杜彥武，歐陽紅，王秀蘅

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

調(diào)理劑對城市糞便垃圾堆肥的影響*

杜彥武1，歐陽紅2，王秀蘅2

（1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)建筑設(shè)計研究院，黑龍江 哈爾濱 150090；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090）

采用靜態(tài)倉考察添加不同調(diào)理劑的糞便和垃圾混合堆肥過程的物理化學(xué)性質(zhì)。結(jié)果表明：相對于鋸末、干樹葉和稻殼，玉米秸稈可以調(diào)節(jié)生活垃圾與糞便混合堆料孔隙率和堆料結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，是最合適的調(diào)理劑。主發(fā)酵期堆肥含水率降低較多，腐熟期變化較小?？紫洞蟮亩蚜辖Y(jié)構(gòu)和高溫有利于含水率下降。堆肥初期有酸化現(xiàn)象，添加2%石灰調(diào)節(jié)pH可以避免嚴(yán)重酸化，保證堆肥順利升溫，縮短發(fā)酵期。混合堆肥中脫水糞便、生活垃圾、玉米秸稈、石灰配比的合理值為30%/60%/8%/2%。

糞便；垃圾；玉米秸稈；堆肥

糞便是一種高黏度、富含有機(jī)質(zhì)、粒子細(xì)微、含水率高的復(fù)雜渾濁膠體。從氮磷等作物營養(yǎng)含量、原料來源和生產(chǎn)成本看，糞便堆肥優(yōu)勢明顯。糞便脫水后上清液生物處理，將固體部分堆肥成為很多城市的糞便處理方法［1-2］。堆肥脫水后的糞便顆粒黏結(jié)性好、孔隙率低、容易結(jié)塊［3］，堆肥過程中不利于通氣供氧，但可采取添加調(diào)理劑的方法來緩解這種現(xiàn)象。調(diào)理劑可起到提供碳源、提高堆體的孔隙度、調(diào)節(jié)物料的濕度等作用［4］。研究表明，糞便堆肥生態(tài)衛(wèi)生設(shè)備以鋸末或玉米秸稈為基質(zhì)，效果較好［5-6］。

由于糞便的碳氮比低，單獨(dú)堆肥不利于微生物的生長，可以與生活垃圾混合。將生活垃圾分選后去除不可堆肥組分，與糞便混合堆肥，能充分利用垃圾來調(diào)節(jié)糞便的高含水率、低孔隙率、低碳氮比。同時利用糞便改善純垃圾堆肥的營養(yǎng)元素不充足的問題，生產(chǎn)精堆肥。研究表明，腐熟糞便混合堆肥可加速堆肥過程，同時混合發(fā)酵的降溫階段堆肥密實(shí)，使堆肥具有較高的肥力［7-8］。

本研究采用靜態(tài)倉考察添加不同調(diào)理劑的糞便和垃圾混合堆肥過程的理化性質(zhì)，尋找最合適的調(diào)理劑及混合堆肥原料的合理配比。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

采用強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)倉為堆肥試驗系統(tǒng)，靜態(tài)倉采用具有保溫外層的UPVC圓柱筒，直徑300 mm，高度1.2 m，有效容積84 L，下部設(shè)有滲瀝液排放口，上部設(shè)有錐形集氣罩。使用布?xì)獍搴凸娘L(fēng)機(jī)進(jìn)行正壓鼓風(fēng)，堆肥氣體通過集氣罩和排氣管排向室外，如圖1所示。

靜態(tài)倉在距底部900、600、300 mm高處設(shè)有測溫取樣孔，放置3個溫度傳感器，測定堆料上、中、下層的溫度。通風(fēng)控制系統(tǒng)根據(jù)溫度和時間進(jìn)行通風(fēng)控制，溫度傳感器易拆卸，拆下后即可取樣。采用時間-溫度反饋的通風(fēng)控制方式，當(dāng)堆體溫度小于設(shè)定溫度60℃時采用時間控制器控制風(fēng)機(jī)，當(dāng)堆體中心溫度達(dá)到60℃時，采用溫度控制器控制風(fēng)機(jī)。

1.2 試驗材料

堆肥用糞便取自哈爾濱市太平區(qū)露天公廁，采集的糞便樣品基本性質(zhì)：pH為7.9～8.1，COD為 23 193～41 039 mg/L，BOD5為 16 735～ 16 957 mg/L，TN為3 060～4 370 mg/L，含水率為91.36%～95.86%。脫水后的糞便含水率在80%左右。堆肥用垃圾取自校園附近居民區(qū)。經(jīng)手工分選去除金屬、塑料袋、玻璃瓶和石塊等雜物，粒徑破碎至2～3 cm。

1.3 調(diào)理劑的選擇與原料配比

本試驗選取3種調(diào)理劑：鋸末（居民區(qū)裝修廢物）、玉米秸稈、稻殼（哈爾濱近郊農(nóng)業(yè)廢物）。調(diào)理劑的性質(zhì)見表1。

表1 3種調(diào)理劑的性質(zhì)

根據(jù)C/N，初步確定生活垃圾與糞便的比例；根據(jù)含水率進(jìn)行物料衡算，初步確定糞便與調(diào)理劑的比例。在計算基礎(chǔ)上選擇表2所示的堆肥原料配比進(jìn)行堆肥試驗。糞便堆肥可能發(fā)生酸化現(xiàn)象，堆肥堆料中考慮加入石灰，調(diào)節(jié)pH［9］。將堆肥原料按比例混合后裝入強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)倉，用稻草在穿孔板上鋪設(shè)一層厚度為10 cm的墊層，在堆體頂部鋪設(shè)一層厚度為3 cm的熟堆肥，起到保溫和除臭的作用。

表2 堆肥原料配比

1.4 采樣與分析方法

采用溫度控制器和溫度傳感器測定堆體溫度，每天測定2次。在堆肥過程的不同時間，從中層測溫取樣口采集樣品；堆肥結(jié)束時，在堆體的上、中、下層分別采集若干樣品，除去石塊等雜物，進(jìn)行含水率、pH的測定；樣品分成2個分試樣分別測定，取平均值。

測定方法［10］：含水率取約100 g鮮樣在105℃下烘24 h。有機(jī)質(zhì)取烘干后的樣品在550℃下灼燒4 h。密度測定用一定容積的小口燒杯盛滿樣品，稍微壓實(shí)以免有大的孔隙，稱質(zhì)量，然后根據(jù)容積算得所測樣品的密度；初始密度按總質(zhì)量與總體積之比計算。pH測定，稱取2～5 g鮮樣，按照1/3（鮮質(zhì)量/體積）的比例用去離子水浸提，振蕩0.5 h，用pH計測試上清液。

2 結(jié)果與討論

2.1 堆肥過程的溫度變化及控制

溫度是堆肥過程最好的控制參數(shù)，具有簡易性和可信賴性。4組堆肥的溫度變化如表3所示，除以稻殼為調(diào)理劑的3號外，其他3組不同堆料配比的最高倉溫都超過了50℃，并保持了6 d以上，達(dá)到了糞便無害化衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)的要求。通常認(rèn)為，堆體溫度在50℃以上保持5～7 d，是殺滅堆料中所含的致病微生物，保證堆肥的衛(wèi)生學(xué)指標(biāo)合格和堆肥腐熟的重要條件。

表3 堆體中層溫度特性

當(dāng)調(diào)理劑不同時，堆料結(jié)構(gòu)不同，堆肥效果不同。1號以鋸末和干樹葉為調(diào)理劑，堆肥升溫比較順利，但樹葉的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不夠，隨著堆肥的進(jìn)行，自由空域減小，堆料獲得的氧量不足，堆溫最高達(dá)到51℃，通風(fēng)帶走的熱量少，降溫也緩慢，堆肥溫度持續(xù)在35℃以上30 d才下降。這與王洪波的研究結(jié)論相吻合：鋸末作為微生物載體的人糞便堆肥生物反應(yīng)器隨著運(yùn)行時間延長，密度增大，孔隙度減小，通風(fēng)性能下降，反應(yīng)器工作周期受到限制［11］。

2號以玉米秸稈為調(diào)理劑，3號以稻殼為調(diào)理劑，密度有差別，分別是469、562 kg/m3。3號堆肥升溫階段出現(xiàn)了溫度到達(dá)中溫又下降的情況，翻倉后始終未達(dá)到高溫階段，最高溫度41℃。分析其原因，玉米秸稈粒徑較大，長3 cm，與稻殼相比，具有較大的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和自由空域；當(dāng)堆料壓實(shí)時，可通過翻堆或攪拌的方法，使堆物松散，相對地增加自由空域，改善通氣的效果。以稻殼為調(diào)理劑的堆肥翻倉后，隨著溫度上升含水率增加，本身缺少可提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和孔隙率的物質(zhì)，堆料又塌陷壓實(shí)，通風(fēng)不暢，效果不好。

2.2 堆肥的物理狀態(tài)變化

通過微生物的作用，有機(jī)物分解和轉(zhuǎn)化，堆肥原料產(chǎn)生了較大的變化，如圖2所示。堆肥碳素的分解和轉(zhuǎn)化使堆肥體積和質(zhì)量減少。堆肥經(jīng)過主發(fā)酵階段后，添加玉米秸稈的2號和4號堆料體積分別減少了25.3%和34.3%。在堆肥5～15 d時，堆肥體積減少最快，此時正處于堆肥過程的升溫階段的后期和高溫階段。降溫期間，體積變化較小。

從外觀上看，2號和4號堆料較好腐熟：成品顏色呈暗褐色，有輕微的臭味，但也有較明顯的腐殖氣息；不吸引蚊蠅；表觀較疏松，手感較細(xì)。1號堆料基本腐熟：成品顏色呈褐色，略有臭味，略有輕微的腐殖氣息；不吸引蚊蠅；表觀較疏松，但有部分結(jié)塊，手感稍粗。3號未腐熟：明顯有臭味，無腐殖氣息。

2.3 堆肥過程中含水率的變化

堆肥中有機(jī)物的分解和微生物的生長繁殖，水是不可缺少的條件。堆肥過程的含水率一方面由于有機(jī)物的氧化分解產(chǎn)生水分而增加，另一方面由于通風(fēng)作用以水蒸氣的形式揮發(fā)而降低，含水率的變化是這2方面因素迭加的結(jié)果。表4是堆肥起始和結(jié)束時含水率的變化。

1號堆肥起始含水率較低，但主發(fā)酵結(jié)束后含水率上升了3.15個百分點(diǎn)。分析其原因，主要與堆料結(jié)構(gòu)和溫度過程有關(guān)。由于以鋸末和干樹葉為調(diào)理劑，堆料密度較大，孔隙率低，通風(fēng)效果差。通風(fēng)所能攜帶的水蒸氣量隨溫度而變化，隨著空氣溫度的上升，飽和空氣的含水率按指數(shù)規(guī)律增加。從堆肥化的潮濕物料中逸出的空氣近乎飽和，溫度與堆料溫度相同。1號在整個堆肥過程中，中層最高僅達(dá)到51℃，因此通風(fēng)能攜帶的水分也少。堆肥初期由于有機(jī)物的氧化分解形成的水分不能通過通風(fēng)帶走，在堆料中累積，進(jìn)一步降低孔隙率，減弱通風(fēng)效果，所以在堆肥結(jié)束后含水率上升。2號堆肥結(jié)束后含水率降低了22.13個百分點(diǎn)，4號堆肥結(jié)束后含水率降低了27.92個百分點(diǎn)；3號堆肥結(jié)束時含水率下降了20.44個百分點(diǎn)。由于3號未經(jīng)歷高溫期，始終未達(dá)到50℃?？梢哉f明，通風(fēng)所能攜帶的水蒸氣量隨堆肥溫度而變化，水分在高溫期散發(fā)比較多。

表4 不同堆料配比的堆肥含水率的變化%

2.4 堆肥過程pH的變化與控制

在堆肥過程中，pH是一個重要的因素。一般來講，pH在3～12都可以進(jìn)行堆肥。適宜的pH可使微生物有效地發(fā)揮作用，保留堆料中有效的氮成分，pH太高和太低都會影響堆肥的效率。圖3是本試驗堆肥pH的變化曲線?？煽闯?，1～3號堆肥的初期有明顯的酸化現(xiàn)象。Nakasaki［12］實(shí)驗證明pH在5以下時，葡萄糖和蛋白質(zhì)的降解停止，堆肥反應(yīng)延緩會造成臭味問題。

4號堆肥石灰添加量為2%，其起始pH為8.25，堆肥初期由于有機(jī)酸的產(chǎn)生，pH下降至6.3，隨著通風(fēng)和微生物對底物的利用，第4天pH回升至7，第8天高溫期時，pH已超過8，此時由于氨的釋放，降溫期pH則略有下降，但仍呈堿性。陳廣銀等用石灰預(yù)處理后的樹葉堆肥，結(jié)果表明其有利于堆肥有機(jī)質(zhì)的降解，有利于堆肥碳氮比的降低，其降低幅度與石灰用量成正比；有利于減少堆肥過程中氮素的損失［13］。因此，采用糞便和垃圾混合堆肥，為了保證堆肥順利升溫，縮短發(fā)酵期，建議添加石灰調(diào)節(jié)pH，添加量為2%以避免嚴(yán)重酸化。

3 結(jié)論

1）由于糞便有機(jī)質(zhì)含量高，黏度大，無結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，與垃圾混合堆肥時，應(yīng)考慮選擇合適的調(diào)理劑調(diào)節(jié)孔隙率和堆料結(jié)構(gòu)，玉米秸稈是糞便和城市垃圾混合堆肥最合適的調(diào)理劑。

2）堆肥過程的含水率都呈下降，但變化量不同。主發(fā)酵期堆肥含水率降低較多，腐熟期變化較小。含水率的變化和堆料結(jié)構(gòu)、堆肥溫度有關(guān)，孔隙大的堆料結(jié)構(gòu)和高溫有利于含水率下降。

3）由于糞便的有機(jī)物含量高，與垃圾混合堆肥時，堆肥的初期有明顯的酸化現(xiàn)象。為了保證堆肥順利升溫，縮短發(fā)酵期，建議添加石灰調(diào)節(jié)pH，添加量為2%以避免嚴(yán)重酸化。

4） 混合堆肥的原料配比的合理值為脫水糞便/生活垃圾/玉米秸稈/石灰：30%/60%/8%/2%。

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Influence of Amendments on Night-soil/Domestic Waste Composting

Du Yanwu1,Ouyang Hong2,Wang Xiuheng2
（1.The Architectural Design and Research Institute,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150090;2.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin Heilongjiang 150090）

Composting static vessel was set to investigate physico-chemical properties in night-soil/waste composting with different amendments.The results showed that maize straw was the best amendment that could adjust porosity and structural strength of the compost materials in comparison with sawdust,dry leaves and rice hull.Moisture contents decreased sharply in thermophilic stage,gradually in maturity stage.Higher porosity and high temperature showed positive effects to moisture volatilization.Acidification at start-up stage could be reduced by adding lime at dosage of 2%,leading to rapid rising of temperature and shorting composting period.Rational mixing rates of dewatering night-soil,domestic waste,maize straw and lime stayed at 30%/60%/8%/2%.

night-soil；waste；maize straw；composting

X705；S141.4

A

1005－8206（2011） 02－0023－04

國家創(chuàng)新研究群體基金項目（50821002）

2011-01-04

杜彥武（1970—），高級工程師，博士后，主要從事水處理和固體廢物處理研究與工程設(shè)計。

E-mail：Xiuheng@hit.edu.cn。

（責(zé)任編輯：劉冬梅）