餐廚垃圾高溫好氧堆肥小試研究
1 實驗部分
1.1 實驗材料
按粉碎的餐廚垃圾和鋸末質量比為3∶1(可將混合堆料的含水率控制在55%左右)的比例混合均勻，進行小規(guī)模堆肥試驗.其中，餐廚垃圾取材于北京工商大學香草餐廳，鋸末購買于北京木材加工廠.實驗材料的理化性質如表1。
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1.2 實驗裝置和工藝流程
設計的筒型堆肥反應器如圖1，載料倉內(nèi)徑490mm、凈高600 mm，一次堆肥量控制在100 L左右。
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該裝置設計的主要特點為：
1)裝置設計有強制通風供氣結構，多孔板下方設有100 mm氣流緩沖腔，同時進氣孔道管口向下彎曲、出氣孔道管口向上彎曲布置，裝置可以均勻通風供氧，同時底部有滲濾液排出管閥，可將滲濾液集中收集處理；
2)裝置設計有密封保溫腔，盡可能減少熱量流失提高堆肥效率，當環(huán)境溫度較低時，還可以通過保溫腔的進水和出水管道，通入40℃恒溫水進行水浴加熱；
3)本裝置設計有上、中、下3個取樣口，保證了實驗數(shù)據(jù)的可靠性。
1.3 實驗方法
1.3.1 自然升溫堆肥
將上述混合均勻的堆料放入堆肥反應器中，用法蘭蓋板封閉后采取自然升溫模式進行堆肥試驗，反應器有保溫腔可減少熱量的散失，實驗室溫度約23℃。經(jīng)前期平行模擬實驗結論，本堆肥反應裝置采取4 L/min的通風量持續(xù)供氧。每天從堆肥反應器的上、中、下3個取樣口各取30 g堆料混勻后測定其理化性質，測定參數(shù)和方法如表2。浸提液則按烘干的固體樣品：蒸餾水=1∶10(W/V)比例混合，機械振動1 h后，在離心機中按轉速2 000 r/min離心10 min，抽濾制備。
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1.3.2 通入恒溫水控溫堆肥
堆肥反應器中通入40℃恒溫水，提高堆料的環(huán)境溫度進行堆肥試驗，方法與自然升溫堆肥相同。
2 結果與討論
2.1 小試裝置內(nèi)堆料溫度隨時間的變化
堆料溫度隨時間經(jīng)歷了升溫階段、高溫階段和降溫階段3個過程，如圖2。通入40℃恒溫水進行對比實驗，其溫度變化如圖3。
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由圖2可知，在第6 d時達到高溫55.5℃，高溫期(>50℃)持續(xù)6d且最高溫度為60.5℃，可將絕大部分蟲卵、病原菌、寄生蟲等殺滅，達到堆肥產(chǎn)品無害化要求。通入40℃恒溫水進行對比堆肥實驗，由圖3可知，第3d達到高溫54.5℃，反應速率明顯提高；最高溫度為65.5℃且高溫期維持了8 d，可將堆肥中常見的病原菌全部殺滅，熱滅活效果更好。
2.2 堆料水溶性氨氮含量變化對pH值的影響
對于堆肥微生物來說，最佳pH值為6.0~8.5，本實驗堆料的初始pH值為4.29，pH值和水溶性氨氮隨時間的變化如圖4。
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由圖4可知，堆肥初期嗜溫菌(包括真菌、細菌和放線菌)分解有機物中易分解的糖類、淀粉和部分蛋白質等產(chǎn)生熱量，使堆層溫度迅速上升。在此階段，當細菌和真菌消化有機物質時，釋放出乙酸、丙酮酸等有機酸，在堆肥的最初階段，這些酸性物質會積累導致pH值下降；同時，微生物以蛋白質水解后的氨基酸作為氮源，氮源被利用后產(chǎn)生H+，也促使pH值迅速下降，第2 d時堆料pH值下降為3.67，第2 d后堆料的pH值呈迅速上升趨勢；堆料的水溶性氨氮濃度從307.70 mg/L下降到144.66 mg/L后呈迅速增加趨勢。隨著溫度的升高，嗜溫菌逐漸受到抑制，活性逐漸降低，超過50℃后呈孢子狀態(tài)或死亡，此時嗜熱性微生物逐漸替代了嗜溫性微生物的活動。有機物中易分解的有機質除繼續(xù)被分解外，蛋白質、大分子的半纖維素、纖維素也開始分解。在此階段，微生物大量繁殖分解蛋白質類有機物，產(chǎn)生大量氨氮，促使pH值回升，在第7 d時水溶性氨氮濃度和pH值均達到峰值，分別為2 867.92 mg/L和8.20.在高溫持續(xù)一段時間后，堆肥料中易分解的和較易分解的有機物已大部分分解，剩下的是難分解的有機物和新形成的腐殖質，此時，微生物活動減少，產(chǎn)生的熱量減少，溫度逐漸下降，嗜溫微生物又成為優(yōu)勢菌種，它對殘余物質進一步分解，堆肥進入降溫和腐熟階段。在此階段，隨著蛋白質有機物徹底的降解以及堆料溫度的降低，硝化細菌又成為優(yōu)勢菌種，水溶性氨氮濃度相應減小，反應器中堆料pH值逐步回落，最后在7左右窄幅波動。
2.3 水溶性有機碳和有機氮對C/N的影響
堆肥過程中微生物通常不能直接利用堆料中的有機質作為營養(yǎng)物質，需將其分解為水溶性成分才能加以利用。堆肥中水溶性碳氮比(即水溶性有機碳/水溶性有機氮) 的變化，比固態(tài)的C/N更能反映堆肥進行的程度。堆肥初期，堆料水溶性碳氮比迅速下降，如圖5，水溶性有機碳濃度迅速降低，如圖6。
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由圖5可知，第2 d水溶性C/N從55.65下降到39.26，可能是升溫階段微生物大量繁殖對有機物利用量加大。由圖6可知，水溶性有機碳從166 741.00mg/L降到147 499.00 mg/L；水溶性有機氮，則由于氨化作用大量生成氨，使水溶性有機氮濃度在堆肥初期迅速上升，從2 892.30 mg/L升高到3 756.97 mg/L，致使水溶性碳氮比迅速下降。隨著反應的進行，堆料中的有機物大量水解，水溶性有機碳濃度又迅速上升，第4 d達到峰值218 051.00 mg/L，然后迅速下降；對于水溶性有機氮，第4d水溶性有機氮達到峰值4 657.21 mg/L后緩慢下降，然后重復上升-下降過程。這一階段水溶性碳氮比呈迅速下降趨勢。降溫階段，水溶性有機碳和有機氮總體都呈緩慢下降趨勢，但由于有機碳比有機氮的利用率高，所以，水溶性碳氮比仍呈緩慢下降。由圖6可知，水溶性有機氮和有機碳濃度變化不一致，水溶性有機碳的變化與水溶性C/N的變化(見圖 5)更接近，這說明水溶性有機碳對水溶性C/N的影響更大。
2.4 總有機碳降解隨時間的變化
堆肥完成后，堆肥總有機碳(TOC)含量較初始物料均有所降低，但并不顯著，從53.45%下降到51.38%。其原因可能與摻入有機質含量過高的鋸末有關。和餐廚垃圾相比，鋸末的主要成分是難降解的木質素，餐廚垃圾中有機質的降解不足以引起堆料有機質的明顯變化。
3 結論
1)采用本實驗裝置對餐廚垃圾進行自然升溫堆肥，可使堆肥順利升溫，最高溫度達到60.5℃，并且高溫(>50℃)持續(xù)6 d，所得堆肥產(chǎn)品的理化性質和衛(wèi)生指標符合國家相關標準。
2)通過通入40℃恒溫水提高堆肥的環(huán)境溫度，可加快堆溫的提升，提高堆肥效率和熱滅活效果。
3)采用本裝置進行高溫好氧堆肥，可以避免強制通風帶走大量水分引起微生物活性降低，影響堆肥效率。
4)該實驗初始堆料含水率為55 %左右，可以順利升溫滅活，同時產(chǎn)生的滲濾液較少，有利于堆肥的進行和環(huán)境保護。
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