两种农村厨余垃圾处理工艺对比分析

王重庆，张建淼，张 闻，杨 超，直俊强

（北京市畜牧总站，北京 100012）

生活垃圾分类是资源可持续和再利用的重要途径，合理对生活垃圾进行分类，可以降低垃圾处理成本，减少土地资源消耗，同时可以实现废弃物的再利用。据统计，2020年北京市厨余垃圾处理量为51.6万t，如果按照其他垃圾的处理方法进行焚烧，需要额外投入大量的人力物力，这个问题在农村地区更为明显，农村居民点分布相对分散，距离市区的统一处理点路程远，运输成本更高。农村厨余垃圾主要为瓜果蔬菜废弃物，富含水分和易腐有机物，燃烧值低，燃烧过程需要耗费大量能源。焚烧法、填埋法处理厨余垃圾，容易产生二噁英、渗滤液等二次污染物，而厨余垃圾填埋容易造成厌氧发酵，产生沼气，带来安全隐患。因此，北京市鼓励农村地区厨余垃圾“就地、就近”处理，其间应用了覆膜好氧发酵技术（简称覆膜设备）和密闭式高温好氧发酵技术（简称密闭式设备），但相关技术的处理效果、应用途径及产能比率等关键数据较为模糊。针对这一情况，本文对北京市的各个农村厨余垃圾处理试点进行调研，并采集处理产物进行检测，以期为农村厨余垃圾处理提供数据支撑与指导。

1 材料与方法

1.1 样品采集

选择北京市通州区、密云区应用覆膜好氧发酵技术处理厨余垃圾及农林废弃物的村庄作为采样点（1、2），北京市房山区、平谷区应用密闭式高温好氧发酵技术处理厨余垃圾的村庄作为采样点（3、4），通过调研问卷的形式了解4 个村厨余垃圾处理情况，在发酵开始时，采集发酵前样品；在发酵结束当天，采集处理后厨余垃圾样品各4 kg，带回实验室进行指标测定。

1.2 研究方法和测定指标

本研究主要对两种处理设备的能源、人力投入进行测算，对发酵产物的技术指标和限量指标进行检测，不同指标的采样、制备、分析及计算方法均依据《有机肥料》（NY/T 525—2021）。

2 结果与分析

2.1 采样点情况

采样点1 位于通州区，现居住人口有700 余人，村内有菜园46 670 m、绿化树木1 000 余棵，每年可产生厨余垃圾36 t、农林废弃物186 t。采用覆膜处理设备的运转周期为25 ～30 d。采样点2 位于密云区，现居住人口接近2 000 人，下辖14 个自然村，种植面积为133.3 hm，每年可产生厨余垃圾182 t、农林废弃物612 t。采用覆膜处理设备的运转周期为25 ～30 t。采样点3 位于房山区，采样点4 位于平谷区，两个采样点每天收集周边5 个村的厨余垃圾2 t 进行高温密闭发酵。采用密闭式处理设备的运转周期为1 d。

2.2 处理物组成

覆膜处理设备处理物为厨余垃圾和玉米秸秆、农田尾菜、树枝、畜禽粪便等农林废弃物的混合物，来源于试点村本村，最大日处理量为1.2 t。密闭式处理设备处理物为厨余垃圾，来源于试点村附近5 个村，最大日处理量为2 t。具体组分如表1 所示。

表1 每年采样点物料组成

2.3 发酵温度变化分析

发酵过程中，覆膜设备依靠发酵菌代谢产热，受工艺、环境影响较大。发酵堆体按照深度分为内层、中层、外层，以层高1.8 m、宽7 m 的发酵堆体为例，外层为发酵堆体最外层30 cm 范围内的部分，内层为发酵堆体内部30 cm 范围内的部分，中层为内外两层中间的部分，如图1 所示。密闭式设备具有供暖系统，发酵期间，温度维持在70 ～80 ℃，不受发酵时间及外部环境影响。

图1 发酵堆体内部分区

对于覆膜设备，发酵堆体外部、中部和内部三部分的升温过程有明显差别，发酵过程中，内部率先开始升温，3 ～5 d 后可超过50 ℃，中层升温较慢，10 d 左右升至约50℃，最高温度可超过60 ℃，外层升温较慢，20 d 发酵温度达到48 ℃，随后开始降温，如图2 所示。

图2 分层发酵温度变化曲线

这是由于覆膜好氧发酵属于静态发酵工艺，发酵过程缺少翻堆环节，内层缺氧造成发酵微生物活动一定时间后，代谢活动减少，使内层温度下降较快；外层与外源接触面积大，散热快，致使外层升温不彻底。

发酵温度与物料组分密切相关，当厨余垃圾占发酵物总量的30%以上时，发酵过程产生大量渗滤液，导致发酵温度不能达到50 ℃，当添加秸秆、畜禽粪便等将厨余垃圾比例降至10%时，发酵过程有明显改善。这是由于厨余垃圾含水率高，当其含量高时，发酵过程会产生大量渗滤液，而覆膜使得水分无法及时排出，堆积在覆膜堆体内，影响微生物生长，使发酵堆体升温困难。

2.4 pH 与含水率分析

覆膜设备处理的混合物呈弱碱性，pH 均值为7.9，原因是秸秆等物质对有机酸起到一定中和作用。密闭式设备与覆膜设备处理物在酸碱值上有较大差异，密闭式设备处理的厨余垃圾普遍偏酸性，pH 保持在5.0 ～6.3，这是因为厨余垃圾储存后，内部发生厌氧反应，产生有机酸等酸性物质。发酵后，密闭式设备处理的厨余垃圾pH 仍呈酸性，覆膜设备处理的厨余垃圾pH 仍呈碱性。具体情况如表2 所示。

表2 pH 变化情况

厨余垃圾含水率保持在80%～90%，添加农林废弃物后，其水分降低，介于65%～75%。经过处理后，密闭式设备产物含水率为15%左右，符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）的要求，覆膜设备产物含水率为35%左右，不符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

2.5 微生物指标分析

下面选取粪大肠菌群数作为微生物指标进行分析。覆膜设备发酵产物中，粪大肠菌群数符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）的要求，但是覆膜设备温度不均匀，存在外层粪大肠菌群数高、内层低的情况，外层粪大肠菌群数平均值为52 个/g，内层粪大肠菌群数平均值为4 个/g。密闭式设备粪大肠菌灭杀效果良好，处理后产物中粪大肠菌群数不大于2 个/g，符合《有机肥料》（NY/T 525—2021）的要求。

2.6 重金属变化分析

利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS），对采样点采集的处理前样品及处理后样品进行重金属分析，对照《有机肥料》（NY/T 525—2021）进行判定，两种设备处理物中重金属指标均未超标，如表3 所示。但覆膜设备处理的混合物中铬、铅两项指标高于纯厨余垃圾，原因是添加秸秆等外源物质。发酵处理后，两种设备处理物的重金属含量有一定上升，主要原因是发酵过程中水分及碳氮等物质的损失造成富集现象。项目组在试验过程中选取畜禽粪便作为对照组，测定了发酵处理后畜禽粪便的5 项重金属元素含量，畜禽粪便中重金属含量与厨余发酵产物相近。

表3 重金属测定数据

2.7 发芽指数分析

种子发芽试验被认为是评价堆肥产品无害腐熟最具说服力的方法。种子发芽指数综合反映了堆肥的植物毒性，被认为是最敏感、最可靠的堆肥腐熟度评价指标。一般情况下，若发芽指数大于50%，可认为堆肥对种子基本无毒性。《有机肥料》（NY/T 525—2021）规定发芽指数大于70%。本文以样品浸提液为试验组，纯水为对照组，具体发芽指数如表4 所示。覆膜设备处理后，样品发芽指数均超过对照组，采样点1 的发芽指数为160.33%，采样点2 的发芽指数为204.20%，这与发酵过程中添加羊粪、秸秆有关。密闭式设备处理后，样品发芽指数均不达标，采样点3发芽指数为49.73%，采样点4 发芽指数为40.00%。初步分析，覆膜设备发酵更加完全，产物更利于作物生长，密闭式设备发酵周期短，厨余垃圾发酵不完全，会影响作物生长。

表4 发芽指数

2.8 陈化效果与应用效果分析

项目组对采样点3 密闭式设备的发酵产物进行了跟踪分析，分别采集其发酵后1 d、2 d、4 d、7 d 及15 d 的样品进行检测，含水率由15%上升至55%，pH 由5.32 上升至7.45，种子发芽指数由31.70%上升至52.85%，原因是发酵后产物吸收外部环境水分，微生物继续发酵分解。

项目组对采样点1 的产物进行了应用效果分析，以发酵产物为试验组，以尿素为对比组，取发酵产物100 kg，撒施在1 m的菜地上，取尿素0.5 kg，撒施在1 m的菜地上，均对土地进行翻耕，种植白菜，待白菜生长成熟后，各选取10棵白菜进行称重。测定结果显示，施用发酵产物与尿素对白菜生长的影响无明显差异。

2.9 能源与人工投入

两种处理模式的能源与人工投入如表5 所示。

表5 能源与人工投入

两种处理模式的能源投入均为电能，覆膜设备每个发酵周期电费约为31.5 元，主要耗电功能为粉碎和供气，全年电费为378 元；密闭式设备每个发酵周期电费约为275.5 元，主要耗电功能为滚动混合和升温加热，全年电费为137 057.5 元。

两种处理模式在运行过程中均需要人工投入，密闭式设备运行过程中需要1 人负责进料及出料，覆膜设备需要4 人进行发酵堆体建设，2 人负责物料粉碎，2 人负责清堆，其中建堆、清堆过程各需要1 d，粉碎需要2 d。通过计算得出，密闭式设备处理1 t 厨余垃圾的成本为162.75 元，覆膜设备处理1 t 农林废弃物及厨余垃圾混合物的成本为19.93 元。

3 结论

覆膜设备发酵周期长，运营成本低，处理物范围大，适用于处理农村厨余垃圾及农林废弃物。覆膜好氧发酵产物可以促进植物生长，但是发酵过程中存在温度分布不均、外层微生物杀灭不彻底等情况，清理发酵堆体时，应仅清理中层及内层的发酵产物，保留外层发酵产物用于下一次发酵过程，这样既可以降低发酵不完全区域对环境的影响，又可以将外层发酵产物中的菌剂作为引子，降低菌剂投入量。密闭式设备发酵周期短，运营成本高，处理物范围小，适用于镇乡统一收集处理厨余垃圾的地区，由乡镇政府承担运营和管理费用。密闭式设备发酵产物存在酸度偏高、发芽指数低的问题，说明密闭式设备发酵过程不充分，仅达到了无害化要求，对于发酵产物的资源化利用缺少必要的支撑，发酵产物后续应用前需要经过两个步骤才能安全使用，一是作为有机肥发酵原料，混合农林废弃物进行二次发酵，二是延长陈化时间，充分降解其中的有害成分。厨余垃圾经两种模式发酵处理后，重金属进一步富集，其与畜禽粪便重金属含量相近，在发酵产物应用过程中，要进一步关注重金属指标。