餐厨垃圾高效好氧堆肥过程参数的影响因素研究

第28卷第5期40

2010年9月

北京工商大学学报(自然科学版)

Journ al of Beiji ng Technol ogy and Bus i ness U n i vers it y(Nat u ral Science Ed iti on)

V o l 28N o 5Sep . 2010

文章编号:1671 1513(2010) 05 0040 05

餐厨垃圾高效好氧堆肥过程参数的影响因素研究

任连海, 何 亮, 宁 娜, 崔宝山

1

2

1

3

(1 北京工商大学化学与环境工程学院, 北京 100048; 2 北京环卫集团环境研究发展有限公司, 北京 100067; 3 北京国环清华环境工程设计研究院, 北京 100084)

摘 要:为了考察环境温度、初始含水率、通风量和填料量等因素对餐厨垃圾堆肥进程的影响, 分别选用3组卧式反应器进行了4因素3水平完全试验和正交试验, 对堆料温度、水溶性COD 和pH 值等餐厨垃圾好氧堆肥过程参数在不同条件下的变化规律进行了研究. 结果表明:环境温度、通风

量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐厨垃圾好氧堆肥过程均具有显著影响. 环境温度、通风量、含水率和填料量等4因素对堆肥减量化率的影响显著性顺序为含水率>环境温度>填料量>通风量.

关键词:餐厨垃圾; 好氧堆肥; 堆料温度; 水溶性C OD; p H 值中图分类号:TS209 文献标志码:A 长期以来, 各种因素对堆肥影响的研究主要集中在城市生活有机垃圾、污泥等方面, 由于餐厨垃圾具有含水率高、油脂含量高、易腐烂等特点, 针对有机固体垃圾的研究成果对其未必适用, 因此, 要使餐厨垃圾高效好氧堆肥处理技术在大规模工程化处理中得到广泛应用, 研究各因素对餐厨垃圾好氧堆肥的影响变得尤为迫切. 吕凡等

[1]

温及其停留时间、好氧速率和产CO 2能力均明显优于对照组, 并能很好地控制出口H 2S 气体含量, 特别是添加干马粪和锯末可明显改善堆料孔隙率, 吸收多余水分, 加速氧和有机物的传输速率, 改善好氧堆肥微环境.

堆料的环境温度、含水率、通风量和加入的填料量等因素是对堆肥反应有直接影响的主要控制条件, 往往通过调控这些因素可改变好氧堆肥减量化率, 因此, 通过正交试验, 研究上述因素对餐厨垃圾高效好氧堆肥过程的影响, 对餐厨垃圾好氧堆肥工艺条件的优化和控制具有指导意义.

采用高温好氧消化

工艺对餐厨垃圾进行小试实验, 控制反应在高温条件(55~65 ) 可达到最大减量率, 高温运行的最佳参数范围:p H 值为6 0~6 8, 含水率为45%~55%, 水淬碳氮比(w (COD) /w (有机氮) 为19 1~22 1. 韩涛等的餐厨垃圾好氧堆肥工艺条件优化的研究结果表明, 最佳堆肥方案为环境温度40 、含水率50%、粒径30mm 、通风量4L /min . 席北斗等的厨余垃圾蓬松剂技术研究表明, 添加锯末、树叶、秸杆和干马粪等蓬松剂后, 堆料所能达到的高

[3]

[2]

1 实验部分

1 1 实验材料

餐厨垃圾取自北京工商大学东区食堂2层. 锯

末填料购自北京木材加工厂. 实验材料性质见表1.

表1 实验材料性质

T ab . 1 Cha racte ristics o f exper i m enta lm ate rials

水溶性氨氮/

材料餐厨垃圾锯末

含水率/%77 517 04

粗灰分/%

2 853 93

pH 值3 786 41

( g ! kg -1) 0 4010 033

水溶性有机氮/( g ! kg -1) 3 6170 094

水溶性有机碳/( g ! kg -1) 222 1119 68

水溶性C /N35 3∀1328 0∀1

收稿日期:2010-09-01

基金项目:北京市优秀人才培养资助项目(2010D[1**********]4); 教育部重点实验室开放基金项目(固体废物处理与环境安全); 北京市

科技计划项目(D[1**********]801).

作者简介:任连海(1971 ), 男, 河北东光人, 副教授, 博士, 主要从事固体废物资源化处理技术方面的研究.

1 2 实验装置

实验装置见图1. 堆肥装置由3个长为750mm 、直径为150mm 的有机玻璃卧式好氧反应器组成. 反应器放置在环形吊架内, 每12h 轴向转动180#, 防止由于重力因素产生纵向含水率差.

表3 正交试验因素水平L 9(34)

T ab . 3 O rt hogona l tests factors and leve ls L 9(34)

条目123456789

A 环境温度/ [***********]

B 通风量/(L ! m i n -1)

246246246

C 初始含水率/%

[***********]

D 垃圾与填料比1∀11∀21∀31∀31∀11∀21∀21∀31∀1

率为评价指标. 测定方法见表4. 其中水淬液制备方法

是:每天从每个堆肥反应器的3个取样口各取1g 堆料

图1 实验装置F ig . 1 Experi m ental equ i p m en t

置于锥形瓶中, 加入40mL 无氨水, 机械振动(200r/m i n ) 1h , 离心(2000r/mi n ) 10m in , 抽滤制备.

表4 实验检测参数和方法

T ab . 4 Exper i m enta lm easurem ent para m eters and m otheds

测定参数

方法

每天上午9:00、下午13:00、

堆料温度

晚上17:00用温度计各测一次, 取平均值

含水率水溶性COD

减重法

取水淬液2 5m L , 用COD 快速测定法, 以COD 快速测定仪测定

4

1 3 实验方法1 3 1 实验方案

本实验通过小规模模拟实验, 考察和研究环境温度、通风量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐厨垃圾高温好氧堆肥过程的影响. 首先按表2

实验因素水平进行完全试验, 研究堆料温度、水溶性COD 和p H 值等餐厨垃圾好氧堆肥过程参数在不同条件下的变化规律. 然后按表3进行正交试验.

表2 实验因素水平L 9(3)

T ab . 2 Exper i m enta l factors and levels L 9(3)

水平123

环境温度/

254555

通风量/(L ! m i n -1)

246

初始含水率/%354555

垃圾与填料比(M

餐厨垃圾4

标准

NY /T302 1995

pH 值

)

取水淬液, 用pH 计测定分别称量初始堆料的质量和

∀M

锯末

堆肥减量化率堆肥结束后的堆料质量, 计算

得出

1∀11∀21∀3

2 结果与分析

2 1 堆体温度随时间的变化

1, 2, 3号反应器物料初始温度为自然温度20 , 4, 5, 6号反应器环境温度控制在45 , 7, 8, 9号反应器环境温度控制在55 .

物料温度随反应时间发生变化曲线如图2. 1, 2, 3号反应器的堆肥一直在20~45 范围内浮动, 40 以上分别持续了2天、4天和2天, 基本是嗜温菌在起作用, 有机物降解不剧烈, 堆肥效果不理想. 4, 5, 6号反应器采用了外加热方法保持环境温度45 . 第二天堆料温度达到45 以上, 之后温度平缓上升, 最高温度分别达到60, 59 和55 , 并且分

1 3 2 实验步骤

按表3的9个实验方案进行实验, 3个实验为一组.

取自于北京工商大学食堂2层的餐厨垃圾, 首先分拣出大块骨头、废纸、废塑料等杂质, 经食物绞碎机破碎(达到粒径约为30mm ), 再与锯末按不同比例混合, 并将混合均匀的堆料调节好水份后装入3个卧式有机玻璃堆肥反应器中, 填充率95%.按正交试验方案间歇通风供氧, 提供不同的环境温度. 1 3 3 测定参数及方法

以堆料温度、水溶性COD 、p H 值和堆肥减量化

别在55 以上保持了4天、8天和10天, 无害化效果和堆肥效果相对较好. 7, 8, 9号反应器采用了外加热方法保持环境温度55 . 第二天堆料温度达到55 以上, 之后平缓上升, 并均在60 以上保持了5天以上. 但是8, 9号反应器在第12天以后温度下降较快, 一方面由于物料含水率较低, 不能满足微生物需求, 另一方面是由于前期反应较剧烈, 有机物降解较快, 堆肥后期有机质含量急剧降低, 微生物食物不再充足, 导致微生物生命活动开始变得虚弱

.

图3 水溶性COD 随时间的变化规律

F i g . 3 V ar i ation regular i ty o f wa ter so l ub le COD vs ti m e

102130m g /L和112010m g /L. 第6天之后水溶性COD 值开始下降, 在第12~14天达到最小值, 最后两天水溶性COD 又略有回升. 4, 5, 6号反应器反应开始的前3天水溶性COD 值有上升的过程, 第3天达到最大值分别是102030m g /L、92600m g /L和85470m g /L.之后水溶性COD 值开始下降, 在第14天达到最小值, 分别是49420m g /L、39540m g /L

图2 温度随时间的变化规律

F i g . 2 V ar i a ti on regular it y of te m perature vs ti m e

和45270mg /L. 一直到堆肥过程的最后两天水溶性COD 又有升高的现象. 7, 8, 9号反应器反应开始的前4天水溶性COD 值有上升的过程, 达到最大值分别是110320m g /L、124700mg /L和140010m g /L.之后水溶性COD 值开始下降.

对比发现, 在堆肥过程初期, 7, 8, 9号反应器水溶性COD 值上升较快, 之后下降也较快, 1, 2, 3号反应器次之, 4, 5, 6号反应器水溶性COD 值上升最慢, 说明环境温度较高促进了微生物的生长繁殖, 尤其是高温下, 嗜热性微生物的生命活动非常活跃, 使垃圾中有机质和油脂的液化分解及降解过程加快

[5-6]

结果说明, 环境温度过低将导致堆肥过程无法出现升温现象, 而人工控制温度会加快进入高温阶段, 帮助嗜热性微生物尽快完成驯化, 使微生物变得更为活跃, 并大量繁殖, 延长高温期, 使垃圾降解更完全, 并缩短堆肥腐熟过程.

2 2 水溶性COD 随时间的变化规律

水溶性COD 表征发酵物料中溶解或液化的可降解有机质的量. 水溶性COD 值越高, 物料生物发酵过程越容易

[4]

. 餐厨垃圾中水溶性COD 值最高

可达100000m g /L以上.

餐厨垃圾堆肥过程中水溶性COD 值随时间变化规律如图3. 由图3曲线可以看出, 各反应器中餐厨垃圾堆制初期, 水溶性COD 值呈上升趋势. 这是由于游离态的油脂在微生物胞外酶的作用下水解成可溶态油脂, 并由长链大分子裂解成短链有机酸, 即高分子难溶有机物被转化成了小分子可溶性有机物. 随着微生物的不断生长繁殖, 微生物对有机质的降解速度随之升高, 小分子可溶性有机物被微生物氧化分解, 有机质不断被降解, 水溶性COD 值开始下降.

1, 2, 3号反应器反应过程的前5天, 垃圾中有机质从难溶性大分子向易溶性小分子转化, 水溶性COD 值逐渐上升, 最大值分别达到105020mg /L、

. 在相同环境温度下, 通风供氧量、含水率和

垃圾填料比也分别对水溶性COD 产生影响. 而在

反应过程最后水溶性COD 值又略有上升是因为微生物在降解有机物时合成了自身的物质, 也产生了一些新的可溶性有机物. 2 3 p H 值随时间的变化规律

堆肥过程中垃圾p H 值变化过程可间接反映堆肥过程的生化反应历程, 如图4. 1, 2, 3号反应器反应过程中p H 值在3 3~5 9, 在第6天出现最小值分别是3 5, 4 9和3 3. 4, 5, 6号反应器反应过程中p H 值在2 8~6 1, 分别在第4天、第6天和第4天出现最小值, 分别是2 8, 4 7和4 2. 7, 8, 9号反应器反应过程中p H 值在3 2~6 2, 在第6天出现最小值, 分别是3 5, 3 2, 3 8.

将其转变成为小分子的有机酸后再吸收利用, 致使有机酸在堆体内累积, 出现了短暂的堆体p H 值下降, 但并未维持很长的时间. 同时, 由图4可知, 在p H 值最小值时, 水溶性COD 值达到最大值. 之后随着水溶性C OD 值下降, pH 值有所上升. 说明了水溶性COD 值的下降是由于微生物氧化分解易降解的有机物和油脂引起的.

2 4 正交试验极差分析

经过4因素3水平的正交试验, 得出各方案下

图4 p H 值随时间的变化规律F ig . 4 V ariati on regu larity o f p H v al ue vs ti m e

堆肥减量化率, 并进行极差计算, 对环境温度、通风量、含水率及填料量对餐厨垃圾高效好氧堆肥反应

的影响在适宜的范围内进行比对, 实验条件及极差计算结果见表5.

分析表明, 在堆肥初期, 堆体内含有大量有机质, 相对于微生物需求量是过剩的. p H

要是嗜酸性微生物(真菌、酵母菌等), 微生物需要

表5 正交试验L 9(34) 极差分析T ab . 5 O rthogona l tests L 9(34) range analysis

条目123456789K 1K 2K 3k 1=K 1/3k 2=K 2/3k 3=K 3/3R (极差) 最优方案

A 环境温度/

[***********]K A 1=25 07K A 2=38 09K A 3=28 06k A =8 361

k A 2=12 70k A 3=9 354 34A 2

B 通风量/(L ! m i n -1)

246246246K B 1=30 60K B 2=35 74K B 3=24 88k B =10 201

k B 2=11 91k B 3=8 293 62B 2

C 初始含水率/%

[***********]K C 1=22 82K C 2=38 54K C 3=29 86k C =7 611

k C 2=12 85k C 3=9 955 24C 2

D 填料量(M 垃圾∀M 填料)

1∀11∀21∀31∀31∀11∀21∀21∀31∀1K D 1=25 60K D 2=27 03K D 3=38 59k D =8 531

k D 29 01k D 3=12 864 33D 2

堆肥减量化率/%

7 009 019 0615 4912 699 918 1114 045 91K =91 22

由表5可见, 初始含水率的极差最大为5 24, 环境温度的极差次之为4 34, 填料量的极差为4 33, 通风量的极差最小为3 62. 由此说明初始含水率对堆肥减量化率影响最显著.

3 结 论

1) 餐厨垃圾堆肥过程中堆料温度、水溶性COD 和p H 值在不同条件下的变化规律表明, 环境温度、通风量、初始含水率和填料量等不同影响因素对餐

厨垃圾好氧堆肥过程均具有显著影响.

2) 环境温度过低将会导致堆肥过程中菌群驯化阶段延长, 人工控制升高环境温度会加快进入高温阶段, 延长高温期, 使垃圾降解更完全, 并缩短堆肥腐熟过程. 含水量和通风量过低也会影响堆层温度的升高.

3) 环境温度较高促使垃圾中有机质和油脂的液化分解和降解过程加快, 水溶性COD 变化加快. 在相同环境温度下, 通风供氧量、含水率和垃圾填料比也分别对水溶性COD 产生影响. 而在反应后期水溶性COD 值又略有上升是因为微生物在降解有机物时合成了自身的物质, 也产生了一些新的可溶性有机物.

4) 堆肥过程中, p H 值在2 8~6 2范围内发生波动.

5) 环境温度、通风量、含水率和填料量等4因素对堆肥减量化率的影响显著性顺序为含水率>环境温度>填料量>通风量.

参考文献:

[1] 吕凡, 何品晶, 邵立明, 等. 餐厨垃圾高温好氧生物消

化工艺控制条件优化[J].同济大学学报, 2003, 31

(2):233-238.

[2] 韩涛, 任连海. 餐厨垃圾好样堆肥工艺条件优化[J].环境卫生工程, 2007, 12(6) :28-30.

[3] 席北斗, 刘鸿亮, 孟伟, 等. 厨余垃圾堆肥蓬松剂技术

研究[J].安全与环境学报, 2003, 3(3):41-45. [4] Chang J I , T sa i J J , W u K H. T her m ophilic co m posti ng

o f f ood waste [J].B ioresource T echno logy , 2006(97):116-122.

[5] Jong I P, Y un Y S ,

Jong M P . Long term operati on o f

sl urry bioreactor for decom position of f ood w astes [J].B i o resource T echno l ogy , 2002, 84:101-104.

[6] 任连海, 钱枫, 曹栩然, 等. 餐厨垃圾好氧堆肥过程参

数的变化规律分析[J].北京工商大学学报:自然科学

版, 2007(2):1-4.

STUDY OF I NFLUENCI NG FACTORS ON PROCESS PARA M ETERS OF HI GH EFFI CI ENCY AEROBI C CO MPOSTI NG FOR RESTAURANT GARBAGE

REN L ian ha i , HE L iang , N I N G Na , C U I Bao shan

(1. C ollege of Che m ical and Environ m ental Engineering, Beiji n g Technology and Business University , B eijing 100048, Chi n a ; 2. B eijing Environm ent Sanitation

Engineering Group Environm ental R esearch D evelop m ent Co . , Ltd, B eijing 100067, China;

3. B eijing Guohuanqinghua Environ m ental Engineering D esign and R esearch Institute , Beijing 100084, China) A bstract :Three horizonta l reactors w ere used for i n vesti g ati n g i n fluenc i n g facto rs such as surround i n g te m perature , pri m ary w ater conten, t ventilation capac ity and carrier a m ount on restaurant garbage co m posti n g by co m plete tests and orthogonal tests w ith 4factors on 3levels . The var i a ti o n of t h e process pa ra m eters such as the te mperature o f the co m post layers , w ater soluble COD, p H and d i g estion rate w as studied . The resu lts sho w ed the surr ound i n g te mperature , pri m ary m o isture conten, t ventilation capacity and carrier a m ount had sign ificant effects on aerob ic co m posting pr ocess . The si g nificance o f factors i n fl u enc i n g di g esti o n rate i n descend i n g order is pr i m ar y w ater conten, t surround i n g te m perature , t h e carr i e r a m ount and ventilati o n rate .

K ey words :food w astes ; aer obic co mposting ; te m perature o f the co m posting layer ; w ater so l u ble COD;

pH

(责任编辑:檀彩莲)

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