作者對全國 12 個省份 72 個典型村鎮(zhèn)進行了生活垃圾采樣調(diào)查，系統(tǒng)分析了我國農(nóng)村生活垃圾的基本理化特性、養(yǎng)分含量與重金屬特征及其農(nóng)用潛力，以期為我國農(nóng)村生活垃圾堆肥處理提供參考。
文章出版：《環(huán)境工程》2017年第7期。
文 王瑜堂1,2 岳 波1 吳小卉1 黃啟飛1 張 軍2 李志龍1 於俊穎1
1. 中國環(huán)境科學研究院,北京 100012;
2. 桂林理工大學 環(huán)境科學與工程學院,廣西 桂林 541004
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(zhèn)生活垃圾含水率為( 53. 68 ± 8. 84) %,pH 為7. 11 ±0. 56,有機質(zhì)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(zhèn)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(nèi)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(jù)統(tǒng)計,我國每年約產(chǎn)生 3 億 t 農(nóng)村生活垃圾。由于農(nóng)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(zhèn)生活垃圾隨意堆放,給農(nóng)村帶來了各種環(huán)境問題。
雖然在我國一些地區(qū)實行了生活垃圾“村收集—鎮(zhèn)( 鄉(xiāng)) 轉運—縣( 區(qū)) 處理”的模式,但由于經(jīng)濟成本等因素制約,效果并不理想。
用堆肥法就地處理農(nóng)村生活垃圾不但成本低,可以變廢為寶,還能節(jié)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(yǎng)分,優(yōu)化泥土的理化性質(zhì),增強土壤微生物代謝活動的優(yōu)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(xù)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(chǎn) 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(chǎn)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。
01
材料與方法
采樣點布置
在全國 12 個省份進行村鎮(zhèn)生活垃圾采樣調(diào)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(qū),每個地區(qū)根據(jù)經(jīng)濟水平,產(chǎn)業(yè)類型等因素選取 3 個典型鄉(xiāng)鎮(zhèn)采樣,每個鄉(xiāng)鎮(zhèn)設集鎮(zhèn)中心和周邊農(nóng)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(xiàn)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(nèi),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(zhì)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。
02
結果與分析
典型村鎮(zhèn)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(nóng)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(nóng)村典型村鎮(zhèn)生活垃圾的理化性質(zhì)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(zhì)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(zhèn)生活垃圾的含水率為53. 68%,在該最佳范圍內(nèi)。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(fā)酵過程適宜的pH 值為 6. 5 ~ 7. 5,我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾的pH為 7. 21,亦在最佳范圍內(nèi)。有機質(zhì)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(fā)酵; 有機物含量過高,則會需要大量氧氣,否則會發(fā)生厭氧反應,根據(jù) DB 11 /272—2014《生活垃圾堆肥場運行管理規(guī)范》,適合堆肥的垃圾有機質(zhì)含量應在40% 以上,而我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾的有機質(zhì)含量為49. 04% ,亦在該最佳范圍內(nèi)。
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(zhèn)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(jīng)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(zhèn)生活垃圾的 C/P 為 144∶ 1,亦在最佳范圍內(nèi)。
典型村鎮(zhèn)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(yǎng)元素的同時,不可避免地將一些有毒有害物質(zhì),如重金屬帶入到土壤中。本研究測定了我國典型村鎮(zhèn)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(zhèn)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(nèi)生活垃圾堆肥重金屬限量標準
為了對我國農(nóng)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(zhèn) 垃 圾 農(nóng) 用 控 制 標 準 》、GB 15618—2008《土壤環(huán)境質(zhì)量標準》進行評價,如表 2 所示。我國典型村鎮(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)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(zhèn)生活垃圾中有 67. 36% 樣品的 Zn 低于標準。
我國村鎮(zhèn)生活垃圾堆肥的可行性分析
研究發(fā)現(xiàn),我國典型村鎮(zhèn)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(jīng)過多次生命循環(huán),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(fā)酵時間。而且堆肥的產(chǎn)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(zhì)量,但可以通過添加糞便或氮肥水進行調(diào)節(jié)。由此,生活垃圾 C / N 略高的問題可以經(jīng)濟有效地解決,我國農(nóng)村生活垃圾在肥效方面具有堆肥潛力。
我國典型村鎮(zhèn)生活垃圾重金屬含量與國內(nèi)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(fā)現(xiàn): 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(tài)Cd 比例提高 8. 7% ,有機結合態(tài) Cr 增加 26. 7% ,Hg、Pb、As 則表現(xiàn)為殘渣態(tài)比例上升。
總體而言,我國農(nóng)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。
03
結論：我國村鎮(zhèn)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(zhèn)生活垃圾的含水率為( 53.68 ±8. 84) %、pH 為 7. 11 ±0. 56,有機質(zhì)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(zhèn)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(nèi)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(zhèn)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(diào)節(jié)。此外,考慮到少數(shù)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(chǎn)品亦適合于非農(nóng)用土地的土壤改良。
來源:環(huán)境工程 作者:王瑜堂等
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