餐廚垃圾與園林植物廢棄物混合堆肥工藝研究

李化山等

摘要

[目的] 研究混合原料中園林植物廢棄物不同質(zhì)量比對(duì)餐廚垃圾快速堆肥效果的影響。[方法]以餐廚垃圾與園林植物廢棄物為原料，采用靜態(tài)好氧堆肥技術(shù)。[結(jié)果]餐廚垃圾質(zhì)量比為80%，堆肥效果最好，減重減容及有機(jī)質(zhì)降解效果均較好，減容率為27.14%，減重率為35.13%，有機(jī)質(zhì)降解率為11.54%。發(fā)酵結(jié)束后的第1組、第2組、第3組的C/N比均下降到15～20以下，而第4組略微超出此范圍，前3組基本上可判定堆肥混合料已達(dá)到腐熟。堆肥過程中4組堆體溫度均在第3天出現(xiàn)最大值，而CO2體積分?jǐn)?shù)均在第4天出現(xiàn)最大值，相反的是氧濃度均在第4天出現(xiàn)最小值。[結(jié)論] 該研究結(jié)果可為餐廚垃圾與綠化廢棄物資源化利用提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞 餐廚垃圾；園林植物廢棄物；混合堆肥；堆肥效果；腐熟指標(biāo)

中圖分類號(hào)S141.8；X705文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào)0517-6611（2014）28-09745-04

CoComposting of Kitchen Waste and Garden Plant Waste

LI Huashan， YU Guanghui， LI Shigang et al

（Shenzhen Techand Ecology & Environment Co.， Ltd. Shenzhen， Guangdong 518040）

Abstract[Objective] To study the effect of garden plant waste in different ratio on kitchen waste rapid composting. [Method] The treatment experiment used the aerobic static compost technique. [Result]The results showed that the best composting results can be obtained when kitchen waste used at a ratio of 80% of the total mass， with final weightloss of 35.13%， volumeloss of 27.14%， organic matterloss of 11.54%. The C/N ratio of the first three groups dropped to less than 15-20， while， the fourth group beyond that range slightly， it illustrated the first three groups were arrived at the standard of ripe composting. Stack temperature in different groups were the highest on the third day. However， the maximum volume fraction of CO2 occurred on the fourth day. On the contrary， the minimum oxygen concentration appeared on the fourth day. [Conclusion] The study provides theoretical basis for the recycling use of kitchen waste and garden plant waste.

Key wordsKitchen waste； Garden plant waste； Cocomposting； Composting quality； Rotten index

深圳市餐廚垃圾的產(chǎn)生量約2 000 t/d。深圳市餐廚垃圾無害化處理率較低，資源化應(yīng)用較少，易造成環(huán)境污染和疾病傳播，并且存在被用作提煉地溝油的可能，威脅大眾食品安全。同時(shí)，深圳市每年產(chǎn)生的植物廢棄物就有約10萬t，而焚燒1 t園林植物廢棄物產(chǎn)生的CO2為230 kg，則深圳每年焚燒植物廢棄物產(chǎn)生的CO2就有2.3萬t，成為新世紀(jì)碳減排工作的一大阻力。因此，對(duì)于這些大量的園林植物廢棄物，如果不采取有效措施而隨意處理，那么不僅會(huì)影響城市面貌，而且會(huì)造成不同程度的環(huán)境污染。

由于餐廚垃圾具有較高的含水率、有機(jī)質(zhì)含量，營養(yǎng)物質(zhì)較高，但是因其較高的油脂含量，易腐爛，并且含有大量的致病菌，因此對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行回收利用存在較大困難。而園林植物廢棄物具有較高的C/N，并且結(jié)構(gòu)疏松，可以解決餐廚垃圾較黏稠、在堆肥中需要外加碳源的問題。將餐廚垃圾和園林植物廢棄物進(jìn)行混合處理，其堆肥產(chǎn)物可作為有機(jī)肥料用于園林、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。但是，目前餐廚垃圾與園林植物廢棄物聯(lián)合堆肥報(bào)道較少[1-7]。

綠化廢棄物具有抗壓實(shí)性能好、C/N比較高、吸附性能好等特點(diǎn)，適宜作為餐廚垃圾堆肥調(diào)節(jié)劑。同時(shí)，在發(fā)酵完成后，園林植物廢棄物的存在可以降低終產(chǎn)品中鹽含量。但是，只有適宜的比例才具有最好的發(fā)酵效果，縮短發(fā)酵時(shí)間，減少二次污染的產(chǎn)生。因此，餐廚垃圾與調(diào)節(jié)劑的比例是該研究需要解決的問題之一。最佳堆肥參數(shù)的確定，即確定堆肥發(fā)酵過程中含水率、溫度、pH、C/N及有機(jī)質(zhì)含量、CO2排放的變化規(guī)律，可為堆肥腐熟時(shí)間的確定提供理論依據(jù)。餐廚垃圾、園林植物廢棄物不同處理方法的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

1材料與方法

1.1材料

供試餐廚垃圾取自深圳市福田區(qū)各飯店中餐和晚餐的食物殘余物。餐廚垃圾中主要有油、湯水、水果、蔬菜、米飯、面食、肉、骨頭等。供試園林植物廢棄物取自深圳市綠化管理處收集的園林植物廢棄物，主要成分為落葉、樹枝、雜草。

1.2方法

試驗(yàn)采用加入調(diào)理劑（園林植物廢棄物）的方法。設(shè)置4組類別，餐廚垃圾質(zhì)量比分別為80%、70%、60%、50%，運(yùn)用一種靜態(tài)好氧槽式堆肥技術(shù)。一個(gè)主發(fā)酵槽和2個(gè)附屬系統(tǒng)構(gòu)成了整個(gè)堆肥試驗(yàn)裝置。附屬系統(tǒng)構(gòu)成分別為CO2和氧濃度檢測(cè)系統(tǒng)、溫度控制采集系統(tǒng)。CO2和氧濃度測(cè)定方法為在發(fā)酵槽進(jìn)出氣口、堆體上、中、下部位共8處，每天8：00、14：00和22：00用Altair5天鷹5便攜式多種氣體檢測(cè)儀監(jiān)測(cè)CO2體積分?jǐn)?shù)和氧濃度，并且計(jì)算出每日平均CO2體積分?jǐn)?shù)和氧濃度。整個(gè)試驗(yàn)期為9 d。試驗(yàn)材料基本性質(zhì)見表1。餐廚垃圾與園林植物廢棄物配比見表2。各指標(biāo)具體測(cè)定方法見表3。用Sigmaplot 10.0繪制圖表及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2結(jié)果與分析

2.1堆體溫度的變化

堆體的溫度是反映好氧堆肥的重要參數(shù)，也是判斷堆肥是否完成以及堆肥產(chǎn)物是否對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染的重要指標(biāo)之一[8-9]。好氧堆肥可以劃分為3個(gè)階段，即升溫階段、高溫階段、降溫和腐熟階段。①在升溫階段，在嗜溫性微生物的分解下，葡萄糖、碳水化合物和脂肪所產(chǎn)生的熱量促使堆肥物料溫度不斷上升；②當(dāng)堆體溫度達(dá)到50 ℃以上，堆肥過程進(jìn)入高溫階段，高嗜溫性微生物在高溫條件下受到限制甚至死亡，嗜熱性微生物（真菌、放線菌等）成為主體，繼續(xù)分解殘留的有機(jī)物以及纖維素、半纖維素等復(fù)雜有機(jī)物；③經(jīng)過一段高溫期，堆肥進(jìn)入降溫和腐熟階段，此時(shí)堆肥物料發(fā)酵基本完成，隨著溫度的降低，嗜溫性微生物又成為主體，對(duì)殘余的較難分解的有機(jī)物作進(jìn)一步的分解，堆體溫度繼續(xù)下降且趨于一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。

從圖1可以看出，4組餐廚垃圾與園林植物廢棄物混合堆肥物料溫度均在第1天迅速升高，并且均在第3天達(dá)到最高，分別為70.1、72.2、74.2、75.3 ℃，高溫期均持續(xù)了4 d，均在第9天出現(xiàn)穩(wěn)定，分別為30.6、32.2、30.1、32.8 ℃，均低于35 ℃以下并且接近于室溫，說明堆肥過程基本完成。

圖1堆肥過程中各組堆體溫度的變化

2.2含水率的變化

水分作為可溶性營養(yǎng)物的載體，滿足微生物代謝和生理活動(dòng)所需。水分還能參與微生物的新陳代謝及有機(jī)物的溶解，并且可以通過蒸發(fā)帶走熱量，調(diào)節(jié)堆肥混合料的溫度[10]。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)，在堆肥腐熟過程中，最有利于微生物分解活動(dòng)的最佳含水率為50%～60%[11]。含水率過低或過高都對(duì)堆肥過程產(chǎn)生影響。當(dāng)含水率較高時(shí)，堆肥混合料間的空隙變小，空氣的流通性變差，局部產(chǎn)生厭氧狀態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生惡臭氣體；當(dāng)含水率較低時(shí)，堆肥混合料過早干化，影響微生物活性，導(dǎo)致堆肥物料不完全腐熟，降低了堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量[12]。

由圖2可知，第1～4組初始含水率分別為60.55%、54.77%、48.98%、43.19%，發(fā)酵結(jié)束后含水率分別為40.19%、37.16%、30.14%、23.23%，水分去除率分別為33.63%、32.15%、38.46%、46.21%，第4組的水分去除率最高。這是由于第4組餐廚垃圾比例最小，而具有較高自由水的園林植物廢棄物所占比例較高，所以水分容易蒸發(fā)散失。

圖2堆肥過程中各組含水率的變化

2.3揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)含量的變化

有機(jī)質(zhì)為微生物的生存和繁殖提供營養(yǎng)，因此有機(jī)質(zhì)含量的變化能反映堆肥完成的進(jìn)程，并且有機(jī)質(zhì)的降解率可以用來判定堆肥的腐熟程度[13]。以往研究發(fā)現(xiàn)，堆肥混合料最佳的有機(jī)質(zhì)含量為20%～80%[14]。

由圖3可知，在堆肥過程中4組總揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)初始含量均較高，分別為61.25%、63.75%、66.25%、68.75%，但經(jīng)過發(fā)酵之后，下降幅度不大，發(fā)酵結(jié)束后有機(jī)質(zhì)含量分別為54.18%、57.55%、61.78%、64.85%，有機(jī)質(zhì)降解率分別為11.54%、9.7%、6.7%、5.7%，第4組降解率最低，第1組最高。原因可能是第4組的園林植物廢棄物的比例較高，其中園林植物廢棄物的大部分有機(jī)質(zhì)為較難分解的木質(zhì)素和纖維素，而第1組的含有易降解的成分較多的餐廚垃圾比例較高。

圖3堆肥過程中各組揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)含量的變化

2.4C/N比的變化

堆肥混合料中碳源是微生物的能源，被微生物分解為CO2和腐殖質(zhì)等物質(zhì)；氮源作為微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，被微生物分解為NH3，硝酸鹽和亞硝酸鹽由生物體同化吸收[15]。堆肥混合料C/N比初始為25～30。當(dāng)發(fā)酵堆肥結(jié)束時(shí)，C/N比下降到15～20以下，則可判定堆肥混合料已達(dá)到腐熟[16-17]。

由圖4可知，發(fā)酵結(jié)束后的第1～3組的C/N比均下降到15～20以下，而第4組略微超出此范圍，原因可能是第4組含水率較低，較難分解園林植物廢物含量較高，而易腐的餐廚垃圾較少，從而導(dǎo)致混合堆料未能充分發(fā)酵。

圖4各組堆肥過程中C/N比的變化

2.5氧濃度的變化

在高溫好氧堆肥過程中，氧氣濃度反映微生物生命活動(dòng)的狀態(tài)，并且與堆體溫度、CO2氣體的排放、堆肥質(zhì)量等生物化學(xué)過程有著密切關(guān)系，因此氧氣濃度是影響堆肥質(zhì)量的重要因素[18-19]。由圖5可知，4組試驗(yàn)氧濃度變化趨勢(shì)基本上與溫度變化呈相反趨勢(shì)，在溫度高的時(shí)候微生物活動(dòng)強(qiáng)烈，耗氧較多，氧濃度最低，隨著發(fā)酵的完成，各組氧濃度逐漸回升并保持穩(wěn)定。

圖5堆肥過程中各組氧濃度的變化

2.6pH的變化

由圖6可知，隨著堆肥腐熟的進(jìn)行，各組試驗(yàn)pH 均呈先上升后保持穩(wěn)定的趨勢(shì)，先期的給氧充分，堆肥產(chǎn)生有機(jī)酸被迅速轉(zhuǎn)化為 CO2 和H2O釋放，而含氮有機(jī)物被微生物大量分解產(chǎn)生氨氮，導(dǎo)致pH升高。已有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)pH范圍為6.7～9.0時(shí)，堆肥過程中微生物可以保持較高活性[16]，從而為微生物提供一個(gè)適宜的酸堿環(huán)境，既可以促進(jìn)有機(jī)物的降解，又可以減少堆肥過程中氨氮的損失，從而保留堆肥混合料中有效氮，提高堆肥腐熟的程度。

圖6堆肥過程中各組pH的變化

2.7CO2體積分?jǐn)?shù)的變化

由圖7可知，4組混合堆肥物料的CO2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)大致相同，均在第1天迅速升高，都經(jīng)歷了低溫上升階段（25～50 ℃）、高溫迅速增加階段（>50 ℃）和降溫趨于平緩階段（30～50 ℃）。在堆肥開始的1～2 d內(nèi)，由于在試驗(yàn)開始時(shí)發(fā)酵槽是充滿空氣并且含有一定量的CO2，使得堆肥開始時(shí)CO2體積分?jǐn)?shù)呈上升趨勢(shì)，在堆肥的第3～4天屬于后高溫時(shí)期，微生物活動(dòng)較活躍并且繁殖數(shù)量較多，微生物呼吸較大，有機(jī)物的降解較快，CO2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，4組數(shù)值分別為8.7%、8.1%、7.9%、7.9%。

3結(jié)論

研究表明，4組試驗(yàn)基本上均能對(duì)餐廚垃圾進(jìn)行有效無害化處理，添加園林植物廢棄物能有效地促進(jìn)餐廚垃圾的降解；餐廚垃圾與園林植物廢棄物質(zhì)量比為80%，堆肥效果最好，減重、減容有機(jī)質(zhì)降解效果較好，減容率為27.14%，減重率為35.13%，有機(jī)質(zhì)降解率為11.54%；4組試驗(yàn)的氧濃度均在第4天出現(xiàn)最小值，并且其變化趨勢(shì)基本上與溫度變化呈相反趨勢(shì)；4組堆肥過程中堆體溫度均在第3天出現(xiàn)最大值，而CO2體積分?jǐn)?shù)均在第4天出現(xiàn)最大值；發(fā)酵結(jié)束后的第1組、第2組、第3組C/N比均下降到15～20以下，而第4組略超出此范圍，基本上可判定堆肥混合料已達(dá)到腐熟。

隨著《深圳市餐廚垃圾管理辦法》的出臺(tái)及深圳市餐廚垃圾收集管理系統(tǒng)的完善，餐廚垃圾的收集將更為規(guī)范，為深圳市餐廚垃圾資源化利用創(chuàng)造了良好條件，資源化利用潛力巨大。在這一背景下，開展餐廚垃圾與綠化廢棄物共堆肥研究在餐廚垃圾無害化處理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)資源化利用，減少由餐廚垃圾帶來的環(huán)境污染或由其處理不當(dāng)造成的環(huán)境污染或疾病傳播，并且實(shí)現(xiàn)餐廚垃圾的資源化利用，降低餐廚垃圾處理成本，降低政府為餐廚垃圾處理經(jīng)費(fèi)支出，發(fā)展深圳市循環(huán)經(jīng)濟(jì)，為改善深圳市人居環(huán)境做出貢獻(xiàn)。

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