文章推荐| 餐厨垃圾固渣DANO动态堆肥处理效果研究
屈阳1* 朱卫兵1 常燕青1 吴元1 彭明国2 顾晓涛1 孙荣1
( 1．维尔利环保科技集团股份有限公司，江苏 常州 213125;
2．常州大学 环境与安全工程学院，江苏 常州 213164）
研究背景
随着经济社会发展，我国餐厨垃圾产生量逐年递增，年均产生量约为9×107t。随着北京、上海和杭州等地垃圾分类工作的深入开展，餐厨垃圾产生量会持续增加。若餐厨垃圾处理不当，会导致严重环境问题。由于餐厨垃圾高油、高养分的特点，具有很强的资源化属性。目前国内常见餐厨垃圾资源化技术包括好氧堆肥和厌氧消化等。好氧堆肥是指利用微生物的作用对餐厨垃圾中的有机质进行降解和转化的过程，不仅能将废物减量40%～50%，还能实现餐厨垃圾的无害化和资源化利用。目前研究人员主要对原始餐厨垃圾经过简单预处理后，添加园林绿化基质等不同调理剂的堆肥效果进行对比分析，并针对环境温度、供风速度和外加菌剂等堆肥工艺控制条件进行了对比。如薛晶晶等研究认为厨余垃圾与园林废物质量配比为2∶1时，更利于二者协同发酵处理，初步揭示共堆肥过程中氮素转化和损失规律。宋彩红等研究认为接种耐热复合菌可显著提高全程高温堆肥效率、提升堆肥品质。詹亚斌等得出通风模式对餐厨垃圾与锯末和回料混合生物干化能效及氮素损失影响的相关结论。杨延梅等研究认为餐厨堆肥一次堆制所需时间偏长，可在堆肥初期添加碱性物质调节堆体的pH，并在堆肥过程中添加适当的高效菌剂，以缩短堆肥时间。当前国内餐厨垃圾厌氧消化主流预处理工艺环节，都会出现挤压、分选或提油离心固渣，该部分物料的肥料资源化利用需求比较迫切，但是相关研究较少。另有研究表明，中试试验更能接近于实际堆肥情况。
从堆肥工艺流程来说，现代化堆肥生产通常由前(预)处理、主发酵(一次发酵)、后发酵(二次发酵)、后处理、脱臭及贮存等工序组成。而DANO工艺技术结构简单，物料在滚筒内反复升高、跌落，可使物料的温度、水分均匀化，达到曝气的目的，并完成物料预发酵的功能。综合以上情况，本研究将尝试将中试规模的DANO作为一次发酵，静态发酵为二次发酵，针对实际工程产生的餐厨垃圾开展相关固渣堆肥研究工作，以期为实际工程应用提供基础数据支撑。
摘 要
分别采用中试规模的达诺滚筒(DANO)动态堆肥和静态发酵作为一、二次发酵工艺主体设备，为实际工程产生的餐厨固渣探究较适宜的参数控制条件。根据不同调理剂(木屑、稻草)、C/N和含水率参数。设置M1、M2、D1、D2和D3共计5个堆肥批次，通过理化指标、氨气挥发量、氧气含量、纤维素酶和蛋白酶含量等指标检测和最终肥料品质指标分析，揭示不同条件下餐厨固渣DANO动态堆肥处理效果。结果表明：1)环境温度在18.5～25.8℃，DANO一次发酵升温受环境影响较弱。木屑相较稻草总体上呈现升温速度慢、峰值温度高、堆肥持续时间长的特点。2)控制含水率为50.83%～60.30%，稻草堆体高温期温度都超过55℃，维持时间超过7d。3)稻草堆体初始C/N控制在23～27内较为合理。综上，控制相关条件，堆肥周期可以控制在28～33d。最终产品的C/N、含水率、总养分和pH等相关重要指标均符合NY/T 525—2021《有机肥料》标准的要求。
01
试验部分
1.试验材料和菌种
餐厨垃圾原料取自常州维尔利餐厨废弃物处理有限公司经过自动分选破碎并进行了固液分离的固渣，总体呈颗粒状，粒径≤10mm;以锯末和稻草作为调理剂，购自某生物质加工中心。锯末和稻草破碎粒径控制在2～8mm。堆肥原料基本性质见表1。
生物发酵菌剂购于河南越宝生物科技有限公司，其有效菌种包括短小芽孢杆菌、施氏假单胞菌、红球菌等，活菌数≥1×109CFU/g。
2. 试验装置与工艺流程
本试验设备由DANO一次发酵装置、4条输送螺旋、二次发酵房、引风和曝气风机、氨气测试和除臭装置、原料初步拌合区和控制柜等单元组成。试验区域布置如图1所示，占地面积356m2。
核心设备DANO一次发酵装置长×宽×高=9.9m×3.0m×4.8m，其中，滚筒部分长8.1m，直径1.8m，有效容积为20.6m3，滚筒内部间隔设置混匀隔板，外部设置保温层。滚筒驱动功率5.5kW，转速控制范围为0.4～0.8r/min。进出料端分别设置进风和引风管路。二次发酵房长×宽×高为10.6m×5.8m×3.8m。鼓风机和引风机为XGB-2200型高压漩涡风机，最大流量315m3/h。利用松树皮作为微生物载体，对氨气测试区后的尾气进行生物除臭。
餐厨固渣、调理剂和生物发酵菌剂按照一定比例在初步拌合区进行人工粗拌。小型装载机把拌合后的物料通过进料螺旋、上料螺旋和正反向螺旋的正向输送一次性进入DANO。引风机间歇运行供氧。同时滚筒间歇运行。一次发酵完成后，进料螺旋作为DANO出料螺旋使用，再经过上料螺旋和正反向螺旋的反向输送一次性进入二次发酵房。二次发酵房内物料摊铺均匀后开启鼓风机间歇曝气，并通过收集罩和密封围挡及时把产生的气体全量收集测试。正负压管路均设置在线风速仪。试验过程中所有用电设备和传感仪表均采用控制柜触摸屏进行控制和操作。
3. 试验设计
分别将木屑和稻草作为餐厨固渣堆肥的调理剂，进行混合堆肥。各堆肥初始的原始餐厨固渣量相同(5t)，所加入调理剂的量以最终调节堆体含水率为45%～60%、C/N为(21～38)∶1为准。具体试验设计见表2。
DANO运行10min，停止3h，转速为0.5r/min。设计分别取常规一次发酵平均通风量与标准中DANO通常通风量的均值0.15m3/(min·m3)作为引风和鼓风量。风机运行运行时间为开启5min，停止15min。一次发酵达到最高温度2d后通过螺旋输送进入二次发酵房进行二次静态堆肥。
根据厂家小试验证和说明书要求，生物发酵菌剂加入量为每吨餐厨固渣加入20g。
4.分析方法
温度采用T105型超长探针电子温度计测量;氧气含量采用AＲ8100氧气测试仪测量;pH、有机碳、总氮、总磷和总钾的测定参照NY 525—2021《有机肥料》;含水率测定参照GB/T 8576;总砷、总汞、总铅、总镉和总铬参照NY/T 1978执行，以烘干基计算;粪大肠菌群数参照GB/T 19524.1;蛔虫卵死亡率参照GB/T 19524.2;有机质测定采用灼烧减量法(HJ 761—2015);氨气测定采用硼酸吸收法;纤维素酶和蛋白酶活性测定参照关松荫的方法。
02
试验结果与讨论
1.堆体物理化学指标分析
1）温度。
好氧堆肥从开始到腐熟的过程大致可分为中温阶段(15～45℃)、高温阶段(45～70℃)、降温阶段。通常在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌;温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，活性菌仅剩嗜热性放线菌与细菌。微生物生长繁殖的最适温度为30～60℃，当温度超过65℃时，微生物或转变为芽孢休眠或死亡。因此，堆肥温度对于堆肥过程控制十分重要。另外，相关研究认为初始温度可以显著影响堆料内微生物对有机质的降解，当堆料初始温度为40℃时，堆温上升最快，堆肥效率最高。本试验涉及的M1、M2、D1、D2和D3试验组对应的平均初始环境温度分别为5.5，18.5，22.5，24.6，25.8℃。从图2可以看出：D1批次明显受到环境温度影响，延迟约10d后，温度才上升到52.5℃，其余批次则影响不大，3d内均升温到55℃以上，且D1、D2试验组持续时间超过7d。
稻草批次的基本堆肥时间为28～33d。木屑相较于稻草，总体上呈现升温速度慢、峰值温度高和堆肥持续时间长的特点。同时，同种调理剂批次含水率越低，发酵持续时间越短。除D3外，其他批次温度超过55℃的持续时间都超过7d。
2）含水率和有机质。
水分是影响好氧堆肥效果的关键因素之一。适宜的含水率为45%～60%，临界水分同时考虑到保持物料孔隙率与透气性需要的综合指标。由于堆体温度升高及微生物的代谢作用，含水率整体呈现下降趋势。相同初始含水率下，稻草含水率降低速度更快，最终成品含水率更低，这与稻草升温速度快相关。整体上每批次含水率的始末数值相差约30百分点。
有研究表明，最适初始有机质含量为20%～80%，而本试验不同批次初始值85.07%～91.58%。相比较于初始值，60%含水率工况下M1和D1有机质含量分别降低9.46，11.83百分点，且D1用时更短;50%含水率工况下，M2和D2有机质含量分别降低2.67，6.61百分点，且D2用时更短;45%含水率工况下，D3有机质含量只降低0.68百分点。总体上，合适的初始含水率范围内，木屑堆肥物料的有机物总量降低速度低于稻草，其原因可能是掺入了有机质含量过高的锯末。和稻草相比，锯末的主要成分是难生物降解的木质素，从而使得餐厨垃圾中有机质的降解不足以引起堆料有机质的明显变化。
3）pH值。
pH不仅是影响堆肥过程中微生物繁殖的主要因素，同时也是反映堆肥进程和衡量堆肥腐熟质量的重要参数。不同堆肥处理中的pH值变化见图4。可知：两个批次M1和D1的pH值先降低后升高，这和李小建等研究结果一致。这是因为餐厨垃圾易降解有机物质的含量高，当细菌和真菌分解有机物质时，释放出乙酸、丙酮酸等有机酸，导致pH值下降。而后随着温度的升高，微生物大量繁殖分解蛋白质类有机物，产生大量氨氮，促使pH值回升。由图2与图3可以看出：pH呈现激增的时间节点与初次出现堆体高温时间节点接近，与文献［14］结论一致。堆肥开始时，2个批次pH值均在5.5以下。M1前10d受低温影响，pH变化平缓，10d后快速增加到7.8左右。D1小幅度降低后第3天快速增加到6.3左右。总体上，批次M1的pH均值大于D1，这与木屑和稻草本身含碳有机物类别和形态不同有关系，其影响了好氧发酵反应程度和速率。另外，较低的pH能在一定程度上抑制NH3的挥发，减少氮素损失，pH过高也会促进M1氮素流失。由于木屑发酵温度高，时间长，所以分解出氨氮含量，pH值最终也更高。
4）C/N值。
适合堆肥的C/N为20∶1～30∶1。高C/N时，有机质冗余，使得堆肥降解时间延长;而当C/N过低时，过多的氮将转化为氨氮而挥发，加大堆肥过程中氮的损失。
有研究表明：有机质发酵后C/N一般会减少10%～20%甚至更多。从图5可知：试验前后，批次M2的C/N降低了20.10%，D1、D2和D3分别降低了47.98%、47.06%和44.33%，而M1则呈现先增高后降低的现象，最终增加了18.26%。这可能与木屑堆肥相对温度高、延续时间长导致氮损失较大有关。同时，木屑木质素中碳更难被利用，导致碳氮比降低幅度远低于稻草。另外，对比稻草3个批次，适宜初始C/N和含水率情况下，C/N降低更加平缓，且呈现“先急后缓”的降低趋势。这是因为初始C/N低的堆肥化处理氮素养分含量相对较高，堆肥的初期微生物迅速繁殖，表现出较高的活性，但很快碳源出现相对缺乏，微生物的活性受到抑制。腐熟堆肥的C/N趋向于微生物菌体的C/N，即16左右。另有相关报道提出将T=终点C/N/初始C/N评价腐熟度，认为当T值＜0.6时堆肥达到腐熟。据此，则只有批次D1和D2满足上述要求，其T值分别为0.52和0.53，最终C/N分别为12.48和13.94，稳定时间为28～33d。
2. 氨气挥发量
在通风量一定的情况下，氨气的挥发受堆温和堆体pH的影响。Godwin的研究表明：当pH值＜9时，氨气的挥发量与pH值呈正相关。M1和D1在氨气排放达峰前的氨气挥发变化趋势稍滞后于pH的升高趋势(见图6)，与文献［19］基本一致，且pH＞7时，氨气排放速度加快。
批次D1堆肥在堆制第7天时，堆体排放的氨氮浓度最高，此时堆体pH为7左右，堆温超过60℃，此时大量的NH3挥发，整体上在第3～23天时最集中，占总挥发量的88.59%。批次M1由于受到低pH影响，前10d无NH3挥发，之后挥发量急速升高，直到第17天时达到峰值，此时堆体pH为8左右，堆温超过62℃。相关研究表明，NH3的挥发主要发生在高温期，且温度越高，NH3挥发量越大。当温度＞60℃时，NH3多以气体形式挥发，造成严重的氮素损失，以上结论与本试验吻合。整体上D1和M1挥发曲线走势相似，但稻草堆肥的NH3挥发量远低于木屑，其总挥发量为木屑的53.90%，因此氮损失也相对较低。
3. 氧含量
对于机械化连续堆肥生产系统，可以通过测定排气中的氧含量以确定发酵仓内的浓度及氧的吸收率。排气中氧的适宜浓度值为14%～17%，故以此为指标控制通风供氧量。不同堆肥处理排气中氧含量见图7。
由图7可见：堆肥期间总体供氧充足，M1和D1试验组氧气浓度在14%～17%的时长分别占整个发酵时间的39.29%、76.47%，此时发酵温度最高，耗氧能力也最强。高温发酵后，微生物活性下降，发热量减少，温度下降，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。另外，由于高温好氧发酵时间段内氧气浓度仍然充足，侧面说明供氧设备选择和运行参数控制是合理的。
4.纤维素酶和蛋白酶活性
餐厨垃圾中的可溶性糖和淀粉含量较高，粗纤维含量一般在2.61%～4.64%，同时木屑和稻草作为调理剂也含有大量粗纤维。在堆肥中纤维素既是微生物的能源，也可以为微生物提供碳源，可在纤维素酶作用下水解为纤维二糖，进而水解为单糖，因此纤维素酶活性的变化可以反映出堆肥过程中碳素物质的降解情况，详见图8。
从图8可以看出：批次M1纤维素酶活性与温度变化规律类似，但高峰期出现滞后于高温期，且高温期持续时间长于纤维素酶活性高峰期。批次D1由于升温快，其温期和纤维素酶活性高峰期几乎重叠，但仍然存在高温期持续时间长于纤维素酶活性高峰期的情况，这可能是由于其他类别酶活性仍然较强，同时堆体有一定的保温效果所致。
2个批次试验最终的纤维素酶活性都降低到一定水平。这是因为中温阶段主要利用可溶性糖类和淀粉作为基质，到了高温阶段纤维素等复杂有机物才开始被大量分解。随着反应进行，剩下部分为较难分解的有机物和新生成的腐殖质，纤维素酶活性降低，此时堆体仍存在一定保温作用，温降相对滞后。另外，高峰期批次D1纤维素酶活性高于M1，这是因为木屑中大量木质素相较于稻草更难被微生物利用。
蛋白质也是重要的堆肥有机物原料，是微生物氮素的重要来源。蛋白质堆肥过程中不断分解产生包括NH3在内的小分子无机物，并提供微生物生长繁殖所需能量。蛋白酶活性变化规律与纤维素酶类似，同样高峰期出现滞后于高温期，M1批次蛋白酶活性峰值明显高于D1，这可能是由于木屑有效C/N相比于稻草更低，蛋白酶活性增强，分解蛋白质加快，同时造成大量NH3挥发。
5. 肥料技术指标
对5个批次最终肥料成品养分和有害物质成分进行测定，将结果与NY/T 525—2021《有机肥料》进行对比分析如表3所示。木屑和稻草批次堆肥最终都呈颗粒状黑褐色。
从表3可以看出：所有试验组有机质含量都远超过30%的标准要求，这与添加的调理剂高C/N值有关，而最终木屑批次有机质大于稻草批次。总养分只有稻草批次满足要求，木屑批次氮素含量较少。重金属5项指标都符合标准要求。粪大肠杆菌数除D3批次堆肥发酵时间短，导致指标不达标外，其余批次满足标准要求。蛔虫卵死亡率全部符合指标要求。相关研究表明，以锯末作为辅料的堆体，因锯末较难降解，堆肥结束后大量的未降解锯末势必会影响堆肥成品质量，而且锯末中所含养分不足以弥补餐厨垃圾低养分的缺点。总体上只有D1和D2批次满足堆肥基本要求。
03
讨论
相关研究表明，在污泥生物干化过程中，秸秆相比于锯末的调节作用更优，可使物料温度上升更快，含水率下降程度更大。本研究中，木屑批次堆温升到峰值需要8～11d，而稻草批次仅需2～5d，其含水率的降低幅度也明显快于木屑批次(见图3)。添加木屑的堆体会由于木质素较难降解，堆肥时间相比添加秸秆的堆体长，最终产品中有机质的含量也高于秸秆堆体。初始含水率60%和50%工况下，稻草试验组有机质降低幅度分别是木屑的1.3，2.5倍，最终产品中有机质含量也低于木屑批次。
通常将温度升高到开始降低的阶段，称为主发酵期，以城市生活垃圾为主体的城市固体废物好氧堆肥的主发酵期为4～12d。后发酵期通常在20～30d。以生活垃圾等作为原料时，卧式发酵滚筒一次发酵周期为2～5d。稻草批次试只需2～5d即可完成一次发酵，DANO可以作为餐厨垃圾固渣一次堆肥设备使用。
pH值作为影响氮素损失的重要因素之一，其会随着堆肥有机物的降解而发生变化，主要通过影响物料液相中NH4+与NH3的平衡来影响NH3的挥发。堆肥过程中氮素损失主要包括氨挥发、渗滤液中的离子态氨氮、硝氮以及NH3等，其中氨挥发是堆肥过程氮素损失的主要途径。本研究中，M1和D1批次堆肥pH稳定期均值分别为7.9和6.9，而堆肥前后C/N分别增加和降低了18.26%和47.98%，高pH值导致木屑批次氮素大量流失。工程应用中要选择适用的调理剂，控制好pH、C/N等影响因素，最终保证总养分达标。
好氧微生物来源主要有2个方面：一方面是有机废物里固有的微生物种群，另一方面是人工添加的菌种。后者通常具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点。有研究表明，接种外援微生物菌剂能够明显影响堆肥过程中不同时期的细菌群落结构组成，且能够加快堆肥的腐熟速度。本试验每吨餐厨固渣加20g菌剂即可满足使用要求。
相关研究表明，通风间隔时间过长(通风间隔时间占整个通风周期3/5～4/5)，不能供给堆体内微生物生命活动所需的氧量，将会降低微生物活性;频率过高(通风间隔时间占整个通风周期1/5～1/3)，则影响堆体内热量的累积。采用间歇时间控制通风可以使堆体氨态氮和总氮损失较小，同时有利于水分的去除。而连续通风方式的应用效果有待深入研究。
04
结论
1)稻草比木屑更适合作为调理剂与餐厨垃圾混合堆肥。初始C/N控制在23～27，以粒径2～8mm稻草为调理剂，利用DANO作为一次发酵设备，静态发酵作为二次发酵方式，控制通风量为0.15m3/(min·m3)，风机运行运行时间设置为开启5min，停止15min。此条件下，堆肥周期可以控制在28～33d。最终产品C/N、含水率、总养分和pH等相关指标均符合NY/T525—2021《有机肥料》标准要求。
2)以稻草为调理剂，控制其堆体初始含水率为55，堆体高温期温度都超过55℃以上，且维持时间超过7d。当含水率低至45.54%时，微生物的活性开始下降，堆肥温度随之降低，无法有效灭菌和保证最终肥效。
3)环境温度在18.5～25.8℃，DANO一次发酵升温受环境影响较弱，可以在2～5d内快速升温到最高温度。升温后仍然需要二次发酵直至腐熟。
来源：屈阳,朱卫兵,常燕青等.餐厨垃圾固渣DANO动态堆肥处理效果研究[J].环境工程,2022,40(12):46-52,104.
关于期刊
《环境工程》创刊于1982年，是国内外公开发行的国家级环境科学类期刊，由中冶建筑研究总院有限公司主办、工业建筑杂志社有限公司出版发行。本刊主编由中国工程院院士、美国国家工程院外籍院士、中国科学院生态环境研究中心研究员、清华大学教授曲久辉担任。报导内容涵盖水污染防治、大气污染控制、有机固废生物处理与资源化、过程工程环境污染控制与资源化、环境生态工程、海绵城市建设规划与实践、碳减排技术路径研究与实践等。本刊已入选北大中文核心期刊要目总览、中国科学引文数据库(CSCD)来源期刊（核心库）、RCCSE中国核心学术期刊、ISTIC中国科技核心期刊、环境科学领域高质量科技期刊分级目录T2级、世界期刊影响力指数(WJCI)报告等。在科学技术迅猛发展和全球变化的大背景下，《环境工程》既要关注解决环境治理工程难题的最新科技进展，也必须突破以末端治理为主要目标的学科局限，深刻认识制约我国社会经济发展的重大环境工程问题，深入思考环境工程科技发展的未来与方向，深度融合相关学科的科技成果，报导更有学术高度和应用价值的综合性成果。
推荐阅读：
环保面前 没有旁观者