餐廚垃圾機器成肥產(chǎn)物的農(nóng)林業(yè)應(yīng)用潛力及二次污染物的評價＊

曲 青，張 寧，胡 甜，趙 濤，崔廣宇，3，4

（1.榮成市環(huán)境衛(wèi)生服務(wù)中心，山東 威海 264399；2.同濟大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所，上海 200092；3.上海污染控制與生態(tài)安全研究院，上海 200092；4.上海多源固廢協(xié)同處理和能源化工程技術(shù)研究中心，上海 200092）

1 引言

隨著我國垃圾分類工作的普遍推行，廚余（易腐）垃圾的資源化處理越來越受到關(guān)注。當前，廚余垃圾的資源化處理方法主要包括厭氧消化與高溫堆肥，以及少部分的蚯蚓、蠅蛆/黑水虻生物轉(zhuǎn)化［1-2］。相較于厭氧消化，堆肥具有操作簡便、資源化效益好、易于推廣應(yīng)用的特點［3］。作為一種集約化程度高、減量化效果顯著的堆肥技術(shù)，機器成肥近年來已在一些經(jīng)濟較發(fā)達的村鎮(zhèn)地區(qū)（如江浙滬等）有不少應(yīng)用案例。然而，許多人對機器成肥產(chǎn)物的品質(zhì)普遍存疑［3-5］，正在阻礙其農(nóng)業(yè)土地利用或園林綠化使用。

有學(xué)者考察了廚余（易腐）垃圾機器成肥產(chǎn)物的性質(zhì)［5］，證實有機質(zhì)、水分、重金屬及營養(yǎng)物質(zhì)等指標均達到了現(xiàn)行的NY/T 525—2021 有機肥料的要求，但大部分產(chǎn)物的種子發(fā)芽指數(shù)（GI）不到30%，說明機器成肥產(chǎn)物中依然含有大量有害物質(zhì)，并未徹底腐熟。除上述指標外，NY/T 525—2021 也對機械雜物、氯離子兩個指標做了要求。塑料碎片等雜物有可能影響受納土壤性質(zhì)，甚至危害動植物的生長［6-7］，因此，堆肥殘余物中塑料被視為一種污染物，已納入國家生態(tài)環(huán)境標準《生物質(zhì)廢物堆肥污染控制技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》（環(huán)辦標征函〔2021〕32 號）中。此外，作為一種高油高鹽的生物質(zhì)廢物，對餐廚垃圾堆肥產(chǎn)物中氯離子含量的評估也很重要，因為過量的氯離子可能會危害土壤微生物、動植物的生長［8-9］，然而，目前鮮有報道針對餐廚垃圾機器堆肥產(chǎn)物中雜物和氯離子含量的評估。進一步地，在評價堆肥產(chǎn)物性質(zhì)時，除了參照農(nóng)業(yè)部門的NY/T 525—2021，同樣也有必要參照林業(yè)部門的GB/T 33891—2017 綠化用有機基質(zhì)，以便因地制宜地擴展機器成肥產(chǎn)物的應(yīng)用途徑。

綜上所述，本研究基于對多臺餐廚垃圾機器成肥設(shè)備運行狀況的實地調(diào)研及產(chǎn)物性質(zhì)的分析，從農(nóng)業(yè)、園林綠化及污染物控制的角度綜合評判機器成肥技術(shù)實效，旨在為該技術(shù)的評估及推廣提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 餐廚垃圾及機器成肥設(shè)備

餐廚垃圾取自榮成市某村鎮(zhèn)街邊的多家餐館，混合后裝入多個240 L 垃圾桶，用于后續(xù)機器生化處理。選用了5 家不同廠商的機器成肥設(shè)備處理餐廚垃圾（表1），A 組設(shè)備未添加菌劑，反應(yīng)器內(nèi)溫度可達110 ℃，為減量型設(shè)備；B 組、C 組、D 組及E 組設(shè)備均投加了微生物菌劑，處理溫度較低，可視為資源型設(shè)備，且除D 組處理周期為7 d，其他組均≤24 h。

表1 機器成肥設(shè)備的基本信息Table 1 Functional information of machine composting equipment

2.2 產(chǎn)物指標分析

2.2.1 取樣方法

為使所取樣品具有代表性，分別從3 個垃圾桶中各取50 kg 餐廚垃圾，充分混合，分取1 kg 作為初始餐廚垃圾。同時，取機器成肥設(shè)備正常出料后的第3～5 天（A 組、B 組、C 組及E 組）和第8～10 天（D 組）的物料用于理化性質(zhì)分析。每臺設(shè)備的取樣量為5 kg，間隔時間為2 d，共取樣兩次，充分混合后，取其中的2 kg 作為該臺設(shè)備的待測樣品。按照類別，劃分為基本理化指標（含水率、有機質(zhì)、pH、營養(yǎng)物質(zhì)、氯離子、機械雜物及重金屬）、無害化指標（雜草種子活性、糞大腸菌群及蛔蟲卵死亡率）及腐熟度指標（種子發(fā)芽指數(shù)、好氧呼吸指數(shù)）。同時，機器成肥設(shè)備的“三廢”（噪聲、廢氣、廢水）排放狀況也被評估。所有指標平行測試3 次，測試方法如下所述。

2.2.2 指標測試方法

含水率按照GB/T 8576—2010 復(fù)混肥料中游離水含量的測定真空烘箱法進行測定，即在105 ℃條件下將物料烘干至恒質(zhì)量。有機質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法測定。pH 按照水土比為10∶1 方法測定。營養(yǎng)元素（NPK）、雜草種子活性、GI 及機械雜物按照NY/T 525—2021 的方法測定。氯離子含量按照GB/T 15063—2020 復(fù)合肥料的方法測定。重金屬按照NY/T 1978—2010 肥料汞、砷、鎘、鉛、鉻含量的測定進行測試。糞大腸菌群數(shù)和蛔蟲卵死亡率分別按照GB/T 19524.1—2004 肥料中糞大腸菌群的測定和GB/T 19524.2—2004 肥料中蛔蟲卵死亡率的測定進行測試。好氧呼吸指數(shù)（RA4）根據(jù)DB31/T 1208—2020 濕垃圾處理殘余物的生物穩(wěn)定性評價方法進行測定。

臭氣濃度的測定方法為GB/T 14675—1993 空氣質(zhì)量惡臭的測定三點比較式臭袋法，監(jiān)測點位于設(shè)備的排氣筒出口處。噪聲監(jiān)測測定方法則依據(jù)GB 12348—2008 工業(yè)企業(yè)廠界環(huán)境噪聲排放標準，監(jiān)測點位于處理間。廢水水質(zhì)檢測指標包括pH、化學(xué)需氧量（COD）、懸浮物（SS）、五日生化需氧量（BOD5）、氨氮、總磷和動植物油，針對各項的測定依據(jù)分別為：HJ 1147—2020 水質(zhì)pH值的測定電極法、HJ 828—2017 水質(zhì)化學(xué)需氧量的測定重鉻酸鹽法、GB/T 11901—1989 水質(zhì)懸浮物的測定重量法、HJ 505—2009 水質(zhì)五日生化需氧量（BOD5）的測定 稀釋與接種法、HJ 535—2009 水質(zhì)氨氮的測定納氏試劑分光光度法、GB/T 11893—1989 水質(zhì) 總磷的測定鉬酸銨分光光度法和HJ 637—2018 水質(zhì)石油類和動植物油類的測定紅外分光光度法。

2.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS（10.0）軟件，通過單因素方差分析（ANOVA）對同一指標不同處理組進行顯著性差異分析，顯著性水平定義為p＜0.05。

3 結(jié)果與討論

3.1 機器成肥產(chǎn)物性質(zhì)

3.1.1 基本理化性質(zhì)

由表2 可知，處理產(chǎn)物的含水率為1.9%～15.8%，有機質(zhì)含量為60.6%～76.9%，營養(yǎng)成分（N+P2O5+K2O） 含量為4.6%～7.9%，均符合NY/T 525—2021 和GB/T 33891—2017 兩個標準的要求。較低的含水率和較高的有機質(zhì)含量表明餐廚垃圾并未發(fā)生明顯的生物降解，僅僅是處理器內(nèi)較高的溫度（60～110 ℃）加快水分的損失，這與畢峰等［5］關(guān)于農(nóng)村易腐垃圾機器成肥品質(zhì)評估研究的結(jié)果類似。另外，各機器成肥產(chǎn)物中N 含量差異較大，與未添加菌劑組（A 組3.0%）相比，添加菌劑似乎提高了N 含量（B 組3.4%、C 組3.8%及E 組3.9%），而較長的處理時間則可能發(fā)生N 損失（D 組2.7%）。其他組的P 含量差異并不大（1.1%～2.5%），而C 組的含量最高（3.2%），這與其有機質(zhì)損失最多有關(guān)［10］，可通過產(chǎn)物有機質(zhì)含量最低（60.6%）看出。所有組的K 元素含量也并未呈現(xiàn)明顯差異（0.5%～0.8%）。

表2 機器成肥產(chǎn)物的基本理化性質(zhì)Table 2 Physicochemical properties of the machine composting product

通常，廚余（易腐）垃圾源的堆肥腐熟產(chǎn)物pH 呈中性偏堿［11］，而處理產(chǎn)物的pH 為4.9～5.7，表明餐廚垃圾中有機物的生物降解產(chǎn)酸（如乙酸）活動依然在進行［12］，所有機器堆肥產(chǎn)物均未達到腐熟。有報道指出［5］，通過強化通風(fēng)可平抑因基質(zhì)厭氧造成的酸積累，特別是在堆肥的初期階段。餐廚垃圾及被處理后的產(chǎn)物在實際應(yīng)用中氯離子是否超標備受關(guān)注［13］。由表2 可知，5 組處理產(chǎn)物的氯離子含量較低（1.1%～1.6%），均未超過GB/T 15063—2020 復(fù)合肥料中不同應(yīng)用場景的最高限值（30%、15% 和3%）。事實上，餐廚垃圾原料的氯離子含量僅為1.7%，并且預(yù)處理階段的壓榨脫水也可能進一步降低原料中氯的含量。此外，有學(xué)者認為商品有機肥料中氯離子含量應(yīng)控制在1%以下，如高于此限值，作物受害的風(fēng)險會增加，因此應(yīng)對有機肥的施用方法和施用量做出規(guī)定［14］。換言之，有關(guān)有機肥中氯離子含量的限定還需結(jié)合植物耐受力和受納土壤的特點來綜合判斷。

就重金屬而言，除了A 組和B 組的Cd 含量較高外（其原因可能是進料不均勻造成的），5 種重金屬的含量均在兩個標準的限值以下或未檢出（表3），符合農(nóng)用和園林綠化用基質(zhì)對重金屬含量的要求，說明機器成肥產(chǎn)物不大可能出現(xiàn)重金屬超標的問題，這與其他學(xué)者［5,15］的研究結(jié)果一致。事實上，處理產(chǎn)物中重金屬含量主要由餐廚垃圾的性質(zhì)所決定，這有別于含有高重金屬的畜禽糞便［16］。

表3 機器成肥產(chǎn)物中重金屬的含量Table 3 Content of heavy metals in the machine composting product

5 組機器成肥產(chǎn)物的雜草種子活性和糞大腸菌群數(shù)均未檢出，蛔蟲卵死亡率均為100%，滿足NY/T 525—2021 和GB/T 33891—2017 的要求（糞大腸菌群數(shù)≥0.01，蛔蟲卵死亡率≥95%），反映了機器成肥可實現(xiàn)餐廚垃圾的無害化。其原因主要是生物處理機內(nèi)較高的溫度（60～110 ℃），致使雜草種子、大腸菌和蛔蟲卵快速被滅活。依據(jù)CJJ 52—2014 生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范，堆肥的無害化要求是55 ℃持續(xù)5 d 以上，因此，機器成肥在24 h 內(nèi)達到無害化是其技術(shù)的優(yōu)點。

3.1.2 腐熟度

參考DB31/T 1208—2020，RA4應(yīng)當小于20 mg/g。如圖1 所示，本研究中B、C、D 及E 組的RA4等于或超過20 mg/g，最高達到70 mg/g，表明餐廚垃圾機器成肥產(chǎn)物還不穩(wěn)定甚至極不穩(wěn)定，尚未達到污染控制的標準，需進一步處理［17］。值得注意的是，A 組的RA4極低，其原因可能是反應(yīng)器內(nèi)高溫（110 ℃）導(dǎo)致了許多常、中溫微生物的死亡。這種超高溫堆肥工藝，實質(zhì)上是對物料的烘干而已，因此，很難直接進行二次堆肥，如需啟動，則需要投加額外的接種物和操作成本。

圖1 機器成肥產(chǎn)物的腐熟度Figure 1 Maturity of the machine composting product

所有處理產(chǎn)物的GI 均小于10%，低于NY/T 525—2021 和GB/T 33891—2017 兩個標準的限值（分別為70% 和65%）。并且，種子發(fā)芽率也未達到《生物質(zhì)廢物堆肥污染控制技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》的要求（≥70%），說明未腐熟的堆肥可能包含較多對種子發(fā)芽和植物生長有害的物質(zhì)（如低分子量的有機酸、多酚等）［18］。綜上，無論是從RA4還是GI 來看，機器成肥配合功能菌種在24 h（甚至7 d）內(nèi)很難將餐廚垃圾轉(zhuǎn)化為腐熟產(chǎn)物，故不能直接作為農(nóng)用有機肥料和綠化用有機基質(zhì)使用，還需要進一步的堆肥。

3.1.3 機械雜物

由圖2 可知，除A 組外，其他組產(chǎn)物的機械雜物含量均超過NY/T 525—2021 與《生物質(zhì)廢物堆肥污染控制技術(shù)規(guī)范（征求意見稿）》的要求（≤0.5%）。產(chǎn)物中肉眼可分辨的雜物包括金屬、織物、塑料等碎片。值得注意的是，塑料殘余物可能是垃圾分類不徹底導(dǎo)致的，并通過預(yù)處理破碎變成更小的碎片，而這些碎片也被證實很難在高溫堆肥過程中被降解［19］。本研究所得的雜物源自于4 mm 篩網(wǎng)的篩上物，并未分析篩下物中的雜物，尤其是其中的微塑料（即尺寸＜5 mm 的塑料碎片）。最近的研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)村易腐垃圾好氧堆肥產(chǎn)物也是微塑料（種類以聚酯、聚乙烯和聚丙烯為主）的重要載體［19］，如產(chǎn)物施用于農(nóng)用土壤或者園林土壤，可能會改變土壤的生物化學(xué)性質(zhì)，甚至影響動、植物的生長［7,20］?？紤]到微塑料的環(huán)境危害，應(yīng)該在前段垃圾分類階段盡可能減少塑料類雜物混入餐廚（易腐）垃圾中，同時還需加強預(yù)處理階段塑料類雜物的分選和產(chǎn)物中雜物的篩分。

圖2 機器成肥產(chǎn)物中的機械雜物含量Figure 2 Content of impurity substances in the machine composting product

3.2 污染物排放狀況

由表4 可知，機器成肥設(shè)備的噪聲測定值為59～68 dB，且波動不大，基本符合GB 3096—2008聲環(huán)境質(zhì)量標準的要求。而臭氣濃度波動較大（18～676），并非完全低于GB 14554—1993 惡臭污染物排放標準的臭氣限值。值得注意的是，B 組盡管也采取了噴淋塔和活性炭吸附集成技術(shù)來處理尾氣，臭氣排放濃度仍高過三級標準10 倍以上。對臭氣的去除效果不佳，推測是廢氣處理技術(shù)或管理存在問題。

表4 機器成肥設(shè)備臭氣排放濃度及噪聲監(jiān)測結(jié)果Table 4 Results of odor concentration and noise monitored from the machine composting equipment

就廢水指標而言，A 組水質(zhì)指標均達到了GB/T 31962—2015 污水排入城鎮(zhèn)下水道水質(zhì)指標的要求（B 級），故在研究所在區(qū)內(nèi)可納管排放。B 組、C 組、D 組和E 組的水質(zhì)指標，如COD、SS、BOD5、氨氮、總磷及動植物油，存在不同程度的超標，特別是E 組的6 個水質(zhì)指標（除pH）均超過標準限值的數(shù)倍至數(shù)百倍（表5）。因此，這些設(shè)備的廢水均不符合納管排放的要求。就廢水處理方法而言，A 組采用的是SBR 處理工藝，處理效果佳，而B 組和D 組未采取任何處理措施，C組的生物法處理效果同樣不達標。綜上所述，機器成肥的主要二次污染問題為臭氣和廢水，且當前采用的污染控制措施效果不佳，需優(yōu)化。

表5 機器成肥設(shè)備所排廢水的特性Table 5 Properties of wastewater discharged from the machine composting equipment

4 結(jié)論

機器成肥是一種能耗較高的餐廚（易腐）垃圾處理技術(shù)，但被證實尚未達到資源化的要求。機器成肥產(chǎn)物含水率極低，意味著該技術(shù)的減量化效果顯著，更適合于經(jīng)濟條件好但空間有限的區(qū)域。采用5 種處理方法于24 h 或7 d 內(nèi)獲得的機器成肥產(chǎn)物均未達到標準規(guī)定的腐熟度和生物穩(wěn)定性，因此，需二次堆肥后才可作為農(nóng)用有機肥料或者綠化用有機基質(zhì)。氯離子和重金屬超標現(xiàn)象幾乎不存在，而機械雜物含量普遍超標，或?qū)ξ磥碓摷夹g(shù)的發(fā)展構(gòu)成挑戰(zhàn)，需加強預(yù)處理階段的雜物分揀和產(chǎn)物的篩分，盡可能減少處理產(chǎn)物中雜物（特別是塑料類）的殘留。除噪聲外，餐廚垃圾機器成肥產(chǎn)生的廢水、廢氣幾乎都未達到污染物的排放標準，需優(yōu)化相關(guān)污染控制技術(shù)并加強管理。