農村生活垃圾厭氧/準好氧生物反應器堆肥產物的安全性分析*

趙子亮 韓智勇# 李 浩 王雙超 周若昕 張成甫 李 祥

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059;2.國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室(成都理工大學),四川 成都 610059;3.成都理工大學生態環境學院,四川 成都 610059;4.四川省地質工程勘察院集團有限公司,四川 成都 610032;5.四川文理學院化學化工學院,四川 達州 635002;6.四川省地質礦產勘查開發局成都地質調查所,四川 成都 610202;7.陜西科技大化學與學化工學院,陜西 西安 710021)

截至2019年末,我國農村常住人口約5.51億,約占全國總人口的40%,全國農村生活垃圾年產量接近3億t[1],其中約50%得到無害化處理[2]。當前,衛生填埋、焚燒是生活垃圾的主要處理技術,但是由于存在占地面積大、二次污染突出、資源化利用率低、投資大、對管理水平和規?；蟾叩认拗芠3],難以在農村生活垃圾處理中廣泛應用。針對我國農村生活垃圾含水率高和可降解有機物含量高等特點[4],采用生物處理技術具有顯著的優勢。堆肥能夠將可降解的有機質發酵形成可利用且穩定的腐殖質,從而達到資源化利用的目的;目前,農村生活垃圾堆肥技術主要有好氧堆肥、厭氧堆肥、蚯蚓堆肥等[5]。同時,通過空氣注入、pH和營養物質調節、保溫、微生物接種或滲濾液循環回灌等人工措施,強化微生物作用,促進有機垃圾快速降解的新型生物反應器處理技術也得到廣泛的研究和應用[6-8]。以往對時空聯合型厭氧/準好氧反應器(STASAB)的研究表明,STASAB充分利用厭氧、半好氧的特點,高效促進產甲烷菌、硝化菌和反硝化菌的共存與生長代謝,有效消除固體廢物處理過程中的產酸和氨抑制,提高有機廢物分解的速度和程度,促進CH4和CO2的快速產生,STASAB用于處理農村生活垃圾,不僅實現了滲濾液零排放,而且產生的CH4可作為清潔能源,減少了溫室氣體排放,還可以帶來可觀的經濟效益[9]98,[10-11]。

基于這些堆肥技術得到的堆肥產品含有豐富的養分,生物可利用有機質和營養元素含量高,并含有大量活性微生物[12-13];而且其比表面積和孔隙度較大,結構松散,有良好的水力傳導能力和滲透性,較高的陽離子交換能力[14-15],能夠有效提高土壤保水、保肥能力[16],改善土壤中微生物的群落結構并提升多樣性[17],可作為營養匱乏土壤的改良劑,改善土壤質量,提高作物產量[18-20]。然而,堆肥產品含Cu、Pb、Cr等重金屬[21-22],微塑料等新型污染物以及寄生蟲體和蟲卵等病原體[23-24],當生活垃圾堆肥產品施用到土壤中,可能會造成地下水的污染,其中硝酸鹽和總氮污染明顯[25]。因此,研究基于厭氧/準好氧生物反應器制備的農村生活垃圾堆肥產品的品質和施用風險,是了解該堆肥產品是否能安全利用的前提,尤其是對堆肥中有機物和“三氮”(氨氮、硝酸鹽氮、總氮)溶出特性的研究,在評價堆肥產品農林利用過程中對水環境的影響具有重要意義,也可為評價和控制農村生活垃圾堆肥產品土地利用的風險提供借鑒。

1 方 法

1.1 實驗裝置

淋濾裝置采用直徑300 mm、高1 200 mm的聚氯乙烯柱,如圖1所示,淋濾柱從下而上依次為：底座+200 mm礫石層+900 mm堆肥產品層+50 mm礫石層,頂蓋安裝圓形花灑噴頭,便于淋濾,均勻布水。

注：①為蓋子;②為花灑噴頭;③為支架;④為礫石層;⑤為堆肥產品層;⑥為出水口;⑦為底座。圖1 淋濾裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of leaching column

1.2 實驗材料

實驗裝填的生活垃圾取自成都理工大學生活住宅小區,參照2015年中國西南部四川省農村地區生活垃圾的濕基組分質量分數,包括廚余(66.2%)、紙(9.6%)、紡織品(5.4%)、木竹(3.3%)、其他(15.5%)[9]98,分別對4個串聯的反應器進行裝填。反應器高度為900 mm,裝填質量為125 kg,裝填密度為700 kg/m3。實驗裝置和反應器運行情況參見文獻[9]、[10],生物反應器運行結束后,產生的堆肥產品用于本實驗。

1.3 實驗設計

共設置兩個淋濾柱,分別裝填發酵時間為1年(CC1)和1.5年(CC1.5)的堆肥產品,裝填高度為900 mm,裝填質量為45 kg,裝填密度為750 kg/m3。

實驗采用自來水,通過蠕動泵對堆肥產品進行淋濾,淋濾量為2 L/d,淋濾速率為500 mL/min,進水24 h后淋溶液由出水口排出,再用自來水淋濾,如此反復,共淋濾40 d,每3天監測一次出水水質。

1.4 檢測指標及分析方法

堆肥產品和淋溶液檢測指標及分析方法如表1所示。

表1 檢測指標及分析方法Table 1 Testing indicators and methods

表2 重金屬評價標準Table 2 Limits of heavy metals mg/kg

1.5 評價方法

采用SPSS 26.0對不同發酵時間堆肥產品的淋溶液中的COD和“三氮”進行T檢驗分析差異顯著性,并分別采用單因子污染指數法、內梅羅綜合污染指數法和生態風險指數法對發酵1.5年的堆肥產品的重金屬進行生態風險評價。發酵1.5年的堆肥產品質量評價參考《城鎮污水處理廠污泥處置 園林綠化用泥質》(GB/T 23486—2009)和《有機肥料》(NY/T 525—2021),施用發酵1.5年堆肥產品后的園林土壤環境質量評價參考《土壤環境質量 建設用地土壤污染風險管控標準(試行)》(GB 36600—2018)中的第一類用地篩選值和《綠化種植土壤》(CJ/T 340—2016)中Ⅳ級土壤的限值。

1.5.1 單因子污染指數法和內梅羅綜合污染指數法

單因子污染指數分級標準：≤1為未污染;>1～2為輕度污染;>2～3為中度污染;>3為重度污染。內梅羅綜合污染指數分級標準：≤1為未污染;>1～2為輕度污染;>2～3為中度污染;>3為重度污染[26-29]。

1.5.2 生態風險指數法

土壤重金屬生態風險計算如式(1)、式(2)所示。

(1)

(2)

生態風險評價指標分級情況見表3[32]。

表3 重金屬生態風險評價指標分級Table 3 Ecological risk degree of heavy metals

1.6 堆肥產品施用影響預測方法

在堆肥產品施用影響預測的分析中,模擬施用場景如下：將發酵1.5年的堆肥產品分別在春季栽植季節(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園林綠化土壤中[33],降雨量取成都市1981—2010年的月平均降雨量,根據堆肥產品的淋濾規律推導“三氮”溶出濃度與單位質量堆肥淋溶液體積的函數,預測堆肥產品施用后“三氮”的溶出量。

2 結果與討論

2.1 堆肥產品質量評價

發酵1.5年的堆肥產品質量見表4,該堆肥產品滿足GB/T 23486—2009對中性和堿性土壤的施用標準,但不滿足NY/T 525—2021的要求。

表4 堆肥產品質量和評價標準Table 4 Compost quality and limit

施用發酵1.5年的堆肥產品后的土壤質量和生態風險評價見表5。由表5可知,發酵1.5年的堆肥產品按15%(質量分數,下同)的比例施加到土壤中,重金屬Cd、Cr、Pb、Cu均滿足GB 36600—2018中的第一類用地篩選值和CJ/T 340—2016中Ⅳ級土壤限值(單因子污染指數、內梅羅綜合污染指數均小于1),生態風險等級為輕微生態風險(單項潛在生態風險指數<40,綜合生態風險指數<150)。與土壤背景值相比,Cd和Cu累積效應非常明顯。由此可見,15%的堆肥產品施加到土壤中不會對土壤造成重金屬的污染,但存在重金屬的累積,尤其是Cd和Cu的累積需引起重視。

表5 施用堆肥產品的土壤質量和生態風險1)Table 5 Environmental quality and ecological risk of the soil fertilized with compost

2.2 堆肥產品污染物淋濾規律研究

不同發酵時間的堆肥產品淋溶液中COD濃度變化如圖2(a)所示。

圖2 淋溶液中污染物變化趨勢Fig.2 Variation trend of pollutants in leachate

淋濾前期,CC1淋溶液中COD濃度隨淋濾時間增加逐漸上升,在第13天時達到最大值3 314.7 mg/L,隨后逐漸下降。CC1.5中COD濃度在整個淋濾階段呈指數下降趨勢。在實驗結束時,CC1和CC1.5的淋溶液COD分別為1 479.8、415.0 mg/L,較峰值濃度分別下降了55.36%、80.46%,而且CC1.5的淋溶液COD濃度明顯更低,約為CC1的1/3。

CC1和CC1.5初始階段的淋溶液COD濃度較高,是因為可溶有機物和無機物(如亞硝酸鹽、硫化物)迅速溶解于水中[35-36]。由圖2和顯著性分析可知,在淋濾實驗中,CC1和CC1.5淋溶液的COD變化差異極顯著(P<0.01),是因為CC1堆肥穩定時間更短,有機物礦化程度較低,故在淋濾前期CC1微生物的降解作用和溶解作用強于淋濾的稀釋作用,因此COD呈先升高后降低的趨勢,而CC1.5礦化程度更高,淋濾過程中主要受淋溶液的稀釋作用影響,故COD呈逐漸降低趨勢。

堆肥產品淋溶液中的“三氮”濃度變化規律如圖2(b)、圖2(c)、圖2(d)所示。

CC1和CC1.5淋溶液中總氮的變化趨勢一致,無顯著差異(P>0.05),淋濾實驗前15 d,CC1和CC1.5淋溶液中總氮濃度呈指數下降趨勢,25 d后,淋溶液中總氮濃度呈下降趨緩,實驗結束時,CC1和CC1.5淋溶液中總氮濃度分別下降了89.94%、89.26%。由于硝酸鹽氮為總氮的主要組分,因此其變化規律與總氮一致：不同發酵年限堆肥之間無顯著差異(P>0.05),且呈指數下降趨勢,實驗結束時CC1和CC1.5淋溶液中硝酸鹽氮濃度分別下降了85.74%、93.67%。

氨氮濃度在整個淋濾階段表現為先指數增長,后降低的趨勢。相比總氮和硝酸鹽氮,氨氮總體濃度較低,均未超過60 mg/L。在整個實驗階段,CC1和CC1.5淋溶液中氨氮濃度差異極顯著(P<0.01),CC1的濃度值一直保持為CC1.5的2倍左右;在淋濾初期,氨氮濃度較低;在淋濾第23、16天,CC1和CC1.5的氨氮濃度分別達到最大值;實驗結束時,CC1、CC1.5的氨氮濃度較峰值濃度分別降低了41.49%、67.67%。

淋濾初期,隨著堆肥產品中含水率的提高,可溶性含氮有機物和無機物迅速溶解到淋溶液中,而且能夠被微生物利用的有機物充足,微生物活性較高,堆肥產品中的含氮有機物轉化為溶解性含氮有機物的速率更快,因此這一階段淋溶液中總氮濃度很高。

隨著溶解性含氮有機物的不斷溶出,微生物可利用的含氮物質減少,微生物活性減弱,含氮有機物從固相轉移到液相的速率減慢,導致在淋濾后期總氮溶出濃度降低且變化緩慢。

在淋濾前期,堆肥產品中營養物質較充足,加之淋濾提高了堆肥產品含水率,使含氮有機物迅速被氨化細菌降解為無機銨,加上堆肥中有銨的大量溶出,使得氨化作用和銨溶解作用強于硝化作用和淋濾的稀釋作用,導致淋溶液中氨氮的濃度逐漸升高;在淋濾后半段,淋濾柱中的好氧環境逐漸擴大,溶解性含氮有機物和無機物被大量溶出,氨化細菌可利用的營養物質減少,氨化速率降低,硝化作用加強,從而使溶出的氨氮濃度不斷降低。

CC1中堆肥的礦化時間更短,其堆肥產品中含有更多可被微生物降解的含氮有機物,微生物作用強于CC1.5,在淋濾過程中,CC1淋溶液中的總氮、氨氮和硝酸鹽氮的溶出濃度均高于CC1.5,因此,為了降低施肥產品對地下水的污染,最有效的措施是增加堆肥時間,提高堆肥產品的腐熟度,減少堆肥產品中氮的下滲量。

2.3 堆肥產品施用的影響預測

依據CC1.5淋濾規律,得到“三氮”濃度與單位質量堆肥產品淋溶液體積的函數如式(3)、式(4)、式(5)所示。

C總氮=1 258.8exp(-1.17K)

(3)

(4)

C硝酸鹽氮=1 247.6exp(-1.89K)

(5)

式中：C總氮、C氨氮、C硝酸鹽氮分別為淋溶液中總氮、氨氮、硝酸鹽氮質量濃度,mg/L;K為堆肥產品單位質量淋溶液體積,L/kg。

“三氮”日平均溶出量計算如式(6)所示,年溶出累積量為日平均溶出量乘以365。

(6)

式中：Mi為總氮(氨氮或硝酸鹽氮)溶出量,g;S為堆肥產品施用面積,m2,取值10 000 m2;P為降水量,mm;α為土壤入滲系數,取值0.2;Ci為總氮(氨氮或硝酸鹽氮)質量濃度,mg/L。

堆肥產品在春季栽植季節施肥、雨季施肥、旱季施肥后“三氮”的溶出量如圖3所示。

圖3 不同施肥季節氮溶出量Fig.3 Dissolved nitrogen after fertilizing in different seasons

在春季、雨季、旱季施肥后,“三氮”的溶出量分別在44～64、6～9、118～152 d達到年溶出累積量的99%。這表明春季施肥后肥效可在2個月內持續釋放,雨季施肥后“三氮”快速溶出,旱季施肥后釋放時間最長。

農村生活垃圾經過1.5年的厭氧、半好氧發酵后,大部分可降解氮已被降解并淋失,因此堆肥產品的初始總氮含量較低,為276 kg,施用后再經過一年的降雨淋濾,總氮年溶出累積量介于24 534～31 783 g,占初始總氮含量的8.89%～11.52%。其中春季施肥后“三氮”的年溶出累積量和旱季相差不大,雨季年溶出累積量最小,約為春季和旱季的78%。原因在于雨季施肥后短時間內降雨入滲量過大,溶解性含氮物質迅速溶解后被淋濾出,殘留的可降解有機氮未能充分降解,導致雨季施肥氮年溶出累積量相對偏低。

綜上所述,不同季節施肥“三氮”的年溶出累積量約為總量的10%,但春季施肥“三氮”釋放與作物生長同步,更有利于作物生長。

3 結 論

1) 發酵1.5年的農村生活垃圾堆肥產品中,重金屬含量由高到低依次為Cu(1 322.02 mg/kg)、Pb(118.39 mg/kg)、Cr(91.61 mg/kg)、Cd(8.81 mg/kg),可作為綠肥施用于中性和堿性土壤,但不能作為有機肥農用。將該堆肥產品按15%的比例施用后,Cd、Cr、Pb和Cu不會對土壤造成重金屬污染,但存在輕微的生態風險。

2) 發酵1年的堆肥產品淋溶液中的總氮和硝酸鹽氮呈指數下降,分別降低了89.94%、85.74%,發酵1.5年的堆肥產品與其相似,分別降低了89.26%、93.67%。1年和1.5年堆肥產品淋溶液中氨氮呈現出先增加再降低的趨勢,兩者差異極顯著(P<0.01)。發酵1年的堆肥產品淋溶液中COD濃度呈現出先增加再降低的趨勢,發酵1.5年的呈指數降低趨勢,兩者差異性極顯著(P<0.01)。堆肥產品發酵時間越長,其淋溶液中污染物的含量越低。

3) 不同季節施肥總氮年溶出累積量為24 534～31 783 g,約占初始總氮含量的10%,其中春季施肥“三氮”釋放與作物生長同步,有利于作物生長。