北京城市生活垃圾高温堆肥过程中主要营养价值的变化

北京城市生活垃圾高温堆肥过程中主要营养价值的变化

随着城市建设的发展和城市人口的增加，我国城市垃圾的数量不断增加，污染已成为城市发展的严重社会问题。据统计，仅1995年我国600个城市产生垃圾就达11亿t，并且以每年10%的速度增长。目前，世界各国都把城市固体废弃物的减量化、无害化和资源化的“三化”方针作为综合解决城市垃圾的原则，采用堆肥法处理城市垃圾符合这一方向。堆肥化处理既解决了污染的问题，减轻废弃物给环境的压力，又使废弃物资源得到充分利用，有利于农业可持续发展，是目前有机废物处理的最理想的一种处理方式。本研究将利用有机废弃物资源再利用研究中心开发建造的工厂化有机肥生产系统对北京市排放的城市生活垃圾进行堆肥化处理，通过研究堆肥化过程中各营养物质的变化情况及堆肥腐熟程度，来评价北京市生活垃圾堆肥化处理的可行性及存在的问题，并为城市生活垃圾的资源化开发利用提供可靠依据。1材料和方法1.1破碎、拆分、液化供试垃圾样品采自北京市朝阳区垃圾分选厂，经破碎、筛分和磁化处理，取直径为20～80cm部分用于堆肥。其中可堆腐物质含量为56.4%，含水量为55.0%，C/N为23∶1。1.2堆体温度检测在垃圾材料中按1/200喷洒本研究中心研制的有机物快腐菌剂培养液，在有机肥生产系统的发酵槽中进行堆制，发酵槽的规格为6m×1.5m×0.9m。从低部按10L·min-1·m-3流量供气，每3d用专用传送式翻堆机翻堆。每天测定堆体上、中、下部的温度，计算其平均值，并同时测定每天堆肥现场的环境温度。在堆体发酵过程中，每天观察记录堆体的形状、颗粒大小、颜色及气味变化。并且分别在堆制的第0、5、10、15、20、25、30、35和40d采集样品，每次在堆体的上、中、下部多点取样，然后充分混合，一部分直接冰冻保存备用，另一部分样品风干磨碎过60目筛，干燥保存备用。所有分析测定工作均在采样后完成。1.3测量1.3.1ph值的测定取5.00g的堆肥鲜样放于三角瓶中，加入25mL的蒸馏水，振荡30min后静止10min，用上海雷磁仪器厂生产的pHS-25型测定pH值。1.3.2全n含量、国物量和全n速度钾的测定全碳的测定采用磷酸浴外加热-重铬酸钾氧化法：用凯氏定氮法测定全N含量；经NaHCO3浸提，钼锑钪比色法测定有效磷；速效钾采用NH4OAc浸提，火焰光度法测定。以上方法均参照土壤农化分析。1.3.3雪里哌种子发芽率的测定称取5.00g堆肥干样于60℃100mL的温水中浸提3h后用5层纱布过滤，吸取5mL的滤液于铺有两张滤纸的培养皿上，在滤纸上均匀摆放60粒雪里蕻种子（发芽率达91.49%），做3次重复，放在25℃的培养箱里培养36h后求得发芽率。1.3.4滤纸、浸提液的制备滤纸制作：把一张比培养皿稍大的滤纸放入0.5%AgNO3溶液中浸5min后捞出自然风干，从滤纸边缘向中心方向剪一条宽约0.8cm、长为滤纸半径的长条，长条保持与滤纸相连，并把长条弯向一边，使之与滤纸成90度。浸提液制作：称取0.2g的堆肥干样于烧杯中，加入20mL0.1mol·L-1的NaOH溶液浸提3h后用滤纸过滤。取10mL左右滤液于培养皿中，在培养皿上面放上滤纸，长条方向向下，根据需要可把长条长度剪去一部分，但始终保持长条末端浸于滤液之中，滤液通过长条的吸附作用向滤纸四周扩散，扩散的形状与腐熟度有一定的相关性。2结果与分析2.1堆肥进程分析堆体在堆制过程中，除了内部发生一系列生理生化反应外，外观也发生很大的变化，通过外观来分析堆肥进程的方法为表观分析法。试验观察结果为：前期颗粒粗糙，局部粘稠，颜色为污泥色，蚊蝇飞舞，有令人讨厌的臭味；中期颗粒变小，颜色和臭味变淡；后期温度下降，颗粒进一步变小,气味平淡，颜色为深褐色，质地疏松，不再吸引蚊蝇。2.2堆肥化过程中的翻堆作用堆体温度变化是评价堆肥化过程的重要评价指标之一。从图1可以看出，在发酵1d后堆体温度就达到50℃，此后温度一直上升，到第5d达60℃以上，此高温阶段共维持了24d，之后温度下降。在发酵过程中，定期进行翻堆，在每次堆翻之后温度都有所下降，但翻堆后1～2d的温度比翻堆前高。这是由于在固体发酵条件下微生物移动性差，微生物菌群周围的底物逐渐分解减少，产物不断积累，所以使分解活性逐步降低。随着翻堆，堆体内微生物重新定位，改善了微生物群周围的分解底物和通气状况，使得分解活动重新旺盛，导致升温，所以堆肥化过程中翻堆非常重要。在降温阶段，随着可分解底物的不断减少,微生物的活动减慢，即使翻堆温度也不再上升，进入腐熟阶段。堆体的含水量直接影响堆体的氧气含量，进而影响堆肥内微生物的区系及其代谢活动，因此是影响堆肥化进程的重要因素之一。在堆肥化过程中，除微生物本身的需要外，大部分水分通常随热量损失和排放气体损失掉。垃圾原料在堆肥开始时含水量为55.4%，随着发酵的进行，含水量逐渐降低，发酵进行到35d时，含水量降到30%以下，一般认为此含水量对微生物的活性已经产生抑制作用，有机物的降解减慢。到堆肥结束时，含水量为25.0%左右，是可以稳定贮存、运输和使用的含水量范围，见图2。2.3发酵过程中，ph值随发酵时间的变化。发酵20垃圾堆肥的pH变化见图3。堆肥原料的初始pH值为5.43，随着堆肥化的进行，pH逐渐上升，堆制5d之后pH值超过7.00，发酵20d之后，pH一直稳定在8.80左右，直到结束。一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH值太高或太低都会使堆肥化处理遇到困难，一般pH在3～12之间堆肥化过程都可以顺利进行,腐熟的堆肥一般呈弱碱性，在pH8～9左右，但pH值变化受堆肥原料和条件的影响。2.4发酵过程中养分保全的关键堆体的含氮量在整个堆肥化过程中有一定的损失，从开始时的1.12%左右下降到结束时的0.90%左右，从百分率上看，减少了约20%左右的氮，但从绝对量上看，由于发酵前后堆体重量减少，因此实际氮素的损失远远高于这个比例。氮素的损失主要发生在发酵的15d以前，此时也是高温期，微生物旺盛代谢、容易分解的物质旺盛被分解的时期，发酵后期氮素损失较少，因此，在发酵前期减少氮素的损失是养分保全的关键，见图4。从图5可以看出，全碳含量在发酵的前5d下降的幅度最大，从25.45%降到19.52%，近6个百分点，这主要是因为此阶段淀粉、可溶性糖、蛋白质等容易分解利用的物质被微生物分解代谢。在以后的37d里，碳素含量下降的速度缓慢，碳含量只降低了6个多百分点，表明在升温阶段分解的速度较快。结合氮素含量的变化特点，堆肥发酵15d以前是控制养分损失的关键时期，必须控制好这个阶段的水气条件。2.5速钾堆肥的绝对含量堆肥制作是一个复杂的生物化学过程,伴随着钾、磷的固定和释放，速效钾和有效磷含量直接影响最终堆肥品质。如图6所示，在整个堆肥制作过程中，速效钾的含量大幅度增加，从堆制当天的3947mg·kg-1，增加到结束时的5728mg·kg-1。有效磷的含量也表现出相同的趋势，从堆制开始的85mg·kg-1，增加到结束时的305mg·kg-1，见图7。从绝对含量看，含钾量达到一般农家肥的水平，但含磷量较低。有效钾、磷的含量取决于堆肥原料及发酵工艺。2.6内容度检验2.6.1堆肥原料的熟化C/N比是被普遍认可的最基本的堆肥腐熟指标，一般认为堆肥原料的C/N比下降到20以下时堆肥发酵成熟，但是，对于一些堆肥原料本身的C/N就小于16的堆肥过程来说，C/N不是一个好的腐熟指标。在本研究中，C/N比由堆肥开始时的23左右下降到结束时的15左右，C/N可以作为腐熟指标之一，堆制结束后C/N比稳定在15左右，同时温度也降到环境温度，因此可以认为垃圾堆肥已经腐熟，见图8。2.6.2植物种子试验堆肥化的有机物降解过程中产生许多种类的中间产物，未腐熟堆肥中富含低分子量的有机酸、多酚等植物生长抑制物质，这些物质随着堆肥化的进程逐渐地被转化消失。通过植物种子发芽试验，能快速地测定植物生长抑制物质的降解情况。本研究所用的种子为雪里蕻,发芽率为91.49%，试验结果见图9。在堆制的当天，由于有机物的降解才刚开始，产生的抑制物质较少，发芽率达86.67%，在此后10d内抑制物质进一步增多，发芽率降到85%，而在以后的发酵过程中发芽率都保持在87%以上。但从总的趋势来看，发芽率下降的幅度不明显，表明生活垃圾产生的抑制物质较少，因此可以认为生活垃圾在发酵15d后对雪里蕻种子的发芽抑制基本消除。2.6.3堆肥的熟化分析圆形滤纸层析是一种简易方便的快速检测堆肥腐熟程度的方法，腐熟度与堆肥的浸提液在滤纸上的扩散形状有一定的相关性。如果滤纸表面的扩散形状呈波纹或锯齿等不规则状态，表明堆肥腐熟好，相反，如果扩散呈圆滑的弧形，则表明堆肥腐熟不好。从图10来看，堆肥前期图为开始堆制当天的堆肥样，扩散的边缘呈圆形；后期图为30d取的样品，呈不规则的波纹状，表明腐熟得比较好；而中期图是10d取的样，形状则处于两者之间。从结果来看，本试验符合正常堆肥化过程，可见滤纸层析法适用于生活垃圾堆肥腐熟度的判定，而且简单便捷。3堆肥质量的影响(1）在城市生活垃圾的堆肥过程中，外观物理性状发生很大的变化，从前期的蚊蝇飞舞，有令人讨厌的臭味，到后期气味平淡，质地疏松，不再吸引蚊蝇，符合典型腐熟堆肥的外观。C/N比、种子发芽试验和圆形滤纸层析3种方法的试验结果也都说明在城市生活垃圾经40d堆制结束时，基本达到了腐熟堆肥的要求。但不同发酵时期的堆肥样品进行的发芽率实验表明，各个时期对发芽的抑制作用差异不大，说明生活垃圾在发酵过程中产生植物生长抑制物质比较少。(2）北京城市垃圾的含水量在适宜的堆肥化含水量范围内，到堆肥结束时，含水量为25.0%左右，可以稳定贮存、运输和使用。而且在堆肥过程中，50℃以上高温持续了24d，超过了国家规定的标准，因此各种病原菌、寄生虫可被完全杀死。(3）堆体的含氮量在整个堆肥化过程中有一定的损失，从开始到结束减少了约20%左右的氮