生活垃圾和糞便堆肥溫度變化及物質組分轉化特性研究

于忠臣 鐘柳波 魏震

摘 要：以哈爾濱市生活垃圾和脫水后的新鮮糞便為原料進行好氧堆肥，實現其無害化和資源化。探討含水率、初始溫度和翻堆作用對堆體溫度動態變化的影響規律，并分析水溶性有機碳、氨態氮、硝態氮以及耗氧速率等組分在好氧堆肥化過程中的轉化特性。結果表明，初始含水率對堆體升溫影響較大，其值以53.5%～60.0%為宜。堆料初始溫度和堆肥初期翻堆對堆肥過程影響較小，經高溫堆腐后翻堆對堆體溫度影響較大。堆肥過程中堆體含水率和水溶性有機碳變化呈先降后升再降的變化規律，而氨氮和硝態氮轉化趨勢相反；此外，堆體耗氧速率呈先升后降的趨勢，其最大值為1.58 mg O2·gvss-1·h-1，堆肥過程中嗜溫和嗜熱微生物種群是順序演替的。

關 鍵 詞：生活垃圾；糞便；好氧堆肥

中圖分類號：Q 291 文獻標識碼： A 文章編號： 1671-0460（2016）08-1681-04

Abstract： The aerobic composting of living garbage and excrement achieves waste harmless and resources. In this paper，fresh stool after dehydration was used as research object， effect of moisture content， initial temperature and turning on pile temperature dynamic change was analyzed as well as change characteristics of water soluble organic carbon， ammonia nitrogen， nitrate nitrogen and oxygen consumption rate in the aerobic composting process. The results show that the initial moisture content has greater impact on the pile heating process， and its appropriate value is about 53.5%～60.0%. The initial pile temperature and turning have little impact on the composting process. But， turning pile has great impact on pile temperature after high temperature composting. The moisture content and water soluble organic carbon first decrease， and then increase； and ammonia nitrogen and nitrate nitrogen transformation has opposite tendency. In addition， oxygen consumption rate first increases and then decreases， the maximum value is 1.58 mg O2·gvss-1·h-1. The species succession has occurred from mesophilic microbes to thermophilic microbes during the aerobic composting process.

Key words： living garbage； excrement； aerobic composting

生活垃圾的數量隨著城市規模擴大不斷增大同時，其構成也發生了較大的變化，主要表現在無機組分比例逐漸下降、有機成分增加，這為城市垃圾的生物處理提供了可能[1]。與此同時，人們一直將城市糞便用作肥料，利用土地處理法作為實現資源利用的手段[2]。然而近些年來糞便農用量急劇下降，城市糞便正在失掉傳統的土地處置途徑，給城市生態環境帶來巨大壓力。好氧堆肥法已成為城市生活垃圾和糞便資源化處理的重要方式之一 。

好氧堆肥過程主要是利用高溫嗜熱菌的生物氧化作用使堆料充分腐熟，堆肥關鍵在于堆肥過程控制參數的優化[3]。另外，基于生態系統循環的碳、氮等營養元素代謝、遷移和轉化研究也是生活垃圾研究領域的重要內容之一。但由于不同區域的垃圾其理化性質相差很大，堆肥產物中組分含量差別很大，其研究結果并不一致。因此，本研究以了解好氧堆肥溫度變化及組分轉化特性為目標，進行好氧堆肥，分析堆體初始含水率、堆料初始溫度和翻堆作用對堆體溫度影響變化模式，分類表征等水溶性有機碳、氨態氮、硝態氮以及耗氧速率等主要組成元素的在不同時間的變化規律。

1 實驗部分

1.1 實驗材料和裝置

供試垃圾和糞便樣品采自哈爾濱市垃圾處理廠，糞便采用脫水后的新鮮糞便，樣品經破碎和篩分處理后進行好氧堆肥，利用玉米秸稈來調節堆體孔隙度和含水率[4]。實驗裝置流程如圖1所示。好氧堆肥倉幾何尺寸為Φ500 mm×1 200 mm，堆料裝填有效高度為1 000 mm，堆料配比為生活垃圾：糞便：秸稈=0.50～0.55：0.40～0.45：0.1，含水率53.5%～60.0%，C/N比為25～35：1，有機質含量為65%～75%，在環境溫度15 ℃條件下進行多批次好氧堆肥實驗。堆體的通風方式采用間斷式，供氣頻率采用時間控制器來控制，時間t在區間[nT+T0， nT+T1]內對堆體供氣。T為一個工作周期，n為供氧工作周期數（n=1，2， 3…），供氣量為單位好氧堆體0.17 m3/min。

1.2 分析方法

1.2.1 含水率測定[5]

采用烘干法測定含水率：取約100 g堆料樣品在105 ℃下烘24 h，烘干后樣品在干燥器內冷卻，根據烘干前后的質量差，測定含水率。

1.2.2 水溶性有機碳測定[6]

取50g堆料樣品放入500 mL塑料瓶中，按1：5（w/v）比例加入250 mL蒸餾水。以150次/min振蕩1 h，用離心機以3 500 r/min分離20 min，然后利用慢速濾紙過濾，測定所得濾液COD值，最后通過電子等值法轉化有機碳量。

1.2.3 氨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）測定[7]

采用蒸餾法測定氨態氮：稱取20 g堆料樣品，加入10%氯化鈉溶液100 mL，振蕩30 min，用濾紙過濾取上清液20 mL，放入定氮蒸餾器中。加入12%氧化鎂懸液10 mL，用5 mL 2%硼酸-指示劑溶液吸收，即得銨態氮量。同時向已蒸餾過氨態氮的蒸餾器中加入2 g鋅-硫酸亞鐵還原劑，用上述方法繼續蒸餾和滴定，即得硝態氮量。

1.2.4 耗氧速率測定[8]

通過水浴法保持與好氧堆體相同環境條件，以測定此狀態下堆料的耗氧速率和呼吸速率。

2 結果與討論

2.1 堆體溫度變化及影響因素分析

堆體溫度狀態參數是殺滅致病微生物和使堆肥達到無害化及堆體腐熟的必要條件，同時堆體實現有效升溫過程是成功堆肥的關鍵。研究分析堆體初始含水率、堆料初始溫度和翻堆作用對堆體溫度影響變化模式，進而得到堆體溫度受控作用規律。

2.1.1 堆體初始含水率對堆體溫度影響

堆料初始溫度為15 ℃，考察含水率對堆體到達高溫55℃的影響，結果如表1所示。

從表1可知，堆料初始含水率對堆體是否能達到高溫有很明顯的影響。堆料含水率過高在堆肥周期內不能達到高溫55 ℃。當C1-C4堆體初始含水率為50.2%～60.3%時，堆體升溫速度隨含水率增加呈先增加后下降的趨勢，從7 d縮短到2.5 d后又增加到3 d。這因為初始含水率小使堆料水分過少，控制堆體內有機組分運輸，導致有機物降解速率減小，溫度升高較慢[9]。初始含水率過大會使堆料水分增加，導致堆體自由空穴減少，阻礙堆體內空氣輸送，甚至使堆料處于厭氧狀態。因此，堆料初始含水率為53.5%～60.0%為宜。

2.1.2 堆料初始溫度對堆體溫度影響

控制堆料初始含水率為53.5%～60.0%，考察堆料起始溫度對堆體溫度變化的影響（表2）。

從表2可知，在適宜堆料含水率條件下，堆料初始溫度從-17.0 ℃增加到16.5 ℃時，對堆體達到高溫時間影響不大，升溫時間相差1 d左右，因此堆料初始溫度對堆肥過程影響較小。

2.1.3 翻堆作用對堆體溫度影響

堆料初始溫度為15 ℃、含水率為53.5%～ 60.0%條件下，翻堆時間為3 d前和8 d后，考察堆體高溫前后不同時期翻堆對堆肥過程的影響（圖2）。

從圖2可知，發酵前3 d堆體溫度上升較快，3天后能達高溫55 ℃以上，7 d后溫度開始逐漸下降。第一次翻堆對堆體溫度影響較小，堆體溫度穩步升高，這主要是發酵初期，翻堆對堆體溫度有降溫和升溫雙重作用。翻堆會使堆體熱量散失，溫度下降，同時翻堆改善堆體內微生物周圍底物和通氣狀況，使分解活動重新旺盛，導致堆體升溫。當堆體達到高溫并維持一段時間后，翻堆對堆體溫度產生明顯影響，堆體溫度迅速下降。主要是堆體起始升溫期和經過高溫堆腐期后堆體產生熱量不同[10]。腐期后期微生物降解有機物產熱量與堆體散熱量相當，翻堆后堆體散熱量大導致嗜熱微生物死亡，溫度下降。

2.2 堆體組分轉化特性分析

2.2.1 含水率變化特性

堆肥過程含水率因有機物氧化分解產生水分而增加，同時由于通風供氧作用使水以水蒸氣形式散發而降低，堆體的含水量會直接影響堆體氧氣含量，進而影響堆體內微生物代謝活動，影響堆肥的重要因素之一。圖3為堆肥過程中堆體含水率變化特性。

從圖3可知，堆體含水率呈現先下降再上升然后再下降的趨勢。這主要是初期微生物活性較低，通風供氧使水分散失的作用占優勢，堆體含水率呈現先下降的趨勢。而后隨著微生物活性不斷增強，有機物分解作用產生水量增加，堆體含水率呈現上升趨勢，因而前15 d堆體含水率相對較多，在50%以上。而堆肥后期微生物活性降低，有機物分解作用產生水量減少，通風供氧作用使水分散失作用重新占優勢，使含水率呈現下降趨勢，因而后15 d含水率較低，30 d后降到30%左右，此時含水量對微生物的活性已經產生抑制作用。

2.2.2 水溶性有機碳動態變化

生活垃圾和糞便的堆肥主要是通過好氧微生物使堆體中的有機物發生分解，因此，堆肥過程中，有機碳的含量是一個減少的過程。圖4為堆肥過程中堆體有機碳動態變化。

從圖4可知，堆肥前，有機碳含量為12.1%。隨著堆肥的進行，有機碳呈現先略下降再上升然后再下降的趨勢，最高含量出現第10 d，有機碳含量為15.2%，30 d后降到9.1%，下降幅度為24.5%。這主要是因為堆料中有機碳變化是微生物水解和代謝作用協同的結果。堆肥初期，堆體中易降解有機碳（可溶性糖、有機酸、淀粉等）被微生物直接利用，有機碳的分解速率較快，有機碳量呈略下降趨勢。隨著微生物活性增強，堆料中有機質被水解轉化為水溶性有機碳，有機碳積累曲線呈上升趨勢。同時經過高溫期后，微生物活性降低且分解代謝占優勢，有機碳不斷被利用曲線呈下降趨勢。

2.2.3 氮素轉化特性

堆料中氮素主要以蛋白質或多肽等有機氮形式存在。氮素在微生物氨化作用、硝化（反硝化）作用和生物合成作用下相互轉化。圖5為堆肥過程中NH4+-N和NO3--N轉化規律。

從圖5知，堆肥過程氨態氮轉化呈先上升后下降趨勢。因為堆肥初期，隨微生物活性增強和反應時間延長，銨態氮隨有機質礦化增加，濃度峰值出現在16 d。高溫期后，堆料溫度降低堆體內微生物種群發生演替，硝化菌活性增強不斷消耗氨氮，同時微生物氨化作用產生氨氮量相對減少，兩者綜合作用使氨氮曲線呈下降趨勢。堆肥過程硝態氮轉化呈先不變化后明顯上升的趨勢。主要是起初堆體溫度低，堆料本底氨氮量低，硝化菌可利用底物少；氨化反應隨堆料溫度升高而增強，硝化作用大多發生在40 ℃下，在高溫后腐熟階段，因而硝化菌卻受到高溫和底物抑制作用[11]，硝化反應緩慢硝態氮生成量較少，使硝態氮曲線呈不變趨勢。堆體經高溫堆腐后，種群演替作用使硝化菌逐漸成優勢種群，硝態氮生成量不斷增加，使硝態氮濃度快速增加。

2.2.4 耗氧速率變化特性

耗氧速率是好氧微生物分解和轉化有機物速率，間接地反應堆體內微生物的活性和演替，并可以作為供氧模式的依據。圖6為堆肥過程中堆體耗氧速率變化規律。

從圖6可知，堆肥過程耗氧速率呈先上升后下降趨勢。這主要是堆肥前期微生物分解和轉化有機物量多，微生物耗氧速率逐漸增至最大，在10 d內，從0.35上升到1.58 mg O2·gvss-1·h-1，而隨著堆體中可分解有機物量逐漸減少，微生物分解速率減慢。此外堆料達到高溫前后堆體耗氧速率曲線有跳躍，主要是堆體微生物種群由嗜溫菌向嗜熱菌的過渡和轉變（嗜溫菌適宜溫度為30～40 ℃，嗜熱菌適宜溫度是45～60 ℃），是嗜溫和嗜熱微生物演替結果[12]。

3 結 論

（1）堆料初始含水率是堆肥成功關鍵，堆料初始含水率對堆體是否能達到高溫有很明顯的影響，以含水率為53.5%～60.0%為宜。堆料初始溫度對堆肥過程影響較小，堆肥初期翻堆作用對堆體溫度影響較小，而堆肥后期翻堆作用對堆體溫度影響較大。

（2）堆肥過程中堆體含水率和水溶性有機碳變化顯著相關，呈現先下降再上升然后再下降的趨勢。堆肥過程中氨氮和硝態氮轉化趨勢相反，氨氮轉化呈現先上升后下降的趨勢，而硝態氮轉化呈現先不變化后明顯上升的趨勢。

（3）堆肥過程中耗氧速率呈現先上升后下降的趨勢，在10 d后，好氧速率達到最大，堆料達到高溫前后嗜溫和嗜熱微生物種群演替，堆體耗氧速率快速上升，從0.35上升到1.58 mg O2·gvss-1·h-1。

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