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农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化

颜瑾, 李燕, 熊仁, 马嘉伟, 肖本益, 刘俊新, 郭雪松, 刘越. 农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
引用本文: 颜瑾, 李燕, 熊仁, 马嘉伟, 肖本益, 刘俊新, 郭雪松, 刘越. 农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
YAN Jin, LI Yan, XIONG Ren, MA Jiawei, XIAO Benyi, LIU Junxin, GUO Xuesong, LIU Yue. Mixture ratio optimization of different organic solid waste co-composting in rural areas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
Citation: YAN Jin, LI Yan, XIONG Ren, MA Jiawei, XIAO Benyi, LIU Junxin, GUO Xuesong, LIU Yue. Mixture ratio optimization of different organic solid waste co-composting in rural areas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100

农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化

  • 基金项目:

    中国科学院科技服务网络计划(KFJ-STS-ZDTP-014)

Mixture ratio optimization of different organic solid waste co-composting in rural areas

  • Fund Project:
  • 摘要: 为寻求3种农村有机固体废弃物(农村污泥、人粪便、生活垃圾)的最适堆肥配比组合,采用混料设计,分别进行了14组堆肥实验,以WSC/WSN(溶解性碳氮比)、WSCorg(溶解性有机碳)、T(终点C/N与初始C/N的比值)、k(有机质降解速率)作为混合堆肥腐熟程度的判别指标进行响应面分析。结果表明:将三者进行混合堆肥,可有效解决它们单独堆肥时存在的溶解性碳素过高和堆肥进程较慢的问题。堆肥效果相对较优的配比组合(干重比)为生活垃圾27%~45%、人粪便38%~70%和农村污泥0%~27%。在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、T和k分别为7.57~8.78?mg·g-1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12?d-1,达到腐熟标准。
  • 我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家,每年产量高达40亿 t,其中,乡镇生活垃圾和人粪便约2.5亿 t,农作物秸秆约7.0亿 t[1]。除上述传统的农业废弃物以外,我国有6.6亿常驻农村人口[2],污水排放量约为80亿~90亿 t·a−1[3],随着农村污水处理率快速增长,农村分散污水处理设施产生的农村污泥逐年增加[4]。这些农业废弃物富含有机物和营养元素,处理不当不仅严重污染环境,还会造成巨大的资源浪费。
    农村有机固体废弃物堆肥处理既可实现废弃物的资源化,还可有效避免其对生态环境的污染,是一种有效的处理手段[5]。研究表明,农村剩余污泥、人粪便、乡镇生活垃圾单独堆肥不同程度地存在含水率过高、降解速率偏低、碳氮比偏低以及粒度小、黏度大等问题[6-8],目前将这些废弃物进行混合堆肥的研究越来越多[9-12],然而多种废弃物混合堆肥时的优化配比,尤其是加入农村分散污水设施剩余污泥后的优化配比,仍需要进一步的研究。
    针对单独堆肥存在的问题,本研究采用农村污泥、人粪便、生活垃圾3种农村有机固体废弃物进行混合堆肥,以秸秆作为调理剂,利用响应面混料设计方法,通过考察4项腐熟指标溶解性碳氮比(WSC/WSN)、溶解性有机碳(WSCorg)、终点C/N与初始C/N的比值(T)、有机质降解速率(k)的变化情况,对3种农村有机固体废弃物混合堆肥的配比方案进行了优化。

    1 材料与方法

    1.1 原料

    人粪便取自北京市某乡镇小区化粪池,农村污泥取自北京市某分散污水处理装置,生活垃圾(粉碎至1.0 cm左右)来自北京市某乡镇的生活垃圾,玉米秸秆(粉碎至0.1~0.5 cm)购于河南省某合作社。原料基本性质如表1所示。
    表1 堆肥原料基本物化性质
    Table 1 Basic physicochemical parameters of materials
    表1 堆肥原料基本物化性质
    Table 1 Basic physicochemical parameters of materials
    堆肥原料
    含水率(湿重)/%
    总碳(干重)/(g·kg−1)
    总氮(干重)/(g·kg−1)
    有机氮(干重)/(g·kg−1)
    C/N
    有机质(干重)/%
    NH4+(干重)/(mg·g−1)
    NO3(干重)/(mg·g−1)
    生活垃圾
    72.70
    46.21
    2.36
    1.96
    19.55
    95.31
    3.12
    0.89
    人粪便
    84.83
    48.64
    4.54
    4.10
    10.71
    82.42
    3.42
    0.94
    农村污泥
    82.38
    29.62
    4.75
    4.44
    6.24
    63.15
    2.28
    0.85
    玉米秸秆
    7.74
    41.81
    1.17
    1.17
    35.74
    92.94

    1.2 堆肥

    采用强制通风静态堆肥方法进行3种农村有机固体废弃物混合堆肥实验,其实验装置结构如图1所示。堆肥反应器有效容积2 L,由气泵通过底部穿孔布气板均匀通风,通风速率为150 mL·min−1,通风频率设定为开1 min、停20 min。
    图1 堆肥装置示意图
    Fig. 1 Schematic diagram of compost equipment
    图1 堆肥装置示意图
    Fig. 1 Schematic diagram of compost equipment
    Cjee 201712100 t1
    由于堆体过小,容量散热,因此,采用水浴加热对堆体进行保温,水浴温度设计[13-14]如下:初始温度30 ℃,前3 d每天升温10 ℃,第4~7 天维持高温60 ℃,第8 天维持55 ℃,第9~11 天连续降温共计10 ℃,第12~15 天维持45 ℃,第16~18 天连续降温共计10 ℃,第19~28 天维持35 ℃。

    1.3 配比设计方案与分析方法

    运用State-East公司的Design Expert软件进行单纯形重心设计,得到14个不同配比组合(表2),然后进行堆肥实验。堆肥结束后,测定各腐熟指标,通过回归方程和响应面[15-17]进行数据处理。
    表2 混料设计实验
    Table 2 Test of mixture design
    表2 混料设计实验
    Table 2 Test of mixture design
    编号
    生活垃圾A
    人粪便B
    农村污泥C
    A+B+C总重(湿重)/g
    A+B+C总重(干重)/g
    玉米秸秆(湿重)/g
    C/N
    湿重/g
    占比(干重)
    湿重/g
    占比(干重)
    湿重/g
    占比(干重)
    1
    549
    1
    0
    0
    0
    0
    549
    154
    256
    30.08 ± 1.04
    2
    0
    0
    1 026
    1
    0
    0
    1 026
    154
    256
    17.62 ± 2.24
    3
    0
    0
    0
    0
    855
    1
    855
    154
    256
    13.98 ±0.43
    4
    275
    1/2
    0
    0
    427
    1/2
    702
    154
    256
    9.52 ± 0.26
    5
    275
    1/2
    513
    1/2
    0
    0
    788
    154
    256
    23.95 ± 0.94
    6
    0
    0
    513
    1/2
    427
    1/2
    940
    154
    256
    16.30 ± 0.58
    7
    366
    2/3
    171
    1/3
    143
    1/3
    681
    154
    256
    24.16 ± 1.4
    8
    366
    2/3
    171
    1/3
    143
    1/3
    681
    154
    256
    24.16 ± 1.4
    9
    92
    1/3
    684
    2/3
    143
    1/3
    919
    154
    256
    19.19 ± 0.73
    10
    92
    1/3
    684
    2/3
    143
    1/3
    919
    154
    256
    19.19 ± 0.73
    11
    92
    1/3
    171
    1/3
    570
    2/3
    833
    154
    256
    15.98 ± 0.46
    12
    92
    1/3
    171
    1/3
    570
    2/3
    833
    154
    256
    15.98 ± 0.46
    13
    183
    1/3
    342
    1/3
    285
    1/3
    809
    154
    256
    17.76 ± 1.77
    14
    183
    1/3
    342
    1/3
    285
    1/3
    809
    154
    256
    17.76 ± 1.77
    注:C/N为平均值±标准差。
    为对各组堆肥过程中有机质的降解情况进行考察,将各阶段样品的有机质降耗损量进行一级动力学拟合[7](见式 (1)),以分析其在堆肥过程中的有机质降解速率。
    LOM=A(1ekt)
    (1)
    式中:LOM为有机质耗损;A为有机质最大降解量,%;k为有机质降解速率,d−1t为时间,d。

    1.4 分析项目与方法

    实验期间每天2次测定堆心温度;分别在堆肥1、2、5、7、15、22、28 d采用五点取样法[18]取样。
    总碳(TC)采用SSM-5000A TOC分析仪测定;TN采用凯氏定氮仪测定;含水率[19]和有机质[20]采用国标法测定;溶解性指标WSCorg、WSC、WSN测定需先进行浸提,即按堆肥鲜样与去离子水1:10的重量比置于锥形瓶中,以150 r·min−1的速度振荡1 h,8 000 r·min−1离心20 min后,过0.45 μm膜,得到溶解性堆肥浸提液,溶解性总碳(WSC)和溶解性有机碳(WSCorg)采用岛津总有机碳分析仪(TOC-Vcph)、溶解性总氮(WSN)采用哈希法。

    1.5 数据处理

    采用统计分析软件Design Expert8.0进行实验方案设计和综合优化分析;采用R语言对原料特性和腐熟指标进行冗余分析(redundancy analysis,RDA);利用Origin进行堆肥过程有机质降解速率的一级动力学拟合。

    2 结果与讨论

    2.1 不同配比对堆肥腐熟指标的影响

    堆肥腐熟度是国际公认的衡量堆肥反应进行程度的概念性参数,即有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度[21-23]。堆肥是一个复杂的过程,单一指标无法全面反应实际堆肥过程的腐熟特征[24],因此本研究选取4个指标来分析各组实验堆肥进程。

    2.1.1 不同配比对WSCorg、WSC/WSN的影响

    在堆肥过程中,微生物对原料中水溶性有机质进行矿化,通过检测堆肥浸提液中水溶性成分的变化,可以判断堆肥的腐熟程度,当WSCorg≤17.00 g·kg−1,WSC/WSN≤16.00[6]时,堆肥基本达到腐熟。图2为堆肥结束后堆肥产品的溶解性有机碳(WSCorg)(图2(a))和溶解性碳氮比(WSC/WSN)(图2(b))的响应面三维图及其拟合方程式。由图2可知,原料配比对2个指标的影响相似,响应面向生活垃圾增加的方向上倾斜,同时拟合方程式的生活垃圾系数最大。因此,生活垃圾对溶解性有机碳的贡献最大,随着配比中生活垃圾比例的增加,堆肥产品中WSCorg和WSC/WSN逐渐增加,当生活垃圾单独堆肥时达到最大值21.30 mg·g−1和9.36,其中,WSCorg未达到腐熟标准;而人粪便和农村污泥对2个指标的影响程度相似,随着人粪便和农村污泥比例的逐渐增加,WSCorg和WSC/WSN逐渐减少,当生活垃圾的比例低于85%时,堆肥产品的2个指标均符合腐熟标准。因此,生活垃圾占比较大或单独堆肥时不利于堆肥的腐熟,将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,可有效降低堆体中溶解性有机碳的含量,使之达到标准要求。
    图2 溶解性碳素响应面
    Fig. 2 Response surface of water-soluble carbon
    图2 溶解性碳素响应面
    Fig. 2 Response surface of water-soluble carbon
    Cjee 201712100 t2

    2.1.2 不同配比对T的影响

    固相C/N是一种传统的方法,常被作为评价腐熟度的经典参数[25],但是由于不同堆肥底物的C/N不同,因此单纯从C/N降到某个值作为堆肥的腐熟指标是不合理的。有学者认为堆肥的终点C/N与起始C/N的比值(T)更能说明问题,且认为当T值小于0.60[26]时,堆肥达到腐熟。堆肥结束后对各组T值进行了分析(图3(a))。可知,14组堆体均已达到腐熟标准。响应面为一平面,说明3种原料间没有交互作用;同时响应面向农村污泥增加的方向上倾斜,拟合方程式的农村污泥系数最大,说明农村污泥对堆肥进程快慢影响最大,随着配比中农村污泥比例的增加,微生物对有机质的降解速率越慢,有机碳含量下降越小,表现为C/N下降幅度较小,也就是T值较高,堆肥进程较慢。当农村污泥单独堆肥时T值最高,达0.58(<0.60),处于刚好达到腐熟阶段,这说明利用农村污泥进行单独堆肥,达到腐熟最短时间需28 d,而人粪便和农村污泥对T值的影响程度相似,生活垃圾和农村污泥的添加则会缩短堆肥达到腐熟的时间。这是由于污泥中有机质含量较低,且多为胞外聚合物,造成堆肥有机质降解速率相对较为缓慢,有机质降解少,在PAREDES等[7]进行污泥和厨余垃圾混合堆肥实验中也发现污泥占比较大的实验组有机质降解相对较少,有机质降解量随厨余垃圾占比的增加而增加。因此,将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,利用生活垃圾和人粪便增加有机物,可避免农村污泥单独堆肥不利于堆体腐熟的问题,加快堆肥腐熟进程。
    图3 Tk响应面
    Fig. 3 Response surface of T and k
    图3 Tk响应面
    Fig. 3 Response surface of T and k
    Cjee 201712100 t3

    2.1.3 不同配比对k的影响

    为进一步对比各实验组堆肥进程的快慢,选择有机质降解速率作为评判指标,以优化得出堆肥较快的配比方案。将各实验组堆肥过程中有机质降解情况进行拟合(见表3),并将各组堆体的有机质降解速率k进行响应面拟合(见图3(b))。结果表明,生活垃圾占比越大,堆体有机质降解速率越快,当生活垃圾单独堆肥时,有机质降解速率为0.15 d−1;而人粪便和农村污泥的占比越大,堆肥进行得越慢,当其单独堆肥时,有机质降解速率分别为0.09 d−1和0.10 d−1。一方面是由于农村污泥、人粪便中有机物的可降解性相比生活垃圾较差[7];另一方面是由于农村污泥和人粪便粒度小、黏度大,过量投加会影响堆体通风性能,因而减慢了堆肥进程。KULCU[27]研究自由空域对堆肥的影响时也发现,随着粪便投加量的增加,堆体的自由空域和温度逐渐减少,导致有机质降解速率逐渐减慢。
    表3 有机质降解一级动力学拟合参数
    Table 3 Parameter values of the first-order equation describing OM degradation
    表3 有机质降解一级动力学拟合参数
    Table 3 Parameter values of the first-order equation describing OM degradation
    实验组
    A/%
    标准差( A)
    k/d−1
    标准差( k)
    残差均方
    F
    1
    68.40
    4.66
    0.15
    0.03
    34.11
    242.13**
    2
    62.29
    5.37
    0.09
    0.02
    13.91
    353.19**
    3
    63.78
    4.59
    0.10
    0.02
    12.01
    448.62**
    4
    66.67
    4.13
    0.13
    0.02
    20.96
    347.35**
    5
    66.19
    8.34
    0.10
    0.03
    40.23
    144.81**
    6
    69.85
    7.83
    0.09
    0.02
    27.47
    220.56**
    7
    65.67
    5.17
    0.19
    0.05
    51.57
    157.02**
    8
    76.42
    5.71
    0.19
    0.05
    67.48
    168.59**
    9
    69.12
    10.34
    0.08
    0.03
    39.14
    143.45**
    10
    66.50
    6.69
    0.09
    0.02
    21.79
    257.71**
    11
    64.03
    4.73
    0.11
    0.02
    18.72
    321.67**
    12
    57.32
    3.35
    0.13
    0.02
    13.37
    399.09**
    13
    60.09
    4.97
    0.13
    0.03
    27.20
    165.68**
    14
    63.06
    19.54
    0.06
    0.03
    37.45
    86.45**
    注:**P < 0.01。

    2.2 综合分析与优化

    2.2.1 原料性质与腐熟指标影响分析

    为了探讨原料特性对腐熟指标的影响情况,将6个原料特性指标(原料有机质、原料C/N、原料C含量、原料N含量、原料溶解性C/N、原料溶解性有机碳)与4个响应值(WSCorg、WSC/WSN、Tk)进行冗余分析(见图4)。对响应值产生影响并通过显著性检验的原料特性指标有原料有机质(P<0.01)、原料溶解性C/N(P<0.01)、原料溶解性有机碳(P<0.01)、原料C/N(P<0.05),而原料C含量、原料N含量对响应值无显著影响。由图4可知,原料特性指标(碳氮比、有机质、溶解性有机碳、溶解性碳氮比)间呈显著共线性,且与腐熟响应指标(WSCorg、WSC/WSN和k)的指示箭头间呈现锐角,与腐熟指标T呈现钝角,这说明原料特性指标与WSCorg、WSC/WSN和k呈正相关,但与T呈负相关。生活垃圾组分占比越大,原料C/N越高,易降解有机质含量越丰富,降解形成的溶解性有机物相对越多,从而有助于加快微生物的降解速率(k值越大),堆肥进行越彻底(T值越小);但生活垃圾占比过大时,C/N过大,碳素多,氮素养料相对缺乏,微生物必须经过多次生命循环,氧化掉过量的碳,因而有机物的分解速度较慢,延缓了堆体的腐熟。以往研究[28-30]也表明,碳氮比过高造成高温时间短、堆温低、堆肥周期长(T值较大或k值较小)等问题。另一方面可能是因为当生活垃圾占比过大时,堆体有机物含量过高,对堆肥过程中氧气的需求很大,而实验条件下的供气量不足,因而导致过量溶解性有机碳剩余[31],WSCorg不达标。
    图4 原料特性对响应指标的RDA分析
    Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of material properties and each responses
    图4 原料特性对响应指标的RDA分析
    Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of material properties and each responses
    Cjee 201712100 t4

    2.2.2 综合优化

    为得到最优的配比方案,利用软件设定各响应值优化方向(表4),可以得到总体期望值等高线图(图5),图5中期望值越接近1,说明堆肥腐熟指标越符合优化方向,堆肥效果越好。由图5可知,当垃圾单独堆肥或占比大于85%时,总体期望为0,WSCorg超过腐熟标准;当农村污泥单独堆肥或其占比大于95%时,总体期望也为0,2个指标Tk相对过低,堆肥进程缓慢。因此,当生活垃圾和农村污泥所占比例过大或单独堆肥时,堆肥会出现不达标现象。为得到最优的堆肥配比方案,以期望值0.58作为限定,可得到相对较优的配比组合如下:生活垃圾、人粪便、农村污泥分别占27%~45%、38%~70%、0%~27%,在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、Tk分别在7.57~8.78 mg·g−1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12d−1之间,均达到腐熟标准;在此范围内,相应的原料C/N在19~24,与以往针对C/N影响的探究[8,32-33]相符。
    表4 响应值综合优化
    Table 4 Comprehensive optimization of response indicators
    表4 响应值综合优化
    Table 4 Comprehensive optimization of response indicators
    项目
    原料或参数
    参数优化方向
    最小值
    最大值
    因子水平
    生活垃圾
    设定值内
    0
    1
    人粪便
    设定值内
    0
    1
    农村污泥
    设定值内
    0
    1
    腐熟响应值
    WSCorg
    最小值
    6.93
    21.30
    WSC/WSN
    最小值
    2.39
    9.36
    T
    最小值
    0.34
    0.59
    k
    最大值
    0.06
    0.19
    图5 响应指标总体期望等高线图
    Fig. 5 Mixture contour plot of comprehensive expected value of response indicators
    图5 响应指标总体期望等高线图
    Fig. 5 Mixture contour plot of comprehensive expected value of response indicators
    Cjee 201712100 t5

    3 结论

    1)当垃圾单独堆肥或占比大于85%时,堆肥存在溶解性碳素过高的问题,当农村污泥单独堆肥或其占比大于95%时,存在堆肥进程较慢的问题,均不利于堆体的腐熟。
    2)将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,可得到相对较优的配比组合如下:生活垃圾、人粪便、农村污泥分别占27%~45%、38%~70%、0%~27%,在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、Tk分别在7.57~8.78 mg·g−1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12 d−1之间,均达到腐熟标准。
    3)原料C/N、原料有机质以及原料溶解性有机碳和溶解性碳氮比与腐熟响应指标WSCorg、WSC/WSN、k呈正相关,与T呈负相关,在优化配比组合范围内,推荐原料C/N为19~24。
    4)研究结论可对农村固体废弃物混合堆肥中的原料配比提供理论参考,但不同有机物的具体组成成分对堆肥效果的影响仍需进一步的机理探讨。

    参考文献

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出版历程
  • 刊出日期:  2018-07-26
颜瑾, 李燕, 熊仁, 马嘉伟, 肖本益, 刘俊新, 郭雪松, 刘越. 农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
引用本文: 颜瑾, 李燕, 熊仁, 马嘉伟, 肖本益, 刘俊新, 郭雪松, 刘越. 农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化[J]. 环境工程学报, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
YAN Jin, LI Yan, XIONG Ren, MA Jiawei, XIAO Benyi, LIU Junxin, GUO Xuesong, LIU Yue. Mixture ratio optimization of different organic solid waste co-composting in rural areas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100
Citation: YAN Jin, LI Yan, XIONG Ren, MA Jiawei, XIAO Benyi, LIU Junxin, GUO Xuesong, LIU Yue. Mixture ratio optimization of different organic solid waste co-composting in rural areas[J]. Chinese Journal of Environmental Engineering, 2018, 12(7): 2106-2113. doi: 10.12030/j.cjee.201712100

农村不同类型有机固体废弃物混合堆肥配比优化

  • 1. 中国矿业大学环境与测绘学院,徐州 221116
  • 2. 中国科学院生态环境研究中心,北京 100085
  • 3. 北京清流技术股份有限公司,北京100073
基金项目:

中国科学院科技服务网络计划(KFJ-STS-ZDTP-014)

摘要: 为寻求3种农村有机固体废弃物(农村污泥、人粪便、生活垃圾)的最适堆肥配比组合,采用混料设计,分别进行了14组堆肥实验,以WSC/WSN(溶解性碳氮比)、WSCorg(溶解性有机碳)、T(终点C/N与初始C/N的比值)、k(有机质降解速率)作为混合堆肥腐熟程度的判别指标进行响应面分析。结果表明:将三者进行混合堆肥,可有效解决它们单独堆肥时存在的溶解性碳素过高和堆肥进程较慢的问题。堆肥效果相对较优的配比组合(干重比)为生活垃圾27%~45%、人粪便38%~70%和农村污泥0%~27%。在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、T和k分别为7.57~8.78?mg·g-1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12?d-1,达到腐熟标准。

English Abstract

    我国是世界上农业废弃物产出量最大的国家,每年产量高达40亿 t,其中,乡镇生活垃圾和人粪便约2.5亿 t,农作物秸秆约7.0亿 t[1]。除上述传统的农业废弃物以外,我国有6.6亿常驻农村人口[2],污水排放量约为80亿~90亿 t·a−1[3],随着农村污水处理率快速增长,农村分散污水处理设施产生的农村污泥逐年增加[4]。这些农业废弃物富含有机物和营养元素,处理不当不仅严重污染环境,还会造成巨大的资源浪费。
    农村有机固体废弃物堆肥处理既可实现废弃物的资源化,还可有效避免其对生态环境的污染,是一种有效的处理手段[5]。研究表明,农村剩余污泥、人粪便、乡镇生活垃圾单独堆肥不同程度地存在含水率过高、降解速率偏低、碳氮比偏低以及粒度小、黏度大等问题[6-8],目前将这些废弃物进行混合堆肥的研究越来越多[9-12],然而多种废弃物混合堆肥时的优化配比,尤其是加入农村分散污水设施剩余污泥后的优化配比,仍需要进一步的研究。
    针对单独堆肥存在的问题,本研究采用农村污泥、人粪便、生活垃圾3种农村有机固体废弃物进行混合堆肥,以秸秆作为调理剂,利用响应面混料设计方法,通过考察4项腐熟指标溶解性碳氮比(WSC/WSN)、溶解性有机碳(WSCorg)、终点C/N与初始C/N的比值(T)、有机质降解速率(k)的变化情况,对3种农村有机固体废弃物混合堆肥的配比方案进行了优化。

    1 材料与方法

    1.1 原料

    人粪便取自北京市某乡镇小区化粪池,农村污泥取自北京市某分散污水处理装置,生活垃圾(粉碎至1.0 cm左右)来自北京市某乡镇的生活垃圾,玉米秸秆(粉碎至0.1~0.5 cm)购于河南省某合作社。原料基本性质如表1所示。
    表1 堆肥原料基本物化性质
    Table 1 Basic physicochemical parameters of materials
    表1 堆肥原料基本物化性质
    Table 1 Basic physicochemical parameters of materials
    堆肥原料
    含水率(湿重)/%
    总碳(干重)/(g·kg−1)
    总氮(干重)/(g·kg−1)
    有机氮(干重)/(g·kg−1)
    C/N
    有机质(干重)/%
    NH4+(干重)/(mg·g−1)
    NO3(干重)/(mg·g−1)
    生活垃圾
    72.70
    46.21
    2.36
    1.96
    19.55
    95.31
    3.12
    0.89
    人粪便
    84.83
    48.64
    4.54
    4.10
    10.71
    82.42
    3.42
    0.94
    农村污泥
    82.38
    29.62
    4.75
    4.44
    6.24
    63.15
    2.28
    0.85
    玉米秸秆
    7.74
    41.81
    1.17
    1.17
    35.74
    92.94

    1.2 堆肥

    采用强制通风静态堆肥方法进行3种农村有机固体废弃物混合堆肥实验,其实验装置结构如图1所示。堆肥反应器有效容积2 L,由气泵通过底部穿孔布气板均匀通风,通风速率为150 mL·min−1,通风频率设定为开1 min、停20 min。
    图1 堆肥装置示意图
    Fig. 1 Schematic diagram of compost equipment
    图1 堆肥装置示意图
    Fig. 1 Schematic diagram of compost equipment
    Cjee 201712100 t1
    由于堆体过小,容量散热,因此,采用水浴加热对堆体进行保温,水浴温度设计[13-14]如下:初始温度30 ℃,前3 d每天升温10 ℃,第4~7 天维持高温60 ℃,第8 天维持55 ℃,第9~11 天连续降温共计10 ℃,第12~15 天维持45 ℃,第16~18 天连续降温共计10 ℃,第19~28 天维持35 ℃。

    1.3 配比设计方案与分析方法

    运用State-East公司的Design Expert软件进行单纯形重心设计,得到14个不同配比组合(表2),然后进行堆肥实验。堆肥结束后,测定各腐熟指标,通过回归方程和响应面[15-17]进行数据处理。
    表2 混料设计实验
    Table 2 Test of mixture design
    表2 混料设计实验
    Table 2 Test of mixture design
    编号
    生活垃圾A
    人粪便B
    农村污泥C
    A+B+C总重(湿重)/g
    A+B+C总重(干重)/g
    玉米秸秆(湿重)/g
    C/N
    湿重/g
    占比(干重)
    湿重/g
    占比(干重)
    湿重/g
    占比(干重)
    1
    549
    1
    0
    0
    0
    0
    549
    154
    256
    30.08 ± 1.04
    2
    0
    0
    1 026
    1
    0
    0
    1 026
    154
    256
    17.62 ± 2.24
    3
    0
    0
    0
    0
    855
    1
    855
    154
    256
    13.98 ±0.43
    4
    275
    1/2
    0
    0
    427
    1/2
    702
    154
    256
    9.52 ± 0.26
    5
    275
    1/2
    513
    1/2
    0
    0
    788
    154
    256
    23.95 ± 0.94
    6
    0
    0
    513
    1/2
    427
    1/2
    940
    154
    256
    16.30 ± 0.58
    7
    366
    2/3
    171
    1/3
    143
    1/3
    681
    154
    256
    24.16 ± 1.4
    8
    366
    2/3
    171
    1/3
    143
    1/3
    681
    154
    256
    24.16 ± 1.4
    9
    92
    1/3
    684
    2/3
    143
    1/3
    919
    154
    256
    19.19 ± 0.73
    10
    92
    1/3
    684
    2/3
    143
    1/3
    919
    154
    256
    19.19 ± 0.73
    11
    92
    1/3
    171
    1/3
    570
    2/3
    833
    154
    256
    15.98 ± 0.46
    12
    92
    1/3
    171
    1/3
    570
    2/3
    833
    154
    256
    15.98 ± 0.46
    13
    183
    1/3
    342
    1/3
    285
    1/3
    809
    154
    256
    17.76 ± 1.77
    14
    183
    1/3
    342
    1/3
    285
    1/3
    809
    154
    256
    17.76 ± 1.77
    注:C/N为平均值±标准差。
    为对各组堆肥过程中有机质的降解情况进行考察,将各阶段样品的有机质降耗损量进行一级动力学拟合[7](见式 (1)),以分析其在堆肥过程中的有机质降解速率。
    LOM=A(1ekt)
    (1)
    式中:LOM为有机质耗损;A为有机质最大降解量,%;k为有机质降解速率,d−1t为时间,d。

    1.4 分析项目与方法

    实验期间每天2次测定堆心温度;分别在堆肥1、2、5、7、15、22、28 d采用五点取样法[18]取样。
    总碳(TC)采用SSM-5000A TOC分析仪测定;TN采用凯氏定氮仪测定;含水率[19]和有机质[20]采用国标法测定;溶解性指标WSCorg、WSC、WSN测定需先进行浸提,即按堆肥鲜样与去离子水1:10的重量比置于锥形瓶中,以150 r·min−1的速度振荡1 h,8 000 r·min−1离心20 min后,过0.45 μm膜,得到溶解性堆肥浸提液,溶解性总碳(WSC)和溶解性有机碳(WSCorg)采用岛津总有机碳分析仪(TOC-Vcph)、溶解性总氮(WSN)采用哈希法。

    1.5 数据处理

    采用统计分析软件Design Expert8.0进行实验方案设计和综合优化分析;采用R语言对原料特性和腐熟指标进行冗余分析(redundancy analysis,RDA);利用Origin进行堆肥过程有机质降解速率的一级动力学拟合。

    2 结果与讨论

    2.1 不同配比对堆肥腐熟指标的影响

    堆肥腐熟度是国际公认的衡量堆肥反应进行程度的概念性参数,即有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度[21-23]。堆肥是一个复杂的过程,单一指标无法全面反应实际堆肥过程的腐熟特征[24],因此本研究选取4个指标来分析各组实验堆肥进程。

    2.1.1 不同配比对WSCorg、WSC/WSN的影响

    在堆肥过程中,微生物对原料中水溶性有机质进行矿化,通过检测堆肥浸提液中水溶性成分的变化,可以判断堆肥的腐熟程度,当WSCorg≤17.00 g·kg−1,WSC/WSN≤16.00[6]时,堆肥基本达到腐熟。图2为堆肥结束后堆肥产品的溶解性有机碳(WSCorg)(图2(a))和溶解性碳氮比(WSC/WSN)(图2(b))的响应面三维图及其拟合方程式。由图2可知,原料配比对2个指标的影响相似,响应面向生活垃圾增加的方向上倾斜,同时拟合方程式的生活垃圾系数最大。因此,生活垃圾对溶解性有机碳的贡献最大,随着配比中生活垃圾比例的增加,堆肥产品中WSCorg和WSC/WSN逐渐增加,当生活垃圾单独堆肥时达到最大值21.30 mg·g−1和9.36,其中,WSCorg未达到腐熟标准;而人粪便和农村污泥对2个指标的影响程度相似,随着人粪便和农村污泥比例的逐渐增加,WSCorg和WSC/WSN逐渐减少,当生活垃圾的比例低于85%时,堆肥产品的2个指标均符合腐熟标准。因此,生活垃圾占比较大或单独堆肥时不利于堆肥的腐熟,将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,可有效降低堆体中溶解性有机碳的含量,使之达到标准要求。
    图2 溶解性碳素响应面
    Fig. 2 Response surface of water-soluble carbon
    图2 溶解性碳素响应面
    Fig. 2 Response surface of water-soluble carbon
    Cjee 201712100 t2

    2.1.2 不同配比对T的影响

    固相C/N是一种传统的方法,常被作为评价腐熟度的经典参数[25],但是由于不同堆肥底物的C/N不同,因此单纯从C/N降到某个值作为堆肥的腐熟指标是不合理的。有学者认为堆肥的终点C/N与起始C/N的比值(T)更能说明问题,且认为当T值小于0.60[26]时,堆肥达到腐熟。堆肥结束后对各组T值进行了分析(图3(a))。可知,14组堆体均已达到腐熟标准。响应面为一平面,说明3种原料间没有交互作用;同时响应面向农村污泥增加的方向上倾斜,拟合方程式的农村污泥系数最大,说明农村污泥对堆肥进程快慢影响最大,随着配比中农村污泥比例的增加,微生物对有机质的降解速率越慢,有机碳含量下降越小,表现为C/N下降幅度较小,也就是T值较高,堆肥进程较慢。当农村污泥单独堆肥时T值最高,达0.58(<0.60),处于刚好达到腐熟阶段,这说明利用农村污泥进行单独堆肥,达到腐熟最短时间需28 d,而人粪便和农村污泥对T值的影响程度相似,生活垃圾和农村污泥的添加则会缩短堆肥达到腐熟的时间。这是由于污泥中有机质含量较低,且多为胞外聚合物,造成堆肥有机质降解速率相对较为缓慢,有机质降解少,在PAREDES等[7]进行污泥和厨余垃圾混合堆肥实验中也发现污泥占比较大的实验组有机质降解相对较少,有机质降解量随厨余垃圾占比的增加而增加。因此,将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,利用生活垃圾和人粪便增加有机物,可避免农村污泥单独堆肥不利于堆体腐熟的问题,加快堆肥腐熟进程。
    图3 Tk响应面
    Fig. 3 Response surface of T and k
    图3 Tk响应面
    Fig. 3 Response surface of T and k
    Cjee 201712100 t3

    2.1.3 不同配比对k的影响

    为进一步对比各实验组堆肥进程的快慢,选择有机质降解速率作为评判指标,以优化得出堆肥较快的配比方案。将各实验组堆肥过程中有机质降解情况进行拟合(见表3),并将各组堆体的有机质降解速率k进行响应面拟合(见图3(b))。结果表明,生活垃圾占比越大,堆体有机质降解速率越快,当生活垃圾单独堆肥时,有机质降解速率为0.15 d−1;而人粪便和农村污泥的占比越大,堆肥进行得越慢,当其单独堆肥时,有机质降解速率分别为0.09 d−1和0.10 d−1。一方面是由于农村污泥、人粪便中有机物的可降解性相比生活垃圾较差[7];另一方面是由于农村污泥和人粪便粒度小、黏度大,过量投加会影响堆体通风性能,因而减慢了堆肥进程。KULCU[27]研究自由空域对堆肥的影响时也发现,随着粪便投加量的增加,堆体的自由空域和温度逐渐减少,导致有机质降解速率逐渐减慢。
    表3 有机质降解一级动力学拟合参数
    Table 3 Parameter values of the first-order equation describing OM degradation
    表3 有机质降解一级动力学拟合参数
    Table 3 Parameter values of the first-order equation describing OM degradation
    实验组
    A/%
    标准差( A)
    k/d−1
    标准差( k)
    残差均方
    F
    1
    68.40
    4.66
    0.15
    0.03
    34.11
    242.13**
    2
    62.29
    5.37
    0.09
    0.02
    13.91
    353.19**
    3
    63.78
    4.59
    0.10
    0.02
    12.01
    448.62**
    4
    66.67
    4.13
    0.13
    0.02
    20.96
    347.35**
    5
    66.19
    8.34
    0.10
    0.03
    40.23
    144.81**
    6
    69.85
    7.83
    0.09
    0.02
    27.47
    220.56**
    7
    65.67
    5.17
    0.19
    0.05
    51.57
    157.02**
    8
    76.42
    5.71
    0.19
    0.05
    67.48
    168.59**
    9
    69.12
    10.34
    0.08
    0.03
    39.14
    143.45**
    10
    66.50
    6.69
    0.09
    0.02
    21.79
    257.71**
    11
    64.03
    4.73
    0.11
    0.02
    18.72
    321.67**
    12
    57.32
    3.35
    0.13
    0.02
    13.37
    399.09**
    13
    60.09
    4.97
    0.13
    0.03
    27.20
    165.68**
    14
    63.06
    19.54
    0.06
    0.03
    37.45
    86.45**
    注:**P < 0.01。

    2.2 综合分析与优化

    2.2.1 原料性质与腐熟指标影响分析

    为了探讨原料特性对腐熟指标的影响情况,将6个原料特性指标(原料有机质、原料C/N、原料C含量、原料N含量、原料溶解性C/N、原料溶解性有机碳)与4个响应值(WSCorg、WSC/WSN、Tk)进行冗余分析(见图4)。对响应值产生影响并通过显著性检验的原料特性指标有原料有机质(P<0.01)、原料溶解性C/N(P<0.01)、原料溶解性有机碳(P<0.01)、原料C/N(P<0.05),而原料C含量、原料N含量对响应值无显著影响。由图4可知,原料特性指标(碳氮比、有机质、溶解性有机碳、溶解性碳氮比)间呈显著共线性,且与腐熟响应指标(WSCorg、WSC/WSN和k)的指示箭头间呈现锐角,与腐熟指标T呈现钝角,这说明原料特性指标与WSCorg、WSC/WSN和k呈正相关,但与T呈负相关。生活垃圾组分占比越大,原料C/N越高,易降解有机质含量越丰富,降解形成的溶解性有机物相对越多,从而有助于加快微生物的降解速率(k值越大),堆肥进行越彻底(T值越小);但生活垃圾占比过大时,C/N过大,碳素多,氮素养料相对缺乏,微生物必须经过多次生命循环,氧化掉过量的碳,因而有机物的分解速度较慢,延缓了堆体的腐熟。以往研究[28-30]也表明,碳氮比过高造成高温时间短、堆温低、堆肥周期长(T值较大或k值较小)等问题。另一方面可能是因为当生活垃圾占比过大时,堆体有机物含量过高,对堆肥过程中氧气的需求很大,而实验条件下的供气量不足,因而导致过量溶解性有机碳剩余[31],WSCorg不达标。
    图4 原料特性对响应指标的RDA分析
    Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of material properties and each responses
    图4 原料特性对响应指标的RDA分析
    Fig. 4 Redundancy analysis (RDA) of material properties and each responses
    Cjee 201712100 t4

    2.2.2 综合优化

    为得到最优的配比方案,利用软件设定各响应值优化方向(表4),可以得到总体期望值等高线图(图5),图5中期望值越接近1,说明堆肥腐熟指标越符合优化方向,堆肥效果越好。由图5可知,当垃圾单独堆肥或占比大于85%时,总体期望为0,WSCorg超过腐熟标准;当农村污泥单独堆肥或其占比大于95%时,总体期望也为0,2个指标Tk相对过低,堆肥进程缓慢。因此,当生活垃圾和农村污泥所占比例过大或单独堆肥时,堆肥会出现不达标现象。为得到最优的堆肥配比方案,以期望值0.58作为限定,可得到相对较优的配比组合如下:生活垃圾、人粪便、农村污泥分别占27%~45%、38%~70%、0%~27%,在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、Tk分别在7.57~8.78 mg·g−1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12d−1之间,均达到腐熟标准;在此范围内,相应的原料C/N在19~24,与以往针对C/N影响的探究[8,32-33]相符。
    表4 响应值综合优化
    Table 4 Comprehensive optimization of response indicators
    表4 响应值综合优化
    Table 4 Comprehensive optimization of response indicators
    项目
    原料或参数
    参数优化方向
    最小值
    最大值
    因子水平
    生活垃圾
    设定值内
    0
    1
    人粪便
    设定值内
    0
    1
    农村污泥
    设定值内
    0
    1
    腐熟响应值
    WSCorg
    最小值
    6.93
    21.30
    WSC/WSN
    最小值
    2.39
    9.36
    T
    最小值
    0.34
    0.59
    k
    最大值
    0.06
    0.19
    图5 响应指标总体期望等高线图
    Fig. 5 Mixture contour plot of comprehensive expected value of response indicators
    图5 响应指标总体期望等高线图
    Fig. 5 Mixture contour plot of comprehensive expected value of response indicators
    Cjee 201712100 t5

    3 结论

    1)当垃圾单独堆肥或占比大于85%时,堆肥存在溶解性碳素过高的问题,当农村污泥单独堆肥或其占比大于95%时,存在堆肥进程较慢的问题,均不利于堆体的腐熟。
    2)将农村污泥、人粪便、生活垃圾进行混合堆肥,可得到相对较优的配比组合如下:生活垃圾、人粪便、农村污泥分别占27%~45%、38%~70%、0%~27%,在该区间内,堆肥产品WSCorg、WSC/WSN、Tk分别在7.57~8.78 mg·g−1、4.97~6.07、0.43~0.48、0.10~0.12 d−1之间,均达到腐熟标准。
    3)原料C/N、原料有机质以及原料溶解性有机碳和溶解性碳氮比与腐熟响应指标WSCorg、WSC/WSN、k呈正相关,与T呈负相关,在优化配比组合范围内,推荐原料C/N为19~24。
    4)研究结论可对农村固体废弃物混合堆肥中的原料配比提供理论参考,但不同有机物的具体组成成分对堆肥效果的影响仍需进一步的机理探讨。
参考文献 (32)

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