基于農(nóng)村家庭廚余垃圾處理技術(shù)的研究設(shè)計(jì)

郭英祺，曾慶東，劉孟夫，張炳超，黃曉軍，楊浩君

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

基于農(nóng)村家庭廚余垃圾處理技術(shù)的研究設(shè)計(jì)

郭英祺，曾慶東※，劉孟夫，張炳超，黃曉軍，楊浩君

（廣東省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備研究所，廣州 510630）

隨著農(nóng)村城鎮(zhèn)化和農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化進(jìn)程，農(nóng)村人民的生活質(zhì)量和習(xí)慣發(fā)生變化，農(nóng)村生活垃圾數(shù)量日益增多，嚴(yán)重影響農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，污染土地、水源，破壞耕種環(huán)境。針對我國農(nóng)村生活垃圾的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)出一種適用于農(nóng)村家庭的堆肥發(fā)酵裝置，在農(nóng)村和部分城市近郊住宅區(qū)提倡生活垃圾分類，由居民自己利用堆肥裝置將廚余垃圾等有機(jī)物制作成有機(jī)肥料，實(shí)現(xiàn)有機(jī)垃圾的資源化利用。

農(nóng)村，廚余垃圾，好氧堆肥

0 引言

目前我國農(nóng)村生活垃圾處理設(shè)施建設(shè)嚴(yán)重滯后，缺乏專門管理，絕大部分村莊的生活垃圾管理處于空白，不像城市有健全的環(huán)衛(wèi)工人清運(yùn)隊(duì)伍，垃圾日積月累，影響農(nóng)村建設(shè)、村民生活，進(jìn)而成為一個(gè)嚴(yán)重問題。近年從中央到地方，圍繞社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)的目標(biāo)，提出建設(shè)“中國美麗鄉(xiāng)村”，重點(diǎn)推進(jìn)建立垃圾分類和處理機(jī)制，解決農(nóng)村垃圾處理問題。據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，農(nóng)村生活垃圾包括有廚房剩余物、菜葉、包裝廢棄物、一次性用品廢棄物、廢舊衣服鞋帽等，人均日生活垃圾量為0.86 kg，其中餐廚垃圾約占收集總量60%，可回收的廢品類約占收集總量20%，經(jīng)過垃圾分揀分流后，最終需要處置的垃圾量不足垃圾收集總量的20%。從上述數(shù)據(jù)可知，農(nóng)村生活垃圾中含有大量餐廚垃圾與可回收的廢品，是農(nóng)村生活垃圾的主要成分。如果妥善處理農(nóng)村餐廚垃圾，不僅能解決餐廚垃圾污染問題，而且能相應(yīng)垃圾分類，回收可循環(huán)利用的廢品。

針對農(nóng)村環(huán)境保護(hù)問題，我國正加快推進(jìn)社會(huì)主義新農(nóng)村建設(shè)和農(nóng)村環(huán)境整治工作，并出臺了《農(nóng)村生活污染控制技術(shù)規(guī)范》等指導(dǎo)性文件。近幾年的中央一號文件都持續(xù)關(guān)注農(nóng)村環(huán)境整治問題，提出建設(shè)“中國美麗鄉(xiāng)村”，將農(nóng)村生態(tài)文明建設(shè)作為工作重點(diǎn)之一。結(jié)合農(nóng)村生活垃圾的特點(diǎn)及處理現(xiàn)狀，需要重點(diǎn)研究并實(shí)施提倡人人動(dòng)手，無二次污染，資源化利用的處理方式。相對于城市，農(nóng)村一般單家獨(dú)戶居住，農(nóng)民也有一定種植用的自留地，特別應(yīng)該把生活中產(chǎn)生的有機(jī)垃圾分揀出來，用裝置制作成有機(jī)肥料，用來栽培蔬菜、果樹。本文主要介紹設(shè)計(jì)制造一種堆肥裝置，利用好氧堆肥技術(shù)將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料，并且通過實(shí)驗(yàn)研究改進(jìn)處理技術(shù)。

1 餐廚垃圾的特點(diǎn)及現(xiàn)狀

1.1 餐廚垃圾特點(diǎn)

1．1．1 含水率高

餐廚垃圾的含水率高，給收集、運(yùn)輸和處理都帶來很大難度，其滲濾水可通過地表徑流和滲透作用，污染地表水和地下水，而且餐廚垃圾單位質(zhì)量的熱值約2 100 kJ/kg，不能滿足垃圾焚燒發(fā)電的熱值要求。

1．1．2 易腐爛變質(zhì)

有機(jī)質(zhì)含量較高，約占干物質(zhì)質(zhì)量的95%以上，易腐敗發(fā)臭，滋生病菌，如不能及時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，?huì)造成病原菌的傳播和感染。

1．1．3 營養(yǎng)成分含量豐富

餐廚垃圾除有機(jī)物含量高之外，還富含氮、磷、鉀、鈣以及各種微量元素，具有營養(yǎng)元素齊全，再利用價(jià)值高的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)實(shí)行資源化利用。而考慮到家庭餐廚垃圾運(yùn)輸困難，不可久置，可資源化利用的特點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)鼓勵(lì)通過科學(xué)技術(shù)，轉(zhuǎn)化餐廚垃圾，做到日產(chǎn)日清，回收利用。

2 餐廚垃圾處理現(xiàn)狀

當(dāng)下農(nóng)村生活垃圾處理方式是由農(nóng)戶將垃圾集中堆放在村里指定位置，一段時(shí)間后再由鄉(xiāng)鎮(zhèn)統(tǒng)一運(yùn)到縣級垃圾處理廠。由于垃圾沒有干濕分離，尤其是廚余垃圾沒有專門分開堆放，也不能做到日產(chǎn)日清，混合垃圾很容易腐爛、發(fā)臭，不僅會(huì)釋放出危害人體健康的氣體，同時(shí)露天堆放容易滋生蚊蟲傳播疾?。欢依臐B濾液還會(huì)污染水體和土壤，嚴(yán)重破壞農(nóng)村的環(huán)境衛(wèi)生，最終通過食物鏈影響人們的身體健康。

即使運(yùn)到垃圾填埋場進(jìn)行填埋處理，廚余等高濕有機(jī)垃圾易腐敗，惡臭氣體和滲濾液也污染周邊環(huán)境和地下水，極大地縮短掩埋場使用壽命；若以焚化方式處理，又因其水分含量高、熱值低的原故，增加了產(chǎn)生二噁英的可能性；以生活垃圾制作動(dòng)物飼料則因其中往往含有大量病菌，許多地方政府明令禁止，例如早在18世紀(jì)英國就頒布法令，禁止使用未經(jīng)處理的餐廚垃圾喂養(yǎng)禽畜。無獨(dú)有偶，《北京市動(dòng)物防疫條例（草案）》規(guī)定，嚴(yán)禁動(dòng)物養(yǎng)殖場使用飯店、賓館、餐廳、食堂產(chǎn)生的未經(jīng)無害化除理得餐廚垃圾飼養(yǎng)動(dòng)物。

目前政府提倡“村收集，鄉(xiāng)運(yùn)輸，鎮(zhèn)集中，縣處理”的模式，需要建立完善的收集、運(yùn)輸、處理的體系，而農(nóng)村地區(qū)的垃圾不如城市集中、運(yùn)輸距離相對城市要更長，運(yùn)輸成本高，只適合較近城市的發(fā)達(dá)村落，并不是每個(gè)地方政府可以承擔(dān)，在我國現(xiàn)有發(fā)展水平下，也是不現(xiàn)實(shí)的。同時(shí)農(nóng)村有機(jī)農(nóng)業(yè)和種植土壤也需要大量有機(jī)肥料，而餐廚垃圾本身含有大量的有機(jī)質(zhì)，能轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥被植物吸收，應(yīng)通過堆肥的處理方式轉(zhuǎn)化成有機(jī)肥料，既能避免填埋處理產(chǎn)生的滲濾水與焚化處理產(chǎn)生的有毒氣體等污染問題，也能使生活垃圾問題從源頭上減量，讓浪費(fèi)的有機(jī)養(yǎng)分回歸土地。

因此，不論城市還是農(nóng)村，都該將廚余等有機(jī)垃圾分離出來，單獨(dú)處理，進(jìn)行堆肥處理，轉(zhuǎn)化為有機(jī)肥料。餐廚垃圾中豐富的營養(yǎng)物質(zhì)為有益微生物提供了良好的生活環(huán)境，使得其中的蛋白質(zhì)、脂類、纖維素等大分子有機(jī)物質(zhì)得到有效降解，分解成容易被作物根系吸收的小分子營養(yǎng)物質(zhì)，同時(shí)具備無污染源、無毒無害的特點(diǎn)，可作為優(yōu)良的生物活性有機(jī)肥。在全球倡導(dǎo)綠色農(nóng)業(yè)、有機(jī)農(nóng)業(yè)、安全食品的今天，利用餐廚垃圾生產(chǎn)綠色高效有機(jī)肥，彌補(bǔ)目前有機(jī)肥普遍肥效低劣的不足，對倡導(dǎo)有機(jī)農(nóng)業(yè)，減少化肥使用將起到巨大的推動(dòng)作用。針對目標(biāo)植物生產(chǎn)綠色無污染有機(jī)肥，如針對有機(jī)蔬菜、園林綠化植物、盆景、花卉等，制備專用有機(jī)肥，并朝著專用、精致、高效上發(fā)展。由餐廚垃圾生產(chǎn)制成的有機(jī)肥產(chǎn)品作物易吸收、肥效快，增加土壤肥力，是真正的綠色無污染肥料，可大幅填補(bǔ)目前綠色農(nóng)業(yè)的空白。

3 廚余垃圾處理技術(shù)

廚余垃圾轉(zhuǎn)化為肥料需要利用好氧堆肥處理技術(shù)。好氧堆肥是指在有氧條件下，好氧細(xì)菌對廢物進(jìn)行吸收、氧化、分解。微生物通過自身的生命活動(dòng)，分泌出能分解有機(jī)固體的生物酶把固體有機(jī)物分解為可溶性有機(jī)物質(zhì)，是優(yōu)質(zhì)的腐質(zhì)肥料，同時(shí)釋放出可供微生物生長活動(dòng)所需的能量，在有機(jī)物生化降解的同時(shí)，伴有熱量產(chǎn)生，溫度可達(dá)60～80℃以上，在此高溫環(huán)境下再配合微生物菌種所分泌的酵素作用，廚余垃圾內(nèi)原來所存在的病原細(xì)菌會(huì)在短時(shí)間內(nèi)死滅殆盡。

通過研制一種適合小型家庭（戶均5人左右，每天約產(chǎn)生1～2 kg的廚余垃圾），可以每天處理1～2 kg左右的廚余垃圾的“廚余垃圾制肥罐”，容積100～120 L，具有翻堆、通風(fēng)、排水、保溫工藝措施。由人工轉(zhuǎn)動(dòng)把手即可通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)罐體滾動(dòng)，使罐內(nèi)物料充分?jǐn)嚢杌旌?，操作簡便，維護(hù)簡單，適合在農(nóng)村地區(qū)使用。

3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

3.1 材料

餐廚垃圾（材料來源于單位飯?zhí)?，包括有瓜皮、肉類、米飯等，盡量使材料成分多種多樣）、蘑菇渣（用作輔料）。

3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

發(fā)酵罐1臺、SK-100型水分測定儀1臺、JR900A溫度計(jì)1支、電子計(jì)量稱1臺。

3.3 實(shí)驗(yàn)方法

3．3．1 投料

添加蘑菇渣25 kg后，每天將1～2 kg的廚余垃圾加入罐體中，并滾動(dòng)發(fā)酵罐，滾動(dòng)不少于3次。

3．3．2 發(fā)酵溫度測量

將物料放置于發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵，每天投料前測量溫度，并記錄下來。

3．3．3 水分測量

每天在測量溫度之后用水分測定儀測量發(fā)酵物水分并記錄。

3．3．4 感官評定

由5名專業(yè)人員對發(fā)酵成品進(jìn)行客觀評定，分別對發(fā)酵成品的外型與氣味進(jìn)行評定，分優(yōu)、良、差三等。評定標(biāo)準(zhǔn)見表1

表1 發(fā)酵成品評定標(biāo)準(zhǔn)

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與討論

4.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖1是物料在發(fā)酵罐中進(jìn)行發(fā)酵的溫度變化曲線，從圖中可以看出：

1）發(fā)酵溫度處于65～38℃之間，在第4 d到達(dá)峰值，第10 d之后發(fā)酵溫度趨于平穩(wěn)，徘徊在49～38℃之間。

圖1 物料發(fā)酵溫度曲線

圖2 物料水分含量曲線

2）持續(xù)投料，發(fā)酵溫度能保持在38℃以上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)所需要的餐廚垃圾是由工場飯?zhí)锰峁苣┖头ǘü?jié)假日員工放假期間飯?zhí)靡餐Ｖ惯\(yùn)營，沒有餐廚垃圾產(chǎn)生，所以，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第15 d時(shí)，發(fā)酵溫度最低，之后需要再次添加輔料后溫度才能回升。

根據(jù)相關(guān)資料，發(fā)酵時(shí)的溫度和水分是好氧堆肥的重要指標(biāo)。堆肥反應(yīng)進(jìn)行時(shí)，發(fā)酵物料最合適水分含量應(yīng)該在40%～50%。水分過高時(shí)物料會(huì)進(jìn)行厭氧反應(yīng)，發(fā)酵溫度降低，產(chǎn)生異味；水分含量過低則會(huì)影響堆肥反應(yīng)，出現(xiàn)發(fā)酵溫度降低，分解速度減慢的現(xiàn)象。綜合圖1和圖2可以看出，發(fā)酵罐物料水分在43%～54%。但是停止投料時(shí)物料水分亦沒明顯下降，而物料發(fā)酵溫度不斷降低；添加蘑菇渣后水分才有所下降，溫度開始慢慢回升。

圖3 感官評定結(jié)果

圖3 顯示的是感官評定的結(jié)果。成品外型方面，4名評定人員發(fā)現(xiàn)大部分餐廚垃圾已分解成粉狀，其中夾雜有瓜皮、瓜籽；1名評定人員認(rèn)為餐廚垃圾已被全部分解。而在成品氣味方面，全部評定人員感覺發(fā)酵成品無明顯異味，3名評定人員認(rèn)為成品有類似泥土的氣味。

4.2 實(shí)驗(yàn)討論

物料的溫度、水分和含氧量是好氧發(fā)酵的重要參數(shù)，需要將以上參數(shù)保持在合適范圍之內(nèi)。由實(shí)驗(yàn)情況觀察：持續(xù)向發(fā)酵罐內(nèi)投料能使物料水分和溫度保持在合適范圍之內(nèi)，可以讓好氧發(fā)酵持續(xù)進(jìn)行。經(jīng)過觀察評定，餐廚垃圾基本可被轉(zhuǎn)化為肥料。如果長時(shí)間停止投料并且物料水分超過50%時(shí)，物料溫度就會(huì)不斷下降，投料中斷時(shí)間越長，溫度下降幅度越大；要是再次投料并添加輔料，則能有效降低水分含量，使發(fā)酵恢復(fù)正常。因此推斷，停止投料時(shí)，發(fā)酵物料水分含量過高會(huì)阻礙發(fā)酵溫度提升，令好氧發(fā)酵停止。餐廚垃圾中的瓜皮、瓜籽的成分為纖維素及木質(zhì)素，屬于難分解物質(zhì)，因此發(fā)酵成品中仍夾雜有瓜皮、瓜籽。

5 結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)證明，通過每日滾動(dòng)廚余垃圾堆肥發(fā)酵罐，對其中物料進(jìn)行翻堆，能使裝置內(nèi)的家庭餐廚垃圾保持在合適的溫度進(jìn)行發(fā)酵，同時(shí)打開罐體兩邊的通氣口保持罐內(nèi)空氣流通，能保障物料發(fā)酵時(shí)所需氧氣，最終成功轉(zhuǎn)化為能夠被植物所吸收的有機(jī)質(zhì)。下一步我們將繼續(xù)研究，通過改良工藝，制作無需輔料即可重啟發(fā)酵的設(shè)備。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該方案切實(shí)可行，可以使村民從思想上意識到資源化利用與生活垃圾分類的可行性與重要性，以人人動(dòng)手的方式，實(shí)現(xiàn)垃圾源頭“減量”——即垃圾減量化，減輕垃圾對環(huán)境、對人類自身的危害，推進(jìn)農(nóng)村人居環(huán)境綜合整治，促進(jìn)農(nóng)村建立垃圾分類和處理的長效機(jī)制。解決農(nóng)村垃圾圍城問題，改進(jìn)農(nóng)村環(huán)境問題，促進(jìn)美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，保障農(nóng)民身體健康，為農(nóng)村經(jīng)濟(jì)社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展提供動(dòng)力。

[1]王桂才．餐廚垃圾堆肥化處置探討【J】．再生資源與循環(huán)經(jīng)濟(jì)，2013（10）．

[2]嚴(yán)小英．城市家庭廚余有機(jī)垃圾利用的可持續(xù)設(shè)計(jì)研究【D】．長沙：湖南大學(xué)，2011．

[3]王星，王漢德，張玉帥，等．國內(nèi)外餐廚垃圾的生物處理及資源化技術(shù)進(jìn)展【J】．環(huán)境衛(wèi)生工程，2005（4）．

[4]閆駿，王則武，周雨珺，等．我國農(nóng)村生活垃圾的產(chǎn)生現(xiàn)狀及處理模式【J】．中國環(huán)境工程，2014（12）．[5]趙由才．生活垃圾資源化原理和技術(shù)【M】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

[6]汪群慧，馬鴻志．廚余垃圾的資源化技術(shù)現(xiàn)代化工【J】，2004（7）．

[7]馮慶．農(nóng)村生活污染特征與公眾環(huán)境意識調(diào)查【D】．北京：首都師范大學(xué)，2006．

[8]劉永德，何晶晶，邵立明，等．太湖流域農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生特征及其影響因素【J】．農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2005（3）．

[9]王家玲．環(huán)境微生物學(xué)【M】．北京：高等教育出版社，2004．

[10]迪亞茲（美）．堆肥科學(xué)與技術(shù)【M】．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013．

支持項(xiàng)目：省級現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)中心（粵農(nóng)計(jì)【2015】118文)

郭英祺（1990—），男，助理工程師，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理設(shè)備機(jī)電一體化設(shè)計(jì)工作

※通訊作者：曾慶東（1969—），男，高級工程師，主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化處理工程技術(shù)研發(fā)與推廣工作。E-mail：feiliao-jx@163.com