添加腐熟污泥對生活垃圾堆肥物料理化性質(zhì)及溫室氣體釋放規(guī)律的影響

馬 強 孫英杰# 王華偉 郭康圣 趙 鑫 卞榮星

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島潔潤環(huán)境有限公司，山東 青島 266000)

添加腐熟污泥對生活垃圾堆肥物料理化性質(zhì)及溫室氣體釋放規(guī)律的影響

馬 強1孫英杰1#王華偉1郭康圣2趙 鑫1卞榮星1

(1.青島理工大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，山東 青島 266033；2.青島潔潤環(huán)境有限公司，山東 青島 266000)

研究了添加腐熟污泥對生活垃圾堆肥物料理化性質(zhì)及溫室氣體釋放規(guī)律的影響。結(jié)果表明：(1)在生活垃圾中添加腐熟污泥進(jìn)行堆肥，可降低堆肥物料的含水率，縮短整個堆肥周期；添加腐熟污泥還可以緩解堆體的酸化程度，促進(jìn)有機質(zhì)的降解，使C/N更適合微生物的生長和繁殖。(2)CO2和CH4兩種溫室氣體的釋放主要集中在堆肥高溫期，CO2釋放量隨腐熟污泥添加量的增加而增加，而CH4釋放量隨腐熟污泥添加量的增加而減少。

堆肥 腐熟污泥 生活垃圾 理化性質(zhì) 溫室氣體

垃圾堆肥是利用微生物在一定條件下對垃圾中有機物進(jìn)行氧化分解的過程。堆肥不僅可以實現(xiàn)垃圾的減容、減重，而且還可以生產(chǎn)肥料。但是，由于生活垃圾C/N比較高，直接堆肥通常存在N素?fù)p失嚴(yán)重、堆肥產(chǎn)品質(zhì)量差等問題[1]。有研究發(fā)現(xiàn)，生活垃圾中添加腐熟污泥可以調(diào)節(jié)C/N，但污泥投加比例過大會影響堆體通風(fēng)性能，產(chǎn)生通風(fēng)短流、布?xì)獠痪鶆虻葐栴}，進(jìn)而降低堆肥速率并導(dǎo)致堆肥物料腐熟程度不一致[2]。以花生殼作為調(diào)理劑的腐熟污泥含有大量微生物、孔隙均勻，與生活垃圾混合后能夠起到接種微生物、調(diào)節(jié)堆體含水率和孔隙率的作用。為此，本研究通過向生活垃圾中添加以花生殼作為調(diào)理劑的腐熟污泥，研究其添加量對垃圾堆肥物料理化性質(zhì)及溫室氣體釋放規(guī)律的影響，以期對生活垃圾堆肥工程運行提供指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 堆肥材料

生活垃圾取自于青島潔潤環(huán)境有限公司，已經(jīng)過人工分揀、機械破碎、磁選等預(yù)處理工藝，剔除了塑料、玻璃、金屬等不適合堆肥的物質(zhì)。腐熟污泥為青島潔潤環(huán)境有限公司污泥堆肥車間的一次發(fā)酵粗肥，已經(jīng)過花生殼調(diào)理。生活垃圾和腐熟污泥基本理化性質(zhì)如表1所示。

表1 生活垃圾和腐熟污泥基本理化性質(zhì)

注：1)總有機碳與TN的質(zhì)量比。

1.2 實驗方法

以生活垃圾單獨堆肥為空白(kb)對照，設(shè)置了3個實驗組，生活垃圾與腐熟污泥質(zhì)量比分別為1∶1、2∶1、4∶1。堆肥在青島市小澗西生化處理廠堆肥倉內(nèi)進(jìn)行，堆肥倉尺寸為110.0 m×3.0 m×3.0 m，由裝載機將腐熟污泥與生活垃圾混勻物料鏟入到堆肥倉內(nèi)，每個堆體規(guī)格為14.0 m×3.0 m×1.5 m。堆肥倉為密閉廠房式構(gòu)筑物，下設(shè)通風(fēng)道，采用鼓風(fēng)機每隔50 min強制通風(fēng)1次，每次通風(fēng)10 min，每7天機械翻堆一次，堆肥周期為31 d。

每兩天在堆體的上、中、下多點采集堆肥物料樣品，采樣方法參照《城市生活垃圾采樣和物理分析方法》(CJ/T 3039—1995)。樣品含水率直接測定；其他指標(biāo)經(jīng)風(fēng)干、磨碎后，過0.25 mm篩，待測。將尺寸為45 cm×45 cm×40 cm的靜態(tài)箱扣入垃圾堆體內(nèi)，用大氣采樣器抽取柱體內(nèi)氣體樣品。

1.3 分析方法

采用熱電偶溫度傳感器自動溫度監(jiān)測系統(tǒng)直接測定堆肥物料內(nèi)部溫度，取24 h平均值作為當(dāng)天堆肥物料內(nèi)部的溫度。含水率采用減重法測定，即測定堆肥物料樣品在105 ℃下烘15 h前后的質(zhì)量，兩次的質(zhì)量差(含水量)與堆肥物料樣品的質(zhì)量比即為含水率。有機質(zhì)采用減重法，即測定堆肥物料樣品在550 ℃下灼燒10 h前后的質(zhì)量，兩次的質(zhì)量差扣除含水量后計算有機質(zhì)含量。有機碳采用《土壤有機質(zhì)測定法》(GB 9834—1988)的計算方法，即有機質(zhì)除以1.724。將堆肥物料樣品與水按1 g∶10 mL的比例浸提后采用玻璃電極法測定pH。TN采用硫酸消解—凱氏定氮法測定。CO2采用GXH3010E便攜式紅外CO2分析儀測定，以標(biāo)準(zhǔn)狀況下的摩爾分?jǐn)?shù)計。CH4采用3420AFIN氣相色譜儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 堆肥物料溫度變化

堆肥物料在微生物作用下分解有機物產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致堆體溫度快速上升。堆體溫度變化能反應(yīng)內(nèi)部微生物活性變化，也是堆肥反應(yīng)的直觀表現(xiàn)，決定著有機物的降解速率[3]。從圖1可以看出，與kb實驗組相比，生活垃圾與腐熟污泥質(zhì)量比分別為1∶1、2∶1和4∶1時，堆體升溫更快，分別在堆肥3、3、4 d后升至55 ℃以上，而kb實驗組11 d后才升至55 ℃以上。此外，腐熟污泥添加量會影響高溫維持時間，1∶1、2∶1、4∶1實驗組溫度在55 ℃以上的維持時間分別為8、14、15 d，隨腐熟污泥添加量的增加而縮短。當(dāng)生活垃圾中添加腐熟污泥后，堆體不僅升溫快，而且降溫也快。這是因為腐熟污泥添加量過大使堆肥物料的空隙過大，在通風(fēng)階段會帶走大量熱量，因而其高溫維持的時間短，降溫快?？傮w來講，添加腐熟污泥后高溫(55 ℃以上)維持時間均能達(dá)到3 d以上，滿足堆肥衛(wèi)生學(xué)的要求，而且可以縮短堆肥周期。

圖1 堆肥物料溫度變化趨勢Fig.1 Change of temperature during composting

2.2 堆肥物料含水率變化

堆肥初期，1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的含水率分別為51.4%、52.1%、53.7%、60.2%，可以認(rèn)為均在堆肥最適含水率范圍(50%～60%)內(nèi)[4]。堆肥過程中堆肥物料含水率變化見圖2。隨著堆肥過程的進(jìn)行，物料的含水率逐漸降低。堆肥結(jié)束時，1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的含水率分別降到了25.2%、28.3%、32.1%、35.9%，分別降低了50.4%、45.7%、40.2%、40.4%?？梢姡煳勰嗵砑恿吭酱?，含水率下降越多。堆體內(nèi)水分一方面由微生物代謝有機物產(chǎn)生，另一方面在通風(fēng)作用下以水蒸氣形式散失，這兩方面因素導(dǎo)致堆肥過程物料含水率的變化[5]。由于腐熟污泥具有孔隙率大的特點，因此添加腐熟污泥增加了堆體的孔隙率，在通風(fēng)作用下有機物代謝產(chǎn)生的水分小于水蒸氣的散失量，所以腐熟污泥添加量越大，含水率下降越多。

圖2 堆肥物料含水率變化Fig.2 Change of water content during composting

2.3 堆肥物料pH變化

堆肥過程中堆肥物料pH變化情況如圖3。在整個堆肥過程中，1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的pH變化規(guī)律基本一致。開始時，1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的pH分別為7.7、7.5、7.1、6.4。隨著堆肥過程的進(jìn)行，大分子有機物在水解酸化細(xì)菌的作用下被水解和酸化，轉(zhuǎn)化為短鏈脂肪酸，使pH降低?？傮w來看，腐熟污泥的添加量越少，堆體的pH越低，酸化程度越高。由此可見，腐熟污泥的添加可以緩解堆體的酸化程度。隨后，堆肥物料pH逐漸升高，一方面是由于有機氮的氨化產(chǎn)生了NH3；另一方面是由于產(chǎn)生的有機酸被微生物降解[6]。最后，pH均穩(wěn)定在8.0左右。因此，添加腐熟污泥可以調(diào)節(jié)堆肥物料的pH，使堆體內(nèi)的酸堿環(huán)境更適宜微生物的生長和繁殖。

圖3 堆肥物料pH變化Fig.3 Change of pH during composting

2.4 堆肥物料有機質(zhì)變化

由圖4可知，腐熟污泥添加量越少，堆肥物料有機質(zhì)含量越高。隨著堆肥的進(jìn)行，有機質(zhì)在微生物作用下不斷減少。1∶1實驗組由初始的507.0 g/kg下降到286.0 g/kg，下降了43.6%；2∶1實驗組由初始的511.0 g/kg下降到276.3 g/kg，下降了45.9%，4∶1實驗組由初始的515.0 g/kg下降到300.0 g/kg，下降了41.7%；kb實驗組由初始的566.2 g/kg下降到332.0 g/kg，下降了41.4%。

圖4 堆肥物料有機質(zhì)變化Fig.4 Change of organic mattter during composting

生活垃圾有機質(zhì)接近600 g/kg時可能發(fā)生厭氧反應(yīng)而產(chǎn)生惡臭，不利于堆肥的進(jìn)行[7]。而腐熟污泥是已經(jīng)過堆肥的產(chǎn)品，其有機質(zhì)含量較低，可以調(diào)節(jié)生活垃圾中的有機質(zhì)含量，還可以提高堆體孔隙率，增加好氧微生物對氧氣的利用率，促進(jìn)有機質(zhì)的降解。所以，添加腐熟污泥的堆體有機質(zhì)降解速率相對較高。

2.5 堆肥物料C/N變化

堆肥物料中C/N是影響堆肥微生物對有機質(zhì)分解的最重要因子之一。由圖5可知，開始時1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的C/N分別為25.4、26.4、27.0、29.1，均滿足堆肥C/N在20～30的要求[8]，結(jié)束時分別降到了16.9、17.1、17.1、17.7，均低于20，也滿足堆肥結(jié)束時的C/N要求[9]。在堆肥過程中，4組實驗C/N變化基本一致，均呈逐漸下降趨勢。腐熟污泥的添加可以通過調(diào)節(jié)堆肥物料有機質(zhì)來改變C/N，使得堆肥物料處于適宜的C/N范圍內(nèi)，為堆體微生物生長和繁殖提供良好的營養(yǎng)源和能量源，促進(jìn)堆肥的進(jìn)行。

圖5 堆肥物料C/N變化Fig.5 Change of C/N during composting

2.6 堆體CO2釋放變化

堆肥過程中CO2釋放規(guī)律如圖6所示。4組實驗的CO2釋放規(guī)律基本一致，整體上呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢，與溫度的變化相似。堆肥前期，堆肥物料溫度快速上升，CO2釋放量也快速上升，CO2主要集中在堆肥前期的高溫期釋放，與楊巖等[10]和羅一鳴等[11]的研究結(jié)果一致。隨著腐熟污泥添加量的增加，CO2釋放量增加，1∶1、2∶1、4∶1及kb實驗組的CO2釋放量最高分別為78.4%、72.0%、64.2%、62.4%。根據(jù)HELLMANN等[12]的研究，在有機物的降解過程中，60%～70%的碳水化合物被微生物分解后以CO2的形式釋放。由于腐熟污泥可以增加生活垃圾的孔隙率，在通氣量不變的情況下，提高了堆體中氧氣的利用率，因此加速了CO2的釋放。此外，腐熟污泥還含有較多的嗜熱性微生物，添加腐熟污泥可以促進(jìn)嗜熱性微生物對有機物在高溫期的分解，加速CO2的釋放。

圖6 堆體CO2濃度變化Fig.6 Change of CO2 concentrations during composting

2.7 堆體CH4釋放變化

堆肥過程中CH4釋放規(guī)律如圖7所示。4組實驗的CH4釋放規(guī)律基本一致，CH4釋放量隨著堆肥物料溫度的升高而增加，在堆體高溫期達(dá)到峰值，并保持較長時間的高濃度排放，隨后隨堆肥物料溫度降低而逐漸減少。CH4排放主要集中在高溫期，這與CHEN等[13]和SZANTO等[14]的研究結(jié)果相似。與kb實驗組相比，1∶1、2∶1和4∶1實驗組中CH4累積釋放量分別減少了55.8%、41.6%、23.7%。在好氧堆肥過程中，CH4的產(chǎn)生主要是由于堆肥物料黏稠，孔隙率低導(dǎo)致堆體內(nèi)氣體傳輸性能差，形成局部厭氧環(huán)境所致。由于腐熟污泥具有較高的孔隙率，添加到生活垃圾中可以改善堆體的孔隙率和氣體傳輸性能，提高了微生物氧氣的利用率，從而減少CH4排放量。楊帆等[15]向廚余垃圾中添加15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～35%菌糠，進(jìn)行堆肥實驗，與廚余垃圾單獨堆肥相比，CH4釋放量下降27%～65%。此外，腐熟污泥的添加降低了堆肥物料中的含水率，有利于CH4的氧化。王云龍等[16]認(rèn)為，在高濕度條件下，CH4和氧氣的擴(kuò)散會限制CH4的氧化?？傮w而言，腐熟污泥的添加降低了生活垃圾堆肥過程中CH4釋放量，且CH4釋放量隨添加量的增加而顯著降低。

圖7 堆體CH4濃度變化Fig.7 Change of CH4 concentration during composting

3 結(jié) 論

(1) 在生活垃圾中添加腐熟污泥進(jìn)行堆肥，堆體升溫速度快，降溫速度也較快，高溫維持時間縮短，可以縮短整個堆肥周期；腐熟污泥的添加可以降低堆肥物料的含水率，并且腐熟污泥添加量越大，含水率下降越多；添加腐熟污泥還可以緩解堆體的酸化程度，促進(jìn)有機質(zhì)的降解，使C/N更適合微生物的生長和繁殖。

(2) CO2和CH4兩種溫室氣體的釋放主要集中在堆體高溫期，CO2釋放量隨腐熟污泥添加量的增加而增加，而CH4釋放量腐熟污泥添加量的增加而減少。

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Effectofaddingmaturesludgeonphysicochemicalpropertiesandgreenhousegasesemissionduringrefusecompostingprocess

MAQiang1，SUNYingjie1，WANGHuawei1，GUOKangsheng2，ZHAOXin1，BIANRongxing1.

(1.SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering,QingdaoUniversityofTechnology,QingdaoShandong266033；2.QingdaoJierunEnvironmentalLimitedCompany，QingdaoShandong266000)

The effect of adding mature sludge on physicochemical properties and greenhouse gases emission during refuse composting process was studied. Results showed that: (1) Adding mature sludge could lower water content and shorten the composting cycle;Besides,adding mature sludge could slow down the acidification proceeding,promote organic matter degraded,resulting in better C/N for microorganisms. (2) The emission of CO2and CH4concentrated in high temperature period. The emission of CO2increased with the increasing of mature sludge dosage while the emission of CH4decreased with the increasing of mature sludge dosage.

composting; mature sludge; refuse; physicochemical properties； greenhouse gases

馬 強，男，1990年生，碩士研究生，研究方向為固體廢棄物處理與處置。#

。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2016.12.015

編輯:陳錫超 (

2016-03-11)