輔料比對廚余垃圾好氧堆肥理化特性變化影響研究

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：X701 文獻標志碼：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、單位食堂。據(jù)住建部統(tǒng)計，2017年，中國生活垃圾年清運量為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，具有較高的利用價值。目前，中國家庭廚余垃圾仍以混合收集為主，與其他生活垃圾一起進入垃圾填埋場，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雜，存在堆肥時間長、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制通風條件下利用微生物降解作用，使垃圾中可降解有機物變?yōu)榉€(wěn)定腐殖質(zhì)的過程，工藝簡單，正在向小型化、移動化、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實驗材料與方法

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的通風孔，穿孔率為40%。桶底距底部10 mm處的桶壁有5個圓孔（d=30mm），均勻分布，供自然通風用。下部距桶底30mm處有強制通風管（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)，下部為通風區(qū)和滲濾液收集區(qū)。

堆肥主料取自學校食堂廚余垃圾（土豆皮、白菜幫、辣椒芯、甘藍葉、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（山東藍寶石生物技術(shù)有限公司）。

1.2實驗用試劑及儀器

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

實驗用儀器：JB-3型磁力驅(qū)動循環(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（上海儀電科學儀器股份有限公司）、玻璃水銀溫度計。

1.3實驗方法

廚余垃圾預處理：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處攤開晾曬，使其含水率在55%～65%（用手抓握成團但不滴水），再切碎至5 mm左右。

廚余垃圾堆肥操作方法：取預處理后的廚余垃圾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，測得各堆體指標如表1所示。再往各堆體中加入10.0 gEM菌劑，混合均勻。早晚各強制通風一次，通風時長30 min，通風量為0.08m³／min。每天記錄溫度，當溫度達到50℃時進行第一次翻堆，之后每天反堆一次。在堆肥的第3、6、9、12、15天進行取樣，每次取樣40 g左右。將樣品于陰涼通風處風干，搗碎（d≤1 mm），測pH、含水率、總有機質(zhì)、總氮、總磷。

1.4分析方法

堆肥過程的各指標測定按《中華人民共和國農(nóng)業(yè)行業(yè)標準-有機肥料（NY525-2021）》規(guī)定方法，含水率采用減重法測定；總有機質(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定，總磷采用硫酸-過氧化氫消解釩鉬酸銨法測定。

2實驗結(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℃）、降溫三個階段。好氧堆肥過程中可生物降解有機物被好氧微生物降解生成CO₂、水和能量，引起堆體溫度變化，四個堆體溫度變化見圖1。

堆肥開始后，微生物與可降解有機物發(fā)生生化反應，產(chǎn)生熱量，堆體溫度升高，高溫持續(xù)2～3天后快速下降進入降溫階段。在降溫段又有溫度小幅度上升，這是因為溫度下降后，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物完成礦質(zhì)化，難降解有機物被轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，生化反應減弱，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溫度未能夠達到50℃。P₁、P₂輔料少，堆體內(nèi)部孔隙小，不利于通風供氧和反應產(chǎn)物的擴散，生化反應受抑制產(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，也會使堆體溫度低。P₃堆體升溫迅速，高于50℃持續(xù)時間長，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，有機氮被微生物降解生成氨氮和水，堆體的pH和含水率也會發(fā)生變化，各堆體pH、含水率變化見圖2。

從圖2（a）可以看出，四個堆體pH值在堆肥開始階段大幅上升，后又下降，這是因為微生物在好氧堆肥開始時處于比較活躍的狀態(tài)，大量的有機物被分解，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，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，生化反應基本停滯，氨氮產(chǎn)生量逐漸減少，四個堆體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，生化反應速度加快，產(chǎn)水量多，含水率又升高，之后進入下降階段。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)束時含水率分別為62.4%、56. 9%、50.9%、45.6%，與堆肥初始時相比分別下降了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。對比《有機肥料（NY525-2012）》含水率≤30%的要求，得到的堆肥產(chǎn)品后續(xù)需要晾曬進一步降低含水率。

2.3總有機質(zhì)含量變化

四個不同輔料比堆體在堆肥過程中的有機質(zhì)變化見圖3。

實驗結(jié)果表明，四個堆體的總有機質(zhì)含量呈下降趨勢。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繁殖，生化反應加快，大量有機物被分解生成CO₂散發(fā)到空氣中，總有機質(zhì)含量迅速下降。隨著易降解有機物的減少，反應速度降低，有機質(zhì)含量呈現(xiàn)平緩下降趨勢，在堆肥后期有機質(zhì)含量基本穩(wěn)定。P₁堆體在堆肥前期反應速度慢，有機質(zhì)下降速率最慢。P3堆體生化反應劇烈，升溫快，有機物降解量最多。P₁、P₂、P₃、P₄堆體在堆肥結(jié)束后，有機質(zhì)含量分別為63.3%、62.4%、59.2%、61.2%，均滿足《有機肥料（NY525-2012）》規(guī)定的有機質(zhì)含量≥30%要求。

2.4氮、磷含量變化

氮、磷是植物營養(yǎng)元素，是有機肥料的重要指標之一。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，氧供應不足，二氧化碳生成量低，濃縮效應小；P₃堆體生化反應迅速，有機物降解快，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反應迅速，磷含量增加最多。P₁在堆肥第3天測得總磷含量降低，是因為在堆肥開始時，有滲濾液產(chǎn)生，造成磷流失。P₂P₃P4堆體因添加輔料，通風好，未產(chǎn)生滲濾液，磷未流失。堆肥后期，生化反應趨于停滯，含氮量、總磷量保持穩(wěn)定，堆肥終期四個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堆體有機物降解徹底，濃縮效應最大，P₃含氮、磷量最高。

2.5感官指標變化

堆肥第3天，四個堆體均發(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?；P₂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。做堆肥實驗時，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

在自然通風輔以強制通風條件下，以15天為堆肥周期，考察輔料比對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。當輔料與廚余垃圾比例（m/m）為13%時，升溫迅速，最高溫可達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)省運輸成本。