于忠臣 钟柳波 魏震

摘 要：以哈尔滨市生活垃圾和脱水后的新鲜粪便为原料进行好氧堆肥，实现其无害化和资源化。探讨含水率、初始温度和翻堆作用对堆体温度动态变化的影响规律，并分析水溶性有机碳、氨态氮、硝态氮以及耗氧速率等组分在好氧堆肥化过程中的转化特性。结果表明，初始含水率对堆体升温影响较大，其值以53.5%～60.0%为宜。堆料初始温度和堆肥初期翻堆对堆肥过程影响较小，经高温堆腐后翻堆对堆体温度影响较大。堆肥过程中堆体含水率和水溶性有机碳变化呈先降后升再降的变化规律，而氨氮和硝态氮转化趋势相反；此外，堆体耗氧速率呈先升后降的趋势，其最大值为1.58 mg O2·gvss-1·h-1，堆肥过程中嗜温和嗜热微生物种群是顺序演替的。

关 键 词：生活垃圾；粪便；好氧堆肥

中图分类号：Q 291 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2016）08-1681-04

Abstract： The aerobic composting of living garbage and excrement achieves waste harmless and resources. In this paper，fresh stool after dehydration was used as research object， effect of moisture content， initial temperature and turning on pile temperature dynamic change was analyzed as well as change characteristics of water soluble organic carbon， ammonia nitrogen， nitrate nitrogen and oxygen consumption rate in the aerobic composting process. The results show that the initial moisture content has greater impact on the pile heating process， and its appropriate value is about 53.5%～60.0%. The initial pile temperature and turning have little impact on the composting process. But， turning pile has great impact on pile temperature after high temperature composting. The moisture content and water soluble organic carbon first decrease， and then increase； and ammonia nitrogen and nitrate nitrogen transformation has opposite tendency. In addition， oxygen consumption rate first increases and then decreases， the maximum value is 1.58 mg O2·gvss-1·h-1. The species succession has occurred from mesophilic microbes to thermophilic microbes during the aerobic composting process.

Key words： living garbage； excrement； aerobic composting

生活垃圾的數量随着城市规模扩大不断增大同时，其构成也发生了较大的变化，主要表现在无机组分比例逐渐下降、有机成分增加，这为城市垃圾的生物处理提供了可能[1]。与此同时，人们一直将城市粪便用作肥料，利用土地处理法作为实现资源利用的手段[2]。然而近些年来粪便农用量急剧下降，城市粪便正在失掉传统的土地处置途径，给城市生态环境带来巨大压力。好氧堆肥法已成为城市生活垃圾和粪便资源化处理的重要方式之一 。

好氧堆肥过程主要是利用高温嗜热菌的生物氧化作用使堆料充分腐熟，堆肥关键在于堆肥过程控制参数的优化[3]。另外，基于生态系统循环的碳、氮等营养元素代谢、迁移和转化研究也是生活垃圾研究领域的重要内容之一。但由于不同区域的垃圾其理化性质相差很大，堆肥产物中组分含量差别很大，其研究结果并不一致。因此，本研究以了解好氧堆肥温度变化及组分转化特性为目标，进行好氧堆肥，分析堆体初始含水率、堆料初始温度和翻堆作用对堆体温度影响变化模式，分类表征等水溶性有机碳、氨态氮、硝态氮以及耗氧速率等主要组成元素的在不同时间的变化规律。

1 实验部分

1.1 实验材料和装置

供试垃圾和粪便样品采自哈尔滨市垃圾处理厂，粪便采用脱水后的新鲜粪便，样品经破碎和筛分处理后进行好氧堆肥，利用玉米秸秆来调节堆体孔隙度和含水率[4]。实验装置流程如图1所示。好氧堆肥仓几何尺寸为Φ500 mm×1 200 mm，堆料装填有效高度为1 000 mm，堆料配比为生活垃圾：粪便：秸秆=0.50～0.55：0.40～0.45：0.1，含水率53.5%～60.0%，C/N比为25～35：1，有机质含量为65%～75%，在环境温度15 ℃条件下进行多批次好氧堆肥实验。堆体的通风方式采用间断式，供气频率采用时间控制器来控制，时间t在区间[nT+T0， nT+T1]内对堆体供气。T为一个工作周期，n为供氧工作周期数（n=1，2， 3…），供气量为单位好氧堆体0.17 m3/min。

1.2 分析方法

1.2.1 含水率测定[5]

采用烘干法测定含水率：取约100 g堆料样品在105 ℃下烘24 h，烘干后样品在干燥器内冷却，根据烘干前后的质量差，测定含水率。

1.2.2 水溶性有机碳测定[6]

取50g堆料样品放入500 mL塑料瓶中，按1：5（w/v）比例加入250 mL蒸馏水。以150次/min振荡1 h，用离心机以3 500 r/min分离20 min，然后利用慢速滤纸过滤，测定所得滤液COD值，最后通过电子等值法转化有机碳量。

1.2.3 氨态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）测定[7]

采用蒸馏法测定氨态氮：称取20 g堆料样品，加入10%氯化钠溶液100 mL，振荡30 min，用滤纸过滤取上清液20 mL，放入定氮蒸馏器中。加入12%氧化镁悬液10 mL，用5 mL 2%硼酸-指示剂溶液吸收，即得铵态氮量。同时向已蒸馏过氨态氮的蒸馏器中加入2 g锌-硫酸亚铁还原剂，用上述方法继续蒸馏和滴定，即得硝态氮量。

1.2.4 耗氧速率测定[8]

通过水浴法保持与好氧堆体相同环境条件，以测定此状态下堆料的耗氧速率和呼吸速率。

2 结果与讨论

2.1 堆体温度变化及影响因素分析

堆体温度状态参数是杀灭致病微生物和使堆肥达到无害化及堆体腐熟的必要条件，同时堆体实现有效升温过程是成功堆肥的关键。研究分析堆体初始含水率、堆料初始温度和翻堆作用对堆体温度影响变化模式，进而得到堆体温度受控作用规律。

2.1.1 堆体初始含水率对堆体温度影响

堆料初始温度为15 ℃，考察含水率对堆体到达高温55℃的影响，结果如表1所示。

从表1可知，堆料初始含水率对堆体是否能达到高温有很明显的影响。堆料含水率过高在堆肥周期内不能达到高温55 ℃。当C1-C4堆体初始含水率为50.2%～60.3%时，堆体升温速度随含水率增加呈先增加后下降的趋势，从7 d缩短到2.5 d后又增加到3 d。这因为初始含水率小使堆料水分过少，控制堆体内有机组分运输，导致有机物降解速率减小，温度升高较慢[9]。初始含水率过大会使堆料水分增加，导致堆体自由空穴减少，阻碍堆体内空气输送，甚至使堆料处于厌氧状态。因此，堆料初始含水率为53.5%～60.0%为宜。

2.1.2 堆料初始温度对堆体温度影响

控制堆料初始含水率为53.5%～60.0%，考察堆料起始温度对堆体温度变化的影响（表2）。

从表2可知，在适宜堆料含水率条件下，堆料初始温度从-17.0 ℃增加到16.5 ℃时，对堆体达到高温时间影响不大，升温时间相差1 d左右，因此堆料初始温度对堆肥过程影响较小。

2.1.3 翻堆作用对堆体温度影响

堆料初始温度为15 ℃、含水率为53.5%～ 60.0%条件下，翻堆时间为3 d前和8 d后，考察堆体高温前后不同时期翻堆对堆肥过程的影响（图2）。

从图2可知，发酵前3 d堆体温度上升较快，3天后能达高温55 ℃以上，7 d后温度开始逐渐下降。第一次翻堆对堆体温度影响较小，堆体温度稳步升高，这主要是发酵初期，翻堆对堆体温度有降温和升温双重作用。翻堆会使堆体热量散失，温度下降，同时翻堆改善堆体内微生物周围底物和通气状况，使分解活动重新旺盛，导致堆体升温。当堆体达到高温并维持一段时间后，翻堆对堆体温度产生明显影响，堆体温度迅速下降。主要是堆体起始升温期和经过高温堆腐期后堆体产生热量不同[10]。腐期后期微生物降解有机物产热量与堆体散热量相当，翻堆后堆体散热量大导致嗜热微生物死亡，温度下降。

2.2 堆体组分转化特性分析

2.2.1 含水率变化特性

堆肥过程含水率因有机物氧化分解产生水分而增加，同时由于通风供氧作用使水以水蒸气形式散发而降低，堆体的含水量会直接影响堆体氧气含量，进而影响堆体内微生物代谢活动，影响堆肥的重要因素之一。图3为堆肥过程中堆体含水率变化特性。

从图3可知，堆体含水率呈现先下降再上升然后再下降的趋势。这主要是初期微生物活性较低，通风供氧使水分散失的作用占优势，堆体含水率呈现先下降的趋势。而后随着微生物活性不断增强，有机物分解作用产生水量增加，堆体含水率呈现上升趋势，因而前15 d堆体含水率相对较多，在50%以上。而堆肥后期微生物活性降低，有机物分解作用产生水量减少，通风供氧作用使水分散失作用重新占优势，使含水率呈现下降趋势，因而后15 d含水率较低，30 d后降到30%左右，此时含水量对微生物的活性已经产生抑制作用。

2.2.2 水溶性有机碳动态变化

生活垃圾和粪便的堆肥主要是通过好氧微生物使堆体中的有机物发生分解，因此，堆肥过程中，有机碳的含量是一个减少的过程。图4为堆肥过程中堆体有机碳动态变化。

从图4可知，堆肥前，有机碳含量为12.1%。随着堆肥的进行，有机碳呈现先略下降再上升然后再下降的趋势，最高含量出现第10 d，有机碳含量为15.2%，30 d后降到9.1%，下降幅度为24.5%。这主要是因为堆料中有机碳变化是微生物水解和代谢作用协同的结果。堆肥初期，堆体中易降解有機碳（可溶性糖、有机酸、淀粉等）被微生物直接利用，有机碳的分解速率较快，有机碳量呈略下降趋势。随着微生物活性增强，堆料中有机质被水解转化为水溶性有机碳，有机碳积累曲线呈上升趋势。同时经过高温期后，微生物活性降低且分解代谢占优势，有机碳不断被利用曲线呈下降趋势。

2.2.3 氮素转化特性

堆料中氮素主要以蛋白质或多肽等有机氮形式存在。氮素在微生物氨化作用、硝化（反硝化）作用和生物合成作用下相互转化。图5为堆肥过程中NH4+-N和NO3--N转化规律。

从图5知，堆肥过程氨态氮转化呈先上升后下降趋势。因为堆肥初期，随微生物活性增强和反应时间延长，铵态氮随有机质矿化增加，浓度峰值出现在16 d。高温期后，堆料温度降低堆体内微生物种群发生演替，硝化菌活性增强不断消耗氨氮，同时微生物氨化作用产生氨氮量相对减少，两者综合作用使氨氮曲线呈下降趋势。堆肥过程硝态氮转化呈先不变化后明显上升的趋势。主要是起初堆体温度低，堆料本底氨氮量低，硝化菌可利用底物少；氨化反应随堆料温度升高而增强，硝化作用大多发生在40 ℃下，在高温后腐熟阶段，因而硝化菌却受到高温和底物抑制作用[11]，硝化反应缓慢硝态氮生成量较少，使硝态氮曲线呈不变趋势。堆体经高温堆腐后，种群演替作用使硝化菌逐渐成优势种群，硝态氮生成量不断增加，使硝态氮浓度快速增加。

2.2.4 耗氧速率变化特性

耗氧速率是好氧微生物分解和转化有机物速率，间接地反应堆体内微生物的活性和演替，并可以作为供氧模式的依据。图6为堆肥过程中堆体耗氧速率变化规律。

从图6可知，堆肥过程耗氧速率呈先上升后下降趋势。这主要是堆肥前期微生物分解和转化有机物量多，微生物耗氧速率逐渐增至最大，在10 d内，从0.35上升到1.58 mg O2·gvss-1·h-1，而随着堆体中可分解有机物量逐渐减少，微生物分解速率减慢。此外堆料达到高温前后堆体耗氧速率曲线有跳跃，主要是堆体微生物种群由嗜温菌向嗜热菌的过渡和转变（嗜温菌适宜温度为30～40 ℃，嗜热菌适宜温度是45～60 ℃），是嗜温和嗜热微生物演替结果[12]。

3 結 论

（1）堆料初始含水率是堆肥成功关键，堆料初始含水率对堆体是否能达到高温有很明显的影响，以含水率为53.5%～60.0%为宜。堆料初始温度对堆肥过程影响较小，堆肥初期翻堆作用对堆体温度影响较小，而堆肥后期翻堆作用对堆体温度影响较大。

（2）堆肥过程中堆体含水率和水溶性有机碳变化显著相关，呈现先下降再上升然后再下降的趋势。堆肥过程中氨氮和硝态氮转化趋势相反，氨氮转化呈现先上升后下降的趋势，而硝态氮转化呈现先不变化后明显上升的趋势。

（3）堆肥过程中耗氧速率呈现先上升后下降的趋势，在10 d后，好氧速率达到最大，堆料达到高温前后嗜温和嗜热微生物种群演替，堆体耗氧速率快速上升，从0.35上升到1.58 mg O2·gvss-1·h-1。

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