我國農村易腐垃圾機器成肥產品質量評價
——以杭州市為例

畢 峰，李相儒，韓澤東，秦 勇，徐 鋼，屠 翰，吳偉祥*

（1.浙江大學環境與資源學院，杭州 310058；2.杭州市人民政府農村能源辦公室，杭州 310020）

截至2016年末，中國村鎮戶籍總人口數已達9.58億[1]，農村生活垃圾的年產生量達2.8億t[2]。由于缺乏完善的垃圾清運與處理體系，垃圾大量堆積，嚴重影響了周圍村民的居住環境質量和身心健康。為解決我國農村日益嚴峻的垃圾污染問題，住建部等部門先后出臺了一系列文件[3-4]，要求在農村地區學習浙江省“金華金東模式”，推行垃圾源頭分類減量。

所謂“金華金東模式”，就是將城市生活垃圾的“四分法”簡化為“二分法”，即將農村生活垃圾分為易腐垃圾（剩飯剩菜、菜葉果皮、動物糞便、作物秸稈和枯枝落葉等）和其他垃圾（除前者以外的垃圾）兩種，易腐垃圾進行堆肥化處理，其他垃圾進入焚燒廠或填埋場，以充分實現垃圾的減量化和資源化。在該模式中，易腐垃圾的堆肥化處理一直是其難點和重點，目前主要有機器成肥和太陽能輔助好氧堆肥[5]兩種實現方式。

機器成肥作為好氧堆肥處理的一種，是指將易腐垃圾送入機械堆肥反應器進行高溫發酵，在較短時間內產出有機肥或其中間產物，實現易腐垃圾資源化和無害化的過程。相較太陽能輔助好氧堆肥，機器成肥攪拌混合充分、供氧充足，能夠大幅縮短堆肥周期，而且設備高度集成化，操作便利，還能避免極端天氣的影響，故而受到各界的廣泛推崇，目前浙江省使用機器成肥的比例已經占到28%以上[6]。

考慮以上因素，國內為處理農村分出的易腐垃圾，一般以鎮或村為單位配置小型機器成肥設備（設計處理量為0.3～5 t）。但是，目前國家尚未出臺機器成肥的相關標準，市場上機器成肥設備種類五花八門，僅杭州市使用的就有10余種，且工藝水平參差不齊，而產品多冠以有機肥之名，用于農田土壤改良或城市園林綠化。為全面科學評價各類機器成肥產品品質，防止殘次產品危害土壤質量和農田生態環境，現階段亟需實地抽樣調查與分析。

杭州市是采用農村易腐垃圾機器成肥設備的典型代表。截止2017年，杭州市農村生活垃圾分類減量資源化工作已覆蓋所有行政村，建有149個機器成肥站點。本文針對杭州市6個開展農村垃圾分類與易腐垃圾機器成肥的區（縣、市）進行調研，對12個運行正常的鄉鎮機器成肥站點的堆肥產品進行質量抽樣分析，以期全面了解農村易腐垃圾機器成肥產品質量現狀及其存在的問題，為農村易腐垃圾機器成肥設備在全國范圍內推廣應用提供甄別依據。

1 材料與方法

1.1 調查取樣點

本研究分析的肥料樣品隨機取自杭州市6個開展農村生活垃圾分類與易腐垃圾機器成肥處理的區（縣、市）中的12個正常運行的鄉鎮機器成肥站點。抽樣檢測站點的分布見圖1。

圖1 農村易腐垃圾機器成肥調查取樣點分布Figure 1 Distribution of samplingpoint of mechanical composting for rural putrescible wastes

1.2 機器成肥工藝

本次調研的村鎮農村垃圾均采用“二分法”（即易腐垃圾與其他垃圾）：易腐垃圾進入機器成肥站點，進行堆肥化處理；其他垃圾進行集中填埋或焚燒處理。

調研涉及的機器成肥工藝如表1所示。主體發酵工藝有全混合發酵和層遞推流式好氧發酵兩種。按照發酵周期長短可分為兩大類：12~48 h（包括12~24 h和24、48 h）快速成肥機器設備和7 d以上發酵周期（包括7 d、10~15 d和15 d）的機器成肥設備。

1.3 取樣方法

在垃圾資源化處理站設備出料堆放處，堆體分上、中、下3個高度進行多點采樣至5～10 kg左右，將其十字四等分，然后隨機舍棄對角中的兩份，余下的部分重復進行前述鋪平并將其四等分，舍棄一半，直至堆肥量為1 kg左右，裝入采樣袋中，帶回實驗室進行分析。

1.4 測定指標與方法

（1）含水率、pH、有機質含量、總養分（氮+五氧化二磷+氧化鉀）、重金屬（As、Hg、Pb、Cr、Cd）含量均參照《有機肥料》（NY 525—2012）標準方法測定。

（2）電導率（EC）：將堆肥樣品按 1∶10[m（g）∶V（mL）]浸提過濾后用電導率儀（HACHsension7）測定[7]。

（3）胡敏酸、富里酸（HA、FA）：腐殖質組成采用焦磷酸鈉提取-重鉻酸鉀法[8]測定。

（4）種子發芽率和發芽指數（GI）：參考文獻[9]方法。稱取新鮮物料試樣（干基質量20 g左右）于500 mL具密封塞的聚乙烯瓶中。按照固液比1∶10[m（g）/V（mL），以干重計]加入一定量的去離子水，在轉速180 r·min-1的搖床中室溫下浸提2 h，離心過濾。在微生物培養皿內墊一張濾紙，均勻放入10粒蘿卜種子，用移液槍移取浸出液5 mL，浸潤濾紙，蓋上培養皿蓋，在25℃黑暗的培養箱中培養48 h，測定發芽率和根長。每個樣品做3個重復，以去離子水作為空白對照。GI的計算公式如下：

式中：GI為種子發芽指數；Gt和Gc分別為處理和對照組的平均種子發芽率；Lt和Lc分別為處理和對照組的平均根長。

表1 機器成肥工藝一覽表Table 1 Mechanical composting processlist

表2 評價指標限值一覽表Table 2 List of limit valuesfor indicators covered by the evaluation

1.5 評價指標限值

本研究涉及的農村易腐垃圾機器成肥產品主要評價指標及其限值如表2所示。

2 結果與討論

2.1 機器成肥產品的理化性質

2.1.1 含水率

從圖2a可見，機器成肥產品的含水率在5.6%～54.2%，50%左右的樣品含水率未達到《有機肥料》（NY 525—2012）要求（含水率≤30%），其中站點XJ和YQ產品的含水率高達50%以上。垃圾堆肥過程中微生物分解有機質的最佳含水率為50%～55%[13]，根據王瑜堂等[14]的調查結果，農村生活垃圾的含水率為53.68%，十分適合微生物的生長。但是，由于農村生活垃圾經分類后獲得的易腐垃圾其含水率會顯著提高，一般在80%左右[15]。如果堆肥處理過程不正?；虍a生的水汽不能從封閉的機器腔體中及時引出，產品的含水率必然較高。

2.1.2 pH與EC

農村易腐垃圾機器成肥產品的pH值如圖2b所示，范圍在4.7～8.0之間，平均值為6.4，除QD站點（pH=4.7）外，其他站點成肥產品的pH均符合《有機肥料》（NY 525—2012）的要求，但是總體偏酸性。大量研究表明，腐熟的堆肥一般呈弱堿性[16]。盡管堆肥產品的pH與原料成分有一定的關聯，但是堆肥產品總體偏酸性在一定程度上反映出機器成肥產品可能并未充分腐熟。此外，相關研究表明，當堆肥初期局部供氧不足時，厭氧發酵產生的有機酸以及大量的CO2會使得pH處于較低的水平[17]。由表1可見，60%左右的站點其機器成肥設備沒有強制通風曝氣供氧裝置，因此極易導致堆肥物料內部局部缺氧或厭氧，其堆肥產品的pH平均值僅為5.9，遠低于具有強制通風供氧系統（包括強制通風曝氣和末端負壓引風）設備產品的pH值7.2（P<0.01）。由此可見，要防止堆肥物料局部厭氧酸化并提升堆肥產品腐熟度，機器成肥設備有必要配置強制通風供氧系統。

本次調研12個站點機器成肥產品的EC值如圖2c所示，平均為7.14 mS·cm-1，最低的為YCQ，3.93 mS·cm-1，最高的為 YC，11.63 mS·cm-1。而研究表明，已腐熟的堆肥EC值一般小于3 mS·cm-1[18]，故機器成肥產品的EC值總體相對偏高。究其原因：一方面機器成肥的發酵周期較短，堆肥初期產生的大量的小分子有機酸、磷酸鹽等積累[19]，使得肥料EC值偏高；另一方面，現階段杭州市農村地區普遍缺乏餐廚垃圾處理設施，對于集鎮餐館、農家樂等產生的餐廚垃圾通常優先被運往機器成肥站點進行處理，餐廚垃圾中的鹽分最終濃縮在肥料中，使得EC值含量增加。在所有站點中，僅有HC和YCQ站點堆肥產品的EC值低于植物正常生長EC值限值4 mS·cm-1[10]，肥料施用農田后可能會不利于農作物的生長，因此不推薦作為有機肥直接施用到農田。

圖2 農村易腐垃圾機器成肥產品的物理化學性質Figure 2 Thephysicochemical properties of mechanical composting products in rural areas

2.1.3 有機質與總養分的含量

機器成肥過程中有機物在微生物的作用下分解為CO2、水、腐殖質，有機質含量的變化可以反映出微生物的代謝以及養分的轉化和釋放情況，是反映堆肥質量和進程的重要指標[11]?！队袡C肥料》（NY525—2012）中要求堆肥產品有機質含量≥45%。本次調研各站點機器成肥產品的有機質含量（圖2d）均大于45%，平均值為74.9%，其中12~48 h短發酵周期機器成肥產品有機質含量平均值高達79.2%，總體平均值為70.6%。導致部分站點機器成肥產品有機質含量較高的原因可能有以下兩個方面：（1）部分機器成肥設備實際為烘干機。由表1可見，12~48 h短發酵周期機器成肥設備的主體發酵溫度均在70℃以上，甚至達到90℃，而適合微生物發酵的溫度為55~60℃，70℃以上微生物已經死亡或進入休眠狀態[20]，此時機器成肥設備本質上為一烘箱，僅僅起到蒸發水分、濃縮有機質的作用，物料根本未經過任何微生物好氧發酵。（2）部分機器成肥設備運行過程添加高有機質輔料。為克服易腐垃圾含水率較高問題，部分站點（如QD、XT）堆肥過程中加入了有機質含量較高的腐料，如玉米秸稈（有機質含量94.2%）、木屑（有機質含量約84%）等[17，21]，導致出料有機質含量高于正常發酵物料。

氮、磷、鉀是植物生長所需要的大量元素，也是評價有機肥料肥力的重要因素。雖然機器成肥過程中，營養元素通過NH3、N2O等氣體逸散與堆肥滲濾液排出等形式損失，但是有機質降解及水分蒸發引起的濃縮效應，會導致成肥物料氮、磷、鉀的含量相對增加[22]。由圖2e可見，各站點機器成肥產品總養分含量平均值為6.16%，除XT站點外，其他站點機器成肥產品的氮、磷、鉀含量均>5%，滿足《有機肥料》（NY 525—2012）標準的要求。

2.2 機器成肥產品中的重金屬

根據王瑜堂等[23]2017年關于村鎮生活垃圾中重金屬含量及其土地利用中的環境風險分析，我國村鎮生活垃圾中的重金屬污染情況不容樂觀，具有強生態危害，此外生活垃圾堆肥過程中的重金屬含量會隨著總干物質重量下降而升高[24]，會加劇土地利用過程中的生態風險。而基于“二分法”的機器成肥處理，產品中各重金屬的污染指數[25][實測值與《有機肥料》（NY 525—2012）中標準限值的比值]分布如圖3所示。機器成肥產品中的重金屬含量普遍較低，As、Pb、Cd、Cr的平均污染指數分別為 0.11、0.49、0.34、0.49，Hg的平均污染指數小于0.05，除FC站點Pb含量超標外，其余均能滿足《有機肥料》（NY 525—2012）標準要求。因此，農村生活垃圾“二分法”分類系統可以有效確保分類后的易腐垃圾成肥產品重金屬含量達標。盡管如此，FC站點機器成肥產品重金屬Pb含量超標，表明農村生活垃圾“二分法”分類系統還需特別關注有毒有害垃圾，以避免其進入易腐垃圾桶。

圖3 農村易腐垃圾機器成肥產品重金屬的污染指數Figure 3 Pollution index of heavy metalsin mechanical composting productsfor rural putrescible wastes

2.3 機器成肥產品的腐熟度指標

2.3.1 HA/FA

機器成肥過程中腐殖化指數HA/FA可以反映堆肥的腐殖化程度，HA/FA增加并趨向穩定是堆肥趨向腐熟的標志[26]。有學者指出當HA/FA>1.6，就可以認為堆肥已經腐熟[11]。12個機器成肥站點堆肥產品的HA/FA分布如圖2f所示，HA/FA的平均值為0.95<1.6，總體并未達到腐熟要求，只有HC站點HA/FA=1.73>1.6，肥料腐熟。此外12~48 h短發酵周期的機器成肥產品HA/FA均值（0.80）小于7 d以上長發酵周期的機器成肥產品的HA/FA值1.11（P<0.05），由此可見，易腐垃圾的堆肥腐熟化過程需要較長的時間，12~48 h短發酵周期的機器成肥工藝根本無法滿足《生活垃圾堆肥處理技術規范》（CJJ 52—2014）中設計主發酵時間不宜小于5 d的要求。

2.3.2 種子發芽率和GI

與國外發達國家相比，我國堆肥產品的質量標準中除了衛生學標準（蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌群數），僅從含水率、pH、養分、重金屬含量等片面評價堆肥產品的肥效，缺乏比較全面和科學的堆肥腐熟評價指標，肥料施用后對作物的安全性也無法得到保障[27]。因此，本研究選取普遍認可的種子發芽率和GI來反映機器成肥產品的腐熟度和植物毒性[28]。圖4為各機器成肥站點肥料產品的種子發芽率和GI。由圖4可見，各站點的肥料產品種子發芽率平均值為36.1%，GI平均值僅為17.8%，均表現出一定的植物毒性，YQ和YC站點堆肥產品的種子發芽率和GI甚至為0。研究表明，當GI≥50%時，堆肥基本達到腐熟[12]，因此，所有站點中僅有HC、YCQ和GL的堆肥產品基本達到腐熟要求，結合表1中各站點機器成肥工藝，可以發現HC、YCQ和GL的發酵周期均在7 d以上。相反，采用12~48 h短發酵周期的機器成肥產品GI極低，均值僅為0.7%。綜合機器成肥產品腐殖化指數、種子發芽率和GI，可以發現12~48 h機器成肥設備生產的產品腐熟度完全不合格，這種產品施用于農田不僅會嚴重影響土壤質量、阻礙植物正常生長，而且具有嚴重的二次污染風險。

圖4 各站點機器成肥產品種子發芽率和GIFigure 4 Seed germination rate and GIof mechanical composting product in each station

3 結論

（1）農村易腐垃圾機器成肥產品，除含水率外，pH（除QD）、有機質含量、總養分含量（除XT）等指標均能滿足《有機肥料》（NY 525—2012）的要求。

（2）農村生活垃圾“二分法”可有效確保分類產生的易腐垃圾機器成肥產品重金屬含量達標。

（3）12~48 h機器快速成肥設備生產的產品基本未經過任何微生物好氧堆肥發酵，產品腐熟度極低，不適合農田利用。盡管部分7 d以上發酵周期的農村易腐垃圾機器成肥設備生產的肥料產品腐熟度指標可以基本滿足相關標準要求，但是其工藝有待改進，以提升其生產產品的腐熟度指標，滿足農用需求。

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