黃殿男，侯文濤，劉 闖，趙超越，傅金祥

(沈陽建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168)

我國城市廚余垃圾快速增加，占生活垃圾的比例已經(jīng)達(dá)到了 30%～50%[1]，尤其是餐廚垃圾還具有高油、高鹽、低pH等難處理的特點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)無害化、資源化處理廚余垃圾，已成為亟待解決的問題[2]。焚燒、填埋等傳統(tǒng)處理方式，資源化程度低，而且又增加了二次污染的風(fēng)險(xiǎn)。主流的廚余垃圾的處理方法主要有好氧堆肥、厭氧發(fā)酵兩種方式，尤其是好氧堆肥法具有高減量率、有害程度低、營養(yǎng)程度較高等優(yōu)點(diǎn)[3-5]，在廚余垃圾處理方面具有巨大的優(yōu)勢。但高溫堆肥技術(shù)仍然存在發(fā)酵溫度低、發(fā)酵周期較長、無害化不夠徹底、臭氣污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)。筆者采用超高溫好氧堆肥技術(shù)，利用嗜熱菌，使堆肥的平均溫度能夠達(dá)到80 ℃以上，比高溫堆肥高 20～ 30 ℃，通過增加堆體溫度，加速腐殖化進(jìn)程來縮短發(fā)酵周期，提高廚余垃圾的處理效率。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

廚余垃圾取自沈陽建筑大學(xué)學(xué)生食堂，主要成分為米飯、面食、蔬菜、肉類、菜湯和骨頭等，預(yù)處理后通過三相分離提取出油，廢水直接排入管網(wǎng)。牛糞由沈陽市蘇家屯楊千村收集。輔料由稻殼和堆肥發(fā)酵完成產(chǎn)物組成。實(shí)驗(yàn)材料具體參數(shù)如表1所示。超高溫好氧堆肥菌劑為嗜熱菌。

表1 實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

槽體由5塊聚乙烯塑料板圍成，邊長為90 cm。內(nèi)部有效容積為0.78 m3。在槽體底部設(shè)有3根內(nèi)徑2 cm的曝氣管，曝氣管間距為30 cm，兩側(cè)曝氣管與墻體的間距為15 cm,曝氣管在下部側(cè)面每間隔10 cm設(shè)一個(gè)兩側(cè)向下成120°依次交錯(cuò)的5 mm的氣孔(見圖1)。

圖1 反應(yīng)器裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

采用m(輔料)∶m(牛糞)∶m(廚余)=3∶1∶1進(jìn)行堆肥，把不添加菌劑的高溫好氧堆肥設(shè)為對(duì)照組，把添加嗜熱菌菌劑的超高溫好氧堆肥設(shè)為實(shí)驗(yàn)組。然后通過攪拌機(jī)進(jìn)行攪拌混合，對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組的初始含水率分別為51.21%、49.55%，將其攪拌均勻倒入槽體當(dāng)中。曝氣方式為連續(xù)曝氣，初始、升溫、高溫、降溫階段選擇不同的通風(fēng)量(見表2)。

表2 實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 超高溫好氧處理堆肥廚余垃圾的優(yōu)越性

2.1.1 好氧堆肥的溫度變化

溫度的上升和堆體所能達(dá)到的最高溫度是微生物作用的直觀表現(xiàn)。筆者通過好氧堆肥的方式來處理廚余垃圾,好氧堆肥的溫度變化如圖2所示。

圖2 好氧堆肥的溫度變化

超高溫好氧堆肥技術(shù)相比較于高溫堆肥方法升溫時(shí)間由5 d縮短到1.5 d，平均溫度由50 ℃上升到70 ℃左右，反應(yīng)周期由原來的38 d縮短到13 d左右?？梢钥闯龀邷睾醚醵逊室蚱錅囟乳L久保持在80 ℃以上，微生物的生命活動(dòng)反應(yīng)速率加快，相比于高溫好氧堆肥，堆肥的減量化效果明顯。

2.1.2 好氧堆肥的含水率變化

含水率的變化速度是反應(yīng)效率的直觀反映。根據(jù)S.Gajalakshmi等[8]的實(shí)驗(yàn)可知：最優(yōu)含水率應(yīng)控制在45 %～55 %。當(dāng)含水率超過60%，O2的移動(dòng)受到抑制，過程趨于厭氧[9]。好氧堆肥的含水率變化如圖3所示。

圖3 好氧堆肥的含水率變化

從圖3可以看出，對(duì)照組含水率由最初的51.21%降低到33.24%，在38 d內(nèi)降幅程度達(dá)17.97%.含水率隨著時(shí)間延長，下降速率逐漸降低[10]。實(shí)驗(yàn)組含水率由最初的49.55%下降到26.50%，在13 d內(nèi)降解幅度為23.05%。在超高溫的作用下，含水率下降的效果明顯。

2.1.3 好氧堆肥的有機(jī)質(zhì)與總氮變化

有機(jī)質(zhì)和氮元素作為維持生命活動(dòng)的必要元素，通過其變化來分析超高溫廚余垃圾的處理效果(見圖4)。

圖4 好氧堆肥有機(jī)質(zhì)與總氮的變化

從圖4可知，實(shí)驗(yàn)組相比較于對(duì)照組，廚余垃圾的處理效果得到了一定的提升。廚余垃圾堆肥時(shí)間由38 d減少到13 d，有機(jī)質(zhì)降解率則提升了7.32%，總氮?jiǎng)t提升了0.22%。

總氮的變化主要是由于堆肥后期的腐殖化過程，微生物富集礦質(zhì)化的氮，主要是氨態(tài)氮，轉(zhuǎn)化為微生物氮的同時(shí)合成腐殖酸氮。 M.P.Bernal[11]認(rèn)為,由于濃度效應(yīng)，堆肥過程中總氮濃度增加。圖4中變化的凹凸點(diǎn)，是由于其堆肥無機(jī)氮揮發(fā)損失與 N 的“濃縮”效應(yīng)之間出現(xiàn)了波動(dòng)的動(dòng)態(tài)平衡[12]。

設(shè)βr為傳感器節(jié)點(diǎn)電路模塊正常工作接收1bit數(shù)據(jù)消耗的能量，βt為節(jié)點(diǎn)發(fā)送1bit數(shù)據(jù)消耗的能量，節(jié)點(diǎn)需發(fā)送的數(shù)據(jù)包長度為n bits，下一跳節(jié)點(diǎn)為u，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)與下一跳節(jié)點(diǎn)的距離為diu，則節(jié)點(diǎn)i每發(fā)送1bit數(shù)據(jù)消耗的能量為βr+βtdiu2，每接收1bit數(shù)據(jù)消耗的能量為βr.其中βr、βt為常數(shù)[14].

通過對(duì)照組與實(shí)驗(yàn)組兩條曲線的變化可以看出,在超高溫的作用下，實(shí)驗(yàn)組無論是堆肥時(shí)間還是反應(yīng)速率相對(duì)于對(duì)照組提升了許多。由于廚余垃圾的高油、高鹽、低pH抑制了微生物的活動(dòng)，在升溫初期，主要以分解牛糞基質(zhì)為主，使其快速反應(yīng)升溫。實(shí)驗(yàn)組在超高溫作用下，酸性物質(zhì)大量分解，加快了油脂的分解,相比于對(duì)照組有了較大的提升。由此可知，超高溫好氧堆肥來處理廚余垃圾，能夠較好地提升對(duì)廚余垃圾的處理效果。

2.1.4 好氧堆肥的pH變化

根據(jù)de Bertoldi[13]可知，pH值為6.7～9.0時(shí)堆肥過程中具有良好的微生物活性。通常廚余垃圾的pH值一般在3～5，牛糞的pH值一般保持在6～7，輔料的pH值一般保持在7以上，經(jīng)過初步的混合,好氧堆肥的pH變化如圖5所示。

圖5 好氧堆肥的pH變化

從圖5可以看出，對(duì)照組的pH值在8 d中先降低至4.7,35 d后上升到pH=7.9，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)組初始pH=6.65，13 d達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),pH在8.3左右。

對(duì)照組和實(shí)驗(yàn)組，在堆肥初期時(shí)，溫度快速上升，堆體內(nèi)含有的大量有機(jī)質(zhì)超過微生物需求，嗜溫微生物快速繁殖，分解有機(jī)物產(chǎn)生了大量的小分子,如有機(jī)酸、銨鹽、磷酸鹽等，使其在堆體內(nèi)得到一定積累[14]。對(duì)照組，pH在堆肥前期開始下降，由pH=7.05下降到pH=4.7。堆肥中期，相比較于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組在嗜熱微生物的作用下，溫度更快上升，最終達(dá)到80 ℃以上，在其超高溫作用下，反應(yīng)效率得到提高，堆體內(nèi)含氮物質(zhì)被轉(zhuǎn)化為氨態(tài)氮，然后溶于水后呈堿性，而小分子有機(jī)酸等受溫度影響而揮發(fā)[15]，pH開始穩(wěn)步上升，油脂在高溫條件下，和堿性物質(zhì)反應(yīng)，大量水解，得到一定的去除。堆肥后期，在堿性條件下，油脂進(jìn)一步的消除，pH持續(xù)上升，穩(wěn)定到pH=8.3左右，相比較于對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組因溫度長期的保持在80 ℃左右，極大程度地去除了堆體中酸性物質(zhì)，從pH變化到穩(wěn)定，由35 d縮短到13 d左右。由于持續(xù)的超高溫作用，pH從7.9提高到8.3,油脂也得到了一定的去除，說明超高溫好氧堆肥對(duì)高油、高鹽、低pH的廚余垃圾比高溫好氧堆肥效果更好。

2.2 超高溫好氧處理堆肥廚余垃圾的資源化

2.2.1 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率反映了堆肥當(dāng)中浸提液中的離子總濃度，即可溶性鹽的含量。堆肥中的可溶性鹽主要是由有機(jī)酸鹽類和無機(jī)鹽類組成，是對(duì)作物產(chǎn)生毒害的重要因素之一[16]。好氧堆肥的電導(dǎo)率變化如圖6所示。從圖6可以看出，對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組的電導(dǎo)率均呈先上升后下降的趨勢。 對(duì)照組，實(shí)驗(yàn)組堆肥前期的電導(dǎo)率分別從1.423 mS/cm、1.033 mS/cm上升到1.576 mS/cm、1.483 mS/cm，這可能是由于牛糞和廚余垃圾當(dāng)中的大分子物質(zhì)被微生物分解成小分子，產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致溫度上升。無機(jī)物分解、溶解速率加快，電導(dǎo)率得到一定的提高,然后下降到1.336 mS/cm、1.342 mS/cm，這可能是因?yàn)樵诟邷刈饔孟滦》肿游镔|(zhì)被微生物進(jìn)一步利用和水分大量的蒸發(fā)，使電導(dǎo)率進(jìn)一步下降。最后穩(wěn)定到1.045 mS/cm、0.872 mS/cm，這是由于微生物對(duì)營養(yǎng)物質(zhì)的進(jìn)一步利用和含水率的持續(xù)下降，使得電導(dǎo)率再下降。

圖6 好氧堆肥的電導(dǎo)率變化

實(shí)驗(yàn)組在其超高溫作用下，無論是電導(dǎo)率的上升，還是最后電導(dǎo)率的下降乃至穩(wěn)定，相比較于對(duì)照組組來說，都更加的高效、快捷，當(dāng)然這也在一定程度上說明了超高溫好氧堆肥在處理廚余垃圾方面具有巨大的優(yōu)勢。

當(dāng)堆肥電導(dǎo)率小于9.0 mS/cm時(shí)，一般不會(huì)抑制種子發(fā)芽[17]。對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組兩次堆肥的電導(dǎo)率均滿足要求，可知對(duì)于高油、高鹽、低pH的廚余垃圾，超高溫好氧堆肥有著較好的處理效果。

2.2.2 碳氮質(zhì)量比

碳氮質(zhì)量比是決定堆肥能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素之一，不僅可以能夠判斷堆肥進(jìn)程狀態(tài)，還能評(píng)價(jià)堆肥產(chǎn)品的腐熟狀態(tài)。碳氮質(zhì)量比過大會(huì)產(chǎn)生“氮饑餓”現(xiàn)象而不能夠進(jìn)行正常堆肥，過小則容易造成氮素?fù)p失及產(chǎn)生嚴(yán)重的臭氣，因此認(rèn)為起始堆肥的碳氮質(zhì)量比一般為 25～35為宜[18](見圖7)。

圖7 好氧堆肥碳氮質(zhì)量比的變化

從圖7可以看出,堆肥初始的碳氮質(zhì)量比為30左右，隨著微生物發(fā)酵的進(jìn)行,總碳和總氮快速下降,由于總氮的下降幅度低于總碳的下降幅度，導(dǎo)致總氮的相對(duì)含量增加，使碳氮質(zhì)量比下降。碳氮質(zhì)量比的下降意味著物料正在向著穩(wěn)定化、腐熟化、無害化的方向演變。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組的碳氮質(zhì)量比由最初的25.33、26.6降低到7.08、9.78，說明堆肥已經(jīng)達(dá)到腐熟狀態(tài)[19]。

2.2.3 種子發(fā)芽率

評(píng)價(jià)有機(jī)固體廢物腐熟度的指標(biāo)為種子發(fā)芽率。種子發(fā)芽率值能夠綜合體現(xiàn)堆肥樣品當(dāng)中的低毒性(影響根長)或者高毒性(影響發(fā)芽)，被認(rèn)為是最敏感、可靠、有效以及反映堆肥產(chǎn)品植物有無毒性的判斷。 種子發(fā)芽率變化如圖8所示。從圖8可知，對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組兩次堆肥實(shí)驗(yàn)分別由最初的種子發(fā)芽率為72%、78%，先下降到78%、85%，最后穩(wěn)定到91%、98%。對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組堆肥前期溫度上升，油脂、鹽分逐漸分解，發(fā)芽率由初始的72%、78%上升到78%、85%；堆肥中期，細(xì)菌大量繁殖，大量的鹽分、油脂分解，發(fā)芽率由78%、85%上升到83%、93%；堆肥后期經(jīng)過微生物的持續(xù)消耗，種子發(fā)芽率最終穩(wěn)定到91%、98%。相對(duì)于高溫好氧堆肥，在80 ℃以上的超高溫好氧堆肥，對(duì)廚余垃圾的無害化、資源化具有更好的效果。根據(jù)F.Zucconi[20]的研究表明，當(dāng)好氧發(fā)酵的種子發(fā)芽率>80% 時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物已經(jīng)達(dá)到腐熟，可以認(rèn)為其發(fā)酵產(chǎn)物沒有毒性。對(duì)照組、實(shí)驗(yàn)組最終的發(fā)芽率分別為91%、98%，均能夠滿足要求[21-22]。

圖8 種子發(fā)芽率變化

3 結(jié) 論

(1)超高溫好氧堆肥處理廚余垃圾，溫度能夠達(dá)到80 ℃以上，含水率、有機(jī)質(zhì)下降幅度較高溫堆肥有所增加，反應(yīng)周期縮短到13 d左右，其處理效率明顯提高。

(2)超高溫好氧堆肥相比較于高溫好氧堆肥，高油、高鹽降解程度高，pH由7.9提高到8.3；電導(dǎo)率前期較高溫堆肥增長了0.297 mS/cm，在末期電導(dǎo)率達(dá)到了0.872 mS/cm,比高溫堆肥低0.193 mS/cm，當(dāng)堆肥電導(dǎo)率小于9.0 mS/cm時(shí)，一般不會(huì)抑制種子發(fā)芽，廚余垃圾已為無害資源。

(3)超高溫好氧堆肥實(shí)驗(yàn)的發(fā)芽率為98%，當(dāng)種子發(fā)芽率大于80%時(shí)，發(fā)酵產(chǎn)物已經(jīng)腐熟，沒有毒性；碳氮質(zhì)量比最終穩(wěn)定在9.78，當(dāng)m(C)∶m(N)<10時(shí)，滿足腐熟要求，廚余垃圾已沒有毒性,廚余垃圾實(shí)現(xiàn)了資源化利用。