生活垃圾處理機降解溫度行為特征的研究

摘要：研究了生活垃圾處理機生物降解生活垃圾降解溫度的特征變化。實驗表明該體系的溫度反應歷程表明其能有效地進行生活垃圾的生物降解。自開始投入第一批垃圾起，生活垃圾處理機運行的前60 d為生活垃圾降解反應的初期，這是菌劑中復合微生物在適宜的反應條件下經馴化、復活、繁殖的階段，其降解反應溫度上升速率逐漸增大，溫度從35 ℃逐漸升高至48 ℃。處理機正常運行第60～120天是生活垃圾降解反應的高速穩定期，溫度維持在50 ℃左右。

關鍵詞：生活垃圾；垃圾處理機；生物降解；降解溫度

中圖分類號：X705 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5475-04

Study on Temperature Characteristics of Biodegradation in a Domestic Garbage Processor

WU Hao1，2，ZONG Zhi-min2，ZHANG Gan-dao3

（1. Institute of Chemical Engineering， Xuzhou College of Industrial and Vocational Technology，Xuzhou 221140，Jiangsu，China；

2. Institute of Chemical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China；

3. Institute of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）

Abstract： Temperature characteristics of biodegradation in a domestic garbage processor had been researched. The change of temperature revealed that it could effectively biodegrade the domestic garbage in a domestic garbage processor. The primary period of biodegradation of domestic garbage run 60 days. Compound microorganisms were domesticated， revived and reproduced in the suitable reactive environment by competing with other miscellaneous bacteria. The temperature rising rate of garbage biodegradation was improved， and the temperature rised from 35 ℃ to 48 ℃. When the processor run in the 60～120th day， it was in the stable phase of biodegradation of domestic garbage， and the temperature was retained about 50 ℃.

Key words： domestic garbage； garbage processor； biodegradation； degradation temperature

隨著城市化進程的加快，城市垃圾數量越來越多，其成分也越來越復雜；許多國家開始對垃圾進行細化或垃圾分類，以達到資源回收和徹底降解垃圾的目的[1]。其中廚房垃圾是生活垃圾的主要來源，如果控制住垃圾的源頭，用家庭生活垃圾處理機將廚房垃圾分散在千家萬戶就地及時處理，制成有機肥料，用于蔬菜和花卉的栽培，這將是簡單、易行、高效、徹底的垃圾處理方法，也會大大減少城市生活垃圾給環境造成的壓力，因而它已成為各國研究開發的熱點[2-4]。本試驗對從國外引進的某臺生活垃圾處理機降解生活垃圾的溫度行為特征進行了研究。

1 材料與方法

1.1 主要材料

生活垃圾、微生物菌劑、木屑

1.2 主要儀器

家庭用生活垃圾處理機（某進口裝置）；XMT-3000B溫控儀（南京朝陽儀表有限責任公司，自編程序實現在線記錄）；安培表85L1-3A及100 mA（協泰電器儀表廠）；SVC-1500高精度全自動交流穩壓器（上海三科電器有限公司）；Pt-100熱電阻（興化市熱工儀表廠）。

1.3 試驗方法

1.3.1 生活垃圾處理機冷模試驗 不加生活垃圾，僅將不含菌劑的模擬實體物料投入處理機正常運行，觀察處理機電流、物料溫度的變化，了解和剖析生活垃圾處理機的運行模式。處理機所提供的擔體約18 L是作為微生物生長的載體，冷模實驗所采用的載體是與其物性類似的模擬物料—木屑。在垃圾處理機中加入18 L木屑及適量的水予以潤濕，通電、關蓋，在正常運行中考察處理機在各種操作狀態下的工作電流及物料溫度。

1.3.2 生活垃圾降解試驗 第一次啟動生活垃圾處理機時，按操作規程將復合菌劑的載體—擔體18 L投入到生活垃圾處理機；將完全瀝干（不再含有水滴）的生活垃圾920 g及80 g水，共1 kg投入垃圾處理機，在其表面均勻撒上隨機提供的一包復合菌劑（90.9 g），通電并合上機蓋，處理機則自動正常運行。以后每2 d投入所需處理的1 kg生活垃圾，再開機正常運行。

2 結果與分析

2.1 處理機冷模試驗

2.1.1 處理機的運行規律 接通生活垃圾處理機電源，控制面板自動運轉指示燈（綠）亮，表明處理機啟動正常。開啟機蓋加入18 L木屑，并噴淋少量水潤濕，關蓋后處理機開始按如下程序自動運行：①關蓋后1 min，開始攪拌，并抽風排氣。②順時針攪拌50 s—停止攪拌5 s—逆時針攪拌50 s。③停止攪拌30 min，其中有3 min的加熱時間，加熱電流為880 mA。（程序②、③可稱為一個強攪拌周期）。④反復按程序②、③循環運轉12 h。⑤第13小時起仍按程序④操作，但其中程序③停止攪拌時間變為90 min，其中有20 min的加熱時間，加熱電流為20 mA。此時為弱攪拌周期，弱攪拌周期的循環運轉時間為60 h。⑥第73小時起，處理機轉入待機模式：停止攪拌，保持抽風排氣（運轉過程中一直保持抽風排氣）。⑦只要打開機蓋，處理機即停止攪拌、加熱及抽風等所有操作，而在關閉機蓋后即重新從程序①開始自動進行①-⑥的程序操作。處理機感應量為45 kg左右。加入處理機的物料超過45 kg時，處理機面板上的“投入中止”指示燈亮，提示處理機已超負荷。

2.1.2 冷模物料溫度 由于執行程序定時的電磁加熱以及攪拌加強床層傳熱過程，故冷模試驗中處理機內的物料溫度有一定的升高。

1）強攪拌周期的物料溫度。強攪拌周期內物料溫度的變化見圖1。從圖1可以看出，在加入木屑處理機運行5 h后，物料溫度從最初的20.4 ℃上升到24.5 ℃。這是因為在強攪拌周期內，系統提供了強攪拌、強加熱程序，物料溫度迅速上升，以快速達到降解反應所需要的溫度條件。加料后5～12 h物料溫度基本穩定在24.5 ℃，此時，生活垃圾處理機加熱的熱量與排氣及機體損失的熱量基本達到平衡。

由于投入的是室溫物料，處理機腔壁受到加熱的物料溫度不斷升高，而測量物料溫度的探頭位置固定，攪拌將使具有不同溫度的物料與探頭接觸，因此測得的物料溫度隨時間推移出現如圖1曲線所示的波動。

2）弱攪拌周期的物料溫度。處理機運行12 h后，進入以90 min為一周期的弱攪拌的運行過程。在此期間（12～72 h）處理機內物料溫度的變化見圖2。由圖2可以看出，物料溫度繼續穩定在24.5 ℃一段時間（12～24 h）后，漸升至34 h的27.1 ℃，而后一直穩定在這一溫度。在此期間系統提供了弱攪拌、弱加熱，長周期操作程序。與強攪拌周期相比，該周期升溫速率低、絕對溫升值也小。

2.2 生活垃圾降解的反應溫度

微生物的生命活動是由一系列生物化學反應組成的，反應溫度是生活垃圾生物降解的重要參數，也反映了微生物的生長發育及代謝活動。

2.2.1 處理第一批垃圾時的物料溫度 圖3是處理機在加入第一批混合垃圾運行48 h的物料溫度變化曲線。從圖3可以看出，在垃圾處理初期的5 h內，加入的垃圾從室溫（20.4 ℃）迅速升至26 ℃。此時復合菌劑微生物處于休眠狀態，垃圾還未被復合菌劑微生物利用，對比圖1中冷模物料溫度此時亦從室溫（20.4 ℃）升至24.5 ℃，故可認為該物料溫度的升高主要是垃圾處理機在強攪拌周期的強加熱作用產生的，基本上屬于物理升溫過程。其后一段時間（5～25 h）物料溫度穩定在26 ℃，此時處理機的電磁加熱與排氣帶出的熱量及其他熱損失之和基本達到平衡。

在生活垃圾處理機運行25 h后，系統中包括由垃圾夾帶進的雜菌等微生物吸收垃圾中部分易降解的組分，反應溫度隨之升高至32 ℃左右，并趨于平衡穩定。在生活垃圾處理機長期正常運行中，始終定期（1～2 d）加入一定量的生活垃圾，每次加料之初處于室溫的垃圾與處理機內較高溫度的物料混合，使體系暫時降溫，但經強攪拌周期的強加熱作用物料總是經歷類似于圖3的升溫過程，只是隨著生活垃圾定期、不斷地投加，復合菌劑微生物得到營養逐漸復活生長，馴化為降解生活垃圾的優勢菌群使降解速率升高，隨之增大的反應熱也在逐漸升高體系反應溫度過程中起了主要作用，加速了升溫速率。

2.2.2 前60 d生活垃圾降解的反應溫度 從加入第一批生活垃圾起處理機運行60 d期間垃圾降解的反應溫度如圖4所示。由圖4可推測微生物逐漸被馴化、復活進行降解生活垃圾的過程，大致可分為如下2個階段。

微生物馴化適應期。在0～25 d期間；在與外來雜菌相互競爭中逐漸顯示其優勢，在此期間反應最高溫度穩定在36 ℃左右。在生活垃圾處理機運行的第25～60 天體系反應最高溫度從36 ℃逐漸升高至50 ℃，為復合菌劑中的微生物指數生長期，此階段復合菌劑中的微生物由于漸漸適應體系環境而不斷生長，新陳代謝漸漸旺盛。該復合微生物的指數生長逐步提高了升溫速率，致使體系溫度迅速升高[5-7]。圖5是處理機運行第60天（處理第30批垃圾）的物料溫度變化曲線。這是復合微生物成為優勢菌群后，在一批加料反應周期中典型的反應溫度曲線。在加料后0～4 h內，由于反應熱及生活垃圾處理機的強加熱，生活垃圾降解反應溫度從加料時的較低溫30 ℃迅速升至48 ℃左右；在加料后的4～10 h為優勢菌群迅速降解生活垃圾的主反應階段，此時反應熱大，反應最高溫度處在48～52 ℃高溫區；加料10 h后新加入的生活垃圾的營養物質被漸漸耗盡，其降解反應溫度又降低至35 ℃以下。

2.2.3 一個完整降解過程的最高反應溫度趨勢 本實驗每2 d加入垃圾1 kg，一批復合菌劑使用壽命約120 d，在這一完整的降解生活垃圾過程中每次加料后出現的最高物料溫度如圖6所示。

處理機加料運行0～60 d是復合微生物經復活、馴化至迅速繁殖的過程。從圖6可以看出，第60～120天是微生物降解反應處在高速穩定期，反應最高溫度都高于50 ℃以上。這與楊元根等[8]和萬波等[9]人的研究結果相似，此時復合微生物活菌數達到最高水平，成為降解生活垃圾的優勢菌群。其生長代謝穩定，細胞的凈數量波動不大，反應最高溫度也變化較小。此時微生物細胞包括能量代謝和一系列其他生化反應的許多功能如降解作用都處于最佳狀態，代謝產物的積累開始增多，肥效逐漸增大[10]。如果為了獲得大量活菌體，就應在此階段收獲。后續實驗可在此階段取反應物料樣進行優勢菌群微生物鑒定。

3 結論

該生活垃圾處理機主要設計了程序加熱、攪拌、排氣系統，它們有效的運行機制為微生物降解生活垃圾反應提供了適宜的條件。

自開始投入第一批垃圾起，生活垃圾處理機運行60 d（每2 d投入垃圾1 kg）為生活垃圾降解反應的初期。這是菌劑中復合微生物在適宜的反應環境下經馴化、復活繁殖，并在與體系其他雜菌競爭中作出調整的階段，其降解反應溫升速率逐漸增大，溫度從35 ℃逐漸升高至48 ℃。處理機正常運行第60～120天（每2 d投入垃圾1 kg）是生活垃圾降解反應的高速穩定期。此時菌劑中的復合微生物成為該體系的優勢菌群，每批垃圾降解的最高反應溫度均在48～52 ℃之間，為生活垃圾的主降解期。

處理機加料運行120 d以后，經過一個較長穩定生長期的微生物群體到了衰亡期，優勢菌群中細胞死亡率開始上升，最高反應溫度開始降低。在此階段可以卸出反應物料制作成肥料。在本實驗條件下，一批復合菌劑（90.9 g）可有效降解60 kg廚房垃圾（含水約8%）。

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（責任編輯 龔 艷）