农村生活垃圾厌氧/准好氧生物反应器堆肥产物的安全性分析*

赵子亮 韩智勇# 李 浩 王双超 周若昕 张成甫 李 祥

(1.地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059;2.国家环境保护水土污染协同控制与联合修复重点实验室(成都理工大学),四川 成都 610059;3.成都理工大学生态环境学院,四川 成都 610059;4.四川省地质工程勘察院集团有限公司,四川 成都 610032;5.四川文理学院化学化工学院,四川 达州 635002;6.四川省地质矿产勘查开发局成都地质调查所,四川 成都 610202;7.陕西科技大化学与学化工学院,陕西 西安 710021)

截至2019年末,我国农村常住人口约5.51亿,约占全国总人口的40%,全国农村生活垃圾年产量接近3亿t[1],其中约50%得到无害化处理[2]。当前,卫生填埋、焚烧是生活垃圾的主要处理技术,但是由于存在占地面积大、二次污染突出、资源化利用率低、投资大、对管理水平和规模化要求高等限制[3],难以在农村生活垃圾处理中广泛应用。针对我国农村生活垃圾含水率高和可降解有机物含量高等特点[4],采用生物处理技术具有显著的优势。堆肥能够将可降解的有机质发酵形成可利用且稳定的腐殖质,从而达到资源化利用的目的;目前,农村生活垃圾堆肥技术主要有好氧堆肥、厌氧堆肥、蚯蚓堆肥等[5]。同时,通过空气注入、pH和营养物质调节、保温、微生物接种或渗滤液循环回灌等人工措施,强化微生物作用,促进有机垃圾快速降解的新型生物反应器处理技术也得到广泛的研究和应用[6-8]。以往对时空联合型厌氧/准好氧反应器(STASAB)的研究表明,STASAB充分利用厌氧、半好氧的特点,高效促进产甲烷菌、硝化菌和反硝化菌的共存与生长代谢,有效消除固体废物处理过程中的产酸和氨抑制,提高有机废物分解的速度和程度,促进CH4和CO2的快速产生,STASAB用于处理农村生活垃圾,不仅实现了渗滤液零排放,而且产生的CH4可作为清洁能源,减少了温室气体排放,还可以带来可观的经济效益[9]98,[10-11]。

基于这些堆肥技术得到的堆肥产品含有丰富的养分,生物可利用有机质和营养元素含量高,并含有大量活性微生物[12-13];而且其比表面积和孔隙度较大,结构松散,有良好的水力传导能力和渗透性,较高的阳离子交换能力[14-15],能够有效提高土壤保水、保肥能力[16],改善土壤中微生物的群落结构并提升多样性[17],可作为营养匮乏土壤的改良剂,改善土壤质量,提高作物产量[18-20]。然而,堆肥产品含Cu、Pb、Cr等重金属[21-22],微塑料等新型污染物以及寄生虫体和虫卵等病原体[23-24],当生活垃圾堆肥产品施用到土壤中,可能会造成地下水的污染,其中硝酸盐和总氮污染明显[25]。因此,研究基于厌氧/准好氧生物反应器制备的农村生活垃圾堆肥产品的品质和施用风险,是了解该堆肥产品是否能安全利用的前提,尤其是对堆肥中有机物和“三氮”(氨氮、硝酸盐氮、总氮)溶出特性的研究,在评价堆肥产品农林利用过程中对水环境的影响具有重要意义,也可为评价和控制农村生活垃圾堆肥产品土地利用的风险提供借鉴。

1 方 法

1.1 实验装置

淋滤装置采用直径300 mm、高1 200 mm的聚氯乙烯柱,如图1所示,淋滤柱从下而上依次为：底座+200 mm砾石层+900 mm堆肥产品层+50 mm砾石层,顶盖安装圆形花洒喷头,便于淋滤,均匀布水。

注：①为盖子;②为花洒喷头;③为支架;④为砾石层;⑤为堆肥产品层;⑥为出水口;⑦为底座。图1 淋滤装置示意图Fig.1 Schematic diagram of leaching column

1.2 实验材料

实验装填的生活垃圾取自成都理工大学生活住宅小区,参照2015年中国西南部四川省农村地区生活垃圾的湿基组分质量分数,包括厨余(66.2%)、纸(9.6%)、纺织品(5.4%)、木竹(3.3%)、其他(15.5%)[9]98,分别对4个串联的反应器进行装填。反应器高度为900 mm,装填质量为125 kg,装填密度为700 kg/m3。实验装置和反应器运行情况参见文献[9]、[10],生物反应器运行结束后,产生的堆肥产品用于本实验。

1.3 实验设计

共设置两个淋滤柱,分别装填发酵时间为1年(CC1)和1.5年(CC1.5)的堆肥产品,装填高度为900 mm,装填质量为45 kg,装填密度为750 kg/m3。

实验采用自来水,通过蠕动泵对堆肥产品进行淋滤,淋滤量为2 L/d,淋滤速率为500 mL/min,进水24 h后淋溶液由出水口排出,再用自来水淋滤,如此反复,共淋滤40 d,每3天监测一次出水水质。

1.4 检测指标及分析方法

堆肥产品和淋溶液检测指标及分析方法如表1所示。

表1 检测指标及分析方法Table 1 Testing indicators and methods

表2 重金属评价标准Table 2 Limits of heavy metals mg/kg

1.5 评价方法

采用SPSS 26.0对不同发酵时间堆肥产品的淋溶液中的COD和“三氮”进行T检验分析差异显著性,并分别采用单因子污染指数法、内梅罗综合污染指数法和生态风险指数法对发酵1.5年的堆肥产品的重金属进行生态风险评价。发酵1.5年的堆肥产品质量评价参考《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》(GB/T 23486—2009)和《有机肥料》(NY/T 525—2021),施用发酵1.5年堆肥产品后的园林土壤环境质量评价参考《土壤环境质量 建设用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 36600—2018)中的第一类用地筛选值和《绿化种植土壤》(CJ/T 340—2016)中Ⅳ级土壤的限值。

1.5.1 单因子污染指数法和内梅罗综合污染指数法

单因子污染指数分级标准：≤1为未污染;>1～2为轻度污染;>2～3为中度污染;>3为重度污染。内梅罗综合污染指数分级标准：≤1为未污染;>1～2为轻度污染;>2～3为中度污染;>3为重度污染[26-29]。

1.5.2 生态风险指数法

土壤重金属生态风险计算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

生态风险评价指标分级情况见表3[32]。

表3 重金属生态风险评价指标分级Table 3 Ecological risk degree of heavy metals

1.6 堆肥产品施用影响预测方法

在堆肥产品施用影响预测的分析中,模拟施用场景如下：将发酵1.5年的堆肥产品分别在春季栽植季节(3月)、雨季(7月)、旱季(11月)按照最佳施肥量3 kg/m2施加到10 000 m2园林绿化土壤中[33],降雨量取成都市1981—2010年的月平均降雨量,根据堆肥产品的淋滤规律推导“三氮”溶出浓度与单位质量堆肥淋溶液体积的函数,预测堆肥产品施用后“三氮”的溶出量。

2 结果与讨论

2.1 堆肥产品质量评价

发酵1.5年的堆肥产品质量见表4,该堆肥产品满足GB/T 23486—2009对中性和碱性土壤的施用标准,但不满足NY/T 525—2021的要求。

表4 堆肥产品质量和评价标准Table 4 Compost quality and limit

施用发酵1.5年的堆肥产品后的土壤质量和生态风险评价见表5。由表5可知,发酵1.5年的堆肥产品按15%(质量分数,下同)的比例施加到土壤中,重金属Cd、Cr、Pb、Cu均满足GB 36600—2018中的第一类用地筛选值和CJ/T 340—2016中Ⅳ级土壤限值(单因子污染指数、内梅罗综合污染指数均小于1),生态风险等级为轻微生态风险(单项潜在生态风险指数<40,综合生态风险指数<150)。与土壤背景值相比,Cd和Cu累积效应非常明显。由此可见,15%的堆肥产品施加到土壤中不会对土壤造成重金属的污染,但存在重金属的累积,尤其是Cd和Cu的累积需引起重视。

表5 施用堆肥产品的土壤质量和生态风险1)Table 5 Environmental quality and ecological risk of the soil fertilized with compost

2.2 堆肥产品污染物淋滤规律研究

不同发酵时间的堆肥产品淋溶液中COD浓度变化如图2(a)所示。

图2 淋溶液中污染物变化趋势Fig.2 Variation trend of pollutants in leachate

淋滤前期,CC1淋溶液中COD浓度随淋滤时间增加逐渐上升,在第13天时达到最大值3 314.7 mg/L,随后逐渐下降。CC1.5中COD浓度在整个淋滤阶段呈指数下降趋势。在实验结束时,CC1和CC1.5的淋溶液COD分别为1 479.8、415.0 mg/L,较峰值浓度分别下降了55.36%、80.46%,而且CC1.5的淋溶液COD浓度明显更低,约为CC1的1/3。

CC1和CC1.5初始阶段的淋溶液COD浓度较高,是因为可溶有机物和无机物(如亚硝酸盐、硫化物)迅速溶解于水中[35-36]。由图2和显著性分析可知,在淋滤实验中,CC1和CC1.5淋溶液的COD变化差异极显著(P<0.01),是因为CC1堆肥稳定时间更短,有机物矿化程度较低,故在淋滤前期CC1微生物的降解作用和溶解作用强于淋滤的稀释作用,因此COD呈先升高后降低的趋势,而CC1.5矿化程度更高,淋滤过程中主要受淋溶液的稀释作用影响,故COD呈逐渐降低趋势。

堆肥产品淋溶液中的“三氮”浓度变化规律如图2(b)、图2(c)、图2(d)所示。

CC1和CC1.5淋溶液中总氮的变化趋势一致,无显著差异(P>0.05),淋滤实验前15 d,CC1和CC1.5淋溶液中总氮浓度呈指数下降趋势,25 d后,淋溶液中总氮浓度呈下降趋缓,实验结束时,CC1和CC1.5淋溶液中总氮浓度分别下降了89.94%、89.26%。由于硝酸盐氮为总氮的主要组分,因此其变化规律与总氮一致：不同发酵年限堆肥之间无显著差异(P>0.05),且呈指数下降趋势,实验结束时CC1和CC1.5淋溶液中硝酸盐氮浓度分别下降了85.74%、93.67%。

氨氮浓度在整个淋滤阶段表现为先指数增长,后降低的趋势。相比总氮和硝酸盐氮,氨氮总体浓度较低,均未超过60 mg/L。在整个实验阶段,CC1和CC1.5淋溶液中氨氮浓度差异极显著(P<0.01),CC1的浓度值一直保持为CC1.5的2倍左右;在淋滤初期,氨氮浓度较低;在淋滤第23、16天,CC1和CC1.5的氨氮浓度分别达到最大值;实验结束时,CC1、CC1.5的氨氮浓度较峰值浓度分别降低了41.49%、67.67%。

淋滤初期,随着堆肥产品中含水率的提高,可溶性含氮有机物和无机物迅速溶解到淋溶液中,而且能够被微生物利用的有机物充足,微生物活性较高,堆肥产品中的含氮有机物转化为溶解性含氮有机物的速率更快,因此这一阶段淋溶液中总氮浓度很高。

随着溶解性含氮有机物的不断溶出,微生物可利用的含氮物质减少,微生物活性减弱,含氮有机物从固相转移到液相的速率减慢,导致在淋滤后期总氮溶出浓度降低且变化缓慢。

在淋滤前期,堆肥产品中营养物质较充足,加之淋滤提高了堆肥产品含水率,使含氮有机物迅速被氨化细菌降解为无机铵,加上堆肥中有铵的大量溶出,使得氨化作用和铵溶解作用强于硝化作用和淋滤的稀释作用,导致淋溶液中氨氮的浓度逐渐升高;在淋滤后半段,淋滤柱中的好氧环境逐渐扩大,溶解性含氮有机物和无机物被大量溶出,氨化细菌可利用的营养物质减少,氨化速率降低,硝化作用加强,从而使溶出的氨氮浓度不断降低。

CC1中堆肥的矿化时间更短,其堆肥产品中含有更多可被微生物降解的含氮有机物,微生物作用强于CC1.5,在淋滤过程中,CC1淋溶液中的总氮、氨氮和硝酸盐氮的溶出浓度均高于CC1.5,因此,为了降低施肥产品对地下水的污染,最有效的措施是增加堆肥时间,提高堆肥产品的腐熟度,减少堆肥产品中氮的下渗量。

2.3 堆肥产品施用的影响预测

依据CC1.5淋滤规律,得到“三氮”浓度与单位质量堆肥产品淋溶液体积的函数如式(3)、式(4)、式(5)所示。

C总氮=1 258.8exp(-1.17K)

(3)

(4)

C硝酸盐氮=1 247.6exp(-1.89K)

(5)

式中：C总氮、C氨氮、C硝酸盐氮分别为淋溶液中总氮、氨氮、硝酸盐氮质量浓度,mg/L;K为堆肥产品单位质量淋溶液体积,L/kg。

“三氮”日平均溶出量计算如式(6)所示,年溶出累积量为日平均溶出量乘以365。

(6)

式中：Mi为总氮(氨氮或硝酸盐氮)溶出量,g;S为堆肥产品施用面积,m2,取值10 000 m2;P为降水量,mm;α为土壤入渗系数,取值0.2;Ci为总氮(氨氮或硝酸盐氮)质量浓度,mg/L。

堆肥产品在春季栽植季节施肥、雨季施肥、旱季施肥后“三氮”的溶出量如图3所示。

图3 不同施肥季节氮溶出量Fig.3 Dissolved nitrogen after fertilizing in different seasons

在春季、雨季、旱季施肥后,“三氮”的溶出量分别在44～64、6～9、118～152 d达到年溶出累积量的99%。这表明春季施肥后肥效可在2个月内持续释放,雨季施肥后“三氮”快速溶出,旱季施肥后释放时间最长。

农村生活垃圾经过1.5年的厌氧、半好氧发酵后,大部分可降解氮已被降解并淋失,因此堆肥产品的初始总氮含量较低,为276 kg,施用后再经过一年的降雨淋滤,总氮年溶出累积量介于24 534～31 783 g,占初始总氮含量的8.89%～11.52%。其中春季施肥后“三氮”的年溶出累积量和旱季相差不大,雨季年溶出累积量最小,约为春季和旱季的78%。原因在于雨季施肥后短时间内降雨入渗量过大,溶解性含氮物质迅速溶解后被淋滤出,残留的可降解有机氮未能充分降解,导致雨季施肥氮年溶出累积量相对偏低。

综上所述,不同季节施肥“三氮”的年溶出累积量约为总量的10%,但春季施肥“三氮”释放与作物生长同步,更有利于作物生长。

3 结 论

1) 发酵1.5年的农村生活垃圾堆肥产品中,重金属含量由高到低依次为Cu(1 322.02 mg/kg)、Pb(118.39 mg/kg)、Cr(91.61 mg/kg)、Cd(8.81 mg/kg),可作为绿肥施用于中性和碱性土壤,但不能作为有机肥农用。将该堆肥产品按15%的比例施用后,Cd、Cr、Pb和Cu不会对土壤造成重金属污染,但存在轻微的生态风险。

2) 发酵1年的堆肥产品淋溶液中的总氮和硝酸盐氮呈指数下降,分别降低了89.94%、85.74%,发酵1.5年的堆肥产品与其相似,分别降低了89.26%、93.67%。1年和1.5年堆肥产品淋溶液中氨氮呈现出先增加再降低的趋势,两者差异极显著(P<0.01)。发酵1年的堆肥产品淋溶液中COD浓度呈现出先增加再降低的趋势,发酵1.5年的呈指数降低趋势,两者差异性极显著(P<0.01)。堆肥产品发酵时间越长,其淋溶液中污染物的含量越低。

3) 不同季节施肥总氮年溶出累积量为24 534～31 783 g,约占初始总氮含量的10%,其中春季施肥“三氮”释放与作物生长同步,有利于作物生长。