南方多雨地区村镇垃圾理化特性分析及对比研究＊

吴莉鑫，薛 映，虞文波，于泽聪，金 攀，关文义，武 艳，王松林，肖可可，刘冰川，袁书珊，杨家宽

（1.华中科技大学环境科学与工程学院，湖北 武汉 430074；2.固废处理处置与资源化技术湖北省工程实验室，湖北 武汉 430074；3.武汉市危险废物处置与资源化工程技术研究中心，湖北 武汉 430074；4.安徽国祯环卫科技有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

随着各地生活垃圾分类管理条例的推行，垃圾处置日益成为人们广泛关注的环境问题，城市生活垃圾管理与处置日渐规范，无害化处理率达99.2%［1］。另一方面，随着农村经济和生活水平的提高，农村垃圾产生量呈增加态势，目前我国农村年生活垃圾产生量约为9.0 ×107t［2］，并以8%～10%的速度逐年增长［3］。而村镇生活垃圾管理尚存在许多不足，我国大多数村镇地区的生活垃圾仍然采用简易填埋的方式进行处理［4］，大部分垃圾未按照规范要求进行处置，严重危害周边环境与居民正常生活［5］。与城市生活垃圾相比，村镇生活垃圾具有产生分布分散，季节性与地区性明显，组分差异较大，产生量较小等特点［6］。因此选择合适的处理处置方式以降低村镇垃圾处理系统运行费用与环境影响亟待研究。

生活垃圾理化特性分析是进行垃圾科学管理与合理处置的重要前提，由于垃圾的异质性，根据不同处置模式对各种类型与地区的垃圾特性进行分析具有必要性。目前，针对我国主要大、中城市生活垃圾产生状况及特点已有比较充分的研究。北京城区生活垃圾组分中厨余、纸类和塑料占总量的85%以上［7］。上海市生活垃圾含水率及有机质含量较高［8］。华南某市垃圾湿基低位热值为8 243 kJ/kg［9］。宁波主城区生活垃圾碳氮比为18.2［10］。张鹏等［11］针对重庆市生活垃圾特性提出了以填埋为主、结合少量焚烧的处置方式。

而对于较为偏远和欠发达的村镇地区，也有部分学者逐步开展了相关探究。江西省赣州市东江源区农村生活垃圾以厨余为主（占60%以上），其次是灰土类（占12%以上）［12］。广东省农村生活垃圾各组分比例中可农用成分、易燃物质、难以降解的物质分别占62.6%、30.0%、6.6%［13］。李志龙等［14］发现我国春季村镇生活垃圾含水率为54.0%，湿基低位热值为3 611 kJ/kg。於俊颖等［15］的调查发现我国中部地区典型农业型村镇生活垃圾中重金属含量顺序为Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Hg，其中Cd的超标现象最为严重。

与此同时，为了探究生活垃圾在填埋过程中特性的变化，Saluja等［16］的分析得出老龄填埋场陈垃圾中土壤状物质占总组分的73.6%，碳氮比为38.2 。张志彬等［17］对准好氧填埋工艺中陈垃圾特性探究，发现垃圾含水率、电导率、有机质均随着填埋时间的增加呈现明显的降低趋势。张维等［18］的研究发现5 a填埋龄的陈腐垃圾的挥发性固体和总有机碳含量较新鲜垃圾显著降低，准好氧和厌氧填埋之间无显著差异。已有研究大多是对村镇生活垃圾特性时空分布规律进行探究，而针对多雨地区村镇生活垃圾及当地填埋场陈腐垃圾特性的综合分析对比较少。

本研究对南方典型村镇埠河镇垃圾产生情况及物理组成、含水率、湿基低位热值、有机质等理化特性进行详细分析，并进一步探究了当地垃圾元素组成及重金属含量，为提出适合当地的垃圾处理措施给予了相关数据支撑。并首次将村镇新鲜垃圾与填埋陈腐垃圾组分及理化特性进行对比，进一步说明南方多雨地区村镇简易填埋场中垃圾特性变化规律，对我国村镇生活垃圾处置模式的选择提供理论依据。

2 研究方法

2.1 采样点概况

以湖北省荆州市埠河镇为主要研究对象进行生活垃圾的采样调查，埠河镇目前垃圾处置以应急填埋为主，部分垃圾外运至焚烧厂进行处置，总服务人口约82 335人［19］。选择埠河镇应急垃圾填埋场为生活垃圾采样与调查点，填埋场位置及主要服务区域如图1所示。同时对安徽省滁州市小岗村生活垃圾进行采样分析，根据现场调研，小岗村垃圾处置方式主要为外运焚烧，计划实施垃圾分类-易腐垃圾翻板式引风动态堆肥的处置模式，总服务人口为3 024人。小岗村的生活垃圾采样点为当地垃圾桶、垃圾箱。

图1 埠河镇应急填埋场主要服务区域及位置Figure1 The main service area and location of the emergency landfill in Buhe Town

根据CJ/T 313—2009生活垃圾采样和分析方法，从2020年6月至次年1月，每月对埠河镇生活垃圾进行采样，具体采样频次根据实际情况进行调整，共进行13次采样。2021年1月2日对埠河镇应急填埋场陈腐垃圾进行取样，共进行3次采样。2020年7月10日至10月28日，对小岗村进行生活垃圾特性现场调研及采样，共进行7次采样。

2.2 采样方法

填埋场采样采取边坡法，从当日清运的垃圾堆周围均匀选取12个点采集垃圾，对垃圾桶、垃圾箱采样采取全采集的方式，两种方法采集量均在200 kg左右。将采集到的生活垃圾搅拌均匀后混合堆放于平地，等量划十字分成4份，随机选取对角的两份垃圾舍弃，剩余的两份继续混匀，重复四等分操作，直到余下垃圾质量为25 kg左右。将得到的样品按照分类标准进行分拣，分别称质量后将样品置于密封袋中，冷藏箱保存，立即送往实验室检测其他指标。

2.3 理化特性分析

依据CJ/T 313—2009，对带回实验室的生活垃圾样品理化特性进行相应测定。

1）将新鲜垃圾样品放入（105±5）℃的恒温鼓风干燥箱中烘干至质量恒定，根据烘干前后垃圾质量差测定含水率。再对烘干后的样品进行破碎，过100目筛，处理后的样品保存于干燥器中，用于后续测定。

2）称取0.1 g左右样品，使用氧弹式量热仪（中国，三德，SDACM3100）测定垃圾样品发热量，按照标准方法（CJ/T 313—2009）的运算步骤进行湿基低位热值的计算。

3）称取0.3 g左右烘干样品在马弗炉（中国，武汉电庐实验电炉厂，SX-2-5-11）550℃恒温灼烧2 h测定有机质含量。

4）使用元素分析仪（德国，Elementar，Vario Micro cube）对过筛后的样品中C、H、O、N、S元素含量进行测定。

5）准确称量0.1 g样品于消解管中，分别加入6mL HNO3、3mL HCl、2mL HF通过微波消解仪（中国，新仪，MDS-6G）进行消解［20］，消解后的样品定容于50mL容量瓶中，使用ICP-OES（美国，珀金埃尔默，OPTIMA8300）对垃圾样品中Zn、Cu、Cr、Cd、As、Pb、Ni等7种典型重金属元素含量进行测定。

2.4 数理统计

采用Excel和OriginPro 9.0 软件进行数据处理与图像绘制。

3 结果与讨论

3.1 埠河镇生活垃圾物理组成

受气候等外界因素的影响，同一地区不同时间段产生的生活垃圾存在一定差异。埠河镇夏季平均气温为30℃左右，冬季平均气温5℃左右。夏季降雨较多，日平均降雨量最高可达15mm，秋冬季节日平均降雨量均不超过5mm。整体呈现夏季高温多雨、冬季温和少雨的气候特点。

埠河镇不同月份垃圾物理组分如图2所示，整体呈波动型变化，其中变化最为显著的是厨余类、橡塑类和纺织类。厨余类垃圾在1、10、11月含量最高，纸类含量在1、6、7月最高，橡塑类在12、8、9月含量最高，纺织类在6、9、7月含量最高，其余类别垃圾组分由于含量较低，在不同月份中未表现出明显差异。埠河镇近半年来垃圾组分平均值如表1所示，当地生活垃圾以厨余类为主，占比（62.0 ±4.8 ）%。其次是橡塑类和纸类，分别占比（15.1 ±4.5 ）%和（10.1 ±3.9 ）%，再次为纺织类和玻璃类，含量分别为（5.6 ±2.8 ）%和（2.1 ±1.8 ）%。其余类别含量均小于2.0%。

表1 生活垃圾物理组分Table 1 Physical components of domestic solid wastes

图2 埠河镇不同月份生活垃圾物理组成Figure2 The physical composition of domestic solid wastes in Buhe Town in different months

3.2 埠河镇生活垃圾理化特性分析

埠河镇不同季节生活垃圾含水率、有机质及湿基低位热值（以下简称“热值”）分析结果如图3所示。埠河镇生活垃圾含水率为58.0%～69.7%，秋季垃圾含水率较高，夏季较低，主要是由于秋季存在一定降雨现象，环境中湿度较高，且温度相对较低，能够在一定程度上减缓垃圾中水分的散失，使垃圾维持较高的含水率。埠河镇生活垃圾有机质含量为80.7%～85.2%，远高于北京市九渡河镇垃圾有机物含量（32.5%）［21］。秋冬季节垃圾有机质含量较夏季稍高，整体变化不大。埠河镇生活垃圾热值为3 374～5 725 kJ/kg，高于垃圾燃烧最低限值3 344 kJ/kg，但未满足持续燃烧需要［22］，冬季生活垃圾的热值最高，秋季垃圾热值最低。我国生活垃圾中塑料类、纸类、纺织类垃圾对热值贡献较高［23］，而村镇生活垃圾湿基低位热值还受到垃圾含水率的影响，同含水率存在显著负相关性［14］，埠河镇秋季垃圾热值较低可能与含水率较高有关。

图3 埠河镇不同季节生活垃圾理化特性分析Figure 3 Analysis of physical and chemical characteristics of domestic solid wastes in Buhe Town in different seasons

从表2中元素分析结果来看，埠河镇新鲜生活垃圾中C元素（占31.2 9%）含量最高，其次是O元素（占13.3 3%），H和N元素总占比约5.0 0%，S元素含量很少，只有0.4 8%。新鲜生活垃圾C/N为25.23 ，可生化性较好。由于有部分S元素存在，对生活垃圾进行焚烧处置时应注意二次污染的控制。

表2 生活垃圾元素组成Table 2 Elemental composition of domestic solid wastes

生活垃圾中的重金属是环境重金属污染的重要来源，可通过渗滤液或焚烧等途径进入周边土壤或大气［24］，尤其是焚烧产生的大量飞灰，构成重大的潜在环境与健康风险［25］。埠河镇生活垃圾中重金属元素含量如表3所示，按从大到小顺序排列为：Zn（418.16 mg/kg）＞Cu（192.00 mg/kg）＞As（121.33 mg/kg）＞Cr（97.58 mg/kg）＞Pb（41.81 mg/kg）＞Cd（35.86 mg/kg）＞Ni（0.35 mg/kg）。埠河镇较粤东城市生活垃圾中As（0.76 mg/kg）、Cr（55.42 mg/kg）、Pb（30.67 mg/kg）、Cd（2.14 mg/kg）含量更高［26］。浙江省城市生活垃圾中Zn、Cu元素含量分别为109.3 ～1077.9 mg/kg和41.2 ～1643.7 mg/kg［27］，不同地区生活垃圾中重金属含量差异较大。

表3 生活垃圾重金属含量Table 3 Heavy metal contents of domestic solid wastes

3.3 埠河镇陈腐垃圾理化特性分析

埠河镇应急垃圾填埋场于2018年开始运行，占地面积10 000m2，每日消纳村镇生活垃圾约30 t。进场垃圾通过简易压实覆盖操作进行填埋处置，填埋后的陈腐垃圾运往垃圾焚烧厂进行最终处置。上述垃圾处理模式是我国村镇垃圾处理的典型案例，通过对比填埋场新鲜垃圾与陈腐垃圾可以为后续垃圾焚烧处置提供理论支撑。

取样过程中于填埋龄1 a以上填埋区域选择3个间距10m左右的取样点，使用铁锹对每个取样点1m深处陈腐垃圾进行开挖取样。埠河镇陈腐垃圾物理组分如表1所示。主要的3类成分为橡塑类（占42.8%）、灰土类（占2 6.5%）和纺织类（占17.0%），其次是砖瓦陶瓷类（占7.0%），其余类别组分含量很少，均低于3.0%。与新鲜生活垃圾相比较，陈腐垃圾中易降解的厨余类组分大幅度下降，由62.0%降至0.5%，纸类由1 0.1%降至1.3%，基本转化为腐殖质等渣土状物质。而橡塑、纺织等难降解物质在填埋过程中占比有所上升，其中橡塑类占比相对增加1.8 倍，纺织类占比相对增加2.0倍，灰土含量相对增加28.4 倍，砖瓦陶瓷含量相对增加6.0 倍。随着有机组分质量不断减少，橡塑类垃圾逐渐成为主要组成部分，纺织类垃圾占比也明显升高。增加的灰土主要为厨余垃圾降解形成的团状土壤物质。金属、玻璃等由于初始占比很小，填埋过程中组分含量未发生明显变化。

陈腐垃圾理化特性如图4所示。陈腐垃圾含水率为（43.9 ±5.1 ）%；有机质含量为（52.7 ±7.6 ）%，较新鲜垃圾明显降低；热值为（3 377±1 488）kJ/kg。在填埋过程中垃圾所含水分可通过蒸发等物理作用或有机物分解、发酵等生化途径转化为渗滤液散失［28］，有机物随着微生物的降解逐渐消耗殆尽，因此陈腐垃圾含水率、有机质含量及热值均大幅下降。

图4 生活垃圾理化特性对比Figure4 Comparison of physical and chemical properties of domestic solid wastes

陈腐垃圾元素组成如表2所示，O元素（占17.3 0%）含量最高，其次是C元素（占1 4.3 7%），H和N元素总占比约5.0 0%，S元素含量最少，为0.2 2%。与新鲜垃圾相比，陈腐垃圾中O元素含量略微升高，C元素含量明显降低。陈腐垃圾C/N为6.75 ，较新鲜垃圾显著下降，可生化性较差。

埠河镇陈腐垃圾中重金属元素含量如表3所示，按从大到小顺序排列为：Zn（965.83 mg/kg）＞Cu（255.33 mg/kg）＞Pb（216.33 mg/kg）＞Cr（195.83 mg/kg）＞As（149.17 mg/kg）＞Ni（36.67 mg/kg）＞Cd（14.50 mg/kg）。与新鲜垃圾相比，陈腐垃圾Cd含量有所下降，其余重金属元素含量均有不同程度的增加。我国村镇垃圾中Cd元素主要来源于灰土和厨余类垃圾［29-31］，埠河镇陈腐垃圾中厨余与灰土类垃圾相比新鲜垃圾总占比下降57.1%，垃圾中Cd可通过与腐殖质结合和与其他阴离子结合的方式溶解于渗滤液中［32］。因此分析填埋过程中Cd元素的下降可能是厨余垃圾降解，垃圾中Cd迁移进入渗滤液流出所致，具体原因还需进行更加深入的探究。

3.4 不同地区村镇生活垃圾理化特性对比分析

受经济水平、生产方式等多种因素综合影响，我国农村生活垃圾的理化特性存在一定的地域性差异［33］。湖北省埠河镇与安徽省小岗村均属亚热带湿润季风气候，雨量充沛，对比两地生活垃圾理化特性，以探究我国不同地区村镇生活垃圾组成及产生特性。由表1可知，小岗村生活垃圾中厨余类组分含量最高，占总含量的73.3%，其次是纸类（占8.7%）和橡塑类（占8.5%），再次是纺织类（占3.5%）。其他组分含量较低，均小于2.0%。比较两地生活垃圾物理组分可知，小岗村生活垃圾中有机物含量更高，橡塑等可回收物及无机物含量更低。主要是由于不同地区生产方式与经济水平有所不同，埠河镇经济水平较小岗村更高［19］。随着经济水平和生活方式的改变，村镇生活垃圾的组成情况发生了显著变化。与传统村镇垃圾组分［34］相比，村镇垃圾中灰土类含量大幅降低，厨余类含量急剧升高，同城市生活垃圾的差异正逐渐缩小。

小岗村生活垃圾理化特性如图4所示。小岗村生活垃圾含水率为65.8%～82.3%，较埠河镇垃圾更高，可能与小岗村厨余垃圾含量较高有关，同时受季节和降雨影响［9］。埠河镇2020年6月至次年1月的降雨量为957.7 mm，小岗村年平均降雨量为800～1 000 mm，两地年降水量均超过800 mm，都可以认为是我国多雨地区［35］。埠河镇生活垃圾中厨余组分占比62.0%，含水率为6 3.6%，有机质含量为83.7%，湿基低位热值为（4 269±1 271）kJ/kg。小岗村生活垃圾中厨余组分占比73.3%，含水率为76.4%，从结果来看，厨余垃圾比例高会导致垃圾的含水率高。另外，对比我国干旱地区的垃圾特性，如乌鲁木齐市年平均降雨量为298 mm，生活垃圾厨余组分占比62.1%，含水率为47.0%［36］。可以发现降雨量也会影响生活垃圾的含水率，降雨量少的地区，垃圾含水率较低。小岗村生活垃圾有机质含量为84.3%～86.0%，平均值为（85.1 ±0.8 ）%，略高于埠河镇垃圾有机质含量。小岗村生活垃圾热值为2 388～3 209 kJ/kg，平均值为（2 829±414）kJ/kg，小岗村生活垃圾热值相对较低主要是由于垃圾含水率较高。

小岗村生活垃圾元素组成如表2所示，小岗村生活垃圾中O元素（占16.1 5%）含量最高，其次是C元素（占13.7 4%），H和N元素总占比约5.0 0%，未检出S元素。小岗村生活垃圾C/N为7.06 。

小岗村生活垃圾重金属含量如表3所示，各重金属元素含量按从大到小顺序排列为：Zn（792.00 mg/kg）＞Pb（164.00 mg/kg）＞As（145.50 mg/kg）＞Cu（121.00 mg/kg）＞Cr（55.25 mg/kg）＞Cd（1.75 mg/kg）＞Ni（1.50 mg/kg）。

3.5 村镇生活垃圾处理模式讨论及建议

随着农村的发展，村镇垃圾的组成及特性发生了显著变化，传统的单一垃圾处理模式未能有效地满足当前处置的需要。针对农村垃圾现状，建议村镇生活垃圾也实施有害垃圾（即危险废物）分类收集的处置模式，张黎等［37］提出了垃圾分类与就近处理模式，崔伟［38］认为对于村镇垃圾应采取分散处置为主、集中处置为辅的处置方式。

针对埠河镇与小岗村目前垃圾特性及处置方式，提出两种村镇垃圾处理处置模式（图5）。

图5 两种村镇垃圾处理处置模式Figure 5 Two typical treatment and disposal models ofvillage and town

建议埠河镇垃圾采取二分法：有害垃圾分类收集，其他混合垃圾采取外运焚烧为主、微好氧填埋为辅的应急处置模式。埠河镇生活垃圾中部分重金属元素存在超标现象，应该是生活垃圾中废电池、废日光灯管等危废的分类收集及配套处理处置设施不完善，需要在村镇垃圾处置时加强危废管理，建立集中收集点，定期外运至危废处理企业进行处置。埠河镇生活垃圾热值符合燃烧要求，其他混合收集垃圾可选择外运焚烧为主要处置方式，以小单元微好氧填埋作为应急处置方式，在焚烧厂检修时启用。填埋1 a以上陈腐垃圾中易降解有机物含量小于5%，属于较稳定状态，橡塑、纺织等可燃物占比较高，稳定后的陈腐垃圾可开挖运往焚烧厂，经过筛分去除腐殖土，与新鲜垃圾掺烧。二分法通过危废分类收集以降低垃圾处置产生的环境影响，主要适用于我国多雨地区生活垃圾重金属含量较高的大规模发达村镇的垃圾处置。

小岗村垃圾采取三分法：有害垃圾分类收集，湿垃圾（即易腐垃圾）就地生物稳定化处理，其他垃圾外运焚烧。小岗村生活垃圾厨余类含量较高，分离出来的易腐垃圾可进行就地生物稳定化处理，产生的肥料用于当地农业与种植业生产，其他垃圾运至垃圾焚烧厂进行处置。电池等有害垃圾可进行分类收集，每月定期运输至固废处理企业进行处置。通过处理前的分类处置能够有效地避免垃圾处置产生的各种污染问题，同时做到资源回收再利用。三分法通过对湿垃圾进行就地生物处置，无害化减量化的同时获得的堆肥产品能够实现垃圾资源化利用，适用于我国多雨地区小规模农业型村镇的垃圾处置。

干旱地区生活垃圾具有含水率较低、灰分高、低位热值较高的特点［21］。由于含水率和有机质含量相对较低，采用填埋及生物堆肥等方式的处置效率较低，建议选择以焚烧为主的处置方式。垃圾中灰土组分可能会影响焚烧效率，焚烧处置前可进行粗筛分处置去除灰土等无机成分以提高能源利用效率。

4 结论与建议

1）埠河镇生活垃圾以厨余类、橡塑类、纸类为主，含水率及有机质含量较高，热值符合垃圾焚烧最低要求。垃圾组分及理化特性受温度和降雨等气候条件影响。

2）埠河镇陈腐垃圾以橡塑类、灰土类及纺织类为主，与新鲜垃圾相比厨余类占比显著下降。陈垃圾含水率、有机质含量及热值均显著降低，可生化性较差。填埋过程中Cd元素含量有所下降，其余重金属元素含量均出现不同程度的上升。

3）同埠河镇生活垃圾相比，小岗村有机物含量更高，可回收物和无机物含量较低。垃圾含水率及有机质含量更高，热值相对较低。经济水平较高地区可回收垃圾含量更高。

4）建议村镇垃圾实施有害垃圾分类收集的处置模式，以减少重金属对周围环境造成的污染。埠河镇等较发达村镇垃圾处置采取二分法，即有害垃圾分类收集，其他混合垃圾以外运焚烧为主要处置方式，微好氧填埋为辅助的应急处置模式；小岗村等农业型小规模村镇垃圾处置采取三分法，即有害垃圾分类收集，湿垃圾（即易腐垃圾）就地生物稳定化处理，其他垃圾外运焚烧。