有機廢棄物好氧堆肥:調控手段、微生物及酶活性變化、臭氣產生

作者:admin 編輯:admin 閱讀量:5110 發布日期: 2021-06-16
信息摘要:
 上堆后物料依靠自然通風一般難以滿足微生物對O2的需求,容易發生厭氧發酵產生H2S等惡臭氣體。強制通風能夠改善堆體的通風供氧狀況,調控堆體溫度,是上堆后堆肥過程調控的最主要手段。Fernandes等研究發現:采用強制通風系統的堆體溫度>55 ℃的時間少于采用自然通風系統堆體>55 ℃的時間;張向陽等通過強制通風對城市生活垃圾進行堆肥試驗,發現不同的堆肥物料最適宜的通風量不同。

   有機固體廢物的處理已經成為全球范圍內重要的環境問題和社會問題。傳統的焚燒、土地填埋等處理方式不僅會產生溫室氣體,同時也占用了寶貴的土地資源。堆肥發酵處理具有無害化成本低、操作簡單以及將有機質、氮、磷等養分可資源化利用的優點,是適合我國目前經濟發展狀況的處理方式。好氧堆肥嚴格來說是在有氧條件下微生物降解有機廢棄物并產生熱量、H2O和CO2的過程,利用微生物進行一系列的生化反應,最終將不穩定的有機物轉化為不含植物毒性、不含病原體的穩定堆肥產品。這種堆肥產品既可農用,也可以用于半干旱土地恢復土壤肥力。但是自然堆肥過程緩慢,也會產生NH3、H2S,同時也造成了堆肥的氮損失。因此,工業化的堆肥一般要進行人工調控。本文綜述了好氧堆肥過程的調控手段以及好氧堆肥過程中的微生物群落、酶、臭氣變化狀況,探索了堆肥過程中微生物、酶與臭氣之間的關系,以期為控制有機廢棄物堆肥處理過程中的臭氣提供參考。


  系統總結了有機固體廢物好氧堆肥化處理過程的調控手段、堆肥各個階段的微生物群落演替、堆肥過程中酶活性的變化以及臭氣的產生情況。堆肥過程中溫度變化對微生物的生長繁殖產生顯著影響,微生物群落先由嗜溫菌演替至嗜熱菌,再由嗜熱菌演替至嗜溫菌,有機物被逐步降解。各種有機物降解需不同酶參與,主要有芳基硫酸酯酶、脲酶、蛋白酶、葡萄糖激酶、纖維素酶、β-葡萄糖苷酶、過氧化物酶等;微生物發酵過程蛋白質的降解產生NH3,厭氧條件下硫酸鹽還原菌與產甲烷菌的生命活動產生H2S,氨基酸脫羧作用、厭氧降解及局部厭氧發酵產生揮發性有機物(VOCs),這些臭味物質均會對環境造成二次污染??梢試L試調控微生物酶系統來提高堆肥效率,并阻斷發酵過程中臭氣物質的產生。

 01
 堆肥的調控手段
 1.上堆前的調節

 添加調理劑是物料堆肥上堆前的主要調節手段。原有機廢棄物的C/N、含水率等初始參數通常難以滿足微生物的生長需求,不適合好氧發酵。通過添加調理劑,可以改善堆肥物料的理化條件和物料結構,增加堆料與空氣的接觸面積,滿足好氧微生物對生長環境的要求,并提高堆肥產品的最終品質。

  Hay等利用秸稈與鋸末,分別與污泥進行質量比為1∶1的共堆肥,發現2種調理劑均能有效地殺死堆體中細菌和病原微生物,產生穩定且無臭的堆肥產品。Zavala等以鋸末為調理劑對人糞渣進行堆肥試驗,發現混合物料含水率調節至65%時可達到有機物最大降解速率。Eklind等分別添加秸稈、樹葉、硬木片等作為調理劑與城市生活垃圾共堆肥,發現隨著初始堆體C/N的升高(13~34),有機質降解速率也逐漸增大。Bhamidimarri等以鋸末為調理劑與豬糞進行不同C/N堆肥試驗,發現最佳C/N為20~30。Huang等以鋸末為調理劑時與豬糞進行共堆肥試驗,發現添加少量調理劑造成低C/N比共堆肥時,堆肥周期明顯變長,且堆肥產品不能完全腐熟。

  因此,上堆前通過添加調理劑適當地調節堆體的初始C/N、含水率等參數,可以起到除臭、保氮和提高堆肥效率的作用。

  2.上堆后的調控

  上堆后物料依靠自然通風一般難以滿足微生物對O2的需求,容易發生厭氧發酵產生H2S等惡臭氣體。強制通風能夠改善堆體的通風供氧狀況,調控堆體溫度,是上堆后堆肥過程調控的最主要手段。Fernandes等研究發現:采用強制通風系統的堆體溫度>55 ℃的時間少于采用自然通風系統堆體>55 ℃的時間;張向陽等通過強制通風對城市生活垃圾進行堆肥試驗,發現不同的堆肥物料最適宜的通風量不同。

  合理的通風策略不僅可以改善堆肥發酵效果,縮短堆肥周期,還能有效控制臭味產生。Rasapoor等在不同通風量固體廢棄物堆肥過程中發現,通風量在310,470 cm3/(m3·min)時,堆體C/N下降得更為顯著;謝軍飛等研究表明,高通風速率會增加NH3的揮發,但可以減少甲烷與NO2的排放;過高的通風速率不僅不利于維持堆體溫度,還會造成大量的氮素損失,增加堆肥能耗。Patni等研究禽類糞便堆肥,認為與強制通風相比,被動通風具有更低的氮損失;Elwell在采用豬糞與鋸末共堆肥的試驗中發現,NH3的揮發量與通風量呈線性關系(R2=0.51);De等發現剩余污泥堆肥過程中NH3釋放量在一定范圍內隨曝氣量的增加而增加,當曝氣量>8.48 L/(h·kg)時,會出現略微下降。而過低通風速率會降低堆體中的氧濃度,造成堆體局部厭氧,從而產生大量的臭氣、H2S、甲烷等溫室氣體。張朋月等也發現:當曝氣量較小時,O2供應不足導致有機物分解不徹底,產生硫醇、H2S等含硫化合物。

  因此,上堆后采用合理的通風策略,調節堆體的通風供氧速率,可以起到調控堆溫,減少臭氣產生,提高堆肥效率的作用。

  02

  堆肥過程中的微生物群落演替

  堆肥過程中,堆體溫度會呈現先增高后降低的趨勢,這與微生物的活動以及有機物的降解密切相關。溫度變化對微生物的生長繁殖產生影響,而微生物的豐度直接影響堆肥的進程,在溫度變化過程中,一部分菌種因不適應堆料環境,數量減少甚至死亡,另一部分菌種則大量生長繁殖成為優勢種群,引起堆料中微生物群落和數量的演替。


  1.升溫階段

  在堆肥過程的升溫階段,溫度的上升速率取決于堆體生物易降解的有機質含量與堆體的含水率、O2含量狀況。在堆肥的最初階段,堆體內溫度通常為室溫,pH呈弱酸性,嗜溫菌成為優勢菌群,降解堆體中有機物產生有機酸,此時堆體pH迅速下降,溫度迅速上升,隨后由于有機酸的分解堆體pH又逐漸上升。

  細菌的生命活動是堆肥升溫期產熱和有機物分解的主要原因。由于細菌更短的世代周期,在堆肥初期細菌成為主要優勢菌種。Lacey在分離嗜溫菌的試驗中發現:在堆肥過程中,當堆體營養物質含量過高時,放線菌繁殖速率變慢,細菌與真菌成為有機物的主要降解者。Fagan等的研究表明:在堆肥升溫階段,大量的原核生物產生淀粉酶迅速降解淀粉類物質,在堆肥升溫階段同樣重要。Ryckeboer等在利用廚余垃圾高溫堆肥試驗中分離出升溫期的優勢菌屬包括中溫嗜熱纖維素分解菌、中溫酵母菌、巴氏桿菌、蘇云金芽孢桿菌等。Pedro等在堆肥升溫期分離出慢生根瘤菌屬等優勢菌屬。Rocha等利用牛糞與園林廢棄物共堆肥試驗升溫階段分離出的優勢菌屬為硝化桿菌屬。

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