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碳氮比对厨余垃圾堆肥腐熟度的影响 * 张红玉 北京建筑材料科学研究总院固废资源化利用与节能建材国家重点实验室，北京 100041 摘要 以厨余垃圾和玉米秸秆作为堆肥原料， 采用好氧堆肥的方法， 探讨了不同 C/N 比对堆肥腐熟度的影响。结果表 明 从温度、 pH、 电导率 EC 、 腐植酸光学特性 E4/E6 、 固相 C/N 和发芽率指数 GI 来看， 只有 C/N 为 21 T4 的处 理没有达到无害化和腐熟的要求， 其余 3 个处理均达到腐熟; 建议采用 C/N 为 17 的方案， 厨余垃圾和秸秆按照湿基 质量 9∶ 1的比例进行堆肥; 如果秸秆资源比较丰富， 可采用 C/N 为 19 的方案， 此时厨余垃圾和秸秆湿基比例为 5. 7∶ 1。 关键词 厨余垃圾;碳氮比 C/N ;玉米秸秆;腐熟度 EFFECTS OF C/N RATIO ON THE MATURITY DURING KITCHEN WASTE COMPOSTING Zhang Hongyu State Key Laboratory of Solid Waste Resources Utilization and Energy Saving Building Materials， Beijing Building Materials Academy of Science Research，Beijing 100041，China AbstractBased on aerobic composting， the impact except of composting with different C/N ratio on maturity was studied in kitchen waste and corn straw． The results showed that，except the treatment of C/N ratio at 21 T4 ，all compost products met with national sanitation standard and reached maturity according to temperature，pH，electrical conductivity EC ，E4/E6，C/ N ratio and germination index GI ． Therefore，it is recommended that C/N ratio at17 is better for kitchen waste composting， the kitchen waste and corn straw basis on the wet weight ratio of 9∶ 1 for composting;if corn straw is abundant，C/N ratio at 19 is better，kitchen waste in the composting of corn straw accounts for 15 in wet weight is suitable． Keywordskitchen waste;C/N ratio;corn straw;maturity * 国家自然基金项目 40971177， 41075110 ; 国家十二五科技支撑项目 2012BAD14B06， 2012BAD14B16 ; 国家重点基础研究发展计划 973 项目 2010CB735803 。 0引言 随着居民生活消费水平的提高、 能源结构和饮食 习惯的变化， 厨余垃圾在生活垃圾中所占的比例逐年 升高 ［1］。在北京等特大型城市， 厨余垃圾所占比例 高达 60 ， 最高可达 80 以上 ［2- 3］。厨余垃圾具有含 水率高、 有机成分多、 易腐烂、 热值低、 有害成分少等 特点 ［4- 5］。因此， 厨余垃圾的处理与资源化越来越引 起全社会的关注。目前， 国内外普遍采用堆肥化处理 厨余垃圾， 通过高温堆肥无害化处理， 厨余垃圾可以 快速分解并转化形成有机肥， 是一种良好的土壤改良 剂。然而， 未腐熟的堆肥施用于土壤后， 由于有毒组 分的存在， 严重影响了作物生长 ［6- 7］。 堆肥化过程中， C/N 比对微生物分解有机物的速 度有重要影响， 是决定发酵进程和堆肥产品最终性能 的主要因素之一。C /N 比过高， 大多数微生物供氮不 足， 生长受到限制， 有机物降解缓慢; C /N 比过低， 使 废弃物中 的 氮以 氨 气的 形 式 挥 发 损 失， 散 发 出 臭 味 ［8- 10］。此外 C /N 比过低时， 可能会导致堆肥温度 低、 高温期短、 电导率高、 氮素损失高和腐熟期滞后等 问题 ［11- 12］。目前， 很多研究报道了有关 C /N 比对猪 粪、 牛粪等农业废弃物堆肥腐熟度的影响 ［13- 14］， 而对 于厨余垃圾的研究鲜见报道。本研究针对厨余垃圾 低碳氮比这一特点， 通过添加不同量玉米秸秆调节混 合物 C /N， 对比了不同 C /N 比条件下堆肥的腐熟度， 从而为厨余垃圾堆肥原料的优化提供依据。 1试验部分 1. 1堆肥材料和堆肥装置 采集北京市南城地区马家楼转运站筛分的混合 垃圾， 经人工大类粗分为厨余垃圾、 其他垃圾和可回 收垃圾， 厨余垃圾含 50 蔬菜废物， 25 果皮垃圾， 78 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 20 肉类废物和 5 树叶。将分类后的厨余垃圾充 分混合作为堆肥原料。玉米秸秆取自中国农业大学 上庄试验站风干后的秸秆， 粉碎至粒径 2 ～ 3cm 备 用。堆肥原料基本性状见表 1。堆肥装置采用 60L 的密闭发酵罐， 发酵罐结构见图 1。 表 1堆肥原料参数特性 堆肥原料TOC /TN /含水率 /C /N 厨余垃圾33. 4 4. 32. 4 0. 671. 8 3. 813. 9 玉米秸秆43. 4 2. 90. 8 0. 29. 1 0. 352. 9 图 1强制通风静态垛堆肥反应器示意 1. 2试验设计和堆肥方法 厨余垃圾作为主要堆肥原料， 玉米秸秆作为堆肥 辅料， 试验共设置 4 组处理 T1T4， 通过调节厨余垃 圾与玉米秸秆的比例， 将初始物料的 C/N 分别控制 在 15、 17、 19 和 21， 待物料充分混合后放置在密闭发 酵罐中进行堆肥处理。堆肥过程中采用持续通风方 式， 通风量为 0. 2 L/ kgmin 。堆肥共进行 30d， 每 周翻堆一次， 分别于 0， 3， 7， 14， 21， 30d 在每个发酵罐 的 3 个采样口分别采集固体样， 每个口采集约 50g， 将采集的样品充分混合， 样品分为 2 份， 一份储存在 4℃ 冰箱中待用， 一份样品用烘箱在 105 ℃ 条件下烘 干， 测定含水率。通过测定样品 pH、 电导率 EC 、 腐 植酸 光 学 特 性 E4/E6 、 总 有 机 碳 TOC 、 总 氮 TN 、 固相样品的 C/N 和发芽率指数 GI ， 分析 C / N 对厨余垃圾堆肥腐熟度的影响。 1. 3分析方法 堆肥温度通过连接电脑的温度传感器直接读取; 含水率于 105℃下烘干至恒重计算得出; 按 m 垃圾 ∶ V 水 1∶ 10 加水浸提过滤， 用 twin pH B- 212 pH 计 成都光谱科学仪器有限公司 测 pH 值; EC 值用 DDS- 11A 型电导测定仪 深圳市同奥科技有限公司 测定; E4/E6用 722 型可见光分光光度计 上海天普 分析仪器有限公司 于 465 nm 和 665 nm 处分别测定 吸光度值并取两者之比; 固相 C /N 为总有机碳质量 / 总氮质量， 将垃圾彻底风干后， 用植物粉碎机粉碎并 过 0. 149 mm 筛， 总有机碳 TOC 采用重铬酸钾容量 法 － 外加热法测定， 总氮 TN 采用凯氏定氮法测 定 ［15］; GI 的测定是取上述浸提液 5 mL 于垫有滤纸 的培养皿中， 取 10 粒饱满的小青菜种子， 然后放置在 20 1℃ 的培养箱中培养， 96h 后测定发芽率 ［16］。 2结果与讨论 2. 1温度和 pH 的变化 温度是影响好氧堆肥顺利进行的重要因素 ［17］。 各处理组温度的变化趋势基本一致 图 2 。堆肥开 始阶段， 由于厨余垃圾中易降解物质的快速分解， 堆 肥温度迅速上升。在堆肥的第 3 天， T1 和 T2 的温度 均上升到 50℃ 以上， T3 和 T4 在堆肥的第 4 天温度上 升到 50℃ 以上。在第 7 天经过翻堆处理后， 4 个处理 的温度均有所下降， 随后快速上升。堆肥 10d 后， T1 和 T2 的温度均再次出现快速下降的趋势， T3 的温度 在 12 天后再次出现快速下降的趋势， 而 T4 在堆肥的 7 天后温度急速下降。第 14 天和第 21 天的翻堆处 理对堆肥温度影响不大， 因此厨余垃圾添加玉米秸秆 堆肥过程中只需要在第一周翻堆一次。总体来看， 4 个处理的高温期均在前 10 天， 说明有机物主要在前 10 天进行分解， 堆肥后期有机物的分解速率非常缓 慢， 尤其是堆肥 15 天以后。4 个处理组相比， 高温期 ＞ 55 ℃ 的持续时间分别为 6， 8， 7， 3d， 这个结果与 Huang 的研究结果相反 ［11］， 即低碳氮比处理的高温 持续期要低于高碳氮比处理。根据生活垃圾堆肥厂 运行管理规范， 仅 T4 不符合要求 ［18］。 4 个处理组的 pH 变化趋势基本一致， 呈现先上 升再下降的趋势 图 3 ， pH 的上升主要是由于在微 生物的作用下， 有机氮矿化和氨化作用下产生氨气所 致。C /N 为 15、 17 和 19 的处理由于前期高温时间持 续较短， 氨化作用持续时间较长， 氨气持续产生， 因此 在整个堆肥期的 pH 都较高， 均在第 3 天达到最大 值， 之后缓慢下降， 到堆肥结束时， pH 值为 7. 8、 7. 9 和 8. 0; 而 C /N 为 21 的处理组则由于前期高温， 在第 3 天就达到最大值 8. 0， 此后随着氨气的挥发， pH 值 下降， 堆肥结束时， pH 为 8. 2。pH 在后期降低是由 于氨气释放和硝化细菌的硝化作用释放出的 H ［19］， 88 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 以及有机物降解和微生物活动产生的有机、 无机酸所 致 ［20］; 大量 CO 2的释放也是 pH 值降低的一个原因。 高碳氮比堆肥的 pH 在整个堆肥过程中都低于低碳 氮比处理， 这主要是由于高温期有大量氨气生成的原 因。总体来看， 4 个堆肥产品的 pH 均大于 7， 表明堆 肥达到完全腐熟 ［21］。 图 2不同 C /N 堆肥过程中温度变化 图 3不同 C /N 堆肥过程中 pH 的变化 2. 2电导率 EC 的变化 电导率 EC 反 映 了 堆 肥 浸 提 液 中 的 离 子 浓 度 ［22］。由图 4 可以看出 4 个处理的 EC 值的变化 趋势基本一致。随着堆肥的进行， EC 值在前 3d 呈 现较高值， 这是因为在堆肥初始阶段， 微生物代谢 旺盛， 活动加剧， 堆肥物料剧烈分解产生大量的小 分子有机酸和各种离子 NH 4 、 HCO － 3 、 H 等 。随 后由于二氧化碳、 氨气的挥发， 以及胡敏酸物质含 量的升高和阳离子交换量的升高， EC 值下降 ［23］。 堆肥结束时， 4 个处理的 EC 都小于 3. 00 mS /cm， 表 明在作物生长安全范围之内， 不会对作物的生长产 生毒害作用。 图 4堆肥过程中电导率的变化 2. 3腐殖酸光学特性 E4/E6 的变化 E4/E6是堆肥腐殖化作用大小的重要指标， 其高 低直接与腐殖酸的分子大小或者分子的缩合度有关， 通常随着堆肥液相 水浸提液 腐殖酸相对分子质量 或缩合度的减小而增加 ［24］。从图 5 可以看出 4 个堆 肥处理组的 E4/E6值均随堆肥的进行而呈上升趋势， 表明随着堆肥时间的延长， 腐殖酸向着分子量越来越 大和缩和度越来越高的方向转化， 堆肥的腐熟程度越 来越高。从堆肥腐殖化作用的本质来看， 主要是小分 子腐殖酸向着大分子腐殖酸转化， 或者由小分子的富 里酸向着大分子的胡敏酸甚至更大分子的胡敏素方 向转化。 图 5堆肥过程中腐殖酸光学特性 E 4/E6 的变化 2. 4堆肥前后 TOC、 TKN 和 C /N 的变化 堆肥过程中 TOC、 TKN、 C /N 的变化情况见表 2。 由表 2 可以看出 4 个处理 TKN 含量与堆肥原料相比 均有所增加， 这主要是因为随着堆肥的进行， NH3的 挥发使得堆肥前期的 N 元素损失较多， 因此 TKN 在 堆肥前一周普遍下降。堆肥后期有机物大量分解， 而 NH3的排放量很小， TKN 含量又逐渐增加， 因而堆肥 98 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 结束时 TKN 含量均有所增加。堆肥过程中 TOC 呈 普遍下降的趋势， 4 个处理相比， T1 的 TOC 下降幅度 最大， T4 的下降幅度最小， 这主要是因为 C /N 为 21 的处理组， 添加了过多的玉米秸秆， 玉米秸秆较难分 解， 因 而 也 限 制 了 堆 肥 有 机 物 的 分 解 速 率。虽 然 TKN 呈上升的趋势， 但是由于 TOC 的下降幅度很大， 使得堆肥过程中 C/N 呈下降的趋势。堆肥结束时， 4 个处理组的 C/N 由原来的 15、 17、 19 和 21 分别降低 到 13、 14、 14 和 18。 表 2堆肥过程主要化学指标变化 处理TKNTOCC /N T1初始2. 2 0. 334. 0 4. 115 结束2. 3 0. 227. 4 6. 513 T2初始2. 1 0. 535. 0 3. 617 结束2. 2 0. 128. 8 3. 314 T3初始1. 9 0. 636. 0 2. 419 结束2. 3 0. 432. 2 6. 014 T4初始1. 8 0. 336. 8 4. 121 结束2. 1 0. 236. 1 5. 318 2. 5发芽率指数 GI 的变化 发芽率指数是一个直接并快速反映堆肥对植物 毒害性的生物指标， 当发芽率指数 GI 大于 50 时 可以认为堆肥对植物基本没有毒害， 当 GI 大于 80 时， 可认为对植物完全没有毒性 ［25］。如图 6 所示， 随 着堆肥的进行， 发芽率指数呈上升趋势， T2 和 T3 的 GI 普遍高于其余 2 个处理组， T4 的 GI 最低， 这主要 是因为 T4 的有机物降解不彻底所造成。到堆肥结束 时， 各处理的发芽率指数分别为 91 、 108 、 104 和 65 ， 以 85 作为腐熟标准， T4 即 C/N 为 21 的堆 肥还没有达到腐熟。 图 6不同碳氮比处理在堆肥过程中的 GI 变化 3结论与建议 1 从温度变化来看， 在堆肥的第 3 天， T1 和 T2 处理组的温度均上升到 50℃ 以上， T3 和 T4 处理组在 堆肥的第 4d 温度上升到 50℃ 以上。T1、 T2、 T3、 T4 处理组高温＞ 55 ℃ 持续时间分别为 6， 8， 7， 3d， 说 明 C /N 在 17 ～ 19 时有利于有机物的分解， C /N 为 21 的堆肥处理没有达到无害化的要求。 2 从翻堆频率来看， 第一周翻堆处理后， 4 组堆 体温度均快速上升， 说明翻堆处理具有疏松、 均化堆 肥物料的作用， 使前期分解不均匀的物料快速分解， 进而促进堆体再次升温; 而第 2 ～ 3 周翻堆处理后几 乎对温度没有任何影响， 说明堆肥 14d 后有机物的分 解就基本趋于平稳， 因此厨余垃圾添加秸秆的堆肥处 理堆肥过程中只需在第一周翻堆 1 次。 3 从 pH、 EC、 E4/E6、 固相 C /N 比 4 个指标来看， 4 个处理组的垃圾堆肥均达到了基本腐熟，随着秸秆 添加量的增大， 堆肥的 EC 值明显降低， 说明了通过 添加秸秆可以缓解厨余垃圾盐分高的问题。 4 从 GI 来看， T1、 T2 和 T3 处理组的 GI 均高于 85 ， 表明 3 个处理的堆肥产品完全达到腐熟， 施入 土壤不会对作物产生毒害作用; 而 T4 处理在调节 C/ N 时添加了较多的秸秆， 秸秆本身较难分解， 因而阻 碍了整个堆肥的进行， 导致最终堆肥产品没有达到无 害化和腐熟的要求。 5 厨余垃圾堆肥过程中建议采用 C /N 为 17 的 方案， 厨余垃圾和秸秆按照湿基 9∶ 1的比例进行堆 肥， 可以处理更多的厨余垃圾; 如果秸秆资源比较丰 富， 可采用 C /N 为 19 的方案， 此时厨余垃圾和秸秆 湿基比例为 5. 7∶ 1。 参考文献 ［1］徐栋， 沈东升， 冯华军． 厨余垃圾的特性及处理技术研究进展 ［J］． 科技通报， 2011， 27 1 130- 135． ［2］李春萍． 基于大类粗分的区县级生活垃圾物流系统优化及其 管理模式研究［D］． 北京 中国农业大学， 2008． ［3］王桂琴． 不同分类模式下城乡结合部生活垃圾管理体系研究 ［D］． 北京 中国农业大学， 2009． ［4］李秀芬， 赵阳， 堵国成， 等． 微量金属元素及其配合物对厨余垃 圾甲烷发酵的影响［J］． 环境工程学报， 2009， 3 3 521- 524． ［5］赵振焕， 金春姬， 张鹏， 等． 酵母菌对厨余垃圾厌氧发酵产乙酸 的影响［J］． 环境工程学报， 2009， 3 10 1885- 1888． ［6］Chen K S，Lin Y S，Yang S S．Application of thermotolerant microorganisms forbiofertilizerpreparation ［J］．JMicrobiol Immunol Infect，2007，40 6 462- 73． ［7］Fernandez J，Hernndez D，Plaza C，et al．Organic matter in 09 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期 degraded agricultural soils amended with composted and thermally- dried sewage sludge ［J］． Sci Total Environ，2007，378 1 /2 75- 80． ［8］Hong J H，Park K J． Compost biofiltration of ammonia from bin composting［J］． Bioresour Technol， 2005，96 6 741- 745． ［9］Ogunwande G A，Osunade J A，Adekalu K O，et al． Nitrogen loss in chicken litter compost as affected by carbon to nitrogen ratio and turning frequency［J］． Bioresource Technology，2008，99 16 7495- 7503． ［ 10］Pagans E，Barrena R，Font X，et al． Ammonia emissions from the composting of different organic wastes dependency on process temperature［J］． Chemosphere，2006，62 9 1534- 1542． ［ 11］Huang G F，Wong J W，Wu Q T，et al．Effect of C /N on composting of pig manure with sawdust［J］． Waste Management， 2004，24 805- 813． ［ 12］Zhu N． Effect of low initial C /N ratio on aerobic composting of swine manure with rice straw［J］． Bioresource Technology，2007， 98 9- 13． ［ 13］刘凯， 郁继华， 颉建明， 等． 不同配比的牛粪与玉米秸秆对高温 堆肥的影响［J］． 甘肃农业大学学报， 2011， 46 1 82- 88． ［ 14］秦莉， 沈玉君， 李国学， 等． 不同 C /N 比对堆肥腐熟度和含氮气 体排放变化的影响［J］． 农业环境科学学报， 2009， 28 12 2668- 2673． ［ 15］鲍士旦． 土壤农化分析［M］． 3 版． 北京 中国农业出版社， 2000． ［ 16］Sellami F，Hachicha S，Chtourou M，et al． Maturity assessment of composted olive mill wastes using UV spectra and humification parameters［J］． Bioresour Technol，2008，99 6900- 6907． ［ 17］席北斗，李英军，刘鸿亮，等． 温度对生活垃圾堆肥效率的影 响［J］． 环境污染治理技术与设备，2006，6 7 34- 36． ［ 18］DB 11 /T 2722005 生活垃圾堆肥厂运行管理规范［S］． ［ 19］Eklind Y， Kirchmann H．Composting and storage of organic household waste with different litter amendments，Ⅱ nitrogen turnover and losses［J］． Bioresource Technology，2000，74 125- 133． ［ 20］Mathur S． Composting processes［M］/ /Martin A M． Bioconversion of waste materials to industrial products．New YorkElsevier， 1991，147- 186． ［ 21］Mas M，Blasi A．uation of composting as a strategy for managing organic wastes from a municipal market in Nicaragua ［J］． Bioresource Technology，2008，99 5120- 5124． ［ 22］李春萍，李国学，李玉春，等． 北京市南宫隧道仓不同区间垃 圾堆肥腐熟度的模糊评价［J］． 农业工程学报，2007，23 2 201- 206． ［ 23］Garcia C． Study on water extract of sewage sludge composts［J］． Soil Sci Plant Nutr，1991，37 3 399- 408． ［24］史殿龙，张志华，李国学，等． 堆高对生活垃圾中 15 mm 筛下 物堆肥腐熟的影响［J］． 农业工程学报，2010，26 1 324- 329． ［ 25］Cunha-QuedaA， RibeiroH， RamosA， etal．Studyof biochemical and microbiological parameters during composting of pine and eucalyptus bark ［J］．Bioresource Technology，2007， 98 3213- 3220． 2012 － 07 － 20 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 收稿 上接第 140 页 4 报文解析程序将存储在接口服务器数据库的 报文接收数据表中的报文读出并解析， 写入到 Ampla 中， 同时更新该报文的状态位为已经解析， 同时写入 日志。 根据以上描述， 环保管理系统的接口服务器是异 步、 接收和解析模块分离的接口服务器。 4. 5操作界面 环保管理系统的客户端和服务器均在 Windows 操作系统下运行， 具有 Windows 传统风格的操作界 面， 方便用户进行人机交互。 5确保环保信息化系统稳定运行 西昌公司环保信息化系统是目前攀钢公司环保 系统信息化设计建设的首次尝试。其设计建设依据 国家现行环保法律法规， 集中攀钢环保专业管理人员 三十多年环保管理经验， 结合信息化系统设计特征， 经过众多设计管理人员结合建立的一套管理系统。 不断跟踪、 优化系统功能是确保该系统完善的重 要保障。为此， 西昌公司将与承担此项目设计建设的 攀钢工程公司、 施耐德公司协同一致， 及时跟踪系统 上线功能测试， 不断完善和优化系统功能， 提升环保 管理方式和水平， 为企业环保管理， 以及国家环保事 业做出应有贡献。 参考文献 ［1］HJ 4602009 环境信息网络建设规范［S］． ［2］刘大钧， 魏有权， 杨丽琴． 我国钢铁生产企业氮氧化物减排形势 研究［J］． 环境工程， 2012， 30 5 118- 126． 作者通信处张晶615000四川凉山州西昌市航天大道一段攀钢 大学生公寓 E- mail827441815 qq． com 2012 － 09 － 04 收稿 19 环境工程 2013 年 4 月第 31 卷第 2 期