秸秆对厨余垃圾堆肥渗滤液减排的影响

秦韩淼，谭志海，李世浩，秦 池，谷茂林，谭探探，花 雷

(西安工程大学 环境与化学工程学院，陕西 西安 710048)

0 引 言

我国城市垃圾粉碎填埋比例占80%，堆肥资源化处理量较低。城市生活垃圾累计存储量已达60×109t[1]，并且城市垃圾年产量以1.5×109t为基点，每年以8%～10%的速率递增，垃圾堆占耕地500 km2,产生的有害渗滤液和气体直接经济损失达80亿元人民币[2]。随着城市生活水平的提高和居住环境的改善，生活垃圾的主要成分也由以前的炉灰、煤渣转变为厨余垃圾。现在的生活垃圾中40%以上是厨余垃圾[3]。在北京、上海等一线城市，厨余垃圾的占比高达60%～80%，对比其他垃圾，厨余垃圾具有含水率高、有机成分多、易腐烂、有害成分少等特点，为堆肥提供了必要的条件[4]。但其成分随季节浮动较大且盐分高，对堆肥有一定的阻碍作用[5-6]。如果不加以改善，在厨余垃圾收集和处理中会产生大量渗滤液和有害气体，从而污染环境[7]。此外，厨余垃圾单位质量热值为2 100～3 100 kJ/kg，含水率非常高，对其能源化处理效益低，焚烧发电产热不足[8]，其堆放也会造成土壤污染和地下水污染。秸秆等废弃物仍以焚烧还田为主，利用率极低且会产生二次污染[9]。因此，寻找一种联合堆肥方法以实现厨余垃圾和秸秆废弃物资源化处理尤为重要。

本文通过对十堰市示范点的生活垃圾进行收集、分类、分析其组分及理化性质、比较高温堆肥技术下厨余垃圾堆肥与厨余垃圾+秸秆堆肥腐熟效果和氮素控制效果。

1 实 验

1.1 样品采集

采集十堰市茅箭区五堰街道高档区、政府家属院、市第二小学和龚家湾社区垃圾样品。选取新鲜样品，经手工分拣为厨余垃圾、其他垃圾和灰土。厨余垃圾和秸秆作为堆肥原料，各项指标包括含水率、总有机碳(TOC)、总氮(TN)、固相碳氮比(C/N)见表1。

表1 堆肥原料各项指标Tab.1 Various indicators of composting raw materials

1.2 堆肥方法

将厨余垃圾原料与厨余垃圾+秸秆(湿基质量比9∶1)混合原料分别装填在2个密闭自动发酵罐中进行堆肥，厨余垃圾罐和厨余垃圾+秸秆罐通风量均为0.15 m3/h。不锈钢密封式堆肥发酵罐高度0.7 m，外直径0.46 m，壁厚0.05 m，密闭式堆肥发酵罐示意图如图1所示。

图1 密闭式堆肥发酵罐示意图Fig.1 Schematic diagram of closed composting fermentation tank

1.3 分析方法

直接测定厨余垃圾、其他垃圾和灰土的比例并测定总体质量及各部分质量。堆肥温度用温度自动检测系统直接读取。含水率是在105～110 ℃下的干燥箱中放置24 h，取出冷却至室温称其质量计算得出。pH值用S-3C型pH计测量； EC浓度用DDS-11A型电导率仪测量；E4/E6用722型可见光分光光度计在波长465、665 nm处分别测吸光度值；将厨余垃圾干燥并过0.149 mm筛，采用重铬酸容量法-外加热法测TOC，采用凯氏定氮法测TN，C/N由TOC/TN计算得出。在堆肥高温期的不同时间，抽取发酵仓顶部的气体，用标准硫酸滴定，测出氨气含量。

2 结果与分析

2.1 厨余垃圾理化性质

对2020年3月10日和2020年4月21日取得的厨余垃圾样品进行理化性质测定，主要测定了其含水率、pH、电导率(EC)、TOC、TN和C/N，结果见表2。

表2 厨余垃圾的理化性质Tab.2 The physical and chemical properties of kitchen waste

从表2可以看出，经大类粗分后各居民点的厨余垃圾含水率在70%～77%之间，仅龚家湾社区相对较低。厨余垃圾包括水果、果皮和蔬菜，它们未经风干所以含水率较高。此外，厨余垃圾均呈酸性，电导率值较低，表明盐分含量不高。厨余垃圾TOC含量较高，不同社区差别不大，最高可达532.57 g/kg，平均达458.16 g/kg，总氮含量在9.86～25.96 g/kg之间变化，平均为15.44 g/kg，C/N均值为33.4，适宜直接堆肥。

2.2 堆肥过程中腐熟度指标变化

2.2.1 pH变化 厨余垃圾堆肥与厨余垃圾+秸秆堆肥2种堆肥处理方式随堆肥时间的增加，pH值均有上升，堆肥过程中pH变化规律如图2所示。

图2 堆肥过程中pH值的变化Fig.2 Variation of pH value during composting

2.2.2 EC变化 EC表示堆肥浸提取液(取少量堆肥原料，加清水搅拌后，放置3～5 min)中的离子浓度，堆肥过程中EC变化规律如图3所示。

图3 堆肥过程中EC变化Fig.3 Variation of EC during composting

从图3可以看出，2种堆肥处理方式的EC变化呈先上升后下降的趋势。因为升温期以及高温期微生物的活性较大，会大量分解有机物，使得堆体中可溶性盐类含量增多[13]。随后由于CO2、NH3的挥发，堆体中的EC值有所下降[14]。堆肥结束时电导率均小于4 mS/cm，置于土壤中，对农作物的生长过程不会产生影响。从电导率指标看，2种堆肥方式都达到了腐熟标准。除堆肥的初始阶段外，厨余垃圾堆肥的电导率值均高于厨余垃圾+秸秆堆肥，表明添加秸秆有助于堆肥腐熟度的提高。

2.2.3 腐熟度变化E4/E6表示采用腐殖酸(HA)[15]碱溶液作为溶剂在波长465、665 nm处的光密度比值。它是表征HA组成结构的重要指标，可以反映腐熟程度。2种堆肥方式E4/E6的变化如图4所示。

图4 堆肥过程中E4/E6值的变化

从图4可以看出，随着堆肥时间的增加，E4/E6值呈上升趋势，且中后期厨余垃圾+秸秆堆肥值高于厨余垃圾堆肥值。厨余垃圾+秸秆堆肥的前期变化较大，表明大量腐殖酸随着时间变化向分子量越来越大和缩和度越来越高的方向转化，说明腐殖化程度加深。从堆肥腐殖化作用的本质看，厨余垃圾中的有机物大量转化为腐殖质。厨余垃圾+秸秆堆肥的E4/E6值较大，表明堆体中有机物质逐渐向固相大分子腐殖酸转化，液相中小分子有机酸越来越少，堆肥腐殖化效果较好[16]。

2.2.4 TOC、TN和C/N变化 随着堆肥时间的增加，厨余垃圾堆肥与厨余垃圾+秸秆堆肥的有机质含量逐渐降低，堆肥过程中TOC、TN和C/N变化规律见表3。

从表3可以看出，在2种堆肥过程中，TOC的含量逐渐减少，这是由于原料中大量有机物在微生物作用下不断分解转化为CO2、水和小分子物质，从而使得TOC随着堆肥时间的延长明显下降。随着堆肥时间的延长，厨余垃圾+秸秆堆肥的TN呈上升趋势。由于厨余垃圾+秸秆堆肥保水效果好，吸附了一些渗滤液，有利于氮素固定和保持，导致其TN含量上升，而厨余垃圾堆肥的TN呈下降趋势，主要由于厨余垃圾作为原料不利于氮素固定和保持，同时渗滤液产生量较大，容易造成堆肥TN含量损失[17]。堆肥结束时，厨余垃圾+秸秆堆肥的TN含量相对较高，说明厨余垃圾+秸秆堆肥可以有效地控制氮素损失。理想C/N为20～40，综合考虑控制在24～30,当C/N降到约16时，则可认为堆肥基本腐熟[18]。厨余垃圾堆肥中C/N呈先上升再下降的趋势，说明厨余垃圾堆肥中TOC和TN的变化不一致。堆肥升温阶段，氮素损失较强烈，而碳素损失较低，因此C/N呈上升趋势。到后期至堆肥结束时，氮素损失较弱，而碳素损失较高，因此C/N呈下降趋势。厨余垃圾堆肥结束时C/N仍高达32.579，说明厨余垃圾堆肥效果较差，腐熟程度较差。厨余垃圾+秸秆堆肥在整个堆肥期间TOC不断减少，TN不断增加，所以C/N呈下降趋势，堆肥结束后厨余垃圾+秸秆堆肥C/N低于厨余垃圾堆肥。因此，添加秸秆可以提高厨余垃圾堆肥的腐熟程度和堆肥品质。

表3 堆肥过程中TOC、TN和C/N变化Tab.3 Changes in TOC,TN and C/N during composting process

2.3 堆肥过程中渗滤液产生规律

在整个堆肥期间，厨余垃圾+秸秆联合堆肥过程中无渗滤液产生。厨余垃圾单独堆肥过程中渗滤液产生量较多，堆肥过程中渗滤液产生规律如图5所示。

图5 厨余垃圾堆肥过程中渗滤液产生量及累计产生量变化Fig.5 Leachate production and cumulative production during composting of kitchen waste

从图5可以看出，渗滤液从堆肥的第3天开始产生，第21天后不再产生。渗滤液产生量与温度有较好的相关性。当温度较低时，好氧微生物分解有机物缓慢，厨余垃圾堆肥中的水分大多以结合水的形式存在，渗滤液产生较少；而当温度较高时有机物被大量分解，产生较多游离水分，较容易以渗滤液的形式流出[19]。渗滤液累积产生量在3～9 d上升频率最快，这一阶段正是微生物处于活跃状态，分解有机物速度最快的时期。最终的渗滤液累计产生量约为4.96 kg，占堆肥原料的18.26%。

2.4 堆肥过程中氨气排放规律

在整个堆肥期间，2种堆肥方式前期均没有出现氨气的排放，后期呈现3次先上升后下降的趋势，堆肥过程中氨气的产生量变化规律如图6所示。

图6 堆肥过程中氨气的产生量变化Fig.6 Variation of NH3 production during composting

3 结 论

1) 从pH值、EC、E4/E6和C/N等指标来看，2种垃圾堆肥方式均达到了基本腐熟的效果。添加秸秆的堆肥其腐熟程度优于厨余垃圾单独堆肥，同时可以吸附转化厨余垃圾中可溶性盐分离子，有效降低堆肥中的盐分浓度。

2) 从水分变化来看，厨余垃圾堆肥过程中渗滤液的产生量占堆肥原料的18.26%，而添加秸秆的堆肥过程中渗滤液产生量为0，蒸发损失了大量水分，可见秸秆的添加有效地改善了厨余垃圾堆肥过程中渗滤液的产生，也避免了以渗滤液形式产生的臭气污染。

3) 从氨气排放来看，厨余垃圾+秸秆堆肥中NH3的排放量明显高于厨余垃圾单独堆肥。添加秸秆加速了有机物的分解转化，增加了通气量，使得NH3挥发量不断增加。