（环境工程专业论文）生物垃圾快速好氧堆肥的研究.pdf

生物垃圾快速好氧堆肥的研究 摘要 本文以合肥市黄山路农贸市场的生物垃圾勺研曼对象，进行静态好氧堆肥 实验，系统研究了含水率、颗粒度、压实变及：墨气量对好氧堆肥的影响，选取 温度、纤维素酶活力、木聚糖酶活力及有机物砗解压作戈评价指标，综合评价 堆肥过程，初步探讨了堆肥过程中生物质变化通= j = 对不同堆肥时间的生物垃 圾进行热重( t g ) 分析和微分热重( d t g ) 分扩，探蒙好象堆肥的反| 立机理。实 验结果表明： ( 1 ) 通过单因素逐步优化实验，有机物降婢度三逐澎增大，最后形成稳定 的堆肥工艺：含水率6 5 、颗粒度8 c m 、压实度。2 4 - k g l 、通风量2 5 m 1 h t 。 ( 2 ) 堆肥过程中p h 值刚开始上罐时其= 生e ：有机酸使堆体p h 值降低， 但随着堆肥过程的进行和温度的升高，有机酸；至渐拦发，同时含氮有机物质所 产生的氨也会使物料p h 值回升，最后p h 直稳茬在左右，堆吧过程中的还原 糖一方面是微生物的营养物质，同时有机物被哥解产生还原糖，开始微生物利 用速率大于分解速率，还原糖迅速下降，后期，有机物分解产生大量的还原糖， 还原糖含量处于一个平衡波动期。总的来说，还原糖含量减少。经过一次堆肥， 物料的含水率、总氮、有机物分别降了1 0 6 、：2 、1 8 9 个百分点。重量减少 了4 3 6 个百分点，减量化效果明显。 ( 3 ) 对不同好氧堆肥时间的生物垃圾进行了热重( t g ) 分析和微分热重 ( d t g ) 分析，在t g 曲线中，有两个明显的失重阶段，对应的d t g 曲线有两个峰 值；另外，t g 曲线还有两个微量的失重过程，对应的d t g 曲线有两个小峰值。 从d t g 曲线可以看出，没有堆肥的原料中碳水化合物和芳香类物质损失速率大， 随着堆肥时间的进行，碳水化合物和芳香类杉质重量损失速率逐渐减少：在 2 l o - 6 4 0 之间，随着堆肥时间的延长，重量损失也透渐减少，表明随着堆肥时 间的延长，各类易挥发的碳水化合物和芳香类物质台量逐渐减少，快速堆肥效 果较好，堆肥同益腐熟。 关键词：生物垃圾，好氧堆肥，有机物，热分析 r e s e a r c ho nq u i c ka e r o b i cc o m p o s t i n gb yb i o - w a s t e a b s t r a c t t h i sa r t i c l et o o kb i o w a s t eo fh u a n g s h a nr o a da g r i c u l t u r a lm a r k e ti nh e i f e ia s r e s e a r c hs u b j e c t ，c a r r i e do na e r o b i cs t a t i cv e r t i c a lc o m p o s t i n g t h em a i nf a c t o r s i n f l u e n c i n g a e r o b i cc o m p o s tp r o c e s s ，w h i c hi n c l u d e dt h ek i n d so fm o i s t u r e c o n t e n t ，p a r t i c l es i z e ，d e n s i t ya n da e r a t i o ni na e r o b i cc o m p o s t i n g ，w e r ei n v e s t i g a t e d b yd o i n gas e to fl a b o r a t o r ye x p e r i m e n t s m o r e o v e re s t i m a t e dc o m p r e h e n s i v e l yt h e c o m p o s t i n gp r o c e s st h r o u g ht e m p e r a t u r e ，x y l a n a s e ，c e l l u l o s e a s ea n do r g a n i cm a t t e r s t u d i e dt h e c h a n g e so f b i o m a t t e ri n c o m p o s t i n gp r o c e s sa n da n a l y z e d t h e b i o 。w a s t ea td i f f e r e n tt i m e so fc o m p o s t i n gp r o c e s sa b o u tt h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) a n dt h ef i r s td e r i v a t i v eo ft h et g ( d t g ) t os e a r c hf o rt h em e c h a n i s mo fa e r o b i c c o m p o s t i n g t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o w e d ： ( 1 ) t h eo r g a n i cb i o d e g r a d a t i o ni n c r e a s e ds t e pb ys t e pt h r o u g h o p t i m i z i n g s i n g l e f a c t o ra n df o r m e ds t a b l ec r a f t w o r k ：6 5 m o i s t u r ec o n t e n t ，8 c m p a r t i c l e s i z e ，0 2 4 7k g ld e n s i t ya n d2 5m 3 h ta e r a t i o n ( 2 ) p hv a l u ed e c r e a s e db e c a u s eo fo r g a n i ca c i da tt h eb e g i n n i n ga n di n c r e a s e dw i t ht h e o n g o i n go fc o m p o s t i n gp r o c e s sa n dn h 3 ，i nt h ee n d ，p hv a l u er e a c h e ds t a b i l i z a t i o n o f9 r e d u c t i v es u g a rw a sn u t r i t i o nm a t t e r o fm i c r o o r g a n i s m o nt h eo t h e rh a n d o r g a n i cm a t t e rp r o d u c e dr e d u c t i v es u g a ri nt h ep r o c e s so f d e g r a d a t i o n i nt h e b e g i n n i n g ，t h eu t i l i z a t i o nr a t ew a sf a s t e rt h a nd e g r a d a t i o nr a t e ，t h eq u a n t i t yo f r e d u c t i v e s u g a rd e c r e a s e ds h a r p l y ，i na n a p h a s e ，t h eq u a n t i t yo fr e d u c t i v es u g a r r e a c h e dab a l a n c e i nt o t a l ，t h eq u a n t i t yo fr e d u c t i v es u g a rr e d u c e d m o i s t u r ec o n t e n t ， t o t a ln ，o r g a n i cm a t t e rd e c r e a s e d1 0 6 ，1 2 ，1 8 9 ，w e i g h tr e d u c e d4 3 6p e r c e n t a g e ，t h e e f f e c to fr e d u c t i o nw a so b v i o u s ( 3 ) t h e r m o g r a v i m e t r y ( t g ) a n dt h ef i r s td e r i v a t i v eo ft h et g ( d t g lo ft h e b i o 。w a s t ea td i f f e r e n tt i m e so fc o m p o s t i n gp r o c e s sw e r e a n a l y z e d i nt gc u r v e s t h e r ew e r et w oo b v i o u sw e i g h tl o s s e sa n dt w ol i g h tw e i g h tl o s s e sc o r r e s p o n d i n gt o t w op e a kv a l u ea n dt w ol i t t l ep e a kv a l u ei nd t gc u r v e s f r o mt h ed t g c u r v e sw e c a ns e et h et h e r m a ld e g r a d a t i o nr a t eo ft h ec a r b o h y d r a t e sa n da r o m a t i cs t r u c t u r e s b e f o r ec o m p o s t i n gw a sf a s t e r ，w i t ht h et i m eo fc o m p o s t i n g ，t h er a t eb e c a m es l o w e r a n ds l o w e r ，b e t w e e n2 1 0a n d6 4 0 c ，t h ew e i g h tl o s s e sd e c r e a s e dw i t h t h et i m eo f c o m p o s t i n g t h er e s u l ti n d i c a t e dt h ec o n t e n to fc a r b o h y d r a t e sa n da r o m a t i c s t r u c t u r e sr e d u c e ds t e pb ys t e pw i t ht h et i m eo fc o m p o s t i n g ，t h ee f f e c to fq u i c k c o m p o s t i n gw a sw e l la n dt h em a t e r i a lb e c a m em o r em a t u r e k e yw o r d s ：b i o w a s t e ，a e r o b i cc o m p o s t i n g ，o r g a n i cm a t t e r ，t h e r m a la n a l y s i s 插图清单 图3 - 1 实验路线1 2 图3 。2 实验装置连接图一1 4 图3 - 3 磷酸盐标准曲线一1 7 图3 4 木糖标准曲线1 7 图3 - 5 葡萄糖标准曲线1 8 图3 - 6 不同含水率温度变化1 9 图3 7 不同含水率木聚糖酶活力的变化2 0 图3 - 8 不同含水率纤维素酶活的变化2 1 图3 - 9 不同含水率有机物变化2 2 图3 1 0 不同颗粒度温度的变化2 4 图3 1 1 不同颗粒度木聚糖酶活力2 5 图3 1 2 不同颗粒度纤维素酶活力2 6 图3 1 3 不同颗粒粒径有机物变化2 7 图3 1 4 不同压实度温度变化2 8 图3 1 5 不同压实度木聚糖酶活力2 9 图3 1 6 不同压实度木聚糖酶活力高峰值2 9 图3 1 7 不同压实度纤维素酶活力3 0 图3 - 1 8 不同压实度有机物变化3 0 图3 1 9 不同通气量温度变化3 2 图3 2 0 不同通气量木聚糖酶活力一3 2 图3 2 1 不同通气量纤维素酶活力3 3 图3 2 2 不同通气量有机物变化一3 4 图4 1 堆肥过程中p h 值变化3 7 图4 2 堆肥过程中还原糖变化3 8 图4 - 3 不同堆肥时间的t g 曲线4 0 图4 - 4 不同堆肥时间的d t g 曲线4 0 附图1 好氧发酵罐5 7 表格清单 表3 ，l 生物垃圾理化性质。1 2 表3 二含水率对有机物的影响( ) 2 2 麦3 一：不同颗粒粒径有机物变化( ) 2 6 表3 4 不同压实度有机物变化( ) 一3 1 表3 j 不同通气量有机物变化( ) 3 4 表4 1 堆肥前后生物垃圾性质变化3 8 ：纣表1 不同含水率温度的变化( ) 4 9 ：甘表二不同含水率木聚糖酶活力( 1 u g 干物料) 4 9 ：寸表；不同含水率纤维素酶活的变化( i u g 干物料j 5 0 ：甘表4 含水率对有机物的影响( 1 5 0 = ：寸表j 颗粒度对温度的影响( ) 5 1 = ：寸表6 不同颗粒度木聚糖酶活力( i u g 干物料) 5 1 ： 表一不同颗粒度纤维素酶活力( i u g 干物料) 5 2 对表8 不同颗粒粒径有机物变化( ) 5 2 1 对表9 不同压实度温度变化( ) 5 3 j 付表1 0 不同压实度木聚糖酶活力( i u g 于物料) 5 3 附表1 1 不同压实度纤维素酶活力( i u g 干物料) 5 4 谢表1 2 不同压实度有机物变化( ) 5 4 咐表1 3 不同通气量温度变化( ) 5 5 咐表1 4 不同通气量木聚糖酶活力( i u g 干物料) 5 5 跗表1 5 不同通气量纤维素酶活力( i u g 干物料) 5 6 咐表1 6 不同通气量有机物变化( 1 5 6 v 独创性声明 本人声明所早交的学位论文是本人在导师指导r 进行的研究j ：作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金胆：些厶堂或其他教育机构的学位域 证书而使用过的材料a 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 学位论文作者魏 ( q 茧尊签字眺刎年6 月尸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解佥蟹王些去堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒鼹王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书1 学位论文作者签名 翊奠备 签字刚叭删年易月罗日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 靳繇磬九 签字日期2 c 瓣月7 日 电话 邮编 致谢 本人在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得 到了导师汪家权教授、蔡敬民教授、吴克教授的悉心指导，无论从课程学习、 论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了他们的心血，由衷感谢三位 老师在学业指导及各方面所给予我的关心。 同时，真诚感谢合肥学院的俞志敏副教授，金杰副教授以及资环学院的全 体老师和所有的同学，在我课程学习和论文撰写期间，给予我的大力支持。 最后，我要感谢我的父母和姐姐，在整个学习阶段，他们给予我很大的精 神上和物质上的支持和鼓励，有了你们，我的人生之路必将走得更加稳健! 作者：刘盛薄 2 0 0 6 年5 月 引言 城市生活垃圾是人们生活过程中产生的固体废弃物。在收集、运输和处理 处置过程中，其中含有的和产生的有害成分，会对大气、土壤、水体造成污染， 不仅严重影响城市环境卫生质量，而且威胁人民身体健康，成为社会公害之一。 改革丌放二十年来，我国经济进入快速增长期，人民物质文化生活水平不 断的提高，城市规模和数量急剧膨胀，使我国城市生活垃圾污染问题同益突出， 其管理和控制已成为环境保护领域的突出问题之一。出于生产技术，公共环境 意识和管理水平等原因，目前在消费领域中环境问题日盏严重，城市生活垃圾 迫切需要无害化、减量化、资源化的处理。目前我国城市垃圾的产生量呈逐年 增加的趋势。2 0 0 0 年我国6 6 3 座城市产生的垃圾总量为1 1 8 0 0 万吨，比1 9 7 9 年的2 5 0 8 万吨增加了3 7 倍，而且每年以8 一1 0 的速度增加“1 ，但是我国的 生活垃急务害化处理率只有2 0 ，约有三分之二的城市陷入垃圾的包围之中， 人均日产量超过一千克，接近工业发达国家的水平，在这个意义上说，我国城 市生活垃圾已经处于超前污染的状态。 目前推广的垃圾处理方法主要有三种：卫生填埋、堆肥、焚烧。从我国国 情看，填埋处理费用省，操作简便，易被决策者接受与采纳，是目前国内首选的 垃圾处理方式”1 。但目前许多填埋场操作不规范，填埋技术水平低，使得填埋 场渗漏污水及大气、土壤污染相当严莛，对环境造成的潜在影响目益暴露，再 加上填埋场地的选择越来越困难，填埋法作为垃圾主要最终处理技术地位已大 大减弱；焚烧是发达国家普遍采用的一种垃圾处理方法，是一种建立在政府向 居民高额收费、政府大量补贴、垃圾源头严格分类、垃圾热值较高的情况下的 一种较为理想的处理方式。从整体上看，我国采用焚烧技术尚处于起步阶段。 焚烧技术的设备工艺和技术复杂严格，一次性投资巨大，而且如果解决不好排 烟净化问题，很容易使得垃圾这种固体污染转化为气体污染。由于堆肥法可以 使有机废弃物稳定化，并能在高温发酵时杀灭致病菌，其最终产物还能作为肥 料或土壤调节剂，使有机物循环再利用，可兼收经济、环境和社会效益，并且， 随着在我国逐渐实行垃圾的源头分类，垃圾堆肥也会得到进一步的推广，因此， 堆肥法是符合可持续发展的垃圾处理方法，具有强大的生命力。 本文以合肥市黄山路农贸市场的生物垃圾为研究对象，结合安徽省自然科 学基会资助项目( 2 0 0 5 k j l 9 2 ) 、安徽省科技厅资助项目( 5 0 4 5 0 3 0 4 ) 主要研究 生物垃圾好氧堆肥，旨在探索生物垃圾好氧堆肥反应机理，掌握快速发酵规律， 并形成稳定的一次堆肥工艺。为今后生物垃圾的堆肥处理提供服务。 第一章概述 1 1 堆肥及其分类 堆肥化是就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，以及 由人工培养的工程菌等，在一定的人工条件下，有控制的促进可被生物降解的 有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质是种生物代谢过程“。 废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥成品。它是一类呈棕色的形同 泥炭而腐殖质含量很多的疏松物质，故也称为“腐殖土”。废物经过堆制，体积 一般只有原体积的5 0 一7 0 。 根据堆肥化过程中氧气的供应情况，可将堆肥化过程分成好氧堆肥和厌氧 堆肥两种。前一种堆肥方式是在通气体条件好，氧气充足的条件下借助好氧微 生物的活动以降解有机物，通常，好氧堆肥的堆温较高，一般宜在5 5 6 0 时 较好，所以好氧堆肥也称为高温堆肥；而后一种堆肥则是在通气条件差、氧气 不足的情况下借助专性和兼性厌氧微生物的作用是发酵过程得以进行。由于高 温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌，同时，对有机质的降解速度快，堆肥所需天 数短，臭气发生量少，目前，大多都采用高温好氧堆肥。 1 2 堆肥原理及堆肥微生物 1 2 1 好氧堆肥原理 好氧堆肥是依靠专性和兼性好氧细菌的作用降解有机物的生化过程，将要 堆腐的有机物料与填充料按一定的比例混合，在合适的水分、通气条件下，使微 生物繁殖并降解有机质，从而产生高温，杀死其中的病原菌及杂革种子，使有机 物达到稳定化。在好氧堆肥过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物质透过 微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收和利用。其中的不溶性大分子有机 物则先附着在微生物的体外，由微生物所分泌的胞外酶分解成可溶性小分子物 质，再输入其细胞内为微生物所利用。通过微生物的生命活动( 合成及分解过 程) ，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并提供活动中所需要的能 量，而把另一部分有机物转化成新的细胞物质，供微生物增殖所需”1 。1 。 好氧堆肥过程可大致分成如下的三个阶段： ( 1 ) 升温阶段 堆制初期，堆层呈中温( 1 5 4 5 ) ，嗜温性微生物较为活跃并利用堆肥中 可溶性有机物进行旺盛的生命活动。是微生物旺盛繁殖并释放出热能来不断提 高堆肥温度的发热阶段。在这一阶段中，堆肥物质的变化情况是在好氧条件下， 那些容易被微生物分解的有机物质，如蛋白质，淀粉类物质，简单的糖类等迅速 分解，产生大量热量。在这一阶段中分解这些有机物的微生物以中温好气性种类 为主，常见的有细菌和丝状真菌。这些嗜温性微生物包括真菌、细菌和放线菌， 主要以糖类和淀粉为基质。真菌菌丝体能够延伸到堆肥原料的所有部分，并出 现中温真菌的实体。同时螨、千足虫等将摄取有机废物。腐烂植物的纤维素将 维持线虫和线蚁的生长，而更高一级的消费者中弹尾目昆虫以真菌为食，缨甲 科昆虫以真菌孢子为食、线虫摄食细菌，原生动物以细菌为食。 ( 2 ) 高温阶段 堆层温度上升到4 5 以上，便进入高温阶段。从废物堆积发酵开始，不到 一周的时间，堆温一般可达到6 5 - 7 0 ，或者更高。此时，嗜温性微生物受到 抑制，甚至死亡，而嗜热性微生物逐渐代替嗜温性微生物的活动。除前一阶段 残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤维素、蛋白质 等复杂有机物也开始强烈分解。在5 0 左右活动的主要是嗜热性真菌和放线 菌；6 0 c 时，仅有嗜热性放线菌和细菌活动，7 0 。c 以上，微生物大量死亡或进 入休眠状态。 在高温阶段，嗜热性微生物按其活性，又可分为三个时期：对数增长期、 减速增长期和内源呼吸期。微生物经历三个时期变化，堆层便开始发生与有机 物分解相对立的腐殖质形成过程，堆肥物料逐渐进入稳定状态。 ( 3 ) 降温阶段 在堆肥化的后期，堆肥原料中的残余部分为较难降解的有机物质和新形成 的腐殖质。此时，微生物活性下降，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物再 占优势，使残留难降解的有机物进一步分解，腐殖质不断增多且趋于“稳定”， 堆肥便进入腐熟阶段”1 ，需氧量则减少，含水率也有所降低，堆肥化过程宣 告完成。 1 2 2 堆肥微生物 堆肥化过程实质是微生物作用于有机废物的生化降解过程，具体表明微生 物是堆肥过程的主体。堆肥微生物的来源有两方面：一方面是来自堆肥原料中 固有的大量微生物种群；另一方面是人工加入的特殊菌种。后者具有活性强、 繁殖快、分解有机物迅速等特点。 堆肥化过程中发挥作用的微生物主要是细菌和放线菌，还有真菌和原生动 物等。随着微生物代谢的进行和有机物的逐步减少，堆肥原料中的微生物种群 和数量随之发生变化【9 1 。 细菌是堆肥化原料中形体最小、数量最多的微生物，它们分解了大部分的 有机物产生热量。细菌是单细胞生物，形状有杆状、球状和螺旋状，有些还能 运动。在堆肥除其温度 o 最大水解速率，a v 为底物每单位 容积的有效表面积( 酶的有效结合部位) ，x 为微生物浓度，k x 为微生物浓度的半 速率系数该方程有助于解释好氧堆肥不同阶段的反应速率为何存在显著差异。 u 。ip e k “等研究了堆肥过程中维生素消耗及它们的降解动力学情况。 研究表明，在堆肥终产品中，维生素a 和维生素e 的浓度降低，维生素c 的浓度升 高，并且维生素a 和维生素e 的浓度变化符合一级动力学方程，公式如下： jn c a c a o = 一0 0 4 6 6 t ，ln c e c e o = 0 0 6 8 t 其中c a ，c e 代表维生素a 和e 的浓度，c a o ，c e o 分别代表维生素a 和e 的初始 浓度，维生素a 和e 的降解的速率分别是0 0 4 6 6 、0 0 6 8 ，通过此公式，我们可以 了解到堆肥过程中维生素a 和e 的变化情况。 席北斗“”等研究堆肥工艺条件及其反应动力学。通过控制堆肥工艺条件 如初始温度、含水率、c n 比及堆料颗粒大小，研究生活垃圾堆肥过程中生物化 学及物理因素的变化。结果表明，生活垃圾堆肥反应符合一级反应动力学；合理 控制堆肥初始反应条件，能明显提高堆肥效率。 ( 3 ) 堆肥工艺的研究 张智“”3 等采用自行设计的卧螺旋式污泥好氧堆肥装置，利用间歇式动态 工艺对厌氧消化污泥进行了中温堆肥的试验研究，重点考察了通气量对堆肥效 果的影响。结果表明，装置的最佳通气量为6 7 8 3 m 。( h t ) ，通气量过大或不足 都将减缓堆体的升温速率，降低堆体温度，不利于有机物的去除。并研究了含水 率对该螺旋式动态堆肥装置的影响，重点探讨了含水率与堆体温度、有机物去除 和p h 、t n 、有机c 变化的关系，确定了该装置的最佳含水率为5 0 一5 5 ，并且认为 在同等通气条件和物料配比下，在一定范围内，含水率越高，堆体温度越低，对有 机物的降解也越不利。 孙先锋“等采用在塑料大棚内堆制方法，研究了不同工艺条件和不同调理 剂对猪粪高温堆肥的影响。 w a n o g u e i r a 。”“等人利用强制通气静态垛的方式，研究了温度和p h 值对 咖啡废物和其他农业固体废物联合堆肥过程的影响。试验主要是依靠垛温作为 控制参数，通过调节通气速率来保持垛体的高温( 4 j 一6 0 ) ，其堆肥最终产 物证明是良好的有机肥。 j w c w o n g “”等进行了大豆残茬和树叶进行联合堆肥的试验。该研 究通过监测堆肥过程中的多种指标，包括温度、p h 值、电导率、挥发性固体含 量、营养成分、稳定度、e 4 e 6 等参数，得出了两者联合堆肥的最适碳氮比。 ( 4 ) 堆肥腐熟度的研究 在堆肥化过程中，病原菌得到有效杀灭，有机物得到充分降解由不稳定物 质转化为稳定物质，腐熟的堆肥产品可旅用于农作物，作为土壤优良的改良剂。 未腐熟的堆肥产品由于有机物没有得到足够的稳定化，在运输储存过程中会进 一步发酵温度上升，并引起臭气排放，腐熟度是堆肥过程中一个重要概念，它 在堆肥工艺的研究、工程设计、堆肥产品评价等方面非常重要。其基本含义是： 通过微生物的作用，堆肥产品要达到稳定化、无害化、对环境不产生不良影响； 另外，堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤耕作能力。显然它与稳定化概 念是有区别的，农用堆肥产品应该对达到完全腐熟“。因此，多年来用什么作 为腐熟度标准一直是人们研究的重点。 s n e hg o y a l ”等认为，任何个单一的参数不能作为腐熟度的评价指标， 可以采用c ：n 比和c o ：作为腐熟度的评价指标。 张桥”等采用翻堆方式将稻草与未消化城市污泥进行堆肥，测定常见几种 化学和生物参数的变化，探讨其作为腐熟度指标的可行性。结果表明， ( c n ) 终点( c n ) 起始比值和铵态氮可作为堆肥腐熟度的指标，当( c n ) 终点( c n ) 起 始小于0 ，6 和铵态氮浓度低于4 0 0 m g k g 。时，堆肥基本腐熟。水溶性有机碳与 水溶性铵态氦之比值也可作为堆肥腐熟度的新的复合指标，当比值大于9 时， 堆肥基本腐熟。 综上所述，国内外对于好氧堆肥中微生物特性、堆肥中各个影响因素及后 期腐熟度，从机理到工艺都作了不同程度的研究。但对于好氧堆肥中仍然存在 很多有待进一步探索的问题，例如好氧堆肥过程中微生物代谢产物的变化，好 氧堆肥中n 、p 的迁移变化、城市生活垃圾堆肥腐熟度研究、好氧堆肥中微生物 菌种鉴定、好氧堆肥中反应机理及快速发酵工艺研究等等。而这些问题也是当 前好氧堆肥研究的重要课题，也是促进好氧堆肥开发应用研究必须解决的首要 问题。 2 2 我国垃圾堆肥前景展望 堆肥技术是有机固体废弃物和资源化利用的一种有效手段。实践证明有机 质能从根本上改变土壤的物理性能和结构，有效地为农作物生长提供必需的 n ，p ，k 等常量元素及微量元素，从而能够调节植物的生长。1 。 9 但目前我国堆肥处理城市生活垃圾也存在堆肥成品质不高、堆肥中含有玻 璃、砂石等杂物的现象。这严重影响了堆肥成品的使用效果。首先，应在改进 工艺的同时，大力加强垃圾的分选措施，尽可能最大限度地清除垃圾产品中的 杂质，将堆肥工艺与其他方法紧密结合，进行堆肥的综合利用。其次，发展多 种堆肥原料混合发酵也是堆肥处理的一个方向。城市生活垃圾c n 较高，有机质 含n 低，如果和粪便、下水道污泥等混合发醉，就能调节c n ，有利于发酵进行， 并能提高有机物含n ，增加肥效。另外，应改善好氧堆肥的工作环境，使之臭味 不向外扩散。最后，加强专项微生物菌种的研究工作，如建立分子生物学手段 来进行菌种鉴定，提高分解有机物的效率，缩短堆肥时间。 总之，城市垃圾堆肥化作为有机资源再利用是有广阔前景的，随着产业结 构、生活方式的变化以及城市化的进程、收集方式的改变等，垃圾中有机质的 含量也逐步增高，更有利于堆肥化发酵，无论现在和将来，城市生活垃圾堆肥 化仍然是我国城市生活垃圾处理的一种重要方法。 2 3 本课题研究内容 2 3 1 课题来源 本课题来源于城市垃圾综合处理工艺研究( 安徽省科技厅国际合作项目，项目 编号5 0 8 8 0 1 5 ) 、城市源头分类生物垃圾的性质及其生物处理( 堆肥和沼气生产) 的研究( 安徽省自然科学基金，项目编号2 0 0 5 k j l 9 2 ) 、源头分离生物垃圾混合 发酵的理论研究( 安徽省科技厅，项目编号5 0 4 5 0 3 0 4 ) 。 2 3 2 课题研究意义 当前，随着我国城市规模和数量急剧膨胀，城市生活垃圾污染问题日益突 出，城市生活垃圾迫切需要无害化、减量化、资源化的处理。 所以必须找到 经济合理的、符合我国现有国情的垃圾处理处置方法，以解决城市生活垃圾问 题， 垃圾堆肥化技术是对垃圾进行无害化、稳定化、资源化处理处置的一种技 术，堆肥技术在我国有着悠久的历史，堆肥产品可用在林业、园林绿化、农业 等方面。现今国内对垃圾的堆肥研究较多，并且有的已经用于实践，但由于技 术还不完全成熟，因此在运行中都存在一些问题，使得堆肥化工厂非正常运行： 其二，对农贸市场的纯生物垃圾国内研究基本还处于一个空白状态，为此本课 题希望通过对合肥市黄山路农贸市场的生物垃圾进行堆肥化实验研究对合肥市 的垃圾处理处置上有所裨益：同时，堆肥化处理相对于垃圾填埋、垃圾焚烧等 处理处置方式技术投资和运行费用低，又符合资源再生和可持续发展，无论从 环境效益还是经济效益都值得研究和深入探讨。 2 3 3 课题研究内容和研究目的 ( 1 ) 本课题的研究对象是合肥市农贸市场的生物垃圾，合肥市农贸市场每天产 生大量的垃圾，主要是蔬菜垃圾，包括根、茎、叶等，有机物含量高，这部分 垃圾大部分直接送到垃圾填埋场填埋，占用了宝贵的土地资源，有必要对其进 行处理。取材地点是合肥市黄山路农贸市场，首先进行垃圾的源头分类，收集 分拣出的生物垃圾，并测定生物垃圾的理化性质，包括含水率、总氮、总磷、 有机物、脂肪等，为实验提供充足的原料来源。 ( 2 ) 对收集的生物垃圾进行好氧一次堆肥实验，系统研究好氧堆肥过程中含水 率、颗粒度、压实度及通气量对堆肥的影响。利用温度、酶活力、有机物降解 度来综合评价堆肥过程，目的是明确生物废弃物好氧发酵机理，掌握快速发酵 规律，并形成稳定的一次堆肥工艺。 ( 3 ) 研究好氧一次堆肥中生物质的变化，包括还原糖、p h 值，一次堆肥前后 垃圾重量、总氮、含水率等变化，并对不同堆肥时间的生物垃圾进行热重( t g ) 分析和微分热重( d t g ) 分析，目的是掌握好氧堆肥中生物质的变化，探索好氧 堆肥的反应机理。 第三章静态好氧堆肥影响因素的研究 3 1 实验路线及流程图 ( 1 ) 从合肥市黄山路农贸市场收集垃圾。 ( 2 ) 进行垃圾分选，分拣出非堆肥物与生物垃圾。 ( 3 ) 对分拣出来的生物垃圾装罐，进行好氧一次堆肥实验，并测定每次上罐前 生物垃圾的理化性质。 ( 4 ) 每天从好氧罐取样，加水浸提约4 d , 时，离心取上清夜，测定每天纤维素 酶和木聚糖酶活力的变化，同时监测每天的含水率、有机物和温度。具体 实验流程见图3 一l 图3 - 1 实验路线 f i g u r e 3 1 t e s tr o u t e 3 2 实验材料 堆肥原料取自合肥市黄山农贸市场的生物垃圾，主要有小白菜叶、卷心菜 叶、莴笋叶以及马铃薯茎叶、扁豆茎叶等，其理化性质见表3 一l 表3 - 1 生物垃圾理化性质 t a b l e3 - 1c h a r a c t e ro fb i o w a s t e 3 3 实验仪器 恒温振荡水浴锅 p h s - 3 精密酸度计 t d l 式离心机 s x 2 - 系列箱式电阻炉 电热恒温鼓风干燥机 分析天平 k d n 一0 4 a 定氮仪 可调式移液枪 粉碎机 v o 17 7 空气压缩机 转子流量计 油水分离器 江苏会坛市会城国胜实验仪器厂 上海大谱仪器有限公司 上海安亭科学仪器设备厂 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 上海博迅实业有限公司医疗设备厂 上海生化仪器厂 上海华睿仪器有限公司 上海仪器有限公司 浙江台州余国电器有限公司 泉州恒德集团日田压缩机械有限公司 上海仪器仪表厂 上海仪器仪表厂 3 4 堆肥过程中监测指标 ( 1 ) 温度：好氧堆肥化即微生物在有氧条件下降解有机物的过程是一个放 热的过程。堆肥化目标之一是利用微生物的作用降解有机物使转化为腐殖质， 目标之二是利用降解过程中产生的热量蓄积达到一定的温度对堆料中所含有的 致病细菌及虫卵达到一定的杀灭作用，从而使堆肥无害化。因此温度是好氧堆 肥过程重要的参数，也是最直观最具说服力的表征参数。温度的高低直接影响 微生物种群和微生物分解有机物的速率。一般初始阶段堆体温度与环境温度相 一致，中温菌( 嗜温菌) 担负着大部分代谢活动，微生物活性的增加提高了堆体 温度，经过卜2 天的作用，堆肥温度升到5 0 0 c 一6 0 0 c ，这时起作用的微生物以嗜 热菌为主，此时为有机物降解速率最快、微生物活性最高的适宜温度，同时对 病原菌和虫卵有很好的杀灭效果”“”1 。堆体温度在5 5 条件下保持3 天以上( 或 5 0 以上保持5 7 天) ，是杀死堆料中所含的致病微生物，保证堆肥的卫生学指 标合格和堆肥腐熟的重要条件0 8 圳。通过堆肥过程中温度的变化可以反映堆体 内微生物活性的变化，可咀比较直观明了地反映出堆肥的进展程度，是评价堆肥 效果好坏的重要指标之一”。”，。 ( 2 ) 有机物含量：在好氧堆肥过程发生的生化反应中，有机物是微生物赖 以生存和繁殖的重要因素，在堆肥过程中，在一定的温度和p h 值下，通风供氧， 利用好氧嗜温菌与嗜热菌对其中有机物进行生物化学分解，使之变成稳定的腐 殖质，可溶性的有机物可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收，对于 不溶胶体和固体有机物，先附着在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解 为可溶性物质，再渗入细胞。有机物一部分用于微生物细胞的合成，大量的有机 质通过微生物的分解代谢转化为c o ：和水“。故有机物降解度从一定程度上 反映了堆肥中微生物作用的大小，反映了微生物分解有机物的效果以及堆肥腐 殖化程度，也是评价堆肥效果好坏的重要指标之一。 ( 3 ) 纤维素酶和木聚糖酶：酶是由细胞产生的具有催化能力的蛋白质，新 陈代谢是生命活动的最重要特征。一切生命活动都是由代谢的正常运转来维持 的，而生物体代谢中的各种化学反应都是在酶的作用下进行的。酶是促进一切 代谢反应的物质，没有酶，生命就会停止，酶具有高效性，专一性，在堆肥化 过程中起着十分重要的作用”“。有机废物的堆肥化过程，可近似地看作酶催化 反应过程。由于所用堆肥原料中主要是植物废弃物，其纤维素和半纤维素含量 较高，而木聚糖是植物半纤维素的重要组分，约占植物总糖的三分之一。在木 聚糖的完全降解中，木聚糖酶是最关键的水解酶”，纤维素的降解主要是在纤 维素酶的催化下完成的，监测堆肥过程中这两种酶活力的变化，可以间接反映 堆肥过程中微生物的生长活性。 ( 4 ) 含水率：堆肥中有机物的分解，微生物的生长繁殖，水是不可缺少的 条件，堆肥过程中含水率一方面由于有机物的氧化分解产生水分而增加，另一 方面由于通风作用以水蒸气的形式挥发而降低“，含水率是这两个因素叠加的 结果。 3 5 实验主要药品 酒石酸钾钠、氢氧化钠、3 ，5 - 二硝基水杨酸、无水亚硫酸钠、苯酚、冰醋 酸、醋酸钠、自制木聚糖、c m c 。 3 6 实验设备与方法 1 试验设备：本实验采用连续静态通风堆肥系统，装置连接见图3 - 2 和附 图l 。发酵罐有效体积为6 0 l ，每批试验可装入垃圾1 6 k g 左右 菩车俐鼬 主下一 l 转子流量计一j 图3 - 2 实验装置连接图 2 实验方法 ( 1 ) 酶液的制取：由于堆肥系非均相体系，其各个部位存在一定程度的差异， 所以对堆肥的取样应尽量保证样品的代表性，能反映堆肥体系真实的性质。在 1 4 实验中，对堆体采样时采取多个样点的样进行等量均匀混合，组成一个混合样 品进行测定。这样测定值更具代表性，因为混合样品的测定值，实际上相当于 各个样点分别测定的平均值。具体取样方法为：堆体表面下1 0 c m 对称分布四个 样点及中点处共等量取五个样，然后混合均匀制作5 0 9 固体样品，破碎至粒径约 为1c m 左右，加2 0 0 m l 蒸馏水在2 0 恒温水浴振荡箱中浸提约4 小时，离心取上清 液，即为所需酶液。 ( 2 ) 含水率的测定“” 1 0 5 烘箱法。将处理好的样品放入预先干燥至恒重的托盘中，置于1 0 5 干燥烘箱中，烘至恒重，然后冷却、称量，计算含水率。 x = ( m 、一m ：) ( 邢，m 。) 1 0 0 式中 x ：样品含水率； m ，：托盘和样品的质量，g ； m 。：托盘和样品干燥后的质量，g ； m 。：托盘的质量，g 。 ( 3 ) 有机物的测定“7 3 坩埚称恒重：将坩埚放入高温电炉，坩埚盖斜放，在5 5 0 。c 下灼烧3 0 m i n 。 取出，稍冷约1 m i n ，移入干燥器中( 内盛变色硅胶) 平衡1 小时，取出称量。 再放入高温电炉在5 5 0 。c 灼烧3 0 m i n 。取出，同上条件冷却，称量，直至两次质 量之差小于0 5 m g ，即为恒重m 。 取样品少许( 大概m = 3 9 ) 放入坩埚中，称量m 。将坩埚放入高温电炉，坩 埚盖斜放，从1 5 0 逐渐升温至5 5 0 。c 灼烧2 h 。取出稍冷l m i n ，移入干燥器平 衡2 小时，取出称量i n 。 有机物的含量( ) ： w = ( m 广m 。) ( m 。一m 。) 1 0 0 式中 w ：样品有机物的含量； m ，：坩埚和样品的质量，g ； m 。：坩埚和灰分的质量，g ： m 0 ：坩埚的质量，g 。 ( 4 ) 总氮的测定” 微量凯氏定氮法。消化：准确称取0 2 - 0 5 9 烘干至恒重样品放入2 5 0 m l 凯氏烧瓶中，加入2 0 m l 浓硫酸及少许硫酸铜、硫酸钾，稍摇匀后在瓶口放- - 4 , 漏斗。小心加热，保持瓶内微沸至瓶内液体呈蓝绿色澄清透明。取下烧瓶，冷 却，定容。 蒸馏：吸取稀释的消化液注入蒸馏装置的反应瓶中，然后再加入2 0 m l 左右 3 0 氢氧化钠溶液，并用适量蒸馏水洗涤，打开蒸汽。吸收瓶中放入l o m l 2 0 硼酸溶液，加几滴甲基红一溴钾酚绿混合指示剂，用稀酸和稀碱调节p h 值，颜 色呈葡萄紫色，景于冷凝管下端，端口在液面以下，开始变绿色继续反应3 分 钟，移动吸收瓶使冷凝管下端离丌液面，再蒸馏l m i n ，用蒸馏水洗涤。 滴定：馏出液立即用0 0 1 m 盐酸标准溶液滴定至葡萄紫色。 x = ( v 一v 。，) c 0 0 1 4 m 式中 x ：样品中总氮的质量分数； v ：样品消耗盐酸标准溶液的体积，m l ； v 。空白试剂消耗盐酸标准溶液的体积，m