餐厨垃圾高温好氧堆肥小试研究
1 实验部分
1.1 实验材料
按粉碎的餐厨垃圾和锯末质量比为3∶1(可将混合堆料的含水率控制在55%左右)的比例混合均匀，进行小规模堆肥试验.其中，餐厨垃圾取材于北京工商大学香草餐厅，锯末购买于北京木材加工厂.实验材料的理化性质如表1。
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1.2 实验装置和工艺流程
设计的筒型堆肥反应器如图1，载料仓内径490mm、净高600 mm，一次堆肥量控制在100 L左右。
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该装置设计的主要特点为：
1)装置设计有强制通风供气结构，多孔板下方设有100 mm气流缓冲腔，同时进气孔道管口向下弯曲、出气孔道管口向上弯曲布置，装置可以均匀通风供氧，同时底部有渗滤液排出管阀，可将渗滤液集中收集处理；
2)装置设计有密封保温腔，尽可能减少热量流失提高堆肥效率，当环境温度较低时，还可以通过保温腔的进水和出水管道，通入40℃恒温水进行水浴加热；
3)本装置设计有上、中、下3个取样口，保证了实验数据的可靠性。
1.3 实验方法
1.3.1 自然升温堆肥
将上述混合均匀的堆料放入堆肥反应器中，用法兰盖板封闭后采取自然升温模式进行堆肥试验，反应器有保温腔可减少热量的散失，实验室温度约23℃。经前期平行模拟实验结论，本堆肥反应装置采取4 L/min的通风量持续供氧。每天从堆肥反应器的上、中、下3个取样口各取30 g堆料混匀后测定其理化性质，测定参数和方法如表2。浸提液则按烘干的固体样品：蒸馏水=1∶10(W/V)比例混合，机械振动1 h后，在离心机中按转速2 000 r/min离心10 min，抽滤制备。
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1.3.2 通入恒温水控温堆肥
堆肥反应器中通入40℃恒温水，提高堆料的环境温度进行堆肥试验，方法与自然升温堆肥相同。
2 结果与讨论
2.1 小试装置内堆料温度随时间的变化
堆料温度随时间经历了升温阶段、高温阶段和降温阶段3个过程，如图2。通入40℃恒温水进行对比实验，其温度变化如图3。
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由图2可知，在第6 d时达到高温55.5℃，高温期(>50℃)持续6d且最高温度为60.5℃，可将绝大部分虫卵、病原菌、寄生虫等杀灭，达到堆肥产品无害化要求。通入40℃恒温水进行对比堆肥实验，由图3可知，第3d达到高温54.5℃，反应速率明显提高；最高温度为65.5℃且高温期维持了8 d，可将堆肥中常见的病原菌全部杀灭，热灭活效果更好。
2.2 堆料水溶性氨氮含量变化对pH值的影响
对于堆肥微生物来说，最佳pH值为6.0~8.5，本实验堆料的初始pH值为4.29，pH值和水溶性氨氮随时间的变化如图4。
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由图4可知，堆肥初期嗜温菌(包括真菌、细菌和放线菌)分解有机物中易分解的糖类、淀粉和部分蛋白质等产生热量，使堆层温度迅速上升。在此阶段，当细菌和真菌消化有机物质时，释放出乙酸、丙酮酸等有机酸，在堆肥的最初阶段，这些酸性物质会积累导致pH值下降；同时，微生物以蛋白质水解后的氨基酸作为氮源，氮源被利用后产生H+，也促使pH值迅速下降，第2 d时堆料pH值下降为3.67，第2 d后堆料的pH值呈迅速上升趋势；堆料的水溶性氨氮浓度从307.70 mg/L下降到144.66 mg/L后呈迅速增加趋势。随着温度的升高，嗜温菌逐渐受到抑制，活性逐渐降低，超过50℃后呈孢子状态或死亡，此时嗜热性微生物逐渐替代了嗜温性微生物的活动。有机物中易分解的有机质除继续被分解外，蛋白质、大分子的半纤维素、纤维素也开始分解。在此阶段，微生物大量繁殖分解蛋白质类有机物，产生大量氨氮，促使pH值回升，在第7 d时水溶性氨氮浓度和pH值均达到峰值，分别为2 867.92 mg/L和8.20.在高温持续一段时间后，堆肥料中易分解的和较易分解的有机物已大部分分解，剩下的是难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时，微生物活动减少，产生的热量减少，温度逐渐下降，嗜温微生物又成为优势菌种，它对残余物质进一步分解，堆肥进入降温和腐熟阶段。在此阶段，随着蛋白质有机物彻底的降解以及堆料温度的降低，硝化细菌又成为优势菌种，水溶性氨氮浓度相应减小，反应器中堆料pH值逐步回落，最后在7左右窄幅波动。
2.3 水溶性有机碳和有机氮对C/N的影响
堆肥过程中微生物通常不能直接利用堆料中的有机质作为营养物质，需将其分解为水溶性成分才能加以利用。堆肥中水溶性碳氮比(即水溶性有机碳/水溶性有机氮) 的变化，比固态的C/N更能反映堆肥进行的程度。堆肥初期，堆料水溶性碳氮比迅速下降，如图5，水溶性有机碳浓度迅速降低，如图6。
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由图5可知，第2 d水溶性C/N从55.65下降到39.26，可能是升温阶段微生物大量繁殖对有机物利用量加大。由图6可知，水溶性有机碳从166 741.00mg/L降到147 499.00 mg/L；水溶性有机氮，则由于氨化作用大量生成氨，使水溶性有机氮浓度在堆肥初期迅速上升，从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。随着反应的进行，堆料中的有机物大量水解，水溶性有机碳浓度又迅速上升，第4 d达到峰值218 051.00 mg/L，然后迅速下降；对于水溶性有机氮，第4d水溶性有机氮达到峰值4 657.21 mg/L后缓慢下降，然后重复上升-下降过程。这一阶段水溶性碳氮比呈迅速下降趋势。降温阶段，水溶性有机碳和有机氮总体都呈缓慢下降趋势，但由于有机碳比有机氮的利用率高，所以，水溶性碳氮比仍呈缓慢下降。由图6可知，水溶性有机氮和有机碳浓度变化不一致，水溶性有机碳的变化与水溶性C/N的变化(见图 5)更接近，这说明水溶性有机碳对水溶性C/N的影响更大。
2.4 总有机碳降解随时间的变化
堆肥完成后，堆肥总有机碳(TOC)含量较初始物料均有所降低，但并不显著，从53.45%下降到51.38%。其原因可能与掺入有机质含量过高的锯末有关。和餐厨垃圾相比，锯末的主要成分是难降解的木质素，餐厨垃圾中有机质的降解不足以引起堆料有机质的明显变化。
3 结论
1)采用本实验装置对餐厨垃圾进行自然升温堆肥，可使堆肥顺利升温，最高温度达到60.5℃，并且高温(>50℃)持续6 d，所得堆肥产品的理化性质和卫生指标符合国家相关标准。
2)通过通入40℃恒温水提高堆肥的环境温度，可加快堆温的提升，提高堆肥效率和热灭活效果。
3)采用本装置进行高温好氧堆肥，可以避免强制通风带走大量水分引起微生物活性降低，影响堆肥效率。
4)该实验初始堆料含水率为55 %左右，可以顺利升温灭活，同时产生的渗滤液较少，有利于堆肥的进行和环境保护。
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