任連海, 何 亮， 寧 娜, 崔寶山

(1.北京工商大學(xué) 化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 北京 100048； 2.北京環(huán)衛(wèi)集團(tuán)環(huán)境研究發(fā)展有限公司， 北京 100067；3.北京國(guó)環(huán)清華環(huán)境工程設(shè)計(jì)研究院, 北京 100084)

長(zhǎng)期以來(lái)，各種因素對(duì)堆肥影響的研究主要集中在城市生活有機(jī)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(diǎn)，針對(duì)有機(jī)固體垃圾的研究成果對(duì)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(yīng)用，研究各因素對(duì)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(duì)餐廚垃圾進(jìn)行小試實(shí)驗(yàn)，控制反應(yīng)在高溫條件(55～65 ℃)可達(dá)到最大減量率，高溫運(yùn)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(jī)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(fēng)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(shù)葉、秸桿和干馬糞等蓬松劑后，堆料所能達(dá)到的高溫及其停留時(shí)間、好氧速率和產(chǎn)CO2能力均明顯優(yōu)于對(duì)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(jī)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(fēng)量和加入的填料量等因素是對(duì)堆肥反應(yīng)有直接影響的主要控制條件，往往通過(guò)調(diào)控這些因素可改變好氧堆肥減量化率，因此，通過(guò)正交試驗(yàn)，研究上述因素對(duì)餐廚垃圾高效好氧堆肥過(guò)程的影響，對(duì)餐廚垃圾好氧堆肥工藝條件的優(yōu)化和控制具有指導(dǎo)意義.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

餐廚垃圾取自北京工商大學(xué)東區(qū)食堂2層. 鋸末填料購(gòu)自北京木材加工廠. 實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)見(jiàn)表1.

表1 實(shí)驗(yàn)材料性質(zhì)Tab.1 Characteristics of experimental materials

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1. 堆肥裝置由3個(gè)長(zhǎng)為750 mm、直徑為150 mm的有機(jī)玻璃臥式好氧反應(yīng)器組成. 反應(yīng)器放置在環(huán)形吊架內(nèi)，每12 h軸向轉(zhuǎn)動(dòng)180°，防止由于重力因素產(chǎn)生縱向含水率差.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1實(shí)驗(yàn)方案

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

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平L9(34)Tab.2 Experimental factors and levels L9(34)

1.3.2實(shí)驗(yàn)步驟

按表3的9個(gè)實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，3個(gè)實(shí)驗(yàn)為一組.

取自于北京工商大學(xué)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(jī)破碎(達(dá)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(gè)臥式有機(jī)玻璃堆肥反應(yīng)器中，填充率95%. 按正交試驗(yàn)方案間歇通風(fēng)供氧，提供不同的環(huán)境溫度.

1.3.3測(cè)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(píng)價(jià)指標(biāo). 測(cè)定方法見(jiàn)表4. 其中水淬液制備方法是：每天從每個(gè)堆肥反應(yīng)器的3個(gè)取樣口各取1 g堆料置于錐形瓶中，加入40 mL無(wú)氨水，機(jī)械振動(dòng)(200 r/min)1 h，離心(2 000 r/min)10 min，抽濾制備.

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

表4 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)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(shí)間的變化

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

物料溫度隨反應(yīng)時(shí)間發(fā)生變化曲線(xiàn)如圖2. 1，2，3號(hào)反應(yīng)器的堆肥一直在20～45 ℃范圍內(nèi)浮動(dòng)，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(jī)物降解不劇烈，堆肥效果不理想. 4，5，6號(hào)反應(yīng)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(dá)到45 ℃以上，之后溫度平緩上升，最高溫度分別達(dá)到60，59 ℃和55 ℃，并且分別在55 ℃以上保持了4天、8天和10天，無(wú)害化效果和堆肥效果相對(duì)較好. 7，8，9號(hào)反應(yīng)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(dá)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(hào)反應(yīng)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(mǎn)足微生物需求，另一方面是由于前期反應(yīng)較劇烈，有機(jī)物降解較快，堆肥后期有機(jī)質(zhì)含量急劇降低，微生物食物不再充足，導(dǎo)致微生物生命活動(dòng)開(kāi)始變得虛弱.

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

結(jié)果說(shuō)明，環(huán)境溫度過(guò)低將導(dǎo)致堆肥過(guò)程無(wú)法出現(xiàn)升溫現(xiàn)象，而人工控制溫度會(huì)加快進(jìn)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(zhǎng)高溫期，使垃圾降解更完全，并縮短堆肥腐熟過(guò)程.

2.2 水溶性COD隨時(shí)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(jī)質(zhì)的量. 水溶性COD值越高，物料生物發(fā)酵過(guò)程越容易[4]. 餐廚垃圾中水溶性COD值最高可達(dá)100 000 mg/L以上.

餐廚垃圾堆肥過(guò)程中水溶性COD值隨時(shí)間變化規(guī)律如圖3. 由圖3曲線(xiàn)可以看出，各反應(yīng)器中餐廚垃圾堆制初期，水溶性COD值呈上升趨勢(shì). 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(zhǎng)鏈大分子裂解成短鏈有機(jī)酸，即高分子難溶有機(jī)物被轉(zhuǎn)化成了小分子可溶性有機(jī)物. 隨著微生物的不斷生長(zhǎng)繁殖，微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解速度隨之升高，小分子可溶性有機(jī)物被微生物氧化分解，有機(jī)質(zhì)不斷被降解，水溶性COD值開(kāi)始下降.

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

1，2，3號(hào)反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)程的前5天，垃圾中有機(jī)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(dá)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(kāi)始下降，在第12～14天達(dá)到最小值，最后兩天水溶性COD又略有回升. 4，5，6號(hào)反應(yīng)器反應(yīng)開(kāi)始的前3天水溶性COD值有上升的過(guò)程，第3天達(dá)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(kāi)始下降，在第14天達(dá)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(guò)程的最后兩天水溶性COD又有升高的現(xiàn)象. 7，8，9號(hào)反應(yīng)器反應(yīng)開(kāi)始的前4天水溶性COD值有上升的過(guò)程，達(dá)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(kāi)始下降.

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在堆肥過(guò)程初期，7，8，9號(hào)反應(yīng)器水溶性COD值上升較快，之后下降也較快，1，2，3號(hào)反應(yīng)器次之，4，5，6號(hào)反應(yīng)器水溶性COD值上升最慢，說(shuō)明環(huán)境溫度較高促進(jìn)了微生物的生長(zhǎng)繁殖，尤其是高溫下，嗜熱性微生物的生命活動(dòng)非?；钴S，使垃圾中有機(jī)質(zhì)和油脂的液化分解及降解過(guò)程加快[5-6]. 在相同環(huán)境溫度下，通風(fēng)供氧量、含水率和垃圾填料比也分別對(duì)水溶性COD產(chǎn)生影響. 而在反應(yīng)過(guò)程最后水溶性COD值又略有上升是因?yàn)槲⑸镌诮到庥袡C(jī)物時(shí)合成了自身的物質(zhì)，也產(chǎn)生了一些新的可溶性有機(jī)物.

2.3 pH值隨時(shí)間的變化規(guī)律

堆肥過(guò)程中垃圾pH值變化過(guò)程可間接反映堆肥過(guò)程的生化反應(yīng)歷程，如圖4. 1，2，3號(hào)反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)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(hào)反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)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(hào)反應(yīng)器反應(yīng)過(guò)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(shí)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(jī)質(zhì),相對(duì)于微生物需求量是過(guò)剩的. pH<6.0時(shí)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(jī)酸后再吸收利用，致使有機(jī)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(zhǎng)的時(shí)間. 同時(shí)，由圖4可知，在pH值最小值時(shí)，水溶性COD值達(dá)到最大值. 之后隨著水溶性COD值下降，pH值有所上升. 說(shuō)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(jī)物和油脂引起的.

2.4 正交試驗(yàn)極差分析

經(jīng)過(guò)4因素3水平的正交試驗(yàn)，得出各方案下堆肥減量化率，并進(jìn)行極差計(jì)算，對(duì)環(huán)境溫度、通風(fēng)量、含水率及填料量對(duì)餐廚垃圾高效好氧堆肥反應(yīng)的影響在適宜的范圍內(nèi)進(jìn)行比對(duì)，實(shí)驗(yàn)條件及極差計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5.

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

由表5可見(jiàn)，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(fēng)量的極差最小為3.62. 由此說(shuō)明初始含水率對(duì)堆肥減量化率影響最顯著.

3 結(jié) 論

1)餐廚垃圾堆肥過(guò)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(fēng)量、初始含水率和填料量等不同影響因素對(duì)餐廚垃圾好氧堆肥過(guò)程均具有顯著影響.

2)環(huán)境溫度過(guò)低將會(huì)導(dǎo)致堆肥過(guò)程中菌群馴化階段延長(zhǎng)，人工控制升高環(huán)境溫度會(huì)加快進(jìn)入高溫階段，延長(zhǎng)高溫期，使垃圾降解更完全，并縮短堆肥腐熟過(guò)程. 含水量和通風(fēng)量過(guò)低也會(huì)影響堆層溫度的升高.

3)環(huán)境溫度較高促使垃圾中有機(jī)質(zhì)和油脂的液化分解和降解過(guò)程加快，水溶性COD變化加快. 在相同環(huán)境溫度下，通風(fēng)供氧量、含水率和垃圾填料比也分別對(duì)水溶性COD產(chǎn)生影響. 而在反應(yīng)后期水溶性COD值又略有上升是因?yàn)槲⑸镌诮到庥袡C(jī)物時(shí)合成了自身的物質(zhì)，也產(chǎn)生了一些新的可溶性有機(jī)物.

4)堆肥過(guò)程中，pH值在2.8～6.2范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng).

5)環(huán)境溫度、通風(fēng)量、含水率和填料量等4因素對(duì)堆肥減量化率的影響顯著性順序?yàn)楹?環(huán)境溫度>填料量>通風(fēng)量.