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农村生活与农业有机垃圾好氧堆肥处理技术探析

时间:2020-02-11 来源:浙江农业科学 作者:赵依恒,张宇心,许晶晶 本文字数:4640字

  摘    要: 探究堆肥垃圾处理站的好氧垃圾堆肥工艺流程,检测堆肥产品的pH值、含水率、C/N和种子发芽率。试验结果表明,经一次和二次发酵后,堆肥垃圾处理站堆肥产品的pH为8.06,含水率为32%,C/N为15:1,种子发芽率高达117.9%。根据以上生化指标可得,杭州桐庐县农村生活垃圾经好氧堆肥资源化处理后,堆肥产品呈弱碱性,可较好地达到腐熟标准,肥力好。

  关键词: 垃圾处理; 好氧堆肥; 农村生活垃圾;

  在当前城市面临垃圾围城的同时,杭州农村地区也面临较为突出的垃圾围村现象。相对城市垃圾,农村生活垃圾素来有“种类杂、总量大、处理乱”的特点[1]。农村生活垃圾“进城”加剧,给城市垃圾处理带来压力。对偏远地区的生活垃圾,可采用小型垃圾焚烧设施焚烧处理或简易填埋处理,但由于技术标准不健全、监管不到位,容易造成环境二次污染,威胁人民生产生活安全。

  杭州市农村垃圾治理多沿用统一收集、末端处理的方式,在垃圾收集和处理两个环节管理粗放。但基于农村生活垃圾可回收利用成分高、地域广阔适合就地资源化等特征,杭州市垃圾处理迫切需要采用推广源头减量和就地利用的绿色环保新方法,使垃圾资源化利用形成经济良性循环,优先支持垃圾分类及资源化利用设施和管理体系建设,鼓励企业、农民合作社、个体经营者参与垃圾制肥与回收利用,减少垃圾处理成本,实现经济与生态的双赢。

  桐庐县自2012年以来实践探索的可堆肥垃圾处理“绿色产业链”模式,现仍在探索创新,运用“四分法”的方式将垃圾细分为餐厨垃圾、可回收物、有害垃圾、其他垃圾,实行垃圾分类“红黑榜”奖惩机制,采用与第三方承包商合作的模式进行垃圾分类处理,产生营养价值较高的垃圾有机肥应用于农业生产中,实证了“绿水青山”和“金山银山”可以兼得,创造性地颠覆了杭州传统城乡生活垃圾治理模式,该模式对探索垃圾分类处理资源化和产业化具有创新应用价值,成为浙江省新时代发展生态和循环经济、追求绿色GDP的突出样板。“绿色产业链”作为桐庐县“绿色革命”的一项基础性工程,艺术化地利用垃圾这一放错位置的资源,采用高科技手段变废为宝,创造垃圾资源化新产值促使农村向生态文明高级形态迈进。相比其他主流垃圾处理模式,好氧堆肥垃圾处理“绿色产业链”更具实用性和可推广性,也更具生态发展潜力和可持续战略实施价值。
 

农村生活与农业有机垃圾好氧堆肥处理技术探析
 

  好氧堆肥是好氧微生物在与空气充分接触的条件下,使堆肥原料中的有机物发生一系列放热反应,最终使有机物转化为简单而稳定的腐殖质的过程。好氧堆肥化过程分为潜伏阶段、中温阶段、高温阶段和腐熟阶段4个阶段。好氧堆肥工艺可分为开放式堆肥系统和发酵仓堆肥系统。桐庐县春江村堆肥垃圾处理站的堆肥工艺如图1所示。

  图1 桐庐县春江村堆肥垃圾处理站的堆肥工艺流程
图1 桐庐县春江村堆肥垃圾处理站的堆肥工艺流程

  春江村堆肥垃圾处理站将居民生活垃圾中的厨余垃圾和农业有机废弃物集中起来,经过二次分拣,除去塑料袋、一次性纸杯、木头、石头、铁块等不可降解垃圾后,不经过任何前处理,再放入有机废弃物处理设备进行破碎和主发酵,加入酵母菌等菌剂,靠强制通风和搅拌来供给氧气,出料放入一次和二次堆肥槽静置堆肥,物料堆积高度一般为1~2 m,每周进行1次翻堆,后形成有机肥料。

  1 、材料与方法

  1.1、 供试材料

  试验所用肥料为浙江省杭州市桐庐县春江村垃圾资源化利用站提供,其堆肥原料即村内生活垃圾,由厨余垃圾、枯枝落叶、废弃蔬果及畜禽粪便等组成。桐庐农村生活垃圾成分为50%菜叶、25%果皮、20%餐厨及5%废纸等其他不同原料。测定种子发芽率所用种子为上海青。

  1.2、 堆肥条件

  将生活垃圾先进行二次分拣,除去塑料袋、一次性纸杯、木头、石头、铁块等不可降解垃圾,按一定量直接放进全自动化生活垃圾资源化处理设备中进行破碎、发酵、搅拌和通风,温度设定为63 ℃,适当添加秸秆和香饼调节含水率和除臭,并添加一定的菌剂促进发酵。3 d后取出发酵物,露天堆放进行二次发酵,这时条件与周围环境要求一致。

  1.3、 堆肥反应器

  好氧堆肥反应器是试验的核心装置(图2)。堆肥反应器的设计过程中除了有效容积和结构形式外,还应重点注意单位有效容积的散热面积这一重要参数[2],尽可能地减少堆肥过程中由于传导、辐射、对流等因素造成的热量散失。一般而言,单位有效容积的散热面积值越小,反应器的保温效果越好[3]。从理论上讲,在相同体积的条件下,球形发酵仓散热最小,但球形发酵仓稳定性差且加工难度大,所以实际过程中常采用圆柱形反应器较适宜[4]。此外,根据有关学者利用物料衡算和热力学原理对圆柱形好氧堆肥试验装置的设计估算表明,当堆肥装置直径小于2.25 m的情况下,均有必要采取措施,以减少热量的损失[5]。

  图2 好氧垃圾处理的设备
图2 好氧垃圾处理的设备

  1.4、 测试指标与方法

  二次发酵阶段。样品被当地村民当做成熟肥料施用于农田,为验证该阶段产品是否腐熟,在此时期进行取样。利用五点取样法将肥料堆的四边与顶角各取一些进行混匀,用四分法取样,分别取出料3 d、6 d及成品样各3个平行,每平行样1 kg左右带回实验室进行检测。将样品继续采用四分法分成4份进行不同指标测定。

  C/N。分堆风干、磨碎、过筛,利用EURO元素分析仪,检测其中C、N含量及比例。

  测定含水率。在105 ℃下烘24 h至恒重,冷却后测定其含水量。

  检测种子发芽率。新鲜样品与水按1∶10(m∶V)比例混合振荡2 h,提取液在5 000 r·min-1下离心分离20 min,上清液经滤纸过滤后待用。取3张大小合适的滤纸放在干净的培养皿中,用约5 mL的浸提液(对照用约5 mL去离子水)润湿滤纸,在滤纸上分别均匀播种50粒(小种子)或30粒(大种子)种子,各处理重复3次。随后在25 ℃黑暗条件下培养24~48 h,以胚根长度达到与种子等长,胚芽长度达到种子一半作为是否发芽的标准,计算发芽指数。

  pH。剩余浸提液用于pH测定。鲜样∶水1∶10,在25 ℃条件下震荡2 h后,过定性滤纸,用pH计测滤液pH。另1份放置在冰箱中保存待用。

  2、 结果与分析

  2.1、 pH

  pH的变化反应了堆体微生物的活动状况及堆体总体情况。相关研究[6,7]指出,堆体pH在6.7~9.0时,堆肥过程中微生物生长良好。本次堆肥试验pH维持在5.08~8.40,出设备6 d左右,pH偏酸性,可能是由于未能及时翻堆造成堆体局部缺氧所致,其余时间基本处于有机肥堆制适合的pH范围。

  由表1可知,堆体pH在一次发酵出料的第3天平均值为7.06,之后最低降至5.08,后逐渐升高,到堆肥结束,pH达到最大值,为8.06。

  表1 堆肥pH值和含水率
表1 堆肥pH值和含水率

  注:表中数据表示平均值±标准偏差。

  2.2、 含水率

  含水率是影响堆肥过程的重要参数,主要起溶解有机物调节堆体温度的作用。微生物的代谢活动不仅产生水也需要大量水分,并且微生物分解有机质是在细胞中进行,只有溶液中的分子才能通过微生物细胞壁,故而要求堆体有足够的水分满足微生物生长需求[8]。含水率直接受到温度的影响,也是受温度影响最多的一个指标。当堆体温度升高时,堆体中微生物活性增强进行剧烈生化反应,堆体为生化反应提供营养物质,反应使堆体成分发生改变,生成大量水,水分又可以改变堆体孔隙度,孔隙度变小,在同等通风条件下,堆体水分蒸发速度也会减慢。

  堆肥的最适含水率为50%~60%(质量分数)。当含水率在40%~50%时,微生物的活性开始下降,堆肥温度随之降低。当含水率低于20%时,微生物的活动基本停止。水分超过70%时,温度难以上升,有机物分解速率降低。由于堆肥物料之间充满水,不利于通风,从而造成厌氧状态,不利于好养微生物生长,还会产生H2S等恶臭气体。相关资料表明,物料含水率过高(>60%)会造成氧气不足,导致局部厌氧,过低则会影响微生物的生长代谢需求[9]。由表1可知,一次发酵出料口出料3 d与出料6 d的堆肥含水率相差不大,多在70%左右;随着堆肥过程的持续,含水率呈明显下降趋势。当露天堆放27 d后,含水率只有32%,可满足堆肥产品的含水率要求。

  2.3、 C/N

  堆肥过程中的碳氮元素除了被微生物本身用于构建生物细胞的各组成部分以外,其余部分以二氧化碳和氨气的形式排入外界环境。C/N是有机料中碳素和氮素的比值。微生物正常生长需要合理的C/N,其值过高过低都会导致微生物活性不强,元素缺乏,不利微生物生长,影响其代谢速率及堆肥发酵周期[10]。最初,如果C/N过小,易引起菌体衰老和自溶,造成氮源浪费和酶产量下降;C/N过高易引起杂菌感染,同时由于没有足够量的微生物来产酶,会造成碳源浪费和酶产量下降,也会导致成品堆肥的碳氮比过高,这样堆肥施入土壤后,将夺取土壤中的氮素,使土壤陷入“氮饥饿”状态,影响作物生长。一般堆肥处理后物料C/N会减少10%~20%,甚至更多。要求成品堆肥的C/N为10~20∶1。

  在堆肥过程中,全氮与全碳呈总体缓慢下降的趋势,全碳含量最高达36.2%,最后稳定在27.3%左右;全氮含量最高达2.4%,最后稳定在1.9%左右。这可能与堆体中有机物的降解速率有关。由图3可以看出,C/N在整个堆肥过程中在13.4%~19.4%小幅波动,且完全符合成品堆肥的C/N要求。

  图3 桐庐县春江村生活垃圾堆肥C/N的变化
图3 桐庐县春江村生活垃圾堆肥C/N的变化

  2.4、 种子发芽指数

  种子发芽指数是反应堆肥对植物毒性的一个较直观的指标,同时也是对堆肥腐熟度的一个验证指标。由图4可知,该堆肥经二次发酵后,发芽指数先急剧增长,后有所下降,但幅度较小,最高发芽指数高达131.0%,表明其产品不但对植物无毒性作用,且其肥力远远高于空白组,最终的发芽指数为117.9%。

  图4 桐庐县春江村生活垃圾堆肥发芽指数的变化
图4 桐庐县春江村生活垃圾堆肥发芽指数的变化

  发芽指数的变化趋势可能与堆体中微生物分解有机物质产生的小分子有机酸及NH3的释放有关。相关研究[11]指出,当发芽指数达到80%时,可以认为堆肥已没有植物毒性,或堆肥已经腐熟。堆肥处理终点时种子发芽指数超过100%,因此认为堆肥腐熟度较好,肥效很强。

  3 、小结

  浙江省杭州市桐庐县春江村垃圾资源化处理站所生产的肥料完全符合堆肥产品相关指标要求。堆肥处理的最终pH为8.06,呈弱碱性,表明其产品含盐量不超标,可放心安全施用。含水率为32%,C/N在15∶1上下浮动,表明产品最后达到完全腐熟,且其种子发芽率高达117.9%,说明肥效高、毒性低。不足之处在于取样过程中,该处理站的蚊蝇及虫卵较多,操作过程中,1周至少要进行1~2次的药物杀虫,这无疑是让使用该堆肥产品的个人及单位在心理上造成一定的影响;另外,处理站产生的气味有待于进一步降低。同时,由于一次发酵过程未进行取样,会对试验结果产生一定的影响,使分析不够准确。桐庐县作为全国垃圾资源化处理的典型,应积极响应国家“美丽乡村”建设和生态文明发展的要求,在全国形成示范作用,积极探索更好更快的农村发展道路。

  参考文献

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    赵依恒,张宇心,许晶晶,卢珏,方常仙,李轶莹,王祎,和苗苗.农村生活垃圾好氧堆肥资源化技术[J].浙江农业科学,2020,61(01):186-189.
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