厨余堆肥污染气体减排的工艺参数优化.pdf
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1、厨余堆肥污染气体减排的工艺参数优化乔如陆1,2,刘佳琪1,2,孙玉鑫1,2,周陈俊男1,2,李明章1,仰颉1,王凌霄1,许钊1,艾为党3,常瑞雪1,2,李彦明1,2(1.中国农业大学资源与环境学院农田土壤污染防控与修复北京市重点实验室,北京100193;2.中国农业大学有机循环研究院(苏州),苏州215100;3.中国航天员科研训练中心,北京100094)摘要:好氧堆肥处理厨余垃圾具有规模灵活、参数易调整、工艺适配性高等优点,但存在发酵周期长且易产生污染气体等问题,严重限制了就近就地处理利用的推广。污染气体产生与堆体内氧气供应与利用直接相关,为提高发酵速率、减少污染气体排放,优化厨余垃圾堆肥的
2、工艺参数,该研究采用三因素三水平正交堆肥试验 L9(34),探究粒径、含水率和通风速率三大因素对堆体温度、O2、pH 值、电导率值、种子发芽指数值以及污染气体(H2S、NH3、N2O 及 CH4)的影响。结果表明,当初始物料粒径为 0.510mm 时能够显著加快堆肥进程,在第 11天时 GI 值即可达 80%以上,有效地缩短了堆肥周期。通过对污染气体做极差以及方差分析发现,物料粒径对 H2S 排放影响显著,含水率和通风速率对 H2S 和 N2O 排放影响显著。综合堆肥周期以及污染气体减排效果,厨余垃圾堆肥最优的工艺参数组合为:初始物料粒径为 0.510mm、初始含水率为 60%、通风速率为 0
3、.2L/(minkg1),研究结果可为厨余垃圾利用提供参考。关键词:好氧;堆肥;正交试验;工艺参数;厨余垃圾doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304197中图分类号:X705文献标志码:A文章编号:1002-6819(2023)-14-0223-09乔如陆,刘佳琪,孙玉鑫,等.厨余堆肥污染气体减排的工艺参数优化J.农业工程学报,2023,39(14):223-231.doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304197http:/www.tcsae.orgQIAORulu,LIUJiaqi,SUNYuxin,etal.Optimizat
4、ionofprocessparametersforreducinggasemissionfromkitchenwastecompostJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2023,39(14):223-231.(inChinesewithEnglishabstract)doi:10.11975/j.issn.1002-6819.202304197http:/www.tcsae.org0引言厨余垃圾指易腐烂的、含丰富有机质的生活垃圾,包括家庭厨余垃圾、餐厨垃圾和其他厨余
5、垃圾等,是生活垃圾的重要组成部分1。随着中国经济的高速发展和人民生活水平的不断提高,厨余垃圾产生量日益增加,尤其在 2019 年中国大力实施垃圾分类政策之后,厨余垃圾的分出量急剧增加。以北京市为例,垃圾分类政策实施仅半年,北京市厨余垃圾的总体分出量就达到了5803t/d,家庭厨余的分出量达 3946t/d,同比增长 11.7倍2。厨余垃圾含有寄生虫卵、病原菌等有害物质且易腐烂变质,但也包含了大量的有机质及 N、P、K 等营养元素,这意味着厨余垃圾是固废的同时,也具备了极大的资源化利用潜力3。面对急剧增长的厨余垃圾产量,厨余垃圾的处理处置问题将成为城市固废处置的重点和难点之一。利用好氧堆肥技术不
6、仅能够消除废弃物对环境的污染,还能将其转化为有机肥料或土壤改良剂,对保护生态环境、促进生态农业可持续发展、缓解我国日益紧张的资源与环境问题都有十分重要的意义。然而,传统好氧堆肥技术存在发酵周期长、产品品质差、污染气体排放量大等问题,产生这些问题的主要原因是堆肥过程中堆体结构性差、氧气在堆体中难以扩散并得到利用、通风量使得供氧和蓄温二者难以实现平衡,不能满足好氧微生物对生长环境的要求,因此优化堆肥工艺参数实现厨余垃圾的高效资源转化显得尤为重要4-5。厨余垃圾好氧堆肥的本质是微生物利用堆体中的氧气降解有机物,有机物、微生物、氧气是好氧堆肥的三大元素,氧气作为三大元素之一是堆肥过程中最重要的控制因素
7、。好氧堆肥过程中能够影响堆体氧气含量以及其在堆体中扩散的环境参数主要有含水率、通风速率、物料粒径、自由空域、通风频率等6-8。物料粒径决定着堆体的孔隙度,而孔隙度决定了堆体的密度、保水性和氧扩散程度,孔隙度过小不利于 O2和 CO2的有效交换,孔隙度过大会导致较小的比表面积,不利于微生物生长繁殖,延缓堆肥进程9-11。水分是堆肥微生物所需的基础条件,其含量高低也会对堆体物理结构(孔隙度、导热量、氧气的运输)和微生物活性产生重要影响12-14。通风是物料与氧气间建立联系的重要环节,通风速率更是堆肥工艺中极为重要的参数之一,其决定了堆体中微生物可利用氧气的含量15。通风速率过小,堆体孔隙度较低,堆
8、体会产生大量厌氧区域,导致好氧微生物活性收稿日期:2023-04-24修订日期:2023-06-30基金项目:人因工程全国重点实验室(6142222210702);中国农业大学教授 工 作 站-2021050(202105510310477);海 南 省 重 大 科 技 计 划(ZDKJ2021009)作者简介:乔如陆,研究方向为固体废弃物处理与资源化利用。Email:通信作者:李彦明,博士,副教授,研究方向为固体废弃物处理与资源化利用。Email:第39卷第14期农 业 工 程 学 报 Vol.39No.142023年7月TransactionsoftheChineseSocietyofAg
9、riculturalEngineeringJuly2023223降低和延长堆肥周期、加剧臭气排放;通风量过高,易导致堆体升温慢、水分损失严重,延长发酵周期。因此,在调整工艺参数时需要寻求物料比表面积和物料空隙度的平衡,为堆体保持较好的自然供氧量,以维持堆肥中较高的好氧微生物活性,对缩短发酵周期、减少污染气体排放和提高堆肥产品质量都有着重要意义。本研究采用试验室小型堆肥反应器系统进行不同工艺参数条件下厨余垃圾好氧堆肥正交试验,拟通过三因素三水平的正交试验探究初始物料粒径、含水率和通风速率对厨余垃圾堆肥进程和污染气体排放的影响,摸清适宜的工艺参数组合,为进一步优化堆肥工艺和控制堆肥过程提供参考。1
10、材料与方法1.1试验材料本试验所用堆肥原料为厨余垃圾和玉米秸秆。厨余垃圾取自中国农业大学西校区食堂。玉米秸秆取自中国农业大学上庄实验站,用粉碎机将其切割为长度分别为0.510、1020、2040mm的段状秸秆,物料基本理化性状见表 1。表1堆肥原料基本理化性质Table1Basicphysicochemicalpropertiesofrawmaterialsofcomposting物料FeedstockspH 值apHvalueEC 值aEC(electricalconductivity)value/(mScm1)含水率aMoisturecontent/%总碳bTotalcarbonTC/%总
11、氮bTotalnitrogenTN/%碳氮比C/N厨余垃圾Foodwaste6.850.051.440.1671.860.0250.10.013.140.0515.96玉米秸秆Maizestover7.300.12.100.077.580.0539.00.50.930.141.94注:a基于湿基质量,b基于干基质量。Note:abasedonwetmass;bbasedondrymass.1.2试验设计本试验在中国农业大学西校区固废实验室进行,厨余垃圾、玉米秸秆按照湿质量比3:1进行混合,再添 2%(湿基质量)的 CaO:CaCO3(1:1)pH 调节剂。通过粉碎机将玉米秸秆分别粉碎至 0.5
12、10、1020、2040mm,所有处理初始混合物料的含水率分别调整至55%、60%和 65%,采用连续通风的供氧方式,通风速率分别为0.1、0.2 和 0.3L/(minkg)。采用 L9(34)正交试验来确定最佳粒径、含水率和通风速率,正交试验序号与因素水平如表 2 所示。试验装置为8L密闭发酵罐(图 1),堆肥周期为 21d,在第 3、7、11、16 天翻堆一次,同时采用多点取样法取样,将所取得混合样品分成2份,其中一份为新鲜样品冷冻保存,用于测定含水率、pH值、电导率(EC,electricalconductivity)、种子发芽率指数(GI,seedgerminationrateind
13、ex);另一份经自然风干、粉碎、过 0.15mm 筛后用于测定总碳(TC)和总氮(TN)。表2正交试验序号与因素水平Table2Orthogonaltestnumberandfactorlevel试验组Treatmentgroup因素Factors粒径Particlesize/mm含水率Moisturecontent/%通风速率Ventilationrate/(L(minkg)1)T10.510550.1T20.510600.2T30.510650.3T41020550.2T51020600.3T61020650.1T72040550.3T82040600.1T92040650.21.3测定指
14、标及分析方法堆肥温度,通过连接电脑的温度传感器直接读取,每 10min 自动记录一次,温度传感器的型号为 Pt100。堆含水率的测定在 105 的烘箱中烘干至恒定质量。利用元素分析仪(VarioMicroCube,德国)测定样品中的TC、TN含量。pH 值、EC、GI 测定:用水浸提鲜样,固液比为 1:10,振荡 30min,静置 10min 后过滤取滤液,使用多参数分析仪(DZS-706-A,雷磁,上海)测定pH值、EC 值。GI 的测定方法为取待测液 5mL 铺于有滤纸的培养皿中,均匀放置10粒萝卜种子,于(251)培养箱(SHP-250,精宏,上海)中避光培养 48h,测算 GI,计算方
15、法参照有机肥料(NY/T525-2021)。温室气体(CH4和 N2O)用安装有火焰电离检测器、电子捕获检测器的气相色谱(SP-3420A,北京北分瑞利分析仪器有限责任公司,中国)测定。NH3通过发酵罐外部装有质量分数为 2%的硼酸吸收瓶吸收后,用标准浓度的稀硫酸滴定测得。O2和 H2S 由泵吸式沼气分析仪(Biogas5000,Geotech,英国)直接读数测定。堆肥气体一天一测。自动恒温箱 Aotpmatic thermostat温度传感器Temperature sensor发酵罐Fermentation tank温度自动记录仪Automatic temperaturelogger流量计H
16、2SO4NaOHH3BO3NaOHFlowmeter空气Air图 1密闭式好氧堆肥发酵罐示意图Fig.1Schematicdiagramofclosedaerobiccompostingfermenter统计分析采用 MicrosoftExcel2016 完成,作图采用origin2021 软件完成。2结果与分析2.1温度的变化堆体内部温度的变化可以反映微生物的活性,也可224农业工程学报(http:/www.tcsae.org)2023年判断堆肥的无害化和稳定性15。各处理的堆体温度变化如图 2 所示。各处理的温度在 1d 内升至 50,并在第 2或第 3天升至最高温度,其中 T3处理在第
17、12 小时后就升至 60,这主要是该处理微生物活性较高,加速了对有机物的降解。T1T9处理温度峰值分别为 66.06、68.78、68.27、69.23、72.94、65.85、70.42、71.5、69.11,在维持一段高温时间后堆体温度开始下降。其中,T2和T3处理堆体在第 12 天就开始降温,这可能是由于对堆体中易降解有机质已降解完成所导致的。在堆肥 16d 后,各处理的温度基本接近环境温度,达到稳定状态。03691215182101020304050607080时间 Time/dT1T2T3a.T1T3 处理温度a.T1T3 treatment temperature温度 Temper
18、ature/温度 Temperature/温度 Temperature/时间 Time/d03691215182101020304050607080T4T5T6b.T4T6 处理温度b.T4T6 treatment temperature时间 Time/d03691215182101020304050607080T7T8T9c.T7T9 处理温度c.T7T9 treatment temperature图 2堆肥过程堆体温度变化Fig.2Changesoftemperatureduringcomposting2.2氧气浓度的变化好氧堆肥过程中 O2含量变化可以反映堆体中微生物的活性及有机质的降解
19、情况16。由图 3a 可知,在堆肥前期,厨余垃圾中的易降解性有机物质被微生物快速分解,消耗大量 O2并释放大量的热能,从而使得堆体温度快速升高17。随着堆肥反应的进行,微生物分解有机质速度变缓,对 O2需求量减少,温度开始下降,O2含量逐渐上升。从第 3 天开始,每次翻堆后 O2含量均呈先下降后升高的趋势,主要由于翻堆过后使得有机质与微生物充分接触,加速了有机质的降解18。在第 16 天后,随着堆体温度逐渐接近室温,所有处理的 O2含量逐渐趋近于环境浓度,说明堆肥已趋于腐熟、稳定状态。036912 15 18 21051015202530a.氧浓度氧浓度 Oxygen content/%a.O
20、xygen content 时间 Time/d时间 Time/d036912 15 18 210.20.40.60.81.00b.耗氧速率耗氧速率 Oxygen consumption rate/(%h1)b.Oxygen consumption rate氧气浓度Oxygen contentsT1T2T3T4T5T6T7T8T9图 3堆肥过程堆体氧气浓度及耗氧速率的变化Fig.3Changesofoxygencontentsandoxygenconsumptionrateduringcomposting氧气消耗速率也是反映微生物活性的间接指标,其在一定程度上还可反映了堆体自由空域的大小,耗氧速
21、率(%h-1)的高低可以间接反映出堆体的孔隙分布状况和储氧能力19。由图 3b 可知,堆肥过程中耗氧速率整体呈先增加,后减小的趋势。在堆肥初期,有机质大量降解消耗大量的氧气,耗氧速率达到最大值,而到后期逐渐降低。同时,耗氧速率的变化与温度存在着内在关联(图 2、图 3b),可以看出耗氧速率的峰值出现的时间与温度曲线的峰值相对应。这也说明较适宜的堆体环境增加了微生物的活性,消耗了大量有机物质,耗氧速率较高,释放出大量热量。2.3腐熟度指标堆肥腐熟度指标变化如图 4 所示。a.pH 值a.pH value036912 15 18 2167891011时间 Time/dpH值 pH valueb.电
22、导率b.Electric conductivity036912 15 18 2112345时间 Time/d电导率Electric conductivity/(Scm1)c.碳氮比c.C/N036912 15 18 2110152025303540时间 Time/d碳氮比C/Nd.T值(终点C/N与初始C/N比值)d.T value (Ratio of C/N initialvalue to C/N endpoint value)时间 Time/d036912 15 18 210.60.81.01.21.4T值T value时间 Time/d036912 15 18 2102040608010
23、0120140e.种子发芽指数e.Seed germination index种子发芽指数Seed germination index/%T1T2T3T4T5T6T7T8T9图 4堆肥过程中堆肥腐熟度指标变化Fig.4Changesofmaturityindicesduringcomposting第14期乔如陆等:厨余堆肥污染气体减排的工艺参数优化225pH 值是影响堆肥反应进程的重要因素,可以反映微生物生存环境的变化20。从图 4a 中可以看出,各处理pH 值的变化基本相同,都呈现出先降低后升高然后保持稳定的变化趋势。堆肥开始时各处理的 pH 值下降,这可能是因为在前 3d 各处理有机物被分
24、解,产生了小分子有机酸;之后随着有机酸的降解以及 NH3的挥发,pH 值开始上升21。如图 4b 所示,9 个处理在堆肥过程中 EC 的变化趋势基本一致,先快速升高、随后趋于稳定。在堆肥前 3d,微生物矿化了大量有机质,产生了各种游离态的离子,导致 EC 升高;在第 311 天,堆体中原有的小分子有机酸及可溶性盐被挥发和分解利用导致各处理的 EC 降低22。在堆肥后期,随着氨的大量挥发,最终导致堆体的 EC 基本保持稳定。最后除 T7处理外各处理均符合有机肥料(NY525-2021)要求。C/N 可反映堆肥过程中有机质的降解程度,是被普遍认可的重要的腐熟度评价指标,一些学者认为堆体C/N 趋近
25、于微生物本身 C/N,即 C/N 为 16 左右时可认为腐熟23。各处理 C/N 变化如图 4c 所示,随着堆肥的进行C/N 整体呈现出下降的趋势。堆肥初期 C/N 有小幅度的上升可能是由于该阶段氮损失速率高于碳损失速率,在第 316 天随着含碳有机物的迅速降解,C/N 也快速下降。堆肥结束时,各处理的 C/N 分别为均小于 17。由于原料差异,一些堆肥原料(如污泥)其本身的 C/N 小于15:1。MOREL 等24建议采用 T 值(即终点 C/N 与初始C/N 的比值)来确定腐熟度,并提出当 T 值低于 0.6 就能说明堆肥腐熟。堆肥结束时,各处理的 T 值分别为0.62、0.63、0.57
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