园林_餐厨垃圾联合堆肥工艺研究.pdf

固 废 处 理 园林/餐厨垃圾联合堆肥工艺研究 * 陈海滨 1 杨禹 1 刘晶昊 2 徐长勇 2 1. 华中科技大学， 武汉 430074; 2. 中国城市建设研究院， 北京 100029 摘要 以干草落叶混合物及酒店餐厨垃圾为原料， 在自然通风条件下， 利用自行研制的引风式堆肥装置， 通过为期 10d 的园林 /餐厨垃圾混合物高温好氧初级发酵， 研究混合原料中餐厨垃圾不同配比对园林垃圾快速堆肥效果的影响。结 果表明 在质量配比 75. 64 、 67. 45 、 51. 37 中， 当餐厨垃圾质量比 67. 45 时， 含水率 61. 15 对园林垃圾堆肥效 果最好， 减容率 24. 83 ， 减重率 28. 33 ， 初级发酵结束 C/N 比 15. 41。 关键词 园林垃圾; 餐厨垃圾; 自然通风; 联合堆肥 CO- COMPOSTING OF GARDEN WASTES AND KITCHEN WASTES Chen Haibin1Yang Yu1Liu Jinghao2Xu Changyong2 1. School of Environment Science ＆ Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China; 2. China Urban Construction Design ＆ Research Institute，Beijing 100029，China AbstractThe objectives of this work were to uate the effect of garden wastes composting by adding kitchen wastes in different proportions． The composting was conducted in a device independently developed under condition of natural aeration， each group of the 3 trails composted for 10 d． The result of co-composting garden wastes with kitchen wastes at gradation mass proportions of 51. 37 ，67. 45 ，75. 64 showed that when kitchen waste used at a proportion of 67. 45 ，a composting mixture with initial moisture content of about 61. 15 ，with final weight-loss of 28. 33 and volume-loss of 24. 83 ，was the most desirable conditions for the co-composting． Keywordsgarden waste;kitchen waste;natural aeration;co-composting * 国家 “十一五” 科技支撑计划 2008BAJ10B03 。 随着城市园林绿化的发展， 近年来园林垃圾的产 量逐渐增多。园林垃圾具备分类收集程度高， 有机质 含量高， 易腐化等特点， 而堆肥化处理作为实现其资 源化利用的良好手段而备受推广。目前国内外对园 林落叶堆肥研究较多 ［1- 4］， 但餐厨垃圾与园林垃圾联 合堆肥报道较少。本研究以餐厨垃圾和园林清扫落 叶为主要原料， 采用自主研制的好氧堆肥装置， 利用 餐厨垃圾补充氮、 水分及易降解有机物， 研究添加不 同比例餐厨垃圾对园林垃圾堆肥的影响， 以求为小规 模园林垃圾 /餐厨垃圾的低成本、 低能耗联合堆肥处 理提供借鉴。 1试验材料和方法 1. 1材料 试验所用原料为园林垃圾和餐厨垃圾混合物， 每 次进料时掺入约 7 的上次堆肥产物做菌种接入。 园林垃圾取自北京某处绿化队辖区所产生的园林垃 圾， 主要成分为干草、 落叶和修剪树枝， 干草比例最 高， 经初步处理后粒径 4 ～ 7 cm; 餐厨垃圾来自于北 京市丰台区某酒店， 过滤多余泔水后人工挑拣出其中 动物骨骼、 筷子、 塑料薄膜等物质， 粒径为 1 ～ 3 cm。 试验原料性状见表 1。 表 1试验原料性质 原料 含水率 / 挥发性 有机质 / TC / g kg － 1TN / C /N 密度 / t m － 3 园林垃圾10. 0982. 83462. 681. 2038. 560. 05 餐厨垃圾75. 1358. 99260. 191. 9913. 041. 02 1. 2装置 试验采用自行研制的引风式好氧堆肥仓进行联 合堆肥。装置主体高 1. 3 m， 有效容积约 2. 0 m3 ; 装 置上部设置活动梯形风罩， 罩口接引风管; 引风管高 度 6 m， 以直径 320 mm 通风管加强装置的“烟囱效 18 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 应” ， 保证仓内堆体各部分保持适宜的好氧状态。此 外底部通风板表面装有钢网防止物料堵塞通风孔。 1. 3方法 经简单预处理的园林垃圾和餐厨垃圾按照一定 比例混合成堆肥原料， 装入堆肥装置中进行初级发 酵。3 次试验中园林和餐厨垃圾的配比如表 2 所示。 表 2原料配比及含水率 试验组号1 号2 号3 号 餐厨垃圾质量比 /75. 6467. 4551. 37 原料含水率 /70. 6261. 15 53. 03 因园林垃圾含水率过低， 仅为 10. 09 ， 加少量 清水至园林垃圾中混匀， 使其含水率约为 40 。再 与餐厨垃圾混合形成堆肥原料。混合原料容重为 0. 232 t/m3。 1. 4样品检测 试验每天 9∶ 30、 15∶ 30、 21∶ 30 各测定温度、 氧浓 度 1 次， 第 1， 2， 3， 4， 6， 8， 10 天均取样 1 次。现场检 测指标为温度、 氧浓度， 实验室检测内容为含水率、 挥 发性有机质含量、 总有机碳、 全氮、 pH 值。测量依据 如表 3 所示。 表 3试验各参数检测依据 检测项目依据 含水率GB 193191 木材含水率测定方法 挥发性有机质 CJ/T 961999 城市生活垃圾有机质的测定灼烧法 取样CJ/T 3132009 生活垃圾采样和分析方法 全氮CJ/T 1031999 城市生活垃圾全氮的测定 总碳LY /T 12371999 森林土壤有机质的测定 pH 值 LY /T 12391999 森林土壤 pH 值的测定 2结果与讨论 2. 1原料特性 本试验堆肥原料为落叶干草与餐厨垃圾混合物， 从形态上来看， 堆料较为疏松， 空隙较大， 适于非强制 通风条件下的空气流通。园林垃圾有机质含量高但 主要成分为难降解或者抗降解的纤维素、 半纤维素、 木质素等物质 ［5］， 含水率低; 而高含水率餐厨垃圾中 蛋白质、 脂类等易分解物质较多， 营养成分多样， 将餐 厨垃圾与园林垃圾混合进行联合堆肥， 可获得满意的 C /N、 初始含水率， 及适合微生物生长的营养环境， 便 于高温快速发酵的进行。 2. 2温度 堆肥化过程实际上就是微生物的发酵降解过 程 ［1， 6］， 而作为微生物活动强度的重要指标， 温度在 宏观上反映着堆肥进程。本次试验各组温度变化均 经历明显的升温期、 高温维持期和降温期三个过程， 如图 1 所示， 各组温度变化详情见表 3。 图 1各组温度变化曲线 表 3各组温度变化详表 实验组号1 号2 号3 号 初始温度 /℃16． 0 16． 016． 0 到达 55 ℃ 时间 /h36． 027． 5 45． 5 ＞ 55 ℃ 时间 /h878772 最高温度 /℃70． 5 73． 066． 0 到达温度峰值时间 /h57． 045． 557． 5 降至 35 ℃ 时间 /d108 8 Haug［7］等人认为当堆体温度稳定在30 ～ 40 ℃ 时， 发酵基本完成。3 组试验结束时温度均处 35 ℃ 以下。1 号到达温度峰值时间较长， 最高温度比较 低， 可能是因为所加餐厨垃圾多， 原料含水率高阻碍 氧交换导致， 而厌氧环境下微生物产热低 ［8］。3 号由 于原料中园林垃圾比例高， 易降解有机质含量较低使 得微生物数量和活动强度有所下降， 造成堆肥升温 慢， 温度低。而 2 号物料既含有较丰富的易降解有机 物， 且含水率适中， 微生物生长代谢环境最为适宜， 升 温期较之其他两组最短， 1 d 即升至 55 ℃ ， 高温持续 时间也较长。从氧浓度变化分析来看， 1 号及 2 号在 达到最高温度 70 ℃ 以上 时堆体微生物仍大量耗 氧， 代谢活动仍较强烈， 说明此温度下微生物仍可保 持较高的活性。 2 号在堆肥中后期温度出现一定的反复， 可能由 于静态发酵过程中无翻堆， 原料未充分混合均匀， 导 致降解不均匀 ［9］， 其原因有待进一步研究。 2. 3碳氮比 固相 C /N 是最常用的评价腐熟度的参数 ［10］。 从图 2 中可以看出 3 组 C /N 均呈下降趋势， 各组不 同初始 C /N 经发酵后最终 C /N 数值接近。一般认为 当 C /N 达到 16 时堆肥基本腐熟， 3 组试验初级发酵 结束时 C /N 均在 16 左右。但由于受不同堆肥原料 初始 C /N 不同的影响， 一般最终 C /N 不宜作为绝对 的腐熟度指示参数。部分学者提出用 T 值 T ［ C/ 28 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 N终 /C /N始 ］ 代替最终 C/N， 并认为 T 0. 53 ～ 0. 72 时可认为基本腐熟 ［11］。据此， 本试验中 1 号及 2 号达到腐熟要求， 而 3 号略微超出此范围， 这可能 是由于 3 号含水率较低， 易腐的餐厨垃圾少导致堆料 未能充分发酵造成。 图 2各组 C /N 比变化曲线 2. 4含水率 堆肥中水分一方面通过参与微生物新陈代谢而 被微生物利用， 另一方面水分蒸发可带走热量， 可对 堆体温度进行调节。本试验各组含水率变化如图 3 所示。 图 3各组含水率变化曲线 3 号水分去除率最高， 达 48. 43 ， 这是由于 3 号 餐厨垃圾最少， 而园林垃圾中水分多为人为添加的自 由水， 容易蒸发散失。但 3 号初级发酵结束后其物理 形态不似其他两组发生颜色变深， 物料松软湿润等变 化， 说明含水率过低影响微生物对堆料的深度分解。 1 号 初 始 含 水 率 70. 62 ，初 级 发 酵 结 束 后 为 48. 14 ， 2 号从 61. 15 降至 40. 72 ， 两组水分去除 率相当， 分别为 31. 48 和 33. 42 ， 水分去除效果良 好。但 1 号堆肥过程中产生了少量的渗滤液， 说明初 始含水率 70. 62 超出了物料的持水能力。 2. 5通风供氧 堆肥中通风既可供氧以为微生物提供好氧环境， 也可去除水分， 带走热量来调节堆体温度 ［12- 13］。本 试验装置的独特设计可以充分利用烟囱效应在仓内 形成负压， 促进空气从装置底部通风板通过堆体， 达 到通风供氧的效果。 堆体氧浓度变化曲线指示整个堆肥过程中堆体 内部始终处于好氧状态。一般认为堆肥中氧浓度应 在 8 ～ 18 ， 过低将会形成厌氧环境， 过高则使堆 体过快冷却， 导致病原菌大量存活。 氧浓度及其所反映的耗氧速率是微生物活动强 弱的宏观标志， 指示着物料中有机物的分解程度。只 有在足够的 O2供给情况下， 才能充分利用堆肥中好 氧微生物对堆肥有机质的分解作用， 加快堆肥过程的 进行 ［14］。如图 4 所示， 本试验氧浓度变化曲线基本 与温度变化曲线呈相反趋势。高温期微生物活动强 烈， 氧浓度最低， 随着初级发酵的逐渐完成氧浓度回 升并基本保持稳定。因各组所用原料粒径基本一致， 整个过程三组试验氧浓度相差不大， 均处于 10 ～ 18 ， 说明本装置能完全满足通风供氧需求。 图 4各组氧浓度变化曲线 2. 6pH 随着堆肥的进行， pH 均呈先缓慢上升后保持稳 定趋势， 主要是由于堆肥初期供氧充分， 产生的有机 酸来不及积累就转化为 CO2和 H2O 释放［15］， 而微生 物大量分解含氮有机物如蛋白质等产生氨氮 ［16］， 造 成 pH 的升高。后期随着氨氮挥发损失及逐渐转化 为 NO － 3 -N， pH 趋于稳定。整个堆肥过程中物料的 pH 值处于 7. 0 ～ 8. 7， 无过酸或过碱现象发生， pH 环 境适合微生物生长代谢， 无需人为调节。 2. 7有机质的降解及减重减容 各组试验堆肥过程中总挥发性有机质 VOCs 变 化如图 5 所示。图 5 中可以看出 各组初始 VOCs 含 量都较高， 均在 70 以上， 但经初级发酵后其下降幅 度不大， 这是由于园林垃圾中大部分有机质为难降解 的纤 维 素 及 木 质 素。各 组 有 机 质 降 解 率 分 别 为 10. 7 、 9. 7 、 2. 9 。1 号餐厨垃圾比例最高， 而餐 厨垃圾中以易降解成分居多， 因此降解率也最高， 反 之 3 号最低。 各组减重率及减容率如表 4 所示。从表 4 可以 看出 各组之间差异较小， 减容率为 23 左右， 减重 率约为 28 。减重及减容效果较为明显， 但均低于 30 。这可能与原料特性有关， 原料中干草比例较 高， 而 干 草 成分中 以 纤维素、 半纤维素、 木 质 素 居 多 ［5］， 这些物质短时间内难以被微生物降解， 从而导 38 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期 图 5各组总挥发性有机质变化曲线 致整体减重率、 减容率不高。这在 1 号、 3 号中体现 较为明显， 由于 1 号餐厨组分最多， 而 3 号园林垃圾 比例最大， 堆肥过程中餐厨垃圾被充分分解利用， 因 而 1 号减重率最高， 3 号最低。 表 4各组减容率及减重率 组号减容率 /减重率 / 123. 3330. 86 223. 4928. 01 322. 0726. 29 2. 8无害化检测 初级发酵物按照 GB 8172 － 87城镇垃圾农用控 制标准 中相关检测项目进行检测。检测结果表明 初级发酵物中总氮、 总磷、 有机质等 3 项指标满足 GB 817287 的要求; 总铬、 总汞、 总砷、 铅、 镉、 蛔虫卵死 亡率、 大肠菌值等相关安全指标远低于 GB 817287 限值。 3结论与建议 1 本试验的 3 个处理均能有效地对园林垃圾进 行资源化和无害化的处理， 添加餐厨垃圾能有效地促 进园林垃圾的降解。其初级发酵物经检测满足国家 无害化相关标准。 2 综合比较 24. 36 、 32. 55 、 48. 63 三个配 比中， 园 林 垃 圾 比 例 为 32. 55 ， 原 料 含 水 率 为 61. 15 时， 堆肥效果最好， 此条件下堆肥升温快， 高 温保持期较长， 减重减容效果好， 减容率为 24. 83 ， 减重率为 28. 33 。初级发 酵结 束 C /N 为 15. 41。 堆肥过程中无渗滤液产生， 初级发酵后粗产品物理形 态良好。 3 进行园林垃圾 /餐厨垃圾联合堆肥时， pH 在 7. 0 ～ 8. 7 变化， 产品应用时若对 pH 要求不高， 无需 人为调节 pH 值。 4 本装置因其具有场地、 气候适应能力强， 不需 外部动力源， 节能低耗等特点而在庭院、 独立园区等 场合的小规模园林垃圾与餐厨垃圾堆肥中具备应用 优势及推广价值。 由于各季度产生园林垃圾种类及理化性质有所 差异， 建议对不同季度典型园林垃圾分别研究， 以进 一步探讨各类园林垃圾与餐厨垃圾联合堆肥的不同 效果。此外， 本试验各组数据结果之间差别不够显 著， 可适当加大园林垃圾比例跨度进行研究。 参考文献 ［1］Wong J W C，MakKF，ChanNW，etal． Bioresourceco- composting of soybean residues and leaves in Hongkong［J］． Technology， 2001， 76 99- 106. ［2］Sonia M Tiquia， Judy H C Wan，Nora F Y Tam． Extracellular enzyme profiles during co-composting of poultry manure and yard trimmings Process［J］． Biochemistry， 2001， 36 813- 820. ［3］Guerra Rodriguez E， Diaz Ravina M， Vazquez M． Co-composting of chestnut burr and leaf litter with solid poultry manure ［J］． Bioresource Technology， 2001， 78 107- 109. ［4］陈广银， 王德汉， 项钱彬． 蘑菇渣与落叶联合堆肥过程中养分 变化的研究［J］． 农业环境科学学报， 2006， 25 5 1347- 1353. ［5］宋思扬， 楼士林． 生物技术概论［M］． 北京 科学出版社， 2000 299- 301. ［6］罗玮， 曾光明． 城市生活垃圾堆肥过程控制技术的现状和发展 ［J］． 环境工程学报， 2004 2 6- 10. ［7］Haug R T． Compost engineering principles and practice［M］． Ann Arbor Ann Arbor Science， 1980， 85- 90. ［8］蒲一涛， 郑宗坤， 石春芝， 等． 静态好氧堆肥处理城市生活垃圾 的工艺特性［J］． 环境卫生工程， 2003， 11 4 173- 176. ［9］张相锋， 王洪涛， 聂永丰， 等． 高水分蔬菜废物和花卉、 鸡舍废 物联合堆肥的中试研究［J］． 环境科学， 2003， 24 2 147- 151. ［ 10］卢秉林， 王文丽， 李娟， 等． 添加小麦秸秆对猪粪高温堆肥腐熟 进程的影响［J］． 环境工程学报， 2010， 4 4 5. ［ 11］Garcia C， H F Costa， M Ayuso． uation of the maturity of municipal waste Compost using simple chemical parameters［C］． Commun Soil， Sci Plan Mnal， 1992. ［ 12］Hoitink H A J， Keener H M， Krause C R． Key steps to successful composting［J］． Biocycle， 1993 8 30- 33. ［ 13］Golueke C G， Diaz L F． Low tech composting for small communities ［J］． Biocycle， 1990 11 62- 64， 74. ［ 14］Hlmer P， Schinner F． Composting turning-a central factor for a rapid and high-qualitydegradationinhouseholdcomposting ［J］． Bioresource Technology， 1997， 59 157- 162. ［ 15］冯国杰， 程官文， 王瑞平． 菌渣、 鸡粪联合堆肥工艺研究［J］． 安 全与环境学报， 2007， 7 3 86- 89. ［ 16］张陇利， 刘青， 徐智， 等． 复合微生物菌剂对污泥堆肥的作用效 果研究［J］． 环境工程学报， 2008， 2 2 266- 269. 作者通信处杨禹430074武汉市华中科技大学环境学院 电话 027 87792136 E- mailyangforword 163. com 2011 － 09 － 05 收稿 48 环境工程 2012 年 6 月第 30 卷第 3 期