在生物垃圾堆肥过程中增加通气量使pH值升高和分解加快外文翻译资料

 2023-01-06 11:16:32

在生物垃圾堆肥过程中增加通气量使pH值升高和分解加快

原文作者 C. Sundberg *, H. Jouml;nsson

摘要：城市生活垃圾堆肥的源头分离已经在斯堪的纳维亚几个工厂受到pH值低的影响。在这项研究中，在2个大型堆肥设备的全部实验中，假设增加通气量会改善测试工艺。即使通气量很低，氧气浓度也会是高的(gt;15%) ，因此，当时的低PH值不是由于厌氧工艺环境造成的。尽管如此，在该工艺流程开始增加通气量时导致更高的微生物活性，pH值增大同时产生更稳定的堆肥产品。在一个设备中，分解率是随着通气量的变化而成比例地变化的，在一定程度上，即使通气量在10到50m3/(h, m3堆肥）之间变化，温度和氧气浓度在早期的过程中是相同的。然而，增加通气量会使堆肥严重干燥，但是在一个设备中加入足够的水防止干燥。总之，通过增加通气量，并增加水分，以防止干燥，这可能会缩短产生稳定的堆肥产品所需的时间，从而提高堆肥设备的效率。

引言

生物垃圾（源分离的可生物降解的垃圾）的堆肥处理方式是欧盟废物管理战略中减少垃圾填埋的重要组成部分，近几年来，许多堆肥厂已经建成。然而，斯堪的纳维亚的堆肥垃圾在工艺过程中一直受到pH值低的影响，部分原因是由于垃圾自身的低pH值较，垃圾的pH值在4.5-5.1的范围内(Eklind et al., 1997; Norgaard and Sorheim, 2004)。在工艺过程中pH值低会导致腐烂，产生恶臭，分解缓慢，从而使设备的效率降低，用足够高的温度进行彻底的消毒以达到低堆肥质量和难度。

堆肥是一种耗氧的产生微生物的过程，也是一个高度活跃的改变自身的环境条件的动态系统。最值得注意的是温度的升高。嗜中温微生物最高生长温度为40-45℃，而这是嗜热微生物的最适生长温度。水分对堆肥过程的作用至关重要，但过量的水分会降低堆肥基质中的空间，从而导致含氧量受限制。在堆肥中，在孔隙内的氧气几分钟内就会被消耗，因此有一个连续的新鲜空气供应来保持有氧在过程中是至关重要的。

废弃物的低pH值是由短链有机酸引起的，主要是乳酸和醋酸(Eklind et al.,1997)。有机酸微生物的形成和分解取决于氧水平和温度。较高的氧气浓度供给堆肥时较低的有机酸的最大浓度和较快的酸分解，从而使pH值上升较快(Beck-Friis et al., 2003)。在堆肥反应器的实验证明了直到pH的增加和高速率的分解开始可以缩短如果堆肥温度保持在中温范围时（40℃以下）至尾气凝结物的pH值为5以上(Sma˚rs et al., 2002)。增加通气量增加冷却，并可能因此同时使氧浓度增大和温度下降，这2个工艺条件已被证明在堆肥过程中能加快pH值增大。这项工作的主要目的是测试在全部实验中，增加通气量会使pH值上升速度更快，达到较高的水平，并导致分解速率增加的假说。进一步的目的是调查由增加通气量引起的干燥程度，因此需要添加水。

材料与方法

2.1.堆肥装置

在挪威斯塔万格地区，市政府公司IVAR使用Hogstad堆肥设施，每年处理25000吨生活垃圾（源分离的厨余垃圾和园林废弃物）。垃圾混合物在一个堆肥仓的搅拌器里堆肥，原料从一端进入向另一端移动（图1）。这个过程是在一个5米宽，42米长，2.5米高的钢筋混凝土托架中进行的，虽然只填充到一个2米的高度。原料每2-4天被机械搅拌器推进4.7米，经过9轮，20-30天的堆肥，堆肥已经到了另一端，并从堆肥仓里出来。每个隔间的通气被分为四个单独的区域，每个7-15米长。这些隔间的曝气的负曝气（气体通过隔间底部的多孔板出去），除了隔间的第一个区域（第一个5米）是正曝气。

在挪威克里斯蒂安桑地区，市政府公司Renovasjonsselskapet for the Kristiansand Region (RKR)使用Stoslash;leheia堆肥设施，也在一个堆肥仓的钢筋混泥土隔间的搅拌器里处理源分离厨余垃圾（2004年11000吨），宽2.8米，高2.2米，长64米，风从下往上吹。隔间的通气被分为五个单独的区域，原料每2-3天被机械搅拌器推进4.2米，在每个区域的停留时间是5-7天。在30-40天之后，堆肥已经到了尽头，并从堆肥仓里出来。

Fig. 1. Schematic drawing of the composting plants. Substrate is entered at the rear end of the building and compost is removed at the front end.The turning machine moves along the bay (arrow) and the compost is moved in the opposite direction. The bays are aerated from below by positive (RKR) or negative (IVAR) aeration. Aeration is supplied in 4 (RKR) or 5 (IVAR) zones separated along the length of the bays.

2.2.实验布置

在IVAR，在2004年九月至十一月检测了两个堆肥隔间（I1和I2）。在I1中检测了连续三批，为下面列出的前两个（A和B），同时在I2中检测了连续两批。在RKR，在2004年六月至七月检测了三个堆肥隔间（R1，R2和R3）的连续两批（A和B）。在IVAR，对整个过程进行了监测，而对RKR的调查集中在头8天。每个隔间有一个不同的通气时间，I1和R1的速率最低。对于其他因素，如转向频率，尽可能使每个装置的批次和隔间保持相同。

两个设备的空气都是从堆肥仓（20–30℃）输入的。在IVAR，所有隔间的通气是连续的，而风扇的尺寸和阀门设置是不同的，这就造成了通气量的不同（图2）。在RKR，隔间之间的通气量不同是由风扇的尺寸和开/关间隔不同造成的。

在这两个装置，在第一区的通气量远远高于在后的区域。隔间之间的通气量的差异在开始时是大的，后来较小（图2）。在IVAR，I2第一区域的通气量比I1的高约三倍。同样隔间I2在第二区域收到的空气比I1的多。从10日起，两个隔间的其他区域的通气量没有明显的差异。

在RKR，在R2和R3第一区域的通气是连续的，但在R1通气是间歇的（开2分钟，关10分钟），并在图2中给出了平均通气量。在R1和R2的第二区域的通气区设定为开1分钟，关10分钟，R3开5分钟，关10分钟。在IVAR堆肥搅拌过程中加水混合，而RKR在晚上通过从隔间顶部喷洒的方式添加水5–20分钟/小时（表1）。在RKR，隔间的前12米没有覆盖加水喷淋系统，所以过程中的第一周没有加入水。装置除了给隔间提供更多的水分，也为了获得更多的通气量，R1，R2和R3的每个批次分别添加4.1、8.2和11.5立方米的水。

在这两个装置，主要的原料是来自家庭的可生物降解的垃圾，主要是厨余垃圾。这种废物收集在纸袋里或可生物降解塑料袋里，并在到达时切碎打开袋子。在IVAR，混合垃圾（73%湿重），木屑（可变大小，小于80毫米，13%）和结构材料的回收从最终堆肥筛选（gt; 20毫米，14%）回收利用。在RKR，垃圾（73%）由再生结构材料和堆肥（gt; 10毫米，11%），粉碎园林废弃物（8%）、和木屑（粗5%细3%）混合而成。混合物在滚筒筛里过筛，使得在被移动到堆肥隔间前除去塑料袋。

在RKR的原料是干燥的，与IVAR相比，具有较高的挥发性固体含量和较低的pH值（表2）。这两个装置的氮浓度和酸是相似的。在IVAR的批次间的差异不显著，但在RKR 第二批的pH显著更高（在99%的置信水平）。

Fig. 2. Left: Airflow at IVAR. Right: Airflow in the first aeration zone at RKR; time for batches A and B below and above figure, respectively. Aeration started on day 1 in both batches at RKR, but no data were available on day 1 for batch A. The scale is logarithmic in the left figure and linear in the right figure.

2.3.采样

在IVAR，五5-l在原料加入过程中采取样本。从堆肥过程中取得的样品作为三5-l从每个批次中采取样品。在RKR，十1-l原料混合物中的采取样品是从第一批次桩的装载过程中取得（A）。第二批次（B），一10-l斗装满来自各个地方桩的原料样品。这个样品用手彻底地混合，并重点进行提取。在搅拌后2h，从堆肥过程进行重点表面取样。

从I2的第一个通气区域，尾气采用圆形室收集（高0.5米，直径0.7米）放在堆肥的顶部，有一个让气体流通的孔（直径0.07米）。在IVAR的其他隔间和区域，在尾气管内测量气体浓度。在RKR的所有区域，烟气样品用高0.4米，占地0.95·1.15平方米的收集室收集，有一个孔（直径0.14米）让气体通过。气体样品取自室内。冷凝液样品（10–100毫升）是用海绵从室内收集。

2.4.理化分析

在这两个装置中，每天的温度测量都是通过数字温度计的热电偶温度探头放置在堆肥里手动测量的(Fluke, USA)。在IVAR，在尾气管道的温度也是每天用同样的仪器手动测量记录的。

在IVAR，气流是在空气出口通道用热线风速仪测量的(SwemaAir 300, Swema, Sweden)。在RKR，气流是在进口空气通道用叶轮风速仪测定的(Testo 435, Testo, Germany)。氧气(O2)和二氧化碳(CO2)的浓度是用多气体分析仪进行测量的，GA 2000 (Geotechnical Instruments, UK)。本仪器用电池传感器测量氧气浓度和用红外（IR）吸收在4.29lm测量二氧化碳的。

测量pH值是用玻璃电极和pH 211微处理器的pH计(Hanna Instruments,Norway)，将样品（12克）和去离子水（60毫升），动摇了几秒钟，放置1小时后测量。也对冷凝液进行pH值的测定，无论是纯的或小样本，可以用去离子水稀释。干物质（DM）浓度为1公斤样品在105℃下干燥72小时(IVAR)和30–90 g样品在105℃下干燥24小时（RKR）后测定的。挥发性固体（VS）浓度是样品在保持550℃3小时点火干筛（10毫米）下确定的。活性污泥比耗氧速率（SOUR）的测定是将样品与水混合过筛（10毫米）的，根据Lasaridi和Stentiford (1996)描述的方法，虽然没有任何修正案。氮原是通过一个标准的凯氏定氮法分析的(Bioforsk Laboratory,Oslo, Norway)。

2.5.统计与数学分析

数据和表格中的不确定度是指平均值的标准差。通过双样本t检验和90%、95%、99%置信度检验，检验其统计学意义水平 (Johnson, 1994)。

从气流和废气中的二氧化碳浓度计算的二氧化碳排放量。加热干燥空气得的热去除，Qa，计算如下：

其中Cpa是干空气的比热（1.0kJkg-1℃-1），ma是空气的质量，Tin和Tout是输入和输出的空气温度。干燥的空气引起的变化的质量和比热容由于氧气的消耗和二氧化碳的产生。这些小的变化在式（1）忽略不计。

水的蒸发带走的热量， Qw，根据堆肥得：

其中Cpe是蒸汽的比热（1.8kJkg-1℃-1），me, in 和 me, out 代表在呼入和呼出空气的蒸汽的质量，Delta;Hvap是Tout的蒸发焓。

假定流入和流出的相对湿度为100%。在RKR，热量和二氧化碳值之间的相关性用MATLAB中的函数拟合的线性回归6.5来分析(The MathWorks, USA)。

分解程度是从投入产出比估计的（VSi和VS0）,鉴于干物质的百分比(Haug, 1993):

结果

3.1.pH

在IVAR的I2从一开始pH值显著升高，并持续2-3周（图3）。仅仅3天之后，酸度已经上升了不止一个单位。在另一方面，I1的PH值没有明显变化,并且在整个过程仍保持在7以下。在RKR，收到空气多的隔间的PH值也上升得更快，在其他隔间中较慢（图4）。

Fig. 3. The pH development in the different batches during the compositing process at IVAR.

Fig. 4. The pH development at RKR. Top: pH in material samples,average of two samples, one taken near the edge and one near the centre.Below: pH in condensate.

3.2.二氧

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