廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)
廚余垃圾指易腐爛的、含豐富有機(jī)質(zhì)的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾等，是生活垃圾的重要組成部分。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，廚余垃圾產(chǎn)生量日益增加，尤其在2019年大力實(shí)施垃圾分類(lèi)政策之后，廚余垃圾的分出量急劇增加。以北京市為例，垃圾分類(lèi)政策實(shí)施僅半年，北京市廚余垃圾的總體分出量就達(dá)到了5803t/d，家庭廚余的分出量達(dá)3946t/d，同比增長(zhǎng)11.7倍。廚余垃圾易腐爛變質(zhì)且含有寄生蟲(chóng)卵、病原菌等有害物質(zhì)，但也包含了大量的有機(jī)質(zhì)及碳、氮、磷等營(yíng)養(yǎng)元素，這意味著廚余垃圾是固廢的同時(shí)，也具備了極大的資源化潛力。面對(duì)急劇增長(zhǎng)的廚余垃圾產(chǎn)量，分散式廚余垃圾的處理處置問(wèn)題將成為城市固廢處置的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。
目前廚余垃圾的處理處置方法主要包括衛(wèi)生填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等方式。其中衛(wèi)生填埋雖操作簡(jiǎn)單、成本低廉，但占用大量土地且不能實(shí)現(xiàn)廚余垃圾的資源化利用。焚燒法雖然可以迅速實(shí)現(xiàn)廢棄物的減量化，但某些廚余垃圾熱值較低，需輔助燃料，處理成本較高，同時(shí)焚燒還會(huì)產(chǎn)生二次污染，而且該方式也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)資源的有效利用。厭氧消化技術(shù)雖能夠?qū)崿F(xiàn)能源回收，但所需設(shè)備復(fù)雜、工程耗資大耗時(shí)長(zhǎng)，難以快速投入使用來(lái)滿(mǎn)足與日俱增的廚余垃圾產(chǎn)生量。好氧堆肥操作簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)可行性高，可就近就地實(shí)現(xiàn)分散式廚余垃圾的資源化利用，發(fā)酵產(chǎn)物可作為有機(jī)肥料或土壤改良劑應(yīng)用于社區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)資源的循環(huán)利用，這對(duì)于保護(hù)生態(tài)環(huán)境、促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、緩解我國(guó)日益緊張的資源與環(huán)境問(wèn)題都有十分重要的意義。
然而，目前好氧堆肥技術(shù)處理周期較長(zhǎng)、產(chǎn)品品質(zhì)較低、溫室氣體及臭氣排放等問(wèn)題嚴(yán)重限制了其在社區(qū)層面的推廣與應(yīng)用?；诖?，本文以廚余堆肥為核心，系統(tǒng)總結(jié)國(guó)內(nèi)外通過(guò)參數(shù)優(yōu)化、外源添加劑以及反應(yīng)器裝置等措施來(lái)縮短廚余堆肥的發(fā)酵周期、減排污染氣體和提升產(chǎn)品品質(zhì)等方面的研究進(jìn)展，以期獲取適宜的工藝參數(shù)體系來(lái)提高堆肥處理能力和減少污染氣體的排放，并對(duì)廚余垃圾堆肥技術(shù)的發(fā)展前景進(jìn)行展望。
1、廚余垃圾好氧堆肥瓶頸問(wèn)題
1.1 好氧堆肥工程數(shù)量少、發(fā)酵周期長(zhǎng)，處理能力不足
好氧堆肥技術(shù)是處理廚余垃圾重要的無(wú)害化、減量化和資源化方法之一，但由于存在不足，沒(méi)有得到大規(guī)模的市場(chǎng)化應(yīng)用與推廣。如圖1所示，隨著可持續(xù)發(fā)展理念深入人心以及技術(shù)的改進(jìn)，堆肥處理廠的數(shù)量及處理能力都有所增加，但面對(duì)1.25億t/a的廚余垃圾產(chǎn)量，現(xiàn)有處理能力僅占產(chǎn)生量的1/3，難以滿(mǎn)足處理需求。為進(jìn)一步提高廚余垃圾的資源化處理能力，國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類(lèi)和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年底，全國(guó)城市生活垃圾資源化利用率達(dá)到60%左右。廚余垃圾是生活垃圾重要的組成部分，從發(fā)布的數(shù)據(jù)可以看出我國(guó)廚余垃圾資源化處理需求與處理能力之間還存在著較大的空缺。
若要提高好氧堆肥技術(shù)的處理能力，就要縮短其在生產(chǎn)單位質(zhì)量有機(jī)肥的耗時(shí)，發(fā)酵周期越短處理能力就越高，反之越低。目前廚余垃圾好氧堆肥發(fā)酵周期在數(shù)十天到數(shù)月不等，也有些報(bào)道稱(chēng)好氧堆肥發(fā)酵周期可縮短在幾天內(nèi)，但其堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量不能保證。表1列舉了國(guó)內(nèi)外部分研究人員采用好氧堆肥技術(shù)處理廚余垃圾所需的發(fā)酵周期。從表中數(shù)據(jù)可以看出廚余垃圾好氧堆肥反應(yīng)周期一般持續(xù)30d左右，為了適應(yīng)市場(chǎng)規(guī)律，在保證堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的前提下縮短發(fā)酵周期是提高好氧堆肥技術(shù)的處理效率的重要舉措。
1.2 廚余垃圾好氧堆肥污染氣體排放嚴(yán)重
好氧堆肥過(guò)程主要是通過(guò)微生物對(duì)其中的有機(jī)物及營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行降解轉(zhuǎn)化，過(guò)程中會(huì)同時(shí)存在厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境，這種環(huán)境的分布取決于有機(jī)物所處的空間結(jié)構(gòu)和位置。好氧堆肥堆體內(nèi)部空間的氧氣含量要低于堆體表面，大顆粒物或顆粒物內(nèi)部的氧氣含量要低于顆粒物外表面，此外堆體含水率高的地方含氧量也較低，通風(fēng)作為向堆體提供氧氣的主要途徑，亦是影響氧氣含量的關(guān)鍵因素，若在堆體內(nèi)局部形成厭氧區(qū)域就易生成污染氣體。
堆肥過(guò)程產(chǎn)生的常見(jiàn)的污染氣體約有40余種，其中的溫室氣體主要有CO2、N2O和CH4等，惡臭氣體主要有NH3、H2S、CS2等，其排放轉(zhuǎn)化過(guò)程如圖2所示。污染氣體的產(chǎn)排會(huì)損失碳氮養(yǎng)分，降低堆肥品質(zhì)，更重要的是會(huì)污染環(huán)境，影響到堆肥設(shè)施周邊居民的身體健康，這也是限制堆肥工藝推廣的重要因素。如加拿大某堆肥廠曾因臭氣問(wèn)題被投訴近1400次，直至停工；我國(guó)桂林市某堆肥廠也曾因臭味問(wèn)題遭投訴后關(guān)廠停業(yè)，技術(shù)升級(jí)改造后才重新投入使用。
1.2.1 溫室氣體產(chǎn)生機(jī)理
在“雙碳”的背景下，堆肥過(guò)程溫室氣體的減排無(wú)疑是科研人員研究的重點(diǎn)，尤其是對(duì)CH4和N2O的減排研究。據(jù)研究，一分子CH4造成的溫室效應(yīng)是一分子CO2的28-36倍，一分子N2O造成的溫室效應(yīng)是一分子CO2的296倍。堆肥過(guò)程中，CO2主要產(chǎn)生于堆體中微生物的呼吸作用和有機(jī)物的礦化過(guò)程，CH4和N2O的產(chǎn)生主要是由于堆體中孔隙率分布不均勻，氧氣擴(kuò)散距離有限，易造成堆體存在大量局部厭氧或兼性厭氧區(qū)域，促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌和反硝化菌的生長(zhǎng)繁殖。
好氧堆肥是微生物在有氧條件下降解有機(jī)質(zhì)，代謝產(chǎn)生CO2、H2O和釋放熱量的過(guò)程。堆肥初期，廚余垃圾中的可溶性糖類(lèi)、有機(jī)酸、淀粉等易降解的有機(jī)質(zhì)先被微生物利用，微生物快速擴(kuò)繁，產(chǎn)生CO2并釋放出能量，促使堆體進(jìn)入高溫期。CO2的排放也主要集中在堆肥的升溫期和高溫期，相關(guān)研究表明該時(shí)期CO2的排放量占全過(guò)程的78.5%-86.2%，進(jìn)入降溫腐熟期后，隨著易降解有機(jī)質(zhì)的減少，CO2排放量相對(duì)較少且排放速率也較為穩(wěn)定。有機(jī)廢棄物是短期碳循環(huán)的一部分，經(jīng)過(guò)堆肥分解產(chǎn)生的CO2被普遍看作是生物排放，一般不計(jì)入溫室氣體排放中，且該過(guò)程CO2產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠(yuǎn)小于CH4和N2O，因此在堆肥過(guò)程中大多數(shù)情況不考慮其對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響。
堆肥過(guò)程CH4的產(chǎn)生主要經(jīng)過(guò)水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個(gè)過(guò)程。堆體內(nèi)的含碳有機(jī)物先被厭氧或兼性厭氧微生物分解成有機(jī)酸，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群作用下將產(chǎn)生的有機(jī)酸分解為乙酸、氫和二氧化碳，產(chǎn)甲烷菌再通過(guò)消耗氫將含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>CH4。產(chǎn)甲烷菌也主要活躍于堆體內(nèi)部的厭氧區(qū)域，在該環(huán)境下代謝生成CH4.因此，廚余垃圾好氧堆肥高溫階段CH4會(huì)集中排放，主要就是因?yàn)樵撾A段O2大量消耗，導(dǎo)致堆體中產(chǎn)生了大量厭氧區(qū)域。N2O的產(chǎn)生為堆肥過(guò)程中硝化作用和反硝化作用共同完成，與堆體中氧氣擴(kuò)散有直接聯(lián)系，也由于堆體內(nèi)各區(qū)域氧氣濃度的不同，硝化作用和反硝化作用同時(shí)存在。在厭氧條件下，堆肥物料中的NOx-經(jīng)過(guò)反硝化途徑產(chǎn)生N2O，相關(guān)研究表明N2O的產(chǎn)生主要是通過(guò)反硝化作用。楊帆等在堆肥中添加膨松劑來(lái)提高堆體孔隙率，減少局部厭氧的發(fā)生，結(jié)果表明可累計(jì)減少42.2%的N2O排放量。因此，今后CH4、N2O的減排機(jī)理研究應(yīng)同時(shí)關(guān)注堆體結(jié)構(gòu)以及顆粒的粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)和通風(fēng)供氧等，避免局部厭氧的發(fā)生。
1.2.2 惡臭氣體產(chǎn)生機(jī)理
好氧堆肥是在微生物的作用下將有機(jī)物通過(guò)礦質(zhì)化及腐殖化過(guò)程轉(zhuǎn)化為安全、穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。但在腐殖化過(guò)程中微生物會(huì)對(duì)蛋白質(zhì)、氨基酸進(jìn)行脫羧作用和脫氨作用，該過(guò)程會(huì)伴隨著大量惡臭氣體的產(chǎn)生。已有研究表明，廚余垃圾堆肥過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的NH3、H2S、CS2、硫醚、硫醇等惡臭氣體，其中NH3和H2S是排放濃度最高的臭氣。
NH3主要來(lái)自含氮有機(jī)物（蛋白質(zhì)、多肽等）的降解，這些物質(zhì)在微生物介導(dǎo)下水解為氨基酸、氨基糖等小分子含氮物質(zhì)，再經(jīng)微生物酶的作用進(jìn)行脫氨基轉(zhuǎn)化為NH4+，NH4+通過(guò)水解作用轉(zhuǎn)化為NH3。好氧發(fā)酵過(guò)程中NH3的排放主要受pH及堆體溫度的影響，但在其他研究中發(fā)現(xiàn)堆體孔隙率也會(huì)影響到NH3的排放。
H2S通常被認(rèn)為是堆肥過(guò)程中最主要的強(qiáng)致臭物質(zhì)，其主要產(chǎn)生的途徑有兩種，一種是在硫酸鹽還原菌（SRB）的作用下將堆體中的硫酸鹽或亞硫酸鹽還原成H2S；另一種生成途徑是堆體中的含硫有機(jī)物在厭氧環(huán)境中由硫酸鹽還原菌發(fā)揮主導(dǎo)作用降解生成H2S，生成的H2S會(huì)溶于水，當(dāng)水體處于飽和狀態(tài)并且堆體溫度較高時(shí)，多余的H2S將會(huì)排放到環(huán)境中。同時(shí)，半胱氨酸在厭氧條件下也可以被直接降解為H2S。厭氧環(huán)境是影響H2S產(chǎn)生的主要環(huán)境因素，因此在H2S的減排研究中亦要關(guān)注堆體結(jié)構(gòu)，考慮堆體孔隙率以及氧氣擴(kuò)散等因素，避免局部厭氧的發(fā)生。
2、廚余垃圾堆肥技術(shù)的改良
2.1 添加微生物菌劑
好氧堆肥是在人工控制的條件下，利用微生物降解有機(jī)廢棄物，形成穩(wěn)定的高腐殖化物質(zhì)的過(guò)程，其主要過(guò)程如圖3所示?？梢钥闯鑫⑸锸呛醚醵逊实暮诵囊刂唬浠钚?、種類(lèi)與數(shù)量直接影響好氧堆肥過(guò)程的進(jìn)行。傳統(tǒng)堆肥法一般都是直接利用物料中的土著微生物來(lái)降解有機(jī)物，但傳統(tǒng)堆肥法存在發(fā)酵周期長(zhǎng)、肥效低且易產(chǎn)生污染氣體等問(wèn)題。為改善堆肥工藝，早在20世紀(jì)40年代，美國(guó)學(xué)者就開(kāi)始向堆體中接種細(xì)菌。盡管在是否需要好氧堆肥過(guò)程中添加微生物菌劑的問(wèn)題上，研究人員持有不同觀點(diǎn)，然而大量的實(shí)驗(yàn)研究充分確認(rèn)了微生物菌劑的添加對(duì)堆肥具有促進(jìn)作用。
2.1.1 添加單一功能菌劑
微生物菌劑主要有兩方面來(lái)源：一是將原本的堆體作為菌種源，直接或通過(guò)進(jìn)一步強(qiáng)化后篩選的土著微生物；二是將環(huán)境樣品如土壤、水體等作為菌種源，通過(guò)一定技術(shù)干預(yù)篩選出特定條件下的微生物。好氧堆肥過(guò)程中為了達(dá)到某種效果（縮短發(fā)酵周期、減少NH3、H2S排放等）往往會(huì)向堆體中添加特定的功能菌劑。萬(wàn)文娟等在廚余垃圾堆肥中添加具備油脂降解功能的地衣芽孢桿菌，結(jié)果表明物料的降解效率得到有效提高，這主要是因?yàn)閺N余垃圾高油脂的特性，所以接種該菌劑產(chǎn)生了較好的效果。另外，考慮到廚余垃圾中含有較難降解的纖維素成分，研究人員向其中添加纖維素降解菌來(lái)加速對(duì)纖維素的降解。諸葛誠(chéng)祥向堆肥中添加篩選得到纖維素降解菌，結(jié)果將發(fā)酵周期縮短了6d。為減少堆肥中污染氣體的排放，提高堆肥產(chǎn)品的肥效，大量減少NH3、H2S、N2O和CH4排放的功能菌劑也開(kāi)始應(yīng)用。邢偉杰等通過(guò)向堆肥中添加芽孢桿菌，結(jié)果表明該菌劑對(duì)污染氣體的減排效果明顯，其中對(duì)NH3和H2S減排率分別達(dá)41.16%和39.82%。但是單一菌劑功能效果畢竟有限，要想獲得更佳的堆肥效果向堆體中添加復(fù)合微生物菌劑成為國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向。
2.1.2 添加復(fù)合菌劑
復(fù)合菌劑一般有兩種或兩種以上的微生物，選擇適當(dāng)比例的微生物進(jìn)行培養(yǎng)，發(fā)揮它們的聯(lián)合作用，以達(dá)到最佳的應(yīng)用效果。為了促進(jìn)物料快速分解、提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，在大多數(shù)情況下使用的都是復(fù)合微生物菌劑。
羅一鳴在堆肥試驗(yàn)中證實(shí)添加VT菌劑加速了升溫速度，這與其中芽孢桿菌能夠高效地降解纖維素有密不可分。余培斌等將枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等按比例制成復(fù)合菌劑添加到廚余垃圾中堆肥，發(fā)現(xiàn)該菌劑不僅能縮短了約40%的堆肥周期，而且提高了廚余垃圾31%的降解率。Zhao等通過(guò)篩選出不同物種優(yōu)勢(shì)菌株（8種細(xì)菌、1種放線(xiàn)菌和3種真菌）制成復(fù)合微生物菌劑YH，在廚余垃圾堆肥過(guò)程中添加該菌劑，研究表明該菌劑可將發(fā)酵周期縮短1/3且減少了約40%的NH3排放和30%左右的H2S排放量，有效地提高了堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。陳文旭等在廚余垃圾堆肥中添加了VT-1000復(fù)合微生物菌劑，在第2天添加菌劑的堆體就進(jìn)入了高溫期，有效了提高了發(fā)酵速率，另外，相比于對(duì)照組該處理減少了16.3%的CO2、19.1%的CH4和49.2%的N2O，溫室效應(yīng)排放當(dāng)量減排率高達(dá)45.42%。但目前復(fù)合菌劑中各菌屬發(fā)揮的重要作用機(jī)理尚不明確，且大多未在體系內(nèi)定殖并擴(kuò)繁，而作用的發(fā)揮又與物料性質(zhì)和過(guò)程控制參數(shù)密切相關(guān)，這也造成相同的菌劑在不同的體系中可能會(huì)發(fā)揮差異性的影響，因此仍有必要根據(jù)物料的性質(zhì)選擇各組分功能明確且顯著、菌劑功效穩(wěn)定的菌劑產(chǎn)品。
2.1.3 微生物菌劑應(yīng)用的局限性
微生物菌劑價(jià)格相對(duì)昂貴，增加了處理成本，限制了其在堆肥中的廣泛應(yīng)用。另外，有研究發(fā)現(xiàn)部分微生物菌劑在接種后存在效果不佳甚至無(wú)效果、適用范圍窄等問(wèn)題，其主要原因可能在于堆體環(huán)境限制了其活性且不適宜微生物的生長(zhǎng)繁殖，或者添加的微生物和土著微生物之間存在著競(jìng)爭(zhēng)。因此，若想要從根本上解決這些問(wèn)題，仍需要從微生物的生存環(huán)境出發(fā)來(lái)提高其在堆肥中的存活力和活性，主要包括調(diào)節(jié)堆肥過(guò)程中的溫度、含水率、顆粒粒徑、通風(fēng)量等參數(shù)，使之有利于堆體中的微生物的生長(zhǎng)和繁殖。
2.2 影響好氧堆肥過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)
堆肥化是微生物轉(zhuǎn)化分解有機(jī)物，環(huán)境條件是影響堆肥過(guò)程的又一核心要素。若堆體的環(huán)境不適宜，即使添加微生物菌劑也難以發(fā)揮作用，由此可見(jiàn)堆肥環(huán)境參數(shù)的重要性。廚余垃圾好氧堆肥的本質(zhì)是微生物利用堆體中的氧氣降解有機(jī)物，有機(jī)物、微生物、氧氣是好氧堆肥的三大元素，氧氣作為三大元素之一是堆肥過(guò)程中最重要的控制因素。當(dāng)堆體氧氣濃度過(guò)低時(shí)不僅會(huì)延長(zhǎng)發(fā)酵周期，還會(huì)因局部厭氧產(chǎn)生大量的污染氣體，降低堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。堆肥過(guò)程中能夠影響堆體氧氣含量以及其在堆體中擴(kuò)散的環(huán)境參數(shù)主要有自由空域、顆粒粒徑、含水率、通風(fēng)速率、通風(fēng)頻率等。
2.2.1 自由空域
自由空域（freeairspace，FAS）被定義為堆肥中的氣體體積與堆料總體積之比，是好氧堆肥的一個(gè)重要工藝參數(shù)，可作為衡量堆體中氧氣擴(kuò)散情況的重要指標(biāo)。堆肥中，自由空域直接影響著堆體中的氧氣濃度和微生物對(duì)廚余垃圾的降解。適宜的FAS可以保持較適宜的供氧狀況，且有利于好氧微生物利用氧氣，減少局部厭氧情況的發(fā)生，提高發(fā)酵速率、縮短堆肥周期和減少污染氣體的排放等。SEVIK等堆肥試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)堆體FAS為37%時(shí)，物料的降解率最高，有效地縮短了堆肥發(fā)酵周期，提高了處理能力。徐志程在廚余垃圾堆肥時(shí)設(shè)置了高（65%）、中（55%）和低（45%）3個(gè)水平的FAS，結(jié)果表明55%水平下的FAS更有利于溫室氣體及臭氣的協(xié)同減排以及物料的腐熟，這可能是堆體在該水平自由空域下更有利于氧氣擴(kuò)散導(dǎo)致的。研究表明最佳的FAS范圍為30%-55%，但該數(shù)值受很多因素的影響，其中與堆體的含水率和物料的粒徑聯(lián)系最為密切，通風(fēng)量對(duì)其也有一定的影響。
2.2.2 含水率
微生物生長(zhǎng)和代謝需要以水作為介質(zhì)，水還參與其生化反應(yīng)。同時(shí)，含水率的高低還會(huì)影響到氧氣在堆體中的擴(kuò)散，所以堆肥過(guò)程中含水率對(duì)發(fā)酵速率和污染氣體排放有著重要的影響。研究表明當(dāng)含水率太高時(shí)，堆體中的氧氣因難以擴(kuò)散會(huì)造成大量局部厭氧的情況；但含水率低于30%時(shí)，卻由于水分的缺失，反應(yīng)過(guò)程會(huì)完全停止。Yeh等在廚余垃圾堆肥過(guò)程中設(shè)置了6個(gè)梯度（42%、55%、61%、66%、70%和78%）的含水率，其中含水率在42%時(shí)堆體升溫速度最慢，可能是缺水條件下微生物活性受到了抑制；含水率在78%時(shí)升溫亦較慢，可能是含水率太高影響堆體中微生物對(duì)氧氣的利用。李丹陽(yáng)等在堆肥試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)含水率為75%時(shí)發(fā)酵反應(yīng)不能正常進(jìn)行，堆體中微生物對(duì)氧氣的利用率也較低，且釋放了大量厭氧環(huán)境才會(huì)產(chǎn)生的CH4，而初始含水率為65%時(shí)，堆料具有足夠的自由空域，更有利于氧氣的擴(kuò)散，堆體的發(fā)酵速率較快；相比含水率為75%，CH4的減排率達(dá)到了52.01%，N2O排率達(dá)到了53.04%。因此，含水率不僅會(huì)影響微生物自身的生長(zhǎng)繁殖，還會(huì)影響堆體孔隙率和微生物對(duì)氧氣的利用，進(jìn)一步影響堆肥周期和污染氣體的產(chǎn)生。
2.2.3 顆粒粒徑
堆肥物料的分解主要發(fā)生在顆粒的表面或接近顆粒表面的地方，由于氧氣可以擴(kuò)散進(jìn)入包裹顆粒的水膜，所以這些地方有足夠的氧氣保證有氧代謝的需求。在一定條件下，有機(jī)物的比表面積與降解速率成正比，因此顆粒大小對(duì)好氧堆肥發(fā)酵速率和堆肥周期的長(zhǎng)短都有著重要影響。另外，物料粒徑的大小不僅影響著發(fā)酵周期還影響著堆體的孔隙結(jié)構(gòu)，過(guò)大的粒徑易使氣體擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致熱量散失，粒徑過(guò)小時(shí)會(huì)造成局部厭氧，這些都不利于堆肥過(guò)程的進(jìn)行。已有研究表明物料最佳的堆肥粒徑為5-50mm，但由于物料性質(zhì)的差異，沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。鄭衛(wèi)聰?shù)葘⑽锪纤橹?/span>50mm，結(jié)果在第2天時(shí)堆體溫度就達(dá)到60℃以上的高溫階段，在高溫階段維持15d左右。付麗麗等采用不同粒徑（<5、5-10、>10mm）物料堆肥，結(jié)果顯示小顆粒和中顆粒組由于具有較大的比表面積，發(fā)酵速率較快，但其因堆體結(jié)構(gòu)較差，產(chǎn)生了大量的NH3；相比之下中等顆粒玉米芯具有更適宜的堆積密度和通風(fēng)條件，具有較好的發(fā)酵速率和最佳NH3減排效果。因此，堆肥前在對(duì)物料進(jìn)行粉碎時(shí)既要考慮到堆體適宜的孔隙率，粒徑過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)發(fā)酵周期以及污染氣體的排放產(chǎn)生影響。
2.2.4 通風(fēng)速率
通風(fēng)是物料與氧氣間建立聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，通風(fēng)量更是堆肥工藝中極為重要的參數(shù)之一，其決定了堆體中微生物可利用氧氣的含量。通風(fēng)量過(guò)小，堆體孔隙率較低，堆體會(huì)產(chǎn)生大量厭氧區(qū)域，導(dǎo)致好氧微生物活性低，延長(zhǎng)堆肥周期，加劇臭氣排放；通風(fēng)量過(guò)高，易導(dǎo)致堆體升溫慢、水分損失嚴(yán)重，延長(zhǎng)發(fā)酵周期。一般認(rèn)為，堆體中的氧濃度保持在8%-18%比較適宜。何明浩等在廚余堆肥過(guò)程中設(shè)置了高（0.6L/min）、中（0.4L/min）和低（0.2L/min）3個(gè)水平的通風(fēng)速率進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明高通風(fēng)速率雖能加快堆體氧濃度恢復(fù)速率和減少堆體局部厭氧的發(fā)生，但不利于堆體高溫的維持；通風(fēng)速率為0.4L/min時(shí)不僅可以維持較高的堆溫還可以減少溫室氣體的排放。徐志程采用了不同通風(fēng)速率（0.24、0.36和0.48Lkg-1min-1）進(jìn)行廚余垃圾堆肥試驗(yàn)，研究表明通風(fēng)速率的提高，減少了堆體中的厭氧區(qū)域，從而減少了N2O、H2S的排放，其中H2S的減排量達(dá)到了19%以上；其中0.36Lkg-1min-1更有利于縮短堆肥周期和污染氣體的協(xié)同減排。因此，堆肥過(guò)程中設(shè)置通風(fēng)速率時(shí)要考慮到堆體需氧量的同時(shí)不能過(guò)度通風(fēng)，不利于堆體快速升溫。
2.2.5 通風(fēng)頻率
好氧堆肥不僅要有合適的通風(fēng)量，而且還要有合適的通風(fēng)頻率。通過(guò)觀察持續(xù)通風(fēng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，堆體中各個(gè)時(shí)期微生物對(duì)氧氣有著不同的需求量。其中高溫期生化反應(yīng)較為劇烈，氧氣的消耗量較多；腐熟期時(shí)微生物則消耗較少的氧氣。Magalhaes等認(rèn)為堆體中氧氣濃度達(dá)到10%以上微生物就可保持最高的活性。研究也表明，合理的通風(fēng)頻率不僅利于堆體升溫與縮短發(fā)酵周期，而且可減少堆肥過(guò)程中污染氣體的排放。因此，選擇合適的通風(fēng)間隔不僅可能減少能耗，還可能達(dá)到較好的堆肥效果。鄭玉琪等研究表明通風(fēng)5min可以保證堆體中氧氣的充分供應(yīng)，通風(fēng)結(jié)束后，前10min堆體內(nèi)氧氣供應(yīng)充足，微生物活動(dòng)較高，氧氣濃度會(huì)呈快速下降趨勢(shì)。但該研究?jī)H能提供參考，具體的通風(fēng)頻率應(yīng)根據(jù)通風(fēng)速率以及堆體所處的發(fā)酵時(shí)期來(lái)確定。
2.3 廚余垃圾堆肥過(guò)程供氧策略?xún)?yōu)化
好氧堆肥工藝中氧氣能否在堆體中較好地?cái)U(kuò)散以及被微生物充分利用受到多方面的影響。在一定范圍內(nèi)，好氧堆肥各個(gè)參數(shù)之間的影響如圖4所示。因此在調(diào)整工藝參數(shù)時(shí)，需要尋求物料比表面積和物料空隙度的平衡，使堆肥物料保持較好的自然供氧量，以維持堆肥中較高的好氧微生物活性，對(duì)縮短發(fā)酵周期、減少污染氣體排放和提高堆肥質(zhì)量有著重要意義。
氧氣是好氧堆肥中的必需元素，更是對(duì)好氧堆肥是否成功起著決定性作用。大多數(shù)工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)好氧堆肥的影響也主要是通過(guò)直接或者間接影響堆體中的氧氣濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)。其次，微生物能否較好地利用堆體中的氧氣是影響好氧堆肥過(guò)程的關(guān)鍵。因此，針對(duì)目前廚余垃圾堆肥發(fā)酵周期長(zhǎng)、易產(chǎn)生污染氣體且肥效低等問(wèn)題，可以從提高堆體中氧濃度方面入手，對(duì)好氧堆肥工藝進(jìn)行優(yōu)化。
隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)簡(jiǎn)單的持續(xù)通風(fēng)方式并不契合堆肥微生物的生長(zhǎng)規(guī)律，通風(fēng)速率供給與微生物呼吸作用之間不存在連續(xù)的線(xiàn)性關(guān)系，通風(fēng)速率存在1個(gè)流量閾值，超過(guò)該閾值后氧氣含量的增加并不會(huì)影響微生物的活性反而還會(huì)不利于堆體升溫。Qasim等在通風(fēng)速率分別為0.3、0.6、0.9Lkg-1min-1情況下進(jìn)行堆肥，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)量大的情況下并不能提高發(fā)酵速率，反而低通風(fēng)速率下微生物活性較高，升溫較好。由此可見(jiàn)，可以根據(jù)堆肥微生物的生長(zhǎng)與生活特性對(duì)通風(fēng)策略進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，不但可以?xún)?yōu)化廚余垃圾堆肥工藝，還可以達(dá)到節(jié)省能源的目的。
此外，隨著人工智能的飛速發(fā)展，使得將其應(yīng)用在好氧堆肥領(lǐng)域也成為一種可能。丁國(guó)超等通過(guò)數(shù)據(jù)搭建一套適用于好氧堆肥反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境的通風(fēng)量在線(xiàn)預(yù)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堆肥過(guò)程中所需的通風(fēng)供氧量并通過(guò)控通風(fēng)閥門(mén)使堆肥過(guò)程中有充足的氧氣能加快反應(yīng)進(jìn)程，避免因通風(fēng)量不夠而產(chǎn)生局部厭氧的情況。這將對(duì)實(shí)際應(yīng)用中通風(fēng)速率的調(diào)節(jié)有著較好的指導(dǎo)作用。
近年來(lái)，單片機(jī)與傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，在堆肥領(lǐng)域運(yùn)用得也越來(lái)越多。Anand等研發(fā)了一種由PLC控制的高效曝氣堆肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)測(cè)定堆體中的溫度來(lái)負(fù)反饋調(diào)節(jié)堆肥的通風(fēng)量，增強(qiáng)堆肥不同階段微生物的活性，使堆肥進(jìn)程更加快速、穩(wěn)定。該系統(tǒng)能耗低，可全由太陽(yáng)能進(jìn)行供電，大大降低了堆肥的成本。另外，傳感器技術(shù)的應(yīng)用使好氧堆肥向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，在加快了好氧堆肥發(fā)酵速率的同時(shí)，也節(jié)省了大量的成本。
3、結(jié)論與展望
“雙碳”背景下，好氧堆肥技術(shù)的發(fā)展方向必將是以清潔生產(chǎn)為目標(biāo)的高效、綠色、可持續(xù)的處理技術(shù)。廚余垃圾好氧堆肥過(guò)程中發(fā)酵進(jìn)程緩慢和污染氣體排放量大的最主要原因是堆體環(huán)境限制了微生物對(duì)氧氣的高效利用。外源菌劑的添加時(shí)要考慮外源微生物對(duì)堆肥環(huán)境適應(yīng)性較強(qiáng)且不會(huì)與土著微生物之間存在競(jìng)爭(zhēng)等問(wèn)題以避免應(yīng)用效果受限。環(huán)境參數(shù)優(yōu)化要重點(diǎn)關(guān)注物料比表面積和孔隙度的平衡，提高氧氣的利用率以增強(qiáng)功能性微生物的活性。因此，基于生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工藝技術(shù)的進(jìn)步，功能性菌劑的研發(fā)和工藝參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)是廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)今后研究的重點(diǎn)與方向。
微生物菌劑具有縮短發(fā)酵周期、減少污染氣體排放和增高肥效等多方面功效，可有時(shí)因難以適應(yīng)堆體環(huán)境參數(shù)而發(fā)揮不出作用，隨著基因工程的發(fā)展，在未來(lái)研究中若能利用基因工程技術(shù)構(gòu)建起對(duì)堆體環(huán)境普適性強(qiáng)、保碳保氮能力強(qiáng)且擴(kuò)培成本低的菌劑庫(kù)，那將進(jìn)一步強(qiáng)化微生物菌劑的作用。另外，若能探明菌劑中各個(gè)菌株的功能作用，按照廚余垃圾中各成分的降解順序，分階段添加功能菌劑并實(shí)現(xiàn)定殖并擴(kuò)繁，那將大大節(jié)約處理成本，提高廚余垃圾的處理效率。
廚余垃圾好氧堆肥過(guò)程中，影響堆體中氧氣擴(kuò)散的因素有很多，但關(guān)于這些因素之間相互作用的機(jī)理研究相對(duì)較少。很多學(xué)者都采用單因素確定最佳工藝條件，但此方法無(wú)法說(shuō)明變量的相互作用效應(yīng)。未來(lái)，若能將數(shù)學(xué)建模以及數(shù)值模擬等方法運(yùn)用在堆肥領(lǐng)域，將使得各參數(shù)之間的作用機(jī)理以及對(duì)堆體中氧氣擴(kuò)散的影響更加清晰準(zhǔn)確，為實(shí)現(xiàn)廚余垃圾高效堆肥處理提供更明確的理論依據(jù)。（來(lái)源：中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)有機(jī)循環(huán)研究院（蘇州））