餐廚垃圾好氧堆肥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究

繩以健，劉玉德

（1．總后軍需裝備研究所，北京 100010；2．北京工商大學(xué)材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京 100048）

目前，基于各種堆肥系統(tǒng)建立的數(shù)學(xué)模型很多，并被證實(shí)可行，但是關(guān)于采用間歇投料技術(shù)進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥模型的建立卻很少［1-2］。筆者為有效控制小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥的過程，有效提高堆肥效率，以設(shè)備內(nèi)部環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和接種量作為研究對(duì)象，采用間歇投料技術(shù)進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)裝置與材料

1.1.1 試驗(yàn)裝備及原理

試驗(yàn)裝置采用自制的餐廚垃圾處理設(shè)備，如圖1所示。餐廚垃圾處理設(shè)備啟動(dòng)方式：設(shè)備正常啟動(dòng)后，自動(dòng)上料裝置向餐廚垃圾處理設(shè)備中投入物料，垃圾先經(jīng)過擠壓脫水后由粉碎裝置對(duì)大塊的垃圾進(jìn)行細(xì)化處理，最后傳送到發(fā)酵容器內(nèi)與復(fù)合微生物菌劑混合進(jìn)行好氧堆肥處理。通過控制面板可以調(diào)用程序控制設(shè)備中的加溫裝置和噴淋裝置，對(duì)發(fā)酵容器中物料的溫、濕度進(jìn)行調(diào)整，通過傳感器監(jiān)測(cè)發(fā)酵容器中的溫度、濕度情況并顯示在LCD液晶顯示屏上，最后降解完成后統(tǒng)一出料。

圖1 餐廚垃圾處理設(shè)備結(jié)構(gòu)

1.1.2 試驗(yàn)菌種

試驗(yàn)過程中人工添加配置好的高效復(fù)合微生物菌劑。菌劑成分包括2種細(xì)菌和5種真菌，這些菌種從餐廚垃圾中分離出來，并經(jīng)過篩選和對(duì)峙試驗(yàn)后，具有較高活性，并對(duì)餐廚垃圾中的主要有機(jī)成分具有針對(duì)性降解作用。同時(shí)，在菌種投放過程中適當(dāng)添加鋸末作為輔料，可以改善堆肥環(huán)境，如增加物料孔隙率、調(diào)節(jié)C/N和含水率，為菌種營(yíng)造一個(gè)良好的生長(zhǎng)環(huán)境，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速分解垃圾中的有機(jī)物，有效提高堆肥效率［3］。

1.1.3 試驗(yàn)物料

本試驗(yàn)所用的餐廚垃圾來源于某單位食堂泔水桶中午餐和晚餐的食物殘余物，其中主要包括油、湯水、果皮、蔬菜、米飯、面食、魚骨、肉、骨頭、雞蛋等。

1.2 試驗(yàn)方案及測(cè)定方法

將每天收集到的100 kg餐廚垃圾投入餐廚垃圾處理設(shè)備，在前期試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行3組試驗(yàn)，第1組試驗(yàn)將發(fā)酵容器內(nèi)環(huán)境溫度分別設(shè)置為35、40、45℃，然后其他條件按照室溫設(shè)定進(jìn)行堆肥；第2組試驗(yàn)將環(huán)境濕度分別設(shè)置為35%、40%、45%，其他條件按照室溫設(shè)定進(jìn)行堆肥；第3組試驗(yàn)分別按照接種量為4∶2、4∶3、4∶4進(jìn)行接種，其他條件按照室溫設(shè)定進(jìn)行堆肥。每個(gè)設(shè)置的試驗(yàn)周期為7 d，一共連續(xù)投料7 d，前6 d在每天投料前取出200 g處理階段產(chǎn)物制成樣品，第7天則在出料后進(jìn)行取樣，按照CJ/T 96—1999城市生活垃圾有機(jī)質(zhì)的測(cè)定中規(guī)定的灼燒法測(cè)定階段產(chǎn)物中的有機(jī)質(zhì)含量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響

本次試驗(yàn)的目的是探討小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥過程中環(huán)境溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響。在35、40、45℃的溫度條件下分別測(cè)定的堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示。

圖2 溫度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響

雖然每天都向降解容器中投入餐廚垃圾，且餐廚垃圾的有機(jī)質(zhì)含量各不相同，但從圖2可以看出，在環(huán)境溫度為40℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)的降解量最大，減少了22.55個(gè)百分點(diǎn)，其余環(huán)境溫度下有機(jī)質(zhì)降解效果較差，溫度為35℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)降低了13.15個(gè)百分點(diǎn)，溫度為45℃時(shí)，有機(jī)質(zhì)降低了13.68個(gè)百分點(diǎn)。由此可見環(huán)境溫度對(duì)有機(jī)物降解有明顯的影響，而40℃是最適宜微生物生長(zhǎng)的環(huán)境溫度。

2.2 環(huán)境濕度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化量的影響

本次試驗(yàn)的目的是探討小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥過程中環(huán)境濕度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化量的影響。在35%、40%和45%的濕度條件下分別測(cè)定的堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間變化曲線如圖3所示。

圖3 濕度對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響

從圖3可以看出，利用小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥的最佳環(huán)境濕度為40%。當(dāng)環(huán)境濕度為40%時(shí)，有機(jī)質(zhì)的降解量最大，減少了16.61個(gè)百分點(diǎn)，其余環(huán)境濕度下有機(jī)質(zhì)降解效果較差，濕度為35%時(shí)，有機(jī)質(zhì)下降8.99個(gè)百分點(diǎn)，濕度為45%時(shí)，有機(jī)質(zhì)下降8.32個(gè)百分點(diǎn)。由此可見環(huán)境濕度也對(duì)有機(jī)物降解有明顯的影響作用。

2.3 接種量對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響

本次試驗(yàn)的目的是探討小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥過程中接種量對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響。在菌種（含輔料） ∶餐廚垃圾=4∶2、4∶3和4∶4的接種量條件下分別測(cè)定的堆肥過程中有機(jī)質(zhì)含量隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖4 接種量對(duì)有機(jī)質(zhì)變化的影響

由圖4可知，當(dāng)接種量為4∶3時(shí)，有機(jī)降解量最多，有機(jī)質(zhì)減少了17.82個(gè)百分點(diǎn)，當(dāng)接種量為4∶2和4∶4時(shí)有機(jī)質(zhì)分別下降了14.44和14.02個(gè)百分點(diǎn)，雖然接種量對(duì)堆肥過程中有機(jī)質(zhì)的變化產(chǎn)生的影響較環(huán)境溫度和環(huán)境濕度小，但是仍然存在影響。

3 動(dòng)力學(xué)分析

目前，對(duì)好氧生物堆肥中有機(jī)質(zhì)降解進(jìn)行描述的動(dòng)力學(xué)模型主要有：一級(jí)反應(yīng)模型、Monod模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。其中，一?jí)反應(yīng)模型建立需要的參數(shù)較少，模型求解簡(jiǎn)單，模擬效果相對(duì)較好；Monod模型建立不僅需要參數(shù)較多且計(jì)算過程復(fù)雜，而且模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性相對(duì)較差；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪窃诓豢紤]降解機(jī)理的前提下，由大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合而得到，但是因?yàn)樵囼?yàn)條件有限，模擬結(jié)果適用的范圍有限［4-5］。所以，本試驗(yàn)基于一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)建立相應(yīng)的餐廚垃圾好氧堆肥動(dòng)力學(xué)模型。

根據(jù)一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，可以得到：

式中：C為餐廚垃圾好氧堆肥t時(shí)刻有機(jī)質(zhì)濃度（%）；k為堆肥反應(yīng)速率常數(shù)（d-1）。

當(dāng)t=0時(shí)，C=C0，從而有：

根據(jù)有機(jī)質(zhì)隨時(shí)間的變化關(guān)系，以ln（C0/C）為縱坐標(biāo)，以時(shí)間為橫坐標(biāo)，分別對(duì)不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和接種量條件作圖，不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和接種量條件下的關(guān)系如圖5～7所示。

圖5 不同環(huán)境溫度條件下的反應(yīng)速率

圖6 不同環(huán)境濕度條件下的反應(yīng)速率

圖7 不同接種量條件下的反應(yīng)速率

根據(jù)不同環(huán)境溫度、環(huán)境濕度和接種量條件下的堆肥試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出相應(yīng)的堆肥速率常數(shù)k，其相關(guān)性如表1所示。

表1 不同條件下的速率常數(shù)k及相關(guān)系數(shù)r2

從表1中相關(guān)系數(shù)r2可以看出，本試驗(yàn)利用小型餐廚垃圾處理設(shè)備進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥時(shí)，其反應(yīng)基本符合一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)；而根據(jù)不同設(shè)備環(huán)境條件下的堆肥反應(yīng)速率常數(shù)k可知，設(shè)備發(fā)酵容器內(nèi)部條件對(duì)餐廚垃圾好氧堆肥反應(yīng)速率影響很大，這些環(huán)境因素對(duì)堆肥反應(yīng)速率影響的大小為環(huán)境溫度＞環(huán)境濕度＞接種量，且當(dāng)環(huán)境濕度為40%，環(huán)境溫度40℃，接種量為4∶3時(shí)，堆肥反應(yīng)速率最高。

4 結(jié)論

基于自制小型餐廚垃圾處理設(shè)備采用間歇投料工藝進(jìn)行餐廚垃圾好氧堆肥，利用堆肥一級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，研究3個(gè)環(huán)境因素接種量（含輔料）、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度對(duì)餐廚垃圾好氧堆肥過程中有機(jī)質(zhì)降解及變化速率的影響，得到不同環(huán)境條件下的反應(yīng)速率常數(shù)，而且這些環(huán)境因素對(duì)堆肥反應(yīng)速率影響的大小為環(huán)境溫度＞環(huán)境濕度＞接種量，根據(jù)反應(yīng)速率常數(shù)確定最佳工藝條件為溫度40℃、濕度40%、接種量4∶3。

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