厨余垃圾与农林废弃物协同好氧堆肥效果及产品性质

2022-05-30彭丽娟唐若兰李军港袁京李国学

城市管理与科技 2022年2期

彭丽娟唐若兰李军港袁京李国学

厨余垃圾含水率高、易腐烂。在北京南宫堆肥厂4m高的隧道发酵仓中堆肥发酵时，堆体高度难以达到1.5m，隧道空间利用严重不足，堆体难以升温，同时发酵过程中产生大量渗滤液。这严重阻碍了堆肥的正常运转，直接制约了厨余垃圾资源化利用，迫切需要技术工艺优化与配置升级改造。

前期研究表明，农林废弃物与厨余垃圾混合，具有有效改善堆体结构、增大物料孔隙度、调节堆体含水率等功效，具有缩短堆肥周期、提高堆体腐熟度等优点。因此，将二者进行协同好氧堆肥处理，解决分类后逐渐增加的厨余垃圾堆肥问题，具有可行性。本研究选用价廉易得的高碳源农林废弃物（包括园林剪枝、西瓜秧、玉米秸秆）与厨余垃圾进行协同好氧堆肥处理，分析不同辅料添加比例下堆肥的理化性质、腐熟度以及产品性质，以期探究出能减少渗滤液产量、提升产品稳定性和腐熟度的物料配比，为堆肥工艺优化提供技术支持。

一、材料与方法

（一）堆肥材料

本试验以分类后厨余垃圾为原料，以粒径控制在40～50mm以下的玉米秸秆（CS）、园林剪枝（GP）和西瓜秧（WS）按一定比例混合后，作为辅料加入到厨余垃圾中进行堆肥。其中厨余垃圾主要含有60.79%菜叶、8.96%剩饭、19.31%果皮、3.68%蛋壳、1.97%骨头以及5.29%其他物质（以湿重计），主要分布在<30mm粒径段，其次为>80mm和50～60mm的较大粒径段，其他粒径段含量较少。堆肥原料的理化性质如表1所示。

（二）试验设计

本研究采用模拟隧道发酵仓堆肥高度的中试密闭堆肥仓（1m×1m×3.5m）中进行厨余垃圾堆肥试验。堆肥仓配备了上、中、下三个温度探头，自动控制系统连接温度传感器和通风装置，以实现温度记录和通风控制，堆肥仓示意图如图1所示。本试验根据所添加的三辅料（其中CS：GP：WS=1：1：1）比例不同，共设置5个处理过程，分别添加5%（T1）、10%（T2）、12.5%（T3）、15%（T4）和20%（T5）三辅料。此外，为缓解餐厨垃圾酸化导致升温缓慢的问题，堆肥中添加了1%（以干重计）的生石灰。整个堆肥周期设为20天，其中第1～10天为高温发酵阶段，通风速率为0.05～0.15m3/m3·min;第10～20天为后熟化阶段，通风速率为0.02m3/m3·min。在堆肥开始后第0、2、6、10、20天，在发酵仓的上、中、下三点每次分别采集约300g固体样品用于后续指标的测定。

（三）分析方法

将新鲜固体样品在105℃下干燥约8小时至恒重来测量含水率。将新鲜固体样品与去离子水按质量比1：10混合，振荡30min得到浸提液，用于测定基质pH值、电导率（EC）和种子发芽指数（GI）。pH值用pH计（pHS-3C，上海雷磁，中国）测量，EC用电导仪（ST3100M，Ohaus，中国）测量。GI则按照Wang等人（2022年）描述的方法测量。元素分析（C、N）用vario MACRO立方元素分析仪（Elementar Analysensystem，Germany）测量。铬（Cr）、铜（Cu）、锌（Zn）、磷（P）、钾（K）采用电感耦合等离子体质谱仪（5800ICP-OES，安捷伦，美国）测定。汞（Hg）、砷（As）采用原子荧光法测定。镉（Cd）、铅（Pb）采用原子吸收法测定。

二、结果与讨论

（一）理化指标

除5%三辅料处理外，所有其他处理均可在3～7天迅速上升至55℃以上的高温（图2a）。其中20%三辅料处理温度在堆肥第3天达到了55℃以上，最高温度达到了74.3℃，高温期从第3天持续到了第20天。添加10%、12.5%和15%三辅料的处理分别在第7、5、3天进入高温期（>55°C），5%三辅料处理在堆肥进行的第13天才达到高温。由此可见，三辅料添加比例大于12.5%时可以使堆体快速进入高温期，延长高温持续时间，加速堆体腐熟，缩短堆肥周期。

整体看来，各处理含水率呈不断下降趋势，而其他各处理含水率均低于5%三辅料处理（图2b）。到堆肥结束时，添加12.5%和20%三辅料的处理含水率最低，分别为62.62%和61.54%;5%三辅料处理含水率为68.97%。堆肥开始时，随着辅料配比的升高，渗滤液产率逐渐降低，5%三辅料和20%三辅料处理差异显著，初始产率分别为7.2%和0.1%（图2c）。当辅料添加比例由5%增至12.5%时，渗滤液累计产率由19.7%降至7.2%;当辅料添加比例增至20%时，渗滤液累计产率为1.0%。由此可见，当辅料施用比例大于12.5%时，可以显著减少由厨余垃圾的高含水率产生的大量渗滤液。

（二）腐熟度指标

在整个堆肥周期，pH值表现为先下降后上升（图3a）。堆肥初期，厌氧环境导致物料降解产生有机酸，使pH值下降;随着堆肥温度的升高，堆体中的部分乙酸、丁酸揮发，同时含氮有机物分解，产生大量铵氮，使堆体pH值上升。除15%三辅料处理外，各处理初始pH值均在7以下，呈现出弱酸性，且在0～6天各处理pH值均呈酸性。到堆肥结束时，除12.5%和15%三辅料处理外，其余处理pH值在6以上。其中，10%三辅料处理pH值最高，为7.26。总之，所有堆肥产品pH值均在5.5～8.5之间，满足《有机肥料》（NY/T 525-2021）中酸碱度要求。

整体看来，各处理EC值呈现增加趋势（图3b），主要是由于微生物的活性较强，大量有机物的分解使得堆肥中的可溶性盐类含量增多。除了10%和12.5%三辅料处理，添加5%、15%和20%三辅料的处理EC分别为3.92、3.89、3.78mS/cm，均小于4.0mS/cm，堆肥产品均达到了基本腐熟，满足《有机肥料》（NY/T 525-2021）标准。

随着堆肥的进行，所有处理的GI值均呈逐渐上升的趋势（图3c）。随着辅料添加比例的增加，GI值也逐渐增加。尤其是添加比例由5%增加至12.5%时，GI值由30.11%增加至70.1%。12.5%、15%和20%三辅料处理均达到《有机肥料》（NY/T 525-2021）中规定的GI值>70%的指标，分别为70.1%、70.9%和72.2%。

（三）堆肥产品性质

表2為各处理厨余垃圾堆肥产品的有机质、养分和重金属含量。在堆肥过程中，各处理有机质含量不断下降，但均满足《有机肥料》（NY/T 525-2021）标准（有机质含量≥30%）。由于有机物矿化会导致堆体体重减轻发生浓缩效应，总养分（以N+P2O5+K2O计）含量增加，各处理含量均>4.0%，具有较高的营养价值。对于各处理重金属含量，锌的含量最高（80.30～149.00mg/kg），其次为铜和铬（7.52～94.60mg/kg和17.30～74.60mg/kg），再者是铅（2.61～3.49mg/kg），镉、汞、砷的含量保持在较低范围（0.070～0.125mg/kg、0.061～0.187mg/kg和0.538～0.964mg/kg），远低于《有机肥料》（NY/T 525-2021）中重金属浓度标准。

三、结论

在北京全面实行垃圾分类后，厨余垃圾分出率显著提高，厨余垃圾与农林废弃物协同堆肥是实现厨余垃圾资源化利用的有效方式。本研究显示，添加湿重12.5%以上的农林废弃物作为辅料，可有效提高和延长厨余垃圾堆肥高温期，提高腐熟度，降低渗滤液产量，且堆肥产物的种子发芽指数（GI）、有机质、养分含量、重金属含量均达到《有机肥料》（NY/T 525-2021）标准。研究结果对提高垃圾分类水平和推动厨余垃圾资源化处理具有重要的指导意义。

参考文献

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