生活垃圾與城市污泥共堆肥控制參數

摘要：以桂林市生活垃圾和城市污泥為主要原料，另添加鋸末作為調理劑，在智能化高溫好氧堆肥發酵倉內利用時間反饋的連續通風策略進行高溫好氧堆肥試驗，選定生活垃圾與城市污泥配比、C/N、含水率和通風量4個參數分別進行單因素試驗。結果表明，堆肥過程中最佳控制參數為生活垃圾與城市污泥質量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg鋸末；C/N為35；含水率為54%；通風量為0.15～0.30 m3/h（溫度達到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（溫度超過50 ℃后）。

關鍵詞：生活垃圾；城市污泥；鋸末；好氧堆肥；控制參數

中圖分類號：S141.8 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）23-5726-04

城市生活垃圾是指人們在日常生活中所產生的固體廢棄物。隨著社會經濟的發展和城市化進程的加快，生活垃圾的產量正在逐步增加。目前全世界年產生垃圾量約為7.7億t，預計2020年將達20億t[1]。在收集、運輸和處理的過程中，垃圾中含有的致病菌、病毒和有機污染物將嚴重危害人類健康和生態環境。目前垃圾處理的方法主要有衛生填埋、焚燒和堆肥，其中高溫好氧堆肥具有堆肥周期短、減量化效果明顯、無害化程度高和穩定化效果好等優點，被國內外專家所關注[2-5]，但對垃圾堆肥過程中控制參數的報道不多。本研究是在中試的水平上以生活垃圾和城市污泥為主要原料，另外添加鋸末作為調理劑，在智能化高溫好氧堆肥發酵倉內利用時間反饋的連續通風策略對堆肥過程進行研究，探索最佳的物料配比（生活垃圾與城市污泥的質量比，下同）、含水率、C/N和通風量。

1 材料與方法

1.1 材料

生活垃圾取自桂林市雁山區垃圾處理站。鋸末取自桂林市雁山區豐良農場，取回后過篩。城市污泥為桂林市七里店污水處理廠的脫水污泥。堆肥物料的基本理化性質如表1所示。

1.2 試驗裝置

試驗采用智能化高溫好氧堆肥發酵裝置（圖1），主要包括：發酵倉、通風系統、監測系統。其中發酵倉的直徑為800 mm、高為1 300 mm，有效容積為250 L；發酵倉頂部設有溫度、氧氣探桿，可在線監測堆體中溫度、氧氣的實際值；通風系統由氣泵、流量計、電磁閥組成。

1.3 指標的測定方法

發酵物料各指標的測定方法見表2。

2 結果與分析

2.1 物料配比的確定

將生活垃圾與城市污泥按3∶1、2∶1、1∶1三種配比在20～25℃的環境溫度下進行單因素試驗。通風控制方式為上堆后24 h內不通風，24 h后采用0.24 m3/h的固定通風流量連續鼓風，堆肥持續時間為16 d。不同物料配比下堆體的含水率、有機質含量、C/N如表3所示。

如圖2所示，當生活垃圾與城市污泥配比為3∶1和2∶1時，堆體可更好地實現快速升溫，3 d堆體溫度即達到50 ℃以上，并且堆體維持50 ℃以上和55 ℃以上的高溫期時間較長，超過了《糞便無害化衛生標準》[6]要求的50 ℃以上5 d或55 ℃以上3 d的要求，更有利于殺滅堆體中的致病菌及雜草種子，達到城市垃圾無害化的目的。物料配比為1∶1時，堆體升溫緩慢，在第6天才達到50 ℃，而且維持時間短，達不到高溫滅菌的要求。有研究表明，堆肥過程中合適的溫度范圍為35～50 ℃，高溫堆肥的理想溫度條件則是50～60 ℃[7-9]。當生活垃圾與城市污泥配比過低時，導致污泥的量偏多，使堆體的含水率過高，不利于堆體自由空域中的O2在物料內部的擴散，可能使好氧微生物出現缺氧甚至厭氧的狀態[10]。因此，選取3∶1和2∶1之間的2.5∶1作為本試驗的最佳物料配比，此時混合物料的含水率為55.8%，C/N比為28.0，既可以保證堆體溫度在較短時間上升至50 ℃，又可維持較長時間的高溫，對縮短堆肥周期、高溫滅菌及保持堆肥質量均有良好的效果。

2.2 碳氮比的確定

碳氮比是指堆肥混合物料中碳元素與氮元素質量之比，是評價堆肥腐熟度的方法之一。在高溫好氧堆肥過程中，微生物在利用碳源作為能量的同時，利用氮源合成細胞物質。國內外學者對堆肥的最佳碳氮比作了大量研究，Ekinci等[11]通過對初始碳氮比為15～49的物料進行堆肥試驗發現，最佳碳氮比為30～38；李國學等[12]認為最佳的碳氮比應為25～35。為了確定最佳碳氮比，將生活垃圾與城市污泥按質量比2.5∶1.0充分混合，混合物料的初始含水率為55.8%，C/N比為28.0。如表4所示，分別向處理1、處理2中加入一定量的鋸末（C/N為156）進行碳氮比的調節，設不加鋸末的對照組，分析溫度和VS含量在不同C/N下的變化規律。通風控制方式及通風量與“2.1”相同，堆肥持續時間為16 d。

由圖3、圖4可知，處理2和對照較處理1能實現快速升溫，且50 ℃以上的高溫期持續時間要長，與VS含量的變化結果相符。其原因可能是因為處理1的C/N比相對較高，微生物在持續高溫期出現“氮饑餓”，導致微生物的生長繁殖和新陳代謝速度減慢，無法保證高溫期的持續，導致VS的降解效果偏低；處理2和對照中C/N適中，為微生物的生長繁殖提供了良好的環境，使細菌的降解能力保持在較高的水平，有利于對有機質的降解及產熱性能的提高。席北斗等[13]認為當C/N為30～35時生活垃圾堆肥的效果更加明顯，與本試驗的結果基本一致。因此選擇C/N為35作為生活垃圾堆肥的最佳碳氮比，具體措施為每35 kg混合物料添加1.6 kg鋸末。

2.3 含水率的確定

物料的含水率是影響堆肥能否順利進行的重要工藝參數[14]。堆肥過程中水分的作用主要有兩個方面，一是溶解混合物料中的有機成分，使之更好地供細菌等微生物吸收利用；二是在堆肥的腐熟階段，由于水的蒸騰作用吸收熱量，使堆體迅速降溫以達到快速腐熟的目的。有研究表明，堆肥的初始含水率維持50%～60%較為適宜[15，16]。為了確定最佳含水率，分別進行不同含水率的調節，設置處理1、處理2，并設對照組（不調節含水率）（表5），分析溫度和VS含量在不同含水率下的變化特點。通風控制方式和通風量與“2.1”相同。堆肥持續時間為16 d。試驗結果如圖5所示。

從圖5可以看出，當物料含水率為64%時升溫緩慢且達到50 ℃所需時間長，可能是因高含水率導致堆體自由空域中的O2不易擴散到混合物料的內部，微生物由于缺氧無法完成好氧發酵，產熱量低。至第6天，處理2溫度上升至50 ℃，但由于較高的含水率使液態水吸收大量熱量導致高溫期不能持續。含水率為44%和54%時，堆體均能實現快速升溫和維持一定的高溫期，其中54%含水率下的堆體最高溫度可以達到68 ℃且65 ℃以上的超高溫期維持了近3 d，更有利于有機物的充分降解。堆肥前后體積和密度的變化如表6所示，3種處理的體積、密度都有不同程度的降低，其中對照組體積減少最為顯著，減少了19%，處理1、處理2體積分別減少了16%、6%；處理2密度減少最多，減少了16%，處理1和對照密度分別減少了12%、11%。原因可能是對照中適宜的含水率使物料中的有機物處于較佳溶解狀態，加上O2的擴散效果好，有利于有機物的充分降解，因此其體積減少最多，而密度減少最少。處理2因為加水使含水率偏高，使高溫發酵處于較低水平，有機質不易分解，故體積降低最少。處理1由于進行了物料翻曬，使含水率偏低，不利于堆體的快速腐熟，故較對照組體積降低幅度要小，但發酵溫度較高，有機物分解的量較處理2多，故體積降低的幅度比處理2大。因此，當生活垃圾和城市污泥配比為2.5∶1.0時，最佳含水率確定為54%，即在試驗前不必進行含水率的調節。考慮到桂林屬于亞熱帶季風氣候，雨量較多，生活垃圾和城市污泥的初始含水率受季節和天氣的影響較大，因此要注意進行物料翻曬來保證合適的含水率。

2.4 通風量的確定

通風是堆肥成功運行后的重要控制參數之一，它兼具供氧、快速升溫、脫水降溫和快速腐熟的效果。通風量偏小，導致物料供氧不足，甚至出現厭氧，使得升溫效果不明顯，容易產生臭氣[17]。因此選擇合理的通風量關系著堆肥的成敗。本試驗設計了3組通風量，分別為0.15、0.30、0.45 m3/h（表7）。試驗的條件為生活垃圾與城市污泥的配比為2.5∶1.0，鋸末的添加量為每35 kg混合物料添加1.6 kg，含水率為54%，C/N比為35，堆肥持續16 d。

由圖6可知，在堆肥適應期（堆體溫度上升至50 ℃之前），當通風量為0.15 m3/h，堆體3 d時即達到52 ℃；當通風量為0.30 m3/h和0.45 m3/h時，堆體升溫比較緩慢，5 d時溫度才達到50 ℃以上。表明堆肥初期較小的通風量有利于堆體溫度的快速上升，與康軍等[17]的研究相一致。在持續高溫階段（溫度大于50 ℃）和物料脫水降溫階段，通風量為0.15 m3/h的情況下，由于通風量相對較小，供氧不足，不能滿足微生物的需要，抑制了其生化反應的進程，使得55 ℃以上的高溫期只維持2 d，達不到高溫滅菌的效果，通風量的不足還導致在物料脫水期堆體內部大量的反應熱得不到有效的散失，影響堆肥效果；當通風量為0.30 m3/h和0.45 m3/h時，由于堆體供氧充足，微生物的氧利用效率高，50 ℃以上高溫期均維持了7 d，且較高的通風量帶走大量的反應熱，使得在物料脫水階段溫度降低明顯，有利于堆體的減量化和保持堆肥肥效。在控制通風量的過程中，通風量越大會導致能耗增加，從而增加堆肥的成本，結合生活垃圾和城市污泥堆肥的結果考慮，將整個通風過程分為2個階段：溫度達到50 ℃前，通風量控制在0.15～0.30 m3/h較為合適，建議取小值，更有利于快速升溫；當溫度超過50 ℃，通風量控制在0.30～0.45 m3/h較為合理，建議取中值，可在保證持續高溫滅菌和脫水降溫的同時，減少能耗。

3 結論

高溫好氧堆肥因物料差異性大、影響因素多和不易操控等特點，決定了它是一個極其復雜的生化反應過程。本試驗選定物料配比、C/N、含水率和通風量4個因子分別進行單因素試驗，最后確定的最佳控制參數為生活垃圾與城市污泥的質量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg的鋸末，C/N為35，含水率為54%，通風量為0.15～0.30 m3/h（溫度達到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（溫度超過50 ℃后）。

參考文獻：

[1] 白 亮，王少鋒.生活垃圾處理方法評述[J].環境研究與監測，2009，22（2）：62-64.

[2] CHANYASAK V， HIRAI M，KUBOTA H. Changes of chemical components and nitrogen transformation in water extracts during composting of garbage[J]. J Ferment Technol，1982，60：439-446.

[3] HASSEN A， BELGUITH K， JEDIDI N，et al. Microbial characterization during composting of municipal solid waste[J]. Bioresource Technology，2001，80：217-225.

[4] PIETRO M， PAOLA C. Thermal analysis for the evaluation of the organic matter evolution during municipal solid waste aerobic composting process[J]. Thermochimica Acta，2004，413：209-214.

[5] 陳同斌，鄭玉琦，高 定，等.豬糞好氧堆制不同階段氧氣含量變化特性[J]. 應用生態學報， 2004，15（11）：2179-2183.

[6] GB7959-1987，糞便無害化衛生標準[S].

[7] 陳文威.高溫好氧發酵處理城市生活垃圾[J].環境衛生工程，2006，14（2）：43-44.

[8] 楊朝暉，劉有勝，曾光明.廚余垃圾高溫堆肥中嗜熱細菌種群結構分析[J].中國環境科學，2007，27（6）：733-737.

[9] 魏源送，王敏健，王菊思. 堆肥技術及進展[J]. 環境科學進展，1999，7（3）：11-23.

[10] HOGAN J A， MILLER F C， FINSTEIN M S. Physical modeling of composting ecosystem [J]. Applied and Environmental Microbiology， 1989，55（5）：1082-1092.

[11] EKINCI K， KEENER H M， ELWELL D J. Composting short paper fiber with broiler litter and additives Ⅱ. Evaluation and optimization of decomposition rate versus mixing ratio [J]. Compost Science Utilisation，2002，10（1）：16-28.

[12] 李國學，張福鎖.固體廢物堆肥化與有機復混肥生產[M].北京：化學工業出版社，2000.

[13] 席北斗，李英軍，劉鴻亮，等.生活垃圾堆肥工藝條件及其反應動力學研究[J].環境污染治理技術與設備，2004，5（11）：31-34.

[14] 羅 維. 堆肥過程中濕度及相關參數的空間變異與調控[D].北京：中國科學院，2004.

[15] 鮑艷宇，陳佳廣，顏 麗，等. 堆肥過程中基本條件的控制[J]. 土壤通報，2006，37（1）：164-169.

[16] 孫曉杰，王洪濤，陸文靜.通風量對糞渣與樹葉共堆肥的影響[J]. 農業工程學報，2009，25（9）：249-252.

[17] 康 軍，張增強. 污泥好氧堆肥不同階段通風量的研究[J].環境衛生工程，2009，17（6）：5-8.