南方多雨地區村鎮垃圾理化特性分析及對比研究＊

吳莉鑫，薛 映，虞文波，于澤聰，金 攀，關文義，武 艷，王松林，肖可可，劉冰川，袁書珊，楊家寬

（1.華中科技大學環境科學與工程學院，湖北 武漢 430074；2.固廢處理處置與資源化技術湖北省工程實驗室，湖北 武漢 430074；3.武漢市危險廢物處置與資源化工程技術研究中心，湖北 武漢 430074；4.安徽國禎環衛科技有限公司，安徽 合肥 230000）

1 引言

隨著各地生活垃圾分類管理條例的推行，垃圾處置日益成為人們廣泛關注的環境問題，城市生活垃圾管理與處置日漸規范，無害化處理率達99.2%［1］。另一方面，隨著農村經濟和生活水平的提高，農村垃圾產生量呈增加態勢，目前我國農村年生活垃圾產生量約為9.0 ×107t［2］，并以8%～10%的速度逐年增長［3］。而村鎮生活垃圾管理尚存在許多不足，我國大多數村鎮地區的生活垃圾仍然采用簡易填埋的方式進行處理［4］，大部分垃圾未按照規范要求進行處置，嚴重危害周邊環境與居民正常生活［5］。與城市生活垃圾相比，村鎮生活垃圾具有產生分布分散，季節性與地區性明顯，組分差異較大，產生量較小等特點［6］。因此選擇合適的處理處置方式以降低村鎮垃圾處理系統運行費用與環境影響亟待研究。

生活垃圾理化特性分析是進行垃圾科學管理與合理處置的重要前提，由于垃圾的異質性，根據不同處置模式對各種類型與地區的垃圾特性進行分析具有必要性。目前，針對我國主要大、中城市生活垃圾產生狀況及特點已有比較充分的研究。北京城區生活垃圾組分中廚余、紙類和塑料占總量的85%以上［7］。上海市生活垃圾含水率及有機質含量較高［8］。華南某市垃圾濕基低位熱值為8 243 kJ/kg［9］。寧波主城區生活垃圾碳氮比為18.2［10］。張鵬等［11］針對重慶市生活垃圾特性提出了以填埋為主、結合少量焚燒的處置方式。

而對于較為偏遠和欠發達的村鎮地區，也有部分學者逐步開展了相關探究。江西省贛州市東江源區農村生活垃圾以廚余為主（占60%以上），其次是灰土類（占12%以上）［12］。廣東省農村生活垃圾各組分比例中可農用成分、易燃物質、難以降解的物質分別占62.6%、30.0%、6.6%［13］。李志龍等［14］發現我國春季村鎮生活垃圾含水率為54.0%，濕基低位熱值為3 611 kJ/kg。於俊穎等［15］的調查發現我國中部地區典型農業型村鎮生活垃圾中重金屬含量順序為Cr＞Zn＞Cu＞Pb＞Cd＞As＞Hg，其中Cd的超標現象最為嚴重。

與此同時，為了探究生活垃圾在填埋過程中特性的變化，Saluja等［16］的分析得出老齡填埋場陳垃圾中土壤狀物質占總組分的73.6%，碳氮比為38.2 。張志彬等［17］對準好氧填埋工藝中陳垃圾特性探究，發現垃圾含水率、電導率、有機質均隨著填埋時間的增加呈現明顯的降低趨勢。張維等［18］的研究發現5 a填埋齡的陳腐垃圾的揮發性固體和總有機碳含量較新鮮垃圾顯著降低，準好氧和厭氧填埋之間無顯著差異。已有研究大多是對村鎮生活垃圾特性時空分布規律進行探究，而針對多雨地區村鎮生活垃圾及當地填埋場陳腐垃圾特性的綜合分析對比較少。

本研究對南方典型村鎮埠河鎮垃圾產生情況及物理組成、含水率、濕基低位熱值、有機質等理化特性進行詳細分析，并進一步探究了當地垃圾元素組成及重金屬含量，為提出適合當地的垃圾處理措施給予了相關數據支撐。并首次將村鎮新鮮垃圾與填埋陳腐垃圾組分及理化特性進行對比，進一步說明南方多雨地區村鎮簡易填埋場中垃圾特性變化規律，對我國村鎮生活垃圾處置模式的選擇提供理論依據。

2 研究方法

2.1 采樣點概況

以湖北省荊州市埠河鎮為主要研究對象進行生活垃圾的采樣調查，埠河鎮目前垃圾處置以應急填埋為主，部分垃圾外運至焚燒廠進行處置，總服務人口約82 335人［19］。選擇埠河鎮應急垃圾填埋場為生活垃圾采樣與調查點，填埋場位置及主要服務區域如圖1所示。同時對安徽省滁州市小崗村生活垃圾進行采樣分析，根據現場調研，小崗村垃圾處置方式主要為外運焚燒，計劃實施垃圾分類-易腐垃圾翻板式引風動態堆肥的處置模式，總服務人口為3 024人。小崗村的生活垃圾采樣點為當地垃圾桶、垃圾箱。

圖1 埠河鎮應急填埋場主要服務區域及位置Figure1 The main service area and location of the emergency landfill in Buhe Town

根據CJ/T 313—2009生活垃圾采樣和分析方法，從2020年6月至次年1月，每月對埠河鎮生活垃圾進行采樣，具體采樣頻次根據實際情況進行調整，共進行13次采樣。2021年1月2日對埠河鎮應急填埋場陳腐垃圾進行取樣，共進行3次采樣。2020年7月10日至10月28日，對小崗村進行生活垃圾特性現場調研及采樣，共進行7次采樣。

2.2 采樣方法

填埋場采樣采取邊坡法，從當日清運的垃圾堆周圍均勻選取12個點采集垃圾，對垃圾桶、垃圾箱采樣采取全采集的方式，兩種方法采集量均在200 kg左右。將采集到的生活垃圾攪拌均勻后混合堆放于平地，等量劃十字分成4份，隨機選取對角的兩份垃圾舍棄，剩余的兩份繼續混勻，重復四等分操作，直到余下垃圾質量為25 kg左右。將得到的樣品按照分類標準進行分揀，分別稱質量后將樣品置于密封袋中，冷藏箱保存，立即送往實驗室檢測其他指標。

2.3 理化特性分析

依據CJ/T 313—2009，對帶回實驗室的生活垃圾樣品理化特性進行相應測定。

1）將新鮮垃圾樣品放入（105±5）℃的恒溫鼓風干燥箱中烘干至質量恒定，根據烘干前后垃圾質量差測定含水率。再對烘干后的樣品進行破碎，過100目篩，處理后的樣品保存于干燥器中，用于后續測定。

2）稱取0.1 g左右樣品，使用氧彈式量熱儀（中國，三德，SDACM3100）測定垃圾樣品發熱量，按照標準方法（CJ/T 313—2009）的運算步驟進行濕基低位熱值的計算。

3）稱取0.3 g左右烘干樣品在馬弗爐（中國，武漢電廬實驗電爐廠，SX-2-5-11）550℃恒溫灼燒2 h測定有機質含量。

4）使用元素分析儀（德國，Elementar，Vario Micro cube）對過篩后的樣品中C、H、O、N、S元素含量進行測定。

5）準確稱量0.1 g樣品于消解管中，分別加入6mL HNO3、3mL HCl、2mL HF通過微波消解儀（中國，新儀，MDS-6G）進行消解［20］，消解后的樣品定容于50mL容量瓶中，使用ICP-OES（美國，珀金埃爾默，OPTIMA8300）對垃圾樣品中Zn、Cu、Cr、Cd、As、Pb、Ni等7種典型重金屬元素含量進行測定。

2.4 數理統計

采用Excel和OriginPro 9.0 軟件進行數據處理與圖像繪制。

3 結果與討論

3.1 埠河鎮生活垃圾物理組成

受氣候等外界因素的影響，同一地區不同時間段產生的生活垃圾存在一定差異。埠河鎮夏季平均氣溫為30℃左右，冬季平均氣溫5℃左右。夏季降雨較多，日平均降雨量最高可達15mm，秋冬季節日平均降雨量均不超過5mm。整體呈現夏季高溫多雨、冬季溫和少雨的氣候特點。

埠河鎮不同月份垃圾物理組分如圖2所示，整體呈波動型變化，其中變化最為顯著的是廚余類、橡塑類和紡織類。廚余類垃圾在1、10、11月含量最高，紙類含量在1、6、7月最高，橡塑類在12、8、9月含量最高，紡織類在6、9、7月含量最高，其余類別垃圾組分由于含量較低，在不同月份中未表現出明顯差異。埠河鎮近半年來垃圾組分平均值如表1所示，當地生活垃圾以廚余類為主，占比（62.0 ±4.8 ）%。其次是橡塑類和紙類，分別占比（15.1 ±4.5 ）%和（10.1 ±3.9 ）%，再次為紡織類和玻璃類，含量分別為（5.6 ±2.8 ）%和（2.1 ±1.8 ）%。其余類別含量均小于2.0%。

表1 生活垃圾物理組分Table 1 Physical components of domestic solid wastes

圖2 埠河鎮不同月份生活垃圾物理組成Figure2 The physical composition of domestic solid wastes in Buhe Town in different months

3.2 埠河鎮生活垃圾理化特性分析

埠河鎮不同季節生活垃圾含水率、有機質及濕基低位熱值（以下簡稱“熱值”）分析結果如圖3所示。埠河鎮生活垃圾含水率為58.0%～69.7%，秋季垃圾含水率較高，夏季較低，主要是由于秋季存在一定降雨現象，環境中濕度較高，且溫度相對較低，能夠在一定程度上減緩垃圾中水分的散失，使垃圾維持較高的含水率。埠河鎮生活垃圾有機質含量為80.7%～85.2%，遠高于北京市九渡河鎮垃圾有機物含量（32.5%）［21］。秋冬季節垃圾有機質含量較夏季稍高，整體變化不大。埠河鎮生活垃圾熱值為3 374～5 725 kJ/kg，高于垃圾燃燒最低限值3 344 kJ/kg，但未滿足持續燃燒需要［22］，冬季生活垃圾的熱值最高，秋季垃圾熱值最低。我國生活垃圾中塑料類、紙類、紡織類垃圾對熱值貢獻較高［23］，而村鎮生活垃圾濕基低位熱值還受到垃圾含水率的影響，同含水率存在顯著負相關性［14］，埠河鎮秋季垃圾熱值較低可能與含水率較高有關。

圖3 埠河鎮不同季節生活垃圾理化特性分析Figure 3 Analysis of physical and chemical characteristics of domestic solid wastes in Buhe Town in different seasons

從表2中元素分析結果來看，埠河鎮新鮮生活垃圾中C元素（占31.2 9%）含量最高，其次是O元素（占13.3 3%），H和N元素總占比約5.0 0%，S元素含量很少，只有0.4 8%。新鮮生活垃圾C/N為25.23 ，可生化性較好。由于有部分S元素存在，對生活垃圾進行焚燒處置時應注意二次污染的控制。

表2 生活垃圾元素組成Table 2 Elemental composition of domestic solid wastes

生活垃圾中的重金屬是環境重金屬污染的重要來源，可通過滲濾液或焚燒等途徑進入周邊土壤或大氣［24］，尤其是焚燒產生的大量飛灰，構成重大的潛在環境與健康風險［25］。埠河鎮生活垃圾中重金屬元素含量如表3所示，按從大到小順序排列為：Zn（418.16 mg/kg）＞Cu（192.00 mg/kg）＞As（121.33 mg/kg）＞Cr（97.58 mg/kg）＞Pb（41.81 mg/kg）＞Cd（35.86 mg/kg）＞Ni（0.35 mg/kg）。埠河鎮較粵東城市生活垃圾中As（0.76 mg/kg）、Cr（55.42 mg/kg）、Pb（30.67 mg/kg）、Cd（2.14 mg/kg）含量更高［26］。浙江省城市生活垃圾中Zn、Cu元素含量分別為109.3 ～1077.9 mg/kg和41.2 ～1643.7 mg/kg［27］，不同地區生活垃圾中重金屬含量差異較大。

表3 生活垃圾重金屬含量Table 3 Heavy metal contents of domestic solid wastes

3.3 埠河鎮陳腐垃圾理化特性分析

埠河鎮應急垃圾填埋場于2018年開始運行，占地面積10 000m2，每日消納村鎮生活垃圾約30 t。進場垃圾通過簡易壓實覆蓋操作進行填埋處置，填埋后的陳腐垃圾運往垃圾焚燒廠進行最終處置。上述垃圾處理模式是我國村鎮垃圾處理的典型案例，通過對比填埋場新鮮垃圾與陳腐垃圾可以為后續垃圾焚燒處置提供理論支撐。

取樣過程中于填埋齡1 a以上填埋區域選擇3個間距10m左右的取樣點，使用鐵鍬對每個取樣點1m深處陳腐垃圾進行開挖取樣。埠河鎮陳腐垃圾物理組分如表1所示。主要的3類成分為橡塑類（占42.8%）、灰土類（占2 6.5%）和紡織類（占17.0%），其次是磚瓦陶瓷類（占7.0%），其余類別組分含量很少，均低于3.0%。與新鮮生活垃圾相比較，陳腐垃圾中易降解的廚余類組分大幅度下降，由62.0%降至0.5%，紙類由1 0.1%降至1.3%，基本轉化為腐殖質等渣土狀物質。而橡塑、紡織等難降解物質在填埋過程中占比有所上升，其中橡塑類占比相對增加1.8 倍，紡織類占比相對增加2.0倍，灰土含量相對增加28.4 倍，磚瓦陶瓷含量相對增加6.0 倍。隨著有機組分質量不斷減少，橡塑類垃圾逐漸成為主要組成部分，紡織類垃圾占比也明顯升高。增加的灰土主要為廚余垃圾降解形成的團狀土壤物質。金屬、玻璃等由于初始占比很小，填埋過程中組分含量未發生明顯變化。

陳腐垃圾理化特性如圖4所示。陳腐垃圾含水率為（43.9 ±5.1 ）%；有機質含量為（52.7 ±7.6 ）%，較新鮮垃圾明顯降低；熱值為（3 377±1 488）kJ/kg。在填埋過程中垃圾所含水分可通過蒸發等物理作用或有機物分解、發酵等生化途徑轉化為滲濾液散失［28］，有機物隨著微生物的降解逐漸消耗殆盡，因此陳腐垃圾含水率、有機質含量及熱值均大幅下降。

圖4 生活垃圾理化特性對比Figure4 Comparison of physical and chemical properties of domestic solid wastes

陳腐垃圾元素組成如表2所示，O元素（占17.3 0%）含量最高，其次是C元素（占1 4.3 7%），H和N元素總占比約5.0 0%，S元素含量最少，為0.2 2%。與新鮮垃圾相比，陳腐垃圾中O元素含量略微升高，C元素含量明顯降低。陳腐垃圾C/N為6.75 ，較新鮮垃圾顯著下降，可生化性較差。

埠河鎮陳腐垃圾中重金屬元素含量如表3所示，按從大到小順序排列為：Zn（965.83 mg/kg）＞Cu（255.33 mg/kg）＞Pb（216.33 mg/kg）＞Cr（195.83 mg/kg）＞As（149.17 mg/kg）＞Ni（36.67 mg/kg）＞Cd（14.50 mg/kg）。與新鮮垃圾相比，陳腐垃圾Cd含量有所下降，其余重金屬元素含量均有不同程度的增加。我國村鎮垃圾中Cd元素主要來源于灰土和廚余類垃圾［29-31］，埠河鎮陳腐垃圾中廚余與灰土類垃圾相比新鮮垃圾總占比下降57.1%，垃圾中Cd可通過與腐殖質結合和與其他陰離子結合的方式溶解于滲濾液中［32］。因此分析填埋過程中Cd元素的下降可能是廚余垃圾降解，垃圾中Cd遷移進入滲濾液流出所致，具體原因還需進行更加深入的探究。

3.4 不同地區村鎮生活垃圾理化特性對比分析

受經濟水平、生產方式等多種因素綜合影響，我國農村生活垃圾的理化特性存在一定的地域性差異［33］。湖北省埠河鎮與安徽省小崗村均屬亞熱帶濕潤季風氣候，雨量充沛，對比兩地生活垃圾理化特性，以探究我國不同地區村鎮生活垃圾組成及產生特性。由表1可知，小崗村生活垃圾中廚余類組分含量最高，占總含量的73.3%，其次是紙類（占8.7%）和橡塑類（占8.5%），再次是紡織類（占3.5%）。其他組分含量較低，均小于2.0%。比較兩地生活垃圾物理組分可知，小崗村生活垃圾中有機物含量更高，橡塑等可回收物及無機物含量更低。主要是由于不同地區生產方式與經濟水平有所不同，埠河鎮經濟水平較小崗村更高［19］。隨著經濟水平和生活方式的改變，村鎮生活垃圾的組成情況發生了顯著變化。與傳統村鎮垃圾組分［34］相比，村鎮垃圾中灰土類含量大幅降低，廚余類含量急劇升高，同城市生活垃圾的差異正逐漸縮小。

小崗村生活垃圾理化特性如圖4所示。小崗村生活垃圾含水率為65.8%～82.3%，較埠河鎮垃圾更高，可能與小崗村廚余垃圾含量較高有關，同時受季節和降雨影響［9］。埠河鎮2020年6月至次年1月的降雨量為957.7 mm，小崗村年平均降雨量為800～1 000 mm，兩地年降水量均超過800 mm，都可以認為是我國多雨地區［35］。埠河鎮生活垃圾中廚余組分占比62.0%，含水率為6 3.6%，有機質含量為83.7%，濕基低位熱值為（4 269±1 271）kJ/kg。小崗村生活垃圾中廚余組分占比73.3%，含水率為76.4%，從結果來看，廚余垃圾比例高會導致垃圾的含水率高。另外，對比我國干旱地區的垃圾特性，如烏魯木齊市年平均降雨量為298 mm，生活垃圾廚余組分占比62.1%，含水率為47.0%［36］。可以發現降雨量也會影響生活垃圾的含水率，降雨量少的地區，垃圾含水率較低。小崗村生活垃圾有機質含量為84.3%～86.0%，平均值為（85.1 ±0.8 ）%，略高于埠河鎮垃圾有機質含量。小崗村生活垃圾熱值為2 388～3 209 kJ/kg，平均值為（2 829±414）kJ/kg，小崗村生活垃圾熱值相對較低主要是由于垃圾含水率較高。

小崗村生活垃圾元素組成如表2所示，小崗村生活垃圾中O元素（占16.1 5%）含量最高，其次是C元素（占13.7 4%），H和N元素總占比約5.0 0%，未檢出S元素。小崗村生活垃圾C/N為7.06 。

小崗村生活垃圾重金屬含量如表3所示，各重金屬元素含量按從大到小順序排列為：Zn（792.00 mg/kg）＞Pb（164.00 mg/kg）＞As（145.50 mg/kg）＞Cu（121.00 mg/kg）＞Cr（55.25 mg/kg）＞Cd（1.75 mg/kg）＞Ni（1.50 mg/kg）。

3.5 村鎮生活垃圾處理模式討論及建議

隨著農村的發展，村鎮垃圾的組成及特性發生了顯著變化，傳統的單一垃圾處理模式未能有效地滿足當前處置的需要。針對農村垃圾現狀，建議村鎮生活垃圾也實施有害垃圾（即危險廢物）分類收集的處置模式，張黎等［37］提出了垃圾分類與就近處理模式，崔偉［38］認為對于村鎮垃圾應采取分散處置為主、集中處置為輔的處置方式。

針對埠河鎮與小崗村目前垃圾特性及處置方式，提出兩種村鎮垃圾處理處置模式（圖5）。

圖5 兩種村鎮垃圾處理處置模式Figure 5 Two typical treatment and disposal models ofvillage and town

建議埠河鎮垃圾采取二分法：有害垃圾分類收集，其他混合垃圾采取外運焚燒為主、微好氧填埋為輔的應急處置模式。埠河鎮生活垃圾中部分重金屬元素存在超標現象，應該是生活垃圾中廢電池、廢日光燈管等危廢的分類收集及配套處理處置設施不完善，需要在村鎮垃圾處置時加強危廢管理，建立集中收集點，定期外運至危廢處理企業進行處置。埠河鎮生活垃圾熱值符合燃燒要求，其他混合收集垃圾可選擇外運焚燒為主要處置方式，以小單元微好氧填埋作為應急處置方式，在焚燒廠檢修時啟用。填埋1 a以上陳腐垃圾中易降解有機物含量小于5%，屬于較穩定狀態，橡塑、紡織等可燃物占比較高，穩定后的陳腐垃圾可開挖運往焚燒廠，經過篩分去除腐殖土，與新鮮垃圾摻燒。二分法通過危廢分類收集以降低垃圾處置產生的環境影響，主要適用于我國多雨地區生活垃圾重金屬含量較高的大規模發達村鎮的垃圾處置。

小崗村垃圾采取三分法：有害垃圾分類收集，濕垃圾（即易腐垃圾）就地生物穩定化處理，其他垃圾外運焚燒。小崗村生活垃圾廚余類含量較高，分離出來的易腐垃圾可進行就地生物穩定化處理，產生的肥料用于當地農業與種植業生產，其他垃圾運至垃圾焚燒廠進行處置。電池等有害垃圾可進行分類收集，每月定期運輸至固廢處理企業進行處置。通過處理前的分類處置能夠有效地避免垃圾處置產生的各種污染問題，同時做到資源回收再利用。三分法通過對濕垃圾進行就地生物處置，無害化減量化的同時獲得的堆肥產品能夠實現垃圾資源化利用，適用于我國多雨地區小規模農業型村鎮的垃圾處置。

干旱地區生活垃圾具有含水率較低、灰分高、低位熱值較高的特點［21］。由于含水率和有機質含量相對較低，采用填埋及生物堆肥等方式的處置效率較低，建議選擇以焚燒為主的處置方式。垃圾中灰土組分可能會影響焚燒效率，焚燒處置前可進行粗篩分處置去除灰土等無機成分以提高能源利用效率。

4 結論與建議

1）埠河鎮生活垃圾以廚余類、橡塑類、紙類為主，含水率及有機質含量較高，熱值符合垃圾焚燒最低要求。垃圾組分及理化特性受溫度和降雨等氣候條件影響。

2）埠河鎮陳腐垃圾以橡塑類、灰土類及紡織類為主，與新鮮垃圾相比廚余類占比顯著下降。陳垃圾含水率、有機質含量及熱值均顯著降低，可生化性較差。填埋過程中Cd元素含量有所下降，其余重金屬元素含量均出現不同程度的上升。

3）同埠河鎮生活垃圾相比，小崗村有機物含量更高，可回收物和無機物含量較低。垃圾含水率及有機質含量更高，熱值相對較低。經濟水平較高地區可回收垃圾含量更高。

4）建議村鎮垃圾實施有害垃圾分類收集的處置模式，以減少重金屬對周圍環境造成的污染。埠河鎮等較發達村鎮垃圾處置采取二分法，即有害垃圾分類收集，其他混合垃圾以外運焚燒為主要處置方式，微好氧填埋為輔助的應急處置模式；小崗村等農業型小規模村鎮垃圾處置采取三分法，即有害垃圾分類收集，濕垃圾（即易腐垃圾）就地生物穩定化處理，其他垃圾外運焚燒。