1、厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究I本科毕业设计环境工程厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究THEIMPACTOFAEROBICCOMPOSTINGWITHKITCHENGARBAGEONNITROGENVARIATIONANDGERMINATIONINDEX厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究II厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究摘要以单纯性厨余垃圾和厨余垃圾与水葫芦混合物为原料，采用机械翻堆好氧工艺，进行堆肥试验，探讨堆肥进程中温度、PH值、含水率、TOC、TN、氨基酸态氮、蛋白质的变化及堆肥对种子发芽率的影响。结果表明T
2、N含量在堆肥过程中有所提高，分别由176和223提高到364和267；氨基酸态氮含量与微生物活性显著相关；种子发芽率受物料起始含水率、C/N比、添加剂及堆肥后物料养分浓度影响。关键词厨余垃圾；堆肥；N素变化；种子发芽率THEIMPACTOFAEROBICCOMPOSTINGWITHKITCHENGARBAGEONNITROGENVARIATIONANDGERMINATIONINDEXABSTRACTEXPERIMENTSWERECARRIEDOUTTOINVESTIGATETHECHANGESOFT,PH,MOISTURE,TOC,TN,AMINOACIDN,PROTEINANDTHEEFFE
3、CTSONGERMINATIONINDEXINKITCHENGARBAGEWITHORWITHOUTADDITIONALWATERHYACINTHCOMPOSTINGBYMECHANICALTURNOVERPROTOCOLTHERESULTSINDICATEDTHATTHECONTENTOFTNINCREASEDTO364,267FROMTHEORIGINALLEVELOF176,223RESPECTIVELYTHELINERRELATIONWASFOUNDBETWEENAMINOACIDNANDTHEMICROBIOLOGICALACTIVITYTHEMOISTURE,C/N,BULKING
4、AGENTANDTHECONTENTOFNUTRIENTSINTHECOMPOSTWEREMAINFACTORSOFAFFECTINGSEEDGERMINATIONKEYWORDSKITCHENGARBAGECOMPOSTINGNVARIATIONGERMINATIONINDEX厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究III目录1引言111厨余垃圾的组成、特点和对环境、人体的危害1111厨余垃圾的组成及特点1112厨余垃圾对环境、人体的危害112厨余垃圾的资源化技术2121饲料化技术2122堆肥与厌氧发酵技术2123能源化技术2124生物柴油技术213厨余垃圾堆肥的优势3131氨化
5、3132硝化3133反硝化3134生物固氮414厨余垃圾堆肥过程中各种含氮物质的含量变化4141全氮含量的变化4142氨氮含量的变化4143硝态氮含量的变化4144氨基酸态氮含量变化4145氨基糖态氮含量变化4146酸解未知部分氮和非酸解态氮515氮损失的主要途径516影响NH3挥发的主要因素517种子发芽率5171种子发芽率的基本概念5172影响种子发芽率的因素62材料与方法621堆肥装置622堆肥原料7厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究IV23样品分析方法824技术路线93结果与讨论931温度932PH值1033含水率1134TOC1235TN1236氨基酸态氮1337蛋
6、白质1438C/N比1539堆肥对种子发芽率相关性分析164结论165建议17参考文献18致谢错误未定义书签。附录20厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究11引言在环保安全倍受关注的今天，垃圾的分类处理是总的发展趋势1，也是实现无害化、减量化、资源化的重要的环境友好型手段。餐厨垃圾主要是指家庭、饭店、食堂等产生的食物废料和残羹剩饭的通称，是城市生活垃圾的重要组成部分。餐厨垃圾包括废弃食用油脂（泔脚）和厨余垃圾。其中废弃物食用油脂是指在不可食用的动植物油脂和各类油水混合物，而厨余垃圾是指食物残余和食品加工废料，主要为餐厨垃圾中的固体残留物2。近年来，随着城市生活设施和居住条件的改
7、善及其全球人口的增加，厨余垃圾的产量呈现明显的增长趋势。目前，全球每年产生的城市生活垃圾为500亿T左右，其中厨余垃圾约占其中的1020，以2000年各国厨余垃圾产量为例，美国产生量为2598万T，占城市固体垃圾总量的112，而其中厨余垃圾的回收率仅为26，远低于城市垃圾回收利用率的平均值301；欧洲产生量在5000万T左右，相对来说，欧洲各国对厨余垃圾的管理和处理都有相对较为完善的系统和体制；日本产生量为2000万T左右，其中70来自家庭和食品加工业；韩国2000年城市生活垃圾产生量约为1700万T，其中餐厨垃圾占25；而我国全年产生量有4500万T，并以每年10的速度递增2。据报道，目前我
8、国一些城市厨余垃圾占城市生活垃圾的比例为北京37，天津54，上海59，沈阳62，深圳57，广州57，济南413。因此，如何妥善处理处置厨余垃圾仍将是今后研究的热点。11厨余垃圾的组成、特点和对环境、人体的危害111厨余垃圾的组成及特点厨余垃圾主要包括剩菜、剩饭、菜叶、果皮、蛋壳、茶渣、动物油、植物油、肉骨、贝壳、鱼刺等等。从化学组成上看，有淀粉、纤维素、蛋白质、脂类和无机盐等。其特点有粗蛋白和粗纤维等有机物含量较高，开发利用价值大，但易腐并产生恶臭；含水率高，不便收集运输，热值低，处理不当容易产生渗滤液等二次污染；油类和盐类物质含量较其它生活垃圾高，对资源化产品品质影响较大，需要妥善处理4。1
9、12厨余垃圾对环境、人体的危害由于厨余垃圾容易发酵、变质、腐烂，如处理、处置不当，不但占用一定的土地，减少可利用的土地资源，其中的有毒有害物质可能通过环境介质大气、土壤、地表或地下水体进入生态系统形成污染，对人体产生危害，同时破坏生态环境，导致不可逆生态变化。在我国，传统的处理厨余垃圾的方式之一是直接送到养殖厂喂养生猪。然而，厨余垃圾中携带厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究2有大量致病菌5，加之近年来禽流感、口蹄疫等传播疾病大规模流行，人畜间的交叉感染对人类健康、社会稳定构成了极大的威胁3。此外，厨余垃圾常掺有砂砾、铁丝、牙签、橡胶、塑料、纸质等杂物，会对禽畜消化道造成物理危
10、害；有些厨余垃圾受到重金属、苯类等有害物质的污染，经食物链到人体，积累到一定程度后，会导致肝脏、肾脏等系统免疫功能下降4。12厨余垃圾的资源化技术目前处理厨余垃圾的资源化技术有饲料化技术、堆肥与厌氧发酵技术、能源化技术、生物柴油技术。121饲料化技术厨余垃圾饲料化的基本要求是实现杀毒灭菌，达到饲料卫生标准，并最大限度地保留营养成分4。其原理是利用垃圾中含有的大量有机物，对其粉碎、脱水、发酵、软硬分离后，将其转变为高热量的动物饲料2。目前，我国厨余垃圾的饲料化处理技术已趋成熟，已在上海、北京、武汉等城市推广应用。但就总体而言，厨余垃圾饲料化同样存在着质量不高、销路不佳的问题。122堆肥与厌氧发酵
11、技术好氧堆肥过程是在有氧条件下，依靠好氧微生物的作用把有机固体废物腐殖化的过程。在堆肥化过程中，首先是有机固体废物中的可溶性物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；其次是利用微生物分泌的胞外酶将有机固体分解为可溶性有机物质，再渗入到细胞中，通过微生物的生命代谢活动，实现整个堆肥化过程6。厨余垃圾的厌氧发酵是在特定的厌氧条件下，微生物将有机质分解，其中一部分碳素物质转换为甲烷和二氧化碳4。厌氧发酵的特点有能高效地回收高含水率（60左右）废物中的能量；工艺简单，无需复杂的控制操作；投入的废物经消化后能使有机物稳定减量；高温消化时，能杀死大肠杆菌和寄生虫卵等，在工农业中有广泛的应用6。123
12、能源化技术焚烧法是厨余垃圾能源化处理的代表之一，其效率较高，最终产生约5的利于处置的残余物。焚烧是在特制的焚烧炉中进行的，有较高的热效率，产生的热能可转换成蒸汽或电能，可实现资源的回收利用7。但因厨余垃圾含水率高，热值低，燃烧时需要添加辅助燃料，及在脱水和尾气处理中的投资大，使其推广受到束缚。124生物柴油技术长久以来，石油，又称原油，是世界上最重要的一次能源之一，而它的生成至少需要200万年的时间，是一种不可更新原料，随着科技的不断进步，居民生活条件的不断提升，石油枯竭将是不可避免的厄运。生物柴油技术的出现为世界能源点亮了又一盏灯。厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究3据统计
13、，1吨厨余垃圾可以提炼出2080KG废油脂，经过集中加工处理，则可以制成脂肪酸甲酯等低碳酯类物质，也就是生物柴油。超临界甲醇制程是利用甲醇在超临界状态下的特殊物理化学性质，与废油脂发生反应生产生物柴油的一种新工艺；生物酶法是转化可再生油脂原料制备生物柴油新工艺的另一个方向。生物酶法生物柴油技术对环境友好，经检测，产品关键技术指标符合美国及德国生物柴油标准，并符合我国0号柴油标准4。13厨余垃圾堆肥的优势堆肥不但实现了厨余垃圾的“三化”，减轻环境负担，由其制成的有机肥料更是土壤的改良剂，促使农业生产朝着更好、更环保、更健康的方向发展。其具体特点表现为以下几点堆肥含有丰富的有机质，具有明显的改土培
14、肥作用；而化学肥料只能提供作物无机养分，若长期施用对土壤造成不良影响，使土壤“越种越馋”6。堆肥所含养分全面，除含有作物生长必需的氮、磷养分，还含有各种微量营养元素，如B、MN、CU、MO、ZN等，而且肥效时间较化学肥料长，具有显著提高土壤养分含量的特点。堆肥中含有大量有益微生物，能够有效促进有机质的矿化、营养元素的累积、腐殖质的合成行为，促使土壤肥力的提升。氮素是厨余垃圾好氧堆肥中微生物生命活动的动力和能源，也是影响厨余垃圾堆肥进程、效果和堆肥质量的重要因素。氮主要的转变形式有氨化、硝化和反硝化、生物固氮及氮的挥发，其主要体现为堆肥中N素的固定与释放6。131氨化微生物分解有机含氮化合物释放
15、出氨的过程。厨余垃圾中携带的大部分细菌、真菌、放线菌能分解有机含氮化合物，如蛋白质、多肽、核酸可由微生物分泌的水解酶水解成氨基酸、磷酸、尿素和氨，尿素再由脲酶分解为氨和二氧化碳，氨基酸则以脱氨基的方式产生氨。氨化作用能直接增加堆体内的氮素养分，为消化作用创造必要的条件。132硝化微生物将NH3或NH4氧化成NO3的过程。硝化作用分为两个阶段，第一阶段是亚硝化细菌将NH4氧化成NO2；第二阶段是硝化细菌把NO2氧化成NO37。硝化作用受环境内O2、PH、水分和温度等生态因子的影响。中性或碱性条件最适宜硝化作用的进行，PH60时，硝化速率明显降低；较湿润环境及适宜的温度（040）有利硝化作用的顺利
16、进行；底物和产物的高浓度将抑制硝化作用的进行。133反硝化反硝化细菌在缺氧条件下，还原硝酸盐，释放出N2或N2O的过程，也称脱氮作用。反硝化行厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究4为降低了堆肥中氮素的含量，因此实验装置中设有螺旋搅拌系统，调节物料的氧气含量，降低因供氧不足出现的缺氧状况而造成的氮素损失。同时反硝化作用还受到环境中TOC、PH、NO3、温度的影响。134生物固氮生物固氮目前分为自生固氮、共生固氮和联合固氮三类，而堆肥中主要指的是自生固氮。它是自生固氮菌，如好氧性细菌等，将分子态氮还原成NH3，再合成氨基酸、蛋白质这类含氮化合物的过程。14厨余垃圾堆肥过程中各种含氮
17、物质的含量变化141全氮含量的变化根据大多数学者关于堆肥研究的发现，全氮的绝对含量在堆肥过程中是降低的，主要是因为有机氮矿化（有机态N经微生物分解，形成无机态NNH4、NO3的过程）、氨化并在一定湿度、温度作用下以氨气等气态氮形式散失；渗滤液中水溶性NO3N的淋失。全氮的相对含量则会随堆肥原料的组成、堆肥环境条件和堆肥情况等因素，出现相应的动态变化。142氨氮含量的变化氨氮在堆肥过程中其含量的变化较为明显，一般呈现先上升后下降的趋势8。堆肥初期有机氮矿化分解及在氨化作用下生成NH3，而此时堆料含水率仍处于较高水平，故以水溶性NH4N形式积累。此后，随着PH逐渐上升，以及微生物生命代谢过程中释放
18、的热量的累积，堆体温度上升，部分NH4N以NH3的形式挥发，另有一部分转化为NO3而使氨氮含量降低。143硝态氮含量的变化堆肥初期，NO3N含量一直处于较低水平，但在高温（大约40，高于此温度，硝化作用将受到严重抑制，因硝化细菌是嗜温菌，对温度尤其敏感9）过后，其含量迅速增加8。由于前期硝化细菌的生长条件受到高温、高PH值和高浓度NH3的强烈抑制，致使硝态氮几乎没有产出，到堆肥降温腐熟阶段，温度，PH和NH3浓度降低，硝化细菌大量繁殖，硝化作用顺利进行。另外，NO3N浓度还受到硝化与反硝化速率之差的影响，在好氧环境下，硝化作用占绝对优势，反之，反硝化作用占优势,NO3N向NO2N转变9。144
19、氨基酸态氮含量变化氨基酸态氮含量与堆肥PH和微生物活性相关。一般在堆肥中氨基酸态氮含量以先升高，后降低的方式连续出现，主要表现为在堆肥初期上升，堆肥高温期大幅降低的趋势。145氨基糖态氮含量变化氨基糖态氮的变化与微生物量变化有密切关系，因大多数氨基糖态氮都是构成微生物体的重要厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究5成分。随着微生物量的逐渐增加，氨基糖态氮含量逐渐增加，在堆肥的降温阶段，随着微生物的逐渐死亡、分解，氨基糖态氮含量明显降低，而在发酵的腐熟阶段，氨基糖态氮的含量趋于平稳7。146酸解未知部分氮和非酸解态氮酸水解态氮（TOTALHYDROLYSABLEN,THN）包括酰胺
20、态氮，氨基酸态氮，己糖胺态氮和酸解未鉴别态氮10。酸解未知氮部分可能包括核酸及其衍生物、磷脂、维生素及其它衍生物，其含量在堆肥过程中大致呈先下降后上升的趋势7。一般认为，非酸解性氮（UNHYDROLSABLENITROGEN,UN）以杂环态存在，和杂环或芳香环键结合在一起，现已肯定这部分氮主要存在于缩合程度较高的腐殖质结合成分中，在堆肥过程中，UN转化为形态相对简单的氮素物质10。15氮损失的主要途径在厨余垃圾、禽畜粪便、污泥等有机废物堆肥过程中，氮素都有一定的损失，这主要由有机氮矿化为无机氮、持续性氮的挥发、硝态氮经反硝化生成N2和垃圾渗滤滤液中氮素的淋失引起，其中以氮的挥发损失为主导，而且
21、绝大部分的氮损失是由NH3挥发所致，其余部分的氮损失应是由N2和NO2的形式挥发掉的11。16影响NH3挥发的主要因素起始堆体的碳氮干质量比是影响堆肥过程中氨挥发的一个关键因素12，不同C/N比直接影响堆体的PH，而PH又直接影响着堆体中NH4与NH3的比例。许多研究表明，C/N越低，氮素损失越大13。堆体温度、结构，通风方式亦是影响堆肥过程中氨气释放的重要因素。17种子发芽率171种子发芽率的基本概念此文种子发芽率所指是种子发芽指数（GERMINATIONINDEX,GI），GI（）处理平均发芽率处理平均根长/（对照平均发芽率对照平均根长）100，其中发芽率供试种子发芽数/供试种子数。堆肥的
22、目的是将厨余垃圾资源化、减量化、无害化，该目的达到与否取决于堆肥产品应用于农业后发挥的农用价值，即植物能否健康生长。可想在堆肥产品投入使用前，进行种子发芽试验的必要性。种子发芽指数是判断堆肥腐熟度（堆肥中有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度）的重要指标。堆肥既是微生物分解有机物的过程，同时也表现为植物毒性物质的降解过程。因为植物种子的生长会受未腐熟堆肥中低分子量有机酸、多酚等的抑制14，故GI能够体现堆肥的毒性。这种方法具有简便、成本低、快速、不需特殊仪器设备等优点，是堆肥腐熟度检验的较精确有效的办法。一般地，当GI50时，被认为是已消除植物毒性，堆肥基本达到稳定化15；当GI80时，
23、厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究6可认为堆肥没有植物毒性或堆肥已经腐熟16。172影响种子发芽率的因素种子发芽分3个阶段吸水膨胀、萌发、出芽。有活力的种子，受潮吸水后，开始进行呼吸，蛋白质合成以及其他代谢活动，经过一定时期，种胚突破种皮，露出胚根，即种子的萌发。有研究表明，种子吸水萌发后发生了许多生理代谢变化，主要表现在酶的活化、生成、细胞生理活性的恢复，同时进行着复杂的生化代谢。因此影响种子发芽的环境条件大致有一下几点水分。种子必须吸收足够的水分，才能开始一系列的生化反应，如酶的活动。O2。种子进行呼吸作用，需要氧气的参与。一般作物种子要求其周围空气中的含氧量在10以上才
24、能正常萌发。温度。各类种子只有在适宜的温度条件下，才能顺利萌发。养分浓度。环境中的营养元素，如NH4N、C/N比、NO3N、DOC等的浓度高低对种子发芽会产生一定影响。浓度不足时，种子发芽因养分缺乏而受到抑制；浓度过高时，造成种子细胞失水引起“烧种”现象。2材料与方法21堆肥装置实验中采用卧式螺旋搅拌太阳能好氧堆肥器，间歇式好氧动态堆肥工艺，其结构见图21。图21好氧堆肥实验装置示意图上图右框中，左侧是太阳能集热器，右侧是电加热。装置共分七个部分，分别为发酵仓。该装置采用圆筒形发酵仓，物料每天进料一次，进料的同时开动螺旋搅拌装置，物料沿螺纹方向呈推流式向前流动，轴转动一圈，物料向前推进一个螺距
25、。通过搅拌混匀物料的同时，实现了堆肥周期的控制。为利于渗滤液的排除，仓体倾斜12放置。厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究7螺旋搅拌装置。螺旋搅拌由电机驱动，为保证通风质量，每10MIN旋转一周。水浴加热系统。该系统由发酵仓底部的加热水箱，太阳能集热器、电加热装置连接构成。太阳能接收光能后将被加热的水经出水口送入水箱，同时由进水口及时补水；加热水箱中亦设有进、出水口，使水得到更新和补充；由于太阳能集热系统易受天气的影响，故在阴雨天时，可开启电加热系统，保证堆体外界热量的供应。通风供气系统。该装置的通风方式属于强制通风，由鼓风机送风至发酵仓外部的缓冲腔，再经仓体孔洞并透过两层细滤
26、网后与物料接触。该方式的特点是风流经缓冲层得到控制，不会因风的冲击力或通风不均而影响到微生物的正常生长。排液系统。发酵仓外的缓冲腔兼具收集渗滤液的功能。滤液经仓体孔洞进入缓冲腔，汇入低处后，由排液口排出，收集于渗滤液发酵池内。保温措施。发酵仓、水箱与外界环境间各设有由聚氨酯合成的50MM厚的保温层阻隔，以保证堆体内的高温，促进堆肥的腐熟。进料口、采样口、出料口。装置中共设8个采样口，1个进料口和1个出料口。22堆肥原料厨余垃圾取自宁波大学学生食堂（第一餐厅），并进行预处理拣出其中夹杂的一次性筷子、纸杯、纸巾、塑料袋等，再用厨用刀具将大块的菜叶等切碎，并充分混匀。水葫芦取自宁波大学科学技术学院学
27、生村一村河流，切成小段（长度5CM），平铺于地面晾晒，用粉碎机将晒干后的水葫芦进行粉碎处理，粒径1CM。水葫芦的特点是蛋白质含量丰富，C/N比相对较低。本次堆肥实验采用表21中所示的物料配比进行了2组试验，堆肥时间在冬季（121月份），堆肥进程中的大棚内的环境温度见表23，堆肥物料的初始性质见表22。堆肥周期第一组10D，第二组11D（因为该组是堆肥实验的最后一批，不影响后续堆肥，故在发酵仓内多呆一天，观察前后堆肥情况）。表21不同物料配比一览表组号物料配比1厨余垃圾水葫芦102厨余垃圾水葫芦21厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究8表22物料初始性质物料含水率（）TN（）TP
28、（）TOC（）C/N比厨余垃圾86017602551852942厨余垃圾水葫芦60822302345022016由表22可以发现，添加水葫芦进行混合堆肥后，堆肥含水率、TOC、C/N比都有所降低。表23各组堆肥进程中的环境温度组号环境温度/第1D第2D第3D第4D第5D第6D第7D第8D第9D第10D第11D19878861222222233211331从表23可以看出，堆肥的环境温度较低，尤其是第一组堆肥中后期和第二组堆肥中，外界平均温度在2左右，对堆肥很不利，故实验中引入外界能源设备太阳能为堆体提供热源，确保厨余垃圾堆肥能够顺利进行，并因天气阴晴相伴，第二组采用太阳能和电加热器相辅为堆体创
29、造适宜的环境温度。23样品分析方法每日从装置出料口取样，测定堆肥各控制参数，方法如下表23表23各控制参数的测定方法参数测定方法温度温度计测量含水率电烘箱恒重法PH玻璃电极法CJ/T991999TOC重铬酸钾硫酸银催化容量法TN半微量开氏法CJ/T1031999氨基酸态氮单指示剂甲醛滴定法蛋白质凯氏微量法厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究924技术路线图22实验技术路线图中简要说明了堆肥实验的工作流程，包括资料的搜集，好氧堆肥装置的运行与调试，样品的采集和处理，控制参数的测定及其变化规律的分析。3结果与讨论31温度收集分析国内外相关资料太阳能高温好氧堆肥反应装置的运行调试样品
30、的采集、调理设备运行过程中厨余垃圾堆肥过程中相关参数的测定及数据统计处理找出各参数随堆肥进程的演变规律完成“厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究”厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究100102030405060701234567891011堆肥时间/D堆体温度/12图31两种堆肥混合物堆体温度随时间的变化曲线图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17。由图31可以看出，各堆肥温度的总体变化趋势大体一致，并经历了升温期，高温期，降温期三阶段变化规律。但两者又有明显的差别
31、,2号堆体升温较快，且温度普遍高于1号堆体温度11以上，最高差值达到40，2号堆体进入堆肥第3天温度达到52，第5天上升到最高温度65，并连续7D以上超过55，达到了美国环境保护局（USEPA）的堆肥无害化要求18。1号堆体温度多在44以下，达不到无害化（一般地，堆体温度5055保持57D，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17）要求，堆肥未腐熟。两种堆体堆肥效果反差较大的原因可能有供热不稳定1号堆体采用太阳能供热方式，受天气影响加大，天气晴好时，水温较高；阴天或雨雪天气时，尤其是处于冬季，水温下降明显。环境温度的较大波动影响了微生物生命代谢活动和适应能力，
32、使微生物活动减弱，导致产热量的减少，而2号堆肥采用太阳能和辅助电加热的功能方式，水环境温度高且较为稳定，堆肥效果理想。堆肥物料不同由于2号堆体添加了水葫芦作为调理剂，调节了其中的C、N、P等元素，使堆体营养更平衡，微生物活性增强，产热高，并使高温期持续时间长19。此外，水葫芦原有的土著菌种17，可能对堆肥产生了一定的影响。32PH值厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究110123456781234567891011堆肥时间/DPH12图32PH值随堆肥时间变化曲线适宜的PH值可使微生物有效地发挥作用，保留堆肥中有效的氮成分，而PH太高或太低都会影响堆腐的效率20。由图32曲线可
33、以看出，两种处理的PH值随堆肥时间呈现先降低，后上升，继而稳定的趋势，且大小相近。堆肥起始PH都在56范围内，呈弱酸性，随着堆肥的进行，两者都在第3天降到最低值PH4左右，这是因为在堆肥初期，堆体内的大量有机质超过微生物需求，微生物将其转变成小分子有机酸后，使其在堆体内得到积累21，故而PH下降。随着堆肥温度的上升，微生物生长和繁殖速度加快，堆体内含氮物质被转化为氨态氮，溶于水后呈碱性，而此时CO2和小分子有机酸受温度影响而挥发19，所以两个处理的PH都开始呈上升趋势，1号堆体在堆肥第8天达到最大值721,2号堆体于堆肥第10天达到最大值758，两者PH值都不高，这与堆肥含水率高有关。33含水
34、率0102030405060708090100123456789101112堆肥时间/D含水率/12图33物料含水率随时间变化曲线该装置内，整个堆肥过程中，堆体的含水率都相对较高，虽然经过堆肥化过程后，堆体含水率厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究12都有一定程度的降低。但降低不多，1号处理由初始的85左右下降到6070，2号处理则从60降到50。这可能是由于该堆肥装置属于封闭式的，密闭性和保温效果较好，水蒸气遇到发酵仓顶部冷凝下来又重新落回到物料上而造成的，水分不易快速散失；除了物料本身的水分外，堆肥过程中微生物降解有机物也会产生水分，发酵仓下部设有专门收集垃圾渗滤液的通道与
35、气流缓冲腔共用一个腔，腔外水箱温度较高，造成渗滤液蒸发随通风过程进入发酵仓内，而没有及时被排出。随着微生物产生水分的减少及水蒸气的逐渐排出，水分在后期呈下降状态。在该装置内的堆肥过程中，水分没有降低很多，含水率都保持在50以上，因而堆肥过程不需要额外添加水分，不用考虑因水分不足而影响发酵的问题。但是值得注意的是含水率过高的问题。通风影响着水蒸气从堆体内向外转移的速率，影响有利于水分扩散和对流。因此，在本实验中应调控通风问题，避免在密闭性较好的发酵仓内，因通风力度不够而造成水分过高。另外也要注意及时排除渗滤液的问题。34TOC01020304050601234567891011堆肥时间/DTOC
36、/12图34总有机碳随堆肥时间的变化由上图得知1号处理和2号处理的起始TOC含量分别为5185、4502，满足高温堆肥（要求物料起始TOC含量在2080之间）的要求。堆肥初期，2号处理TOC含量下降较为迅速，这可能是由于厨余垃圾与水葫芦混合组成的物料中，其有机物含量较为丰富，且堆肥起始含水率适宜，因此微生物能够有效利用这部分有机物促进自身生长和种族的迅速繁衍，剧烈的微生物活动产热迅速，热量不断累积，堆温也随之快速升高。在堆肥中期，TOC含量有过短暂的上升，这可能是由于取样不均所造成。1号处理堆肥原料只是单纯的厨余垃圾，起始TOC含量下降不快，到了堆肥第三天，堆温积累到较高水平，微生物开始活跃起
37、来，有机物被迅速分解，TOC含量降低明显。堆肥结束时，实验物料的TOC含量各为4325、3390。35TN厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究130051152253354451234567891011堆肥时间/DTN/12图35物料总氮随堆肥时间的变化TN是一切含氮化合物的总称，其变化趋势是所有含氮物质综合作用的表现，因此，影响TN变化的因素较为复杂。堆肥初期TN上升的原因是堆肥化过程中，微生物利用有机物进行生化反应，产生大量CO2、H2O，有机物的矿化分解引起干物质的减少，造成N的“浓缩”，TN在堆肥中的相对含量增加；N素主要用于细胞原生质的合成作用而留于系统内，由于C物质
38、的减少，N含量相对增加；堆肥中N的形态主要是有机氮和无机氮（主要是铵态氮和硝态氮）。堆肥中有机氮是全氮的主要组成部分，微生物细胞富集矿质态氮，并转化为微生物体，同时合成腐殖质；堆肥的氮素转化主要是微生物活动的结果，包括4中作用氨化作用、硝化作用、反硝化作用、固氮作用，其主要体现为堆肥中N素的固定与释放。堆肥化初期，微生物大量繁殖，通过氨化作用促使含氮有机物的快速降解，转化为铵态氮，由于堆肥化初期PH值较低，物料含水率较高，铵态氮转变氨气损失的现象较小。随着堆肥化的进行，由于N的“浓缩”效应以及N的损失（氨化作用产生NH3变成气体损失和硝化作用产生硝态氮而淋失）综合效应，TN的相对含量出现波动的
39、动态平衡。另外，在堆肥化后期，固氮菌固氮作用也有助于堆肥产品TN含量的升高。36氨基酸态氮厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究1401234567891234567891011堆肥时间/D氨基酸态氮/12图36氨基酸态氮随堆肥时间的变化堆肥化初期，氨基酸态氮的含量呈现上升趋势。可能的原因是氨基酸氮主要来自蛋白质的水解，堆肥化初期，随着微生物的大量繁殖，堆肥物料中的蛋白质被快速水解，生成氨基酸态氮；堆肥化过程中，微生物利用有机物进行生化反应，产生大量CO2、H2O，有机物的矿化分解引起干物质的减少，造成N的“浓缩”；氨基酸氮属于酸解态氮，初期PH值较低，促使酸解态氮的产生。堆肥化
40、过程中，氨基酸态氮会被微生物的作用下矿化为无机氮，其含量逐渐降低。1号处理后期含量的增加可能与微生物的矿化作用减弱有关。2号处理添加了含蛋白质丰富的水葫芦，因而初始氨基酸态氮含量较高，而且堆肥化初期温度较高，微生物活动剧烈，蛋白质水解快，初期上升迅速。而在堆肥后期，氨基酸态氮含量降低，这可能是由于2号堆肥高温期长，微生物矿化作用强度不减，另有部分N被微生物自身利用合成原生质。37蛋白质厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究150510152025301234567891011堆肥时间/D蛋白质/12图37蛋白质随堆肥时间的变化温度直接影响蛋白质的降解，在高温条件下，蛋白质开始快速
41、降解。另外，有文献认为蛋白绝对量在堆肥化过程中虽然有所降低，但相对含量在整个堆肥化过程中会有提高22。实验中并未出现这种现象，这可能与堆肥采用的物料有关，实验采用的物料餐厨垃圾以及水葫芦含大量易降解物质，难降解物质较少，不存在由于物质降解速度的差异而引起相对含量升高的现象。38C/N比051015202530351234567891011堆肥时间/DC/N12图38C/N比随堆肥时间的变化合适的碳氮比是堆肥是否达到腐熟的一个重要标志若堆肥成品中碳氮比过高，施入土壤后，将夺取土壤中的氮素，造成植物的“氮饥饿”；若碳氮比过低，由于氮素的剩余，有机肥料施入土壤后会造成植物“烧苗”现象23。垃圾堆肥过
42、程中碳素主要以有机碳分解释放CO2损失，氮素损失则以NH3挥发为主。由图38可知，2号堆体因添加晒干后的水葫芦使其碳氮比较1号堆体的2942低926。整个堆肥发酵过程中，两者的碳氮比均有下降，堆肥结束时其值分别为1188和1272，厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究16此数据间接说明二批样在堆肥进行后期都基本达到稳定化。39堆肥对种子发芽率相关性分析表31不同浸提液中种子发芽率浸提液种子发芽率/1483228393由上表可知，1号处理的种子发芽率GI50，堆肥对植物毒性较大，堆肥未腐熟15。这是因为在堆肥化过程中，堆肥原料只是单纯的厨余垃圾，微生物种类较为单一，且物料起始含水
43、率较高，以及太阳能供热系统的不稳定造成水箱中水温较低，热量由堆体自身发酵产生，但堆肥物料总量小，堆温基本处于中温阶段，故在一次发酵结束时堆肥并未腐熟，残留的大量未被降解的植物毒性物质，如有机酸等，严重抑制种子的发芽。此外，TOC、氨基酸态氮、TN浓度在堆肥结束时仍处较高水平，该浓度可能超过种子细胞液浓度进而造成种子因失水而无法正常出芽。堆肥结束时2号处理的种子发芽率GI80，这是由于厨余垃圾混合水葫芦堆肥后，除引起理化性质变化外，物料起始含水量降到有利于堆肥的水平6070，起始C/N比也从2942降至2016，同时含有丰富蛋白质的水葫芦增加了物料的有机质含量，在上述条件的共同作用下，微生物快速
44、适应环境，并迅速生长及进行自我繁衍行为，由此促使堆体升温快，高温期持续时间长，堆肥快速腐熟。而GI100，表明一次发酵过后堆肥并非完全无毒。有研究表明，种子在出芽过程中不需摄入外界养分，在种子吸水膨胀后，利用储存在胚乳中的养分即可满足自身需要，相反地，当外界养分浓度超出一定范围时，即表现出对种子发芽的抑制，且强度与浓度呈正相关。4结论通过观察分析厨余垃圾及其与水葫芦混合物在堆肥化过程中的变化，得到以下几点结论实验中两种处理均采用外部能源为堆肥供热的方式，1号处理属于太阳能供热，对天气条件极为敏感，供热系统不稳定，堆体靠自身发酵产热，但由于实验堆肥规模小，总热量不高，故堆温基本处于中温阶段（35
45、40）；2号处理属于太阳能辅助电加热供能，系统会随天气变化做相应调节，供热稳定性强，有利于堆肥化过程，故在整个实验过程中，堆体升温快，高温期持续时间长。以水葫芦作添加剂能有效降低堆肥起始含水率。在堆肥化过程中，两处理含水率都有所降低，但降幅不大，至堆肥结束时含水率仍处较高水平，这与装置的结构设计有较大关系。厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对种子发芽率影响研究17PH在堆肥过程中总体表现为先降低，后升高，最后稳定的趋势。在堆肥初期微生物分解有机物产生有机酸，使PH降低，随着温度的升高，微生物活性加大，有机氮的矿化作用明显，PH开始上升，堆肥后期开始稳定，但两者堆肥后的PH均不高，仅在7左右，这与
46、物料含水率高有关。水葫芦含丰富蛋白质，氮含量相对较高，与厨余垃圾混合堆肥后起到调节TOC相对含量和降低C/N比的作用。在堆肥初期，微生物分解有机物产生H2O和CO2，N因被“浓缩”致使TN相对含量上升，随后因氨挥发损失及硝态氮的淋失，TN含量出现动态平衡，堆肥结束时两处理的TN含量分别上升了188、044。氨基酸态氮在堆肥过程中出现较大波动，主要由蛋白质水解生成氨基酸态氮及有机氮矿化为无机氮两方面行为叠加所致。堆肥初期，蛋白质被微生物酶水解，表现为氨基酸态氮含量的上升，随着微生物矿化作用的增强，氨基酸态氮含量又表现为降低，堆肥结束时，1号处理总量提高，2号处理表现为降低，这与微生物在堆肥中的活
47、性及种类、数量有关。实验中蛋白质含量受温度影响明显，在高温条件下，蛋白质降解迅速。物料起始含水率、起始C/N比、外源添加剂均对堆肥后种子发芽率有一定影响；堆肥后物料养分浓度过高会抑制种子发芽。5建议针对在实验中发现的不足，提出以下几点建议适当加大装置的通风强度，以便及时带走发酵仓内水蒸气，避免水蒸气遇到仓顶冷凝回落至堆体。增加渗滤液排出孔，使滤液被及时排出。借助机器设备混匀、切碎垃圾新鲜样，减少因取样不均引起的实验误差。做足实验前期准备工作，尽可能多的找出适合各参数的测定方法，备用。每天取样后，除测各参数外，同步做种子发芽试验，深入研究堆肥对种子发芽率的影响。厨余垃圾好氧堆肥过程中N素变化及对
48、种子发芽率影响研究18参考文献1买日江热西提，卡德尔艾山，艾斯坎儿采用好氧发酵工艺处理厨余垃圾堆肥试验J中国园艺文摘，2010，6392张振华，汪华林，胥培军，等厨余垃圾的现状及其处理技术综述J再生资源研究，2007,531343丛利泽，董磊，谢忠，等基于微生物技术的厨余垃圾资源化研究J厦门大学学报（自然科学版），2010,4911351384谢炜平，梁彦杰，何德文，等餐厨垃圾资源化技术现状及研究进展J环境卫生工程，2008,16243485韩涛，任连海，张相锋，等餐厨垃圾高温好氧堆肥小试研究J北京工商大学学报（自然科学版），2006，,243146赵由才，牛冬杰，柴晓利，等固体废物处理与资源
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