杜龍龍，袁 京，李國學，楊金兵 （中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

通風速率對廚余垃圾堆肥NH3和H2S排放及腐熟度影響

杜龍龍，袁 京，李國學*，楊金兵 （中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京 100193）

為了減少廚余垃圾堆肥過程中NH3和H2S產(chǎn)生，該研究以通風速率0.16m3/h的純廚余堆肥作為對照，以添加15%玉米秸稈（濕基）的廚余垃圾堆肥作為處理，并設置3個不同的通風速率（0.08、0.16和 0.24m3/h），研究通風速率對NH3和H2S排放及堆肥腐熟度的影響.結果表明:純廚余垃圾堆肥總氮含量有所下降，添加秸稈后總氮量都有不同程度的提高，通風速率為0.16m3/h的處理效果最好，總氮含量可提高39.05%.與純廚余堆肥相比，添加秸稈可減排14%～53% 的NH3和67%～80%的H2S.隨著通風速率的增加，NH3累計排放量呈對數(shù)增長趨勢；H2S排放無明顯規(guī)律，但過低和過高的通風速率，都會導致較高的H2S排放.堆肥結束后， 4個處理均可達到無害化標準和腐熟要求.綜合NH3和H2S控制效果，廚余垃圾堆肥合適通風速率為0.16m3/h.

廚余垃圾；堆肥；NH3；H2S；腐熟度

隨著我國人口的增加以及城鎮(zhèn)化的推進，城鎮(zhèn)生活垃圾的產(chǎn)生量在急劇增加，與此同時基于廚余、其他和灰土三類垃圾的大類粗分模式也在迅速推廣.廚余垃圾因其有機物含量高、水分含量大，是生活垃圾中寶貴的可再生資源，如何更有好地堆肥處理受到了廣泛關注［1-2］.好氧堆肥是處理廚余垃圾的一種有效方式，既可實現(xiàn)廚余垃圾減量化和資源化，又可生產(chǎn)穩(wěn)定的農(nóng)業(yè)有機肥產(chǎn)品［3-6］.然而只有腐熟的堆肥產(chǎn)品才可以作為有機肥料施用到農(nóng)田，堆肥腐熟度指堆肥物料中有害有機物質的降解程度，將直接影響堆肥品質［7］，未腐熟的堆肥產(chǎn)品施入農(nóng)田會對植物產(chǎn)生毒害作用［8］.關于廚余垃圾堆肥腐熟度的研究已有報道［7-8］，除了腐熟度問題，廚余垃圾堆肥的惡臭污染已成為限制垃圾堆肥技術發(fā)展的主要問題［9-10］.早在1993年《中華人民共和國惡臭污染排放標準》［11］已經(jīng)明確規(guī)定了堆肥廠NH3和H2S排放的最低限值.堆肥過程中NH3和H2S的大量排放不僅導致嚴重的惡臭污染，同時降低了堆肥的養(yǎng)分含量［12-13］.研究表明，堆肥過程會造成16%～74%的初始總氮損失［14-17］，其中9.6%～46%初始總氮以NH3的形式損失［18-21］.揮發(fā)性硫化物（VSCs）是堆肥過程中主要的臭氣物質［22-23］，其中9.0%～43.0%揮發(fā)性硫化物以H2S的形式損失，H2S主要產(chǎn)生于堆肥過程中的局部厭氧環(huán)境［24-26］.NH3和H2S均為有毒臭氣物質，為了提高廚余垃圾堆肥的環(huán)境效益，堆肥過程中NH3和H2S的排放一直是各國學者研究的熱點.

通風條件對堆肥腐熟度以及污染氣體的排放有重要影響［27］.目前關于通風條件對畜禽糞便堆肥腐熟度［28］和溫室氣體排放影響的影響研究較多［29-30］.對于廚余垃圾，主要研究集中在通風速率對其生物干化影響方面［31-32］，但生物干化和堆肥并不是完全相同的過程［33］，生物干化周期短主要是為了利用微生物活動產(chǎn)熱降低物料含水率，堆肥周期較長主要是利用微生物降解有機質提高肥效.目前已經(jīng)有學者進行了通風對堆肥過程和生物干化過程中臭氣排放和揮發(fā)性有機物產(chǎn)生影響的研究［34-37］.在廚余垃圾堆肥過程中，通風速率對NH3和H2S排放的影響目前還不系統(tǒng).本研究通過設定不同的通風速率，研究其對廚余垃圾堆肥過程中NH3和H2S排放以及堆肥產(chǎn)品腐熟度的影響，為廚余垃圾堆肥的生產(chǎn)實踐提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

表1 堆肥材料的基本性狀Table 1 Characters of initial material of composting

供試廚余垃圾取自北京市馬家樓垃圾轉運站，篩分為15～80mm粒徑段垃圾，經(jīng)人工分揀挑選出純廚余垃圾進行堆肥.玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學上莊試驗站，經(jīng)風干后粉碎至3～5cm左右.堆肥原料基本性狀見表1.堆肥裝置采用60L的密閉發(fā)酵罐，發(fā)酵罐結構見參考文獻［7］.

1.2 試驗設計和堆肥方法

各試驗處理原料配比及通風速率設定如表2所示，輔料秸稈的添加量為混合物料的15%（濕重）.按照試驗設計稱取原料，混勻后裝填在60L底部強制通風密閉靜態(tài)好氧發(fā)酵罐中進行堆置，利用溫度自動控制系統(tǒng)每2h自動記錄堆體溫度，堆制時間為30d，通風方式為連續(xù)通風.本課題組研究已發(fā)現(xiàn)在堆肥過程中較合適的通風速率為0.2～0.4L/（kg DM·min）［27-28］，在此基礎上依據(jù)本次試驗廚余垃圾干物質含量折算出通風速率約為0.1～0.24m3/h，因此本試驗設定了3個不同大小的通風速率（表2）.堆制期間每天在上部出氣口用采樣器取氣，用硼酸吸收揮發(fā)出的NH3，硫酸滴定測定其含量.于堆肥7、14、21d對堆體進行人工翻堆，并在這3d和第0、3、30d取固體樣200～300g左右，樣品一式2份，一份儲存在4℃冰箱中待用；另一份自然風干，粉碎后作為干樣待用.

表2 試驗設計Table 2 Design of experiment

1.3 分析方法

堆肥溫度，通過連接電腦的溫度傳感器直接讀取.pH值、EC、發(fā)芽率指數(shù)（GI）:用水浸提鮮樣，固液比為1:10，過濾后濾液保存于4℃冰箱中待測.pH值用pH計直接測量，EC用電導率儀直接測定.GI的測定是取上述浸提液5ml于墊有濾紙的培養(yǎng)皿中，取10粒青蘿卜種子，然后放置在（20±1）℃的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，分別在48h和96h測定發(fā)芽率.GI由下式確定:GI=（實驗種子發(fā)芽率×根長）/（對照種子發(fā)芽率×根長）.堆肥物料在105℃下烘干至恒質量，根據(jù)烘干前后垃圾質量計算堆肥物料含水率. NH3用硼酸溶液吸收后，采用H2SO4滴定法測定；O2、H2S:采用便攜式沼氣分析儀（Biogas-5000， Geotech，英國）測定.NH4-N、NO3-N:用2mol/L的KCl溶液浸提，固液比為1:20，濾液上流動分析儀（Technicon Autoanalyser system，德國）測定.

數(shù)據(jù)的整理、計算、圖標制作通過Excel軟件來完成，各處理間的顯著性差異分析及線性回歸分析通過SAS軟件完成.

2 結果與討論

2.1 溫度和O2含量

好氧堆肥中有機物降解程度以及堆肥產(chǎn)品質量都與溫度有著緊密聯(lián)系［38-39］.北京市生活垃圾堆肥廠運行管理規(guī)范（DB11/T272-2005）［40］規(guī)定高溫發(fā)酵過程堆層各測試點溫度在55℃以上并保持5～7d，最高溫度不宜超過75℃.堆肥過程中各處理溫度變化情況見圖1a，可以看出各處理溫度均呈先升高后降低的趨勢.堆肥第2d，各處理的溫度迅速上升，到第4d時T1、T2、T3、T4的溫度分別達到50、57、55、55℃.圖中有轉折的點為翻堆時間，其中第1次翻堆和第2次翻堆后的第2d溫度又有一定程度的升高，并且又達到了高溫期，這是由于翻堆改善了整個堆體的通氣效果、疏松度等狀況，提高了降解速率，加速了微生物的代謝作用，使堆體升溫.此外還可發(fā)現(xiàn)，T2溫度略高于其他處理，顯著性差異分析結果表明其溫度變化和其他處理差異顯著（P＜0.01），這可能是由于T2通風速率最低，隨通氣損失的熱量較少.從高溫期情況分析，各個處理均達到了無害化處理的要求.同時，根據(jù)陳同斌等［41］研究結果分析，各處理高于室溫時積溫均超過10000℃·h，可以認為堆體穩(wěn)定化過程基本完成.

堆肥過程中氧氣變化情況如圖1b所示，4個處理氧氣濃度的變化趨勢基本一致，均呈現(xiàn)出先下降后上升的趨勢，最后上升至接近環(huán)境氧氣濃度，氧氣濃度下降的時間和溫度上升期吻合，該時期微生物活動旺盛耗氧量大產(chǎn)熱多.T2的氧氣濃度略低于其他處理，顯著性分析結果表明T2的氧氣濃度和其他處理差異顯著（P＜0.01），這很可能是由于T2處理通風速率較低，供氧量有限再加上微生物代謝消耗的氧氣，從而導致其氧氣濃度偏低.

圖1 堆肥溫度和氧氣含量變化Fig.1 Profiles of temperature and oxygen content during composting

2.2 NH3控制效果分析

2.2.1 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮 各處理銨態(tài)氮和硝態(tài)氮的變化如圖2所示.從圖2可以看出，各處理銨態(tài)氮都有大幅度的提高，其中純廚余堆肥的處理在第15d時銨態(tài)氮達到了峰值，隨后有所下降，這很可能是由于純廚余垃圾的含水率較其他處理高，使銨態(tài)氮溶解于堆體中；添加秸稈的處理其氨氮含量隨著通風速率的不同而表現(xiàn)出差異， T2處理很可能是因其通風速率較低，氨化作用得到了延長，到堆肥結束的時候堆肥材料中的氨氮含量仍呈現(xiàn)出上升趨勢.對銨態(tài)氮結果進行顯著性差異分析后發(fā)現(xiàn)，T4和T1（P＜0.01）、T2（P=0.02）差異顯著.T4處理和其他處理相比，銨態(tài)氮水平一直較低，這很可能是由于通風速率高大量NH3被吹脫.

與銨態(tài)氮變化趨勢相反，各處理硝態(tài)氮都有所下降，其中T3處理的硝態(tài)氮含量下降最多，其硝態(tài)氮減少了69.5%，通風速率最低的T2處理硝態(tài)氮含量下降最少.顯著性差異分析結果表明，各處理間硝態(tài)氮變化無顯著性差異（P=0.91）.

圖2 銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量的變化Fig.2 N-N and N-N in the compost

2.2.2 NH3圖3為不同處理堆肥過程中的NH3排放規(guī)律，可以看出，NH3排放峰值均發(fā)生在高溫期，這與Pagans等［42］研究結果相近.T4處理的NH3日排放量峰值最大，處理T2的NH3排放高峰期較其他處理相比延后.處理T2和T4氨氣排放差異顯著（P=0.03），其他處理NH3排放無顯著性差異（P=0.13）.添加秸稈后堆體環(huán)境更加疏松，高通風速率加速了NH3的釋放，因此T4的峰值較大.但T2的通風速率較低，前期供氧主要用于易分解物質的降解，后期隨著堆體內氧氣濃度逐漸升高，微生物的氨化作用才開始活躍起來，因此其NH3排放相對滯后.

表3為各處理NH3的累計排放量，可以看出，純廚余堆肥的NH3的累計排放量最高，添加秸稈后NH3累計排放量分別可減少52.56%、23.08%、14.10%，其中T2的累計排放量最小，不足T1處理的一半.此外隨著通風速率的增加添加秸稈的處理其NH3排放總量不斷升高.秸稈具有良好的孔隙結構可以對NH3進行吸附作用，因此排放量有所下降.結合銨態(tài)氮數(shù)據(jù)還可以發(fā)現(xiàn)，T2處理NH3排放量低與其氨化作用不完全也有關系，添加秸稈的T4處理NH3總排放量最高，這也很好地說明了其銨態(tài)氮水平一直較低的原因.

對NH3的累計排放量和通風速率進行線性和非線性擬合后發(fā)現(xiàn)，其線性擬合R2值為0.92，對數(shù)擬合R2值為0.98，表明NH3的累計排放量隨著通風速率的提高更接近于對數(shù)增長趨勢.利用SAS數(shù)據(jù)處理回歸分析方法中的REG過程，對NH3日排放量（Y）與氧氣濃度（A）和溫度（B）的關系進行線性回歸分析發(fā)現(xiàn)，相關系數(shù)為0.69，關系式為:Y=0.04588A+0.01964B-1.17039.

圖3 NH3排放規(guī)律Fig.3 Ammonia emissions during composting period

表3 NH3排放量情況Table 3 Cumulative emission of NH3during composting

2.3 H2S控制效果分析

圖4為不同處理堆肥過程中的H2S變化情況，可以看出，各處理的H2S排放均表現(xiàn)為先上升后下降，且高峰期均出現(xiàn)在高溫期，在堆肥第12d達到峰值其中T1的峰值最大，堆肥15d之后，幾乎沒有H2S的排放.添加秸稈后T2（P＜0.01）、T3（P＜0.01）、T4（P=0.03）的H2S日排放量和T1差異顯著.表4為各處理的H2S累計排放量，從表中結果可以看出純廚余堆肥的H2S累計排放量最大，添加秸稈后H2S的累計排放量可以減少67%以上，其中T3處理排放量最低比T1減少了80.48%.添加秸稈后對體內孔隙度增加，產(chǎn)生厭氧環(huán)境的可能性降低，T2的通風速率比T3低，更容易產(chǎn)生局部厭氧環(huán)境，從而使得其H2S累計排放量偏高.而T4處理通風率最大，理論上在堆體內產(chǎn)生的H2S最低，但是過高的通風可將堆體中產(chǎn)生的H2S及時攜帶出堆體，不利于硫還原菌對H2S還原轉化，因此T4處理H2S排放量高于T3處理.

圖4 H2S排放規(guī)律Fig.4 Hydrogen sulfide emissions during composting

表4 H2S排放量情況Table 4 Cumulative emis?sion of H2S during composting

2.4 腐熟度及碳氮變化

2.4.1 腐熟度 圖5為各處理堆肥過程中腐熟度指標變化情況，從圖中可以看出，隨著堆肥過程的進行各處理的GI值呈上升趨勢，堆肥結束時各處理的GI值均在80%以上，達到了腐熟要求；堆肥物料的原始pH值（5.0～5.7）較低，高溫期開始后隨著物料的分解，堆體的pH 迅速升高，堆肥結束時，pH值均穩(wěn)定在8左右，符合腐熟堆肥弱堿性的要求；EC值反映了堆體內可溶性鹽的含量，從堆肥開始到結束堆體的EC值一直低于2mS/cm，均在安全范圍內施用于土壤時不會對植物產(chǎn)生毒害.綜合各指標可以判定，在堆肥結束時各處理均達到了腐熟要求.

圖5 腐熟度指標變化Fig.5 Changes in maturity indexes during composting period

2.4.2 碳氮變化 表5為各處理總氮和總有機碳含量的變化情況，從表中可以看出，除T1處理的總氮含量有所下降外，其他處理的總氮都有不同程度的提高，T2、T3和T4的總氮含量分別提高了37.68%、39.05%、30.87%.各處理的總有機碳均有所下降，而且添加秸稈后有機碳的降解率提高，表明添加秸稈后豐富了堆體內微生物種類，改善了堆體理化環(huán)境更有利于物料的降解.此外堆肥期間純廚余堆肥在升溫期產(chǎn)生了大量的滲濾液，添加秸稈后可以起到調節(jié)物料物理結構的作用，同時吸收和固持大量水分，因此添加秸稈處理未產(chǎn)生滲濾液.從有機碳變化情況也可以看出，添加秸稈后有機質降解加速，降解過程中總有機碳的降解速率要高于總氮的降解速率.因此，最終堆肥產(chǎn)品各處理的總氮含量較初始含量升高.其中T3處理有機碳降解最多，固其總氮含量也略高于T2和T4處理.

表5 碳氮變化情況Table 5 Carbon and nitrogen balances

3 結論

3.1 從溫度以及其他腐熟度指標來看所有處理均達到了無害化要求.堆肥結束時，各處理均達到腐熟堆肥的要求，施入土壤不會對作物產(chǎn)生毒害作用.

3.2 廚余垃圾中添加秸稈后可使NH3減排14%～53%，H2S減排67%～80%.

3.3 添加秸稈后的廚余垃圾堆肥，NH3排放量隨通風速率的增加呈現(xiàn)出對數(shù)增長趨勢，H2S排放量與通風速率無明顯規(guī)律性關系，通風速率為0.16m3/h時H2S可以減排80.48%，且差異顯著（P＜0.01）；綜合NH3和H2S控制效果，廚余垃圾堆肥合適通風速率為0.16m3/h.

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Effect of aeration rate on the NH3and H2S emissions and maturity of kitchen waste composting.

DU Long-long，YUAN Jing， LI Guo-xue*， YANG Jin-bing （College of Resource and Environmental Science， China Agricultural University， Beijing 100193， China）. China Environmental Science， 2015，35（12）：3714～3720

In order to decrease the NH3and H2S emissions during kitchen waste composting， this study investigated the effect of aeration rate on NH3and H2S emissions and maturity. A control treatment was studied using pure kitchen waste with an aeration rate （AR） of 0.16m3/h， and three different ARs （0.08， 0.16 and 0.24m3/h） were set to compost using a mixture of 85% kitchen waste and 15% cornstalks （wet weight）. The results showed that adding cornstalks could increase the total nitrogen compared with kitchen waste composted alone， the TN content of the treatment （AR = 0.16m3/h） was the highest among all treatments， its TN content increased 39.05%. Kitchen waste mixed with cornstalks reduced the NH3emissions by 14%～53% and H2S emission by 67%～80% than did pure kitchen waste. The NH3emissions increased with the AR increasing， and the NH3cumulative emissions showed a logarithmic growth trend. The H2S emissions has no obvious regularity， but low and high AR would lead to higher H2S emission. Moreover， all treatments met the sanitation requirements and reached the required maturity standard. Given the comprehensive effect， the recommended aeration rate for kitchen waste composting is 0.16m3/h.

kitchen waste；composting；ammonia；hydrogen sulfide；maturity

X705

A

1000-6923（2015）12-3714-07

杜龍龍（1989-），男，河南漯河人，博士，研究方向為固體廢棄物處理與資源化.

2015-05-13

國家自然基金資助項目（41275161）；國家“十二五”科技支撐項目“農(nóng)業(yè)廢棄物高效循環(huán)利用關鍵技術研究”（2012BAD14B01）

* 責任作者， 教授， ligx@cau.edu.cn