農村地區園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥試驗研究＊

陳海濱，楊黎潔，許笑笑，郭 帥，梁 莎，楊家寬

（華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

我國生活垃圾總量不斷增長，制約著經濟社會的健康發展和人民生活品質的提升。目前，我國大部分城市已經形成了比較成熟的生活垃圾收運處理系統，使生活垃圾得到了有效的減量化、資源化、無害化處理。而對于農村地區，按照我國農村生活垃圾產生率中位值為0.521 kg/（人·d）［1］，以及國家統計年鑒中公布的2022 年農村人口數據，可以估算2022 年我國農村生活垃圾年產量約0.93×108t。隨著我國農民收入和消費水平的提高，農村生活垃圾年增長率達8%～10%［2］，但暫未形成成熟的處理體系。農村生活垃圾存在來源較為分散、居民對垃圾分類意識不足、垃圾處理設施不完善等問題。在垃圾分類與新農村建設的大背景下，部分農村地區逐漸形成了生活垃圾“干濕分類”、易腐垃圾（俗稱“濕垃圾”）就地堆肥處理的新模式。但易腐垃圾含水率高，碳氮比（C/N）低，單獨進行好氧堆肥不利于微生物發酵和通風供氧。

隨著垃圾分類制度不斷細化和推進，園林垃圾的處理問題也逐漸受到了關注?，F階段我國城市園林垃圾的處理主要采用棄管、焚燒、填埋和少量資源化利用4 種方式［3］。而農村地區的園林垃圾基本處于隨意丟棄狀態，資源化利用水平較低，且園林垃圾體積大、產生地隨機性高，較難收集運輸［4］。園林垃圾成分較為單一，主要是由木質素、纖維素等組成，具有資源化利用的潛力［5］。尤其風干后的園林垃圾具有含水率低、C/N高的特點，理論上可解決易腐垃圾含水率高、C/N低造成單獨堆肥效果不佳的問題。因此，在農村地區開展園林垃圾和易腐垃圾協同資源化處理研究具有可行性。

我國利用好氧堆肥技術處理的對象主要是污泥或者生活垃圾，對于園林垃圾等新興垃圾的研究較少，且大多采用的是靜態好氧堆肥技術。動態堆肥較靜態堆肥具有堆肥周期短、供氧充足等優點，課題組前期開展了農村易腐垃圾間歇性動態堆肥試驗［6］，結果發現，間歇動態堆肥在初級發酵階段有較好的升溫效果，且升溫速度快、發酵溫度高。因此，本研究選用二次性好氧堆肥工藝，采用裝配式間歇動態堆肥裝置，在安徽省鳳陽縣小崗村實地進行園林垃圾和易腐垃圾協同動態堆肥試驗，對堆肥過程關鍵影響因素進行分析，研究不同原料配比下含水率對園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥效果的影響，探究協同堆肥原料含水率最佳范圍。

1 材料與方法

1.1 試驗原料及預處理

小崗村生活垃圾收運量約為2 t/d，以廚余垃圾為主的易腐成分占比為73.3%，折算可得易腐垃圾總量為1.5 t/d。易腐垃圾具有季節性特點，具體表現為春、夏季易腐垃圾占比較大，秋、冬季易腐垃圾占比較小。結合小崗村地區的實際情況，協同堆肥試驗使用的園林垃圾主要包括：①當地道路綠化自然凋謝或人工養護過程中產生的樹葉、樹枝等；②當地農作物自然凋謝或收獲時被丟棄的植物殘體。本研究所用園林垃圾為小崗村實地收集所得的楓樹葉、樟樹葉及其小型枝干。剛掉落的園林垃圾含水率較高，太陽暴曬風干后，其含水率降至約20%，方可進行協同堆肥。

協同堆肥原料的預處理主要包括分揀、破碎和混合。分揀環節通過鐵鍬等工具將易腐垃圾中的塑料、大型骨頭、金屬等不可堆肥的物質和廢舊電池等有害垃圾分選出來。破碎環節使用破碎機將園林垃圾破碎至5～8 cm 的粒度范圍，同時使用鐵鍬將易腐垃圾破碎至相同的粒度范圍。分揀和破碎完成后，通過人工混合的方式將園林垃圾與易腐垃圾按原料含水率設計值以一定比例進行充分混勻，以保障初級堆肥發酵效果。

1.2 試驗裝置與設備及工藝流程

協同堆肥試驗所用裝置為課題組前期開發的裝配式間歇動態堆肥裝置［6］，具有建設周期短、建設投資少、占地面積小、機械化程度高等特點。所用儀器設備主要有含水率測定儀（XFSFY-120A）、溫度計（T 150）、磅秤（TCS-500）、鐵鍬、物料破碎機（6 刀-4.8 kW）等。

該堆肥裝置由多層發酵倉裝配而成，單層發酵倉的長、寬、高分別為1.5、1.5、1.6 m，主要由進料系統、通風供氧系統和翻堆卸料系統3 部分組成。進料系統通過提升電機使進料桶運送至頂層，倒入頂層發酵倉內，頂層的旋轉布料器使物料均勻散落在發酵倉中；通風供氧系統有兩套，一套通過堆體溫度調節通風量，另一套通過底層與頂層之間的溫度差形成“煙囪效應”實現通風；翻堆卸料系統是間歇動態堆肥裝置的關鍵。旋轉軸位于翻板2/3 處，每層發酵倉底設計有3 塊翻板，每次翻堆時翻板逆時針旋轉90°，物料順著翻板間空隙落到下一層，最后一層翻板兼有出料功能。此外，所有翻板均通過PLC 程序進行自鎖控制，只有當下層翻板處于水平位置時，上層翻板才能翻轉至垂直進行翻堆卸料，保證卸料過程有序進行。其工藝流程為頂層進料，底層出料，物料通過翻板由上而下進行翻堆卸料，空氣自下而上流動，保證初級堆肥階段物料與空氣充分接觸，如圖1 所示。

圖1 堆肥裝置工藝流程示意Figure 1 Process flow schematic of composting device

1.3 試驗方案設計

協同堆肥試驗選用二次性好氧堆肥工藝，分為初級堆肥階段和次級堆肥階段。主要研究不同原料含水率配比下協同堆肥初級堆肥階段的溫度變化、減量化程度等相關參數，以及初級堆肥半成品在經過1 個月的次級堆肥腐熟階段后產品的無害化與資源化程度。園林垃圾和易腐垃圾協同堆肥試驗操作流程如圖2 所示。

圖2 協同堆肥試驗流程Figure 2 Experiment flow of the collaborative composting

1.3.1 含水率設計

美國環境保護署（EPA）的相關規定［7］表明：堆肥原料含水率下限值為40%。我國團體標準T/HW 00011—2020 農村易腐垃圾小型堆肥技術規程對好氧堆肥原料的含水率范圍規定為45%～65%。因此，本協同堆肥試驗中原料含水率的設計值為45%、50%、55%、60%、65%和70%，共進行6 倉（C1～C6）協同堆肥試驗。

1.3.2 協同堆肥原料配比設計及理論C/N

根據課題組前期堆肥試驗經驗，堆肥原料填充率取60%，密度γ取300 kg/m3，計算可得每倉協同堆肥原料的總質量為648 kg，按650 kg 進行計算。易腐垃圾的理論含水率為70%～85%，風干后園林垃圾的理論含水率為10%～25%［8］。為方便計算，取易腐垃圾含水率為80%，園林垃圾含水率為20%。此外，易腐垃圾的典型C/N 為14∶1，園林垃圾的典型C/N 為58∶1［9］，因此計算得協同堆肥原料組成設計及理論C/N 如表1 所示。

表1 協同堆肥原料組成設計及理論C/NTable 1 Design of raw material composition and theoretical C/N ratio for collaborative composting

堆肥原料的C/N 宜為20∶1～30∶1［10］。對于本研究的協同堆肥試驗，其原料之一的園林垃圾由于含有生物較難降解的木質素和纖維素，其原料中有機物的可降解性偏低，故而本研究協同堆肥原料C/N 應該比傳統的堆肥原料更高。

6 倉協同堆肥試驗實際堆肥進料情況如表2 所示。從含水率來看，6 倉協同堆肥試驗均按照試驗方案設計進行原料配比，實際進料的含水率和C/N都在設計值附近。

表2 協同堆肥試驗實際進料情況Table 2 Actual feeding situation of collaborative composting

1.3.3 溫度監測

在協同好氧堆肥過程中對發酵倉進行了溫度監測，單個發酵倉側面有3 個測溫孔（圖3），分別位于倉體的上、中、下部，每天使用溫度計對堆體進行溫度監測，取3 處溫度實測值的平均值作為堆體實際溫度。

圖3 發酵倉測溫孔分布Figure 3 Distribution of temperature measuring holes in fermentation chamber

1.3.4 通風設計

通風量在好氧堆肥各階段起著重要作用。就初級堆肥而言，升溫階段目的是激起微生物活性，應勤通風；到達高溫階段，則應增大通風量，利用通風為微生物活動提供充足的氧氣，同時帶走堆體中大量水汽，起到降低物料含水率和保持堆體溫度的效果。本節主要對單層發酵倉的通風供氧進行相關設計計算。

保障好氧堆肥能順利進行的通風量為最低通風量Qlow，按公式（1）計算［11］：

式中：Qlow為保障好氧堆肥順利進行的最低通風量，m3/d；Ro2為好氧速率，取103.3 mol/（m3·d）；M為發酵倉內堆肥原料的質量，kg；γ為堆肥原料的密度，kg/m3；0.107 為經驗公式參數。

根據1.3.2 對堆肥原料的設計可知，理論上發酵倉內原料的質量M為650 kg，堆肥原料的γ為300 kg/m3，代入公式（1）可計算出保障好氧堆肥順利進行的Qlow=23.94 m3/d，即0.017 m3/min；

充分去除堆體水分和維持堆體溫度的通風量為最高通風量Qh，在對Qh進行計算時，將單個發酵倉看作1 個堆肥系統，通過對系統的熱量平衡來計算。

堆體發酵溫度為65 ℃時產生的熱量qr按公式（2）計算［11］：

式中：qr為堆肥原料發酵產生的生化反應熱，kJ/d；ε為易降解有機物的質量分數，取0.15；Mr為堆肥原料的摩爾質量，g/mol；qo2為氧氣的反應熱，為443.12 kJ/mol；18.75 為經驗公式參數；kT為物料溫度為T時的反應動力學常數，為0.038 d-1。將M=650 kg，Mr=416 g/mol 等數值代入公式（2）可得到qr=73 997.58 kJ/d。

在忽略倉體散熱的情況下，堆肥系統的熱量損失可按公式（3）進行計算：

式中：qs為堆肥系統需要的熱量，kJ/d；qt為堆肥原料溫度上升需要的熱量，kJ/d，在高溫階段堆體不再升溫，故此時qt=0；qa為冷空氣升溫所需要的熱量，kJ/d；qw為水汽蒸發吸熱所需要的熱量，kJ/d。

式中：Ca為空氣比熱容，取1.007 kJ/（kg·℃）；ma為通氣量，kg/d；T為出氣溫度，取65 ℃，T0為堆體初始溫度，取20 ℃。

式中：?為水汽化所需熱量，取2 260 kJ/kg；mw為通氣量為ma時能帶走的水汽的量，kg/min。mw按公式（7）～公式（9）進行計算［11］：

式中：Pout為出氣蒸氣壓，kPa；Pin為進氣蒸氣壓，kPa；Tout為出氣溫度，取338 K；Tin為進氣溫度，取298 K；?out為出氣相對溫度，取1.0；?in為進氣相對溫度，取0.8。

根據系統熱量守恒，即qr=qs，可以計算出Qh=239.7 m3/d，即0.16 m3/min。

2 試驗結果分析

2.1 堆肥溫度分析

初級堆肥階段主要是利用高溫菌作用實現有機物迅速降解和物料無害化。從圖4（a）和圖4（b）可以看出，6 倉協同堆肥試驗在初級堆肥階段整體溫度情況表現正常，均能在初級堆肥階段實現無害化（65 ℃以上3 d），其中原料含水率為46.21%的C1 倉只能勉強保持65 ℃以上3 d。隨著含水率升高，升溫速度加快，原料含水率為73.15% 的C6 倉在進料10 h 后便升溫至65 ℃以上，并可保持高溫3 d 以上，無害化程度良好。

圖4 C1～C6 倉初級發酵及協同堆肥試驗全過程溫度變化Figure 4 Temperature variation of primary fermentation and the whole process of collaborative composting experiment in C1～C6 warehouse

次級堆肥階段主要是實現較難降解有機物的分解和物料資源化。從圖4（c）和圖4（d）可以看出，協同堆肥試驗的初級堆肥階段均能實現物料無害化，有機物被大量分解后堆體溫度明顯下降。次級堆肥階段剛開始溫度會有回升，短暫維持高溫后平穩下降，第30 天左右與環境溫度相差較小，堆體內有機質基本腐熟穩定化。

原料含水率在60% 以下的C1、C2、C3 倉在次級堆肥階段第23 天左右溫度基本維持穩定，和環境溫度相當，堆體有機質基本腐熟穩定化；原料含水率在60% 以上的C4、C5、C6 倉在次級堆肥階段第28 天時堆體溫度仍然處于下降狀態，有機物未充分腐熟穩定化?？紤]園林垃圾含有大量木質素、纖維素等降解緩慢的物質，在初級堆肥階段無法被完全降解，次級堆肥降解所需時間也比傳統堆肥時間更長。

2.2 減量化分析

減量化情況是評價好氧堆肥是否成功的主要指標之一，T/HW 00011—2020 中對初級堆肥減量化指標進行了量化規定，要求減容率和減重率都應在20%以上。對6 倉堆肥試驗初級堆肥產品進行減量化分析，如表3 所示，結果均滿足T/HW 00011—2020 中減量化指標要求，減量化效果較好。6 倉協同堆肥試驗的初級堆肥過程的減容率為26.71%～38.14%，C1、C2、C3 和C4 倉的減容率均低于30%，考慮原料中園林垃圾較多，在初級堆肥階段較難完全分解，故減容率表現不如C5 和C6。6 倉協同堆肥試驗的初級堆肥過程的減重率為30.62%～38.48%，其中C6 倉的減重率最大，達到38.48%。

表3 初級堆肥減量化效果分析Table 3 Analysis of reduction effect in primary composting

半成品含水率也是判斷初級堆肥是否成功的主要指標之一。T/HW 00011—2020 規定初級堆肥的產品含水率應在55% 以下。本次試驗所用的間歇動態堆肥裝置設計有兩套通風系統，可以有效除去堆體內的水分。試驗結束后對出料的含水率進行了測定，并根據公式（10）計算了脫水效率，結果如表4 所示。經過初級堆肥后6 倉物料的脫水效率都保持在40%左右。C1、C2、C3 和C4 倉初級堆肥出料含水率均滿足規程要求，而C5 和C6 倉初級堆肥出料含水率不滿足規程要求。

表4 初級堆肥脫水效率分析Table 4 Dehydration efficiency analysis of primary composting

式中：Pw為進料含水率，%；Q進為進料質量，kg；P出為出料含水率，%；Q出為出料質量，kg。

2.3 協同堆肥產品質量分析

初級堆肥結束后，選取了堆肥試驗溫度較好的C5 和C6 倉的初級堆肥產品運往二次堆場進行次級堆肥，次級堆肥約28 d 后堆體溫度與環境溫度相當，好氧堆肥基本完成，堆肥原料形成穩定的腐殖質。對C5 和C6 倉的次級堆肥產品進行無害化和資源化檢測，結果如表5 所示。

表5 次級堆肥產品無害化檢測結果Table 5 Results of harmless test of secondary composting products

從無害化角度來看，C5 和C6 倉的次級堆肥產品中汞和砷的含量遠小于指標要求，糞大腸菌群值和蛔蟲卵死亡率均達到相關標準要求，由此可知物料在經過初級堆肥和次級堆肥后已完全實現無害化。從資源化角度來看，C5 和C6 倉的次級堆肥產品中總養分和有機物含量等指標均達到NY/T 525—2021 的指標要求。次級堆肥完成后，產品的pH 呈弱堿性，能滿足指標要求。從含水率來看，C5 倉的次級堆肥產品含水率低于30%，滿足其商業化流通相關指標要求，C6 倉的次級堆肥產品含水率略高于30%，但不影響其就地使用。從種子發芽指數來看，C6 倉的次級堆肥產品的種子發芽指數為53.4%，相較于其初級堆肥產品的11.4%有很大的提升，說明次級堆肥過程可進一步分解初級堆肥階段難以分解的有機物，并降低其植物毒性，使得種子發芽指數大幅上升，基本滿足就地利用的要求，能實現次級堆肥產品資源化利用。

3 結論與展望

1）研究表明原料含水率越高，初級堆肥溫度效果和減量化效果越好。不同含水率配比下園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥在初級堆肥階段均能實現產品無害化。同時，次級堆肥產品的pH 和含水率滿足就地回田使用的要求，總養分和有機物含量等均達到NY/T 525—2021 的指標要求，能實現堆肥產品資源化利用。園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥試驗可行性和可操作性高，含水率在70% 以上也可實現有效堆肥，有效拓寬了傳統堆肥的原料含水率范圍（45%～65%）。

2）從本研究的結果看，園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥可行性高，在原料含水率較高的情況下仍能取得較好的好氧堆肥效果，實現園林垃圾與易腐垃圾的資源化處理，這種處理方式值得在農村范圍內推廣使用。在后續的研究中，建議進一步研究各種典型的園林垃圾與易腐垃圾協同堆肥的不同效果，并重點關注次級堆肥階段的時間問題，保證園林垃圾中的木質素、纖維素能充分降解，形成穩定的腐殖質。