廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)
廚余垃圾指易腐爛的、含豐富有機質(zhì)的生活垃圾，包括家庭廚余垃圾、餐廚垃圾和其他廚余垃圾等，是生活垃圾的重要組成部分。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，廚余垃圾產(chǎn)生量日益增加，尤其在2019年大力實施垃圾分類政策之后，廚余垃圾的分出量急劇增加。以北京市為例，垃圾分類政策實施僅半年，北京市廚余垃圾的總體分出量就達到了5803t/d，家庭廚余的分出量達3946t/d，同比增長11.7倍。廚余垃圾易腐爛變質(zhì)且含有寄生蟲卵、病原菌等有害物質(zhì)，但也包含了大量的有機質(zhì)及碳、氮、磷等營養(yǎng)元素，這意味著廚余垃圾是固廢的同時，也具備了極大的資源化潛力。面對急劇增長的廚余垃圾產(chǎn)量，分散式廚余垃圾的處理處置問題將成為城市固廢處置的重點和難點之一。
目前廚余垃圾的處理處置方法主要包括衛(wèi)生填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧發(fā)酵等方式。其中衛(wèi)生填埋雖操作簡單、成本低廉，但占用大量土地且不能實現(xiàn)廚余垃圾的資源化利用。焚燒法雖然可以迅速實現(xiàn)廢棄物的減量化，但某些廚余垃圾熱值較低，需輔助燃料，處理成本較高，同時焚燒還會產(chǎn)生二次污染，而且該方式也沒有實現(xiàn)資源的有效利用。厭氧消化技術(shù)雖能夠?qū)崿F(xiàn)能源回收，但所需設(shè)備復(fù)雜、工程耗資大耗時長，難以快速投入使用來滿足與日俱增的廚余垃圾產(chǎn)生量。好氧堆肥操作簡便、經(jīng)濟可行性高，可就近就地實現(xiàn)分散式廚余垃圾的資源化利用，發(fā)酵產(chǎn)物可作為有機肥料或土壤改良劑應(yīng)用于社區(qū)內(nèi)實現(xiàn)資源的循環(huán)利用，這對于保護生態(tài)環(huán)境、促進生態(tài)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展、緩解我國日益緊張的資源與環(huán)境問題都有十分重要的意義。
然而，目前好氧堆肥技術(shù)處理周期較長、產(chǎn)品品質(zhì)較低、溫室氣體及臭氣排放等問題嚴重限制了其在社區(qū)層面的推廣與應(yīng)用?；诖?，本文以廚余堆肥為核心，系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外通過參數(shù)優(yōu)化、外源添加劑以及反應(yīng)器裝置等措施來縮短廚余堆肥的發(fā)酵周期、減排污染氣體和提升產(chǎn)品品質(zhì)等方面的研究進展，以期獲取適宜的工藝參數(shù)體系來提高堆肥處理能力和減少污染氣體的排放，并對廚余垃圾堆肥技術(shù)的發(fā)展前景進行展望。
1、廚余垃圾好氧堆肥瓶頸問題
1.1 好氧堆肥工程數(shù)量少、發(fā)酵周期長，處理能力不足
好氧堆肥技術(shù)是處理廚余垃圾重要的無害化、減量化和資源化方法之一，但由于存在不足，沒有得到大規(guī)模的市場化應(yīng)用與推廣。如圖1所示，隨著可持續(xù)發(fā)展理念深入人心以及技術(shù)的改進，堆肥處理廠的數(shù)量及處理能力都有所增加，但面對1.25億t/a的廚余垃圾產(chǎn)量，現(xiàn)有處理能力僅占產(chǎn)生量的1/3，難以滿足處理需求。為進一步提高廚余垃圾的資源化處理能力，國家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布了《“十四五”城鎮(zhèn)生活垃圾分類和處理設(shè)施發(fā)展規(guī)劃》，提出到2025年底，全國城市生活垃圾資源化利用率達到60%左右。廚余垃圾是生活垃圾重要的組成部分，從發(fā)布的數(shù)據(jù)可以看出我國廚余垃圾資源化處理需求與處理能力之間還存在著較大的空缺。
若要提高好氧堆肥技術(shù)的處理能力，就要縮短其在生產(chǎn)單位質(zhì)量有機肥的耗時，發(fā)酵周期越短處理能力就越高，反之越低。目前廚余垃圾好氧堆肥發(fā)酵周期在數(shù)十天到數(shù)月不等，也有些報道稱好氧堆肥發(fā)酵周期可縮短在幾天內(nèi)，但其堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量不能保證。表1列舉了國內(nèi)外部分研究人員采用好氧堆肥技術(shù)處理廚余垃圾所需的發(fā)酵周期。從表中數(shù)據(jù)可以看出廚余垃圾好氧堆肥反應(yīng)周期一般持續(xù)30d左右，為了適應(yīng)市場規(guī)律，在保證堆肥產(chǎn)品質(zhì)量的前提下縮短發(fā)酵周期是提高好氧堆肥技術(shù)的處理效率的重要舉措。
1.2 廚余垃圾好氧堆肥污染氣體排放嚴重
好氧堆肥過程主要是通過微生物對其中的有機物及營養(yǎng)物質(zhì)進行降解轉(zhuǎn)化，過程中會同時存在厭氧環(huán)境和好氧環(huán)境，這種環(huán)境的分布取決于有機物所處的空間結(jié)構(gòu)和位置。好氧堆肥堆體內(nèi)部空間的氧氣含量要低于堆體表面，大顆粒物或顆粒物內(nèi)部的氧氣含量要低于顆粒物外表面，此外堆體含水率高的地方含氧量也較低，通風(fēng)作為向堆體提供氧氣的主要途徑，亦是影響氧氣含量的關(guān)鍵因素，若在堆體內(nèi)局部形成厭氧區(qū)域就易生成污染氣體。
堆肥過程產(chǎn)生的常見的污染氣體約有40余種，其中的溫室氣體主要有CO2、N2O和CH4等，惡臭氣體主要有NH3、H2S、CS2等，其排放轉(zhuǎn)化過程如圖2所示。污染氣體的產(chǎn)排會損失碳氮養(yǎng)分，降低堆肥品質(zhì)，更重要的是會污染環(huán)境，影響到堆肥設(shè)施周邊居民的身體健康，這也是限制堆肥工藝推廣的重要因素。如加拿大某堆肥廠曾因臭氣問題被投訴近1400次，直至停工；我國桂林市某堆肥廠也曾因臭味問題遭投訴后關(guān)廠停業(yè)，技術(shù)升級改造后才重新投入使用。
1.2.1 溫室氣體產(chǎn)生機理
在“雙碳”的背景下，堆肥過程溫室氣體的減排無疑是科研人員研究的重點，尤其是對CH4和N2O的減排研究。據(jù)研究，一分子CH4造成的溫室效應(yīng)是一分子CO2的28-36倍，一分子N2O造成的溫室效應(yīng)是一分子CO2的296倍。堆肥過程中，CO2主要產(chǎn)生于堆體中微生物的呼吸作用和有機物的礦化過程，CH4和N2O的產(chǎn)生主要是由于堆體中孔隙率分布不均勻，氧氣擴散距離有限，易造成堆體存在大量局部厭氧或兼性厭氧區(qū)域，促進了產(chǎn)甲烷菌和反硝化菌的生長繁殖。
好氧堆肥是微生物在有氧條件下降解有機質(zhì)，代謝產(chǎn)生CO2、H2O和釋放熱量的過程。堆肥初期，廚余垃圾中的可溶性糖類、有機酸、淀粉等易降解的有機質(zhì)先被微生物利用，微生物快速擴繁，產(chǎn)生CO2并釋放出能量，促使堆體進入高溫期。CO2的排放也主要集中在堆肥的升溫期和高溫期，相關(guān)研究表明該時期CO2的排放量占全過程的78.5%-86.2%，進入降溫腐熟期后，隨著易降解有機質(zhì)的減少，CO2排放量相對較少且排放速率也較為穩(wěn)定。有機廢棄物是短期碳循環(huán)的一部分，經(jīng)過堆肥分解產(chǎn)生的CO2被普遍看作是生物排放，一般不計入溫室氣體排放中，且該過程CO2產(chǎn)生的溫室效應(yīng)遠小于CH4和N2O，因此在堆肥過程中大多數(shù)情況不考慮其對環(huán)境產(chǎn)生的影響。
堆肥過程CH4的產(chǎn)生主要經(jīng)過水解、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷3個過程。堆體內(nèi)的含碳有機物先被厭氧或兼性厭氧微生物分解成有機酸，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群作用下將產(chǎn)生的有機酸分解為乙酸、氫和二氧化碳，產(chǎn)甲烷菌再通過消耗氫將含碳物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>CH4。產(chǎn)甲烷菌也主要活躍于堆體內(nèi)部的厭氧區(qū)域，在該環(huán)境下代謝生成CH4.因此，廚余垃圾好氧堆肥高溫階段CH4會集中排放，主要就是因為該階段O2大量消耗，導(dǎo)致堆體中產(chǎn)生了大量厭氧區(qū)域。N2O的產(chǎn)生為堆肥過程中硝化作用和反硝化作用共同完成，與堆體中氧氣擴散有直接聯(lián)系，也由于堆體內(nèi)各區(qū)域氧氣濃度的不同，硝化作用和反硝化作用同時存在。在厭氧條件下，堆肥物料中的NOx-經(jīng)過反硝化途徑產(chǎn)生N2O，相關(guān)研究表明N2O的產(chǎn)生主要是通過反硝化作用。楊帆等在堆肥中添加膨松劑來提高堆體孔隙率，減少局部厭氧的發(fā)生，結(jié)果表明可累計減少42.2%的N2O排放量。因此，今后CH4、N2O的減排機理研究應(yīng)同時關(guān)注堆體結(jié)構(gòu)以及顆粒的粒徑、孔隙結(jié)構(gòu)和通風(fēng)供氧等，避免局部厭氧的發(fā)生。
1.2.2 惡臭氣體產(chǎn)生機理
好氧堆肥是在微生物的作用下將有機物通過礦質(zhì)化及腐殖化過程轉(zhuǎn)化為安全、穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。但在腐殖化過程中微生物會對蛋白質(zhì)、氨基酸進行脫羧作用和脫氨作用，該過程會伴隨著大量惡臭氣體的產(chǎn)生。已有研究表明，廚余垃圾堆肥過程中會產(chǎn)生大量的NH3、H2S、CS2、硫醚、硫醇等惡臭氣體，其中NH3和H2S是排放濃度最高的臭氣。
NH3主要來自含氮有機物（蛋白質(zhì)、多肽等）的降解，這些物質(zhì)在微生物介導(dǎo)下水解為氨基酸、氨基糖等小分子含氮物質(zhì)，再經(jīng)微生物酶的作用進行脫氨基轉(zhuǎn)化為NH4+，NH4+通過水解作用轉(zhuǎn)化為NH3。好氧發(fā)酵過程中NH3的排放主要受pH及堆體溫度的影響，但在其他研究中發(fā)現(xiàn)堆體孔隙率也會影響到NH3的排放。
H2S通常被認為是堆肥過程中最主要的強致臭物質(zhì)，其主要產(chǎn)生的途徑有兩種，一種是在硫酸鹽還原菌（SRB）的作用下將堆體中的硫酸鹽或亞硫酸鹽還原成H2S；另一種生成途徑是堆體中的含硫有機物在厭氧環(huán)境中由硫酸鹽還原菌發(fā)揮主導(dǎo)作用降解生成H2S，生成的H2S會溶于水，當水體處于飽和狀態(tài)并且堆體溫度較高時，多余的H2S將會排放到環(huán)境中。同時，半胱氨酸在厭氧條件下也可以被直接降解為H2S。厭氧環(huán)境是影響H2S產(chǎn)生的主要環(huán)境因素，因此在H2S的減排研究中亦要關(guān)注堆體結(jié)構(gòu)，考慮堆體孔隙率以及氧氣擴散等因素，避免局部厭氧的發(fā)生。
2、廚余垃圾堆肥技術(shù)的改良
2.1 添加微生物菌劑
好氧堆肥是在人工控制的條件下，利用微生物降解有機廢棄物，形成穩(wěn)定的高腐殖化物質(zhì)的過程，其主要過程如圖3所示?？梢钥闯鑫⑸锸呛醚醵逊实暮诵囊刂唬浠钚?、種類與數(shù)量直接影響好氧堆肥過程的進行。傳統(tǒng)堆肥法一般都是直接利用物料中的土著微生物來降解有機物，但傳統(tǒng)堆肥法存在發(fā)酵周期長、肥效低且易產(chǎn)生污染氣體等問題。為改善堆肥工藝，早在20世紀40年代，美國學(xué)者就開始向堆體中接種細菌。盡管在是否需要好氧堆肥過程中添加微生物菌劑的問題上，研究人員持有不同觀點，然而大量的實驗研究充分確認了微生物菌劑的添加對堆肥具有促進作用。
2.1.1 添加單一功能菌劑
微生物菌劑主要有兩方面來源：一是將原本的堆體作為菌種源，直接或通過進一步強化后篩選的土著微生物；二是將環(huán)境樣品如土壤、水體等作為菌種源，通過一定技術(shù)干預(yù)篩選出特定條件下的微生物。好氧堆肥過程中為了達到某種效果（縮短發(fā)酵周期、減少NH3、H2S排放等）往往會向堆體中添加特定的功能菌劑。萬文娟等在廚余垃圾堆肥中添加具備油脂降解功能的地衣芽孢桿菌，結(jié)果表明物料的降解效率得到有效提高，這主要是因為廚余垃圾高油脂的特性，所以接種該菌劑產(chǎn)生了較好的效果。另外，考慮到廚余垃圾中含有較難降解的纖維素成分，研究人員向其中添加纖維素降解菌來加速對纖維素的降解。諸葛誠祥向堆肥中添加篩選得到纖維素降解菌，結(jié)果將發(fā)酵周期縮短了6d。為減少堆肥中污染氣體的排放，提高堆肥產(chǎn)品的肥效，大量減少NH3、H2S、N2O和CH4排放的功能菌劑也開始應(yīng)用。邢偉杰等通過向堆肥中添加芽孢桿菌，結(jié)果表明該菌劑對污染氣體的減排效果明顯，其中對NH3和H2S減排率分別達41.16%和39.82%。但是單一菌劑功能效果畢竟有限，要想獲得更佳的堆肥效果向堆體中添加復(fù)合微生物菌劑成為國內(nèi)外學(xué)者研究的重要方向。
2.1.2 添加復(fù)合菌劑
復(fù)合菌劑一般有兩種或兩種以上的微生物，選擇適當比例的微生物進行培養(yǎng)，發(fā)揮它們的聯(lián)合作用，以達到最佳的應(yīng)用效果。為了促進物料快速分解、提高堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量，在大多數(shù)情況下使用的都是復(fù)合微生物菌劑。
羅一鳴在堆肥試驗中證實添加VT菌劑加速了升溫速度，這與其中芽孢桿菌能夠高效地降解纖維素有密不可分。余培斌等將枯草芽孢桿菌、巨大芽孢桿菌和地衣芽孢桿菌等按比例制成復(fù)合菌劑添加到廚余垃圾中堆肥，發(fā)現(xiàn)該菌劑不僅能縮短了約40%的堆肥周期，而且提高了廚余垃圾31%的降解率。Zhao等通過篩選出不同物種優(yōu)勢菌株（8種細菌、1種放線菌和3種真菌）制成復(fù)合微生物菌劑YH，在廚余垃圾堆肥過程中添加該菌劑，研究表明該菌劑可將發(fā)酵周期縮短1/3且減少了約40%的NH3排放和30%左右的H2S排放量，有效地提高了堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。陳文旭等在廚余垃圾堆肥中添加了VT-1000復(fù)合微生物菌劑，在第2天添加菌劑的堆體就進入了高溫期，有效了提高了發(fā)酵速率，另外，相比于對照組該處理減少了16.3%的CO2、19.1%的CH4和49.2%的N2O，溫室效應(yīng)排放當量減排率高達45.42%。但目前復(fù)合菌劑中各菌屬發(fā)揮的重要作用機理尚不明確，且大多未在體系內(nèi)定殖并擴繁，而作用的發(fā)揮又與物料性質(zhì)和過程控制參數(shù)密切相關(guān)，這也造成相同的菌劑在不同的體系中可能會發(fā)揮差異性的影響，因此仍有必要根據(jù)物料的性質(zhì)選擇各組分功能明確且顯著、菌劑功效穩(wěn)定的菌劑產(chǎn)品。
2.1.3 微生物菌劑應(yīng)用的局限性
微生物菌劑價格相對昂貴，增加了處理成本，限制了其在堆肥中的廣泛應(yīng)用。另外，有研究發(fā)現(xiàn)部分微生物菌劑在接種后存在效果不佳甚至無效果、適用范圍窄等問題，其主要原因可能在于堆體環(huán)境限制了其活性且不適宜微生物的生長繁殖，或者添加的微生物和土著微生物之間存在著競爭。因此，若想要從根本上解決這些問題，仍需要從微生物的生存環(huán)境出發(fā)來提高其在堆肥中的存活力和活性，主要包括調(diào)節(jié)堆肥過程中的溫度、含水率、顆粒粒徑、通風(fēng)量等參數(shù)，使之有利于堆體中的微生物的生長和繁殖。
2.2 影響好氧堆肥過程的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)
堆肥化是微生物轉(zhuǎn)化分解有機物，環(huán)境條件是影響堆肥過程的又一核心要素。若堆體的環(huán)境不適宜，即使添加微生物菌劑也難以發(fā)揮作用，由此可見堆肥環(huán)境參數(shù)的重要性。廚余垃圾好氧堆肥的本質(zhì)是微生物利用堆體中的氧氣降解有機物，有機物、微生物、氧氣是好氧堆肥的三大元素，氧氣作為三大元素之一是堆肥過程中最重要的控制因素。當堆體氧氣濃度過低時不僅會延長發(fā)酵周期，還會因局部厭氧產(chǎn)生大量的污染氣體，降低堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量。堆肥過程中能夠影響堆體氧氣含量以及其在堆體中擴散的環(huán)境參數(shù)主要有自由空域、顆粒粒徑、含水率、通風(fēng)速率、通風(fēng)頻率等。
2.2.1 自由空域
自由空域（freeairspace，FAS）被定義為堆肥中的氣體體積與堆料總體積之比，是好氧堆肥的一個重要工藝參數(shù)，可作為衡量堆體中氧氣擴散情況的重要指標。堆肥中，自由空域直接影響著堆體中的氧氣濃度和微生物對廚余垃圾的降解。適宜的FAS可以保持較適宜的供氧狀況，且有利于好氧微生物利用氧氣，減少局部厭氧情況的發(fā)生，提高發(fā)酵速率、縮短堆肥周期和減少污染氣體的排放等。SEVIK等堆肥試驗發(fā)現(xiàn)當堆體FAS為37%時，物料的降解率最高，有效地縮短了堆肥發(fā)酵周期，提高了處理能力。徐志程在廚余垃圾堆肥時設(shè)置了高（65%）、中（55%）和低（45%）3個水平的FAS，結(jié)果表明55%水平下的FAS更有利于溫室氣體及臭氣的協(xié)同減排以及物料的腐熟，這可能是堆體在該水平自由空域下更有利于氧氣擴散導(dǎo)致的。研究表明最佳的FAS范圍為30%-55%，但該數(shù)值受很多因素的影響，其中與堆體的含水率和物料的粒徑聯(lián)系最為密切，通風(fēng)量對其也有一定的影響。
2.2.2 含水率
微生物生長和代謝需要以水作為介質(zhì)，水還參與其生化反應(yīng)。同時，含水率的高低還會影響到氧氣在堆體中的擴散，所以堆肥過程中含水率對發(fā)酵速率和污染氣體排放有著重要的影響。研究表明當含水率太高時，堆體中的氧氣因難以擴散會造成大量局部厭氧的情況；但含水率低于30%時，卻由于水分的缺失，反應(yīng)過程會完全停止。Yeh等在廚余垃圾堆肥過程中設(shè)置了6個梯度（42%、55%、61%、66%、70%和78%）的含水率，其中含水率在42%時堆體升溫速度最慢，可能是缺水條件下微生物活性受到了抑制；含水率在78%時升溫亦較慢，可能是含水率太高影響堆體中微生物對氧氣的利用。李丹陽等在堆肥試驗中發(fā)現(xiàn)含水率為75%時發(fā)酵反應(yīng)不能正常進行，堆體中微生物對氧氣的利用率也較低，且釋放了大量厭氧環(huán)境才會產(chǎn)生的CH4，而初始含水率為65%時，堆料具有足夠的自由空域，更有利于氧氣的擴散，堆體的發(fā)酵速率較快；相比含水率為75%，CH4的減排率達到了52.01%，N2O排率達到了53.04%。因此，含水率不僅會影響微生物自身的生長繁殖，還會影響堆體孔隙率和微生物對氧氣的利用，進一步影響堆肥周期和污染氣體的產(chǎn)生。
2.2.3 顆粒粒徑
堆肥物料的分解主要發(fā)生在顆粒的表面或接近顆粒表面的地方，由于氧氣可以擴散進入包裹顆粒的水膜，所以這些地方有足夠的氧氣保證有氧代謝的需求。在一定條件下，有機物的比表面積與降解速率成正比，因此顆粒大小對好氧堆肥發(fā)酵速率和堆肥周期的長短都有著重要影響。另外，物料粒徑的大小不僅影響著發(fā)酵周期還影響著堆體的孔隙結(jié)構(gòu)，過大的粒徑易使氣體擴散會導(dǎo)致熱量散失，粒徑過小時會造成局部厭氧，這些都不利于堆肥過程的進行。已有研究表明物料最佳的堆肥粒徑為5-50mm，但由于物料性質(zhì)的差異，沒有統(tǒng)一的標準。鄭衛(wèi)聰?shù)葘⑽锪纤橹?/span>50mm，結(jié)果在第2天時堆體溫度就達到60℃以上的高溫階段，在高溫階段維持15d左右。付麗麗等采用不同粒徑（<5、5-10、>10mm）物料堆肥，結(jié)果顯示小顆粒和中顆粒組由于具有較大的比表面積，發(fā)酵速率較快，但其因堆體結(jié)構(gòu)較差，產(chǎn)生了大量的NH3；相比之下中等顆粒玉米芯具有更適宜的堆積密度和通風(fēng)條件，具有較好的發(fā)酵速率和最佳NH3減排效果。因此，堆肥前在對物料進行粉碎時既要考慮到堆體適宜的孔隙率，粒徑過大或者過小都會對發(fā)酵周期以及污染氣體的排放產(chǎn)生影響。
2.2.4 通風(fēng)速率
通風(fēng)是物料與氧氣間建立聯(lián)系的重要環(huán)節(jié)，通風(fēng)量更是堆肥工藝中極為重要的參數(shù)之一，其決定了堆體中微生物可利用氧氣的含量。通風(fēng)量過小，堆體孔隙率較低，堆體會產(chǎn)生大量厭氧區(qū)域，導(dǎo)致好氧微生物活性低，延長堆肥周期，加劇臭氣排放；通風(fēng)量過高，易導(dǎo)致堆體升溫慢、水分損失嚴重，延長發(fā)酵周期。一般認為，堆體中的氧濃度保持在8%-18%比較適宜。何明浩等在廚余堆肥過程中設(shè)置了高（0.6L/min）、中（0.4L/min）和低（0.2L/min）3個水平的通風(fēng)速率進行試驗，結(jié)果表明高通風(fēng)速率雖能加快堆體氧濃度恢復(fù)速率和減少堆體局部厭氧的發(fā)生，但不利于堆體高溫的維持；通風(fēng)速率為0.4L/min時不僅可以維持較高的堆溫還可以減少溫室氣體的排放。徐志程采用了不同通風(fēng)速率（0.24、0.36和0.48Lkg-1min-1）進行廚余垃圾堆肥試驗，研究表明通風(fēng)速率的提高，減少了堆體中的厭氧區(qū)域，從而減少了N2O、H2S的排放，其中H2S的減排量達到了19%以上；其中0.36Lkg-1min-1更有利于縮短堆肥周期和污染氣體的協(xié)同減排。因此，堆肥過程中設(shè)置通風(fēng)速率時要考慮到堆體需氧量的同時不能過度通風(fēng)，不利于堆體快速升溫。
2.2.5 通風(fēng)頻率
好氧堆肥不僅要有合適的通風(fēng)量，而且還要有合適的通風(fēng)頻率。通過觀察持續(xù)通風(fēng)試驗發(fā)現(xiàn)，堆體中各個時期微生物對氧氣有著不同的需求量。其中高溫期生化反應(yīng)較為劇烈，氧氣的消耗量較多；腐熟期時微生物則消耗較少的氧氣。Magalhaes等認為堆體中氧氣濃度達到10%以上微生物就可保持最高的活性。研究也表明，合理的通風(fēng)頻率不僅利于堆體升溫與縮短發(fā)酵周期，而且可減少堆肥過程中污染氣體的排放。因此，選擇合適的通風(fēng)間隔不僅可能減少能耗，還可能達到較好的堆肥效果。鄭玉琪等研究表明通風(fēng)5min可以保證堆體中氧氣的充分供應(yīng)，通風(fēng)結(jié)束后，前10min堆體內(nèi)氧氣供應(yīng)充足，微生物活動較高，氧氣濃度會呈快速下降趨勢。但該研究僅能提供參考，具體的通風(fēng)頻率應(yīng)根據(jù)通風(fēng)速率以及堆體所處的發(fā)酵時期來確定。
2.3 廚余垃圾堆肥過程供氧策略優(yōu)化
好氧堆肥工藝中氧氣能否在堆體中較好地擴散以及被微生物充分利用受到多方面的影響。在一定范圍內(nèi)，好氧堆肥各個參數(shù)之間的影響如圖4所示。因此在調(diào)整工藝參數(shù)時，需要尋求物料比表面積和物料空隙度的平衡，使堆肥物料保持較好的自然供氧量，以維持堆肥中較高的好氧微生物活性，對縮短發(fā)酵周期、減少污染氣體排放和提高堆肥質(zhì)量有著重要意義。
氧氣是好氧堆肥中的必需元素，更是對好氧堆肥是否成功起著決定性作用。大多數(shù)工藝參數(shù)實現(xiàn)對好氧堆肥的影響也主要是通過直接或者間接影響堆體中的氧氣濃度來實現(xiàn)。其次，微生物能否較好地利用堆體中的氧氣是影響好氧堆肥過程的關(guān)鍵。因此，針對目前廚余垃圾堆肥發(fā)酵周期長、易產(chǎn)生污染氣體且肥效低等問題，可以從提高堆體中氧濃度方面入手，對好氧堆肥工藝進行優(yōu)化。
隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)簡單的持續(xù)通風(fēng)方式并不契合堆肥微生物的生長規(guī)律，通風(fēng)速率供給與微生物呼吸作用之間不存在連續(xù)的線性關(guān)系，通風(fēng)速率存在1個流量閾值，超過該閾值后氧氣含量的增加并不會影響微生物的活性反而還會不利于堆體升溫。Qasim等在通風(fēng)速率分別為0.3、0.6、0.9Lkg-1min-1情況下進行堆肥，發(fā)現(xiàn)通風(fēng)量大的情況下并不能提高發(fā)酵速率，反而低通風(fēng)速率下微生物活性較高，升溫較好。由此可見，可以根據(jù)堆肥微生物的生長與生活特性對通風(fēng)策略進行調(diào)整優(yōu)化，不但可以優(yōu)化廚余垃圾堆肥工藝，還可以達到節(jié)省能源的目的。
此外，隨著人工智能的飛速發(fā)展，使得將其應(yīng)用在好氧堆肥領(lǐng)域也成為一種可能。丁國超等通過數(shù)據(jù)搭建一套適用于好氧堆肥反應(yīng)器內(nèi)部環(huán)境的通風(fēng)量在線預(yù)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可準確預(yù)測堆肥過程中所需的通風(fēng)供氧量并通過控通風(fēng)閥門使堆肥過程中有充足的氧氣能加快反應(yīng)進程，避免因通風(fēng)量不夠而產(chǎn)生局部厭氧的情況。這將對實際應(yīng)用中通風(fēng)速率的調(diào)節(jié)有著較好的指導(dǎo)作用。
近年來，單片機與傳感器技術(shù)迅速發(fā)展，在堆肥領(lǐng)域運用得也越來越多。Anand等研發(fā)了一種由PLC控制的高效曝氣堆肥系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過測定堆體中的溫度來負反饋調(diào)節(jié)堆肥的通風(fēng)量，增強堆肥不同階段微生物的活性，使堆肥進程更加快速、穩(wěn)定。該系統(tǒng)能耗低，可全由太陽能進行供電，大大降低了堆肥的成本。另外，傳感器技術(shù)的應(yīng)用使好氧堆肥向自動化、智能化方向發(fā)展，在加快了好氧堆肥發(fā)酵速率的同時，也節(jié)省了大量的成本。
3、結(jié)論與展望
“雙碳”背景下，好氧堆肥技術(shù)的發(fā)展方向必將是以清潔生產(chǎn)為目標的高效、綠色、可持續(xù)的處理技術(shù)。廚余垃圾好氧堆肥過程中發(fā)酵進程緩慢和污染氣體排放量大的最主要原因是堆體環(huán)境限制了微生物對氧氣的高效利用。外源菌劑的添加時要考慮外源微生物對堆肥環(huán)境適應(yīng)性較強且不會與土著微生物之間存在競爭等問題以避免應(yīng)用效果受限。環(huán)境參數(shù)優(yōu)化要重點關(guān)注物料比表面積和孔隙度的平衡，提高氧氣的利用率以增強功能性微生物的活性。因此，基于生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展和現(xiàn)代工藝技術(shù)的進步，功能性菌劑的研發(fā)和工藝參數(shù)的優(yōu)化應(yīng)是廚余垃圾好氧堆肥技術(shù)今后研究的重點與方向。
微生物菌劑具有縮短發(fā)酵周期、減少污染氣體排放和增高肥效等多方面功效，可有時因難以適應(yīng)堆體環(huán)境參數(shù)而發(fā)揮不出作用，隨著基因工程的發(fā)展，在未來研究中若能利用基因工程技術(shù)構(gòu)建起對堆體環(huán)境普適性強、保碳保氮能力強且擴培成本低的菌劑庫，那將進一步強化微生物菌劑的作用。另外，若能探明菌劑中各個菌株的功能作用，按照廚余垃圾中各成分的降解順序，分階段添加功能菌劑并實現(xiàn)定殖并擴繁，那將大大節(jié)約處理成本，提高廚余垃圾的處理效率。
廚余垃圾好氧堆肥過程中，影響堆體中氧氣擴散的因素有很多，但關(guān)于這些因素之間相互作用的機理研究相對較少。很多學(xué)者都采用單因素確定最佳工藝條件，但此方法無法說明變量的相互作用效應(yīng)。未來，若能將數(shù)學(xué)建模以及數(shù)值模擬等方法運用在堆肥領(lǐng)域，將使得各參數(shù)之間的作用機理以及對堆體中氧氣擴散的影響更加清晰準確，為實現(xiàn)廚余垃圾高效堆肥處理提供更明確的理論依據(jù)。（來源：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)有機循環(huán)研究院（蘇州））