摘要：以桂林市生活垃圾和城市污泥為主要原料，另添加鋸末作為調(diào)理劑，在智能化高溫好氧堆肥發(fā)酵倉內(nèi)利用時(shí)間反饋的連續(xù)通風(fēng)策略進(jìn)行高溫好氧堆肥試驗(yàn)，選定生活垃圾與城市污泥配比、C/N、含水率和通風(fēng)量4個(gè)參數(shù)分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)。結(jié)果表明，堆肥過程中最佳控制參數(shù)為生活垃圾與城市污泥質(zhì)量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg鋸末；C/N為35；含水率為54%；通風(fēng)量為0.15～0.30 m3/h（溫度達(dá)到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（溫度超過50 ℃后）。

關(guān)鍵詞：生活垃圾；城市污泥；鋸末；好氧堆肥；控制參數(shù)

中圖分類號(hào)：S141.8 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2013）23-5726-04

城市生活垃圾是指人們?cè)谌粘Ｉ钪兴a(chǎn)生的固體廢棄物。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，生活垃圾的產(chǎn)量正在逐步增加。目前全世界年產(chǎn)生垃圾量約為7.7億t，預(yù)計(jì)2020年將達(dá)20億t[1]。在收集、運(yùn)輸和處理的過程中，垃圾中含有的致病菌、病毒和有機(jī)污染物將嚴(yán)重危害人類健康和生態(tài)環(huán)境。目前垃圾處理的方法主要有衛(wèi)生填埋、焚燒和堆肥，其中高溫好氧堆肥具有堆肥周期短、減量化效果明顯、無害化程度高和穩(wěn)定化效果好等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)外專家所關(guān)注[2-5]，但對(duì)垃圾堆肥過程中控制參數(shù)的報(bào)道不多。本研究是在中試的水平上以生活垃圾和城市污泥為主要原料，另外添加鋸末作為調(diào)理劑，在智能化高溫好氧堆肥發(fā)酵倉內(nèi)利用時(shí)間反饋的連續(xù)通風(fēng)策略對(duì)堆肥過程進(jìn)行研究，探索最佳的物料配比（生活垃圾與城市污泥的質(zhì)量比，下同）、含水率、C/N和通風(fēng)量。

1 材料與方法

1.1 材料

生活垃圾取自桂林市雁山區(qū)垃圾處理站。鋸末取自桂林市雁山區(qū)豐良農(nóng)場(chǎng)，取回后過篩。城市污泥為桂林市七里店污水處理廠的脫水污泥。堆肥物料的基本理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用智能化高溫好氧堆肥發(fā)酵裝置（圖1），主要包括：發(fā)酵倉、通風(fēng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中發(fā)酵倉的直徑為800 mm、高為1 300 mm，有效容積為250 L；發(fā)酵倉頂部設(shè)有溫度、氧氣探桿，可在線監(jiān)測(cè)堆體中溫度、氧氣的實(shí)際值；通風(fēng)系統(tǒng)由氣泵、流量計(jì)、電磁閥組成。

1.3 指標(biāo)的測(cè)定方法

發(fā)酵物料各指標(biāo)的測(cè)定方法見表2。

2 結(jié)果與分析

2.1 物料配比的確定

將生活垃圾與城市污泥按3∶1、2∶1、1∶1三種配比在20～25℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行單因素試驗(yàn)。通風(fēng)控制方式為上堆后24 h內(nèi)不通風(fēng)，24 h后采用0.24 m3/h的固定通風(fēng)流量連續(xù)鼓風(fēng)，堆肥持續(xù)時(shí)間為16 d。不同物料配比下堆體的含水率、有機(jī)質(zhì)含量、C/N如表3所示。

如圖2所示，當(dāng)生活垃圾與城市污泥配比為3∶1和2∶1時(shí)，堆體可更好地實(shí)現(xiàn)快速升溫，3 d堆體溫度即達(dá)到50 ℃以上，并且堆體維持50 ℃以上和55 ℃以上的高溫期時(shí)間較長(zhǎng)，超過了《糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》[6]要求的50 ℃以上5 d或55 ℃以上3 d的要求，更有利于殺滅堆體中的致病菌及雜草種子，達(dá)到城市垃圾無害化的目的。物料配比為1∶1時(shí)，堆體升溫緩慢，在第6天才達(dá)到50 ℃，而且維持時(shí)間短，達(dá)不到高溫滅菌的要求。有研究表明，堆肥過程中合適的溫度范圍為35～50 ℃，高溫堆肥的理想溫度條件則是50～60 ℃[7-9]。當(dāng)生活垃圾與城市污泥配比過低時(shí)，導(dǎo)致污泥的量偏多，使堆體的含水率過高，不利于堆體自由空域中的O2在物料內(nèi)部的擴(kuò)散，可能使好氧微生物出現(xiàn)缺氧甚至厭氧的狀態(tài)[10]。因此，選取3∶1和2∶1之間的2.5∶1作為本試驗(yàn)的最佳物料配比，此時(shí)混合物料的含水率為55.8%，C/N比為28.0，既可以保證堆體溫度在較短時(shí)間上升至50 ℃，又可維持較長(zhǎng)時(shí)間的高溫，對(duì)縮短堆肥周期、高溫滅菌及保持堆肥質(zhì)量均有良好的效果。

2.2 碳氮比的確定

碳氮比是指堆肥混合物料中碳元素與氮元素質(zhì)量之比，是評(píng)價(jià)堆肥腐熟度的方法之一。在高溫好氧堆肥過程中，微生物在利用碳源作為能量的同時(shí)，利用氮源合成細(xì)胞物質(zhì)。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)堆肥的最佳碳氮比作了大量研究，Ekinci等[11]通過對(duì)初始碳氮比為15～49的物料進(jìn)行堆肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，最佳碳氮比為30～38；李國學(xué)等[12]認(rèn)為最佳的碳氮比應(yīng)為25～35。為了確定最佳碳氮比，將生活垃圾與城市污泥按質(zhì)量比2.5∶1.0充分混合，混合物料的初始含水率為55.8%，C/N比為28.0。如表4所示，分別向處理1、處理2中加入一定量的鋸末（C/N為156）進(jìn)行碳氮比的調(diào)節(jié)，設(shè)不加鋸末的對(duì)照組，分析溫度和VS含量在不同C/N下的變化規(guī)律。通風(fēng)控制方式及通風(fēng)量與“2.1”相同，堆肥持續(xù)時(shí)間為16 d。

由圖3、圖4可知，處理2和對(duì)照較處理1能實(shí)現(xiàn)快速升溫，且50 ℃以上的高溫期持續(xù)時(shí)間要長(zhǎng)，與VS含量的變化結(jié)果相符。其原因可能是因?yàn)樘幚?的C/N比相對(duì)較高，微生物在持續(xù)高溫期出現(xiàn)“氮饑餓”，導(dǎo)致微生物的生長(zhǎng)繁殖和新陳代謝速度減慢，無法保證高溫期的持續(xù)，導(dǎo)致VS的降解效果偏低；處理2和對(duì)照中C/N適中，為微生物的生長(zhǎng)繁殖提供了良好的環(huán)境，使細(xì)菌的降解能力保持在較高的水平，有利于對(duì)有機(jī)質(zhì)的降解及產(chǎn)熱性能的提高。席北斗等[13]認(rèn)為當(dāng)C/N為30～35時(shí)生活垃圾堆肥的效果更加明顯，與本試驗(yàn)的結(jié)果基本一致。因此選擇C/N為35作為生活垃圾堆肥的最佳碳氮比，具體措施為每35 kg混合物料添加1.6 kg鋸末。

2.3 含水率的確定

物料的含水率是影響堆肥能否順利進(jìn)行的重要工藝參數(shù)[14]。堆肥過程中水分的作用主要有兩個(gè)方面，一是溶解混合物料中的有機(jī)成分，使之更好地供細(xì)菌等微生物吸收利用；二是在堆肥的腐熟階段，由于水的蒸騰作用吸收熱量，使堆體迅速降溫以達(dá)到快速腐熟的目的。有研究表明，堆肥的初始含水率維持50%～60%較為適宜[15，16]。為了確定最佳含水率，分別進(jìn)行不同含水率的調(diào)節(jié)，設(shè)置處理1、處理2，并設(shè)對(duì)照組（不調(diào)節(jié)含水率）（表5），分析溫度和VS含量在不同含水率下的變化特點(diǎn)。通風(fēng)控制方式和通風(fēng)量與“2.1”相同。堆肥持續(xù)時(shí)間為16 d。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，當(dāng)物料含水率為64%時(shí)升溫緩慢且達(dá)到50 ℃所需時(shí)間長(zhǎng)，可能是因高含水率導(dǎo)致堆體自由空域中的O2不易擴(kuò)散到混合物料的內(nèi)部，微生物由于缺氧無法完成好氧發(fā)酵，產(chǎn)熱量低。至第6天，處理2溫度上升至50 ℃，但由于較高的含水率使液態(tài)水吸收大量熱量導(dǎo)致高溫期不能持續(xù)。含水率為44%和54%時(shí)，堆體均能實(shí)現(xiàn)快速升溫和維持一定的高溫期，其中54%含水率下的堆體最高溫度可以達(dá)到68 ℃且65 ℃以上的超高溫期維持了近3 d，更有利于有機(jī)物的充分降解。堆肥前后體積和密度的變化如表6所示，3種處理的體積、密度都有不同程度的降低，其中對(duì)照組體積減少最為顯著，減少了19%，處理1、處理2體積分別減少了16%、6%；處理2密度減少最多，減少了16%，處理1和對(duì)照密度分別減少了12%、11%。原因可能是對(duì)照中適宜的含水率使物料中的有機(jī)物處于較佳溶解狀態(tài)，加上O2的擴(kuò)散效果好，有利于有機(jī)物的充分降解，因此其體積減少最多，而密度減少最少。處理2因?yàn)榧铀购势?，使高溫發(fā)酵處于較低水平，有機(jī)質(zhì)不易分解，故體積降低最少。處理1由于進(jìn)行了物料翻曬，使含水率偏低，不利于堆體的快速腐熟，故較對(duì)照組體積降低幅度要小，但發(fā)酵溫度較高，有機(jī)物分解的量較處理2多，故體積降低的幅度比處理2大。因此，當(dāng)生活垃圾和城市污泥配比為2.5∶1.0時(shí)，最佳含水率確定為54%，即在試驗(yàn)前不必進(jìn)行含水率的調(diào)節(jié)。考慮到桂林屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量較多，生活垃圾和城市污泥的初始含水率受季節(jié)和天氣的影響較大，因此要注意進(jìn)行物料翻曬來保證合適的含水率。

2.4 通風(fēng)量的確定

通風(fēng)是堆肥成功運(yùn)行后的重要控制參數(shù)之一，它兼具供氧、快速升溫、脫水降溫和快速腐熟的效果。通風(fēng)量偏小，導(dǎo)致物料供氧不足，甚至出現(xiàn)厭氧，使得升溫效果不明顯，容易產(chǎn)生臭氣[17]。因此選擇合理的通風(fēng)量關(guān)系著堆肥的成敗。本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3組通風(fēng)量，分別為0.15、0.30、0.45 m3/h（表7）。試驗(yàn)的條件為生活垃圾與城市污泥的配比為2.5∶1.0，鋸末的添加量為每35 kg混合物料添加1.6 kg，含水率為54%，C/N比為35，堆肥持續(xù)16 d。

由圖6可知，在堆肥適應(yīng)期（堆體溫度上升至50 ℃之前），當(dāng)通風(fēng)量為0.15 m3/h，堆體3 d時(shí)即達(dá)到52 ℃；當(dāng)通風(fēng)量為0.30 m3/h和0.45 m3/h時(shí)，堆體升溫比較緩慢，5 d時(shí)溫度才達(dá)到50 ℃以上。表明堆肥初期較小的通風(fēng)量有利于堆體溫度的快速上升，與康軍等[17]的研究相一致。在持續(xù)高溫階段（溫度大于50 ℃）和物料脫水降溫階段，通風(fēng)量為0.15 m3/h的情況下，由于通風(fēng)量相對(duì)較小，供氧不足，不能滿足微生物的需要，抑制了其生化反應(yīng)的進(jìn)程，使得55 ℃以上的高溫期只維持2 d，達(dá)不到高溫滅菌的效果，通風(fēng)量的不足還導(dǎo)致在物料脫水期堆體內(nèi)部大量的反應(yīng)熱得不到有效的散失，影響堆肥效果；當(dāng)通風(fēng)量為0.30 m3/h和0.45 m3/h時(shí)，由于堆體供氧充足，微生物的氧利用效率高，50 ℃以上高溫期均維持了7 d，且較高的通風(fēng)量帶走大量的反應(yīng)熱，使得在物料脫水階段溫度降低明顯，有利于堆體的減量化和保持堆肥肥效。在控制通風(fēng)量的過程中，通風(fēng)量越大會(huì)導(dǎo)致能耗增加，從而增加堆肥的成本，結(jié)合生活垃圾和城市污泥堆肥的結(jié)果考慮，將整個(gè)通風(fēng)過程分為2個(gè)階段：溫度達(dá)到50 ℃前，通風(fēng)量控制在0.15～0.30 m3/h較為合適，建議取小值，更有利于快速升溫；當(dāng)溫度超過50 ℃，通風(fēng)量控制在0.30～0.45 m3/h較為合理，建議取中值，可在保證持續(xù)高溫滅菌和脫水降溫的同時(shí)，減少能耗。

3 結(jié)論

高溫好氧堆肥因物料差異性大、影響因素多和不易操控等特點(diǎn)，決定了它是一個(gè)極其復(fù)雜的生化反應(yīng)過程。本試驗(yàn)選定物料配比、C/N、含水率和通風(fēng)量4個(gè)因子分別進(jìn)行單因素試驗(yàn)，最后確定的最佳控制參數(shù)為生活垃圾與城市污泥的質(zhì)量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg的鋸末，C/N為35，含水率為54%，通風(fēng)量為0.15～0.30 m3/h（溫度達(dá)到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（溫度超過50 ℃后）。

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