垃圾堆肥工藝流程中物料有機質含量影響因素研究

羅雨萌

（北京師范大學地理科學學部，北京 100875）

在垃圾堆肥后熟化發酵過程中，物料粒徑是重要的影響因素之一[1]。物料粒徑越大，則物料間的空隙率越大，有利于微生物進行有氧分解。

本研究將后熟化物料篩分為不同粒徑，測定發酵過程中各粒徑組分質量變化，從而了解后熟化過程中物料粒徑變化規律。同時，本研究在取樣時設計從物料堆體不同位置取樣，以期了解在不同空氣接觸量條件與埋藏深度條件下對物料后熟化的影響。

1 研究方法

1.1 廠區堆肥前處理

北京市南宮堆肥廠承擔著北京市的生活垃圾處理任務，采用先進的強制通風隧道式好氧發酵技術和“菌-熱-風”工藝，目前日處理能力最大為2 000 t[2-3]。研究所采用的試驗樣品進入廠區后首先在卸料池中靜置3 d，濾去原生垃圾中的滲濾液并進行收集[4]。隨后物料經傳送帶送入強制通風靜態密閉隧道中進行7 d高溫發酵。7 d后運送至后熟化區，經過彈跳篩分選后25 mm以下的物料進入后熟化隧道，進行20 d的后熟化處理。

1.2 試驗方法

1.2.1 取樣方法

試驗于2016年8月22日開始在南宮堆肥廠后熟化區進行，樣品物料所在隧道為第一天進入后熟化區。后熟化區每一個隧道長65 m，寬4 m，共14條隧道。隧道底部在中央設有通風口，向上強制通風。物料在隧道中側剖面呈梯形，高約1.5 m。

取樣時為減小原料本身差異造成的影響，整個采樣過程內均在堆體靠近部位進行，保證所采樣品來自同一批垃圾。采樣工具為5 cm標準淘沙頭洛陽鏟，垂直鉆取樣品。每次分別取樣堆體表層、中層、下層三點的樣品各約500 g，命名為1號樣品、2號樣品、3號樣品，在取樣點堆體側剖面水平線上取邊緣表層物料約500 g，命名為4號樣品。在后熟化階段進行6次采樣工作。

1.2.2 預處理方法

（1）粒徑分選。將物料置于干燥烘箱內2 h烘干，利用標準土樣篩以0.25 mm、1 mm、5 mm、10 mm為標準篩并測定各粒徑組分質量（精確至0.01 g）。

（2）有機質灼燒失重。將物料按1 mm為界分為粗、細粒徑，研磨至粒徑＜0.1 mm，分別均勻混合后按試樣四分法多次取樣，直至樣品約5 g。稱取制備好的試樣5 g（精確到1 mg），置于已在950℃下經灼燒至恒量的瓷坩堝中，移入高溫爐內，由低溫逐漸升高溫度至（500士10）℃，繼續灼燒1 h，取出坩堝，在空氣中稍冷，置于干燥器中冷卻45min，稱量后再放入高溫爐內灼燒30 min，取出坩堝，按上述手續冷卻后稱量，重復灼燒至質量不變[5]。

2 試驗結果及問題討論

2.1 后熟化過程粒徑變化

原生垃圾經過7 d高溫密閉發酵后，其中的可降解組分在后熟化區進一步完成發酵。通過測量不同發酵時期物料粒徑占比，筆者發現，粒徑越大，所占物料質量比例越多。發酵初期粒徑10 mm以上的物料占比約為50%，而粒徑5 mm以上物料則超過70%，該比例隨發酵進行不斷下降。粒徑小于1 mm的物料初始占比在8%左右，隨發酵進行該比例不斷上升，最終可達到15%～23%。

后熟化發酵前十天粗粒徑物料快速分解，中后期分解速率減緩，最終在后熟化接近尾聲時物料粒徑比例保持相對穩定。

不同采樣點之間的粒徑變化過程有差異。堆體中央表層1號采樣點物料粒徑分解程度最高，a＞5 mm組分的粒徑質量占比減量達30.10%。其次為堆體側位表層4號采樣點，a＞5 mm組分的粒徑質量占比減量為27.61%。堆體中央底層3號采樣點物料粒徑分解程度稍低，a＞5 mm組分的粒徑質量占比減量達30.10%。而堆體中央中層2號采樣點物料粒徑分解程度最差，a＞5 mm組分的粒徑質量占比減量僅為17.34%。

2.2 后熟化過程有機質含量變化結果

由圖2可以看出，有機質主要存在于粗粒徑物料中，且有機質含量隨時間逐漸增加。

后熟化階段粒徑變化呈現出如下規律：粗粒徑條件下有機質含量始終大于細粒徑；粗粒徑物料條件下，1號與4號樣品點試樣在發酵過程中的有機質含量變化趨勢較為相似，呈現上升趨勢，2號與3號樣品的有機質含量增量則不顯著；細粒徑物料條件下，1號與4號樣品的有機質含量變化同樣較為相似，發酵中期2號取樣點試樣有機質含量快速上升，后期與3號樣品點試樣有機質含量保持基本一致。

圖2 粗細粒550℃灼燒失重質量百分比隨時間變化圖

2.3 問題與討論

各采樣點呈現出不同的粒徑變化規律和有機質含量變化規律，其主要原因是采樣點的位置和發酵條件不同。

1號與4號采樣點均直接接觸上方空氣，空氣接觸量遠大于其他區域物料。1號處于物料堆體正上方，下方堆積物料多，發酵時產生大量熱量使得1號采樣點溫度更高，發酵條件優于4號，粒徑分解程度更高，但從灼燒失重角度測得其有機質含量變化與4號差別不大。

2號樣品處于物料堆體中央，空氣接觸量最低，限制了微生物的有氧發酵過程。粒徑變化在整個后熟化過程中變化不明顯。細粒徑組分的有機質含量在發酵中后期加速上升，粗粒徑組分有機質含量稍降低。

3號樣品點在物料堆體中央最底部，直接接觸下方的通風口，有氧條件在初期良好，但隨著后熟化程度加深，物料粒徑減小，增大了物料的密實度從而增大了空氣的流動阻力，即使下方強制通風，后期物料的發酵狀況仍不理想。

3 結論

本研究對于南宮堆肥廠的后熟化物料發酵過程中粒徑變化及有機質含量變化做了初步探究，認為在后熟化過程中，空氣接觸量是導致物料前期分解粒徑減小的重要因素之一；前10天是粒徑分解減小的快速關鍵時期；有機質主要存在于粗粒徑物料中，若發酵條件良好則有機質含量上升；粗、細粒徑物料所需要的最佳發酵條件不同。2號與3號取樣點位于物料堆體中央及底部，其發酵條件有利于細粒徑物料進行后熟化。1號與4號取樣點分別位于堆體中央表面（即堆體最高點）和堆體側邊緣表面，其發酵條件有利于粗粒徑物料進行后熟化。

結合以上初步結論，筆者認為后熟化過程中粒徑變化與發酵位置對于物料發酵程度具有聯合影響。隨著后熟化過程的推進，物料粒徑減小，有機質含量上升。為進一步提高物料后熟化效率，建議廠區可在物料置于后熟化隧道前通過簡單篩分方法，將較細粒徑物料置于底層中央，將較粗粒徑物質作為覆蓋層物料。此舉增大表層物料間空隙，有利于空氣進入堆體為發酵提供必需的氧氣，增加物料后熟化有機質增量。或在后熟化進行至10 d左右時人工翻動后熟化物料堆體，調整不同位置物料粒徑組分比例，促進物料進一步分解，提高物料的有機質含量。但物料是否達到栽培土肥力標準和是否對植物生長發育無毒害作用還需進一步做生化分析。