餐厨垃圾好氧堆肥反应动力学研究

绳以健，刘玉德

（1．总后军需装备研究所，北京 100010；2．北京工商大学材料与机械工程学院，北京 100048）

目前，基于各种堆肥系统建立的数学模型很多，并被证实可行，但是关于采用间歇投料技术进行餐厨垃圾好氧堆肥模型的建立却很少［1-2］。笔者为有效控制小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥的过程，有效提高堆肥效率，以设备内部环境温度、环境湿度和接种量作为研究对象，采用间歇投料技术进行餐厨垃圾好氧堆肥的反应动力学研究。

1 试验材料和方法

1.1 试验装置与材料

1.1.1 试验装备及原理

试验装置采用自制的餐厨垃圾处理设备，如图1所示。餐厨垃圾处理设备启动方式：设备正常启动后，自动上料装置向餐厨垃圾处理设备中投入物料，垃圾先经过挤压脱水后由粉碎装置对大块的垃圾进行细化处理，最后传送到发酵容器内与复合微生物菌剂混合进行好氧堆肥处理。通过控制面板可以调用程序控制设备中的加温装置和喷淋装置，对发酵容器中物料的温、湿度进行调整，通过传感器监测发酵容器中的温度、湿度情况并显示在LCD液晶显示屏上，最后降解完成后统一出料。

图1 餐厨垃圾处理设备结构

1.1.2 试验菌种

试验过程中人工添加配置好的高效复合微生物菌剂。菌剂成分包括2种细菌和5种真菌，这些菌种从餐厨垃圾中分离出来，并经过筛选和对峙试验后，具有较高活性，并对餐厨垃圾中的主要有机成分具有针对性降解作用。同时，在菌种投放过程中适当添加锯末作为辅料，可以改善堆肥环境，如增加物料孔隙率、调节C/N和含水率，为菌种营造一个良好的生长环境，从而能够实现快速分解垃圾中的有机物，有效提高堆肥效率［3］。

1.1.3 试验物料

本试验所用的餐厨垃圾来源于某单位食堂泔水桶中午餐和晚餐的食物残余物，其中主要包括油、汤水、果皮、蔬菜、米饭、面食、鱼骨、肉、骨头、鸡蛋等。

1.2 试验方案及测定方法

将每天收集到的100 kg餐厨垃圾投入餐厨垃圾处理设备，在前期试验基础上进行3组试验，第1组试验将发酵容器内环境温度分别设置为35、40、45℃，然后其他条件按照室温设定进行堆肥；第2组试验将环境湿度分别设置为35%、40%、45%，其他条件按照室温设定进行堆肥；第3组试验分别按照接种量为4∶2、4∶3、4∶4进行接种，其他条件按照室温设定进行堆肥。每个设置的试验周期为7 d，一共连续投料7 d，前6 d在每天投料前取出200 g处理阶段产物制成样品，第7天则在出料后进行取样，按照CJ/T 96—1999城市生活垃圾有机质的测定中规定的灼烧法测定阶段产物中的有机质含量。

2 试验结果与讨论

2.1 环境温度对有机质变化的影响

本次试验的目的是探讨小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥过程中环境温度对有机质变化的影响。在35、40、45℃的温度条件下分别测定的堆肥过程中有机质含量随时间变化曲线如图2所示。

图2 温度对有机质变化的影响

虽然每天都向降解容器中投入餐厨垃圾，且餐厨垃圾的有机质含量各不相同，但从图2可以看出，在环境温度为40℃时，有机质的降解量最大，减少了22.55个百分点，其余环境温度下有机质降解效果较差，温度为35℃时，有机质降低了13.15个百分点，温度为45℃时，有机质降低了13.68个百分点。由此可见环境温度对有机物降解有明显的影响，而40℃是最适宜微生物生长的环境温度。

2.2 环境湿度对有机质变化量的影响

本次试验的目的是探讨小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥过程中环境湿度对有机质变化量的影响。在35%、40%和45%的湿度条件下分别测定的堆肥过程中有机质含量随时间变化曲线如图3所示。

图3 湿度对有机质变化的影响

从图3可以看出，利用小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥的最佳环境湿度为40%。当环境湿度为40%时，有机质的降解量最大，减少了16.61个百分点，其余环境湿度下有机质降解效果较差，湿度为35%时，有机质下降8.99个百分点，湿度为45%时，有机质下降8.32个百分点。由此可见环境湿度也对有机物降解有明显的影响作用。

2.3 接种量对有机质变化的影响

本次试验的目的是探讨小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥过程中接种量对有机质变化的影响。在菌种（含辅料） ∶餐厨垃圾=4∶2、4∶3和4∶4的接种量条件下分别测定的堆肥过程中有机质含量随时间变化曲线如图4所示。

图4 接种量对有机质变化的影响

由图4可知，当接种量为4∶3时，有机降解量最多，有机质减少了17.82个百分点，当接种量为4∶2和4∶4时有机质分别下降了14.44和14.02个百分点，虽然接种量对堆肥过程中有机质的变化产生的影响较环境温度和环境湿度小，但是仍然存在影响。

3 动力学分析

目前，对好氧生物堆肥中有机质降解进行描述的动力学模型主要有：一级反应模型、Monod模型和经验模型。其中，一级反应模型建立需要的参数较少，模型求解简单，模拟效果相对较好；Monod模型建立不仅需要参数较多且计算过程复杂，而且模拟结果的准确性相对较差；经验模型是在不考虑降解机理的前提下，由大量试验数据拟合而得到，但是因为试验条件有限，模拟结果适用的范围有限［4-5］。所以，本试验基于一级反应动力学建立相应的餐厨垃圾好氧堆肥动力学模型。

根据一级反应动力学方程，可以得到：

式中：C为餐厨垃圾好氧堆肥t时刻有机质浓度（%）；k为堆肥反应速率常数（d-1）。

当t=0时，C=C0，从而有：

根据有机质随时间的变化关系，以ln（C0/C）为纵坐标，以时间为横坐标，分别对不同环境温度、环境湿度和接种量条件作图，不同环境温度、环境湿度和接种量条件下的关系如图5～7所示。

图5 不同环境温度条件下的反应速率

图6 不同环境湿度条件下的反应速率

图7 不同接种量条件下的反应速率

根据不同环境温度、环境湿度和接种量条件下的堆肥试验数据得出相应的堆肥速率常数k，其相关性如表1所示。

表1 不同条件下的速率常数k及相关系数r2

从表1中相关系数r2可以看出，本试验利用小型餐厨垃圾处理设备进行餐厨垃圾好氧堆肥时，其反应基本符合一级反应动力学；而根据不同设备环境条件下的堆肥反应速率常数k可知，设备发酵容器内部条件对餐厨垃圾好氧堆肥反应速率影响很大，这些环境因素对堆肥反应速率影响的大小为环境温度＞环境湿度＞接种量，且当环境湿度为40%，环境温度40℃，接种量为4∶3时，堆肥反应速率最高。

4 结论

基于自制小型餐厨垃圾处理设备采用间歇投料工艺进行餐厨垃圾好氧堆肥，利用堆肥一级反应动力学，研究3个环境因素接种量（含辅料）、环境湿度、环境温度对餐厨垃圾好氧堆肥过程中有机质降解及变化速率的影响，得到不同环境条件下的反应速率常数，而且这些环境因素对堆肥反应速率影响的大小为环境温度＞环境湿度＞接种量，根据反应速率常数确定最佳工艺条件为温度40℃、湿度40%、接种量4∶3。

［1］Huang J S，Wang C H，Jih C G.Empirical model and kinetic behavior of thermophilic composting of vegetable waste［J］.J Environ Eng， 2000， 126（11）：1019-1025.

［2］Rosso L，Lobry J R，Flandrois J R.An unexpected correlation between cardinal temperatures of microbial growth highlighted by a new model［J］.J Theor Biol，1993，162 （4）：447-463.

［3］席北斗，刘鸿亮，孟伟，等.厨余垃圾堆肥蓬松剂技术研究［J］.安全与环境学报，2003，3（3）：41-45.

［4］Stombaugh D P，Nokes S E.Development of a biologically based aerobic composting simulation model［J］.Trans ASAE，1996，39 （1）：139-250.

［5］高定，张军，陈同斌，等.好氧生物堆肥过程中有机质降解模型的研究进展［J］.中国给水排水，2010，26（11）： 153-156.