餐厨垃圾高效好氧堆肥过程参数的影响因素研究

2010-07-17任连海崔宝山

食品科学技术学报 2010年5期

任连海, 何亮，宁娜, 崔宝山

(1.北京工商大学化学与环境工程学院, 北京 100048； 2.北京环卫集团环境研究发展有限公司，北京 100067；3.北京国环清华环境工程设计研究院, 北京 100084)

长期以来，各种因素对堆肥影响的研究主要集中在城市生活有机垃圾、污泥等方面，由于餐厨垃圾具有含水率高、油脂含量高、易腐烂等特点，针对有机固体垃圾的研究成果对其未必适用，因此，要使餐厨垃圾高效好氧堆肥处理技术在大规模工程化处理中得到广泛应用，研究各因素对餐厨垃圾好氧堆肥的影响变得尤为迫切. 吕凡等[1]采用高温好氧消化工艺对餐厨垃圾进行小试实验，控制反应在高温条件(55～65 ℃)可达到最大减量率，高温运行的最佳参数范围：pH值为6.0～6.8，含水率为45%～55%，水淬碳氮比(w(COD)/w(有机氮)为19.1～22.1. 韩涛等[2]的餐厨垃圾好氧堆肥工艺条件优化的研究结果表明，最佳堆肥方案为环境温度40 ℃、含水率50%、粒径30 mm、通风量4 L/min. 席北斗等[3]的厨余垃圾蓬松剂技术研究表明，添加锯末、树叶、秸杆和干马粪等蓬松剂后，堆料所能达到的高温及其停留时间、好氧速率和产CO2能力均明显优于对照组，并能很好地控制出口H2S气体含量，特别是添加干马粪和锯末可明显改善堆料孔隙率，吸收多余水分，加速氧和有机物的传输速率，改善好氧堆肥微环境.

堆料的环境温度、含水率、通风量和加入的填料量等因素是对堆肥反应有直接影响的主要控制条件，往往通过调控这些因素可改变好氧堆肥减量化率，因此，通过正交试验，研究上述因素对餐厨垃圾高效好氧堆肥过程的影响，对餐厨垃圾好氧堆肥工艺条件的优化和控制具有指导意义.

1 实验部分

1.1 实验材料

餐厨垃圾取自北京工商大学东区食堂2层. 锯末填料购自北京木材加工厂. 实验材料性质见表1.

表1 实验材料性质Tab.1 Characteristics of experimental materials

1.2 实验装置

实验装置见图1. 堆肥装置由3个长为750 mm、直径为150 mm的有机玻璃卧式好氧反应器组成. 反应器放置在环形吊架内，每12 h轴向转动180°，防止由于重力因素产生纵向含水率差.

图1 实验装置Fig.1 Experimental equipment

1.3 实验方法

1.3.1实验方案

本实验通过小规模模拟实验，考察和研究环境温度、通风量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐厨垃圾高温好氧堆肥过程的影响. 首先按表2实验因素水平进行完全试验，研究堆料温度、水溶性COD和pH值等餐厨垃圾好氧堆肥过程参数在不同条件下的变化规律. 然后按表3进行正交试验.

表2 实验因素水平L9(34)Tab.2 Experimental factors and levels L9(34)

1.3.2实验步骤

按表3的9个实验方案进行实验，3个实验为一组.

取自于北京工商大学食堂2层的餐厨垃圾，首先分拣出大块骨头、废纸、废塑料等杂质，经食物绞碎机破碎(达到粒径约为30 mm)，再与锯末按不同比例混合，并将混合均匀的堆料调节好水份后装入3个卧式有机玻璃堆肥反应器中，填充率95%. 按正交试验方案间歇通风供氧，提供不同的环境温度.

1.3.3测定参数及方法

以堆料温度、水溶性COD、pH值和堆肥减量化率为评价指标. 测定方法见表4. 其中水淬液制备方法是：每天从每个堆肥反应器的3个取样口各取1 g堆料置于锥形瓶中，加入40 mL无氨水，机械振动(200 r/min)1 h，离心(2 000 r/min)10 min，抽滤制备.

表3 正交试验因素水平L9(34)Tab.3 Orthogonal tests factors and levels L9(34)

表4 实验检测参数和方法Tab.4 Experimental measurement parameters and motheds

2 结果与分析

2.1 堆体温度随时间的变化

1，2，3号反应器物料初始温度为自然温度20 ℃，4，5，6号反应器环境温度控制在45 ℃, 7，8，9号反应器环境温度控制在55 ℃.

物料温度随反应时间发生变化曲线如图2. 1，2，3号反应器的堆肥一直在20～45 ℃范围内浮动，40 ℃以上分别持续了2天、4天和2天，基本是嗜温菌在起作用，有机物降解不剧烈，堆肥效果不理想. 4，5，6号反应器采用了外加热方法保持环境温度45 ℃. 第二天堆料温度达到45 ℃以上，之后温度平缓上升，最高温度分别达到60，59 ℃和55 ℃，并且分别在55 ℃以上保持了4天、8天和10天，无害化效果和堆肥效果相对较好. 7，8，9号反应器采用了外加热方法保持环境温度55 ℃. 第二天堆料温度达到55 ℃以上，之后平缓上升，并均在60 ℃以上保持了5天以上. 但是8，9号反应器在第12天以后温度下降较快，一方面由于物料含水率较低，不能满足微生物需求，另一方面是由于前期反应较剧烈，有机物降解较快，堆肥后期有机质含量急剧降低，微生物食物不再充足，导致微生物生命活动开始变得虚弱.

图2 温度随时间的变化规律Fig.2 Variation regularity of temperature vs time

结果说明，环境温度过低将导致堆肥过程无法出现升温现象，而人工控制温度会加快进入高温阶段，帮助嗜热性微生物尽快完成驯化，使微生物变得更为活跃，并大量繁殖，延长高温期，使垃圾降解更完全，并缩短堆肥腐熟过程.

2.2 水溶性COD随时间的变化规律

水溶性COD表征发酵物料中溶解或液化的可降解有机质的量. 水溶性COD值越高，物料生物发酵过程越容易[4]. 餐厨垃圾中水溶性COD值最高可达100 000 mg/L以上.

餐厨垃圾堆肥过程中水溶性COD值随时间变化规律如图3. 由图3曲线可以看出，各反应器中餐厨垃圾堆制初期，水溶性COD值呈上升趋势. 这是由于游离态的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶态油脂，并由长链大分子裂解成短链有机酸，即高分子难溶有机物被转化成了小分子可溶性有机物. 随着微生物的不断生长繁殖，微生物对有机质的降解速度随之升高，小分子可溶性有机物被微生物氧化分解，有机质不断被降解，水溶性COD值开始下降.

图3 水溶性COD随时间的变化规律Fig.3 Variation regularity of water-soluble COD vs time

1，2，3号反应器反应过程的前5天，垃圾中有机质从难溶性大分子向易溶性小分子转化，水溶性COD值逐渐上升，最大值分别达到105 020 mg/L、102 130 mg/L和112 010 mg/L. 第6天之后水溶性COD值开始下降，在第12～14天达到最小值，最后两天水溶性COD又略有回升. 4，5，6号反应器反应开始的前3天水溶性COD值有上升的过程，第3天达到最大值分别是102 030 mg/L、92 600 mg/L和85 470 mg/L. 之后水溶性COD值开始下降，在第14天达到最小值，分别是49 420 mg/L、39 540 mg/L和45 270 mg/L. 一直到堆肥过程的最后两天水溶性COD又有升高的现象. 7，8，9号反应器反应开始的前4天水溶性COD值有上升的过程，达到最大值分别是110 320 mg/L、124 700 mg/L和140 010 mg/L. 之后水溶性COD值开始下降.

对比发现，在堆肥过程初期，7，8，9号反应器水溶性COD值上升较快，之后下降也较快，1，2，3号反应器次之，4，5，6号反应器水溶性COD值上升最慢，说明环境温度较高促进了微生物的生长繁殖，尤其是高温下，嗜热性微生物的生命活动非常活跃，使垃圾中有机质和油脂的液化分解及降解过程加快[5-6]. 在相同环境温度下，通风供氧量、含水率和垃圾填料比也分别对水溶性COD产生影响. 而在反应过程最后水溶性COD值又略有上升是因为微生物在降解有机物时合成了自身的物质，也产生了一些新的可溶性有机物.

2.3 pH值随时间的变化规律

堆肥过程中垃圾pH值变化过程可间接反映堆肥过程的生化反应历程，如图4. 1，2，3号反应器反应过程中pH值在3.3～5.9，在第6天出现最小值分别是3.5，4.9和3.3. 4，5，6号反应器反应过程中pH值在2.8～6.1，分别在第4天、第6天和第4天出现最小值，分别是2.8，4.7和4.2. 7，8，9号反应器反应过程中pH值在3.2～6.2，在第6天出现最小值，分别是3.5，3.2，3.8.

图4 pH值随时间的变化规律Fig.4 Variation regularity of pH value vs time

分析表明，在堆肥初期，堆体内含有大量有机质,相对于微生物需求量是过剩的. pH<6.0时主要是嗜酸性微生物(真菌、酵母菌等)，微生物需要将其转变成为小分子的有机酸后再吸收利用，致使有机酸在堆体内累积，出现了短暂的堆体pH值下降，但并未维持很长的时间. 同时，由图4可知，在pH值最小值时，水溶性COD值达到最大值. 之后随着水溶性COD值下降，pH值有所上升. 说明了水溶性COD值的下降是由于微生物氧化分解易降解的有机物和油脂引起的.