随着经济的发展，农村地区正加速向城镇化或自发向交通方便的集镇、乡、村汇集，然而这样的生活方式引发了诸多环境问题，其一为生活垃圾污染.我国农村地区，人口聚居导致垃圾集中暴发，而部分农村地区垃圾的产生与处理处置等环节衔接不紧密而导致“垃圾围村”^{[1, 2]}的困境，“农村生活垃圾污染问题已成为我国农村环境治理、实现村容整洁的一大难题”^[3].考虑到我国广大农村地区长远发展，需要找到合适的垃圾处理处置方式，针对我国村镇生活垃圾理化性质方面的研究，已取得了部分研究成果，如王涛等^[4]得出“东江源区农村生活垃圾湿基组分中主要以厨余类垃圾为主，其次是灰土类垃圾，其他组分一般在10%以下”.韩智勇等^[5]研究得出“西南地区农村生活垃圾主要组分为厨余、灰土、橡胶和纸类，混合垃圾的含水率为37.04%”.马军伟等^[6]研究得出“浙江山区农村新鲜生活垃圾中可降解类有机垃圾为主要组分，约占总量的43.64%”.岳波等^[7]通过资料调研我国71个村镇得出南方厨余类占村镇生活垃圾的百分比显著大于北方；而北方渣土类占村镇生活垃圾的百分比显著大于南方.段雄伟等^[8]研究得出“广东农村地区新鲜生活垃圾中可堆肥含量高达62.62%”；在热值方面，韩志勇等^[5]研究得出我国西南地区农村生活垃圾高位热值为8 008 kJ·kg^-1.周颖^[9]研究江西省兴国县某镇的生活垃圾高位热值为5 147.32 kJ·kg^-1.苏畅等^[10]研究长沙市宁乡县某两个农村生活垃圾的低位热值为1 761.53 kJ·kg^-1和2 325.43 kJ·kg^-1.岳波等^[11]研究我国东、中、西部这3个地区6个典型村镇生活垃圾的低位热值在2 401~4 556 kJ·kg^-1之间；在村镇生活垃圾管理方面，谢丽丽等^[12]调查研究发现，江西省农村生活垃圾在2012~2013年间，生活垃圾处理厂覆盖人口占总人口24.88%.黄维等^[13]对重庆市农村生活垃圾提出“户分类、村收集、镇转运、县处理”的处理办法.何品晶等^[14]综合环境、资源和经济效益等，得出我国村镇生活垃圾分别适合“全集中”和“村镇县协同”的处理物流模式.

但现有的研究多限于局部地区，缺乏对全国村镇生活垃圾相关性质的整体认识，特别是对农村垃圾可燃组分及热值的季节变化和区域差异、乡镇与村庄之间垃圾性能的差异尚缺乏相关研究报道.虽然目前农村垃圾的主要处理处置方式有“填埋、焚烧、堆肥、太阳能垃圾减量化、产沼气”等^[15]，但垃圾处理方式取决于垃圾本身特性，为此，本课题组于2015年春、夏、秋、冬这4个季节分别对我国南北方72个村镇的生活垃圾产生源进行现场取样分析，系统检测了垃圾组分、含水率以及垃圾热值等参数，进行了地域、季节以及乡镇与村庄之间差异分析，并探讨了我国村镇垃圾焚烧处置的潜力及可行性.

研究采样点选取了12个省/市，每个省/市下包含3个镇，每个镇下选取了1个村，共计72个采样点.采样点的选取为地方发展较好或居民生活条件较好的具有代表性的村镇，采样点分布见表 1.

表 1 (Table 1)

表 1 村镇生活垃圾采样点分布 Table 1 Distribution of rural garbage sampling points in China

表 1 村镇生活垃圾采样点分布 Table 1 Distribution of rural garbage sampling points in China

垃圾采样方法按照标准(CJ/T 313-2009)^[16]执行.

本研究于2015年的4个季节分别对全国72个采样点进行采样分析，现场采样时的天气为晴天或阴天.垃圾采样时，露天堆场和垃圾转运站处采取坡面法进行取样，垃圾桶和垃圾池处采取全部清掏，取样的垃圾盛放于100 L的塑料桶中进行质量称量，采集的垃圾质量约150 kg.对垃圾按照橡塑类、纸类、木竹类、织物类、厨余类、砖瓦类、玻璃类、金属类、有害类和灰土类进行分选，称量各组分的质量，并对各组分进行取样送回实验室分析.

垃圾组分含水率分析参照文献[17~19]等标准执行.

垃圾热值测定按照文献[16, 20]进行.低位热值难以直接测定，通常采取计算法得到，湿基低位热值的计算按照(CJ/T 313-2009)^[16]中“6.5热值”下的运算步骤进行，干基氢元素的含量取7.5%.

运用Excel 2013进行数据运算；运用SPSS 20进行Pearson相关性分析，分析选用的数据为采样调查数据中各垃圾组分百分含量(湿基)、全组分垃圾含水率和热值；运用Origin 2016进行绘图.

我国村镇生活垃圾全组分质量分数(湿基)见图 1.

图 1

Fig. 1

箱体高度表示25%~75%百分位数；工字标签分别代表 5%和95%百分位数；上端和下端的两条短横线表示的是除去异常值之外最大值和最小值；十字交叉代表 99%和1%的分位数；箱体中的横线表示中位数；箱体中的实心点表示平均数，下同. 图 1 村镇生活垃圾组分质量分数(湿基) Fig. 1 Mass fraction of components in rural garbage(wet basis)

如图 1所示，我国村镇生活垃圾全组分含量(湿基)由高到低的顺序为：厨余类＞灰土类＞橡塑类＞纸类＞砖瓦类＞织物类＞玻璃类＞木竹类＞金属类＞有害类，其中厨余类和灰土类占较大比例(两者加和大于50%)，橡塑类和纸类的含量在10%~15%之间，其余组分含量大多处于5%以下.

垃圾可燃组分包括厨余类、橡塑类、纸类、织物类、木竹类，这些可燃组分随区域及季节变化的质量分数见图 2.

图 2

Fig. 2

图 2 村镇生活垃圾可燃组分质量分数的时空(季节、区域)变化 Fig. 2 Spatial-temporal variation of mass fraction of combustible rural garbage components

图 2表明：无论是南方村、镇，还是北方村、镇，4个季节的生活垃圾可燃组分中厨余类含量最高，单组分质量分数由高到低的顺序为：厨余类(13%~53%)＞橡塑类(10%~18%)＞纸类(10%~15%)＞木竹类(0~10%)＞织物类(0~8%).

季节是影响生活垃圾组分含量的重要因素，南、北村庄生活垃圾组分质量分数[(如图 2(b)和图 2(d)]随季节变换的波动范围略大于乡镇生活垃圾的组分质量分数[如图 2(a)和图 2(c)]，且南方村镇生活垃圾组分质量分数的波动范围较北方大.

村与镇生活垃圾组成比例较相近，这与农村生活质量提高有很大关系，如家庭养殖减少，塑料和纸质包装材料广泛使用，庭院垃圾以及一次性餐具进入到垃圾中使得木竹类的含量可观，而织物类为耐用品，在垃圾中的含量相对较小.另一方面，由于村镇生活垃圾中各组分的百分比例相近(均值)，则分散的村庄生活垃圾汇集后，其物理特性也会处在一个相对稳定的范围内.这为我国村镇生活垃圾实现集中统一处理提供了条件.

南、北村镇生活垃圾单组分和全组分含水率见图 3.

图 3

Fig. 3

图 3 村镇生活垃圾单组分和全组分的含水率 Fig. 3 Moisture content of one-component and full components in rural garbage

如图 3(a)所示，南方村镇各单组分的含水率均高于北方，且呈现厨余类＞灰土类＞织物类＞纸类＞木竹类＞橡塑类＞砖瓦类＞陶瓷类＞金属类＞有害类的趋势；全国、南方、北方村镇生活垃圾混合组分的平均含水率分别为36.9%、40.1%和30.5% [见图 3(b)]，本研究获得的南方村镇生活垃圾含水率与范先鹏等^[21]研究得出湖北省三峡库区农村生活垃圾含水率约41%的结果相似.

南、北方村镇生活垃圾低位热值与季节变化间的关系见图 4.

图 4

Fig. 4

图 4 村镇生活垃圾全组分低位热值的时空(季节、区域)变化 Fig. 4 Spatial-temporal(season and region) variation of low heating value of full-range rural garbage components

如图 4所示，我国南方村镇生活垃圾低位热值除春季外，其余季节的生活垃圾低位热值与北方的相当.在春季时，不但比北方的低且整体维持在(3 015.1±1 123.5) kJ·kg^-1左右，这是由于南方村镇生活垃圾在春季时厨余类平均含量(34%)大于北方厨余类平均含量(28%)(图 2)，前者的含水率也相应大于后者的原因.南方村镇生活垃圾从春季到冬季，垃圾热值有所提升，而北方村镇生活垃圾在一年中的低位热值均维持在相对稳定的范围内，且村与镇生活垃圾间的低位热值相差不大.南方镇和村的生活垃圾全年平均低位热值分别为(4 279.9±1 707.4) kJ·kg^-1和(4 044.0±1 245.9) kJ·kg^-1，而北方镇和村的生活垃圾全年平均低位热值分别为(4 355.0±1 461.4) kJ·kg^-1和(4 370.2±1 549.8) kJ·kg^-1，即北方村镇生活垃圾低位热值大于南方.与王和平^[22]研究得出的“当垃圾水分在30%~60%之间变化时，垃圾的热值会在7 166~3 583 kJ·kg^-1之间变化”一致.

麦启洲等^[23]研究城市生活垃圾的焚烧与热值时得出“利用焚烧处理生活垃圾废弃物，不仅处理了垃圾，也使垃圾资源化，但自身低位热值不应低于3 500 kJ·kg^-1，热值愈高，利用价值愈高”.唱鹤鸣等^[24]在研究异重流化床垃圾焚烧炉设计和中试运行时发现，垃圾低位热值小于3 500 kJ·kg^-1时需要向焚烧系统中添加煤燃料，从而变得不经济.我国生活垃圾低位热值小于3 500 kJ·kg^-1的南、北村镇分布见图 5.

图 5

Fig. 5

图 5 南、北村镇生活垃圾低位热值小于3 500 kJ·kg-1的分布 Fig. 5 Distribution of low heating value less than 3 500 kJ·kg-1 in south and north rural garbage

如图 5所示，小于3 500 kJ·kg^-1的热值以南方地区的样本数量占多数，在季节上由多到少的顺序为：春季＞夏季＞秋季＞冬季，南方村镇生活垃圾在春夏秋冬4个季满足焚烧处置要求的村和镇分别为44%、50%、61%、72%.北方全年81%以上的村镇生活垃圾均大于3 500 kJ·kg^-1，满足垃圾焚烧处置.

垃圾经过分选，将垃圾中较稳定且不可燃的组分(如灰土类、砖瓦类、陶瓷类、金属类等)分离开来，留下可燃组分，其可燃组分低位热值见图 6.

图 6

Fig. 6

图 6 村镇生活垃圾可燃组分低位热值的时空(季节、区域)变化 Fig. 6 Spatial-temporal(season and region) variation of low heating value of combustible rural garbage components

如图 6所示，对比图 4中区域、季节变化村镇生活垃圾热值，经分选后的生活垃圾热值有明显提高.北方村镇生活垃圾经分选后均能满足焚烧处置条件(低位热值大于3 500 kJ·kg^-1).南方村镇生活垃圾经分选后热值也得到普遍提高，在春夏秋冬4季节满足焚烧处置条件的乡镇占所调查乡镇数的百分比分别上升为：56%、89%、89%、100%，而满足焚烧处置条件的村庄占所调查村庄数的百分比分别为：72%、94%、100%、100%.

因此，在村镇生活垃圾管理方面，需重视村镇生活垃圾在源头实现分类、减量和提质.垃圾在源头分类比垃圾混合后再进行分选所消耗的人力物力少，农村地区生活节奏慢，更易于实现垃圾分类，且源头分类简单易操作^[25]. “垃圾经分选预处理后可减小垃圾的体积，部分可回收成分(金属类、织物类、塑料类、纸类、玻璃类)得以再利用”^[26]，无机不可燃类就地处置，不仅可减少垃圾的收运成本，还可大大提高有机可燃类垃圾的含量，提高垃圾的热值.如南方村镇垃圾，可通过延长垃圾在源头(收集池)稳定化的时间来减少垃圾的含水率，其收集池可参考岳波等^[27]设计的准好氧垃圾池进行建造，垃圾池设有防雨系统和渗滤液导排系统，可防止垃圾在储存过程中产生二次污染；垃圾焚烧前进行预处理(如焚烧前堆置4~5 d，脱出部分水分)，可进一步提高热值，预处理在降低含水率的同时也会降低垃圾有机质，为此，可采取短期通风干燥的办法进行脱水^[28].

采样调查得到的垃圾组分质量分数、全组分含水率以及垃圾热值数据的相关性见表 2.

表 2 (Table 2)

表 2 生活垃圾低位热值影响因素相关性分析1) Table 2 Correlation between low heating value of rural garbage and its influencing factors

表 2 生活垃圾低位热值影响因素相关性分析1) Table 2 Correlation between low heating value of rural garbage and its influencing factors

如表 2所示，分析研究影响村镇生活垃圾低位热值的影响因素包括10种垃圾组分的质量分数(湿基)以及全组分含水率.在图 1和图 3中各组分及含水率变化范围内，得知垃圾低位热值与全组分含水率和厨余类质量分数(湿基)呈显著负相关，且含水率的影响程度较厨余类高；橡塑类和织物类对低位热值的影响呈显著正相关；纸类、木竹类对垃圾低位热值的影响不显著，这主要是因为垃圾中纸类、木竹类的质量分数较低；灰土类、砖瓦类、玻璃类、有害类也对垃圾低位热值的影响不显著.

(1) 我国村镇生活垃圾全组分质量分数由高到低的顺序为：厨余类＞灰土类＞橡塑类＞纸类＞砖瓦类＞织物类＞玻璃类＞木竹类＞金属类＞有害类，相同行政辖区内村与镇生活垃圾中各可燃组分质量分数相近，这为我国村镇生活垃圾实现集中统一处理提供了条件.

(2) 春夏秋冬4个季节的生活垃圾可燃组分质量分数由高到低的顺序为：厨余类(13%~53%)＞橡塑类(10%~18%)＞纸类(10%~15%)＞木竹类(0~10%)＞织物类(0~8%).南、北村庄生活垃圾组分质量分数随季节变换的波动范围略大于乡镇生活垃圾的组分质量分数，且南方村镇生活垃圾组分质量分数的波动范围较北方大.

(3) 村镇生活垃圾中南方村镇各单组分和全组分平均含水率均高于北方，其中，厨余类平均含水率最高[南方(64.3±12.9)%，北方(61.1±15.4)%]，南方村镇和北方村镇全组分垃圾的含水率均值分别为40.1%和30.5%.

(4) 在现有的垃圾管理水平上，季节变化对我国南方村镇生活垃圾热值影响程度大于北方，特别在春季时，村和镇生活垃圾热值超过3 500 kJ·kg^-1的仅占44%.相反，我国北方81%以上的村镇全年生活垃圾热值均在3 500 kJ·kg^-1以上，满足垃圾焚烧的热值要求.

(5) 垃圾经过分选后热值得到大幅度提高，除南方村镇春季的生活垃圾外，南方超过56%以上的村镇和北方100%的村镇垃圾热值均超过3 500 kJ·kg^-1.因此，对我国农村生活垃圾进行焚烧处置是可行的，但需要对垃圾在源头实现分类和减量以提高垃圾热值及降低运营成本.同时，也需加强管理和宣传以提高公众参与度.此外，村镇生活垃圾的处置方式还需结合处理成本、技术要求和环境影响等因素综合考虑.