興虹　吳麗紅　許艷廣　付玉　劉艷丹

關(guān)鍵詞：廚余垃圾；好氧堆肥；輔料比；理化特性

中圖分類號(hào)：X701 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

廚余垃圾是指居民家庭、餐飲行業(yè)及單位供餐等活動(dòng)中產(chǎn)生的剩菜剩飯、果皮菜葉、蛋殼、茶渣等固體廢棄物，主要產(chǎn)生于家庭、餐飲行業(yè)、食品批發(fā)市場(chǎng)、單位食堂。據(jù)住建部統(tǒng)計(jì)，2017年，中國(guó)生活垃圾年清運(yùn)量為2.15億噸，廚余垃圾占36%～52%。廚余垃圾含水率高，熱值低，主要成分有淀粉、纖維素、蛋白質(zhì)和脂類，含有氮、鉀、鈣、磷以及各種微量元素，具有較高的利用價(jià)值。目前，中國(guó)家庭廚余垃圾仍以混合收集為主，與其他生活垃圾一起進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)，這種處置方式既產(chǎn)生二次污染，還占用土地資源。肥料化處理是廚余垃圾資源化途徑之一。廚余垃圾厭氧堆肥裝置復(fù)雜，存在堆肥時(shí)間長(zhǎng)、甲烷菌易受到抑制，產(chǎn)生大量難以處理的沼液、沼渣。廚余垃圾好氧堆肥是在強(qiáng)制通風(fēng)條件下利用微生物降解作用，使垃圾中可降解有機(jī)物變?yōu)榉€(wěn)定腐殖質(zhì)的過程，工藝簡(jiǎn)單，正在向小型化、移動(dòng)化、家庭化的方向發(fā)展。利用小型堆肥裝置，研究輔料添加量對(duì)廚余垃圾好氧堆肥理化特性變化和有效成分變化的影響，為廚余垃圾資源化、家庭化再利用提供技術(shù)支持。

1實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1堆肥裝置及堆肥用材料

堆肥用塑料桶的直徑400 mm，總高380 mm。距圓筒底部80 mm處安裝水平塑料隔板，隔板上均勻分布d=8 mm的通風(fēng)孔，穿孔率為40%。桶底距底部10 mm處的桶壁有5個(gè)圓孔（d=30mm），均勻分布，供自然通風(fēng)用。下部距桶底30mm處有強(qiáng)制通風(fēng)管（PVC材質(zhì)，d=25mm）。桶外壁用5mm厚的珍珠棉保溫。隔板上部是堆肥區(qū)，下部為通風(fēng)區(qū)和滲濾液收集區(qū)。

堆肥主料取自學(xué)校食堂廚余垃圾（土豆皮、白菜幫、辣椒芯、甘藍(lán)葉、甘蘭根等），含水率為85%～90%。

堆肥輔料為校園內(nèi)綠化帶地表枯葉。

堆肥用微生物菌劑采用EM菌（山東藍(lán)寶石生物技術(shù)有限公司）。

1.2實(shí)驗(yàn)用試劑及儀器

實(shí)驗(yàn)用主要試劑：重鉻酸鉀溶液（K₂Cr₂O₄）、硫酸亞鐵（FeSO₄）、鉬酸銨（Mo₇O₂4（ NH4）6·4H2O）、偏釩酸銨（NH₄VO₃）、對(duì)硝基酚（C6H5N03），以上均為分析純。

實(shí)驗(yàn)用儀器：JB-3型磁力驅(qū)動(dòng)循環(huán)泵（上海重磁儀器廠新涇分廠）、KDN-08B定氮儀和消化爐（上海昕瑞儀器儀表有限公司）、pHS-2F數(shù)字酸度計(jì)（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）、玻璃水銀溫度計(jì)。

1.3實(shí)驗(yàn)方法

廚余垃圾預(yù)處理：撿出廚余垃圾中混雜的塑料繩、包裝袋、土塊等，將廚余垃圾在室外通風(fēng)處攤開晾曬，使其含水率在55%～65%（用手抓握成團(tuán)但不滴水），再切碎至5 mm左右。

廚余垃圾堆肥操作方法：取預(yù)處理后的廚余垃圾4份，每份重4.5 kg，放人堆肥裝置中，再按輔料與廚余垃圾之比（m/m）0、7%、13%、20%，各加入0、315、585、900 g輔料，攪拌均勻，測(cè)得各堆體指標(biāo)如表1所示。再往各堆體中加入10.0 gEM菌劑，混合均勻。早晚各強(qiáng)制通風(fēng)一次，通風(fēng)時(shí)長(zhǎng)30 min，通風(fēng)量為0.08m³／min。每天記錄溫度，當(dāng)溫度達(dá)到50℃時(shí)進(jìn)行第一次翻堆，之后每天反堆一次。在堆肥的第3、6、9、12、15天進(jìn)行取樣，每次取樣40 g左右。將樣品于陰涼通風(fēng)處風(fēng)干，搗碎（d≤1 mm），測(cè)pH、含水率、總有機(jī)質(zhì)、總氮、總磷。

1.4分析方法

堆肥過程的各指標(biāo)測(cè)定按《中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)-有機(jī)肥料（NY525-2021）》規(guī)定方法，含水率采用減重法測(cè)定；總有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法；總氮采用硫酸-過氧化氫消解凱氏法測(cè)定，總磷采用硫酸-過氧化氫消解釩鉬酸銨法測(cè)定。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1溫度變化

好氧堆肥一般經(jīng)過升溫、高溫（高于50℃）、降溫三個(gè)階段。好氧堆肥過程中可生物降解有機(jī)物被好氧微生物降解生成CO₂、水和能量，引起堆體溫度變化，四個(gè)堆體溫度變化見圖1。

堆肥開始后，微生物與可降解有機(jī)物發(fā)生生化反應(yīng)，產(chǎn)生熱量，堆體溫度升高，高溫持續(xù)2～3天后快速下降進(jìn)入降溫階段。在降溫段又有溫度小幅度上升，這是因?yàn)闇囟认陆岛?，嗜熱菌活性降低，高溫段受到抑制的嗜溫菌在合適的環(huán)境下大量繁殖，有機(jī)物被降解產(chǎn)生熱量使堆體溫度又回升。12天以后，隨著廚余垃圾中可降解有機(jī)物完成礦質(zhì)化，難降解有機(jī)物被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，生化反應(yīng)減弱，堆體溫度降至略高于室溫狀態(tài)。

在堆肥過程中，P3堆體升溫速度最快，堆肥第三天升至61℃，并且溫度連續(xù)3天保持在50℃以上；P₂和P₄溫度達(dá)到50以上天數(shù)不足3天，最高溫度低于P₃。P₁溫度未能夠達(dá)到50℃。P₁、P₂輔料少，堆體內(nèi)部孔隙小，不利于通風(fēng)供氧和反應(yīng)產(chǎn)物的擴(kuò)散，生化反應(yīng)受抑制產(chǎn)能少，堆體溫度低；輔料添加量多，堆體孔隙率大，熱量散失快，也會(huì)使堆體溫度低。P₃堆體升溫迅速，高于50℃持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，考慮高溫可以滅殺蟲卵、致病菌，減少農(nóng)作物病蟲害，輔料比13%是優(yōu)選比例。

2.2 pH、含水率變化

好氧堆肥是生化反應(yīng)，有機(jī)氮被微生物降解生成氨氮和水，堆體的pH和含水率也會(huì)發(fā)生變化，各堆體pH、含水率變化見圖2。

從圖2（a）可以看出，四個(gè)堆體pH值在堆肥開始階段大幅上升，后又下降，這是因?yàn)槲⑸镌诤醚醵逊书_始時(shí)處于比較活躍的狀態(tài)，大量的有機(jī)物被分解，由于氨化作用產(chǎn)生了氨氮堆積在料堆內(nèi)部，pH值逐漸上升。P₁和P₂堆體pH值上升最快，是因P₁、P₂料堆孔隙率低，含水率高，產(chǎn)生的氨氮不易散失到空氣中，留存在堆體內(nèi)的氨氮量多。Pl在堆肥第9天pH突然下降，是因堆體局部供氧不足，發(fā)生厭氧反應(yīng)，有揮發(fā)性脂肪酸（VFAs）生成并累積，隨著VFAs散逸，pH又回升。在堆肥末期，生化反應(yīng)基本停滯，氨氮產(chǎn)生量逐漸減少，四個(gè)堆體pH值較平穩(wěn)。

從圖2（b）可以看出，在堆肥的0～6天，P₁P₂輔料少，孔隙率低，有機(jī)物被降解有水生成，水分揮發(fā)量少于產(chǎn)生量，含水率持續(xù)升高，后因生化反應(yīng)減弱，水生成量小于揮發(fā)量，含水率降低。P₃在0～3天，水生成量低于揮發(fā)量，含水率降低；在3～6天，微生物量多，生化反應(yīng)速度加快，產(chǎn)水量多，含水率又升高，之后進(jìn)入下降階段。P₄輔料多，堆料疏松，水揮發(fā)量始終大于生成量，故含水率一直呈下降狀態(tài)。P₁P₂P₃P₄在堆肥結(jié)束時(shí)含水率分別為62.4%、56. 9%、50.9%、45.6%，與堆肥初始時(shí)相比分別下降了0.8%、6.2%、11.9%、16.0%，隨著輔料比的增加，含水率降低量也增大，說明添加輔料有利于降低堆肥產(chǎn)品的含水率。對(duì)比《有機(jī)肥料（NY525-2012）》含水率≤30%的要求，得到的堆肥產(chǎn)品后續(xù)需要晾曬進(jìn)一步降低含水率。

2.3總有機(jī)質(zhì)含量變化

四個(gè)不同輔料比堆體在堆肥過程中的有機(jī)質(zhì)變化見圖3。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，四個(gè)堆體的總有機(jī)質(zhì)含量呈下降趨勢(shì)。P₂、P₃和P₄堆體在升溫階段和高溫段，隨著溫度上升微生物迅速生長(zhǎng)繁殖，生化反應(yīng)加快，大量有機(jī)物被分解生成CO₂散發(fā)到空氣中，總有機(jī)質(zhì)含量迅速下降。隨著易降解有機(jī)物的減少，反應(yīng)速度降低，有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)平緩下降趨勢(shì)，在堆肥后期有機(jī)質(zhì)含量基本穩(wěn)定。P₁堆體在堆肥前期反應(yīng)速度慢，有機(jī)質(zhì)下降速率最慢。P3堆體生化反應(yīng)劇烈，升溫快，有機(jī)物降解量最多。P₁、P₂、P₃、P₄堆體在堆肥結(jié)束后，有機(jī)質(zhì)含量分別為63.3%、62.4%、59.2%、61.2%，均滿足《有機(jī)肥料（NY525-2012）》規(guī)定的有機(jī)質(zhì)含量≥30%要求。

2.4氮、磷含量變化

氮、磷是植物營(yíng)養(yǎng)元素，是有機(jī)肥料的重要指標(biāo)之一。不同輔料比的堆體在堆肥過程中的氮、磷含量變化見圖4、圖5。

在堆肥過程中，固態(tài)碳生成氣態(tài)碳散失到空氣中，這一濃縮效應(yīng)提高了堆體中的氮、磷含量。在升溫段總氮含量P₁342，分析原因是Pl堆體未添加輔料，氧供應(yīng)不足，二氧化碳生成量低，濃縮效應(yīng)?。籔₃堆體生化反應(yīng)迅速，有機(jī)物降解快，但由于溫度高，氨氮揮發(fā)，氮散失多；P₄輔料添加量多，孔隙率大，也會(huì)使氨氮散失，故氨氮含量低于P₂。堆肥第3～12天堆體溫度降低，氨氮損失小，總氮含量增高速度高于P₂P₄。升溫段P₃反應(yīng)迅速，磷含量增加最多。P₁在堆肥第3天測(cè)得總磷含量降低，是因?yàn)樵诙逊书_始時(shí)，有滲濾液產(chǎn)生，造成磷流失。P₂P₃P4堆體因添加輔料，通風(fēng)好，未產(chǎn)生滲濾液，磷未流失。堆肥后期，生化反應(yīng)趨于停滯，含氮量、總磷量保持穩(wěn)定，堆肥終期四個(gè)堆體的總氮含量依次為1.67%、1.76%、1.95%、1.71%，總磷含量分別為1.13%、1.19%、1.26%、1.16%，P₃堆體有機(jī)物降解徹底，濃縮效應(yīng)最大，P₃含氮、磷量最高。

2.5感官指標(biāo)變化

堆肥第3天，四個(gè)堆體均發(fā)現(xiàn)有灰色的霉菌出現(xiàn)，其中P₃霉菌較多。P₁在第6天顏色變淺，后來逐漸加深；堆肥第9天，P3變?yōu)楹诤稚籔₂和P₄在堆肥第12天左右變?yōu)楹诤稚６逊式Y(jié)束后，P₁棕黑色，P₂、P₃、P₄均呈黑褐色。

P₁、P₂在堆肥開始時(shí)是土豆皮味，第三天有霉味并帶有臭味，第六天霉味消失，臭味一直存在，且P₁味道比P2重很多。產(chǎn)生臭味的原因是P₁和P₂料堆內(nèi)部孔隙率較低，通風(fēng)不暢，局部厭氧釋放惡臭氣體。有研究表明，惡臭氣體主要是氨氣、2-丁酮、丙烯醛和2一己酮，這四種物質(zhì)均溶于水。做堆肥實(shí)驗(yàn)時(shí)，將堆肥裝置產(chǎn)生的惡臭氣體用集氣罩收集，通過膠管引入發(fā)酵酸化的淘米水中被吸收，一天換一次淘米水，換下的淘米水用來澆灌校園綠地。Pl堆肥產(chǎn)品粘結(jié)，水分高。P₃和P₄的氣味最初是枯葉味，第三天有霉味，第6天轉(zhuǎn)為腐殖土味，堆肥產(chǎn)品疏松。

3結(jié)論

在自然通風(fēng)輔以強(qiáng)制通風(fēng)條件下，以15天為堆肥周期，考察輔料比對(duì)廚余垃圾好氧堆肥影響。輔料比低的堆體孔隙率低，供氧不充分，升溫慢，高溫段難以達(dá)到50℃，堆肥過程中有臭味產(chǎn)生，堆肥產(chǎn)品粘結(jié)且含水率高；添加輔料太多的堆體孔隙率大，總氮散失多，堆肥產(chǎn)品養(yǎng)分低。當(dāng)輔料與廚余垃圾比例（m/m）為13%時(shí)，升溫迅速，最高溫可達(dá)61℃，高溫段（>50℃）可持續(xù)3天，堆肥過程中沒有臭味產(chǎn)生，堆肥產(chǎn)品含水率49.9%，呈腐殖土味，總磷、總氮含量最高，分別為1.95%、1.16%，小型堆肥裝置易于制作，材料低廉，堆肥操作簡(jiǎn)單，沒有異味產(chǎn)生，在居民小區(qū)或農(nóng)村庭院內(nèi)就可以完成廚余垃圾堆肥處理，產(chǎn)品可就近用于小區(qū)綠化、家庭花草和蔬菜養(yǎng)殖等，節(jié)省運(yùn)輸成本。