餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果

第25卷第11期农业工程学报Vol.25No.112009年11月TransactionsoftheCSAENov.2009269餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果邹德勋1，汪群慧1,2※，隋克俭2，潘斯亮2，马鸿志2（1．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨150090；2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083）摘要：分别使用玉米秸秆与菌糠作为餐厨垃圾的堆肥调理剂，进行堆肥1次发酵对比试验，旨在考察菌糠作为餐厨垃圾堆肥调理剂的可行性。通过对2种调理剂与餐厨垃圾堆肥过程中理化性质及腐熟度变化的分析，表明餐厨垃圾好氧堆肥时，菌糠是一种优于玉米秸秆的良好调理剂，餐厨垃圾与菌糠混合堆肥时升温速度快、高温期持续时间长，含水率与有机质分别下降19.6%和20.2%。同时，其混合堆料在堆肥过程中散发臭气较少，1次堆肥处理后发芽指数较高（55.6%），基本实现腐熟。关键词：垃圾，发酵，调理剂，餐厨，菌糠，玉米秸秆，好氧堆肥，发芽指数doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.11.049中图分类号：S141.8，X705文献标识码：A文章编号：1002-6819(2009)-11-0269-05邹德勋，汪群慧，隋克俭，等.餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果[J].农业工程学报，2009，25(11)：269－273.ZouDexun,WangQunhui,SuiKejian,etal.Aerobiccompostingeffectofkitchengarbageandspentmushroomsubstrate[J].TransactionsoftheCSAE,2009,25(11)：269－273.(inChinesewithEnglishabstract)0引言好氧堆肥法是实现餐厨垃圾资源化处理的有效途径之一，同时该方法具有技术成熟、操作简单、运行成本相对较低等优点而深受国内外青睐[1-2]。但由于餐厨垃圾含水率较高、C/N较低，因此在堆肥之前需要使用大量的高C/N调理剂进行物料调配。目前常用的调理剂有秸秆、木屑、稻壳等，但这些调理剂需要较长的时间才能被分解而使堆肥周期延长，另外有些调理剂还需要事先进行粉碎而消耗一定的能源[3]。菌糠又称蘑菇渣，是指将食用菌采摘后所废弃的栽培料，这些菌糠往往丢弃在食用菌场周围，不但污染环境而且严重影响了食用菌产业的良性发展[4]。废弃菌糠中残留有大量的营养物质和对纤维素类物质有良好降解性能的微生物等，同时菌糠透气透水性好、C/N较高，且不需要再次加工粉碎[5-6]。目前，虽然有一些单独对餐厨垃圾或菌糠进行堆肥研究的报道[7-8]，但采用菌糠作为餐厨垃圾堆肥调理剂方面的研究尚未见报道。本研究采用好氧堆肥方式，对比常用的玉米秸秆调理剂，考察菌糠作为新型餐厨垃圾调理剂在一次发酵过程中的特性与效果，为拓展餐厨垃圾堆肥调理剂的可用范围及提高农业废弃物资源化程度提供技术依据。收稿日期：2009-03-20修订日期：2009-07-09基金项目：国家“十一五”科技支撑计划项目（2006BAJ04A06）；国家863高技术研究发展计划资助项目（2008AA06Z34）作者简介：邹德勋（1980－），男，博士，主要研究方向为固体废物资源化和环境微生物技术。哈尔滨哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090。Email:[e-mail]※通信作者：汪群慧，教授，博士生导师，主要研究方向为固体废物资源化，环境生物技术，环境化学。哈尔滨哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090。Email:[e-mail]1材料与方法1.1堆肥原料餐厨垃圾（以下简称垃圾）取自北京科技大学学生食堂，先将骨头等难以绞碎的物质以及塑料袋、纸杯等杂物拣出，再用绞肉机绞碎，充分混匀。玉米秸秆（以下简称秸秆）取自北京农林科学研究院试验田，用植物粉碎机粉碎，粒径≤1cm。菌糠取自北京房山某食用菌厂废料堆，其原物料主要成分为棉籽壳，经1周期食用菌栽种生产后废弃，粒径≤1cm。堆肥原料的基本理化性质如表1所示，t检验表明菌糠与秸秆的pH值差异显著。表1初始堆肥原料基本理化性质Table1Physicalandchemicalpropertiesofthecompostingsubstrates原料含水率/%pH值有机质质量分数/%全碳质量分数/%全氮质量分数/%C/N垃圾74.06±2.816.08±0.0191.43±0.0947.11±0.042.73±0.1117.26菌糠11.87±0.347.63±0.0282.97±0.5242.79±0.260.23±0.01186.04秸秆7.21±0.266.19±0.0392.03±0.2747.41±0.140.19±0.01249.531.2试验方案分别将秸秆和菌糠作垃圾堆肥的调理剂，进行混合堆肥并重复2次，堆料体积占反应器体积的4/5左右，堆肥反应器选用硬质塑料桶，容积9L。各堆肥初始的垃圾量相同（2kg），所加入调理剂的量以最终调节含水率范围65%～70%、C/N范围25～30︰1为准。在堆肥过程中每24h进行1次翻堆搅拌，以保证通气。1.3分析方法每12h用水银温度表对堆体中心部2点进行测定，取其平均值作为该时刻堆体温度。含水率的测定采用105℃烘干法。全氮的测定采用凯氏定氮法。pH值测定270农业工程学报2009年采用电极法。有机质的测定及全碳的换算采用Navarro等的方法[9]，即将烘干后的样品置于430℃的马弗炉中灼烧24h，冷却后称质量，其烧失质量即为有机质质量。全碳质量分数的换算公式为全碳质量分数（%）=（有机质质量分数（%）×0.51）+0.48发芽指数（GI）测定参考李国学等的方法[10]，具体如下：称取5g新鲜样，按质量体积比（g︰mL）1︰10，用去离子水浸提，振荡2h，取浸提液离心后过滤，吸取5mL滤液加到铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿点播20粒雪里蕻种子（选取色泽鲜艳，颗粒饱满的），放置于20℃培养箱中避光培养，48h后测定种子发芽率和根长。每个试样重复3次，以蒸馏水为参照。发芽指数GI的计算公式为%%mm100%%mmGI（）堆肥浸提液的种子发芽率（）种子根长（）蒸馏水的种子发芽率（）种子根长（）2结果与分析2.1堆肥过程中温度的变化堆体温度是好氧堆肥的关键参数，同时也是判断堆肥是否达到无害化要求的重要指标之一，其反映了堆肥系统中微生物代谢活动产热累积与散热平衡[11]。在本试验中，各处理起始温度基本一致，均略高于环境温度，但随着堆肥的进行，各处理温度变化出现差异，但总体趋势相似（如图1）。图1餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中温度的变化Fig.1Changesoftemperatureduringcompostingofkitchengarbagewithdifferentconditioners由图1可知：垃圾+菌糠在堆肥过程升温速度较快，最高温度达到55.8℃，并在50℃以上维持了6d，高温期在第11天结束，共持续了9d，达到了无害化要求，处理效果较为理想。垃圾+秸秆在堆肥过程升温速度较慢，最高温度仅为51.3℃，在50℃以上维持了4d。2种调理剂与垃圾混合堆肥过程的温度变化趋势均符合好氧堆肥温度3阶段变化规律，温度达到最高值后开始下降，在堆肥最后的3d内温度变化幅度较小，接近环境温度，可以认为1次发酵完成。图中显示的锯齿形小幅波动，是由于翻堆后温度下降所导致的。通过温度的变化可以看出虽然秸秆和菌糠均可作为垃圾堆肥调理剂。但从到达高温期时间和高温期持续时间来看，垃圾+菌糠要优于垃圾+秸秆。这可能与菌糠的可降解性优于秸秆有关，另外也可能与菌糠中原有的土著微生物作用有关。对于堆肥系统而言，温度是微生物生命活动的重要标志，其变化表征了有机物的降解进程，另外，长时间的高温可以有效的杀灭病原菌等有害微生物。一般认为，堆体温度50～55℃保持5～7d，是杀灭堆料中所含的致病菌、保证堆肥的卫生学指标合格和堆肥腐熟的重要条件[12]。本试验采用非控温方式进行，热量来源仅为堆体自身所产生的热量，但是由于堆体较小，热量难以累积，因此试验过程中堆体温度偏低（＜60℃）。2.2堆肥过程中含水率的变化水分的存在不仅可以溶解堆肥物料中营养物质等以利于微生物的代谢，而且水分的蒸发散热对堆体温度具有一定的调节作用，因此可以说含水率是影响好氧堆肥效果的关键因素之一。在本试验中，垃圾+菌糠和垃圾+秸秆的堆料初始含水率基本相同，分别为70.3%和69.7%，2种混合堆料的含水率在堆肥过程中均呈下降趋势，一次发酵结束时两者含水率分别减少19.6和15.9个百分点（如图2），即垃圾+菌糠堆料的水分散失率要高于垃圾+秸秆。导致这一结果的原因可能有2方面，由于菌糠是经食用菌等分解和利用后的残渣，其结构已不如玉米秸秆那样致密，因此含菌糠的混合堆料比较疏松，这样就会有良好的通风和散热效果，所以其水分散失率也比较高。另一方面。菌糠的营养比较全面和丰富，其中亦含有大量的微生物，而良好的通气环境也促进了好氧微生物的代谢活性，因此其中微生物对水分的吸收、利用率也会较高。图2餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中含水率的变化Fig.2Changesofmoistureduringcompostingofkitchengarbagewithdifferentconditioners2.3堆肥过程中有机质质量分数的变化有机质含量的变化是衡量堆肥顺利进行与否的重要指标之一。初始垃圾中含有大量的有机质，但其中绝大多数组分不稳定而极易腐败分解，堆肥处理正是将其稳定化的生物转化过程。由于各处理中所添加的垃圾量是一致的，所以初始堆料中显示出的有机质质量分数差异由调理剂不同所引起，由表1可知秸秆中有机质质量分数（92.03%）要大于菌糠（82.97%）。同时，由图3可以看出，在堆肥进行的过程中，2种堆料的有机质质量分数均呈下降趋势，第9天后下降趋势稍为平缓。另外，垃第11期邹德勋等：餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果271圾+菌糠堆料的有机质质量分数降低速率要高于垃圾+秸秆。在堆肥结束后，垃圾+菌糠和垃圾+秸秆的堆料中有机质降解量分别达到20.2和13.5个百分点。由此可知，从有机质质量分数变化角度来看，垃圾+菌糠要优于垃圾+秸秆，表现为堆肥进程较快。秸秆相对于菌糠的难降解性可能是造成这一结果的原因之一，而菌糠与垃圾混合后有效地加速了垃圾的降解可能也是其原因之一。图3餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中有机质的变化Fig.3Changesoforganicsubstratesduringcompostingofkitchengarbagewithdifferentconditioners2.4堆肥过程中pH值的变化微生物只有在适宜的pH值下才能进行正常的新陈代谢，因此堆肥体系需要维持在一定的pH值范围。由于本试验的目的是考察在少人工干预条件下不同调理剂与垃圾混合堆肥的效果，因此并未将初始pH值调成一致，但2种混合堆料的初始pH值均在6.0～7.0之间为堆肥启动的允许范围值。随着堆肥的进行pH值逐渐升高，这可能与垃圾中的蛋白质分解成氨基酸，进而分解成氨所致。但在堆肥后期由于氨的挥发导致pH值略有下降，在堆肥结束后，2种堆料的pH值均在8.5左右，呈弱碱性（如图4）。图4餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中pH值的变化Fig.4ChangesofpHvalueduringcompostingofkitchengarbagewithdifferentconditioners2.5堆肥过程中腐熟度的变化含水率下降、有机质质量分数降低、pH值上升，这些指标均可在一定程度上判断堆肥进程是否顺利，有些指标也可以判断堆肥是否达到腐熟。但这些指标仅是腐熟的参考依据，并不具有综合评价的能力。因此，本试验又从感观和发芽指数（GI）方面对堆肥过程进行腐熟度评价。2.5.1感观指标感观指标主要包括颜色、气味和堆料状态等，这些评价指标比较直观，是实际生产中最为广泛应用且比较有效的评价