类前，居民的生活垃圾，其中塑料瓶及纸箱等经收捡后，剩余的全部由环卫部门收集卫生填埋。除了环卫工人在清扫时会回收一部分资源，大部分垃圾从前端就被混在了一起，到了垃圾处理中心已没法分类，只能压缩后集中填埋。

实行垃圾分类是一种必然趋势：一方面减少进入填埋场的垃圾量——可回用的集中收集分类回用，禁止建筑垃圾入场；另一方面，提高垃圾成分纯度，为寻求某一类垃圾处理新方法提供可能。

2.2 湖南垃圾分类方案

2020年7月，湖南省人民政府办公厅发布《湖南省地级城市生活垃圾分类工作实施方案》，湘政办发〔2020〕25号生活垃圾分类以“可回收物、有害垃圾、厨余垃圾（包括餐厨垃圾、家庭厨余垃圾和其他厨余垃圾）、其他垃圾”为基本类型，确保有害垃圾单独投放。方案规定了这4类垃圾的内容，其中厨余垃圾/湿垃圾，指易腐烂的、含有有机质的生活垃圾，包括家庭厨余垃圾（指居民家庭日常生活过程中产生的菜帮、菜叶、瓜果皮壳、剩菜剩饭、废弃食物等易腐性垃圾）、餐厨垃圾（指相关企业和公共机构在食品加工、饮食服务、单位供餐等活动中，产生的食物残渣、食品加工废料和废弃食用油脂）和其他厨余垃圾（主要指农贸市场垃圾，包括农贸市场、农产品批发市场产生的蔬菜瓜果垃圾、腐肉、肉碎骨、蛋壳、畜禽产品内脏等。

除上述4大类外，还有建筑垃圾（指建设单位、施工单位新建、改建、扩建和拆除各类建筑物、构筑物、管网等以及居民装饰装修房屋过程中所产生的弃土、弃料及其他废弃物），大件垃圾（指体积较大、整体性强，需要拆分再处理的废弃物品，包括废家用电器和家具等），园林绿化垃圾（城市绿化养护以及公园绿地、风景名胜区产生的树木枝干、落叶、草屑等有机垃圾）。这3类垃圾不与生活垃圾一起，而是单独分类、独立处理，以提高垃圾资源化利用效率，减轻生活垃圾终端处置设施负担。

长沙于2018年1月1日开始实施垃圾分类，采取粗放型有限分类法，即分厨余垃圾（易腐垃圾）、可回收垃圾、有害垃圾和其他垃圾4类。运行一段时间以来，因为有害垃圾量比较少，有的区域将“有害垃圾”收集桶改为收集袋，标识“过期药品”“电池”等悬挂于墙壁；而可回收垃圾有人定期收集，需要清运的量减少，故主要分为易腐垃圾和其他垃圾两类。

2019年12月，湖南省发展和改革委员会和湖南省住房和城乡建设厅联合发布《湖南省生活垃圾焚烧发电中长期规划（2019—2030年）》。预计投入建设一批生活垃圾焚烧发电站，到2030年，全省焚烧处理规模达到每日4.67万t，生活垃圾焚烧发电处理量占无害化处理量的70%。

2.3 长沙垃圾分类处置历程

2003年4月建成黑麋峰垃圾固体废弃物处理场，总占地面积176 hm2，设计堆高200 m，预计使用40~50 a。投入使用后，长沙所有生活垃圾运至此场卫生填埋。投入使用以来，垃圾清运量以每年10%的速率增加，运行15 a后，进入处理场的垃圾量达到 7000 t/d，库容接近上限。

2016年开始实施的黑麋峰固体废弃物深度综合处理项目，安装6台850 t/d焚烧炉，设计焚烧处理能力达5000 t/d，每年焚烧180万t，热能发电4.14亿度/a。新近又新增第二期处理设备，设计焚烧处理能力达到2000 t/d。

2020年，长沙已基本建成垃圾分类系统，从源头减少垃圾产生量。目前，长沙市区所有垃圾在中转站经分出易腐垃圾后，其他约8000 t被压成30 t/车，然后运往黑麋峰垃圾综合处理场，其中约90%焚烧发电，剩余约10%填埋。

长沙市餐厨垃圾无害化处理项目于2012年6月28日建成投产，长望浏宁4市区的所有餐厨垃圾采取集中收集，运往联合餐厨企业进行无害化处理和资源化利用。目前，每天收集餐厨垃圾约1000 t，通过高温分离油-水-渣后，废油脂通过加工制成工业级混合油；废水通过厌氧发酵，废水处理过程产生的沼气用于提纯为压缩天然气（CNG）和发电，产沼后的废液处理达标排放；废渣通过蝇蛆养殖制成高蛋白饲料原料，未转化部分的仍可以通过堆肥进一步处理。

3 生物质废弃物理化性状及肥料化利用可行性

来自于动物或植物的生产和消费环节的废弃物，包括厨余垃圾，餐厨垃圾、园林垃圾、蔬菜产储销过程产生的废弃物，食品加工残渣，畜禽粪便、病死畜禽等，可统称为生物质废弃物[12-13]。其中，家庭生活中产生的剩菜剩饭、菜梗菜叶、肉食内脏、果壳瓜皮等厨余垃圾，及餐饮经营者、单位食堂等生产过程中产生的餐厨垃圾，社区园林垃圾等，其主要成分是水，其次是各类有机质，能够被快速分解，也称为易腐垃圾/湿垃圾。

据统计，我国居民生活垃圾中，厨余垃圾占到40%~60%，远高于德国的10%，日本的19%。而可堆肥利用的生物质废弃物，除厨余垃圾外，还有餐厨垃圾、园林垃圾、蔬菜产储销过程产生的垃圾，及食品产业加工残渣，其主要成分是水，其次是各类有机质，富含大量养分，可参见表1。

表1 部分生物质废弃物的理化性状

生物质废弃物因其对环境、社会和经济的影响日益增加，引发了全世界的关注与研究兴趣。生物质废弃物的处理处置，从碳排放角度而言，焚烧处理方式中，生物质炭形成CO2排放到大气中，不符合“降碳减排”的要求；而堆肥处理中，大部分碳保留在堆肥产品中，施用后仍保持生物质状态，因此，碳被固定在生物质中，没有进入大气圈层，能有效减排CO2。研究报道，碳排放量焚烧处理为 0.561 kg/kg，堆肥处理为0.334 kg/kg[15]。从燃烧热值考虑，因易腐垃圾含水量高，热值低，焚烧不是最佳处理方式。从二次污染看，易腐垃圾卫生填埋，因其含水多、易腐的特性，厌氧分解会生成甲烷等气体，并产生废液，处理不好极易滋生蚊蝇，散发臭味，还污染地表水和地下水。研究者们普遍认为，生物质废弃物的出路应该以堆肥处理方式更为经济可行且可靠[16-19]。

有研究表明，生物质废弃物中粗纤维、木质素含量高的原料碳氮比（C/N）高，蛋白质等含量高的原料C/N比低，含水量70%~80%。通过合理调配，添加适宜辅料、菌剂、控制温湿度，可作为堆肥原料转化为有机肥料[14]。有研究报道，1 t厨余垃圾经发酵分解，可生产0.3 t有机肥[20]。

4 生物质废弃物肥料化利用现状及发展方向

4.1 生物质废弃物肥料化利用方法

生物质废弃物肥料化利用，目前小范围试行成功的堆肥法有通气式堆肥法、蚯蚓/蛆虫堆肥法、厌氧堆肥法和环保酵素堆肥法。

其中应用最多的是通气式堆肥法，也称好氧堆肥。好氧堆肥需要注意控制以下4个条件[14]：①碳氮比控制。检测易腐垃圾的水分、有机质、有机碳、总氮含量等数据，调节堆肥混合物料碳氮比在25∶1~35∶1。②发酵菌剂选择。根据易腐垃圾的原料特性，筛选适宜的微生物发酵菌剂。③湿度控制。调节混合物料的湿度至50%~60%。④温度控制。监测堆体温度，适时翻堆，保持堆体温度60℃以上7~10 d。

有研究者将自然生态系统中的分解者——蚯蚓引入到固体废弃物处理中，逐渐发展形成了一种新型的固体废弃物处理技术——蚯蚓堆肥处理技术。蚯蚓一天吞食的原料可达其身体重量的9倍，经蚯蚓处理后的垃圾除含有丰富的养分外，还有良好的物理结构，及大量的有益微生物[21]。

厌氧堆肥法是指有机废弃物密封，隔绝氧气，有机物在厌氧微生物的作用下分解，产生沼气，剩余沼液和沼渣，进一步处理。联合厌氧消化处置可以解决餐厨垃圾单独消化产生的酸化问题。同时还能有效提高厌氧消化系统的有机负荷率、沼气产气量以及系统稳定性。产沼气后泥饼继续堆肥处理[22]。

环保酵素法是将果皮与红糖、酵素等按一定比例混合均匀，经密封发酵一段时间，产生的液体可当洗涤剂，剩余的废渣可做饲料或肥料。

李赟等[23]以厨余垃圾为堆肥原料，添加玉米秸秆、稻壳、锯末和菌糠等辅料，研究发现，15 d后，纯厨余垃圾发芽指数不达标，添加辅料有利于氮素和硫素的固定，以添加15%菌糠的处理对氨减排效果最好。

国外研究者也认为，纯粹的餐厨垃圾或者厨余垃圾因其含水量过高、含盐量高、孔隙度低等问题，不适宜直接堆肥，研究通过添加适宜辅料混合堆肥，改善堆肥的各种条件，包括混合堆肥、添加有机/无机辅料、调控气体排放和微生物变化，从而制成对植物无害的有机肥[16-19,24-26]。

4.2 区域生物质废弃物堆肥发展前景

根据目前湖南垃圾管理规划，生活垃圾的以焚烧为主，但生物质废弃物的堆肥处理方式不论从碳减排角度还是资源利用角度而言都更科学。现实中，生活垃圾分类已全面实施，使得从前端将生物质废弃物从分类收集到集中处理成为可能。比如目前湖南餐厨垃圾已在洪山桥“联合餐厨”单独处理；生活垃圾中的湿垃圾进入黑麋峰垃圾处理场，有机质部分先发酵分解，脱除大部分水分，减量减重后再卫生填埋。

实际上，一个区域产生的可堆肥的生物质废弃物，除了以上所说的餐厨垃圾、湿垃圾外，还有市镇污水处理场的污泥，以及作物种植、动物养殖的废弃物，如作物秸秆、畜禽粪便等。将具有相似特征的生物质综合协同处理，不仅可以有效节省土地资源，避免单独处理造成的重复建设和浪费，还可充分利用各自腐解特点进行优势互补[23]。另外，在同一个区域，将所有生物质废弃物统筹考虑集中处理，可有效降低有机废弃物的储运成本[4]。

生物质废弃物堆肥制成有机肥料，目前在科研领域已有诸多研究报道及成功案例，但如何推广实施，还得从制度及使用安全性方面有序推动。制度方面，需得完善有机废弃物管理、处理的法律法规体系，给出相应的执行流程、执行标准和监管方式，调动垃圾产生及分类处置的各方的积极性，确保其可执行性和可落地性。安全使用方面，应尽快构建生物质废弃物堆肥的监测指标、监测方法、监管要求及质量评价，以确保生物质废弃物为原料制成的产品在使用过程中和使用后对环境和生物的安全[5]。