農(nóng)村易腐垃圾間歇性動(dòng)態(tài)堆肥初步研究＊
——以安徽省鳳陽縣小崗村為例

陳海濱，謝宗漢，肖可可，關(guān)文義，劉世杰，吳標(biāo)彪，苗 雨，楊家寬

（1. 華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；2. 安徽國禎環(huán)衛(wèi)科技有限公司，安徽 合肥230000；3. 安徽標(biāo)科環(huán)境科技有限公司，安徽 合肥 230000）

1 工程背景概述

小崗村，位于安徽鳳陽縣東部，是中國農(nóng)村改革的發(fā)源地，有“中國十大名村”“安徽省歷史文化名村”等美譽(yù)［1-3］。截至2015 年底，小崗村村域面積1 500 hm2，可耕土地面積966.67 hm2，常住人口4 173 人［4］。目前小崗村產(chǎn)生的生活垃圾通過后裝式垃圾壓實(shí)車運(yùn)輸至鳳陽縣光大焚燒發(fā)電廠處理處置。然而，隨著小崗村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和村民生活水平的提高，村里生活垃圾中濕垃圾和可回收物所占比例越來越大，傳統(tǒng)的垃圾混合收集方式越來越不符合垃圾減量化、資源化、無害化處理的需要［5-7］。生活垃圾分類能最大程度實(shí)現(xiàn)社會(huì)效益、環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益三者的有效統(tǒng)一［8-10］。因此，2019 年，小崗村已全面推行生活垃圾“干濕”二分類。然而對于分類后農(nóng)村易腐垃圾處理處置尚未開展研究。

與傳統(tǒng)的生活垃圾末端處理處置方式（填埋、焚燒）相比，堆肥處理可有效實(shí)現(xiàn)減量化、無害化與資源化，二次污染遠(yuǎn)小于填埋與焚燒，一次性投資較?。?］。目前堆肥技術(shù)已廣泛用于處理處置廚余垃圾、市政污泥、禽畜糞便、農(nóng)業(yè)廢物等有機(jī)廢物，特別是近年來垃圾分類的大力推行與普及，為農(nóng)村生活垃圾的堆肥化處理提供了良好的契機(jī)［9］。根據(jù)堆肥物料流動(dòng)與否可分為靜態(tài)堆肥和動(dòng)態(tài)堆肥兩種。其中動(dòng)態(tài)堆肥采用連續(xù)或間歇進(jìn)、出料，或進(jìn)行翻堆，具有發(fā)酵周期短（3～7 d）、供氧充分、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)［10］。目前對于分類后農(nóng)村易腐垃圾間歇性動(dòng)態(tài)堆肥亟需進(jìn)一步研究。

20 世紀(jì)80 年代以來，世界各國開始了堆肥反應(yīng)器的研究，堆肥反應(yīng)器可以集攪拌、曝氣等功能于一體，更便于溫度、氧濃度監(jiān)測，其在科學(xué)研究與工程實(shí)踐中均得到大量運(yùn)用［3］。堆肥反應(yīng)器主要包括筒倉式、塔式、滾筒式、攪動(dòng)箱式等［4］。其中，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥的優(yōu)點(diǎn)在于其通風(fēng)供氧性能較好且具備翻堆功能，發(fā)酵塔整體高度較高，“煙囪效應(yīng)”強(qiáng)烈且發(fā)酵塔頂層設(shè)計(jì)有抽風(fēng)罩可強(qiáng)化通風(fēng)，不存在供氧不充分的問題，只需考慮溫度過高時(shí)應(yīng)如何通風(fēng)帶走水汽從而保證堆體有效降溫以利于微生物生長［5,8］。在自然通風(fēng)足以滿足好氧發(fā)酵的條件下，可使用溫度控制通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到合理控制堆體溫度的目的［5,8］。然而，目前塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥在小規(guī)模農(nóng)村易腐垃圾處理處置中的應(yīng)用還存在技術(shù)挑戰(zhàn)。因此，本研究側(cè)重于研究農(nóng)村易腐垃圾間歇性動(dòng)態(tài)堆肥過程中含水率、有機(jī)物含量及溫度、通風(fēng)量等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律及影響，探索塔式間歇性動(dòng)態(tài)堆肥的合適工藝參數(shù)。

2 工藝流程與設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)地點(diǎn)概況及易腐垃圾特性分析

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省鳳陽縣小崗村，小崗村共23 個(gè)村民組，常住人口約4 000人，服務(wù)區(qū)域如圖1 所示，其中嚴(yán)崗小區(qū)和石馬小區(qū)是居住區(qū)，友誼大道核心區(qū)主要為旅游區(qū)（生活垃圾主要由游客、餐館及酒店產(chǎn)生）。

圖1 小崗村堆肥站服務(wù)范圍Figure 1 The service area of composting station in Xiaogang Village

為充分了解小崗村生活垃圾特性，課題組多次對小崗村垃圾收集站中的當(dāng)?shù)厣罾奈锢斫M分進(jìn)行取樣分析，取多次測試結(jié)果平均值，得到小崗村生活垃圾組分（表1）。由表中數(shù)據(jù)可知小崗村生活垃圾中易腐垃圾（廚余類垃圾）占比較大（60.51%）。實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)小崗村每天生活垃圾收運(yùn)量為2 t 左右，折算可得廚余垃圾總量為1.2 t 左右，將這部分廚余垃圾從源頭上進(jìn)行分類，并就地進(jìn)行堆肥處理，可節(jié)省一半以上的收運(yùn)費(fèi)用。從實(shí)地調(diào)研結(jié)果來看，小崗村雖已全面推行垃圾分類，但是分類效果卻不盡如人意，對小崗村6 月及7 月的廚余垃圾收運(yùn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，平均每天僅能收集到約400 kg 廚余垃圾，分類率僅為33%。

表1 小崗村生活垃圾組分Table 1 Component of domestic waste in Xiaogang Village

2.2 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置設(shè)計(jì)

塔式發(fā)酵倉長、寬、高分別為1.5、1.5、1.6 m，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥發(fā)酵周期定為4 d。間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置裝配4 層好氧發(fā)酵塔，底部增加1 層作為出料層，發(fā)酵塔總高度為8 m 左右。好氧條件的最低通風(fēng)量為0.024 m3/min?？紤]到該堆肥裝置僅在試驗(yàn)階段，溫度控制通風(fēng)系統(tǒng)暫時(shí)采用固定功率風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)械通風(fēng)，風(fēng)機(jī)型號(hào)為TD-100E，功率為25 W，當(dāng)堆體溫度高于70 ℃時(shí)開啟機(jī)械通風(fēng)，堆肥裝置通風(fēng)管道風(fēng)阻系數(shù)取0.5，得到機(jī)械通風(fēng)風(fēng)量為0.21 m3/（m3·min）。

2.3 塔式堆肥裝置

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置（圖2）為多層發(fā)酵塔結(jié)構(gòu)，就單層發(fā)酵倉而言為靜態(tài)堆肥裝置，但發(fā)酵塔每隔一段時(shí)間可進(jìn)行翻堆卸料，兼有間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥效果。與靜態(tài)堆肥設(shè)施不同的是，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置為裝配式結(jié)構(gòu)，建設(shè)相對簡單、占地面積小、機(jī)械化程度高、建設(shè)周期短。

圖2 堆肥裝置Figure 2 Composting device

塔式堆肥裝置為二次性好氧堆肥的初級(jí)發(fā)酵裝置，通過翻板不斷卸料翻堆實(shí)現(xiàn)間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥，該堆肥裝置主要由進(jìn)料系統(tǒng)、翻堆卸料系統(tǒng)、通風(fēng)供氧系統(tǒng)等部分組成。進(jìn)料系統(tǒng)采用非標(biāo)準(zhǔn)240 L 垃圾桶進(jìn)料（實(shí)際容積只有200 L，后期改進(jìn)為200 L 進(jìn)料斗），物料混合均勻后人工裝入進(jìn)料桶中，通過提升電機(jī)將進(jìn)料桶經(jīng)由進(jìn)料導(dǎo)軌運(yùn)送至頂層倒入發(fā)酵倉內(nèi)，頂層裝有旋轉(zhuǎn)刮板進(jìn)行布料以保證物料均勻落入發(fā)酵倉中。同時(shí)發(fā)酵倉內(nèi)部設(shè)計(jì)有物料倉位傳感器，當(dāng)物料高度達(dá)到倉位80% 時(shí)，為保證堆肥發(fā)酵效果，進(jìn)料系統(tǒng)會(huì)滿箱報(bào)警。卸料系統(tǒng)是發(fā)酵塔變靜態(tài)堆肥為間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥的關(guān)鍵，卸料翻堆可以使堆肥物料與空氣充分接觸，加快初級(jí)發(fā)酵進(jìn)程。堆肥裝置通過卸料翻板實(shí)現(xiàn)翻堆卸料，翻板側(cè)視結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。為方便卸料及翻轉(zhuǎn)，翻板上部設(shè)計(jì)有一定傾角，方便物料滑落，旋轉(zhuǎn)軸位于右側(cè)1/3 處，每塊翻板上開有直徑為20 mm 的小孔以強(qiáng)化通風(fēng)供氧效果，開孔率為20%。每層發(fā)酵倉底部設(shè)計(jì)有3塊卸料翻板，翻板逆時(shí)針翻轉(zhuǎn)90°便可實(shí)現(xiàn)卸料及翻堆，最后1 層發(fā)酵倉的卸料翻板兼有出料功能。此外，整個(gè)發(fā)酵塔所有卸料翻板均通過PLC 程序進(jìn)行自鎖控制，只有下層翻板處于水平狀態(tài)，上層翻板才能打到垂直進(jìn)行卸料，保證卸料過程穩(wěn)定有序進(jìn)行，避免誤操作。

該堆肥裝置設(shè)有自然通風(fēng)和強(qiáng)制通風(fēng)兩套通風(fēng)系統(tǒng)，自然通風(fēng)系統(tǒng)通過頂部與底層之間的溫差形成“煙囪效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化引風(fēng)，此外堆肥裝置頂部裝了1 臺(tái)無動(dòng)力風(fēng)帽式抽風(fēng)罩，進(jìn)一步強(qiáng)化了通風(fēng)效果；強(qiáng)制通風(fēng)系統(tǒng)通過溫度控制系統(tǒng)調(diào)控風(fēng)量，從而達(dá)到調(diào)節(jié)堆體溫度的作用——如果堆體溫度過高，機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)將自動(dòng)開啟，并根據(jù)堆體溫度調(diào)節(jié)通風(fēng)量，以保證合理的發(fā)酵溫度。結(jié)構(gòu)上，每層發(fā)酵倉單獨(dú)設(shè)置有獨(dú)立的進(jìn)風(fēng)及出風(fēng)閥門，可根據(jù)單倉升溫情況合理調(diào)節(jié)通風(fēng)量。

2.4 工藝流程

塔式堆肥裝置由多層發(fā)酵倉裝配而成（以4層為例），頂層進(jìn)料，底層出料，物料通過翻板卸料并依靠重力由上至下實(shí)現(xiàn)翻堆，空氣流動(dòng)方向與之相對（下部進(jìn)風(fēng)，上部出風(fēng)），保證空氣與物料得以充分接觸，其工藝流程如圖3 所示。第1天完成首倉進(jìn)料，好氧發(fā)酵1 d 后卸料翻堆至第2倉，首層再裝入新物料，依此類推，直到第5 天由第4 倉出料，完成初級(jí)發(fā)酵過程。初級(jí)發(fā)酵通過卸料翻堆實(shí)現(xiàn)間歇?jiǎng)討B(tài)好氧堆肥，首倉物料升溫可能相對較慢，但待首倉物料卸料至第2 層時(shí)，堆體產(chǎn)生的高溫會(huì)對新進(jìn)入首層的物料進(jìn)行加熱烘干，可加速堆體升溫，加快好氧發(fā)酵過程，待4層發(fā)酵倉均裝滿物料時(shí)，整個(gè)發(fā)酵塔形成一個(gè)高溫好氧堆肥體系，堆肥體系升溫及保溫效果得到極大加強(qiáng)，發(fā)酵塔堆肥效果突顯。

圖3 堆肥裝置工藝流程示意Figure 3 Process flow schematic of composting device

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)操作流程如圖4 所示。堆肥原料以廚余垃圾、農(nóng)作物秸稈、木屑等為主。為保證堆肥質(zhì)量，首先需對堆肥原料進(jìn)行預(yù)處理，包括堆肥原料含水率測定、異物分揀、原料破碎、含水率調(diào)節(jié)、物料混合等；混合均勻后通過機(jī)械提升裝置由頂層進(jìn)料，經(jīng)布料裝置均勻進(jìn)料，進(jìn)料體積盡量小于發(fā)酵倉總?cè)莘e的80%；進(jìn)料結(jié)束后需每天早、中、晚3 次對發(fā)酵堆體進(jìn)行溫度監(jiān)測并做好記錄。進(jìn)料1 d 后進(jìn)行卸料翻堆，將物料從第1 倉卸到第2 倉，同時(shí)第1 倉裝入新物料，直到第5 天完成初級(jí)發(fā)酵過程，將物料從出料口卸出并運(yùn)往二次堆場進(jìn)行次級(jí)發(fā)酵。次級(jí)發(fā)酵過程為靜態(tài)好氧發(fā)酵，發(fā)酵堆體中插入通風(fēng)管以強(qiáng)化通風(fēng)效果，每天中午對堆體溫度進(jìn)行測量，直到堆體溫度等于環(huán)境溫度則整個(gè)堆肥發(fā)酵過程結(jié)束。

圖4 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)流程示意Figure 4 Flow schematic of intermittent dynamic composting test

2.4.1 物料預(yù)處理及進(jìn)料

垃圾分揀的主要目的是剔除廚余垃圾、餐飲垃圾中的塑料、金屬等不可堆肥物以及少量的電池、農(nóng)藥瓶等有毒有害垃圾；破碎主要針對廚余垃圾中的大尺寸果蔬垃圾、農(nóng)作物秸稈等，需將堆肥原料粒徑控制在3～5 cm，堆肥輔料粒徑可控制在5～10 cm；根據(jù)堆肥原料理化特性確定合適的主料、輔料配比，將進(jìn)料原料總含水率控制在50%～75%；為保證發(fā)酵效果，進(jìn)料前應(yīng)將堆肥原料充分混合?；旌辖Y(jié)束后使用200 L 垃圾桶裝載堆肥物料，利用電力提升系統(tǒng)從頂層進(jìn)料，在布料裝置作用下均勻進(jìn)料，進(jìn)料體積盡量控制在發(fā)酵倉總?cè)莘e的80%以下。

2.4.2 初級(jí)發(fā)酵

初級(jí)發(fā)酵過程需每天3 次進(jìn)行溫度測量，應(yīng)根據(jù)堆肥發(fā)酵溫度及時(shí)調(diào)控發(fā)酵倉通風(fēng)量，待物料從頂層卸料至底層后可進(jìn)行出料，但需滿足無害化溫度要求方能出料（65 ℃以上維持3 d）。第1倉物料的升溫效果尤為重要，如果能夠在24 h 內(nèi)升溫到65 ℃以上則可正常卸料翻堆；第1 倉卸料至第2 倉后，將新一批物料進(jìn)料至第1 倉進(jìn)行發(fā)酵并測量堆體溫度，由于第2 倉物料的加熱、烘干作用，新裝入頂層的物料升溫相對較快，此后依次卸料翻堆直至出料，出料后需取樣進(jìn)行無害化檢測。除利用“煙囪效應(yīng)”進(jìn)行被動(dòng)通風(fēng)外，堆肥裝置設(shè)計(jì)了溫度控制的機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，當(dāng)堆體溫度高于設(shè)定溫度時(shí)會(huì)自動(dòng)開啟，以使堆體溫度維持在合理范圍內(nèi)。

2.4.3 次級(jí)發(fā)酵

次級(jí)發(fā)酵過程與靜態(tài)堆肥次級(jí)發(fā)酵過程類似，初級(jí)發(fā)酵完成后將堆肥物料運(yùn)往二次堆場進(jìn)行次級(jí)發(fā)酵，并需將數(shù)根側(cè)邊開孔的塑料管插入堆體內(nèi)以強(qiáng)化通風(fēng)效果。每天中午對堆體進(jìn)行溫度測量并做好記錄，直至堆體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)則次級(jí)發(fā)酵結(jié)束。為得到品質(zhì)較好的堆肥產(chǎn)品，次級(jí)發(fā)酵結(jié)束后需對堆肥產(chǎn)品進(jìn)行必要的后處理，使用孔徑合理的篩網(wǎng)將木屑等難降解輔料篩分出來，曬干后備用，其他堆肥產(chǎn)品可作為有機(jī)肥在試驗(yàn)田開展土壤肥力試驗(yàn)。

2.4.4 試驗(yàn)進(jìn)展及概況

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)地點(diǎn)位于安徽省鳳陽縣小崗村堆肥站，2019 年12 月前往小崗村對當(dāng)?shù)乩诸惓晒⒗匦约岸逊恃b置、堆肥場地建設(shè)情況進(jìn)行調(diào)研，對堆肥裝置通風(fēng)效果、安全性能等方面進(jìn)行了改進(jìn)性設(shè)計(jì)，規(guī)劃建設(shè)了物料預(yù)處理場地、二次堆場，進(jìn)一步完善了堆肥試驗(yàn)設(shè)施設(shè)備。從2020 年5 月開展第1 批試驗(yàn)開始，目前已開展3 批堆肥試驗(yàn)（第3 批堆肥試驗(yàn)正在進(jìn)行中），分別命名為X1、X2、X3，表2 對各次堆肥試驗(yàn)情況進(jìn)行了匯總。

表2 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)進(jìn)展情況Table 2 Progress of intermittent dynamic composting experiment

第1 批試驗(yàn)于2020 年5 月進(jìn)行，目的是驗(yàn)證堆肥裝置的可行性，對堆肥試驗(yàn)現(xiàn)場出現(xiàn)的諸多問題進(jìn)行匯總分析并做出改進(jìn)，確保后續(xù)堆肥試驗(yàn)順利進(jìn)行，第1 批堆肥試驗(yàn)較為成功，但由于堆肥裝置密閉性較好，水汽難以有效去除，初級(jí)堆肥產(chǎn)品含水率較高。在增加通風(fēng)管及抽風(fēng)罩的基礎(chǔ)上，于2020 年11 月開展了第2 批堆肥試驗(yàn)，進(jìn)料3 倉，堆肥裝置運(yùn)行較為穩(wěn)定，取得不錯(cuò)的溫度數(shù)據(jù)，試驗(yàn)得以順利進(jìn)行。第3 批堆肥試驗(yàn)于2021 年3 月開展（正在進(jìn)行中），在前面多次堆肥試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善堆肥工藝參數(shù)，取得較為理想的溫度數(shù)據(jù)。

根據(jù)堆肥現(xiàn)場堆肥主料及輔料計(jì)量結(jié)果，分別對3 次堆肥試驗(yàn)各倉物料基本性質(zhì)進(jìn)行核算并匯總于表3。堆肥主料為從小崗村居民家中分類收集的廚余垃圾以及從餐館收集的餐飲垃圾，X1 批次堆肥輔料為木屑和油菜秸，X2 批次堆肥輔料為黃豆秸，X3 批次堆肥輔料為木屑、黃豆秸、油菜秸，堆肥輔料經(jīng)過晾曬處理后較為干燥（含水率為10%左右），能有效調(diào)節(jié)堆肥原料含水率。堆肥倉設(shè)計(jì)容積為2.8 m3，從進(jìn)料體積來看，基本能保持在80% 以下，從堆體密度來看，堆體密度保持在308～412 kg/m3，具有較為理想的FAS（Free Air Space，自由空域），從原料上提供了良好的通風(fēng)供氧環(huán)境，C/N 保持在19.2～25.3。

表3 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)進(jìn)料信息Table 3 Feeding information of intermittent dynamic composting test

3 測試指標(biāo)與分析方法

主要測試指標(biāo)為溫度變化和堆肥前后減量變化。主要試驗(yàn)儀器有含水率測定儀（XFSFY-120A，廈門雄發(fā)儀器儀表有限公司）、溫度計(jì)（T 150，深圳市拓爾為電子科技有限公司）、磅秤（TCS-500， 太陽衡器有限公司）、物料破碎機(jī)（6刀-4.8 kW，浙江永康鋆研貿(mào)易有限公司）等。

4 運(yùn)行效果分析

圖5 展示了進(jìn)出物料的性狀照片。從圖5 中可以看出，初始混合進(jìn)料中有較多菜葉和廚余垃圾，經(jīng)過初級(jí)堆肥后，幾乎未看到綠色菜葉，說明易腐垃圾部分已發(fā)生降解，但仍然可以看到很多微小柱狀木塊。經(jīng)過次級(jí)堆肥后，物料整體呈現(xiàn)顆粒狀，顏色更黑，達(dá)到較好的腐熟化效果。

圖5 進(jìn)出物料性狀Figure 5 Properties of in and out of the material

4.1 初級(jí)發(fā)酵溫度變化分析

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測溫度數(shù)據(jù)來看，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥3個(gè)測溫孔溫度相差不大，堆體內(nèi)溫度分布較為均勻。第1 批間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)于2020 年5 月開展，進(jìn)料3 倉，堆肥輔料以柞木屑為主，當(dāng)?shù)丨h(huán)境溫度為20～33 ℃，X1 批次各倉初級(jí)發(fā)酵溫度變化情況如圖6 所示。X11 為第1 倉物料，堆體升溫較快，進(jìn)料不到24 h 便升高至65 ℃，且能在60 ℃以上保持3.5 d，基本能實(shí)現(xiàn)無害化。X12 升溫較快，起始溫度最高，能在高溫階段保持更久時(shí)間，最高溫度超過70 ℃，這主要由兩個(gè)因素所致：一是X11 的烘干、加熱作用使X12 堆體升溫迅速；再者結(jié)合前面所得結(jié)論，高含水率能夠保持更長的高溫時(shí)間，且更容易達(dá)到較高發(fā)酵溫度，而X12 含水率相對較高，故獲得了更高的發(fā)酵溫度及更長的高溫時(shí)間。X13 升溫速度最快，在12 h內(nèi)便達(dá)到65 ℃，這得益于X11 及X12 的加熱效果，不過X13 初級(jí)發(fā)酵階段出現(xiàn)較大溫度波動(dòng)，考慮是卸料翻堆過程熱量嚴(yán)重散失所致。總的來說，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置表現(xiàn)出了更快的升溫速度及更高的發(fā)酵溫度。

圖6 X1 批次初級(jí)發(fā)酵溫度變化情況Figure 6 Variation situation of primary fermentation temperature of batch X1

X2 批次試驗(yàn)于2020 年11 月開展，進(jìn)料3 倉，溫度變化如圖7 所示。X21 在24 h 內(nèi)便升溫至65 ℃以上，并且能夠在65 ℃以上保持3 d，基本實(shí)現(xiàn)無害化，從X22、X23 升溫效果來看，X21 的加熱效果非常顯著，X22 及X23 進(jìn)料不到12 h 便升溫至65 ℃以上。特別是X22，含水率最高，也表現(xiàn)出了與X12 同樣的溫度現(xiàn)象（能得到更高的發(fā)酵溫度并能長時(shí)間保持高溫），堆體最高溫度將近80 ℃，但這是不利于堆體微生物發(fā)酵的，經(jīng)過卸料翻堆后堆體溫度有一定下降，但仍保持在70 ℃以上，好氧微生物分解活動(dòng)較為劇烈，好氧高溫發(fā)酵3 d 后，易降解有機(jī)物被大量降解，堆體開始降溫，初級(jí)發(fā)酵階段結(jié)束。X23 升溫較快，但在高溫上表現(xiàn)不佳，整體看堆體溫度低于X21 及X22，特別是在前兩倉完成出料、X23 卸料至第4倉（底倉）時(shí)出現(xiàn)大幅降溫，考慮是X23 含水率較低，在下面兩層物料的烘干作用下水分大量流失導(dǎo)致微生物活動(dòng)減緩；此外，在僅存底層1 倉物料時(shí)，底層物料與頂部形成強(qiáng)烈的“煙囪效應(yīng)”，加之抽風(fēng)罩作用導(dǎo)致通風(fēng)量過大、堆體熱量嚴(yán)重散失，后期試驗(yàn)應(yīng)及時(shí)根據(jù)溫度狀況調(diào)控通風(fēng)閥門。

圖7 X2 批次初級(jí)發(fā)酵溫度變化情況Figure 7 Variation situation of primary fermentation temperature of batch X2

X3 批次堆肥試驗(yàn)初級(jí)發(fā)酵溫度變化如圖8所示。X3 批次3 倉堆肥試驗(yàn)性質(zhì)相近（表3），整體上看，3 倉物料升溫情況類似，均能在65 ℃以上保持3 d，能達(dá)到無害化溫度要求。X31 升溫較慢，進(jìn)料將近18 h 方能達(dá)到65 ℃以上，而X32、X33升溫則更快，X33 進(jìn)料8 h 便達(dá)到了65 ℃以上，下層物料的烘干加熱效果突顯，特別是X32，進(jìn)料12 h 后便能一直保持在70 ℃以上，高溫甚至超過了75 ℃，微生物好氧分解活動(dòng)非常劇烈。

圖8 X3 批次初級(jí)發(fā)酵溫度變化情況Figure 8 Variation situation of primary fermentation temperature of batch X3

結(jié)合3 次堆肥試驗(yàn)溫度數(shù)據(jù)可以看出，相比于靜態(tài)堆肥設(shè)施，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置升溫效果良好，在良好的通風(fēng)供氧條件下，第1 倉物料能夠在24 h 內(nèi)升高至65 ℃以上，第2 倉與第3 倉物料在下層物料的烘干加熱作用下，能夠在12 h內(nèi)達(dá)到無害化溫度（65 ℃）。此外，第2 倉往往能獲得更高的發(fā)酵溫度，考慮是第3 倉進(jìn)料后，下層物料和上層物料加強(qiáng)了中層物料的保溫性能，所以能夠取得更好的高溫效果。

4.2 全過程溫度數(shù)據(jù)分析

初級(jí)發(fā)酵階段主要實(shí)現(xiàn)物料無害化（65 ℃維持3 d 以上）及易腐有機(jī)物快速降解，次級(jí)發(fā)酵階段主要實(shí)現(xiàn)堆肥產(chǎn)品資源化及難降解有機(jī)物的分解，圖9 是X1、X2、X3 批次堆肥的全過程溫度變化情況。從圖9 可以看出，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置在初級(jí)發(fā)酵階段有很好的升溫效果，進(jìn)料24 h 內(nèi)堆體溫度便升高至65 ℃以上，高溫發(fā)酵3 d 易腐有機(jī)物被大量分解，堆體溫度開始下降，初級(jí)發(fā)酵結(jié)束出料后由于熱量損失嚴(yán)重導(dǎo)致堆體溫度明顯下降。與二次性靜態(tài)好氧堆肥類似，出料后的一段時(shí)間堆體溫度再次回升，但維持高溫的時(shí)間卻更短，有機(jī)質(zhì)降解更為迅速，之后堆體溫度平緩下降，直至好氧發(fā)酵30 d 左右堆體溫度與環(huán)境溫度相當(dāng)，有機(jī)質(zhì)基本腐熟穩(wěn)定化。從整體的溫度變化歷程來看，與靜態(tài)二次性好氧堆肥溫度變化過程類似，但次級(jí)發(fā)酵過程降溫更快，腐熟期更短。

圖9 間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)全過程溫度變化Figure 9 Temperature changes in the whole process of intermittent dynamic composting test

4.3 減量化分析

對X11、X2、X3 批次堆肥試驗(yàn)初級(jí)發(fā)酵產(chǎn)品進(jìn)行減量化分析，減量化情況如表4 所示。由表4可以看出，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)初級(jí)發(fā)酵過程體積減量率基本能達(dá)到30% 以上，X33 體積減量率最高，達(dá)到49.47%；質(zhì)量減量率在27.74%～37.10%，X33 質(zhì)量減量率最大，達(dá)到37.10%，除X23 外，所有批次初級(jí)發(fā)酵質(zhì)量減量率均達(dá)到了30%以上，減量化效果較好。其中，X11 和X21 為第1 批試驗(yàn)，減量化效果相比其他組不明顯，原因可能是在該組試驗(yàn)添加底料中含有較多的破碎后的木塊，且含水率較高。在后續(xù)其他組試驗(yàn)中將破碎后的木塊改為木屑，且將原料含水率降低，后續(xù)減量效果明顯。

表4 初級(jí)發(fā)酵減量化分析Table 4 Reduction analysis of primary fermentation

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置設(shè)計(jì)有兩套通風(fēng)系統(tǒng)，可以有效去除堆體中的水分，而脫水效率在一定程度上決定了堆肥的質(zhì)量減量化效果，根據(jù)出料含水率計(jì)算初級(jí)發(fā)酵階段脫水效率，得到表5 相關(guān)數(shù)據(jù)。由表5 中數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過初級(jí)發(fā)酵后物料脫水效率基本能保持在40%以上，特別是X21 脫水效率達(dá)58.81%，脫水效果非常明顯。X31 脫水效率僅達(dá)到37.17%，根據(jù)堆肥試驗(yàn)現(xiàn)場情況及X3批次進(jìn)料3 倉物料含水率來看，推測是X32、X33兩倉物料游離水滴落至X31 堆體上，致使X31 出料含水率偏高?？偟膩砜矗g歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置良好的通風(fēng)效果有效提高了初級(jí)發(fā)酵過程的脫水效率，而靜態(tài)堆肥設(shè)施難以達(dá)到相同效果。需要說明的是，X12 和X13 樣品取樣期間我國疫情嚴(yán)重，導(dǎo)致試驗(yàn)進(jìn)展到一半取樣困難，因此缺少部分?jǐn)?shù)據(jù)。

表5 初級(jí)發(fā)酵脫水效率分析Table 5 Analysis on dehydration efficiency of primary fermentation

5 成本經(jīng)濟(jì)分析

生活垃圾問題一直是我國農(nóng)村人居環(huán)境治理的重點(diǎn)，但苦于垃圾產(chǎn)生源分散、收運(yùn)費(fèi)用高等問題，其處理處置一直沒能得到妥善解決。在新農(nóng)村建設(shè)與垃圾分類的大背景下，部分農(nóng)村地區(qū)探索形成了以生活垃圾“干濕”二分類為主線、“濕垃圾”就地堆肥消納的新模式，此舉可大幅降低收運(yùn)處理成本，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)村生活垃圾減量化、無害化與資源化的重要途徑。部分地區(qū)雖推行了“村收、鎮(zhèn)轉(zhuǎn)運(yùn)、縣處理”模式，但產(chǎn)生源分散導(dǎo)致的高昂收運(yùn)費(fèi)用耗費(fèi)了大量的人力物力。目前小崗村已全面推行生活垃圾“干濕”二分類，居民家中配有“干垃圾”投放桶與“濕垃圾”投放桶，每天清晨保潔員會(huì)上門收集分類后的生活垃圾，濕垃圾運(yùn)往位于嚴(yán)崗小區(qū)的生活垃圾堆肥站進(jìn)行堆肥處理，干垃圾運(yùn)往鳳陽縣光大焚燒發(fā)電廠處理處置，理論運(yùn)距在15 km 左右。但小崗村生活垃圾產(chǎn)生量有限，轉(zhuǎn)運(yùn)車需經(jīng)小溪河鎮(zhèn)繼續(xù)收滿一車后運(yùn)往焚燒廠，實(shí)際運(yùn)距要超過30 km，轉(zhuǎn)運(yùn)費(fèi)用在110 元/t 左右，通過就地堆肥處理，可有效減少全量外運(yùn)處理成本。塔式堆肥裝置投資20 萬元，基建1.6 萬元。此外小崗村可耕地面積為966.67 hm2，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)能力強(qiáng)，每年會(huì)產(chǎn)生大量農(nóng)業(yè)廢棄物，易腐垃圾堆肥處理可為農(nóng)業(yè)廢棄物的就地消納提供新途徑。

6 存在問題與展望

整個(gè)建成和試驗(yàn)過程為2 a。其中取樣集中在6 月和7 月。期間由于疫情影響，對進(jìn)一步取樣造成困難。在未來工作中將補(bǔ)充這部分研究。此外，3 次堆肥試驗(yàn)表明，塔式間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置具有良好的升溫性能，堆體能夠快速升溫且發(fā)酵溫度較高，根據(jù)多次堆肥經(jīng)驗(yàn)編制了團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)T/HW 00025—2021 裝配式多層豎向堆肥裝置技術(shù)要求。但由于受新冠疫情影響，原定小崗村間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)進(jìn)度滯后，未來需對堆肥產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量檢測，這是今后研究的重點(diǎn)。

7 結(jié)論

本研究采用塔式好氧堆肥裝置，通過發(fā)酵倉不斷卸料翻堆可有效強(qiáng)化通風(fēng)效果，實(shí)現(xiàn)間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥。通過理論計(jì)算可知，間歇?jiǎng)討B(tài)裝置初級(jí)發(fā)酵周期更短，為3.02 d。從結(jié)構(gòu)上看，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥裝置的多層發(fā)酵塔構(gòu)造可發(fā)揮下層物料對上層物料的加熱、烘干作用，從而加速堆體的升溫進(jìn)程，可有效縮短發(fā)酵周期。為保證初級(jí)發(fā)酵效果，設(shè)計(jì)4 層發(fā)酵塔堆肥裝置，每層發(fā)酵倉容積為2.4 m3。從建設(shè)周期來看，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥建設(shè)周期更短，從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造到現(xiàn)場完成安裝，耗時(shí)不到1 個(gè)月。

間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥試驗(yàn)成功開展了3 批9 倉，從升溫效果來看，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥升溫12 h 內(nèi)便可達(dá)到65 ℃以上，發(fā)酵溫度為70 ℃以上，堆體溫度受含水率及堆高影響較小，均能有效升溫。由于下層物料的烘干、加熱作用，上層堆體能更快升溫。此外，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥堆體內(nèi)溫度分布較為均勻，無明顯溫度分層現(xiàn)象。就減量化效果來看，間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥初級(jí)發(fā)酵過程體積減量率基本能保持在30% 以上，最高可達(dá)49.47%，質(zhì)量減量率在27.74%～37.10%，減量化效果良好。間歇?jiǎng)討B(tài)堆肥擁有良好的脫水效率，初級(jí)發(fā)酵過程脫水效率基本能保持在40%以上，最高可達(dá)58.81%，脫水效果良好。

致謝：感謝國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFD1100 600）、安徽國禎環(huán)衛(wèi)科技有限公司有機(jī)固廢高效處理與處置技術(shù)中心項(xiàng)目以及小崗村的支持。