农村有机废弃物分类收集管理及利用研究进展

摘要：农村固体有机废弃物主要分为农村生活垃圾、畜禽粪便废弃物和种植业固体废物。本文针对农村有机废弃物的来源与环境特点，以分类收集为基础，充分利用农村的巨大环境自净能力，采取各种措施就近分化处理最大量废物。

关键词：农村有机废弃物，废物种类，分类收集，处理技术

引言

随着农村社会经济和城镇化的快速发展,虽然农村区域面积逐年减小，但由于农村区域人口集中,经济活动频繁,农民生活和农业生产方式、农业生产结构发生深刻变化,各类作物秸秆及人、畜禽粪便产生量日益增大,而收集处理能力严重不足,造成农村固体废物乱堆、乱倒、乱放,污染环境的问题日益严重。农业生产中的农作物秸秆、菜根、菜叶、畜禽粪便、垫草、剩余饲料等固体废弃物的无组织堆置，不但占用了大量土地,腐败分解出氨气、二氧化碳、硫化氢、沼气等有害气体污染环境,而且造成资源的严重浪费。因此,固体废物的收集贮运及管理显得尤为重要。目前国内外研究较多的是城市垃圾的分类收集和资源化处理,而对农业固体废物的收集贮运则研究较少^[1-2]。农村环境问题直接关系到农村小康社会建设和广大人民群众的身体健康。我国农业人口众多,居住相对分散，环保意识淡薄,因此固体废物的分类收集、运输与管理难度较大。因此,如何在基于我国国情的条件下，按照当地经济社会条件,有重点地建设农村有机废物收运系统，有效开展畜禽粪便、农作物秸秆和生活垃圾等固体废物的无害化处理和资源化利用，实现农业生产与农民生活之间的物流、能流良性循环,是我们建设社会主义新农村、走可持续发展之路必须要解决的当务之急的问题。

1. 农村有机废弃物的种类及特性

1. 畜禽粪便废弃物

随着畜禽粪便养殖业规模的不断扩大，畜禽数量的增多，不可避免地带来畜禽粪便的增多，而且附带各种伴生物和添加物。畜禽粪便组分主要有粪便及其分解产物、伴生物和添加物^[3]。畜禽粪便中含有大量的有机物，且有可能带有病原微生物和各种寄生虫卵，如不及时加以处理和合理利用，将造成严重的有机污染和生物污染，成为环境公害，危害人畜的健康。

1. 农作物秸秆

我国的各类农作物秸秆资源十分丰富，总产量达7亿多t，其中稻草2.3亿t，玉米秆2.2亿t，豆类和秋作物秸秆1.0亿t，花生和薯类藤蔓、甜菜叶等1.0亿t。一般情况下，作物秸秆的组成元素中碳占绝大部分，主要粮食作物水稻、小麦、玉米等秸秆的含碳量占40%以上，其次为钾、硅、氮、钙、镁、磷、硫等元素^[4]。农秸秆的环境影响主要有侵占土地、污染河流、露焚烧影响空气质量。

1. 生活垃圾

 农村生态系统中生活垃圾的主要来源是:农村和城镇居民的生活垃圾。生活垃圾的成分主要是厨房废弃物(废菜、煤灰、蛋壳、废弃的食品)以及废塑料、废纸、碎玻璃、碎陶瓷、废纤维、废电池及其他废弃的生活用品等，组成十分复杂。农村生活垃圾较之城市生活垃圾，组成比例上有一定区别，有机物含量多，水分大，同时掺杂化肥、农药等与农业生产有关的废弃物，因此有其鲜明的特点，有害性一般大于城市生活垃圾^[5-6]。这些废弃物进入水体或渗入土壤中，不仅破坏生态环境，而且会经食物链积存在人体内，危害人类健康。

1. 农村有机固体废弃物的收集储运体系

我国农村地域广大，交通落后，各类废弃物的集中收运困难，对其进行分类收集后，可就地分化处理掉一部分，当地无法处理者再集中收运处理，这就减少了废物的运输量；分类收集使各组分相互分离，增加纯度，方便进行资源化、能源化和综合利用。

2.1 分类标准的建立

要对农村固废进行分类就先得有1个分类的参考标准。农民自己很难准确分辨各种废物及不同成分的危害。建立一个分类体系标准就很必要了。固废的分类方法很多。根据农村的实际情况，按处理与处置方式或资源回收利用的可能性把农村固体废物分为4类^[7-8]，每类包含的成分及相应的处理方法见表1。废物按此分类收集好后，再分别有针对性地进行处理，这样处理效率将大幅度提高。

表1 农村固体废弃物的类型及处置方向

废物类型	特点	组成成分	危害	处理方向
可堆肥类 （有机物）	易腐有机物主 要为厨余垃圾	厨余(净菜的垃圾、剩饭剩菜、其他残余食品等)，草木灰，植物残体(竹木、草等)	腐烂发臭，滋生细菌，蝇鼠猖撅，污染大气、土壤、水体毁坏村容	畜禽消纳，直接还田，堆肥作燃料生产沼气
惰性类 （无机物）	性质稳定、无机 物、不可回收	煤渣，建筑垃圾(砖瓦、石块、瓷片、混泥土等)、泥土	堵塞河道沟渠，侵占农田，破坏村容	修路，筑堤，建筑填土，填埋
可回收废品	可回收再利用	废塑料(重点:农用地膜)，纸，玻璃，金属废旧家具电器织物皮革橡胶	影响土壤质地，破坏村容、侵占农田、引发事故	经济刺激手段，畅通回收渠道、回收再利用
有害废物	有毒，易燃易爆 有腐蚀性等	农药瓶，过期药物，电池，灯管，油漆桶发胶罐、摩丝罐、废旧磁带光盘	影响农产品质量，可使人中毒引发事故、破坏村容	经济刺激手段，畅通回收渠道、回收再利用

2.2有机废弃物的分类储运

农村固体废弃物的重点和难点在于有机垃圾的处理，所以就需要根据有机固废特点的不同对其进行分类贮运，以有利于有机固废的资源化利用。农村地区有机废弃物的来源大致可分为3类:生活垃圾、养殖业固体废物和种植业固体废物。

2.2.1养殖业固体废弃物

养殖业固体废物主要有猪粪、鸡粪、牛粪及其他牲畜粪便，全是易腐易降解有机物，这类废物成分单一、数量大、易于收集、处理方便。它们富含农作物生长所需要的养分，经发酵可以成为良好的有机肥料，为当地农作物生长的最大有机肥来源。除粪便外，养殖业固体废物中还混有散落的饲料残食、其他垃圾和废物，但其量很少。从表2可以看出，鸡粪中有机物及氮磷成分含量最好，猪粪次之，牛粪最差^[9]。

表2 养殖业固体废物养分性质（%）

项目	含水率	有机物	挥发性固体	全N	全P	全K
鸡粪	66.9	45.0-58.0	59.1	2.7-4.0	1.9-3.4	1.7-2.9
猪粪	75.2	473.0-55.0	78.0	2.1-3.6	0.5-2.0	1.5-3.6
牛粪	78.0	73.4-85.0	79.4	1.9-2.4	1.4-1.6	0.9-1.2

由于养殖业废弃物中含有丰富的动植物生长必需的营养物质，所以对这类有机固体废弃物应该根据生态农业的养分循环模式，对其分层次分级进行重复利用，就近进行沼气发酵、加工成有机饲料或经堆肥形成优质的农用有机肥。

2.2.2 农作物秸秆

秸秆是一种具有多用途的工农业可再生资源，含有丰富的营养和可利用的化学成分，可用作肥料、饲料、生活燃料及工副业生产的原料。作物秸秆的收集贮运就围绕其在工农业生产中的用途进行。其中一部分被市场集中采购运输到生产基地进行工业化生产纤维性材料和饲料原料，收购量由市场决定。其余大部分则就近集中进行堆肥和秸秆燃料化处理，前者充分利用秸秆中丰富的氮磷钾和微量元素，处理后使其还田，提高土壤肥力，促进生产的连续循环；后者利用作物秸秆纤维中的碳，将其气化或固化成成型燃料，既解决了农村能源医乏的问题，又可以避免秸秆露天焚烧造成的资源浪费和大气污染问颗。

2.2.3生活垃圾

农村生活垃圾的成分与城市生活垃圾具有一定的相似性，主要为厨余、果皮纸屑、植物残体、灰渣和其他一些生活垃圾成分。与城市生活垃圾相比，剩菜饭较少，废品含量较低，塑料品、玻璃等较少，纸张含量较低，其中有毒物品如电池、油漆、化妆品等含量较少，但可能含有残留农药。灰渣成分中泥土的比例较高，燃煤家庭中有炉灰渣较多。厨余垃圾可由居民自己存贮由附近农民运回作牲畜饲料，其他垃圾由居民户内分类收集存放，公共的垃圾统一收运后进行人工分选，剩余有机物进行堆肥回用于附近农田，相连的乡镇可联合处理收运的垃圾。

3 我国农村有机废弃物处理技术

我国农村有机废弃物处理与资源化技术主要是沿用城市生活垃圾处理处置的技术模式，重点关注末端处理处置环节。面对农村日益增长的有机废弃物和高额的垃圾清运费用，源头减量和就地资源化利用需求极为迫切。垃圾分类收集是一种对于垃圾不同组分物流的分类管理，分类后采用的处理技术也是针对各类垃圾特性发展而来。农村有机废弃物资源化处理是将废物变无用为有用，变有害为有利，无论是在保护资源、节约能源方面，还是在防治污染、保护环境方面都具有重要意义。一是可以大大降低处理成本，减少投入；二是可以节约资源，产生一定的经济效益；三是可以有效地改善农村生态环境。不管农村生活垃圾最终采用哪种处理处置或资源化利用的方式，有机废弃物分类收集均是其他处理方式的前提，也是实现农村垃圾减量化、资源化和无害化的重要措施。同时，在选择农村有机废弃物处理技术时，应充分考虑每一种处理技术对当地农村的适应性，通过技术和经济的对比分析，采用合适的处理技术，最终实现环境和经济上的双重效益。针对当今垃圾处理技术和我国农村经济发展现状，农村有机废弃物处理技术的选择应重点考虑如下条件:一是技术成熟可靠且具有针对性；二是处理设施简单；三是投资省；四是运行维护方便；五是运行费用低。下面将适用于我国农村的有机废弃物处理的相关技术予以介绍。

3.1有机易腐烂生活垃圾堆肥处理

农村生活垃圾以村委会为单位统一收集，源头分拣，根据不同特点采取不同的无害化处理方式。有机易腐生活垃圾主要包括剩余饭菜、树枝花草等植物垃圾，通常采取堆肥技术进行资源化利用。家庭堆肥处理可在庭院或农田中采用木条等材料围成约1m³的空间堆放可生物降解的有机垃圾，堆肥时间不宜少于2个月。庭院里进行家庭堆肥处理可用土覆盖。村庄集中堆肥处理，宜采用条形堆肥方式，在底部铺有0. 1m厚碎石的堆肥场地，把可堆肥物堆置成条垛状，进行高温堆肥处理，时间不宜少于2~3个月。条形堆肥场地可选择在田间，田头或草地、林地旁。腐熟后的堆肥，采用孔径为25mmX 25mm的钢丝网筛进行人工筛分，筛下物即为成品堆肥。筛上物可降解残渣作为堆肥的接种物进行循环处理，基本均能降解至符合筛分要求，且不产生额外的废弃物，技术流程如图1所示。设置人畜粪便沼气池的村庄，可将可生物降解的有机垃圾粉碎后与畜粪混合处理。

图1 农村生活垃圾资源化处置技术

堆肥总周期 42d (6 周 ) ，前 14d (2 周 ) 每天翻堆一次进行通风供氧，后 28d (4 周 ) 每周翻堆一次。前两周不翻堆时，用农用塑料膜覆盖堆体以保温；后四周不进行覆盖 ( 降雨和夜晚除外 ) ，以充分利用自然通风供氧并干燥水分。在堆肥过程中物料含水率和有机物含量持续下降，总氮含量在前 14 天下降明显，可能与高温条件下氨有一定的挥发有关， 14 天后稳定或略有上升，则说明在腐熟阶段，温度降低后，氨挥发受到限制，而有机物继续降解使物料总质量降低，可能相对增加了干物料中的氨含量。源头分拣避免了堆肥过程中有毒有害垃圾的混人，使其重金属含量低于土壤环境质量标准的三级限值。堆体样品的有机物、含水率和总氮随时间变化情况见表 3 。

表3 农村生活垃圾堆肥过程中堆肥物料组分变化情况

堆肥时间/d	1	7	14	32
含水率	48-62	29-52	37-46	32-38
干样有机物含量	33-49	24-43	24-33	20-29
干样总氮含量	1.2-2.9	1.1-2.9	1.0-1.5	1.4-2.0

3.2有机质生活垃圾热解处理技术

农村生活垃圾热解处理主要是利用垃圾中有机物的热不稳定性，在无氧或缺氧的条件下，发生一系列复杂、连续的化学反应(有机物裂解、异构化、小分子聚合、桥键分解等)，最终使大分子有机物转化成小分子量的可燃气体、液体燃料和焦炭等，具体不同类型垃圾、不同反应条件，其热解产物及组分存在一定差异。热解工艺主要包括进料系统、热解反应器、净化系统、控制系统四部分，按照加热方式可分为直接和间接加热法；按热解温度可分为高温、中温、低温热解法;按照反应器类型可分为固定床、流化床、移动床等热分解法，其中，移动床热分解法是农村、小城镇生活垃圾热解处理最成熟的技术。

（1）生活垃圾热解处理工艺流程 图2为生活垃圾热解工艺流程，将混合生活垃圾经过破碎、磁选、风选、干燥、筛分等预处理后，筛上物进一步粉碎通过进料系统进人热分解反应器，部分工艺配置了热解反应器的产气和送气装置，热解后经过各级回收、净化系统后，分别得到气、固、液三种形态的热解产物。

图2 生活垃圾热分解工艺流程图

（2）热解工艺主要控制参数 由于生活垃圾组分相对复杂，热解工艺主要通过一系列化学反应完成，故热解效率及产物组分特性受到诸多因素影响:①工艺温度控制。主要包括反应温度、升温速率、保温时间，是热解工艺最重要的控制因素之一。一般来说，热解温度与热解气体产量成正比，与液体燃料和固体残渣产量成反比。其次，升温速率快慢也会对热解产物产生影响，例如在高温高速加热条件下，产物中气体组分增加，而低温低速加热条件下，固体产物含量较多。当以一定升温速率达到热解温度后，维持--定时间的反应温度可以使垃圾物料有效分解和转化，保温时间越长，热解过程也就越充分，但需要结合实际处理量及经济性做出权衡。②进料垃圾组分特性，包括垃圾本身及预处理后的特性。热解垃圾中有机物占比与其热解性能成正比，通过增加有机物比例可以有效降低热解过程能耗、缩短热解反应时间及增加工艺产量。此外，垃圾本身或经过不同程度、不同方式预处理后的特性(例如适当破碎减小其粒径、干燥降低其含水率等)会通过影响传热传质过程影响热解效果。③热解反应器类型。不同反应器其燃烧床条件、物料-气体流方式不同，例如固定燃烧床处理量大、流态燃烧床温度可控性好，物料气体逆流式进行可提高有机物转化率、物料-气体顺流式则加快热解过程等。④其他工艺条件。主要指供氧量、物料停留时间等。缺氧条件下进行的热解反应可以通过适宜供氧使有机物氧化从而提供热能，而进料垃圾的热解停留时间

需要兼顾热解效率和设备处理能力，以得到最佳工艺条件。

（3）典型热解反应器 热解工艺设备种类繁多，其反应器类型主要有固定燃烧床反应器、流化床反应器、移动床、旋转窑、双塔循环式热解反应器等。在固定床反应器中，筛分、破碎处理后的预固体废物从反应器上部加入，预热的空气或氧气从下部输人，物料与空气界面温度93~315°C，通过燃烧床向下移动。产物主要是底部的熔渣或灰渣，以及顶部的气体，气体经冷却洗涤后可做燃气使用。

3.3降解干废物与生活污水共处置技术

我国农村生活污水排放面广、排放点分散、排放量增长快、有机物浓度高、排放不均.匀，难以集中处理。在各种农村生活污水处理技术中，生物膜法以其投资费用低、管理维护方便、处理效率高、占地面积小、出水水质好和无污泥膨胀问题等优点越来越受到人们的重视。生物膜法包括生物滤池、生物转盘、生物接触氧化池、曝气生物滤池及生物流化床等工艺形式，其共同特点是微生物附着生长在填料表面，形成生物膜，污水与生物膜接触后，污染物被微生物吸附转化，污水得到净化。填料作为生物膜反应器中微生物的载体，影响着微生物的生长、繁殖和脱落，因而对反应器的运行效果具有十分重要的影响。目前在生物膜法污水处理中常用陶粒、活性炭、沸石和高分子填料等作为生物膜载体，存在的问题是这些人工填料对于农村或经济欠发达地区来说成本偏高，而且可能对环境造成破坏。

筛选农村生活垃圾中难降解的于废物制备适合微生物附着的载体填料，就地用于农村生活.污水处理，有利于节约农村生活污水处理的经济成本，加强农村生活垃圾资源利用率。利用来源广泛的棉布、麻布、绒布和棉布与涤纶的混纺布制备生物接触氧化池填料时，粗糙度小的材料不能作为填料使用，填料表面粗糙度及孔隙率直接影响挂膜量，但可通过改性增加微生物的附着量。农村的农林废弃物也可用于制备微生物载体填料。稻草作为碳源和生物膜载体填料可去除水中的硝酸盐，稻壳填料曝气生物滤池可处理生活污水。丝瓜络做填料的生物质生物膜反应器与复合垂直流人工湿地系统可处理高氮低碳污水。秸秆、木屑和核桃壳等做生物滤池载体可去除废水中的硝酸盐氮。椰糠填料用于人工湿地处理制胶废水时，可去除COD、氨氮以及TP等，且具有良好的透气性，可促进有机物降解的作用，椰糠填料孔径较大，复氧能力强，有利于硝化反应的进行，同时微生物的吸收同化对NH3-N也有一定的去除效果。

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