沈洪艷，張相鋒，董世魁，楊 雷，武晨虹

(1.河北科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北石家莊050018;2.北京師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)學(xué)院，北京100875)

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市餐廚垃圾和綠化廢棄物的產(chǎn)生量越來越多.近年來，中國餐廚垃圾量呈穩(wěn)步上升趨勢，各大城市日均餐廚垃圾產(chǎn)量都在1 000 t以上［1］.利用好氧堆肥處理城市餐廚垃圾和綠化廢棄物是垃圾減量化的重要途徑，但在堆肥過程中會產(chǎn)生溫室氣體.在堆肥過程中產(chǎn)生的溫室氣體主要是CO2，其對溫室作用的貢獻(xiàn)約占60%［2］，而在堆體局部厭氧情況下又會產(chǎn)生CH4，CH4產(chǎn)生的溫室效應(yīng)是比CO2強(qiáng)，如果不對堆肥過程中產(chǎn)生的溫室氣體進(jìn)行處理，讓其直接排放到大氣中會加劇地球的溫室效應(yīng)［3］.為了解餐廚垃圾和綠化廢棄物堆肥過程中溫室氣體的排放情況，本研究采用一種控制通氣流向的好氧堆肥裝置，研究了堆肥過程中溫室氣體排放的變化規(guī)律.

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所需餐廚垃圾取自某高校教工食堂，人工去除多余液體和塑料等雜質(zhì);綠化廢棄物取自某學(xué)校綠化部綠化廢棄物，即校園內(nèi)落葉、草屑等，經(jīng)小型粉碎機(jī)粉碎至粒徑小于5 cm.餐廚垃圾與綠化廢棄物以質(zhì)量1∶1混合，使混合堆肥原料的含水率在 60%左右［4］.

1.2 試驗儀器

便攜式紅外氣體檢測儀(GXH-3010/3011BF)，冷凍干燥機(jī)(LGJ-12)，電熱鼓風(fēng)干燥箱(101型)，生化培養(yǎng)箱(SPX-150B)，箱式電阻爐控制箱(SX-4-10型)，離心機(jī)(TGL-20B)，pH計(PHS-3E)，電子天平(YP 20001).

1.3 試驗設(shè)計與方法

1.3.1 試驗設(shè)計 考慮到進(jìn)氣溫度、通風(fēng)速率是影響堆肥質(zhì)量的主要影響因子，本研究設(shè)計了35，45 ℃ 2 個進(jìn)氣溫度和 1.5，2.5，4 m3·h-13 個通風(fēng)速率相結(jié)合的試驗方案，試驗共設(shè)置6個處理［5］.本研究不設(shè)置重復(fù).堆肥處理周期為15 d.共計90 d.具體試驗參數(shù)設(shè)計見表1.

1.3.2 試驗裝置 為了克服好氧生物降解過程中因堆體溫度分布不均勻?qū)е陆到獠怀浞值娜毕?，設(shè)計了一種控制通氣流向的好氧堆肥均勻降解控制裝置.堆肥試驗裝置由1個主體發(fā)酵箱和3個附屬系統(tǒng)組成，附屬系統(tǒng)分別為氣體流向控制系統(tǒng)、溫度控制采集系統(tǒng)和氣體檢測系統(tǒng).堆肥裝置示意圖見圖1，氣體流向示意圖見圖2.1.3.3 CH4，CO2測定方法 在發(fā)酵箱進(jìn)出氣口、堆體上、中、下部位共8處，用便攜式紅外氣體檢測儀于每天9:00，15:00和21:00監(jiān)測氣體含量，并計算每日平均氣體含量［6］.

表1 堆肥試驗運(yùn)行參數(shù)Table1 The run parameters of the composting

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥過程中CO2體積分?jǐn)?shù)的變化

堆肥過程中CO2體積分?jǐn)?shù)的變化見圖3.

圖3 堆肥過程中CO 2體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.3 Variation of CO2 in the composting process

從圖3可以看出，各處理堆體的CO2排放變化趨勢基本相同，都經(jīng)歷了升溫階段(25～50℃)較低、高溫階段(＞50℃)急劇增加和降溫階段(35℃ ～50℃)下降并趨于平緩的過程.在堆肥開始的1～2 d內(nèi)，由于向發(fā)酵箱內(nèi)通入的空氣本身含有一定量的CO2，使堆肥開始時CO2的排放就呈現(xiàn)明顯的上升趨勢，在堆肥的第3～4天，即高溫期開始時，微生物活性增強(qiáng)并且迅速繁殖，加快了對堆肥原料中有機(jī)物的降解，使各處理的CO2排放達(dá)到最高值，處理6達(dá)到了11%，處理4達(dá)到了8%.隨著堆肥原料中可降解有機(jī)物含量的逐漸下降，CO2的排放也呈現(xiàn)降低的趨勢［7］，各處理組的CO2排放量保持在2%左右.高濃度CO2的排放時間主要是堆肥前期和高溫期.

由于處理1和處理2的高溫階段持續(xù)時間較短并且最高溫度不高，微生物不活躍，導(dǎo)致處理1和處理2在高溫期后期和降溫期排放的CO2較少并隨之穩(wěn)定［8］.處理3～6在加大通風(fēng)速率和提高進(jìn)氣溫度后，堆肥原料進(jìn)行強(qiáng)烈的好氧降解，能明顯促進(jìn)有機(jī)物的氧化分解并產(chǎn)生CO2，在堆肥后期和降溫期，CO2排放量也隨著堆肥原料中可降解有機(jī)物含量的減少逐漸下降.其中CO2排放量，處理3大于處理4，處理5大于處理6，處理6在堆肥過程中CO2排放量高于其他處理，這可能是因為堆體中的甲烷氧化菌利用堆體中CH4作為底碳和能源，將CH4氧化成CO2，使堆體中CO2排放量一直處于較高水平.在相同的通風(fēng)速率下，大體上呈現(xiàn)溫度越高，CO2排放濃度越高的趨勢.

2.2 堆肥過程中CH 4體積分?jǐn)?shù)的變化

堆肥過程中CH4體積分?jǐn)?shù)的變化見圖4.

圖4 堆肥過程中CH 4體積分?jǐn)?shù)的變化Fig.4 Variation of CH 4 in the composting process

從圖4可以看出，高濃度CH4的排放主要集中在堆肥高溫前、中期.各處理堆體中CH4的排放變化趨勢也是先升高后降低，最后趨于平緩的過程.在堆肥開始時，堆體中CH4的排放一直呈現(xiàn)較低的水平，這是由于堆體中微生物不活躍，并且堆體中的氧氣也充足［9］.在進(jìn)入高溫期后CH4排放也開始升高并在第4～5天出現(xiàn)最大值，其中處理3的CH4體積分?jǐn)?shù)達(dá)到了14%，處理4的 CH4體積分?jǐn)?shù)接近12%，在穩(wěn)定了一段時間后迅速降低，這主要是因為在高溫期微生物活性較強(qiáng)，需氧量大造成局部厭氧情況，甲烷菌活躍產(chǎn)生了較多的CH4，以后隨著可降解有機(jī)物含量的逐漸下降，堆體溫度也隨之逐步下降，CH4排放也呈現(xiàn)降低的趨勢［10］.

從圖4還可以看出，處理1堆體CH4的排放量一直不高，在第7天出現(xiàn)1個峰值，達(dá)到3%左右，此時，處理1好氧微生物活性較低，甲烷菌產(chǎn)生少量的CH4.處理3堆體CH4的排放體積分?jǐn)?shù)較高，并且在第5天出現(xiàn)一個峰值，處理5堆體CH4的排放曲線較為平緩，其CH4排放的最高體積分?jǐn)?shù)比處理3少6.12%，說明通風(fēng)速率為2.5 m3·h-1的處理3雖然能為堆肥物料中微生物降解有機(jī)質(zhì)提供氧氣，但是在高溫期嗜熱微生物活性強(qiáng)烈，此時的通風(fēng)量不能滿足微生物的需氧量，促進(jìn)了甲烷菌的生長，加快了CH4的排放速率，而以4 m3·h-1為通風(fēng)速率的處理5卻能在高溫期緩和堆體中局部缺氧的情況，減少CH4的排放.由于處理6的通風(fēng)速率較高(4 m3·h-1)，在堆肥過程中甲烷氧化菌能將CH4氧化成CO2，從而降低其CH4的排放濃度，因此進(jìn)氣溫度的高低對各堆體CH4的排放濃度的變化影響不是很明顯.

3 結(jié)論

6個處理堆體CO2和CH4的排放都經(jīng)歷了升溫階段較低、高溫階段急劇增加以及降溫階段下降并趨于平緩的過程.其中處理6的CO2排放的體積分?jǐn)?shù)在第3天達(dá)到本試驗最高值11%，處理4在第4天達(dá)到8%.在相同的通風(fēng)速率下，大體上呈現(xiàn)溫度越高，CO2排放體積分?jǐn)?shù)越高.高濃度CH4的排放主要集中在堆肥高溫前、中期.其中處理3在第5天達(dá)到本試驗CH4排放體積分?jǐn)?shù)最高值14%，處理4在第5天CH4的排放體積分?jǐn)?shù)接近12%.通風(fēng)速率較小，產(chǎn)生的CH4越多，通風(fēng)速率越大，CH4的排放濃度越低.

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