厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥研究及其在南海岛礁的适用性分析*

周继豪 沈小东 李永青 张 平 彭 伟 张 帅 赵志伟#

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系,重庆 401311； 2.海军工程设计研究局,北京 100070)

厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥研究及其在南海岛礁的适用性分析*

周继豪1沈小东1李永青1张 平2彭 伟1张 帅1赵志伟1#

(1.后勤工程学院国防建筑规划与环境工程系,重庆 401311； 2.海军工程设计研究局,北京 100070)

针对中国南海离岸岛礁固体废弃物日益增多的问题，研究了以锯末和玉米秸秆作为调理剂，厨余垃圾、粪渣和剩余污泥进行好氧共堆肥的可行性，并分析了其在南海岛礁的适用性。结果表明，厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥工程中的温度、含水率、pH、氮素转化和损失以及生物毒性的变化基本都符合堆肥要求，特别是厨余垃圾、粪渣、剩余污泥、锯末和玉米秸秆添加量分别为2.000、2.000、2.000、1.500、1.500kg或者3.000、3.000、3.000、1.125、1.125kg时。考虑到南海岛礁缺乏调理剂，后者更适合南海岛礁。

厨余垃圾 粪渣 剩余污泥 共堆肥 岛礁适用性

Abstract: Aiming at the issue of increasing solid in reefs located in the South China Sea,kitchen waste,feces and sludge co-composting with amendments of saw dust and corn straw was studied,and its suitability in South China Sea was analyzed. Results showed that parameters of co-composting including temperature,moisture content,pH,N transformation and loss,and biotoxicity almost all accorded to composting conditions,especially when kitchen waste,feces,sludge,saw dust and corn straw dosages were 2.000,2.000,2.000,1.500 and 1.500 kg or 3.000,3.000,3.000,1.125 and 1.125 kg. Considering the lack of amendments in reefs of South China Sea,the latter dosages scheme was most suitable.

Keywords: kitchen waste;feces;sludge;co-composting;suitability for reef

近年来，我国加紧开展南海核心区域岛礁建设。2015年6月，通过吹沙造陆完成南沙群岛多个新型珊瑚砂岛礁建设。随着后期开发力度的加大，岛礁人口增多，势必会产生越来越多的固体废弃物[1]。现阶段，由于缺乏相应的管理机制和处理设施，南海诸岛生活垃圾大量排放和粗放式堆积已引起了环境承载力不足的问题，特别是新建岛礁，其土壤多为珊瑚砂[2]177-178。

好氧堆肥技术在城市固体废弃物处理方面已有较多的应用[3]。堆肥处理后的有机废弃物一般以稳定的腐殖质形式存在，可用于污染土壤修复、贫瘠土壤改良、代替化肥或与化肥配合施用于农田[4-5]。利用好氧堆肥技术可以同时实现南海岛礁固体废弃物减量化和无害化，以及利用堆肥产物改良新建岛礁地表珊瑚砂土壤。相关研究发现，南海岛礁固体废弃物主要是厨余垃圾、化粪池粪渣和污水处理后的剩余污泥[2]180。本研究在试验了锯末和玉米秸秆作为调理剂，厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥的可行性基础上，分析了厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥的岛礁适用性。

1 材料与方法

1.1 试验原料

厨余垃圾取自某学校学生餐厅；剩余污泥取自某生活污水处理厂；粪渣取自于某学校学生宿舍化粪池。使用锯末和玉米秸秆作为调理剂。以上原料的基本性质见表1。

1.2 反应器

试验所用的智能化好氧堆肥反应器结构如图1所示。主体发酵仓为内壁总高58 cm，底部内径32 cm的圆柱形罐体，有效容积38 L，316不锈钢材质，内外两层嵌套，中间填充5 cm厚的聚氨酯泡沫作为保温层，试验时厨余垃圾和调理剂填充90%(体积分数)。发酵仓顶部是不锈钢盖，设有一个内径8 mm的排气孔，用硫酸和氢氧化钠进行尾气处理。发酵仓上方的搅拌电机经减速箱减速后由传动轴带动罐内搅拌叶片低速搅拌。发酵仓一侧设有上中下3个取样口，底部设有上下两层PVC材质的布气筛板，筛板上均匀布置49个直径2 mm的微型通气孔。筛板下方为渗滤液收通道。智能控制箱可以实现堆体温度的实时监测与反馈，判别堆肥过程的不同阶段并调整通风量，另可通过分析堆体最高温及其持续时间判断堆肥过程是否达标，也可指示堆肥化过程的结束。

表1 试验原料的基本性质

1—主发酵仓；2—温度探头；3—取样口；4—渗滤液收集通道；5—智能控制箱；6—空气加热器；7—气体流量计；8—空气压缩机；9—布气筛板；10—搅拌叶片；11—聚氨酯保温层；12—传动轴；13—减速箱；14—搅拌电机；15—排气孔图1 智能化好氧堆肥反应器结构图Fig.1 Structure of intelligent aerobic composting reactor

1.3 试验设计

实地调研发现，南海岛礁的厨余垃圾、粪渣、剩余污泥人均产量分别为0.20、0.21、0.19 kg/d，因此试验时3者的质量比按1∶1∶1进行配比。调理剂锯末和玉米秸秆也按质量比1∶1进行配比。本研究设计了如表2所示的3个处理。各处理均连续强制通风，通风量由智能控制箱自动调节。

1.4 分析方法

含水率采用减重法测定，TOM采用重铬酸钾容量法—外加热法测定，TN采用半微量凯氏法测定，氨氮采用KCl浸提—靛酚蓝比色法测定[6]；堆肥温度由温度探头测得，室温由水银温度计测得；5 g固体废弃物与50 mL超纯水混合，于摇床中以200 r/min振荡2 h后利用德国WTW Multi 340i多参数水质分析仪测定pH；利用NaCl浸提—紫外分光光度法测定硝酸盐氮[7]；采用白菜种子发芽试验法测定种子发芽指数(GI)[8]。

2 结果与讨论

2.1 堆肥过程的温度变化

温度是反映堆肥过程中微生物活动剧烈程度的最直观参数。图2为不同处理下共堆肥过程中温度随时间的变化趋势。同常规堆肥过程相似，厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥遵循典型的堆肥温度变化曲线。各处理的初始温度与室温接近，约为28 ℃，嗜温细菌、放线菌、真菌以及部分原生动物通过分解糖和氨基酸等易降解物质进行代谢和繁殖得以生长[9]，使得温度升高。处理1和处理2在1 d时就实现了堆体的快速升温，达到45 ℃，进入嗜热期[10]，2 d时达到最高温度，分别为68、69 ℃。处理3在2 d时才进入嗜热期，5 d时达到最高堆温67 ℃。处理1、处理2、处理3的嗜热期持续时间分别为6、6、10 d，这是堆肥过程的活性阶段，大部分有机物在此阶段被降解[11]。处理1和处理2在55 ℃以上的时间为3 d，处理3在55 ℃以上的时间为5 d，均可以达到对病菌、虫卵的灭活效果，实现堆肥无害化，符合堆肥要求。嗜热期结束后各处理温度开始下降，23 d以后，3个处理的反应器内温度均接近室温。

表2 试验设计方案

图2 不同处理共堆肥过程中温度随时间的变化Fig.2 Changes of temperature during the co-composting process of different treatments

2.2 堆肥过程的含水率变化

图3为不同处理下共堆肥过程中含水率随时间的变化趋势。3个处理的含水率均表现出先升高后降低的趋势，处理1和处理2的含水率变化响应较为迅速，且变化幅度较大，处理3变幅较小且响应相对滞后。处理1、处理2的含水率在3 d时就迅速升至最高值，处理3在9 d时才达到最高值。这表明，处理1和处理2的堆体初始条件较优，为微生物的代谢和繁殖提供了良好的环境，大部分易被微生物利用的有机物在堆肥初期得到迅速降解，产生大量的水分，致使堆体含水率迅速升高；处理3初始含水率较高，共堆肥初期含水率随时间变化幅度较小，达到最高值所需时间较长，但均可以满足堆肥要求。这与图2共堆肥过程温度变化趋势吻合，主要原因是高含水率限制了氧的传递和扩散，从增加了堆体的比热容，使堆体增温较慢，造成处理3达到堆体最高温度滞后，ZANG等[12]也有类似的结果发现。

图3 不同处理共堆肥过程中含水率随时间的变化Fig.3 Changes of moisture content during the co-composting process of different treatments

2.3 堆肥过程的pH变化

图4为不同处理下共堆肥过程中pH随时间的变化趋势。3个处理的pH均表现出先迅速升高而后保持基本稳定略有下降的趋势。厨余垃圾-粪渣-剩余污泥体系在共堆肥初期pH较低，处理1、处理2、处理3在0 d时的pH分别为5.06、5.11、5.39，这可能是由于进入反应器之前，厨余垃圾、粪渣和剩余污泥自身的厌氧条件导致有机酸积累。随着共堆肥过程的启动，好氧环境的建立，堆体微生物利用废料中小分子有机酸进行大量繁殖与代谢，pH增高。该过程同时伴随着蛋白质、氨基酸和肽的矿化，导致氨基和挥发性氨的释放，加速体系pH的升高。由图4可知，3个处理在3 d内均pH陡升，增幅为处理2>处理1>处理3。处理1、处理2均在6 d时达到最高pH 8.27、8.18，处理3在9 d时才达到最高pH 8.87。BHARADWAJ[13]认为，堆肥的最适pH为7.00～8.00，在此pH范围内微生物繁殖和代谢最旺盛。

图4 不同处理共堆肥过程中pH随时间的变化Fig.4 Changes of pH during the co-composting process of different treatments

图5 不同处理共堆肥过程中氮素的转化与损失Fig.5 Transformation and loss of nitrogen during the co-composting process of different treatment

处理1和处理2基本符合最适pH要求。合适的调理剂掺量能够有效地调节堆体pH，使堆体pH不致过高，利于微生物保持较高分解活性，减少臭味和氮素养分的流失。处理3调理剂掺量比例最小，TOC/TN最低，所以堆肥过程中达到的最高pH最高，且高pH持续时间最长，使得处理3中的大量氮以氨的形式挥发，导致臭味产生和氮素养分流失。

2.4 堆肥过程中氮素的转化与损失

堆肥过程中的氮素损失决定了堆肥产品的肥效价值，而且含氮气体的释放会引起难闻的臭味，研究厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥过程的氮素转化与损失规律有利于优化岛礁固体废弃物共堆肥策略。3个处理的TN、氨氮、硝酸盐氮随时间的变化如图5所示。

从图5(a)可以看出，各处理TN基本都呈先升高后降低的趋势。总体而言，堆肥前后TN含量变化不大，有利于堆肥过程的稳定进行，这与CHAZIRAKIS等[14]的结论相似。处理1堆肥后TN含量较堆肥前略有上升，质量浓度增加了7.64%；处理2堆肥前后TN质量浓度仅下降了1.76%；处理3堆肥前后TN由26.2 g/kg下降至23.8 g/kg，质量浓度下降9.16%。理论上，经过好氧堆肥，大量含氮有机物被微生物分解为氮氧化物、氨、氮气等可挥发气体逸出，堆体中氮素总量明显降低，但同时大量碳素和水分也在损失，这种“浓缩效应”导致堆体TN的浓度在堆肥前后变化不大[15]。因此，共堆肥过程中TN的变化是氮素的“浓缩效应”与氮素损失的共同作用结果。

堆肥中氮素转化过程涉及氨化作用、挥发作用、硝化作用和反硝化作用等多种机制，其中最主要的是氨化作用与硝化作用，因此氨氮与硝酸盐氮是堆肥中氮素转化过程的代表性参数。图5(b)和图5(c)分别为厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥中氨氮和硝酸盐氮随时间的变化规律。由图5(b)可知，3个处理的氨氮基本都表现为先升高后降低，处理1和处理2在6 d时达到最高值4.2、4.9 g/kg，处理3在15 d时才达到最高值5.8 g/kg。由图5(b)可知，3个处理的硝酸盐氮前期保持稳定，后期持续升高，与SANCHEZ GARCIA等[16]和ZHANG等[17]279的结论一致。由此表明，随着共堆肥过程的启动，大量易分解有机物为氨化细菌的生长与代谢提供营养，氨化细菌迅速繁殖，产生大量氨氮。由于硝化细菌对温度极为敏感，35 ℃以下才能较好地进行代谢活动[18]，共堆肥前期堆体又处于高温状态，因此硝化细菌活性受到抑制，增殖较慢，硝酸盐氮浓度没有增加。共堆肥后期，堆体温度保持在35 ℃以下，硝化细菌活性明显增强，大量氨氮转化为硝酸盐氮。

2.5 堆肥过程中的生物毒性变化

GI可用来表征堆肥过程中的生物毒性[17]282。厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥过程中GI的变化如图6所示。各处理GI均表现为短暂下降后持续上升，最终趋于稳定。在处理1、处理2的前3天和处理3的前6天，3个处理的GI下降，这归因于氨浓度升高和低分子量有机酸释放[17]282,[19]。随着共堆肥过程的进行，各处理GI升高直至稳定，表明原始物料逐渐转化为简单的无机物或稳定的腐殖质类物质并且趋于稳定。处理1在9 d后GI>50%，处理2和处理3在12 d后GI>50%，此时堆肥基本达到腐熟；处理1、处理2和处理3分别在12、15、21 d后GI>85%，此时堆肥完全达到腐熟[20]。因此，从生物毒性角度分析，所有处理均能达到腐熟，快慢顺序为处理1、处理2、处理3。

图6 不同处理共堆肥过程中GI随时间的变化Fig.6 Changes of GI during the co-composting process of different treatments

3 岛礁适用性分析与总结

南海岛礁垃圾往内陆转运需要高额的成本，通过好氧堆肥实现岛礁固体废弃物的减量化和资源化符合南海岛礁珊瑚砂土壤改良的实际情况。本研究经过33 d的共堆肥过程发现，厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥产品呈现黑褐色，无令人不快的臭味，不滋生蚊蝇，且散发出腐殖土气味，处理1和处理2的物料呈疏松团粒结构，基本无结块现象，处理3有少量结块。因此，处理1和处理2可以应用于南海岛礁厨余垃圾-粪渣-剩余污泥共堆肥。从岛礁工程实际考虑，南海岛礁缺乏可作为调理剂的有机碳源，共堆肥的应用受到限制，由于处理2比处理1所需的调理剂更少，因此处理2更适合南海岛礁的实际应用。

[1] 张振克,张云峰.当前我国海岛开发中存在的关键问题与对策[R].南京:南京大学,2010.

[2] 周继豪,沈小东,张平,等.珊瑚砂改良为目的的离岸岛礁有机固废处理策略研究[J].生态科学,2016,35(6).

[3] SCHAUB S M,LEONARD J J.Composting:an alternative waste management option for food processing industries[J].Trends in Food Science & Technology,1996,7(8):263-268.

[4] HUBBE M A,NAZHAD M,SANCHEZ C.Composting as a way to convert cellulosic biomass and organic waste into high-value soil amendments:a review[J].Bioresources,2010,5(4):2808-2854.

[5] SCHMIDT H P,KAMMANN C,NIGGLI C,et al.Biochar and biochar-compost as soil amendments to a vineyard soil:influences on plant growth,nutrient uptake,plant health and grape quality[J].Agriculture,Ecosystems & Environment,2014,191:117-123.

[6] 鲍士旦.土壤农化分析[M].2版.北京:中国农业出版社,2013.

[7] NY/T 1116-2014,肥料硝态氮、铵态氮、酰胺态氮含量的测定[S].

[8] GB/T 23486-2009,城镇污水处理厂污泥处置园林绿化用泥质[S].

[9] COOPERBAND L R.Composting:art and science of organic waste conversion to a valuable soil resource[J].Laboratory Medicine,2000,31(5):283-290.

[10] GAJALAKSHMI S,ABBASI S A.Solid waste management by composting:state of the art[J].Critical Reviews in Environmental Science and Technology,2008,38(5):311-400.

[11] TUOMELA M,VIKMAN M,HATAKKA A,et al.Biodegradation of lignin in a compost environment:a review[J].Bioresource Technology,2000,72(2):169-183.

[12] ZANG B,LI S Y,MICHEL F,et al.Effects of mix ratio,moisture content and aeration rate on sulfur odor emissions during pig manure composting[J].Waste Management,2016,56:498-505.

[13] BHARADWAJ K K R.Improvements in microbial compost technology:a special reference to microbiology of composting[M].New Delhi:Tata Energy Research Institute,1995.

[14] CHAZIRAKIS P,GIANNIS A,GIDARAKOS E,et al.Application of sludge,organic solid wastes and yard trimmings in aerobic compost piles[J].Global NEST Journal,2011,13(4):405-411.

[15] WANG K,LI X K,HE C,et al.Transformation of dissolved organic matters in swine,cow and chicken manures during composting[J].Bioresource Technology,2014,168:222-228.

[16] SANCHEZ GARCIA M,ALBURQUERQUE J A,SANCHEZ MONEDERO M A,et al.Biochar accelerates organic matter degradation and enhances N mineralisation during composting of poultry manure without a relevant impact on gas emissions[J].Bioresource Technology,2015,192:272-279.

[17] ZHANG L,SUN X Y.Changes in physical,chemical,and microbiological properties during the two-stage co-composting of green waste with spent mushroom compost and biochar[J].Bioresource Technology,2014,171.

[18] MEUNCHANG S,PANICHSAKPATANA S,WEAVER R W.Co-composting of filter cake and bagasse;by-products from a sugar mill[J].Bioresource Technology,2005,96(4):437-442.

[19] AWASTHI M K,PANDEY A K,BUNDELA P S,et al.Co-composting of organic fraction of municipal solid waste mixed with different bulking waste:characterization of physicochemical parameters and microbial enzymatic dynamic[J].Bioresource Technology,2015,182:200-207.

[20] 朱凤香,王卫平,杨友坤,等.固体废弃物堆肥的腐熟度评价指标[J].浙江农业科学,2010,51(1):159-163.

Co-compostingofkitchenwaste,fecesandsludgeanditssuitabilityforreefsintheSouthChinaSea

ZHOUJihao1,SHENXiaodong1,LIYongqing1,ZHANGPing2,PENGWei1,ZHANGShuai1,ZHAOZhiwei1.

(1.DepartmentofNationalDefenseArchitecturePlanningandEnvironmentalEngineering,LogisticalEngineeringUniversity,Chongqing401311;2.BureauofNavyEngineeringDesignandResearch,Beijing100070)

周继豪,男,1992年生,硕士研究生,研究方向为固体废弃物处理技术。#

。

*全军后勤应用基础研究项目(No.BHJ16J031);后勤工程学院研究生创新专项经费资助项目(No.2015S07)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.09.012

2016-12-01)