小型好氧堆肥實驗系統構建及其在環境工程教學中的應用*

徐 恒，吳正陽，劉彥君，卜慶偉，王春榮

(中國礦業大學(北京)化學與環境工程學院，北京 100083)

好氧堆肥是一種利用生物化學過程將有機固體廢物轉化為有機肥料的典型固體廢物處理技術，能同步實現有機固體廢物無害化處理與資源化利用，為破除“垃圾圍城”問題和建設“無廢城市”提供了一種有效技術手段。一直以來，好氧堆肥技術在環境工程專業本科教學、科學研究和實際應用中都得到了廣泛的關注[1-4]。

由于環境工程專業具有很強的工程性和應用性，因此，持續改善實踐教學條件和強化培養學生的實踐能力是環境工程專業課程教學的基本要求。好氧堆肥實驗通常作為環境工程專業的標配實驗內容之一，對于幫助學生理解并掌握好氧堆肥技術要點具有重要作用。然而，好氧堆肥過程中的高溫階段需要依靠物料好氧分解產生的熱量來維持，使得好氧堆肥實驗裝置的容積通常較大，以容納足夠的物料和產生足夠的熱量，這導致實驗裝置制作與運行成本偏高、占地大、供學生使用的臺套數偏少，甚至將好氧堆肥實驗作為演示性實驗進行教學。

針對該問題，本文自主設計了一套小型好氧堆肥實驗系統，一方面可以解決因物料量小導致的產熱不足和反應周期長的問題，另一方面，可在同樣實驗臺面積和制作成本條件下，增加實驗裝置臺套數，進而提高學生的參與度和積極性，最終達到改善實驗教學效果的目的。

1 實驗原理及目的

好氧堆肥是指利用好氧微生物代謝過程，通過控制堆肥系統的通風供氧、堆料含水率和溫度等因素，促進固體廢物中可降解有機物轉化為穩定腐殖質的生物化學過程[5-6]。如圖1所示，在堆肥過程中，主要存在氧化分解和生物合成兩個過程，其反應式分別為：(1)CaHbOcNd+(a+0.25b-0.5c-0.75d)O2→aCO2+(0.5b-1.5d)H2O+dNH3+能量；(2)nCxHyOz+NH3+(nx+0.25ny-0.5nz-5x)O2+能量→ C5H7NO2+(nx-5)CO2+(0.5ny-2)H2O。微生物不僅以固體廢物中的可降解有機物為養料，將其分解為簡單無機物，獲取能量和釋放熱量，而且將部分有機物轉化為新的細胞物質，實現自身繁殖。完整的好氧堆肥過程包括起始階段、高溫階段和熟化階段[1,5]。其中，高溫階段一般要求堆體溫度維持在45 ℃以上，此時能實現有機物的高效分解，對于整個好氧堆肥過程至關重要。

圖1 好氧堆肥原理示意圖

通過本實驗學習，學生可以了解好氧堆肥過程的影響因素和運行操作方法，便于掌握好氧堆肥過程的基本原理。

2 實驗系統構建

圖2給出了好氧堆肥裝置的結構示意圖。如圖2所示，堆肥裝置為圓柱體形狀，直徑為160 mm，高度260 mm，主要由氣室(高度50 mm)、多孔板(孔徑6 mm)、物料堆肥區(有效容積約2.5 L)和水浴夾套(厚度15 mm)組成。其中，水浴夾套的進出口通過蠕動泵和恒溫水浴鍋相連，可實現對物料堆肥區的恒溫控制。多孔板用于及時排出物料的滲濾液。氣泵與圖2中的進氣口連接，對物料物料區供氧，氣室主要用于提高布氣均勻性和收集濾液。

圖2 好氧堆肥實驗裝置結構示意圖

表1 好氧堆肥實驗系統組成單元與配套使用物品

表1給出了與有機固廢好氧堆肥裝置配套使用的主要物品，包括微型氣泵、蠕動泵、水浴鍋以及用于實驗配料的物品與樣品含水率測定的設備。其中，含水率測定采用重量法，具體操作如下：取樣品20 g于已烘干稱重的坩堝中稱濕重，105 ℃烘干2 h后稱干重，計算含水率。

3 教學應用情況

3.1 實驗操作過程

(1)配料

用垃圾破碎機將有機垃圾(果蔬垃圾，圖3A)進行破碎處理，加入菌劑和輔料(米糠)，將堆肥原料的含水率調制60%左右，備用(圖3B)，并留樣測試物料初始含水率。

(2)實驗裝置啟動

將物料裝入實驗裝置中的堆肥區，裝配好頂部法蘭，并連接好熱水(40 ℃左右)、氣體管路和電路，啟動實驗(圖3C)。

(3)實驗監測

連續監測水浴和堆肥區中心位置的溫度，出氣口處氧氣含量，15天后結束實驗，并測物料含水率。

圖3 好氧堆肥實驗過程照片

3.2 主要實驗結果

圖4給出了其中一組好氧堆肥裝置中心區域的溫度變化情況。從圖4可以看出，在水浴保溫作用下，裝置的溫度一直維持在30 ℃以上，從而規避了外界環境對小型好氧堆肥裝置溫度的不利影響，堆肥裝置內溫度的變化主要由堆肥物料好氧分解過程中產生的熱量引起的。

從圖4可以看出，好氧堆肥裝置在第3天時即從剛開始的30 ℃快速升到50 ℃以上，快速升溫的原因主要源于配料時加入的微生物菌劑，外源菌劑能有效加速有機垃圾好氧分解過程，使得在短時間內釋放大量熱量。在第6天時，裝置內的溫度降到48 ℃左右，說明此時有機垃圾好氧分解的速率逐步在下降。到第11天時，裝置內的溫度降至32 ℃左右，說明此時有機垃圾好氧分解和產熱基本結束。通過對堆肥前后物料含水率進行檢測，發現在好氧堆肥作用下，其含水率由56%降至28%。從以上溫度和含水率變化情況可知，該小型裝置能在11～15天內完成好氧堆肥過程，基本滿足實驗教學的要求。

圖4 好氧堆肥實驗過程溫度變化情況

迄今為止，已有200余人次利用本裝置開展有機固廢好氧堆肥實驗以及相關的大學生創新實驗項目研究，不僅極大鍛煉了學生的實踐能力，而且提高了他們的實驗參與感、分析與解決問題的能力。

4 結 語

好氧堆肥能實現有機固廢資源化處理，是環境工程專業實驗教學核心內容之一。本研究所設計的小型好氧堆肥實驗系統克服了傳統大型實驗裝置面臨的制作成本高、占地大、供學生使用的臺套數偏少等問題。通過實驗教學應用，證實該系統可以取得良好堆肥實驗效果，滿足實驗教學要求，有助于強化好氧堆肥理論知識與實踐知識的融合，培養學生的創新實踐能力，為今后的相關實驗教學工作提供一定的參考。