文章出版：《环境工程》2017年第7期。
文 王瑜堂1,2 岳 波1 吴小卉1 黄启飞1 张 军2 李志龙1 於俊颖1
1. 中国环境科学研究院,北京 100012;
2. 桂林理工大学 环境科学与工程学院,广西 桂林 541004
垃圾堆肥可显著减少土壤中有效Cr含量
但长期使用导致的土壤重金属积累
仍不可忽视!
研究表明: 我国典型村镇生活垃圾含水率为( 53. 68 ± 8. 84) %,pH 为7. 11 ±0. 56,有机质含量为 ( 49. 04 ± 10. 49 ) % ,C / N 约为 43 ∶ 1 ,C / P 约为 144 ∶ 1 。除 C / N 略高外,其 余特性均适合进行堆肥化处置。我国典型村镇生活垃圾中重金属As、Hg、Pb、Cd、Cr,Cu 和 Zn 含量分别为( 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。
与国内相关标准相比,只有 Hg、Cd 超标,最大超标率分别为 29. 17% 、43. 75% ; 与欧美相关标准相比,仅有 Cd、Cr 超标,最大超标率分别为 25. 69% 、37. 50% 。
据统计,我国每年约产生 3 亿 t 农村生活垃圾。由于农村生活垃圾收集处理基础设施和体制远远落后于城市,致使村镇生活垃圾随意堆放,给农村带来了各种环境问题。
虽然在我国一些地区实行了生活垃圾“村收集—镇( 乡) 转运—县( 区) 处理”的模式,但由于经济成本等因素制约,效果并不理想。
用堆肥法就地处理农村生活垃圾不但成本低,可以变废为宝,还能节约垃圾填埋场占地问题 ,并减轻垃圾焚烧对大气的污染。生活垃圾堆肥具有提高土壤养分,优化泥土的理化性质,增强土壤微生物代谢活动的优点,而且生活垃圾堆肥能够改善土壤污染,避免水土流失。
Shen等研究表明: 连续施用垃圾堆肥能提高土壤的 C、N、P 含量以及土壤 pH 值。李友宏等进行了银川市城市生活垃圾处理及利用效果的研究,结果表明,施用垃圾堆肥可使水稻、甜菜和 玉米较空白对照分别增产 19. 7% 、29. 6% 和 34. 3% ,而施用垃圾复合肥可使水稻、甜菜和玉米较单独施用堆肥增产61. 8% 、55. 3% 和 36. 2% 。黄启飞等运用二次通用旋转组合试验设计,通 过模拟土培试验,进行了垃圾堆肥对 Cr 污染土壤的修复机理研究,结果表明,垃圾堆肥可显著减少土壤中有效 Cr 含量,但长期使用导致的土壤重金属的积累仍不可忽视。
01
材料与方法
采样点布置
在全国 12 个省份进行村镇生活垃圾采样调查,包括南方 6 个省份( 广东、湖南、安徽、湖北、上海、重庆) ,北方 6 个省份( 北京、河南、山东、甘肃、黑龙江、吉林) ,其中每个省市选择 1 个采样地区,每个地区根据经济水平,产业类型等因素选取 3 个典型乡镇采样,每个乡镇设集镇中心和周边农村 2 个采样点,共计 72 个采样点。采样地点布置如图 1 所示。
采样与分析方法
将生活垃圾搅拌均匀后堆成圆形,将其十字 4等分,然后随机舍弃对角的 2 份,余下部分重复进行前述铺平并分为 4 等分,舍弃 1 /2,直至垃圾量能够装满 4 个 100 L 大桶,现场称重,测定生活垃圾容重。
将带回实验室的垃圾样品中大粒径物料破碎至100 ~ 200 mm,然后将各种成分分别放在干燥的容器内,置于电热鼓风恒温干燥箱( 105 ± 5) °C 下烘干 4 ~8h,待冷却0.5h后称重。重复烘干1~2h,冷却0. 5 h 后再称重,重复直至两次称量之差小于样品质量的 1% 。用研磨仪将烘干后的样品研磨至 0. 5 mm以下,用于各个项目的测定。测定项目与方法见表 1。
02
结果与分析
典型村镇生活垃圾堆肥指标分析
堆肥是生活垃圾资源化利用的一种有效手段,可有效改变土壤的物理性能和结构,为农作物的生长提供必需的 N、P、K 等元素。堆肥的关键就是如何更好地满足微生物生长和繁殖所必须的条件,我国农村典型村镇生活垃圾的理化性质如图 2 所示。
在堆肥过程中,生活垃圾含水率过低,会抑制好氧微生物的繁殖; 含水率过高,则会堵塞堆肥物质的空隙,空气难以进入影响通风。李国学等认为: 垃圾堆肥过程中微生物分解的最佳含水率为 50% ~60% ,而我国典型村镇生活垃圾的含水率为53. 68%,在该最佳范围内。pH 过高或者过低都会使微生物的降解速率降低,有机废物发酵过程适宜的pH 值为 6. 5 ~ 7. 5,我国典型村镇生活垃圾的pH为 7. 21,亦在最佳范围内。有机质的含量太低,不能为嗜热菌繁殖提供足够碳源与能源,难以维持高温发酵; 有机物含量过高,则会需要大量氧气,否则会发生厌氧反应,根据 DB 11 /272—2014《生活垃圾堆肥场运行管理规范》,适合堆肥的垃圾有机质含量应在40% 以上,而我国典型村镇生活垃圾的有机质含量为49. 04% ,亦在该最佳范围内。
生活垃圾在堆肥的时候需要保持适宜的碳氮比(C/N) (20% ~40%),C/N过低或过高都不利于嗜氧菌的生长繁殖,典型村镇生活垃圾C/N为43∶1,略高于最佳范围。此外,磷对微生物的生长也有很大影响,在实际操作中经常将含有大量磷的污泥添加到生活垃圾中进行混合堆肥,以获取适宜的碳磷比( C/P,75% ~150%) ,而我国典型村镇生活垃圾的 C/P 为 144∶ 1,亦在最佳范围内。
典型村镇生活垃圾中重金属含量分析
生活垃圾堆肥无害化程度较高,减量化效果较为明显,但其在 补充作物生长必需营养元素的同时,不可避免地将一些有毒有害物质,如重金属带入到土壤中。本研究测定了我国典型村镇生活垃圾中的 7 种重金属含量,如图 3 所示。
由图 3 可以看出: 典型村镇生活垃圾重金属含量Cr>Zn>Cu>Pb>As>Cd>Hg。其中,As含量在0~89.866 mg/kg,平均值为7.645 mg/kg;Hg含量在0. 03 ~ 4. 337 mg / kg,平均值为 0. 737 mg / kg; Pb 含量在0.043~169.151 mg/kg,平均值为21.798 mg/kg;Cd含量在 0.074 ~ 107.002 mg/kg,平均值为3. 3 5 6 m g / kg ; Cr 含量在 8. 944 ~ 1569. 095 mg / kg ,平均值为108.632 mg/kg;Cu含量在3.221~152.548 mg/kg,平均值为36.834 mg/kg;Zn含量在3.155~945.113mg/kg,平均值为80.093 mg/kg。
国内生活垃圾堆肥重金属限量标准
为了对我国农村生活垃圾堆肥重金属含量做出准确客观评价,参考 NY 525—2011《有机肥料新标准》、GB 8172—1987《城 镇 垃 圾 农 用 控 制 标 准 》、GB 15618—2008《土壤环境质量标准》进行评价,如表 2 所示。我国典型村镇生活垃圾重金属与 NY 525—2011相比,只有 Cd 含量超标 1. 12 倍,As、Hg、Pb、Cd、Cr分别有 86. 11% 、89. 58% 、91. 67% 、84. 03% 、85. 42%的样品低于标准。我国典型村镇生活垃圾重金属含量同 GB 8172—87 相比,只有 Cd 含量轻微超标,Cd超标 1. 12 倍,生活垃圾中的 As、Hg、Pb、Cd、Cr 分别有 93. 58% 、98. 26% 、96. 56% 、85. 71% 、97. 91% 的样品低于标准限值。同 GB 15618—2008 相比,只有Hg和Cd 超标,其中 Hg 超标1.47 倍,Cd 超标6.71倍,As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 分别有 95. 37% 、70. 83% 、96. 53% 、56. 25% 、95. 83% 、99. 31% 、97. 91%低于该标准限值。
欧美国家堆肥重金属含量限制标准
我国典型村镇生活垃圾重金属含量与欧美国家相关标准(表 3) 相比,Hg 含量均低于欧美国家标准,以 Hg 含量的最低值 0. 8 mg / kg 为标准,我国典型村镇生活垃圾中有 86. 11% 样品中的 Hg低于该标准。Pb 的含量均低于欧美国家标准,以 Pb 含量的最低值140mg/kg为标准,97.92%的生活垃圾样品中的 Pb 低于该标准。Cd 的含量均高于欧美国家的标准,若以3mg/kg为标准,我国典型村镇生活垃圾中有84.72%的Cd低于标准;若以2 mg/kg为标准,我国典型村镇生活垃圾中有 80. 56% 的 Cd 低于标准;若以1.5mg/kg为标准,则有74.31%的垃圾样品中Cd 含量低于标准。Cr 的含量高于意大利和德国标准,超标 1. 09 倍,低于加拿大、瑞士、荷兰的标准,以最低值 100 mg / kg 为标准,我国典型村镇生活垃圾中有 62. 5% 的 Cr 低于该标准。Cu 的含量均低于欧美国家标准,以最低值 100 mg / kg 为标准,我国典型村镇生活垃圾中有 99. 31% 的 Cu 低于标准。Zn 的含量均低于欧美国家标准,以最低值 90 mg / kg 为标准,我国典型村镇生活垃圾中有 67. 36% 样品的 Zn 低于标准。
我国村镇生活垃圾堆肥的可行性分析
研究发现,我国典型村镇生活垃圾除了 C/N 略高之外,其余指标均符合堆肥最佳条件。而 C/N 较高会使微生物必须经过多次生命循环,氧化掉过量的碳,直到达到一个合适的 C / N 供其进行新陈代谢,延长发酵时间。而且堆肥的产物施用到土壤后,会夺取土壤中的 N 元素,造成“氮饥饿”,影响堆肥制品质量,但可以通过添加粪便或氮肥水进行调节。由此,生活垃圾 C / N 略高的问题可以经济有效地解决,我国农村生活垃圾在肥效方面具有堆肥潜力。
我国典型村镇生活垃圾重金属含量与国内相关标准相比,只有 Hg 和 Cd 超标,与欧美国家相比,只有 Cd、Cr 超标。谢思琴等的研究发现: 若单独施加垃圾肥会使得蔬菜中重金属的累积量增加,但若在施肥同时加入 0. 5% ~ 1% 的 CaCO3 可以有效解决问题; 与单独施加垃圾肥相比,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%。李七伟等研究表明:堆肥处理对垃圾中重金属总量减少的影响较小,但会使得垃圾中铁锰氧化物结合态Cd 比例提高 8. 7% ,有机结合态 Cr 增加 26. 7% ,Hg、Pb、As 则表现为残渣态比例上升。
总体而言,我国农村生活垃圾重金属含量较低,具有较好的堆肥化潜力,但鉴于重金属有难迁移、容易富集、危害大等特点,仍需重点关注。
03
结论：我国村镇生活垃圾具有一定肥效
重金属含量相对较低
具有较好的堆肥化潜力
1) 典型村镇生活垃圾的含水率为( 53.68 ±8. 84) %、pH 为 7. 11 ±0. 56,有机质含量为( 49. 04 ±10.49)%,C/N为43∶1,C/P为144∶1,除了C/N略高,其余特性均适合进行堆肥化处置。
2) 典型村镇生活垃圾的重金属含量较低,As、Hg、Pb、Cd、Cr、Cu、Zn 含量分别为( 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,与国内相关标准相比,只有 Hg、Cd 超标,最大超标率分别为 29.17%、43. 75% ; 与欧美相关标准相比,只有 Cd、Cr 超标,最大超标率分别为 25. 69% 、37. 50% 。
3) 总体上,我国村镇生活垃圾具有一定肥效,重金属含量相对较低,具有较好的堆肥化潜力。堆肥化处置过程中可以适当添加粪便、氮肥水等进行 C/N比调节。此外,考虑到少数重金属超标的风险,堆肥前应尽可能对垃圾进行分选分类。堆肥产品亦适合于非农用土地的土壤改良。
