餐廚垃圾高效好氧堆肥過程參數(shù)的影響因素研究

任連海, 何 亮， 寧 娜, 崔寶山

(1.北京工商大學 化學與環(huán)境工程學院, 北京 100048； 2.北京環(huán)衛(wèi)集團環(huán)境研究發(fā)展有限公司， 北京 100067；3.北京國環(huán)清華環(huán)境工程設計研究院, 北京 100084)

長期以來，各種因素對堆肥影響的研究主要集中在城市生活有機垃圾、污泥等方面，由于餐廚垃圾具有含水率高、油脂含量高、易腐爛等特點，針對有機固體垃圾的研究成果對其未必適用，因此，要使餐廚垃圾高效好氧堆肥處理技術(shù)在大規(guī)模工程化處理中得到廣泛應用，研究各因素對餐廚垃圾好氧堆肥的影響變得尤為迫切. 呂凡等[1]采用高溫好氧消化工藝對餐廚垃圾進行小試實驗，控制反應在高溫條件(55～65 ℃)可達到最大減量率，高溫運行的最佳參數(shù)范圍：pH值為6.0～6.8，含水率為45%～55%，水淬碳氮比(w(COD)/w(有機氮)為19.1～22.1. 韓濤等[2]的餐廚垃圾好氧堆肥工藝條件優(yōu)化的研究結(jié)果表明，最佳堆肥方案為環(huán)境溫度40 ℃、含水率50%、粒徑30 mm、通風量4 L/min. 席北斗等[3]的廚余垃圾蓬松劑技術(shù)研究表明，添加鋸末、樹葉、秸桿和干馬糞等蓬松劑后，堆料所能達到的高溫及其停留時間、好氧速率和產(chǎn)CO2能力均明顯優(yōu)于對照組，并能很好地控制出口H2S氣體含量，特別是添加干馬糞和鋸末可明顯改善堆料孔隙率，吸收多余水分，加速氧和有機物的傳輸速率，改善好氧堆肥微環(huán)境.

堆料的環(huán)境溫度、含水率、通風量和加入的填料量等因素是對堆肥反應有直接影響的主要控制條件，往往通過調(diào)控這些因素可改變好氧堆肥減量化率，因此，通過正交試驗，研究上述因素對餐廚垃圾高效好氧堆肥過程的影響，對餐廚垃圾好氧堆肥工藝條件的優(yōu)化和控制具有指導意義.

1 實驗部分

1.1 實驗材料

餐廚垃圾取自北京工商大學東區(qū)食堂2層. 鋸末填料購自北京木材加工廠. 實驗材料性質(zhì)見表1.

表1 實驗材料性質(zhì)Tab.1 Characteristics of experimental materials

1.2 實驗裝置

實驗裝置見圖1. 堆肥裝置由3個長為750 mm、直徑為150 mm的有機玻璃臥式好氧反應器組成. 反應器放置在環(huán)形吊架內(nèi)，每12 h軸向轉(zhuǎn)動180°，防止由于重力因素產(chǎn)生縱向含水率差.

圖1 實驗裝置Fig.1 Experimental equipment

1.3 實驗方法

1.3.1實驗方案

本實驗通過小規(guī)模模擬實驗，考察和研究環(huán)境溫度、通風量、初始含水率和填料量等不同影響因素對餐廚垃圾高溫好氧堆肥過程的影響. 首先按表2實驗因素水平進行完全試驗，研究堆料溫度、水溶性COD和pH值等餐廚垃圾好氧堆肥過程參數(shù)在不同條件下的變化規(guī)律. 然后按表3進行正交試驗.

表2 實驗因素水平L9(34)Tab.2 Experimental factors and levels L9(34)

1.3.2實驗步驟

按表3的9個實驗方案進行實驗，3個實驗為一組.

取自于北京工商大學食堂2層的餐廚垃圾，首先分揀出大塊骨頭、廢紙、廢塑料等雜質(zhì)，經(jīng)食物絞碎機破碎(達到粒徑約為30 mm)，再與鋸末按不同比例混合，并將混合均勻的堆料調(diào)節(jié)好水份后裝入3個臥式有機玻璃堆肥反應器中，填充率95%. 按正交試驗方案間歇通風供氧，提供不同的環(huán)境溫度.

1.3.3測定參數(shù)及方法

以堆料溫度、水溶性COD、pH值和堆肥減量化率為評價指標. 測定方法見表4. 其中水淬液制備方法是：每天從每個堆肥反應器的3個取樣口各取1 g堆料置于錐形瓶中，加入40 mL無氨水，機械振動(200 r/min)1 h，離心(2 000 r/min)10 min，抽濾制備.

表3 正交試驗因素水平L9(34)Tab.3 Orthogonal tests factors and levels L9(34)

表4 實驗檢測參數(shù)和方法Tab.4 Experimental measurement parameters and motheds

2 結(jié)果與分析

2.1 堆體溫度隨時間的變化

1，2，3號反應器物料初始溫度為自然溫度20 ℃，4，5，6號反應器環(huán)境溫度控制在45 ℃, 7，8，9號反應器環(huán)境溫度控制在55 ℃.

物料溫度隨反應時間發(fā)生變化曲線如圖2. 1，2，3號反應器的堆肥一直在20～45 ℃范圍內(nèi)浮動，40 ℃以上分別持續(xù)了2天、4天和2天，基本是嗜溫菌在起作用，有機物降解不劇烈，堆肥效果不理想. 4，5，6號反應器采用了外加熱方法保持環(huán)境溫度45 ℃. 第二天堆料溫度達到45 ℃以上，之后溫度平緩上升，最高溫度分別達到60，59 ℃和55 ℃，并且分別在55 ℃以上保持了4天、8天和10天，無害化效果和堆肥效果相對較好. 7，8，9號反應器采用了外加熱方法保持環(huán)境溫度55 ℃. 第二天堆料溫度達到55 ℃以上，之后平緩上升，并均在60 ℃以上保持了5天以上. 但是8，9號反應器在第12天以后溫度下降較快，一方面由于物料含水率較低，不能滿足微生物需求，另一方面是由于前期反應較劇烈，有機物降解較快，堆肥后期有機質(zhì)含量急劇降低，微生物食物不再充足，導致微生物生命活動開始變得虛弱.

圖2 溫度隨時間的變化規(guī)律Fig.2 Variation regularity of temperature vs time

結(jié)果說明，環(huán)境溫度過低將導致堆肥過程無法出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，而人工控制溫度會加快進入高溫階段，幫助嗜熱性微生物盡快完成馴化，使微生物變得更為活躍，并大量繁殖，延長高溫期，使垃圾降解更完全，并縮短堆肥腐熟過程.

2.2 水溶性COD隨時間的變化規(guī)律

水溶性COD表征發(fā)酵物料中溶解或液化的可降解有機質(zhì)的量. 水溶性COD值越高，物料生物發(fā)酵過程越容易[4]. 餐廚垃圾中水溶性COD值最高可達100 000 mg/L以上.

餐廚垃圾堆肥過程中水溶性COD值隨時間變化規(guī)律如圖3. 由圖3曲線可以看出，各反應器中餐廚垃圾堆制初期，水溶性COD值呈上升趨勢. 這是由于游離態(tài)的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶態(tài)油脂，并由長鏈大分子裂解成短鏈有機酸，即高分子難溶有機物被轉(zhuǎn)化成了小分子可溶性有機物. 隨著微生物的不斷生長繁殖，微生物對有機質(zhì)的降解速度隨之升高，小分子可溶性有機物被微生物氧化分解，有機質(zhì)不斷被降解，水溶性COD值開始下降.

圖3 水溶性COD隨時間的變化規(guī)律Fig.3 Variation regularity of water-soluble COD vs time

1，2，3號反應器反應過程的前5天，垃圾中有機質(zhì)從難溶性大分子向易溶性小分子轉(zhuǎn)化，水溶性COD值逐漸上升，最大值分別達到105 020 mg/L、102 130 mg/L和112 010 mg/L. 第6天之后水溶性COD值開始下降，在第12～14天達到最小值，最后兩天水溶性COD又略有回升. 4，5，6號反應器反應開始的前3天水溶性COD值有上升的過程，第3天達到最大值分別是102 030 mg/L、92 600 mg/L和85 470 mg/L. 之后水溶性COD值開始下降，在第14天達到最小值，分別是49 420 mg/L、39 540 mg/L和45 270 mg/L. 一直到堆肥過程的最后兩天水溶性COD又有升高的現(xiàn)象. 7，8，9號反應器反應開始的前4天水溶性COD值有上升的過程，達到最大值分別是110 320 mg/L、124 700 mg/L和140 010 mg/L. 之后水溶性COD值開始下降.

對比發(fā)現(xiàn)，在堆肥過程初期，7，8，9號反應器水溶性COD值上升較快，之后下降也較快，1，2，3號反應器次之，4，5，6號反應器水溶性COD值上升最慢，說明環(huán)境溫度較高促進了微生物的生長繁殖，尤其是高溫下，嗜熱性微生物的生命活動非常活躍，使垃圾中有機質(zhì)和油脂的液化分解及降解過程加快[5-6]. 在相同環(huán)境溫度下，通風供氧量、含水率和垃圾填料比也分別對水溶性COD產(chǎn)生影響. 而在反應過程最后水溶性COD值又略有上升是因為微生物在降解有機物時合成了自身的物質(zhì)，也產(chǎn)生了一些新的可溶性有機物.

2.3 pH值隨時間的變化規(guī)律

堆肥過程中垃圾pH值變化過程可間接反映堆肥過程的生化反應歷程，如圖4. 1，2，3號反應器反應過程中pH值在3.3～5.9，在第6天出現(xiàn)最小值分別是3.5，4.9和3.3. 4，5，6號反應器反應過程中pH值在2.8～6.1，分別在第4天、第6天和第4天出現(xiàn)最小值，分別是2.8，4.7和4.2. 7，8，9號反應器反應過程中pH值在3.2～6.2，在第6天出現(xiàn)最小值，分別是3.5，3.2，3.8.

圖4 pH值隨時間的變化規(guī)律Fig.4 Variation regularity of pH value vs time

分析表明，在堆肥初期，堆體內(nèi)含有大量有機質(zhì),相對于微生物需求量是過剩的. pH<6.0時主要是嗜酸性微生物(真菌、酵母菌等)，微生物需要將其轉(zhuǎn)變成為小分子的有機酸后再吸收利用，致使有機酸在堆體內(nèi)累積，出現(xiàn)了短暫的堆體pH值下降，但并未維持很長的時間. 同時，由圖4可知，在pH值最小值時，水溶性COD值達到最大值. 之后隨著水溶性COD值下降，pH值有所上升. 說明了水溶性COD值的下降是由于微生物氧化分解易降解的有機物和油脂引起的.

2.4 正交試驗極差分析

經(jīng)過4因素3水平的正交試驗，得出各方案下堆肥減量化率，并進行極差計算，對環(huán)境溫度、通風量、含水率及填料量對餐廚垃圾高效好氧堆肥反應的影響在適宜的范圍內(nèi)進行比對，實驗條件及極差計算結(jié)果見表5.

表5 正交試驗L9(34)極差分析Tab.5 Orthogonal tests L9(34) range analysis

由表5可見，初始含水率的極差最大為5.24，環(huán)境溫度的極差次之為4.34，填料量的極差為4.33，通風量的極差最小為3.62. 由此說明初始含水率對堆肥減量化率影響最顯著.

3 結(jié) 論

1)餐廚垃圾堆肥過程中堆料溫度、水溶性COD和pH值在不同條件下的變化規(guī)律表明，環(huán)境溫度、通風量、初始含水率和填料量等不同影響因素對餐廚垃圾好氧堆肥過程均具有顯著影響.

2)環(huán)境溫度過低將會導致堆肥過程中菌群馴化階段延長，人工控制升高環(huán)境溫度會加快進入高溫階段，延長高溫期，使垃圾降解更完全，并縮短堆肥腐熟過程. 含水量和通風量過低也會影響堆層溫度的升高.

3)環(huán)境溫度較高促使垃圾中有機質(zhì)和油脂的液化分解和降解過程加快，水溶性COD變化加快. 在相同環(huán)境溫度下，通風供氧量、含水率和垃圾填料比也分別對水溶性COD產(chǎn)生影響. 而在反應后期水溶性COD值又略有上升是因為微生物在降解有機物時合成了自身的物質(zhì)，也產(chǎn)生了一些新的可溶性有機物.

4)堆肥過程中，pH值在2.8～6.2范圍內(nèi)發(fā)生波動.

5)環(huán)境溫度、通風量、含水率和填料量等4因素對堆肥減量化率的影響顯著性順序為含水率>環(huán)境溫度>填料量>通風量.