辅料比对厨余垃圾好氧堆肥理化特性变化影响研究

兴虹　吴丽红　许艳广　付玉　刘艳丹

关键词：厨余垃圾；好氧堆肥；辅料比；理化特性

中图分类号：X701 文献标志码：B

前言

厨余垃圾是指居民家庭、餐饮行业及单位供餐等活动中产生的剩菜剩饭、果皮菜叶、蛋壳、茶渣等固体废弃物，主要产生于家庭、餐饮行业、食品批发市场、单位食堂。据住建部统计，2017年，中国生活垃圾年清运量为2.15亿吨，厨余垃圾占36%～52%。厨余垃圾含水率高，热值低，主要成分有淀粉、纤维素、蛋白质和脂类，含有氮、钾、钙、磷以及各种微量元素，具有较高的利用价值。目前，中国家庭厨余垃圾仍以混合收集为主，与其他生活垃圾一起进入垃圾填埋场，这种处置方式既产生二次污染，还占用土地资源。肥料化处理是厨余垃圾资源化途径之一。厨余垃圾厌氧堆肥装置复杂，存在堆肥时间长、甲烷菌易受到抑制，产生大量难以处理的沼液、沼渣。厨余垃圾好氧堆肥是在强制通风条件下利用微生物降解作用，使垃圾中可降解有机物变为稳定腐殖质的过程，工艺简单，正在向小型化、移动化、家庭化的方向发展。利用小型堆肥装置，研究辅料添加量对厨余垃圾好氧堆肥理化特性变化和有效成分变化的影响，为厨余垃圾资源化、家庭化再利用提供技术支持。

1实验材料与方法

1.1堆肥装置及堆肥用材料

堆肥用塑料桶的直径400 mm，总高380 mm。距圆筒底部80 mm处安装水平塑料隔板，隔板上均匀分布d=8 mm的通风孔，穿孔率为40%。桶底距底部10 mm处的桶壁有5个圆孔（d=30mm），均匀分布，供自然通风用。下部距桶底30mm处有强制通风管（PVC材质，d=25mm）。桶外壁用5mm厚的珍珠棉保温。隔板上部是堆肥区，下部为通风区和渗滤液收集区。

堆肥主料取自学校食堂厨余垃圾（土豆皮、白菜帮、辣椒芯、甘蓝叶、甘兰根等），含水率为85%～90%。

堆肥辅料为校园内绿化带地表枯叶。

堆肥用微生物菌剂采用EM菌（山东蓝宝石生物技术有限公司）。

1.2实验用试剂及仪器

实验用主要试剂：重铬酸钾溶液（K₂Cr₂O₄）、硫酸亚铁（FeSO₄）、钼酸铵（Mo₇O₂4（ NH4）6·4H2O）、偏钒酸铵（NH₄VO₃）、对硝基酚（C6H5N03），以上均为分析纯。

实验用仪器：JB-3型磁力驱动循环泵（上海重磁仪器厂新泾分厂）、KDN-08B定氮仪和消化炉（上海昕瑞仪器仪表有限公司）、pHS-2F数字酸度计（上海仪电科学仪器股份有限公司）、玻璃水银温度计。

1.3实验方法

厨余垃圾预处理：捡出厨余垃圾中混杂的塑料绳、包装袋、土块等，将厨余垃圾在室外通风处摊开晾晒，使其含水率在55%～65%（用手抓握成团但不滴水），再切碎至5 mm左右。

厨余垃圾堆肥操作方法：取预处理后的厨余垃圾4份，每份重4.5 kg，放人堆肥装置中，再按辅料与厨余垃圾之比（m/m）0、7%、13%、20%，各加入0、315、585、900 g辅料，搅拌均匀，测得各堆体指标如表1所示。再往各堆体中加入10.0 gEM菌剂，混合均匀。早晚各强制通风一次，通风时长30 min，通风量为0.08m³／min。每天记录温度，当温度达到50℃时进行第一次翻堆，之后每天反堆一次。在堆肥的第3、6、9、12、15天进行取样，每次取样40 g左右。将样品于阴凉通风处风干，捣碎（d≤1 mm），测pH、含水率、总有机质、总氮、总磷。

1.4分析方法

堆肥过程的各指标测定按《中华人民共和国农业行业标准-有机肥料（NY525-2021）》规定方法，含水率采用减重法测定；总有机质采用重铬酸钾容量法；总氮采用硫酸-过氧化氢消解凯氏法测定，总磷采用硫酸-过氧化氢消解钒钼酸铵法测定。

2实验结果与讨论

2.1温度变化

好氧堆肥一般经过升温、高温（高于50℃）、降温三个阶段。好氧堆肥过程中可生物降解有机物被好氧微生物降解生成CO₂、水和能量，引起堆体温度变化，四个堆体温度变化见图1。

堆肥开始后，微生物与可降解有机物发生生化反应，产生热量，堆体温度升高，高温持续2～3天后快速下降进入降温阶段。在降温段又有温度小幅度上升，这是因为温度下降后，嗜热菌活性降低，高温段受到抑制的嗜温菌在合适的环境下大量繁殖，有机物被降解产生热量使堆体温度又回升。12天以后，随着厨余垃圾中可降解有机物完成矿质化，难降解有机物被转化为腐殖质，生化反应减弱，堆体温度降至略高于室温状态。

在堆肥过程中，P3堆体升温速度最快，堆肥第三天升至61℃，并且温度连续3天保持在50℃以上；P₂和P₄温度达到50以上天数不足3天，最高温度低于P₃。P₁温度未能够达到50℃。P₁、P₂辅料少，堆体内部孔隙小，不利于通风供氧和反应产物的扩散，生化反应受抑制产能少，堆体温度低；辅料添加量多，堆体孔隙率大，热量散失快，也会使堆体温度低。P₃堆体升温迅速，高于50℃持续时间长，考虑高温可以灭杀虫卵、致病菌，减少农作物病虫害，辅料比13%是优选比例。

2.2 pH、含水率变化

好氧堆肥是生化反应，有机氮被微生物降解生成氨氮和水，堆体的pH和含水率也会发生变化，各堆体pH、含水率变化见图2。

从图2（a）可以看出，四个堆体pH值在堆肥开始阶段大幅上升，后又下降，这是因为微生物在好氧堆肥开始时处于比较活跃的状态，大量的有机物被分解，由于氨化作用产生了氨氮堆积在料堆内部，pH值逐渐上升。P₁和P₂堆体pH值上升最快，是因P₁、P₂料堆孔隙率低，含水率高，产生的氨氮不易散失到空气中，留存在堆体内的氨氮量多。Pl在堆肥第9天pH突然下降，是因堆体局部供氧不足，发生厌氧反应，有挥发性脂肪酸（VFAs）生成并累积，随着VFAs散逸，pH又回升。在堆肥末期，生化反应基本停滞，氨氮产生量逐渐减少，四个堆体pH值较平稳。

从图2（b）可以看出，在堆肥的0～6天，P₁P₂辅料少，孔隙率低，有机物被降解有水生成，水分挥发量少于产生量，含水率持续升高，后因生化反应减弱，水生成量小于挥发量，含水率降低。P₃在0～3天，水生成量低于挥发量，含水率降低；在3～6天，微生物量多，生化反应速度加快，产水量多，含水率又升高，之后进入下降阶段。P₄辅料多，堆料疏松，水挥发量始终大于生成量，故含水率一直呈下降状态。P₁P₂P₃P₄在堆肥结束时含水率分别为62.4%、56. 9%、50.9%、45.6%，与堆肥初始时相比分别下降了0.8%、6.2%、11.9%、16.0%，随着辅料比的增加，含水率降低量也增大，说明添加辅料有利于降低堆肥产品的含水率。对比《有机肥料（NY525-2012）》含水率≤30%的要求，得到的堆肥产品后续需要晾晒进一步降低含水率。

2.3总有机质含量变化

四个不同辅料比堆体在堆肥过程中的有机质变化见图3。

实验结果表明，四个堆体的总有机质含量呈下降趋势。P₂、P₃和P₄堆体在升温阶段和高温段，随着温度上升微生物迅速生长繁殖，生化反应加快，大量有机物被分解生成CO₂散发到空气中，总有机质含量迅速下降。随着易降解有机物的减少，反应速度降低，有机质含量呈现平缓下降趋势，在堆肥后期有机质含量基本稳定。P₁堆体在堆肥前期反应速度慢，有机质下降速率最慢。P3堆体生化反应剧烈，升温快，有机物降解量最多。P₁、P₂、P₃、P₄堆体在堆肥结束后，有机质含量分别为63.3%、62.4%、59.2%、61.2%，均满足《有机肥料（NY525-2012）》规定的有机质含量≥30%要求。

2.4氮、磷含量变化

氮、磷是植物营养元素，是有机肥料的重要指标之一。不同辅料比的堆体在堆肥过程中的氮、磷含量变化见图4、图5。

在堆肥过程中，固态碳生成气态碳散失到空气中，这一浓缩效应提高了堆体中的氮、磷含量。在升温段总氮含量P₁342，分析原因是Pl堆体未添加辅料，氧供应不足，二氧化碳生成量低，浓缩效应小；P₃堆体生化反应迅速，有机物降解快，但由于温度高，氨氮挥发，氮散失多；P₄辅料添加量多，孔隙率大，也会使氨氮散失，故氨氮含量低于P₂。堆肥第3～12天堆体温度降低，氨氮损失小，总氮含量增高速度高于P₂P₄。升温段P₃反应迅速，磷含量增加最多。P₁在堆肥第3天测得总磷含量降低，是因为在堆肥开始时，有渗滤液产生，造成磷流失。P₂P₃P4堆体因添加辅料，通风好，未产生渗滤液，磷未流失。堆肥后期，生化反应趋于停滞，含氮量、总磷量保持稳定，堆肥终期四个堆体的总氮含量依次为1.67%、1.76%、1.95%、1.71%，总磷含量分别为1.13%、1.19%、1.26%、1.16%，P₃堆体有机物降解彻底，浓缩效应最大，P₃含氮、磷量最高。

2.5感官指标变化

堆肥第3天，四个堆体均发现有灰色的霉菌出现，其中P₃霉菌较多。P₁在第6天颜色变浅，后来逐渐加深；堆肥第9天，P3变为黑褐色；P₂和P₄在堆肥第12天左右变为黑褐色。堆肥结束后，P₁棕黑色，P₂、P₃、P₄均呈黑褐色。

P₁、P₂在堆肥开始时是土豆皮味，第三天有霉味并带有臭味，第六天霉味消失，臭味一直存在，且P₁味道比P2重很多。产生臭味的原因是P₁和P₂料堆内部孔隙率较低，通风不畅，局部厌氧释放恶臭气体。有研究表明，恶臭气体主要是氨气、2-丁酮、丙烯醛和2一己酮，这四种物质均溶于水。做堆肥实验时，将堆肥装置产生的恶臭气体用集气罩收集，通过胶管引入发酵酸化的淘米水中被吸收，一天换一次淘米水，换下的淘米水用来浇灌校园绿地。Pl堆肥产品粘结，水分高。P₃和P₄的气味最初是枯叶味，第三天有霉味，第6天转为腐殖土味，堆肥产品疏松。

3结论

在自然通风辅以强制通风条件下，以15天为堆肥周期，考察辅料比对厨余垃圾好氧堆肥影响。辅料比低的堆体孔隙率低，供氧不充分，升温慢，高温段难以达到50℃，堆肥过程中有臭味产生，堆肥产品粘结且含水率高；添加辅料太多的堆体孔隙率大，总氮散失多，堆肥产品养分低。当辅料与厨余垃圾比例（m/m）为13%时，升温迅速，最高温可达61℃，高温段（>50℃）可持续3天，堆肥过程中没有臭味产生，堆肥产品含水率49.9%，呈腐殖土味，总磷、总氮含量最高，分别为1.95%、1.16%，小型堆肥装置易于制作，材料低廉，堆肥操作简单，没有异味产生，在居民小区或农村庭院内就可以完成厨余垃圾堆肥处理，产品可就近用于小区绿化、家庭花草和蔬菜养殖等，节省运输成本。