1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

按粉碎的餐廚垃圾和鋸末質(zhì)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(jìn)行小規(guī)模堆肥試驗(yàn).其中，餐廚垃圾取材于北京工商大學(xué)香草餐廳，鋸末購(gòu)買于北京木材加工廠.實(shí)驗(yàn)材料的理化性質(zhì)如表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置和工藝流程

設(shè)計(jì)的筒型堆肥反應(yīng)器如圖1，載料倉(cāng)內(nèi)徑490mm、凈高600 mm，一次堆肥量控制在100 L左右。

該裝置設(shè)計(jì)的主要特點(diǎn)為：

1)裝置設(shè)計(jì)有強(qiáng)制通風(fēng)供氣結(jié)構(gòu)，多孔板下方設(shè)有100 mm氣流緩沖腔，同時(shí)進(jìn)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(fēng)供氧，同時(shí)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(shè)計(jì)有密封保溫腔，盡可能減少熱量流失提高堆肥效率，當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)，還可以通過(guò)保溫腔的進(jìn)水和出水管道，通入40℃恒溫水進(jìn)行水浴加熱；

3)本裝置設(shè)計(jì)有上、中、下3個(gè)取樣口，保證了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

1.3 實(shí)驗(yàn)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(yīng)器中，用法蘭蓋板封閉后采取自然升溫模式進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，反應(yīng)器有保溫腔可減少熱量的散失，實(shí)驗(yàn)室溫度約23℃。經(jīng)前期平行模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)論，本堆肥反應(yīng)裝置采取4 L/min的通風(fēng)量持續(xù)供氧。每天從堆肥反應(yīng)器的上、中、下3個(gè)取樣口各取30 g堆料混勻后測(cè)定其理化性質(zhì)，測(cè)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(jī)械振動(dòng)1 h后，在離心機(jī)中按轉(zhuǎn)速2 000 r/min離心10 min，抽濾制備。

1.3.2 通入恒溫水控溫堆肥

堆肥反應(yīng)器中通入40℃恒溫水，提高堆料的環(huán)境溫度進(jìn)行堆肥試驗(yàn)，方法與自然升溫堆肥相同。

2 結(jié)果與討論

2.1 小試裝置內(nèi)堆料溫度隨時(shí)間的變化

堆料溫度隨時(shí)間經(jīng)歷了升溫階段、高溫階段和降溫階段3個(gè)過(guò)程，如圖2。通入40℃恒溫水進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，其溫度變化如圖3。

由圖2可知，在第6 d時(shí)達(dá)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(dá)到堆肥產(chǎn)品無(wú)害化要求。通入40℃恒溫水進(jìn)行對(duì)比堆肥實(shí)驗(yàn)，由圖3可知，第3d達(dá)到高溫54.5℃，反應(yīng)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(duì)pH值的影響

對(duì)于堆肥微生物來(lái)說(shuō)，最佳pH值為6.0~8.5，本實(shí)驗(yàn)堆料的初始pH值為4.29，pH值和水溶性氨氮隨時(shí)間的變化如圖4。

由圖4可知，堆肥初期嗜溫菌(包括真菌、細(xì)菌和放線菌)分解有機(jī)物中易分解的糖類、淀粉和部分蛋白質(zhì)等產(chǎn)生熱量，使堆層溫度迅速上升。在此階段，當(dāng)細(xì)菌和真菌消化有機(jī)物質(zhì)時(shí)，釋放出乙酸、丙酮酸等有機(jī)酸，在堆肥的最初階段，這些酸性物質(zhì)會(huì)積累導(dǎo)致pH值下降；同時(shí)，微生物以蛋白質(zhì)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(shí)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(shì)；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(shì)。隨著溫度的升高，嗜溫菌逐漸受到抑制，活性逐漸降低，超過(guò)50℃后呈孢子狀態(tài)或死亡，此時(shí)嗜熱性微生物逐漸替代了嗜溫性微生物的活動(dòng)。有機(jī)物中易分解的有機(jī)質(zhì)除繼續(xù)被分解外，蛋白質(zhì)、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(zhì)類有機(jī)物，產(chǎn)生大量氨氮，促使pH值回升，在第7 d時(shí)水溶性氨氮濃度和pH值均達(dá)到峰值，分別為2 867.92 mg/L和8.20.在高溫持續(xù)一段時(shí)間后，堆肥料中易分解的和較易分解的有機(jī)物已大部分分解，剩下的是難分解的有機(jī)物和新形成的腐殖質(zhì)，此時(shí)，微生物活動(dòng)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(shì)菌種，它對(duì)殘余物質(zhì)進(jìn)一步分解，堆肥進(jìn)入降溫和腐熟階段。在此階段，隨著蛋白質(zhì)有機(jī)物徹底的降解以及堆料溫度的降低，硝化細(xì)菌又成為優(yōu)勢(shì)菌種，水溶性氨氮濃度相應(yīng)減小，反應(yīng)器中堆料pH值逐步回落，最后在7左右窄幅波動(dòng)。

2.3 水溶性有機(jī)碳和有機(jī)氮對(duì)C/N的影響

堆肥過(guò)程中微生物通常不能直接利用堆料中的有機(jī)質(zhì)作為營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，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(jī)碳/水溶性有機(jī)氮) 的變化，比固態(tài)的C/N更能反映堆肥進(jìn)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(jī)碳濃度迅速降低，如圖6。

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(duì)有機(jī)物利用量加大。由圖6可知，水溶性有機(jī)碳從166 741.00mg/L降到147 499.00 mg/L；水溶性有機(jī)氮，則由于氨化作用大量生成氨，使水溶性有機(jī)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(yīng)的進(jìn)行，堆料中的有機(jī)物大量水解，水溶性有機(jī)碳濃度又迅速上升，第4 d達(dá)到峰值218 051.00 mg/L，然后迅速下降；對(duì)于水溶性有機(jī)氮，第4d水溶性有機(jī)氮達(dá)到峰值4 657.21 mg/L后緩慢下降，然后重復(fù)上升-下降過(guò)程。這一階段水溶性碳氮比呈迅速下降趨勢(shì)。降溫階段，水溶性有機(jī)碳和有機(jī)氮總體都呈緩慢下降趨勢(shì)，但由于有機(jī)碳比有機(jī)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(jī)氮和有機(jī)碳濃度變化不一致，水溶性有機(jī)碳的變化與水溶性C/N的變化(見圖 5)更接近，這說(shuō)明水溶性有機(jī)碳對(duì)水溶性C/N的影響更大。

2.4 總有機(jī)碳降解隨時(shí)間的變化

堆肥完成后，堆肥總有機(jī)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(jī)質(zhì)含量過(guò)高的鋸末有關(guān)。和餐廚垃圾相比，鋸末的主要成分是難降解的木質(zhì)素，餐廚垃圾中有機(jī)質(zhì)的降解不足以引起堆料有機(jī)質(zhì)的明顯變化。

3 結(jié)論

1)采用本實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行自然升溫堆肥，可使堆肥順利升溫，最高溫度達(dá)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(zhì)和衛(wèi)生指標(biāo)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2)通過(guò)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(jìn)行高溫好氧堆肥，可以避免強(qiáng)制通風(fēng)帶走大量水分引起微生物活性降低，影響堆肥效率。

4)該實(shí)驗(yàn)初始堆料含水率為55 %左右，可以順利升溫滅活，同時(shí)產(chǎn)生的滲濾液較少，有利于堆肥的進(jìn)行和環(huán)境保護(hù)。

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