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我国 6 个典型村镇生活垃圾的理化特性研究 * 岳波1张志彬1, 2黄启飞1李海玲1孙英杰2 1. 中国环境科学研究院, 北京 100012; 2. 青岛理工大学环境与市政工程学院, 山东 青岛 266033 摘要 分别选取我国东、 中、 西部三个地区的 6 个典型村镇, 分析测试了生活垃圾的组分、 容重、 pH 值、 含水率、 有机质 含量等理化特性。结果表明 重庆市板桥镇和湖北省麻城市铁门岗乡的生活垃圾主要以灰土为主, 分别为 49. 87 和 50. 50; 北京市九渡河镇的生活垃圾主要以厨余 36. 84 为主; 重庆市板桥镇、 麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇 生活垃圾的容重分别为 210. 17, 224. 77, 166. 93 kg/m3, 含水率分别为 44. 2、 40. 6 和 45. 9; 生活垃圾样品的 pH 值在 8. 11 ~9. 09, 整体上呈现弱碱性; 电导率变化为 714. 0 ~ 1 375. 5 μS/cm, 平均值为 926. 7 μS/cm; 热值变化为 2 401 ~4 556 kJ/kg, 平均值为 3 606 kJ/kg, 且重庆市板桥镇 4 429 kJ/kg> 麻城市铁门岗乡 3 504 kJ/kg> 北京市 九渡河镇 2 886 kJ/kg ; 重庆市板桥镇、 麻城市铁门岗乡和北京市九渡河镇生活垃圾的有机质含量分别为 25. 13、 21. 15和 32. 54; 垃圾样品的总磷和总氮平均含量分别为 0. 21和 0. 49。 关键词 村镇生活垃圾; 组成组分; 容重; 热值; 有机质含量 DOI 10. 13205/j. hjgc. 201407023 STUDY ON THE PHYSICO- CHEMICAL PROPERTIES OF LIVING SOLID WASTE IN SEVERAL TYPICAL VILLAGES AND TOWNS IN CHINA Yue Bo1Zhang Zhibin1, 2Huang Qifei1Li Hailing1Sun Yingjie2 1. Chinese Research Academy of Environmental Sciences,Beijing 100012,China; 2. Qingdao Technological University,Qingdao 266033, China AbstractSix typical villages and towns were selected in this study,which were respectively located in the East,the Central and the West of China. The physic- chemical properties of Living Solid Waste LSW ,such as component,bulk density,pH value,moisture content,organic matter content,were tested. The results showed that the LSW of Banqiao Town,Chongqing and Tiemengang Town,Macheng city,Hubei province were mainly composed by soil waste,respectively 49. 87 and 50. 50,while the LSW of Jiuduhe town,Beijing were mainly composed by food waste about 36. 84 . The bulk densities of LSW from Banqiao Town,Tiemengang Town and Jiuduhe Town,were 210. 17,224. 77 and 166. 93 kg/m3,and the moisture content were 44. 2, 40. 6 and 45. 9. The pH values of LSW varied in the range of 8. 11 ~ 9. 09,which was weak alkaline. The conductivity varied from 714 μS/cm to 1 375. 5 μS/cm,the mean value was at 926. 7 μS/cm. Calorific value ranged from 2401 to 4 556 kJ/kg,the average value was 3 606 kJ/kg,and the Banqiao Town 4 429 kJ/kg> Tiemengang Town 3 504 kJ/kg> Jiuduhe Town 2 886 kJ/kg . Organic matter content of LSW in Banqiao Town, Tiemengang Town and Jiuduhe Town were 25. 13、 21. 15 and 32. 54,respectively. The average total phosphorus and total nitrogen content were 0. 21 and 0. 49. Keywordsliving solid waste in villages and towns;components;bulk density;calorific value;organic matter content * 国家科技支撑计划课题 2014BAL02B01 ; 中国科学院战略性先导科 技专项 XDA05020601 。 收稿日期 2013 -10 -13 0引言 我国村镇居民的生活水平不断提高, 截止到 2011 年底, 我国农村居民人均收入为 5 221 元, 比 2010 年增长 19. 15[1 ]。与此同时, 乡村和集镇的居 民对环境质量的要求也越来越高。目前, 我国村镇的 环境污染主要表现为生活垃圾污染和畜禽养殖业污 染。其中, 生活垃圾环境污染问题日益凸显, 亟待解 501 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 决。据住建部估算, 2008 年我国建制镇与集镇生活 垃圾产生量约 5 000 万 t, 村庄生活垃圾产生量约为 11 600 万 t[2 ]。同时, 随着农村城镇化进程的加快, 村镇生活垃圾的组成特性也发生了巨大的变化。 目前, 科研人员已针对部分农村地区生活垃圾理 化特性开展了相应的研究。李悦等于 2005 年研究了 沈阳市 5 个典型农村的生活垃圾, 发现该区域农村生 活垃圾含水率变化为 6. 75 ~73. 04, 有机质含量 变化为 18. 0 ~ 59. 0[3 ]; 陈昆柏等于 2008 年研究 了浙江省 11 个地区农村生活垃圾的热值及含水率, 其结果显示生活垃圾的热值为 8 000 ~12 000 kJ/kg, 含水率变化为 40. 2 ~ 64. 7[4 ]; 张静等[5 ]于 2009 年研究了海南省农村生活垃圾的产生特征, 该地区生 活垃圾物理组分中厨余占 16. 4, 果皮 17. 6, 植物 残余 6. 4, 砖石 2. 1, 灰渣 23. 0, 塑料 13. 3, 纸类 7. 7, 织物 1. 1, 玻璃 3. 9, 金属 0. 7, 其 他成分占 5. 5, 有害成分占 0. 1。 我国广大农村地区受到人口密度、 经济条件、 资 源环境等方面的限制, 目前生活垃圾的主要处理方式 还是简易堆存、 随意倾倒和焚烧等[6 ]。在少数经济 相对发达的地区, 村镇生活垃圾已实行了村收集镇 转运县 市 处理的模式, 但研究数据显示, 我国乡 村和集镇每年仍有约 1 亿 t 生活垃圾处于随意堆存 状态 [7 ]。黄招梅等人于 2011 年在对河源市 54 个行 政村调查中发现, 只有 7 个行政村设有垃圾收集池, 其余 47 个行政村没有收集设施, 垃圾均是乱堆乱 放 [8 ]。因此, 村镇生活垃圾的不合理处理必将对村 镇周边的环境造成严重危害。 目前, 我国绝大多数区县已具备了相应的生活垃 圾处理设施, 县城的生活垃圾污染逐步得到治理, 因 此村镇生活垃圾的处理逐渐成为了我国农村地区生 活垃圾污染防治的重点内容。由于我国幅员辽阔, 不 同区域村镇及其生活垃圾的特性存在显著差异, 而生 活垃圾的理化特性是选择垃圾最优化处理处置技术 路线的前提。目前农村生活垃圾开展的相关研究主 要针对特定流域和区域中的自然村开展, 而针对自然 村和建制镇生活垃圾理化特性的研究还相对较少, 同 时我国农村的组织形式决定了生活垃圾问题的解决 往往需要以村镇 乡村和集镇 为单位。基于上述原 因, 本文分别在我国东、 中、 西部 3 个地区选择了典型 村镇作为研究对象, 比较分析了各地区村镇生活垃圾 的组分及基本理化特性, 旨在为掌握村镇生活垃圾的 区域差异、 合理的处理处置技术及环境管理提供数据 支持。 1研究方法 1. 1采样地区 采样选择我国东部、 中部和西部的 6 个典型村 镇, 分别是重庆市永川区板桥镇及龙门滩村, 湖北省 麻城市铁门岗乡及蔡大村, 北京市怀柔区九渡河镇及 杏树台村 非旅游接待村镇 。采样时间为 2013 年 5 月 1330 日。 1. 2采样方法 每个典型村镇选择 5 个垃圾堆放点或者垃圾池, 每个点采集新鲜生活垃圾样品约 50 kg, 混匀后进行 容重及组分的测定, 最后以四分法缩减垃圾样品至 25 kg 左右, 储存于便携式冷藏箱带回实验室分析, 具 体采样方法参考 CJ/T 30391995城市生活垃圾采 样和物理分析方法 。 1. 3分析方法 分析指标包括 垃圾的含水率、 pH 值、 电导率、 有 机质、 总有机碳 TOC 、 总氮 TN 、 总磷 TP 、 重金 属等。其中, 以新鲜垃圾样品测定 pH 值 玻璃电极 法 、 电导率 DDS- 11A 型电导率仪 和含水率 70 ℃ 烘干称重法 等指标。将部分样品放在通风处自然 风干, 剔除其中无机废物 如金属、 砖瓦、 石块和玻璃 等 和难降解有机废物 如橡胶和塑料等 , 剩余物用 球磨机破碎至 20 目以备后续分析。 有机质含量的测定参考 CJ/T 961999城市生 活垃圾有机质的测定 - 灼烧法 , 每个样品设定 3 个 平行实验。有机碳含量则根据有机质含量的 47 进 行估算 [9 ]。 垃圾样品热值的测定参照 CJ/T 30391995 中 氧弹式量热仪法测定。 垃圾样品中总磷测定方法参考 CJ/T 1041999 城市生活垃圾全磷的测定 - 偏钼酸铵分光光度 法 ; 总氮的测定采用半微量凯氏定氮法。 2结果与分析 2. 1生活垃圾组分 影响生活垃圾组分的因素较多, 如地理条件、 居 民生活水平、 生活习惯、 燃料结构、 季节等。我国几个 典型村镇生活垃圾的组成成分如图 1 所示。 我国典型村镇生活垃圾各组分的平均含量见 图 1a。由图 1a 可知 我国典型村镇生活垃圾样品中 主要以灰土为主, 占垃圾总量的 43. 54, 远高于我国 601 环境工程 Environmental Engineering 图 1我国 6 个典型村镇的生活垃圾组成组分 Fig.1The LSW component of six typical villages and towns in China 一些大中城市如上海 2. 23 、 广州 5. 00 [10 ]; 其次为厨余占总量的 19. 78, 低于我国城市生活垃 圾的平均值 50. 32[11 ]; 再次为塑料, 占 14. 36; 其 他组分含量较低, 均在 10 以下, 其中有害类最少, 仅占总量的 0. 76。各组分含量由大到小依次为 灰土 > 厨余 > 塑料 > 纸张 > 砖瓦 > 布类 > 玻璃 > 木 竹 > 金属 > 有害类。 重庆市永川区板桥镇生活垃圾组分平均含量见 图 1b。由图 1b 可知 重庆市板桥镇生活垃圾主要以 灰土为主 占 49. 87 ; 其次为厨余 占 14. 94 ; 再次为塑料 占 14. 73 ; 其他组分含量较低, 其中 金属最低 占 0. 47 。根据各组分含量由大到小依 次为 灰土 > 厨余 > 塑料 > 纸张 > 布类 > 玻璃 > 砖瓦 > 木竹 > 有害类 > 金属。与重庆市主城区生活垃圾 组分[12 ]相比较, 厨余含量远远低于主城区的均值 59. 2 , 塑料率低于主城区的均值 15. 7 , 纸张 则高于主城区的均值 10. 1 。 湖北省麻城市铁门岗乡生活垃圾组分的平均含 量见图 1c。由图 1c 可知 铁门岗乡生活垃圾主要以 灰土为主 占 50. 50, 高于武汉市生活垃圾的均值 35[13 ] , 其次为塑料 占 15. 16 , 再次为厨余 占 12. 38 , 其他组分含量较低, 其中有害类最低 占 0. 38 , 这主要与当地的燃料结构以烧柴草和煤为 主有关。此外, 各组分含量由大到小依次为 灰土 > 塑料 > 厨余 > 纸张 > 布类 > 玻璃 > 木竹 > 砖瓦 > 金属 > 有害类。 北京市怀柔区九渡河镇生活垃圾组分的平均含 量见图 1d。由图 1d 可知 九渡河镇生活垃圾主要以 厨余为主 占 36. 84, 低于北京城市生活垃圾的均 值 56. 01[10 ] , 其次为灰土 占 23. 91, 远远高于 北京城市生活垃圾的均值 2. 79[10 ] , 再次为塑料 占 12. 81 , 其他组分含量较低。各组分含量由大 到小依次为 厨余 > 灰土 > 塑料 > 砖瓦 > 布类 > 纸张 > 玻璃 > 金属 > 木竹 > 有害类。 比较 3 个地区典型村镇生活垃圾的组分可知, 厨 余含量 九渡河镇 > 板桥镇 > 铁门岗乡。灰土、 塑料 和木竹含量 铁门岗乡 > 板桥镇 > 九渡河镇。布类和 砖瓦含量 九渡河镇 > 板桥镇 > 铁门岗乡。金属和玻 璃含量 铁门岗乡 > 九渡河镇 > 板桥镇。 2. 2容重、 pH 值、 含水率和电导率 本研究中 6 个典型村镇生活垃圾的容重、 pH 值、 含水率和电导率见图 2。 由图 2a 可知 典型村镇生活垃圾的容重变化为 142. 26 ~ 236. 70 kg/m3, 平均容重为 200. 62 kg/m3。 701 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 图 2我国 6 个典型村镇生活垃圾的容重、 pH 值、 含水率和电导率 Fig.2The LSW bulk densities, pH values, moisture contents and conductivities in six typical villages and towns in China 其中, 生活垃圾的容重麻城市铁门岗乡 224.77 kg/m3 > 重庆市板桥镇 210. 17 kg/m3> 北京市九渡河镇 166. 93 kg/m3 , 这与研究地区村镇生活垃圾无机组 分的含量相关。考虑到灰土、 砖瓦等无机组分的主要 贡献者, 以灰土和砖瓦的总量进行考量, 发现无机组 分含量顺序为铁门岗乡 占 53. 09> 板桥镇 占 52. 24> 九渡河镇 占 35. 43 , 这造成了地区间 容重的差异, 这与张艳等 [14 ]的研究结论一致。 由图 2b 可知 典型村镇生活垃圾的 pH 值在 8. 11 ~9. 09, 平均值为 8. 55, 整体上呈现弱碱性。 由图 2c 可知 典型村镇生活垃圾含水率在 38. 1 ~46. 1, 平均值为 43. 6, 低于城市生活垃 圾的含水率均值 约 50 [15 ]。含水率由高到低依 次为 九渡河镇 45. 9> 板桥镇 44. 2> 铁门 岗乡 40. 6 。有研究表明 [14 ], 燃料结构是影响生 活垃圾含水率的一个重要因素, 即燃煤区要低于燃气 区。现场调研发现, 麻城铁门岗乡燃料结构以烧柴草 和煤为主, 重庆板桥镇以煤和燃气相结合, 而北京九 渡河镇以燃气为主, 且其厨余垃圾含量较高, 这可能 是导致各村镇含水率高低差异的主要原因。此外, 不 能忽略当地气候、 降水等因素的影响。 由图2d 可知 3 个地区典型村镇生活垃圾电导率 变化范围为 714 ~ 1375 μS/cm, 均值为924. 3 μS/cm。 电导率由大到小依次为九渡河镇 1 190 μS/cm >板桥镇 816. 3 μS/cm> 铁门岗乡 766. 8 μS/cm 。 2. 3热值 我国 6 个典型村镇生活垃圾的热值见表 1。由 表 1 可知 6 个典型村镇生活垃圾热值变化在2 401 ~ 4 556 kJ/kg, 平均值为 3 606 kJ/kg, 显著低于我国城 市生活垃圾的热值均值 约 4 180 kJ/kg[15 ] , 这与村 镇生活垃圾中的灰土含量高于城市生活垃圾有关。 同时, 本研究中 6 个典型村镇生活垃圾的平均热值略 高于焚烧要求的最低热值限值3 344 kJ/kg [ 16 ]。比较几 种村镇生活垃圾的热值可知 重庆市板桥镇 约 801 环境工程 Environmental Engineering 4 429 kJ/kg> 麻城市铁门岗乡 约3 504 kJ/kg > 北京市九渡河镇 约 2 886 kJ/kg 。除九渡河镇 外, 板桥镇和铁门岗乡生活垃圾的热值均高于焚烧所 要求的最低热值限值, 但低于垃圾焚烧推荐值 6 280 kJ/kg[17 ]。 表 1我国 6 个典型村镇生活垃圾的热值 Table 1The calorific values of LSWs in six typical villages and towns in ChinakJ/kg 典型村镇热值标准差 重庆市板桥镇4 55652. 89 重庆市板桥镇龙门滩村4 301129. 34 湖北省麻城市铁门岗乡2 40144. 84 湖北省麻城市铁门岗乡蔡大村4 60794. 47 北京市怀柔区九渡河镇3 28972. 40 北京市怀柔区九渡河镇杏树台村2 48317. 74 平均值3 606 几个典型村镇生活垃圾热值和可燃物组分的关 系见图 3。由图 3 可知 以生活垃圾中塑料、 纸张、 木 竹及布类为主要可燃物进行分析, 热值的高低与其可 燃组分的含量直接相关, 即垃圾热值随可燃物组分含 量的降低而降低。 图 3我国几个典型村镇生活垃圾热值和可燃物组分的关系 Fig.3The relationship between calorific values and combustible matter contents in LSWs of several typical villages and towns in China 2. 4有机质和总有机碳 TOC 6 个典型村镇生活垃圾的有机质和有机碳含量 见图 4 所示。 由图 4a 可知 6 个典型村镇生活垃圾的有机质 含 量 变 化 范 围 为 20. 6~ 34. 7,平 均 值 为 26. 27。其中, 重庆市板桥镇为 25. 13, 麻城市铁 门岗乡为 21. 15, 北京市九渡河镇为 32. 54。由 图 4b 可知 垃圾样品的总有机碳含量变化为9. 7 ~ 16. 3, 平均值为 12. 35。其中, 重庆市板桥镇为 11. 81, 麻城市铁门岗乡为 9. 94, 北京市九渡河 图 4我国 6 个典型村镇生活垃圾的有机质和有机碳含量 Fig. 4The organic matter contents and organic carbon contents of several typical villages and towns in China 镇为 15. 29。横向比较, 3 个地区典型村镇生活垃 圾的有机质和有机碳含量由高到低依次为 北京市九 渡河镇 > 重庆市板桥镇 > 麻城市铁门岗乡。 2. 5总氮 TN 和总磷 TP 3 个地区典型村镇生活垃圾总氮和总磷含量如 表 2 所示。由表 2 可知 典型村镇生活垃圾总磷和总 氮平均含量分别为 0. 21 和 0. 49, 总磷含量为 0. 07 ~ 0. 44, 总氮含量为 0. 12 ~ 0. 74。其 中 重庆板桥镇生活垃圾总磷含量 0. 1, 麻城铁门 岗乡和北京九渡河镇总磷含量均为 0. 27; 总氮含 量重庆板桥镇为 0. 36, 铁门岗乡为 0. 54, 九渡河 镇为 0. 58。 对照 GB 817287城镇垃圾农用控制标准 可 知 3 个 地 区 典 型 村 镇 生 活 垃 圾 平 均 总 磷 含 量 0. 21 和平均总氮含量 0. 49 均略低于该标准 的限值 总磷含量≥0. 3, 总氮含量≥0. 5 。但 901 固废处理与处置 Solid Waste Treatment and Disposal 表 2我国 6 个典型村镇生活垃圾的总氮及总磷含量 Table 2The content of TN and TP of LSWs in six typical villages and towns in China 典型村镇 总氮含量/总磷含量/ 平均值 标准差 平均值标准差 重庆市板桥镇0. 600. 000. 070. 05 重庆市板桥镇龙门滩村0. 120. 020. 130. 06 湖北省麻城市铁门岗乡0. 330. 010. 100. 04 湖北省麻城市铁门岗乡蔡大村0. 740. 010. 440. 00 北京市怀柔区九渡河镇0. 620. 020. 290. 08 北京市怀柔区九渡河镇杏树台村0. 550. 010. 250. 08 平均值0. 490. 230. 210. 14 是, 总氮含量中, 除重庆地区外, 北京九渡河镇 0.58 和麻城铁门岗乡 0. 54 均高于该标准的要求。 3结论 1 重庆市板桥镇生活垃圾以灰土 49. 87 为 主, 其次为厨余 14. 94 , 再次为塑料 14. 73 ; 麻城市铁门岗乡生活垃圾以灰土 50. 50 为主, 其 次为塑料 15. 16 , 再次为厨余 12. 38 ; 北京市 九渡河镇生活垃圾组分以厨余为主 36. 84 , 其次 为灰土 23. 91 , 再次为塑料 12. 81 。 2 本研究选择的典型村镇生活垃圾容重的变化为 142.26 ~ 236.70 kg/m3, 平均容重为200.62 kg/m3。其 中, 麻城市铁门岗乡 224. 77 kg/m3> 重庆市板桥镇 210.17 kg/m3>北京市九渡河镇 166.93 kg/m3 , 这 与无机组分的含量相关; 垃圾样品 pH 值为 8. 11 ~ 9. 09, 平 均 值 为 8. 55, 呈 弱 碱 性; 垃 圾 含 水 率 在 38. 1 ~ 46. 1, 平均值为 43. 6; 电导率变化为 714 ~1375 μS/cm, 平均值为 926. 7 μS/cm。 3典 型 村 镇 生 活 垃 圾 热 值 为 2 401 ~ 4 556 kJ/kg, 平均值为 3 606 kJ/kg。其中, 重庆市板 桥镇 4 429 kJ/kg> 麻城市铁门岗乡 3 504 kJ/kg > 北京市九渡河镇 2 886 kJ/kg 。 4 典型村镇生活垃圾的有机质含量为 20. 6 ~ 34. 7, 平均值为 26. 27, 其中北京市九渡河镇 32. 54> 重庆市板桥镇 25. 13> 麻城市铁门 岗乡 21. 15 ; 垃圾样品总磷和总氮平均含量分别 为 0. 21和 0. 49。 参考文献 [1]中华人民共和国国家统计局. 中国统计年鉴[G/OL]. 2012, http / /www. stats. gov. cn/tjsj/ndsj/2012/indexch. htm. 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