我國農村有機生活垃圾好氧堆肥研究進展

陳 冰，張思夢，蒲志紅

(中國城市建設研究院有限公司，北京 100120)

1 我國農村有機生活垃圾污染現狀

隨著我國綜合國力和經濟水平不斷提高，農村生活水平有大幅提升，農村生活垃圾產量增長迅速，出現“垃圾圍村”現象，嚴重損害了農村生態環境，我國農村生活垃圾產生量約為3億t，并以每年8%～10%的速率增長[1]，大量無法及時有效處理的生活垃圾影響農民正常生產生活和農村經濟建設，是我國亟需解決的問題。2014年我國啟動農村生活垃圾治理專項活動，提出用5年時間實現全國90%村莊的生活垃圾得到治理的目標，2015年住建部發布《住房城鄉建設部等部門關于全面推進農村垃圾治理的指導意見》，指出要在全國100個縣推行農村生活垃圾分類和資源化利用示范試點，旨在推進農村生活垃圾能夠“減量化、資源化”處理。

我國農村生活垃圾與城市生活垃圾相比有較大差別，主要包括廚余、草木、樹葉、秸稈、紙類、布類、渣石、灰土、塑料、玻璃等，具有數量大、熱值低、垃圾堆放點分散、單位產量小、成分復雜、季節變化性大、區域差異明顯等特點。隨著我國經濟總體實力不斷增強，農村經濟迅猛發展，農民生活水平得到提高，導致農村生活垃圾在數量上和結構上均向城市生活垃圾靠攏，表現為生活垃圾中有機物數量增多，但是由于我國國土遼闊，各個地區人口分布、飲食習慣等存在差異，生活垃圾產生量和結構成分不同。各省市農村生活垃圾產生量為0.03～8.50kg/(人·d)，其中北京市農村生活垃圾產生量最大，是最小值黑龍江省的2.85倍[2]。不同區域農村垃圾產生量為中部地區>東部地區>西部地區，南北方農村生活垃圾差異較顯著，北方農村人均生活垃圾高于南方，北方以渣土等無機物為主，南方以廚余垃圾等有機物為主。

2 農村有機生活垃圾好氧堆肥處理技術概述

2.1 好氧堆肥基本定義

好氧堆肥是在通氣條件好，氧氣充足的條件下，好氧菌對廢物進行吸收、氧化以及分解的過程。好氧微生物通過自身的生命活動，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物，同時釋放出可供微生物生長活動所需的能量，而另一部分有機物則被合成新的細胞質，使微生物不斷生長繁殖，產生出更多生物體。通常，好氧堆肥的溫度較高，一般在55～60 ℃時較好，所以好氧堆肥也稱高溫堆肥。高溫堆肥可以最大限度地殺滅病原菌，同時，對有機質的降解速度快，堆肥所需天數短，臭氣發生量少，是堆肥化的首選。農村生活垃圾有其多樣性和復雜性，隨著農村社會經濟水平提高，農民物質生活不斷改善，農村生活垃圾中有機質和水分含量較高的廚余垃圾占到垃圾總量的24%[3]，好氧堆肥處理農村有機生活垃圾具有優勢。

2.2 好氧堆肥進程

農村有機生活垃圾堆肥是一個生物化學反應過程，將垃圾中的有機質分解為CO2、H2O、肥料等并釋放大量熱量。從垃圾堆積到肥料腐熟，微生物類群比較復雜，根據堆肥過程中溫度的變化，可以將農村有機生活垃圾好氧堆肥分成3個階段：中溫階段、高溫階段和腐熟階段。

2.2.1 中溫階段

中溫階段也稱為升溫階段。在堆肥初期，堆體基本呈中溫(15～45 ℃)，堆體中嗜溫性微生物如中溫放線菌、蘑菇菌等利用堆肥中可溶性有機物質糖類、脂肪、碳水化合物等不斷繁殖。在轉換和利用化學能過程中釋放大量熱量，由于堆料的保溫作用，溫度逐漸升高，促進嗜溫菌大量繁殖，導致更多有機物降解，釋放更多熱量，堆體溫度不斷升高[4]。

2.2.2 高溫階段

當堆體溫度上升到45 ℃以上時，堆肥進入高溫階段。隨著溫度升高，嗜溫性微生物生命活動受到抑制作用，甚至出現嗜溫性微生物大量死亡現象，此時大量嗜熱性微生物生長活躍。上一階段殘留的、新形成的可溶性有機物質繼續分解，有機物中復雜難分解的化合物開始分解。堆肥物質開始進入穩定狀態，形成腐殖質。堆肥過程中，堆體溫度50 ℃時，放線菌、嗜熱真菌較活躍，60 ℃時，嗜熱性放線菌、細菌較活躍，70 ℃時微生物大量死亡。

堆肥過程中，堆體內微生物生長可分為3個階段，即對數增長期、減速增長期、內源呼吸期。在對數生長期時，由于營養物質過剩，微生物生長繁殖速度較快，處于對數生長；當堆體中有機物被大量微生物消耗而迅速減少時，營養物質成為微生物生長繁殖的限制因素，微生物生長繁殖速度隨著營養物質濃度降低而減速；當堆體中的營養物質消耗殆盡時，微生物無法從外界獲得營養轉而進入內源呼吸期。內源呼吸伴隨微生物整個生命期一直存在，由于外界營養物質充足時，細胞內合成作用遠大于消耗，但是當外界營養物質匱乏時，微生物無法從外界獲得營養物質，只能通過代謝自身細胞內營養物質來維持微生物的生命活動。最終導致微生物生長不斷受到限制，大量甚至絕大部分微生物死亡。

2.2.3 腐熟階段

在高溫階段，嗜溫性微生物大量死亡，嗜熱性微生物生命繁殖旺盛，內源呼吸后期，堆體中容易降解的有機物基本降解完畢，剩下較難降解的有機物，營養物質匱乏，嗜熱性微生物大量死亡，釋放熱量減少，堆體溫度隨之降低，進入腐熟階段。在腐熟階段中，由于堆體溫度下降，嗜溫性微生物開始大量繁殖，分解堆體中剩余的較難分解成分復雜的有機物。隨著腐殖質不斷增多且溫度下降至40 ℃時，堆肥達到穩定狀態。

3 好氧堆肥影響因素

3.1 含水率

在堆肥過程中，含水率具有非常重要的地位，微生物從堆體中攝取水分來維持正常生命活動。堆體中水分的含量影響有機生活垃圾好氧堆肥的發酵速度和堆肥質量，而且，水分含量因素對微生物生命活動的影響比溫度大很多，可以僅僅通過調控微生物外界環境中水分含量來改變微生物的生命活動的活性，因此，含水率對好氧堆肥成敗具有非常重要的作用，要使堆體處于最佳含水率。在好氧堆肥期間，微生物以水為媒介對有機物進行生物降解。含水率較低時，微生物對有機物生物降解速度受影響，含水率低于10%～15%時，微生物的新陳代謝作用普遍停止。堆體中含水率過高，會使堆體通氣性能降低，空氣流通作用下降，氧氣含量減少甚至造成厭氧環境，影響微生物的好氧生命活動。大量研究結果表明，針對不同堆肥基質的最佳含水率范圍為45%～70%，而對于大多數堆肥基質含水率最佳范圍為50%～60%，但無論什么堆肥基質，堆體中含水率不能低于40%。因此，對于堆體初期含水率達不到最佳范圍時需要對含水率進行調控。當堆體含水率低于最佳范圍時，只需要對堆體進行補水來達到最佳含水率范圍；當堆體含水率高于最佳含水率范圍時，需要在堆體中添加調理劑，從而使堆體含水率降低到最佳范圍。

3.2 碳氮比(C/N)

好氧堆肥過程中碳氮比影響微生物對有機物的分解速度，決定好氧堆肥時間。有研究表明，當堆體中碳氮比為15∶1時，碳元素缺少，氮元素過量，微生物分解有機物速率加快，堆體溫度上升快，但達到最高溫度較低，好氧堆肥周期縮短，多余的氮會以氨氣的形式揮發或者溶液方式流失，不利于好氧堆肥的進行。當堆體碳氮比高于35∶1時，微生物進行更多次的生命循環活動，對有機物降解作用時間會更長來消耗掉過量的碳，堆體溫度上升較慢，但達到的最高溫度會升高。大量研究結果表明碳氮比最佳范圍為25～35∶1[5,6]。碳氮比對好氧堆肥具有非常重要的作用，要保證好氧堆肥正常順利進行，必須使堆體中碳氮比維持在一個適宜范圍內。好氧堆肥過程中，氮的轉化作用主要為氨化和硝化，大量的氮會以氨的形式揮發，如果沒有較好的保氮措施，氮的損失會達到9.6%～19.6%，為了加強保氮作用，可以在堆體中添加對氨具有吸附作用的泥煤、沸石、鈣、鹽等碳酸鹽來保持堆體中氮的含量。因此，當堆體中碳氮比較高時，氮元素缺乏，可以在堆體中添加具有保持氮作用的調理劑，也可以適當添加畜禽糞便等氮源進行調節；當堆體中碳氮比較低時，碳元素缺乏，可以在堆體中添加米糠、木屑等高碳含量的調理劑來將碳氮比調節至適宜范圍。

3.3 溫度

堆體溫度極大影響微生物生長繁殖和堆肥進程，對堆肥反應速率具有決定性作用，適宜的溫度可以促進堆肥順利進行。堆體溫度隨著堆肥時間的增加而變化，一般的，好氧堆肥堆體的溫度變化可以分為3個階段：升溫階段、高溫階段、降溫階段。在堆肥初期，堆體下部的溫度比上部溫度高，隨著堆肥時間不斷增加，堆體上部的溫度逐漸比堆體下部溫度高。堆體溫度變化還受到調理劑和堆料初始溫度的影響。當堆體中調理劑含量較高時，堆體升溫和降溫速度較快，高溫階段持續時間短。當堆體中調理劑含量較低時，堆體升溫速度和降溫速度均較慢，堆體能夠達到最高溫度較低，起不到對堆體進行殺蟲滅菌作用。大量研究發現，嗜溫菌的適宜溫度是30～40 ℃，嗜熱菌的適宜溫度是45～60 ℃，高溫堆肥適宜溫度為45～60 ℃，高溫好氧堆肥可將堆體中寄生蟲、蟲卵、病原菌等殺死，又可以將嗜熱菌保持在高生命活動狀態，加速對堆體中有機物分解，加快好氧堆肥進程。

3.4 pH值

在堆肥過程中，pH值隨著好氧堆肥進行而逐漸變化。pH值不會直接影響堆體中微生物對有機質的降解，而是影響微生物的生命活動活性，間接影響好氧堆肥進行。堆體中適宜的pH值可以促進微生物生長繁殖，加速好氧堆肥進程，pH值過高或者過低均會抑制微生物的生長繁殖，降低微生物分解有機物的能力，減緩堆肥效率。一般的，能夠進行好氧堆肥允許的pH值范圍為3～12，而適宜好氧堆肥的范圍為7.5～8.5[7]。研究發現，不同的堆肥原料初始pH值不同。堆肥初始pH值較低，會極大抑制好氧堆肥的進行，微生物對有機質降解速率比處于適宜pH值的堆體降解速率慢。當堆體pH值維持在8左右時，可以顯著提高好氧堆肥反應速度，極大縮短整個好氧堆肥的反應時間，但是當pH值為5時，微生物對堆體中葡萄糖和蛋白質的生物降解作用幾乎停止。因此，為了提高好氧堆肥過程中微生物生命活動活性，可以添加石灰、氯化鐵等調理劑來控制堆體pH值，保證好氧堆肥順利快速進行。

3.5 有機質含量

好氧堆肥是堆體中微生物分解有機物的生物化學過程，堆體中有機物含量會直接影響堆肥溫度的變化和微生物的生命繁殖。對于好氧堆肥過程，要保證堆體的發熱量和溫度。研究結果表明，高溫好氧堆肥中，適宜的有機物含量范圍是20%～80%。當堆體中有機物含量高于80%時，高含量的有機物需要更加大量的氧氣供應，而實際情況很難達到堆體對空氣的要求，會使堆體產生缺氧狀態進行厭氧發酵，使好氧堆肥工藝失敗，產生不合格的產品。當堆體中有機物含量低于20%，堆肥過程產生的熱量較低，不能達到好氧堆肥過程中所需要的高溫，致使堆體中嗜熱菌生命活動受到抑制且無法殺滅堆體中有毒有害的致病菌、寄生蟲等，無法保證好氧堆肥的順利進行和產品質量。在進行農村生活垃圾好氧堆肥過程中，含量較高的無機物不利于好氧堆肥的順利進行，應當適當調整堆肥原料的有機物組分?？梢栽谵r村生活垃圾中添加部分污水污泥、畜禽糞便、農作物秸稈等，既可以增加堆體中有機物含量，又可以處理部分污水污泥、畜禽糞便、農作物秸稈等。

3.6 通氣量

通氣量也是好氧堆肥能夠成功的一個非常重要因素，通氣是為了給堆體中好氧微生物在降解有機質過程中提供生長繁殖必須的氧氣，維持微生物正常生命活動，如果堆體內氧含量過低，會使微生物處于缺氧狀態，降低有機物分解速率，甚至進行厭氧發酵；調節堆體溫度，堆體內嗜熱菌進行生物降解有機物需要微生物在生命活動中產生的高溫，但是，長時間的高溫會抑制微生物的生命活性，需要控制通風量來調節堆體溫度；散失大量水分使堆肥迅速干化，在堆肥后期應大量通風，通過空氣帶走堆體內大量水分并使堆體降溫，減少堆肥產品的重量、體積，便于后期利用。

4 討論與建議

好氧堆肥的出現可以追溯到幾千年前，作為農業大國，我國農村很早就有將廢棄的農作物秸稈和人畜糞便等有機生活垃圾混合堆肥的傳統，而且好氧堆肥是農村資源化利用有機生活垃圾非常重要的方法，有著非常廣闊的前景。但是，農村生活有機垃圾好氧堆肥相關研究存在復雜的相互作用關系，隨著環境等多種因素變化而變化。當前，我國農村有機生活垃圾資源化利用程度依然不足，體現出了我國農村管理方面存在很多問題。農村生活垃圾處理的法律不完善，沒有農村有機生活垃圾污染防治的專項立法；農村有機生活垃圾資源化處理體系建設滯后，重視程度有待提高；鄉鎮以下垃圾收集運輸處理等設施落后，主要表現在設施數量少、服務半徑小、放置位置不合理等情況。為解決這些問題，應當完善相關法律，因地制宜與相互借鑒相結合細化地方管理辦法，研究出臺相關專項可行的法律；加大基礎設施投入，推進體系建設，加大在農村地區生活垃圾資源化相關知識的宣傳培訓，提高地方政府和農民對其的重視；加大垃圾堆肥處理終端技術研發，促進垃圾減量化、無害化、資源化利用。