繩以健，劉玉德

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

目前，基于各種堆肥系統(tǒng)建立的數(shù)學模型很多，并被證實可行，但是關(guān)于采用間歇投料技術(shù)進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象，采用間歇投料技術(shù)進行餐廚垃圾好氧堆肥的反應(yīng)動力學研究。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗裝置與材料

1.1.1 試驗裝備及原理

試驗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)備啟動方式：設(shè)備正常啟動后，自動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大塊的垃圾進行細化處理，最后傳送到發(fā)酵容器內(nèi)與復合微生物菌劑混合進行好氧堆肥處理。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，對發(fā)酵容器中物料的溫、濕度進行調(diào)整，通過傳感器監(jiān)測發(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 試驗菌種

試驗過程中人工添加配置好的高效復合微生物菌劑。菌劑成分包括2種細菌和5種真菌，這些菌種從餐廚垃圾中分離出來，并經(jīng)過篩選和對峙試驗后，具有較高活性，并對餐廚垃圾中的主要有機成分具有針對性降解作用。同時，在菌種投放過程中適當添加鋸末作為輔料，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，為菌種營造一個良好的生長環(huán)境，從而能夠?qū)崿F(xiàn)快速分解垃圾中的有機物，有效提高堆肥效率［3］。

1.1.3 試驗物料

本試驗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 試驗方案及測定方法

將每天收集到的100 kg餐廚垃圾投入餐廚垃圾處理設(shè)備，在前期試驗基礎(chǔ)上進行3組試驗，第1組試驗將發(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)定進行堆肥；第2組試驗將環(huán)境濕度分別設(shè)置為35%、40%、45%，其他條件按照室溫設(shè)定進行堆肥；第3組試驗分別按照接種量為4∶2、4∶3、4∶4進行接種，其他條件按照室溫設(shè)定進行堆肥。每個設(shè)置的試驗周期為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天則在出料后進行取樣，按照CJ/T 96—1999城市生活垃圾有機質(zhì)的測定中規(guī)定的灼燒法測定階段產(chǎn)物中的有機質(zhì)含量。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境溫度對有機質(zhì)變化的影響

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

圖2 溫度對有機質(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，有機質(zhì)的降解量最大，減少了22.55個百分點，其余環(huán)境溫度下有機質(zhì)降解效果較差，溫度為35℃時，有機質(zhì)降低了13.15個百分點，溫度為45℃時，有機質(zhì)降低了13.68個百分點。由此可見環(huán)境溫度對有機物降解有明顯的影響，而40℃是最適宜微生物生長的環(huán)境溫度。

2.2 環(huán)境濕度對有機質(zhì)變化量的影響

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

圖3 濕度對有機質(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)備進行餐廚垃圾好氧堆肥的最佳環(huán)境濕度為40%。當環(huán)境濕度為40%時，有機質(zhì)的降解量最大，減少了16.61個百分點，其余環(huán)境濕度下有機質(zhì)降解效果較差，濕度為35%時，有機質(zhì)下降8.99個百分點，濕度為45%時，有機質(zhì)下降8.32個百分點。由此可見環(huán)境濕度也對有機物降解有明顯的影響作用。

2.3 接種量對有機質(zhì)變化的影響

本次試驗的目的是探討小型餐廚垃圾處理設(shè)備進行餐廚垃圾好氧堆肥過程中接種量對有機質(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定的堆肥過程中有機質(zhì)含量隨時間變化曲線如圖4所示。

圖4 接種量對有機質(zhì)變化的影響

由圖4可知，當接種量為4∶3時，有機降解量最多，有機質(zhì)減少了17.82個百分點，當接種量為4∶2和4∶4時有機質(zhì)分別下降了14.44和14.02個百分點，雖然接種量對堆肥過程中有機質(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 動力學分析

目前，對好氧生物堆肥中有機質(zhì)降解進行描述的動力學模型主要有：一級反應(yīng)模型、Monod模型和經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｆ渲?，一級反?yīng)模型建立需要的參數(shù)較少，模型求解簡單，模擬效果相對較好；Monod模型建立不僅需要參數(shù)較多且計算過程復雜，而且模擬結(jié)果的準確性相對較差；經(jīng)驗?zāi)Ｐ褪窃诓豢紤]降解機理的前提下，由大量試驗數(shù)據(jù)擬合而得到，但是因為試驗條件有限，模擬結(jié)果適用的范圍有限［4-5］。所以，本試驗基于一級反應(yīng)動力學建立相應(yīng)的餐廚垃圾好氧堆肥動力學模型。

根據(jù)一級反應(yīng)動力學方程，可以得到：

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

當t=0時，C=C0，從而有：

根據(jù)有機質(zhì)隨時間的變化關(guān)系，以ln（C0/C）為縱坐標，以時間為橫坐標，分別對不同環(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，本試驗利用小型餐廚垃圾處理設(shè)備進行餐廚垃圾好氧堆肥時，其反應(yīng)基本符合一級反應(yīng)動力學；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，且當環(huán)境濕度為40%，環(huán)境溫度40℃，接種量為4∶3時，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行餐廚垃圾好氧堆肥，利用堆肥一級反應(yīng)動力學，研究3個環(huán)境因素接種量（含輔料）、環(huán)境濕度、環(huán)境溫度對餐廚垃圾好氧堆肥過程中有機質(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。

［1］Huang J S，Wang C H，Jih C G.Empirical model and kinetic behavior of thermophilic composting of vegetable waste［J］.J Environ Eng， 2000， 126（11）：1019-1025.

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［3］席北斗，劉鴻亮，孟偉，等.廚余垃圾堆肥蓬松劑技術(shù)研究［J］.安全與環(huán)境學報，2003，3（3）：41-45.

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