农村地区园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥试验研究＊

陈海滨，杨黎洁，许笑笑，郭 帅，梁 莎，杨家宽

（华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

我国生活垃圾总量不断增长，制约着经济社会的健康发展和人民生活品质的提升。目前，我国大部分城市已经形成了比较成熟的生活垃圾收运处理系统，使生活垃圾得到了有效的减量化、资源化、无害化处理。而对于农村地区，按照我国农村生活垃圾产生率中位值为0.521 kg/（人·d）［1］，以及国家统计年鉴中公布的2022 年农村人口数据，可以估算2022 年我国农村生活垃圾年产量约0.93×108t。随着我国农民收入和消费水平的提高，农村生活垃圾年增长率达8%～10%［2］，但暂未形成成熟的处理体系。农村生活垃圾存在来源较为分散、居民对垃圾分类意识不足、垃圾处理设施不完善等问题。在垃圾分类与新农村建设的大背景下，部分农村地区逐渐形成了生活垃圾“干湿分类”、易腐垃圾（俗称“湿垃圾”）就地堆肥处理的新模式。但易腐垃圾含水率高，碳氮比（C/N）低，单独进行好氧堆肥不利于微生物发酵和通风供氧。

随着垃圾分类制度不断细化和推进，园林垃圾的处理问题也逐渐受到了关注。现阶段我国城市园林垃圾的处理主要采用弃管、焚烧、填埋和少量资源化利用4 种方式［3］。而农村地区的园林垃圾基本处于随意丢弃状态，资源化利用水平较低，且园林垃圾体积大、产生地随机性高，较难收集运输［4］。园林垃圾成分较为单一，主要是由木质素、纤维素等组成，具有资源化利用的潜力［5］。尤其风干后的园林垃圾具有含水率低、C/N高的特点，理论上可解决易腐垃圾含水率高、C/N低造成单独堆肥效果不佳的问题。因此，在农村地区开展园林垃圾和易腐垃圾协同资源化处理研究具有可行性。

我国利用好氧堆肥技术处理的对象主要是污泥或者生活垃圾，对于园林垃圾等新兴垃圾的研究较少，且大多采用的是静态好氧堆肥技术。动态堆肥较静态堆肥具有堆肥周期短、供氧充足等优点，课题组前期开展了农村易腐垃圾间歇性动态堆肥试验［6］，结果发现，间歇动态堆肥在初级发酵阶段有较好的升温效果，且升温速度快、发酵温度高。因此，本研究选用二次性好氧堆肥工艺，采用装配式间歇动态堆肥装置，在安徽省凤阳县小岗村实地进行园林垃圾和易腐垃圾协同动态堆肥试验，对堆肥过程关键影响因素进行分析，研究不同原料配比下含水率对园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥效果的影响，探究协同堆肥原料含水率最佳范围。

1 材料与方法

1.1 试验原料及预处理

小岗村生活垃圾收运量约为2 t/d，以厨余垃圾为主的易腐成分占比为73.3%，折算可得易腐垃圾总量为1.5 t/d。易腐垃圾具有季节性特点，具体表现为春、夏季易腐垃圾占比较大，秋、冬季易腐垃圾占比较小。结合小岗村地区的实际情况，协同堆肥试验使用的园林垃圾主要包括：①当地道路绿化自然凋谢或人工养护过程中产生的树叶、树枝等；②当地农作物自然凋谢或收获时被丢弃的植物残体。本研究所用园林垃圾为小岗村实地收集所得的枫树叶、樟树叶及其小型枝干。刚掉落的园林垃圾含水率较高，太阳暴晒风干后，其含水率降至约20%，方可进行协同堆肥。

协同堆肥原料的预处理主要包括分拣、破碎和混合。分拣环节通过铁锹等工具将易腐垃圾中的塑料、大型骨头、金属等不可堆肥的物质和废旧电池等有害垃圾分选出来。破碎环节使用破碎机将园林垃圾破碎至5～8 cm 的粒度范围，同时使用铁锹将易腐垃圾破碎至相同的粒度范围。分拣和破碎完成后，通过人工混合的方式将园林垃圾与易腐垃圾按原料含水率设计值以一定比例进行充分混匀，以保障初级堆肥发酵效果。

1.2 试验装置与设备及工艺流程

协同堆肥试验所用装置为课题组前期开发的装配式间歇动态堆肥装置［6］，具有建设周期短、建设投资少、占地面积小、机械化程度高等特点。所用仪器设备主要有含水率测定仪（XFSFY-120A）、温度计（T 150）、磅秤（TCS-500）、铁锹、物料破碎机（6 刀-4.8 kW）等。

该堆肥装置由多层发酵仓装配而成，单层发酵仓的长、宽、高分别为1.5、1.5、1.6 m，主要由进料系统、通风供氧系统和翻堆卸料系统3 部分组成。进料系统通过提升电机使进料桶运送至顶层，倒入顶层发酵仓内，顶层的旋转布料器使物料均匀散落在发酵仓中；通风供氧系统有两套，一套通过堆体温度调节通风量，另一套通过底层与顶层之间的温度差形成“烟囱效应”实现通风；翻堆卸料系统是间歇动态堆肥装置的关键。旋转轴位于翻板2/3 处，每层发酵仓底设计有3 块翻板，每次翻堆时翻板逆时针旋转90°，物料顺着翻板间空隙落到下一层，最后一层翻板兼有出料功能。此外，所有翻板均通过PLC 程序进行自锁控制，只有当下层翻板处于水平位置时，上层翻板才能翻转至垂直进行翻堆卸料，保证卸料过程有序进行。其工艺流程为顶层进料，底层出料，物料通过翻板由上而下进行翻堆卸料，空气自下而上流动，保证初级堆肥阶段物料与空气充分接触，如图1 所示。

图1 堆肥装置工艺流程示意Figure 1 Process flow schematic of composting device

1.3 试验方案设计

协同堆肥试验选用二次性好氧堆肥工艺，分为初级堆肥阶段和次级堆肥阶段。主要研究不同原料含水率配比下协同堆肥初级堆肥阶段的温度变化、减量化程度等相关参数，以及初级堆肥半成品在经过1 个月的次级堆肥腐熟阶段后产品的无害化与资源化程度。园林垃圾和易腐垃圾协同堆肥试验操作流程如图2 所示。

图2 协同堆肥试验流程Figure 2 Experiment flow of the collaborative composting

1.3.1 含水率设计

美国环境保护署（EPA）的相关规定［7］表明：堆肥原料含水率下限值为40%。我国团体标准T/HW 00011—2020 农村易腐垃圾小型堆肥技术规程对好氧堆肥原料的含水率范围规定为45%～65%。因此，本协同堆肥试验中原料含水率的设计值为45%、50%、55%、60%、65%和70%，共进行6 仓（C1～C6）协同堆肥试验。

1.3.2 协同堆肥原料配比设计及理论C/N

根据课题组前期堆肥试验经验，堆肥原料填充率取60%，密度γ取300 kg/m3，计算可得每仓协同堆肥原料的总质量为648 kg，按650 kg 进行计算。易腐垃圾的理论含水率为70%～85%，风干后园林垃圾的理论含水率为10%～25%［8］。为方便计算，取易腐垃圾含水率为80%，园林垃圾含水率为20%。此外，易腐垃圾的典型C/N 为14∶1，园林垃圾的典型C/N 为58∶1［9］，因此计算得协同堆肥原料组成设计及理论C/N 如表1 所示。

表1 协同堆肥原料组成设计及理论C/NTable 1 Design of raw material composition and theoretical C/N ratio for collaborative composting

堆肥原料的C/N 宜为20∶1～30∶1［10］。对于本研究的协同堆肥试验，其原料之一的园林垃圾由于含有生物较难降解的木质素和纤维素，其原料中有机物的可降解性偏低，故而本研究协同堆肥原料C/N 应该比传统的堆肥原料更高。

6 仓协同堆肥试验实际堆肥进料情况如表2 所示。从含水率来看，6 仓协同堆肥试验均按照试验方案设计进行原料配比，实际进料的含水率和C/N都在设计值附近。

表2 协同堆肥试验实际进料情况Table 2 Actual feeding situation of collaborative composting

1.3.3 温度监测

在协同好氧堆肥过程中对发酵仓进行了温度监测，单个发酵仓侧面有3 个测温孔（图3），分别位于仓体的上、中、下部，每天使用温度计对堆体进行温度监测，取3 处温度实测值的平均值作为堆体实际温度。

图3 发酵仓测温孔分布Figure 3 Distribution of temperature measuring holes in fermentation chamber

1.3.4 通风设计

通风量在好氧堆肥各阶段起着重要作用。就初级堆肥而言，升温阶段目的是激起微生物活性，应勤通风；到达高温阶段，则应增大通风量，利用通风为微生物活动提供充足的氧气，同时带走堆体中大量水汽，起到降低物料含水率和保持堆体温度的效果。本节主要对单层发酵仓的通风供氧进行相关设计计算。

保障好氧堆肥能顺利进行的通风量为最低通风量Qlow，按公式（1）计算［11］：

式中：Qlow为保障好氧堆肥顺利进行的最低通风量，m3/d；Ro2为好氧速率，取103.3 mol/（m3·d）；M为发酵仓内堆肥原料的质量，kg；γ为堆肥原料的密度，kg/m3；0.107 为经验公式参数。

根据1.3.2 对堆肥原料的设计可知，理论上发酵仓内原料的质量M为650 kg，堆肥原料的γ为300 kg/m3，代入公式（1）可计算出保障好氧堆肥顺利进行的Qlow=23.94 m3/d，即0.017 m3/min；

充分去除堆体水分和维持堆体温度的通风量为最高通风量Qh，在对Qh进行计算时，将单个发酵仓看作1 个堆肥系统，通过对系统的热量平衡来计算。

堆体发酵温度为65 ℃时产生的热量qr按公式（2）计算［11］：

式中：qr为堆肥原料发酵产生的生化反应热，kJ/d；ε为易降解有机物的质量分数，取0.15；Mr为堆肥原料的摩尔质量，g/mol；qo2为氧气的反应热，为443.12 kJ/mol；18.75 为经验公式参数；kT为物料温度为T时的反应动力学常数，为0.038 d-1。将M=650 kg，Mr=416 g/mol 等数值代入公式（2）可得到qr=73 997.58 kJ/d。

在忽略仓体散热的情况下，堆肥系统的热量损失可按公式（3）进行计算：

式中：qs为堆肥系统需要的热量，kJ/d；qt为堆肥原料温度上升需要的热量，kJ/d，在高温阶段堆体不再升温，故此时qt=0；qa为冷空气升温所需要的热量，kJ/d；qw为水汽蒸发吸热所需要的热量，kJ/d。

式中：Ca为空气比热容，取1.007 kJ/（kg·℃）；ma为通气量，kg/d；T为出气温度，取65 ℃，T0为堆体初始温度，取20 ℃。

式中：ϕ为水汽化所需热量，取2 260 kJ/kg；mw为通气量为ma时能带走的水汽的量，kg/min。mw按公式（7）～公式（9）进行计算［11］：

式中：Pout为出气蒸气压，kPa；Pin为进气蒸气压，kPa；Tout为出气温度，取338 K；Tin为进气温度，取298 K；ϑout为出气相对温度，取1.0；ϑin为进气相对温度，取0.8。

根据系统热量守恒，即qr=qs，可以计算出Qh=239.7 m3/d，即0.16 m3/min。

2 试验结果分析

2.1 堆肥温度分析

初级堆肥阶段主要是利用高温菌作用实现有机物迅速降解和物料无害化。从图4（a）和图4（b）可以看出，6 仓协同堆肥试验在初级堆肥阶段整体温度情况表现正常，均能在初级堆肥阶段实现无害化（65 ℃以上3 d），其中原料含水率为46.21%的C1 仓只能勉强保持65 ℃以上3 d。随着含水率升高，升温速度加快，原料含水率为73.15% 的C6 仓在进料10 h 后便升温至65 ℃以上，并可保持高温3 d 以上，无害化程度良好。

图4 C1～C6 仓初级发酵及协同堆肥试验全过程温度变化Figure 4 Temperature variation of primary fermentation and the whole process of collaborative composting experiment in C1～C6 warehouse

次级堆肥阶段主要是实现较难降解有机物的分解和物料资源化。从图4（c）和图4（d）可以看出，协同堆肥试验的初级堆肥阶段均能实现物料无害化，有机物被大量分解后堆体温度明显下降。次级堆肥阶段刚开始温度会有回升，短暂维持高温后平稳下降，第30 天左右与环境温度相差较小，堆体内有机质基本腐熟稳定化。

原料含水率在60% 以下的C1、C2、C3 仓在次级堆肥阶段第23 天左右温度基本维持稳定，和环境温度相当，堆体有机质基本腐熟稳定化；原料含水率在60% 以上的C4、C5、C6 仓在次级堆肥阶段第28 天时堆体温度仍然处于下降状态，有机物未充分腐熟稳定化。考虑园林垃圾含有大量木质素、纤维素等降解缓慢的物质，在初级堆肥阶段无法被完全降解，次级堆肥降解所需时间也比传统堆肥时间更长。

2.2 减量化分析

减量化情况是评价好氧堆肥是否成功的主要指标之一，T/HW 00011—2020 中对初级堆肥减量化指标进行了量化规定，要求减容率和减重率都应在20%以上。对6 仓堆肥试验初级堆肥产品进行减量化分析，如表3 所示，结果均满足T/HW 00011—2020 中减量化指标要求，减量化效果较好。6 仓协同堆肥试验的初级堆肥过程的减容率为26.71%～38.14%，C1、C2、C3 和C4 仓的减容率均低于30%，考虑原料中园林垃圾较多，在初级堆肥阶段较难完全分解，故减容率表现不如C5 和C6。6 仓协同堆肥试验的初级堆肥过程的减重率为30.62%～38.48%，其中C6 仓的减重率最大，达到38.48%。

表3 初级堆肥减量化效果分析Table 3 Analysis of reduction effect in primary composting

半成品含水率也是判断初级堆肥是否成功的主要指标之一。T/HW 00011—2020 规定初级堆肥的产品含水率应在55% 以下。本次试验所用的间歇动态堆肥装置设计有两套通风系统，可以有效除去堆体内的水分。试验结束后对出料的含水率进行了测定，并根据公式（10）计算了脱水效率，结果如表4 所示。经过初级堆肥后6 仓物料的脱水效率都保持在40%左右。C1、C2、C3 和C4 仓初级堆肥出料含水率均满足规程要求，而C5 和C6 仓初级堆肥出料含水率不满足规程要求。

表4 初级堆肥脱水效率分析Table 4 Dehydration efficiency analysis of primary composting

式中：Pw为进料含水率，%；Q进为进料质量，kg；P出为出料含水率，%；Q出为出料质量，kg。

2.3 协同堆肥产品质量分析

初级堆肥结束后，选取了堆肥试验温度较好的C5 和C6 仓的初级堆肥产品运往二次堆场进行次级堆肥，次级堆肥约28 d 后堆体温度与环境温度相当，好氧堆肥基本完成，堆肥原料形成稳定的腐殖质。对C5 和C6 仓的次级堆肥产品进行无害化和资源化检测，结果如表5 所示。

表5 次级堆肥产品无害化检测结果Table 5 Results of harmless test of secondary composting products

从无害化角度来看，C5 和C6 仓的次级堆肥产品中汞和砷的含量远小于指标要求，粪大肠菌群值和蛔虫卵死亡率均达到相关标准要求，由此可知物料在经过初级堆肥和次级堆肥后已完全实现无害化。从资源化角度来看，C5 和C6 仓的次级堆肥产品中总养分和有机物含量等指标均达到NY/T 525—2021 的指标要求。次级堆肥完成后，产品的pH 呈弱碱性，能满足指标要求。从含水率来看，C5 仓的次级堆肥产品含水率低于30%，满足其商业化流通相关指标要求，C6 仓的次级堆肥产品含水率略高于30%，但不影响其就地使用。从种子发芽指数来看，C6 仓的次级堆肥产品的种子发芽指数为53.4%，相较于其初级堆肥产品的11.4%有很大的提升，说明次级堆肥过程可进一步分解初级堆肥阶段难以分解的有机物，并降低其植物毒性，使得种子发芽指数大幅上升，基本满足就地利用的要求，能实现次级堆肥产品资源化利用。

3 结论与展望

1）研究表明原料含水率越高，初级堆肥温度效果和减量化效果越好。不同含水率配比下园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥在初级堆肥阶段均能实现产品无害化。同时，次级堆肥产品的pH 和含水率满足就地回田使用的要求，总养分和有机物含量等均达到NY/T 525—2021 的指标要求，能实现堆肥产品资源化利用。园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥试验可行性和可操作性高，含水率在70% 以上也可实现有效堆肥，有效拓宽了传统堆肥的原料含水率范围（45%～65%）。

2）从本研究的结果看，园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥可行性高，在原料含水率较高的情况下仍能取得较好的好氧堆肥效果，实现园林垃圾与易腐垃圾的资源化处理，这种处理方式值得在农村范围内推广使用。在后续的研究中，建议进一步研究各种典型的园林垃圾与易腐垃圾协同堆肥的不同效果，并重点关注次级堆肥阶段的时间问题，保证园林垃圾中的木质素、纤维素能充分降解，形成稳定的腐殖质。