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有机废弃物好氧堆肥:调控手段、微生物及酶活性变化、臭气产生

时间:2020-10-29 10:59

来源:环境工程

作者:马 闯 扈 斌 刘福勇 张宏忠 魏明宝 赵继红

马 闯 扈 斌 刘福勇 张宏忠 魏明宝 赵继红

(郑州轻工业学院/环境污染治理与生态修复河南省协同创新中心)

  研究背景

  有机固体废物的处理已经成为全球范围内重要的环境问题和社会问题。传统的焚烧、土地填埋等处理方式不仅会产生温室气体,同时也占用了宝贵的土地资源。堆肥发酵处理具有无害化成本低、操作简单以及将有机质、氮、磷等养分可资源化利用的优点,是适合我国目前经济发展状况的处理方式。好氧堆肥严格来说是在有氧条件下微生物降解有机废弃物并产生热量、H2O和CO2的过程,利用微生物进行一系列的生化反应,最终将不稳定的有机物转化为不含植物毒性、不含病原体的稳定堆肥产品。这种堆肥产品既可农用,也可以用于半干旱土地恢复土壤肥力。但是自然堆肥过程缓慢,也会产生NH3、H2S,同时也造成了堆肥的氮损失。因此,工业化的堆肥一般要进行人工调控。本文综述了好氧堆肥过程的调控手段以及好氧堆肥过程中的微生物群落、酶、臭气变化状况,探索了堆肥过程中微生物、酶与臭气之间的关系,以期为控制有机废弃物堆肥处理过程中的臭气提供参考。

  摘 要

  系统总结了有机固体废物好氧堆肥化处理过程的调控手段、堆肥各个阶段的微生物群落演替、堆肥过程中酶活性的变化以及臭气的产生情况。堆肥过程中温度变化对微生物的生长繁殖产生显著影响,微生物群落先由嗜温菌演替至嗜热菌,再由嗜热菌演替至嗜温菌,有机物被逐步降解。各种有机物降解需不同酶参与,主要有芳基硫酸酯酶、脲酶、蛋白酶、葡萄糖激酶、纤维素酶、β-葡萄糖苷酶、过氧化物酶等;微生物发酵过程蛋白质的降解产生NH3,厌氧条件下硫酸盐还原菌与产甲烷菌的生命活动产生H2S,氨基酸脱羧作用、厌氧降解及局部厌氧发酵产生挥发性有机物(VOCs),这些臭味物质均会对环境造成二次污染。可以尝试调控微生物酶系统来提高堆肥效率,并阻断发酵过程中臭气物质的产生。

  01

  堆肥的调控手段

  1.上堆前的调节

  添加调理剂是物料堆肥上堆前的主要调节手段。原有机废弃物的C/N、含水率等初始参数通常难以满足微生物的生长需求,不适合好氧发酵。通过添加调理剂,可以改善堆肥物料的理化条件和物料结构,增加堆料与空气的接触面积,满足好氧微生物对生长环境的要求,并提高堆肥产品的最终品质。

  Hay等利用秸秆与锯末,分别与污泥进行质量比为1∶1的共堆肥,发现2种调理剂均能有效地杀死堆体中细菌和病原微生物,产生稳定且无臭的堆肥产品。Zavala等以锯末为调理剂对人粪渣进行堆肥试验,发现混合物料含水率调节至65%时可达到有机物最大降解速率。Eklind等分别添加秸秆、树叶、硬木片等作为调理剂与城市生活垃圾共堆肥,发现随着初始堆体C/N的升高(13~34),有机质降解速率也逐渐增大。Bhamidimarri等以锯末为调理剂与猪粪进行不同C/N堆肥试验,发现最佳C/N为20~30。Huang等以锯末为调理剂时与猪粪进行共堆肥试验,发现添加少量调理剂造成低C/N比共堆肥时,堆肥周期明显变长,且堆肥产品不能完全腐熟。

  因此,上堆前通过添加调理剂适当地调节堆体的初始C/N、含水率等参数,可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用。

  2.上堆后的调控

  上堆后物料依靠自然通风一般难以满足微生物对O2的需求,容易发生厌氧发酵产生H2S等恶臭气体。强制通风能够改善堆体的通风供氧状况,调控堆体温度,是上堆后堆肥过程调控的最主要手段。Fernandes等研究发现:采用强制通风系统的堆体温度>55 ℃的时间少于采用自然通风系统堆体>55 ℃的时间;张向阳等通过强制通风对城市生活垃圾进行堆肥试验,发现不同的堆肥物料最适宜的通风量不同。

  合理的通风策略不仅可以改善堆肥发酵效果,缩短堆肥周期,还能有效控制臭味产生。Rasapoor等在不同通风量固体废弃物堆肥过程中发现,通风量在310,470 cm3/(m3·min)时,堆体C/N下降得更为显著;谢军飞等研究表明,高通风速率会增加NH3的挥发,但可以减少甲烷与NO2的排放;过高的通风速率不仅不利于维持堆体温度,还会造成大量的氮素损失,增加堆肥能耗。Patni等研究禽类粪便堆肥,认为与强制通风相比,被动通风具有更低的氮损失;Elwell在采用猪粪与锯末共堆肥的试验中发现,NH3的挥发量与通风量呈线性关系(R2=0.51);De等发现剩余污泥堆肥过程中NH3释放量在一定范围内随曝气量的增加而增加,当曝气量>8.48 L/(h·kg)时,会出现略微下降。而过低通风速率会降低堆体中的氧浓度,造成堆体局部厌氧,从而产生大量的臭气、H2S、甲烷等温室气体。张朋月等也发现:当曝气量较小时,O2供应不足导致有机物分解不彻底,产生硫醇、H2S等含硫化合物。

  因此,上堆后采用合理的通风策略,调节堆体的通风供氧速率,可以起到调控堆温,减少臭气产生,提高堆肥效率的作用。

  02

  堆肥过程中的微生物群落演替

  堆肥过程中,堆体温度会呈现先增高后降低的趋势,这与微生物的活动以及有机物的降解密切相关。温度变化对微生物的生长繁殖产生影响,而微生物的丰度直接影响堆肥的进程,在温度变化过程中,一部分菌种因不适应堆料环境,数量减少甚至死亡,另一部分菌种则大量生长繁殖成为优势种群,引起堆料中微生物群落和数量的演替。

  1.升温阶段

  在堆肥过程的升温阶段,温度的上升速率取决于堆体生物易降解的有机质含量与堆体的含水率、O2含量状况。在堆肥的最初阶段,堆体内温度通常为室温,pH呈弱酸性,嗜温菌成为优势菌群,降解堆体中有机物产生有机酸,此时堆体pH迅速下降,温度迅速上升,随后由于有机酸的分解堆体pH又逐渐上升。

  细菌的生命活动是堆肥升温期产热和有机物分解的主要原因。由于细菌更短的世代周期,在堆肥初期细菌成为主要优势菌种。Lacey在分离嗜温菌的试验中发现:在堆肥过程中,当堆体营养物质含量过高时,放线菌繁殖速率变慢,细菌与真菌成为有机物的主要降解者。Fagan等的研究表明:在堆肥升温阶段,大量的原核生物产生淀粉酶迅速降解淀粉类物质,在堆肥升温阶段同样重要。Ryckeboer等在利用厨余垃圾高温堆肥试验中分离出升温期的优势菌属包括中温嗜热纤维素分解菌、中温酵母菌、巴氏杆菌、苏云金芽孢杆菌等。Pedro等在堆肥升温期分离出慢生根瘤菌属等优势菌属。Rocha等利用牛粪与园林废弃物共堆肥试验升温阶段分离出的优势菌属为硝化杆菌属。

编辑:赵利伟

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