有机废弃物厌氧沼渣堆肥参数浅析

郑 苇，高 波，马换梅，李 波，陈子璇

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

前 言

有机废弃物厌氧发酵，是资源再生利用的有效途径，可实现废弃物资源化和减量化。但目前由于沼渣出路困难，导致有机废弃物厌氧发酵项目整体资源化效率低，处理末端仍有大量固废需要另寻处置出路。针对目前此类项目的困境，2019年十部委联合下发《关于促进生物天然气产业化发展的指导意见》，明确指出“农作物秸秆、畜禽粪污、餐厨垃圾等各类城乡有机废弃物厌氧发酵产生的沼渣沼液可生产有机肥”， 为各类有机废弃物厌氧沼渣资源化利用提供了政策保障。但利用沼渣生产有机肥，需要明确其可利用性，并针对沼渣和产品间品质参数差距，进一步妥善处理后才可资源化利用。

目前厌氧沼渣堆肥利用主要以单种类型沼渣好氧堆肥参数研究为主，缺乏各类沼渣适宜性特性对比综述，以及归一化的堆肥参数优化探讨。本文针对我国主要城乡有机废弃物厌氧沼渣特性进行了综述，根据调研结果，结合类肥料标准，分析了各类沼渣用作肥料的可行性，确定了可用制肥的物料种类及重点关注参数，并依据可用制肥沼渣堆肥参数研究文献调研，分析了堆肥过程参数，依据不同参数的堆肥效果，提出了有机废弃物厌氧沼渣资源化肥料利用的设计优化参数建议。

1 有机废弃物厌氧沼渣特性分析

在各类有机废弃物中，秸秆废弃物、畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥是主要类别，产生量巨大。目前，我国年产秸秆废弃物约8.4亿t[1]、年产禽畜年粪便约30.3亿t[2]、年产餐厨垃圾约9 000万t[3]、年产市政污泥约840万t[4]。沼渣物理特性和植物毒性特性见表1。

表1 沼渣物理特性和植物毒性特性Tab.1 Physical properties and plant toxicity of biogas residue

1.1 含水率/含固率

由于厌氧出料消化残余物中含水率一般较高，都需要先进行脱水，才能获得含固率较高的沼渣。因此沼渣含水率与消化残余物脱水方式有关，根据沼渣特性调研表，脱水沼渣含水率一般60%～85%。

1.2 pH

在厌氧消化过程中，由于前期水解产生大量的挥发性脂肪酸(VFAs)，后期逐渐被利用，体系pH呈现先下降后上升的趋势。根据沼渣特性调研表，厌氧消化残余物脱水沼渣pH 6～9，为中性偏弱碱性。

1.3 有机质

对于有机质含量，目前有两种测试方法，我国《有机肥料》NY525-2021和中国农业出版社出版《土壤农化分析》中采用重铬酸钾法测定有机质含量，美国堆肥协会出版《Test methods for the examination of composting and compost，TMECC》和《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ52-2014采用550℃灼烧法测定有机质含量。可见国内外堆肥标准有机质含量一般采用灼烧法测定，若堆肥用于土壤则采用重铬酸钾法测定。现有研究中，两种方法皆有应用，灼烧法测量的是全部有机物，包括塑料等不可降解有机物；而重铬酸钾法检测的是化学还原性物质，因此灼烧法测量结果一般高于重铬酸钾法测量结果。根据沼渣特性调研表，总体而言沼渣有机质含量35%～75%(干基)。秸秆沼渣灼烧法测量结果约75%，而重铬酸钾法测量结果约60%；禽畜粪便沼渣灼烧法测量结果约60%，而重铬酸钾法测量结果约40%；市政污泥厌氧沼渣中有机质含量约45%；餐厨垃圾厌氧沼渣中有机质含量在62%～74%[25]。

1.4 N、P、K元素含量

沼渣中含有丰富的营养元素N、P、K，各营养元素的相对含量很大程度受发酵原料中各元素含量影响，从而导致沼渣营养元素有所区别。根据沼渣物理特性调研表，秸秆沼渣N、P、K含量分别为1.9±0.1%、0.3±0.1%、2.6±1.2%，总养分含量(以N+P2O5+K2O计)约5.7±1.5%；粪便沼渣N、P、K含量分别为1.7±0.4%、1.4±0.4%、0.9±0.5%，总养分含量(以N+P2O5+K2O计)约6.0±1.1%；污泥沼渣N、P、K含量分别为2.5±0.7%、3.6±1.1%、2.0±1.7%，总养分含量(以N+P2O5+K2O计)约13.2±3.9%；餐厨垃圾N、P、K含量分别为2.8±0.5%、1.1±0.2%、0.6±0.3%，总养分含量(以N+P2O5+K2O计)约6.1±0.7%。可见市政污泥厌氧沼渣中营养元素含量最高，这和含磷洗衣粉、洗涤剂的使用有关，使沼渣中P含量比其他物料高了约2%，从而P2O5高了约5%。

1.5 植物毒性特性

植物毒性可采用种子发芽率GI进行衡量，沼渣GI研究结果一般55～75%。但根据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ52-2014要求，GI测量的浸提液需按照固液比1∶10(重量/体积)制取，其中固体重量以干重计。但是我国大量研究报道固体重量皆采用鲜重计，例如赵龙彬[7]、华冠林[9]、马双双[15]、张黎阳[22]等，这使得浸提液浓度偏低，使沼渣实际的植物毒性被低估。由于厌氧发酵腐质化程度低，其中仍有大量可生化降解有机物，因此沼渣实际GI值应低于目前大多文献报道结果。例如宋彩红[26]等人研究指出，冻干干基沼渣的种子发芽指数仅为26.77%。

1.6 重金属元素

各类有机固废厌氧沼渣重金属含量特性详见表2。可见秸秆沼渣和分类良好的餐厨沼渣，重金属含量较低，其制作肥料利用受重金属危害风险较低。

表2 沼渣重金属含量特性表Tab.2 Heavy metal content characteristics of biogas residue (mg/kg)

畜禽饲料中普遍含有大量的Cu、Zn、As其他微量元素添加剂，导致畜禽粪便Cu、Zn、As等重金属含量较高。根据沼渣重金属含量调研表，畜禽粪便沼渣Cu、Zn、As含量分别为342±195mg/kg，750mg/kg，12.8±6.9mg/kg，国外研究报道的猪粪沼渣中Cu和Zn含量甚至高达780～1016mg/kg和2060～2628mg/kg[32-33]。谢勇等[34]也研究指出，长期施用猪粪沼渣作为有机肥的土壤，Cu、Zn、As含量超标。

城市污水厂污泥因市政污水中混入部分工业污水、城市道路粉尘等，使污泥中重金属含量较高，有报道[35]指出，通过对我国25个城市，90座污水处理厂调研，市政污泥中重金属风险由大到小排序为Hg、Ni、Cd、Zn、Cu、Cr、Pb、As，其中Hg平均浓度15.7 mg/kg，Ni平均浓度120 mg/kg，Cd平均浓度2.8 mg/kg，Zn平均浓度1795 mg/kg，Cu平均浓度493mg/kg，Cr平均浓度分别267mg/kg，Pb平均浓度分别93mg/kg，As平均浓度29 mg/kg，As、Cr、Cu、Zn超标普遍，多数城市污泥重金属超标。同时，马琼洁等[36]指出，厌氧消化残余物经脱水后，沼液的重金属含量降低，沼渣的重金属含量增加。可判断我国城市污泥厌氧沼渣重金属含量较高，重金属污染较严重。

1.7 卫生学特性

厌氧沼渣卫生学特性参数目前研究仅有少量报道(见表3)。张记市等[37]研究了城市有机生活垃圾厌氧消化残余物的卫生学指标，结果表明经过高温(55℃)、中温(35℃)、常温(25℃)厌氧消化工艺，蛔虫卵死亡率分别为100%、66.6%和30.8%，粪大肠杆菌数分别为10-3、10-3和104MPN/g。可见高温厌氧杀菌效果良好，但中温和常温厌氧沼渣卫生学指标较差，其用作肥料使用时，需要注意消毒处理。

表3 沼渣卫生学指标特性Tab.3 Hygienic index characteristics of biogas residue

1.8 含盐量

对于秸秆，由于原料中盐含量少，因此沼渣中盐含量低，对品质影响小。对于畜禽粪便，由于饲料中会添加盐分，促进食欲，帮助消化，增强体质，提高抗病能力。有研究表明禽畜粪便盐含量0.2%～2.4%，平均1.0%，鸡粪盐含量高于猪粪，猪粪盐含量高于牛粪[38]。餐厨垃圾由于烹饪过程，会添加大量食用盐(NaCl)，从而导致餐厨垃圾盐含量较高，一般大型餐厨垃圾含盐量为1.26%～2.62wt.%[39]。但因目前消化残余物脱水后沼渣和沼液中盐分的分配比例研究缺乏，不能确定消化沼渣中盐分含量范围。

2 沼渣肥料利用潜力探讨

沼渣生产有机肥料，目前主要参考标准包括《有机无机复混肥料》GB18877-2020、《有机肥料》NY 525-2021、《生物有机肥》NY 884-2012、《复合微生物肥料》NY/T 798-2015、《农用微生物菌剂》GB20287-2006、《绿化用有机基质》GB/T 33891-2017等。对比标准要求和沼渣特性(见表4)，虽然沼渣含有的有机质和营养元素基本满足相关标准要求，但仍存在以下难点及问题。

表4 沼渣肥料利用潜力分析表Tab.4 Utilization potential analysis of biogas residue as fertilizer

续表4

(1)沼渣仍含有较高含水率，需进一步除水。

(2)部分沼渣，如禽畜粪便、餐厨垃圾等厌氧沼渣，用作肥料会增加土壤中盐分以及地下水中硝态氮的风险。如郭全忠等[40]研究发现长期使用沼肥会增加土壤中的盐分含量，连续使用沼肥7年，土壤电导率为0.366 mS/cm，是未施用沼肥土壤的4.74倍。沈月等[41]也指出施用沼肥存在促进土壤次生盐渍化的潜在风险。

(3)沼渣GI值偏低，腐熟度不够，存在植物毒性，微生物降解有臭气释放风险，雨水淋滤有产生污水污染土壤和地下水风险。

(4)中温和低温厌氧沼渣可能会携带大量未灭活的病原微生物，引起疾病传播。

(5)沼渣有增加土壤重金属、有机物等污染的风险，例如市政污泥沼渣和禽畜粪便沼渣重金属含量普遍超标，禽畜粪便抗生素含量一般较高。应特别注意的是市政污泥沼渣重金属超标最为严重，也最为普遍，这与《有机肥料》NY525-2021提出污泥禁用类有机肥料原料的标准要求相符。重金属超标沼渣大量施用，会导致土壤重金属积累污染，危害植物生长，甚至可能进入食物链，危害人体健康。

而沼渣堆肥，可解决上述沼渣用作肥料施用土壤的部分问题。沼渣堆肥可去除水分，降低含水率；可降解好氧易腐有机物，增加腐熟程度，降低植物毒性；可杀灭病原微生物，提升使用安全性；可钝化部分金属，降低重金属毒性，如宋彩红等[29]研究发现沼渣堆肥处理后As、Cr、Pb生物性降低，但Cu、Zn的生物性增加。

3 厌氧沼渣堆肥参数浅析

目前厌氧消化沼渣堆肥研究主要集中在调理剂添加、含水率调节、供氧控制、温度控制、堆肥时间控制5个方面。具体堆肥过程参数研究情况详见表5。

表5 堆肥过程控制参数研究现状Tab.5 Research status of composting process control parameters

续表5

3.1 调理剂添加

由于厌氧消化使易腐有机物大量降解，C/N普遍较低，需要添加秸秆、稻壳、菇土、园林垃圾、木屑等高C/N比物料，调节C/N比为20～30，以满足堆肥要求，且堆肥初始C/N在20～30范围内越高，产品腐熟程度越好。其中秸秆因原料易得，蓬松通气等特性，是最常用的调理添加剂，其添加最优比例一般为10%～25%。秸秆和沼渣混合之前需要破碎，文献中破碎尺寸一般为1～5cm；《园林绿化废弃物堆肥技术规程》DB11/T 840-2011要求破碎至2cm以下；《农业清洁生产 蔬菜残体堆肥技术规程》DB 13/T 2327-2016要求秸秆轧切为3～10cm。

另外，禽畜粪便、生物炭和金属钝化剂也是常用的调理剂。禽畜粪便可接种微生物，加速堆肥进程；生物炭可增加通气性，减少氮素损失，提高堆肥品质；金属钝化剂能降低重金属迁移性，减少重金属危害风险。

3.2 含水率调节

沼渣堆肥之前初始含水率文献试验条件一般为60%～70%，且65%时堆肥效果好；《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ52-2014要求初始含水率40%～60%；《园林绿化废弃物堆肥技术规程》DB11/T 840-2011要求初始含水率50%～65%；《农业清洁生产 蔬菜残体堆肥技术规程》DB 13/T 2327-2016要求物料含水率为55%～70%。由于沼渣含水率高，一般通过添加调理剂同时调节含水率。

3.3 通风策略

根据《生活垃圾堆肥处理技术规范》CJJ52-2014，要求通风量0.05～0.20m3/(min·m3垃圾)，按堆体密度350～650kg/m3折算，则通风量范围约为0.08～0.57L/(min·kg)，与文献利用通风量0.2～0.5 L/(min·kg)相符。且根据文献报道，其最佳通风量基本为规范要求上限值，即0.2m3/(min·m3垃圾)或0.5 L/(min·kg)。可通过采用间歇通风策略，每小时通风5～15min，减少总体通风量，从而减少能耗。当堆体氧含量低于5%，堆肥温度高于70℃时，延长通风时间，缩短通风间隔。

3.4 堆肥温度控制

沼渣堆肥温度一般依靠生物降解自行升温，但也有研究通过外加热源控制堆肥温度约55～65℃，加速腐熟进程。外加热源的方法虽然消耗热量，但可缩短堆肥时间，减小占地面积。

3.5 堆肥时间控制

沼渣堆肥时间一般15～30天，文献研究大多认为20天后基本实现腐熟。

4 结论与建议

我国有机废弃物厌氧沼渣堆肥是其用作肥料的必要工艺，可有效降低沼渣含水率，减少植物毒性，提高卫生学特性。但应重点关注禽畜粪便沼渣重金属含量、盐含量、抗生素含量；污泥重金属含量；餐厨垃圾盐含量，防止环境风险。堆肥之前可添加3～5cm以下秸秆等高C/N比废弃物，调节C/N比至25%～30%，含水率60%～70%；通风量控制在0.20m3/(min·m3垃圾)，每小时通风5～15min，根据堆体温度和氧含量反馈控制通风间隔；堆肥前期可通入60℃高温空气，缩短堆肥周期；堆肥周期建议20天左右。