今日分享 | 廚余垃圾與農(nóng)林廢棄物協(xié)同好氧堆肥效果及產(chǎn)品性質(zhì)

廚余垃圾含水率高、易腐爛。在北京南宮堆肥廠4m高的隧道發(fā)酵倉中堆肥發(fā)酵時(shí)，堆體高度難以達(dá)到1.5m，隧道空間利用嚴(yán)重不足，堆體難以升溫，同時(shí)發(fā)酵過程中產(chǎn)生大量滲濾液。這嚴(yán)重阻礙了堆肥的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，直接制約了廚余垃圾資源化利用，迫切需要技術(shù)工藝優(yōu)化與配置升級(jí)改造。

前期研究表明，農(nóng)林廢棄物與廚余垃圾混合，具有有效改善堆體結(jié)構(gòu)、增大物料孔隙度、調(diào)節(jié)堆體含水率等功效，具有縮短堆肥周期、提高堆體腐熟度等優(yōu)點(diǎn)。因此，將二者進(jìn)行協(xié)同好氧堆肥處理，解決分類后逐漸增加的廚余垃圾堆肥問題，具有可行性。本研究選用價(jià)廉易得的高碳源農(nóng)林廢棄物（包括園林剪枝、西瓜秧、玉米秸稈）與廚余垃圾進(jìn)行協(xié)同好氧堆肥處理，分析不同輔料添加比例下堆肥的理化性質(zhì)、腐熟度以及產(chǎn)品性質(zhì)，以期探究出能減少滲濾液產(chǎn)量、提升產(chǎn)品穩(wěn)定性和腐熟度的物料配比，為堆肥工藝優(yōu)化提供技術(shù)支持。

一、材料與方法

（一）堆肥材料

本試驗(yàn)以分類后廚余垃圾為原料，以粒徑控制在40～50mm以下的玉米秸稈（CS）、園林剪枝（GP）和西瓜秧（WS）按一定比例混合后，作為輔料加入到廚余垃圾中進(jìn)行堆肥。其中廚余垃圾主要含有60.79%菜葉、8.96%剩飯、19.31%果皮、3.68%蛋殼、1.97%骨頭以及5.29%其他物質(zhì)（以濕重計(jì)），主要分布在＜30mm粒徑段，其次為＞80mm和50～60mm的較大粒徑段，其他粒徑段含量較少。堆肥原料的理化性質(zhì)如表1所示。

（二）試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用模擬隧道發(fā)酵倉堆肥高度的中試密閉堆肥倉（1m×1m×3.5m）中進(jìn)行廚余垃圾堆肥試驗(yàn)。堆肥倉配備了上、中、下三個(gè)溫度探頭，自動(dòng)控制系統(tǒng)連接溫度傳感器和通風(fēng)裝置，以實(shí)現(xiàn)溫度記錄和通風(fēng)控制，堆肥倉示意圖如圖1所示。本試驗(yàn)根據(jù)所添加的三輔料（其中CS:GP:WS=1:1:1）比例不同，共設(shè)置5個(gè)處理過程，分別添加5%（T1）、10%（T2）、12.5%（T3）、15%（T4）和20%（T5）三輔料。此外，為緩解餐廚垃圾酸化導(dǎo)致升溫緩慢的問題，堆肥中添加了1%（以干重計(jì)）的生石灰。整個(gè)堆肥周期設(shè)為20天，其中第1～10天為高溫發(fā)酵階段，通風(fēng)速率為0.05～0.15m3/m3·min；第10～20天為后熟化階段，通風(fēng)速率為0.02m3/m3·min。在堆肥開始后第0、2、6、10、20天，在發(fā)酵倉的上、中、下三點(diǎn)每次分別采集約300g固體樣品用于后續(xù)指標(biāo)的測定。

（三）分析方法

將新鮮固體樣品在105℃下干燥約8小時(shí)至恒重來測量含水率。將新鮮固體樣品與去離子水按質(zhì)量比1:10混合，振蕩30min得到浸提液，用于測定基質(zhì)pH值、電導(dǎo)率（EC）和種子發(fā)芽指數(shù)（GI）。pH值用pH計(jì)（pHS-3C，上海雷磁，中國）測量，EC用電導(dǎo)儀（ST3100M，Ohaus，中國）測量。GI則按照Wang等人（2022年）描述的方法測量。元素分析（C、N）用vario MACRO立方元素分析儀（Elementar Analysensystem，Germany）測量。鉻（Cr）、銅（Cu）、鋅（Zn）、磷（P）、鉀（K）采用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（5800ICP-OES，安捷倫，美國）測定。汞（Hg）、砷（As）采用原子熒光法測定。鎘（Cd）、鉛（Pb）采用原子吸收法測定。

二、結(jié)果與討論

（一）理化指標(biāo)

除5%三輔料處理外，所有其他處理均可在3～7天迅速上升至55℃以上的高溫（圖2a）。其中20%三輔料處理溫度在堆肥第3天達(dá)到了55℃以上，最高溫度達(dá)到了74.3℃，高溫期從第3天持續(xù)到了第20天。添加10%、12.5%和15%三輔料的處理分別在第7、5、3天進(jìn)入高溫期（＞55°C），5%三輔料處理在堆肥進(jìn)行的第13天才達(dá)到高溫。由此可見，三輔料添加比例大于12.5%時(shí)可以使堆體快速進(jìn)入高溫期，延長高溫持續(xù)時(shí)間，加速堆體腐熟，縮短堆肥周期。

整體看來，各處理含水率呈不斷下降趨勢，而其他各處理含水率均低于5%三輔料處理（圖2b）。到堆肥結(jié)束時(shí)，添加12.5%和20%三輔料的處理含水率最低，分別為62.62%和61.54%；5%三輔料處理含水率為68.97%。堆肥開始時(shí)，隨著輔料配比的升高，滲濾液產(chǎn)率逐漸降低，5%三輔料和20%三輔料處理差異顯著，初始產(chǎn)率分別為7.2%和0.1%（圖2c）。當(dāng)輔料添加比例由5%增至12.5%時(shí)，滲濾液累計(jì)產(chǎn)率由19.7%降至7.2%；當(dāng)輔料添加比例增至20%時(shí)，滲濾液累計(jì)產(chǎn)率為1.0%。由此可見，當(dāng)輔料施用比例大于12.5%時(shí)，可以顯著減少由廚余垃圾的高含水率產(chǎn)生的大量滲濾液。

（二）腐熟度指標(biāo)

在整個(gè)堆肥周期，pH值表現(xiàn)為先下降后上升（圖3a）。堆肥初期，厭氧環(huán)境導(dǎo)致物料降解產(chǎn)生有機(jī)酸，使pH值下降；隨著堆肥溫度的升高，堆體中的部分乙酸、丁酸揮發(fā)，同時(shí)含氮有機(jī)物分解，產(chǎn)生大量銨氮，使堆體pH值上升。除15%三輔料處理外，各處理初始pH值均在7以下，呈現(xiàn)出弱酸性，且在0～6天各處理pH值均呈酸性。到堆肥結(jié)束時(shí)，除12.5%和15%三輔料處理外，其余處理pH值在6以上。其中，10%三輔料處理pH值最高，為7.26?？傊?，所有堆肥產(chǎn)品pH值均在5.5～8.5之間，滿足《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）中酸堿度要求。

整體看來，各處理EC值呈現(xiàn)增加趨勢（圖3b），主要是由于微生物的活性較強(qiáng)，大量有機(jī)物的分解使得堆肥中的可溶性鹽類含量增多。除了10%和12.5%三輔料處理，添加5%、15%和20%三輔料的處理EC分別為3.92、3.89、3.78mS/cm，均小于4.0mS/cm，堆肥產(chǎn)品均達(dá)到了基本腐熟，滿足《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）標(biāo)準(zhǔn)。

隨著堆肥的進(jìn)行，所有處理的GI值均呈逐漸上升的趨勢（圖3c）。隨著輔料添加比例的增加，GI值也逐漸增加。尤其是添加比例由5%增加至12.5%時(shí)，GI值由30.11%增加至70.1%。12.5%、15%和20%三輔料處理均達(dá)到《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）中規(guī)定的GI值＞70%的指標(biāo)，分別為70.1%、70.9%和72.2%。

（三）堆肥產(chǎn)品性質(zhì)

表2為各處理廚余垃圾堆肥產(chǎn)品的有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分和重金屬含量。在堆肥過程中，各處理有機(jī)質(zhì)含量不斷下降，但均滿足《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）標(biāo)準(zhǔn)（有機(jī)質(zhì)含量≥30%）。由于有機(jī)物礦化會(huì)導(dǎo)致堆體體重減輕發(fā)生濃縮效應(yīng)，總養(yǎng)分（以N+P2O5+K2O計(jì)）含量增加，各處理含量均＞4.0%，具有較高的營養(yǎng)價(jià)值。對于各處理重金屬含量，鋅的含量最高（80.30～149.00mg/kg），其次為銅和鉻（7.52～94.60mg/kg和17.30～74.60mg/kg），再者是鉛（2.61～3.49mg/kg），鎘、汞、砷的含量保持在較低范圍（0.070～0.125mg/kg、0.061～0.187mg/kg和0.538～0.964mg/kg），遠(yuǎn)低于《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）中重金屬濃度標(biāo)準(zhǔn)。

三、結(jié)論

在北京全面實(shí)行垃圾分類后，廚余垃圾分出率顯著提高，廚余垃圾與農(nóng)林廢棄物協(xié)同堆肥是實(shí)現(xiàn)廚余垃圾資源化利用的有效方式。本研究顯示，添加濕重12.5%以上的農(nóng)林廢棄物作為輔料，可有效提高和延長廚余垃圾堆肥高溫期，提高腐熟度，降低滲濾液產(chǎn)量，且堆肥產(chǎn)物的種子發(fā)芽指數(shù)（GI）、有機(jī)質(zhì)、養(yǎng)分含量、重金屬含量均達(dá)到《有機(jī)肥料》（NY/T 525-2021）標(biāo)準(zhǔn)。研究結(jié)果對提高垃圾分類水平和推動(dòng)廚余垃圾資源化處理具有重要的指導(dǎo)意義。