作者對全國 12 個省份 72 個典型村鎮進行了生活垃圾采樣調查，系統分析了我國農村生活垃圾的基本理化特性、養分含量與重金屬特征及其農用潛力，以期為我國農村生活垃圾堆肥處理提供參考。
垃圾堆肥可顯著減少土壤中有效Cr含量，但長期使用導致的土壤重金屬積累仍不可忽視！
研究表明: 我國典型村鎮生活垃圾含水率為( 53. 68 ± 8. 84) %,pH 為7. 11 ±0. 56,有機質含量為 ( 49. 04 ± 10. 49 ) % ,C / N 約為 43 ∶ 1 ,C / P 約為 144 ∶ 1 。除 C / N 略高外,其 余特性均適合進行堆肥化處置。我國典型村鎮生活垃圾中重金屬As、Hg、Pb、Cd、Cr,Cu 和 Zn 含量分別為( 7. 645 ± 8. 729) ,( 0. 737 ± 0. 480) ,(21.798±17.606),(3.356±11.012),(108.632±84.011),(36.834±10.905),(80.093±42.237) mg/kg。
與國內相關標準相比,只有 Hg、Cd 超標,最大超標率分別為 29. 17% 、43. 75% ; 與歐美相關標準相比,僅有 Cd、Cr 超標,最大超標率分別為 25. 69% 、37. 50% 。
據統計,我國每年約產生 3 億 t 農村生活垃圾。由于農村生活垃圾收集處理基礎設施和體制遠遠落后于城市,致使村鎮生活垃圾隨意堆放,給農村帶來了各種環境問題。
雖然在我國一些地區實行了生活垃圾“村收集—鎮( 鄉) 轉運—縣( 區) 處理”的模式,但由于經濟成本等因素制約,效果并不理想。
用堆肥法就地處理農村生活垃圾不但成本低,可以變廢為寶,還能節約垃圾填埋場占地問題 ,并減輕垃圾焚燒對大氣的污染。生活垃圾堆肥具有提高土壤養分,優化泥土的理化性質,增強土壤微生物代謝活動的優點,而且生活垃圾堆肥能夠改善土壤污染,避免水土流失。
Shen等研究表明: 連續施用垃圾堆肥能提高土壤的 C、N、P 含量以及土壤 pH 值。李友宏等進行了銀川市城市生活垃圾處理及利用效果的研究,結果表明,施用垃圾堆肥可使水稻、甜菜和 玉米較空白對照分別增產 19. 7% 、29. 6% 和 34. 3% ,而施用垃圾復合肥可使水稻、甜菜和玉米較單獨施用堆肥增產61. 8% 、55. 3% 和 36. 2% 。黃啟飛等運用二次通用旋轉組合試驗設計,通 過模擬土培試驗,進行了垃圾堆肥對 Cr 污染土壤的修復機理研究,結果表明,垃圾堆肥可顯著減少土壤中有效 Cr 含量,但長期使用導致的土壤重金屬的積累仍不可忽視。
1、材料與方法：
采樣點布置
在全國 12 個省份進行村鎮生活垃圾采樣調查,包括南方 6 個省份( 廣東、湖南、安徽、湖北、上海、重慶) ,北方 6 個省份( 北京、河南、山東、甘肅、黑龍江、吉林) ,其中每個省市選擇 1 個采樣地區,每個地區根據經濟水平,產業類型等因素選取 3 個典型鄉鎮采樣,每個鄉鎮設集鎮中心和周邊農村 2 個采樣點,共計 72 個采樣點。采樣地點布置如圖1 所示。
采樣與分析方法
將生活垃圾攪拌均勻后堆成圓形,將其十字 4等分,然后隨機舍棄對角的 2 份,余下部分重復進行前述鋪平并分為 4 等分,舍棄 1 /2,直至垃圾量能夠裝滿 4 個 100 L 大桶,現場稱重,測定生活垃圾容重。
將帶回實驗室的垃圾樣品中大粒徑物料破碎至100 ~ 200 mm,然后將各種成分分別放在干燥的容器內,置于電熱鼓風恒溫干燥箱( 105 ± 5) °C 下烘干 4 ~8h,待冷卻0.5h后稱重。重復烘干1~2h,冷卻0. 5 h 后再稱重,重復直至兩次稱量之差小于樣品質量的 1% 。用研磨儀將烘干后的樣品研磨至 0. 5 mm以下,用于各個項目的測定。測定項目與方法見表 1。
2、結果與分析
典型村鎮生活垃圾堆肥指標分析
堆肥是生活垃圾資源化利用的一種有效手段,可有效改變土壤的物理性能和結構,為農作物的生長提供必需的 N、P、K 等元素。堆肥的關鍵就是如何更好地滿足微生物生長和繁殖所必須的條件,我國農村典型村鎮生活垃圾的理化性質如圖 2所示。
在堆肥過程中,生活垃圾含水率過低,會抑制好氧微生物的繁殖; 含水率過高,則會堵塞堆肥物質的空隙,空氣難以進入影響通風。李國學等認為: 垃圾堆肥過程中微生物分解的最佳含水率為 50% ~60% ,而我國典型村鎮生活垃圾的含水率為53. 68%,在該最佳范圍內。pH 過高或者過低都會使微生物的降解速率降低,有機廢物發酵過程適宜的pH 值為 6. 5 ~ 7. 5,我國典型村鎮生活垃圾的 pH為 7. 21,亦在最佳范圍內。有機質的含量太低,不能為嗜熱菌繁殖提供足夠碳源與能源,難以維持高溫發酵; 有機物含量過高,則會需要大量氧氣,否則會發生厭氧反應,根據 DB 11 /272—2014《生活垃圾堆肥場運行管理規范》,適合堆肥的垃圾有機質含量應在40% 以上,而我國典型村鎮生活垃圾的有機質含量為49. 04% ,亦在該最佳范圍內。
生活垃圾在堆肥的時候需要保持適宜的碳氮比(C/N) (20% ~40%),C/N過低或過高都不利于嗜氧菌的生長繁殖,典型村鎮生活垃圾C/N為43∶1,略高于最佳范圍。此外,磷對微生物的生長也有很大影響,在實際操作中經常將含有大量磷的污泥添加到生活垃圾中進行混合堆肥,以獲取適宜的碳磷比( C/P,75% ~150%) ,而我國典型村鎮生活垃圾的 C/P 為 144∶ 1,亦在最佳范圍內。
典型村鎮生活垃圾中重金屬含量分析
生活垃圾堆肥無害化程度較高,減量化效果較為明顯,但其在 補充作物生長必需營養元素的同時,不可避免地將一些有毒有害物質,如重金屬帶入到土壤中。本研究測定了我國典型村鎮生活垃圾中的 7 種重金屬含量,如圖 3 所示。
由圖 3 可以看出: 典型村鎮生活垃圾重金屬含量Cr>Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg。其中,As含量在0~89.866 mg/kg,平均值為7.645 mg/kg;Hg含量在0. 03 ~ 4. 337 mg / kg,平均值為 0. 737 mg / kg; Pb 含量在0.043~169.151 mg/kg,平均值為21.798 mg/kg;Cd含量在 0.074 ~ 107.002 mg/kg,平均值為3. 3 5 6 m g / kg ; Cr 含量在 8. 944 ~ 1569. 095 mg / kg ,平均值為108.632 mg/kg;Cu含量在3.221~152.548 mg/kg,平均值為36.834 mg/kg;Zn含量在3.155~945.113mg/kg,平均值為80.093 mg/kg。
國內生活垃圾堆肥重金屬限量標準
為了對我國農村生活垃圾堆肥重金屬含量做出準確客觀評價,參考 NY 525—2011《有機肥料新標準》、GB 8172—1987《城 鎮 垃 圾 農 用 控 制 標 準 》、GB 15618—2008《土壤環境質量標準》進行評價,如表 2 所示。我國典型村鎮生活垃圾重金屬與NY 525—2011相比,只有 Cd 含量超標 1. 12 倍,As、Hg、Pb、Cd、Cr分別有 86. 11% 、89. 58% 、91. 67% 、84. 03% 、85. 42%的樣品低于標準。我國典型村鎮生活垃圾重金屬含量同 GB 8172—87 相比,只有 Cd 含量輕微超標,Cd超標 1. 12 倍,生活垃圾中的 As、Hg、Pb、Cd、Cr 分別有 93. 58% 、98. 26% 、96. 56% 、85. 71% 、97. 91% 的樣品低于標準限值。同 GB 15618—2008 相比,只有Hg和Cd 超標,其中Hg 超標1.47 倍,Cd 超標6.71倍,As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 分別有 95. 37% 、70. 83% 、96. 53% 、56. 25% 、95. 83% 、99. 31% 、97. 91%低于該標準限值。
歐美國家堆肥重金屬含量限制標準
我國典型村鎮生活垃圾重金屬含量與歐美國家相關標準(表 3) 相比,Hg 含量均低于歐美國家標準,以 Hg 含量的最低值 0. 8 mg / kg 為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有 86. 11% 樣品中的 Hg 低于該標準。Pb 的含量均低于歐美國家標準,以 Pb 含量的最低值140mg/kg為標準,97.92%的生活垃圾樣品中的 Pb 低于該標準。Cd 的含量均高于歐美國家的標準,若以3mg/kg為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有84.72%的Cd低于標準;若以2 mg/kg為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有 80. 56% 的 Cd 低于標準;若以1.5mg/kg為標準,則有74.31%的垃圾樣品中Cd 含量低于標準。Cr 的含量高于意大利和德國標準,超標 1. 09 倍,低于加拿大、瑞士、荷蘭的標準,以最低值 100 mg / kg 為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有 62. 5% 的 Cr 低于該標準。Cu 的含量均低于歐美國家標準,以最低值 100 mg / kg 為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有 99. 31% 的 Cu 低于標準。Zn 的含量均低于歐美國家標準,以最低值 90 mg / kg 為標準,我國典型村鎮生活垃圾中有 67. 36% 樣品的 Zn 低于標準。
我國村鎮生活垃圾堆肥的可行性分析
研究發現,我國典型村鎮生活垃圾除了 C/N 略高之外,其余指標均符合堆肥最佳條件。而 C/N 較高會使微生物必須經過多次生命循環,氧化掉過量的碳,直到達到一個合適的 C / N 供其進行新陳代謝,延長發酵時間。而且堆肥的產物施用到土壤后,會奪取土壤中的 N 元素,造成“氮饑餓”,影響堆肥制品質量,但可以通過添加糞便或氮肥水進行調節。由此,生活垃圾 C / N 略高的問題可以經濟有效地解決,我國農村生活垃圾在肥效方面具有堆肥潛力。
我國典型村鎮生活垃圾重金屬含量與國內相關標準相比,只有 Hg 和 Cd 超標,與歐美國家相比,只有 Cd、Cr 超標。謝思琴等的研究發現: 若單獨施加垃圾肥會使得蔬菜中重金屬的累積量增加,但若在施肥同時加入 0. 5% ~ 1% 的 CaCO3 可以有效解決問題; 與單獨施加垃圾肥相比,As 下降 4% ~ 60% ,Pb下降29% ~41%,Cr下降5% ~46%,Cd下降9% ~42%,Cu下降2% ~24%。李七偉等研究表明:堆肥處理對垃圾中重金屬總量減少的影響較小,但會使得垃圾中鐵錳氧化物結合態 Cd 比例提高 8. 7% ,有機結合態 Cr 增加 26. 7% ,Hg、Pb、As 則表現為殘渣態比例上升。
總體而言,我國農村生活垃圾重金屬含量較低,具有較好的堆肥化潛力,但鑒于重金屬有難遷移、容易富集、危害大等特點,仍需重點關注。
3、結論：我國村鎮生活垃圾具有一定肥效，重金屬含量相對較低，具有較好的堆肥化潛力
1) 典型村鎮生活垃圾的含水率為( 53.68 ±8. 84) %、pH 為 7. 11 ±0. 56,有機質含量為( 49. 04 ±10.49)%,C/N為43∶1,C/P為144∶1,除了C/N略高,其余特性均適合進行堆肥化處置。
2) 典型村鎮生活垃圾的重金屬含量較低,As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 含量分別為( 7. 645 ± 8. 729) ,(0.737 ± 0.480) ,( 21.798 ± 17.606) ,( 3.356 ±11. 012) ,( 108. 632 ± 84. 011) ,( 36. 834 ± 10. 905) ,( 80. 093 ±42. 237) mg/kg,與國內相關標準相比,只有 Hg、Cd 超標,最大超標率分別為 29.17%、43. 75% ; 與歐美相關標準相比,只有 Cd、Cr 超標,最大超標率分別為 25. 69% 、37. 50% 。
3) 總體上,我國村鎮生活垃圾具有一定肥效,重金屬含量相對較低,具有較好的堆肥化潛力。堆肥化處置過程中可以適當添加糞便、氮肥水等進行 C/N比調節。此外,考慮到少數重金屬超標的風險,堆肥前應盡可能對垃圾進行分選分類。堆肥產品亦適合于非農用土地的土壤改良。
作者單位：1. 中國環境科學研究院 2. 桂林理工大學 環境科學與工程學院
中國鄉村發現網轉自:《環境工程》2017年第7期。
(掃一掃，更多精彩內容！)
