摘要：以桂林市生活垃圾和城市污泥为主要原料，另添加锯末作为调理剂，在智能化高温好氧堆肥发酵仓内利用时间反馈的连续通风策略进行高温好氧堆肥试验，选定生活垃圾与城市污泥配比、C/N、含水率和通风量4个参数分别进行单因素试验。结果表明，堆肥过程中最佳控制参数为生活垃圾与城市污泥质量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg锯末；C/N为35；含水率为54%；通风量为0.15～0.30 m3/h（温度达到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（温度超过50 ℃后）。
关键词：生活垃圾；城市污泥；锯末；好氧堆肥；控制参数
中图分类号：S141.8 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2013）23-5726-04
城市生活垃圾是指人们在日常生活中所产生的固体废弃物。随着社会经济的发展和城市化进程的加快，生活垃圾的产量正在逐步增加。目前全世界年产生垃圾量约为7.7亿t，预计2020年将达20亿t[1]。在收集、运输和处理的过程中，垃圾中含有的致病菌、病毒和有机污染物将严重危害人类健康和生态环境。目前垃圾处理的方法主要有卫生填埋、焚烧和堆肥，其中高温好氧堆肥具有堆肥周期短、减量化效果明显、无害化程度高和稳定化效果好等优点，被国内外专家所关注[2-5]，但对垃圾堆肥过程中控制参数的报道不多。本研究是在中试的水平上以生活垃圾和城市污泥为主要原料，另外添加锯末作为调理剂，在智能化高温好氧堆肥发酵仓内利用时间反馈的连续通风策略对堆肥过程进行研究，探索最佳的物料配比（生活垃圾与城市污泥的质量比，下同）、含水率、C/N和通风量。
1 材料与方法
1.1 材料
生活垃圾取自桂林市雁山区垃圾处理站。锯末取自桂林市雁山区丰良农场，取回后过筛。城市污泥为桂林市七里店污水处理厂的脱水污泥。堆肥物料的基本理化性质如表1所示。
1.2 试验装置
试验采用智能化高温好氧堆肥发酵装置（图1），主要包括：发酵仓、通风系统、监测系统。其中发酵仓的直径为800 mm、高为1 300 mm，有效容积为250 L；发酵仓顶部设有温度、氧气探杆，可在线监测堆体中温度、氧气的实际值；通风系统由气泵、流量计、电磁阀组成。
1.3 指标的测定方法
发酵物料各指标的测定方法见表2。
2 结果与分析
2.1 物料配比的确定
将生活垃圾与城市污泥按3∶1、2∶1、1∶1三种配比在20～25℃的环境温度下进行单因素试验。通风控制方式为上堆后24 h内不通风，24 h后采用0.24 m3/h的固定通风流量连续鼓风，堆肥持续时间为16 d。不同物料配比下堆体的含水率、有机质含量、C/N如表3所示。
如图2所示，当生活垃圾与城市污泥配比为3∶1和2∶1时，堆体可更好地实现快速升温，3 d堆体温度即达到50 ℃以上，并且堆体维持50 ℃以上和55 ℃以上的高温期时间较长，超过了《粪便无害化卫生标准》[6]要求的50 ℃以上5 d或55 ℃以上3 d的要求，更有利于杀灭堆体中的致病菌及杂草种子，达到城市垃圾无害化的目的。物料配比为1∶1时，堆体升温缓慢，在第6天才达到50 ℃，而且维持时间短，达不到高温灭菌的要求。有研究表明，堆肥过程中合适的温度范围为35～50 ℃，高温堆肥的理想温度条件则是50～60 ℃[7-9]。当生活垃圾与城市污泥配比过低时，导致污泥的量偏多，使堆体的含水率过高，不利于堆体自由空域中的O2在物料内部的扩散，可能使好氧微生物出现缺氧甚至厌氧的状态[10]。因此，选取3∶1和2∶1之间的2.5∶1作为本试验的最佳物料配比，此时混合物料的含水率为55.8%，C/N比为28.0，既可以保证堆体温度在较短时间上升至50 ℃，又可维持较长时间的高温，对缩短堆肥周期、高温灭菌及保持堆肥质量均有良好的效果。
2.2 碳氮比的确定
碳氮比是指堆肥混合物料中碳元素与氮元素质量之比，是评价堆肥腐熟度的方法之一。在高温好氧堆肥过程中，微生物在利用碳源作为能量的同时，利用氮源合成细胞物质。国内外学者对堆肥的最佳碳氮比作了大量研究，Ekinci等[11]通过对初始碳氮比为15～49的物料进行堆肥试验发现，最佳碳氮比为30～38；李国学等[12]认为最佳的碳氮比应为25～35。为了确定最佳碳氮比，将生活垃圾与城市污泥按质量比2.5∶1.0充分混合，混合物料的初始含水率为55.8%，C/N比为28.0。如表4所示，分别向处理1、处理2中加入一定量的锯末（C/N为156）进行碳氮比的调节，设不加锯末的对照组，分析温度和VS含量在不同C/N下的变化规律。通风控制方式及通风量与“2.1”相同，堆肥持续时间为16 d。
由图3、图4可知，处理2和对照较处理1能实现快速升温，且50 ℃以上的高温期持续时间要长，与VS含量的变化结果相符。其原因可能是因为处理1的C/N比相对较高，微生物在持续高温期出现“氮饥饿”，导致微生物的生长繁殖和新陈代谢速度减慢，无法保证高温期的持续，导致VS的降解效果偏低；处理2和对照中C/N适中，为微生物的生长繁殖提供了良好的环境，使细菌的降解能力保持在较高的水平，有利于对有机质的降解及产热性能的提高。席北斗等[13]认为当C/N为30～35时生活垃圾堆肥的效果更加明显，与本试验的结果基本一致。因此选择C/N为35作为生活垃圾堆肥的最佳碳氮比，具体措施为每35 kg混合物料添加1.6 kg锯末。
2.3 含水率的确定
物料的含水率是影响堆肥能否顺利进行的重要工艺参数[14]。堆肥过程中水分的作用主要有两个方面，一是溶解混合物料中的有机成分，使之更好地供细菌等微生物吸收利用；二是在堆肥的腐熟阶段，由于水的蒸腾作用吸收热量，使堆体迅速降温以达到快速腐熟的目的。有研究表明，堆肥的初始含水率维持50%～60%较为适宜[15，16]。为了确定最佳含水率，分别进行不同含水率的调节，设置处理1、处理2，并设对照组（不调节含水率）（表5），分析温度和VS含量在不同含水率下的变化特点。通风控制方式和通风量与“2.1”相同。堆肥持续时间为16 d。试验结果如图5所示。 从图5可以看出，当物料含水率为64%时升温缓慢且达到50 ℃所需时间长，可能是因高含水率导致堆体自由空域中的O2不易扩散到混合物料的内部，微生物由于缺氧无法完成好氧发酵，产热量低。至第6天，处理2温度上升至50 ℃，但由于较高的含水率使液态水吸收大量热量导致高温期不能持续。含水率为44%和54%时，堆体均能实现快速升温和维持一定的高温期，其中54%含水率下的堆体最高温度可以达到68 ℃且65 ℃以上的超高温期维持了近3 d，更有利于有机物的充分降解。堆肥前后体积和密度的变化如表6所示，3种处理的体积、密度都有不同程度的降低，其中对照组体积减少最为显著，减少了19%，处理1、处理2体积分别减少了16%、6%；处理2密度减少最多，减少了16%，处理1和对照密度分别减少了12%、11%。原因可能是对照中适宜的含水率使物料中的有机物处于较佳溶解状态，加上O2的扩散效果好，有利于有机物的充分降解，因此其体积减少最多，而密度减少最少。处理2因为加水使含水率偏高，使高温发酵处于较低水平，有机质不易分解，故体积降低最少。处理1由于进行了物料翻晒，使含水率偏低，不利于堆体的快速腐熟，故较对照组体积降低幅度要小，但发酵温度较高，有机物分解的量较处理2多，故体积降低的幅度比处理2大。因此，当生活垃圾和城市污泥配比为2.5∶1.0时，最佳含水率确定为54%，即在试验前不必进行含水率的调节。考虑到桂林属于亚热带季风气候，雨量较多，生活垃圾和城市污泥的初始含水率受季节和天气的影响较大，因此要注意进行物料翻晒来保证合适的含水率。
2.4 通风量的确定
通风是堆肥成功运行后的重要控制参数之一，它兼具供氧、快速升温、脱水降温和快速腐熟的效果。通风量偏小，导致物料供氧不足，甚至出现厌氧，使得升温效果不明显，容易产生臭气[17]。因此选择合理的通风量关系着堆肥的成败。本试验设计了3组通风量，分别为0.15、0.30、0.45 m3/h（表7）。试验的条件为生活垃圾与城市污泥的配比为2.5∶1.0，锯末的添加量为每35 kg混合物料添加1.6 kg，含水率为54%，C/N比为35，堆肥持续16 d。
由图6可知，在堆肥适应期（堆体温度上升至50 ℃之前），当通风量为0.15 m3/h，堆体3 d时即达到52 ℃；当通风量为0.30 m3/h和0.45 m3/h时，堆体升温比较缓慢，5 d时温度才达到50 ℃以上。表明堆肥初期较小的通风量有利于堆体温度的快速上升，与康军等[17]的研究相一致。在持续高温阶段（温度大于50 ℃）和物料脱水降温阶段，通风量为0.15 m3/h的情况下，由于通风量相对较小，供氧不足，不能满足微生物的需要，抑制了其生化反应的进程，使得55 ℃以上的高温期只维持2 d，达不到高温灭菌的效果，通风量的不足还导致在物料脱水期堆体内部大量的反应热得不到有效的散失，影响堆肥效果；当通风量为0.30 m3/h和0.45 m3/h时，由于堆体供氧充足，微生物的氧利用效率高，50 ℃以上高温期均维持了7 d，且较高的通风量带走大量的反应热，使得在物料脱水阶段温度降低明显，有利于堆体的减量化和保持堆肥肥效。在控制通风量的过程中，通风量越大会导致能耗增加，从而增加堆肥的成本，结合生活垃圾和城市污泥堆肥的结果考虑，将整个通风过程分为2个阶段：温度达到50 ℃前，通风量控制在0.15～0.30 m3/h较为合适，建议取小值，更有利于快速升温；当温度超过50 ℃，通风量控制在0.30～0.45 m3/h较为合理，建议取中值，可在保证持续高温灭菌和脱水降温的同时，减少能耗。
3 结论
高温好氧堆肥因物料差异性大、影响因素多和不易操控等特点，决定了它是一个极其复杂的生化反应过程。本试验选定物料配比、C/N、含水率和通风量4个因子分别进行单因素试验，最后确定的最佳控制参数为生活垃圾与城市污泥的质量比2.5∶1.0，每35 kg混合物料添加1.6 kg的锯末，C/N为35，含水率为54%，通风量为0.15～0.30 m3/h（温度达到50 ℃前）和0.30～0.45 m3/h（温度超过50 ℃后）。
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