餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果

第 25 卷 第 11 期 农 业 工 程 学 报 Vol.25 No.11 2009 年 11 月 Transactions of the CSAE Nov. 2009 269 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果 邹德勋 1 ，汪群慧 1,2※ ，隋克俭 2 ，潘斯亮 2 ，马鸿志 2 （1．哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨 150090； 2．北京科技大学土木与环境工程学院，北京 100083） 摘 要：分别使用玉米秸秆与菌糠作为餐厨垃圾的堆肥调理剂，进行堆肥 1 次发酵对比试验，旨在考察菌糠作为餐厨垃 圾堆肥调理剂的可行性。通过对 2 种调理剂与餐厨垃圾堆肥过程中理化性质及腐熟度变化的分析，表明餐厨垃圾好氧堆 肥时，菌糠是一种优于玉米秸秆的良好调理剂，餐厨垃圾与菌糠混合堆肥时升温速度快、高温期持续时间长，含水率与 有机质分别下降 19.6%和 20.2%。同时，其混合堆料在堆肥过程中散发臭气较少，1 次堆肥处理后发芽指数较高（55.6%）， 基本实现腐熟。 关键词：垃圾，发酵，调理剂，餐厨，菌糠，玉米秸秆，好氧堆肥，发芽指数 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2009.11.049 中图分类号：S141.8，X705 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2009)-11-0269-05 邹德勋，汪群慧，隋克俭，等. 餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果[J]. 农业工程学报，2009，25(11)：269－273. Zou Dexun, Wang Qunhui, Sui Kejian, et al. Aerobic composting effect of kitchen garbage and spent mushroom substrate[J]. Transactions of the CSAE, 2009,25(11)：269－273. (in Chinese with English abstract) 0 引 言  好氧堆肥法是实现餐厨垃圾资源化处理的有效途径 之一，同时该方法具有技术成熟、操作简单、运行成本 相对较低等优点而深受国内外青睐 [1-2] 。但由于餐厨垃圾 含水率较高、C/N 较低，因此在堆肥之前需要使用大量的 高 C/N 调理剂进行物料调配。目前常用的调理剂有秸秆、 木屑、稻壳等，但这些调理剂需要较长的时间才能被分 解而使堆肥周期延长，另外有些调理剂还需要事先进行 粉碎而消耗一定的能源 [3] 。菌糠又称蘑菇渣，是指将食用 菌采摘后所废弃的栽培料，这些菌糠往往丢弃在食用菌 场周围，不但污染环境而且严重影响了食用菌产业的良 性发展 [4] 。废弃菌糠中残留有大量的营养物质和对纤维素 类物质有良好降解性能的微生物等，同时菌糠透气透水 性好、C/N 较高，且不需要再次加工粉碎[5-6]。目前，虽 然有一些单独对餐厨垃圾或菌糠进行堆肥研究的报 道 [7-8] ，但采用菌糠作为餐厨垃圾堆肥调理剂方面的研究 尚未见报道。本研究采用好氧堆肥方式，对比常用的玉 米秸秆调理剂，考察菌糠作为新型餐厨垃圾调理剂在一 次发酵过程中的特性与效果，为拓展餐厨垃圾堆肥调理 剂的可用范围及提高农业废弃物资源化程度提供技术 依据。 收稿日期：2009-03-20 修订日期：2009-07-09 基金项目：国家“十一五”科技支撑项目（2006BAJ04A06）；国家 863 高技术研究发展计划资助项目（2008AA06Z34） 作者简介：邹德勋（1980－），男，博士，主要研究方向为固体废物资源化 和环境微生物技术。哈尔滨 哈尔滨工业大学市政环境工程学院，150090。 Email: zoudexun@gmail.com ※通信作者：汪群慧，教授，博士生导师，主要研究方向为固体废物资源化， 环境生物技术，环境化学。哈尔滨 哈尔滨工业大学市政环境工程学院， 150090。Email: wangqh59@sina.com 1 材料与方法 1.1 堆肥原料 餐厨垃圾（以下简称垃圾）取自北京科技大学学生 食堂，先将骨头等难以绞碎的物质以及塑料袋、纸杯等 杂物拣出，再用绞肉机绞碎，充分混匀。玉米秸秆（以 下简称秸秆）取自北京农林科学研究院试验田，用植物 粉碎机粉碎，粒径≤1 cm。菌糠取自北京房山某食用菌 厂废料堆，其原物料主要成分为棉籽壳，经 1 周期食用 菌栽种生产后废弃，粒径≤1 cm。堆肥原料的基本理化 性质如表 1 所示，t 检验表明菌糠与秸秆的 pH 值差异显 著。 表 1 初始堆肥原料基本理化性质 Table 1 Physical and chemical properties of the composting substrates 原料 含水率/% pH 值 有机质质量 分数/% 全碳质量 分数/% 全氮质量 分数/% C/N 垃圾 74.06±2.81 6.08±0.01 91.43±0.09 47.11±0.04 2.73±0.11 17.26 菌糠 11.87±0.34 7.63±0.02 82.97±0.52 42.79±0.26 0.23±0.01 186.04 秸秆 7.21±0.26 6.19±0.03 92.03±0.27 47.41±0.14 0.19±0.01 249.53 1.2 试验 分别将秸秆和菌糠作垃圾堆肥的调理剂，进行混合 堆肥并重复 2 次，堆料体积占反应器体积的 4/5 左右，堆 肥反应器选用硬质塑料桶，容积 9 L。各堆肥初始的垃圾 量相同（2 kg），所加入调理剂的量以最终调节含水率范 围 65%～70%、C/N 范围 25～30︰1 为准。在堆肥过程中 每 24 h 进行 1 次翻堆搅拌，以保证通气。 1.3 分析方法 每 12 h 用水银温度表对堆体中心部 2 点进行测定， 取其平均值作为该时刻堆体温度。含水率的测定采用 105℃烘干法。全氮的测定采用凯氏定氮法。pH 值测定 270 农业工程学报 2009 年 采用电极法。 有机质的测定及全碳的换算采用 Navarro 等的方 法 [9] ，即将烘干后的样品置于 430℃的马弗炉中灼烧 24 h，冷却后称质量，其烧失质量即为有机质质量。全碳 质量分数的换算公式为 全碳质量分数（%）=（有机质质量分数（%）×0.51） +0.48 发芽指数（GI）测定参考李国学等的方法[10]，具体 如下：称取 5 g 新鲜样，按质量体积比（g︰mL）1︰10， 用去离子水浸提，振荡 2 h，取浸提液离心后过滤，吸取 5 mL 滤液加到铺有滤纸的培养皿中，每个培养皿点播 20 粒雪里蕻种子（选取色泽鲜艳，颗粒饱满的），放置于 20℃培养箱中避光培养，48 h 后测定种子发芽率和根长。 每个试样重复 3 次，以蒸馏水为参照。发芽指数 GI 的计 算公式为 % % mm 100% % mm GI     （ ） 堆肥浸提液的种子发芽率（ ）种子根长（ ） 蒸馏水的种子发芽率（ ）种子根长（ ） 2 结果与分析 2.1 堆肥过程中温度的变化 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 [11] 。在本试 验中，各处理起始温度基本一致，均略高于环境温度， 但随着堆肥的进行，各处理温度变化出现差异，但总体 趋势相似（如图 1）。 图1 餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中温度的变化 Fig.1 Changes of temperature during composting of kitchen garbage with different conditioners 由图 1 可知：垃圾+菌糠在堆肥过程升温速度较快， 最高温度达到 55.8℃，并在 50℃以上维持了 6 d，高温期 在第 11 天结束，共持续了 9 d，达到了无害化要求，处 理效果较为理想。垃圾+秸秆在堆肥过程升温速度较慢， 最高温度仅为 51.3℃，在 50℃以上维持了 4 d。2 种调理 剂与垃圾混合堆肥过程的温度变化趋势均符合好氧堆肥 温度 3 阶段变化规律，温度达到最高值后开始下降，在 堆肥最后的 3 d 内温度变化幅度较小，接近环境温度，可 以认为 1 次发酵完成。图中显示的锯齿形小幅波动，是 由于翻堆后温度下降所导致的。 通过温度的变化可以看出虽然秸秆和菌糠均可作为 垃圾堆肥调理剂。但从到达高温期时间和高温期持续时 间来看，垃圾+菌糠要优于垃圾+秸秆。这可能与菌糠的 可降解性优于秸秆有关，另外也可能与菌糠中原有的土 著微生物作用有关。对于堆肥系统而言，温度是微生物 生命活动的重要标志，其变化表征了有机物的降解进 程，另外，长时间的高温可以有效的杀灭病原菌等有害 微生物。一般认为，堆体温度 50～55℃保持 5～7 d，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 [12] 。本试验采用非控温方式进 行，热量来源仅为堆体自身所产生的热量，但是由于堆 体较小，热量难以累积，因此试验过程中堆体温度偏低 （＜60℃）。 2.2 堆肥过程中含水率的变化 水分的存在不仅可以溶解堆肥物料中营养物质等以 利于微生物的代谢，而且水分的蒸发散热对堆体温度具 有一定的调节作用，因此可以说含水率是影响好氧堆肥 效果的关键因素之一。在本试验中，垃圾+菌糠和垃圾+ 秸秆的堆料初始含水率基本相同，分别为 70.3%和 69.7%，2 种混合堆料的含水率在堆肥过程中均呈下降趋 势，一次发酵结束时两者含水率分别减少 19.6 和 15.9 个 百分点（如图 2），即垃圾+菌糠堆料的水分散失率要高于 垃圾+秸秆。导致这一结果的原因可能有 2 方面，由于菌 糠是经食用菌等分解和利用后的残渣，其结构已不如玉 米秸秆那样致密，因此含菌糠的混合堆料比较疏松，这 样就会有良好的通风和散热效果，所以其水分散失率也 比较高。另一方面。菌糠的营养比较全面和丰富，其中 亦含有大量的微生物，而良好的通气环境也促进了好氧 微生物的代谢活性，因此其中微生物对水分的吸收、利 用率也会较高。 图2 餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中含水率的变化 Fig.2 Changes of moisture during composting of kitchen garbage with different conditioners 2.3 堆肥过程中有机质质量分数的变化 有机质含量的变化是衡量堆肥顺利进行与否的重要 指标之一。初始垃圾中含有大量的有机质，但其中绝大 多数组分不稳定而极易腐败分解，堆肥处理正是将其稳 定化的生物转化过程。由于各处理中所添加的垃圾量是 一致的，所以初始堆料中显示出的有机质质量分数差异 由调理剂不同所引起，由表 1 可知秸秆中有机质质量分 数（92.03%）要大于菌糠（82.97%）。同时，由图 3 可以 看出，在堆肥进行的过程中，2 种堆料的有机质质量分数 均呈下降趋势，第 9 天后下降趋势稍为平缓。另外，垃 第 11 期 邹德勋等：餐厨垃圾与菌糠混合好氧堆肥效果 271 圾+菌糠堆料的有机质质量分数降低速率要高于垃圾+秸 秆。在堆肥结束后，垃圾+菌糠和垃圾+秸秆的堆料中有 机质降解量分别达到 20.2 和 13.5 个百分点。由此可知， 从有机质质量分数变化角度来看，垃圾+菌糠要优于垃圾 +秸秆，表现为堆肥进程较快。秸秆相对于菌糠的难降解 性可能是造成这一结果的原因之一，而菌糠与垃圾混合 后有效地加速了垃圾的降解可能也是其原因之一。 图3 餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中有机质的变化 Fig.3 Changes of organic substrates during composting of kitchen garbage with different conditioners 2.4 堆肥过程中 pH 值的变化 微生物只有在适宜的 pH 值下才能进行正常的新陈 代谢，因此堆肥体系需要维持在一定的 pH 值范围。由于 本试验的目的是考察在少人工干预条件下不同调理剂与 垃圾混合堆肥的效果，因此并未将初始 pH 值调成一致， 但 2 种混合堆料的初始 pH 值均在 6.0～7.0 之间为堆肥启 动的允许范围值。随着堆肥的进行 pH 值逐渐升高，这可 能与垃圾中的蛋白质分解成氨基酸，进而分解成氨所 致。但在堆肥后期由于氨的挥发导致 pH 值略有下降，在 堆肥结束后，2 种堆料的 pH 值均在 8.5 左右，呈弱碱性 （如图 4）。 图4 餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥过程中pH值的变化 Fig.4 Changes of pH value during composting of kitchen garbage with different conditioners 2.5 堆肥过程中腐熟度的变化 含水率下降、有机质质量分数降低、pH 值上升，这 些指标均可在一定程度上判断堆肥进程是否顺利，有些 指标也可以判断堆肥是否达到腐熟。但这些指标仅是腐 熟的参考依据，并不具有综合评价的能力。因此，本试 验又从感观和发芽指数（GI）方面对堆肥过程进行腐熟 度评价。 2.5.1 感观指标 感观指标主要包括颜色、气味和堆料状态等，这些 评价指标比较直观，是实际生产中最为广泛应用且比较 有效的评价方法。在本试验堆肥过程中，2 种堆肥的物料 颜色均逐渐加深，最后呈黑褐色。随着堆肥时间的加长， 堆肥散发出的臭味逐渐消失，同时在试验中发现，垃圾+ 菌糠处理所产生的臭气较少，且持续时间较短。 2.5.2 种子发芽指数（GI） 堆肥过程中有机物降解会产生许多种类的中间产 物，未腐熟堆肥中富含低分子量的有机酸、多酚等植物 生长抑制物质，这些物质随着堆肥化的进程逐渐地被转 化消失。通过植物种子发芽试验，能快速地测定植物生 长抑制物质的降解情况 [13] 。 本研究所用的种子为雪里蕻种子，发芽率 93%。在 堆制的当天，由于有机物的降解刚开始，堆肥中的抑制 物质较多，2 种堆料的发芽指数均很低，垃圾+菌糠和垃 圾+秸秆分别为 2.43%和 3.10%。经过一次堆肥周期后， 堆料中的有害物质部分被分解，2 种堆料的发芽指数均有 所提高，垃圾+菌糠为 55.6%，垃圾+秸秆为 39.8%。用发 芽指数来堆肥对植物有无毒性，如果 GI＞50%，认 为基本无毒性。当 GI 达到 80%～85%，这种堆肥就可以 认为对植物没有毒性 [14] 。本试验得出垃圾+菌糠堆料的发 芽指数增加值大，堆肥结束时的发芽指数超过 50%，可 认为基本无毒性。但是，在本研究中最终发芽指数整体 偏低，这可能是由于餐厨垃圾中残有的大量盐、味精、 辣椒粉等调味料成分而导致的抑制作用；同时，也可能 是模拟堆肥装置较小、易失温等原因导致堆肥腐熟不彻 底，而使堆体中仍残留部分对植物抑制成分所引起的 [15] 。 图5 餐厨垃圾与不同调理剂混合堆肥的发芽指数（GI）变化 Fig.5 Changes of germination index during composting of kitchen garbage with different conditioners 3 结 论 非控温条件下的堆肥减少了人为的控制和干扰，因 此可以真实地评价在堆肥过程中不同物料所表现出的特 征和对堆肥系统带来的影响。本试验经过 15 d 的堆肥一 次发酵，通过对温度、含水率、有机质、pH 值以及腐熟 度的分析测定，获得以下结论： 272 农业工程学报 2009 年 1）秸秆与菌糠 2 种调理剂分别与垃圾混合堆肥过程 中的温度变化趋势均符合好氧堆肥温度 3 阶段变化规 律，但垃圾+菌糠的堆肥过程升温速度较快，并在高温期 持续 9 d，达到了无害化要求，处理效果较为理想； 2）与秸秆调理剂相比，菌糠与垃圾堆肥过程中含水 率与有机质下降程度高，分别下降了 19.6 和 20.2 个百分 点，表明菌糠的加入可提高垃圾堆肥处理的速度； 3）2 种混合堆料 pH 值均随堆肥的进行而逐渐升高， 但在堆肥后期略有下降，在堆肥结束后，两种堆料的 pH 值均在 8.5 左右； 4）垃圾与菌糠堆肥过程中散发臭味较少，最终发芽 指数超过 50%表明基本无毒性，其腐熟程度明显优于垃 圾与秸秆堆肥。 由上可以认为，菌糠是一种优于玉米秸秆的良好调 理剂。 [参 考 文 献] [1] 汪群慧，马鸿志，王旭明，等．厨余垃圾的资源化技术[J]．现 代化工，2004，24(7)：56－59． Wang Qunhui, Ma Hongzhi, Wang Xuming, et al. 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The physical and chemical properties as well as maturity changes during the composting processes were investigated. The result demonstrated that spent mushroom was superior to the corn straws during aerobic composting of kitchen garbage. The system could increase to the desired temperature within three days, under a long stable high-temperature period up to nine days, the moisture and organic substrates decreased 19.6% and 20.2%, respectively. Meanwhile, the composting of kitchen garbage mixed with spent mushroom had the merit of less odor production and higher germination index of 55.6% after the first composting treatment. Key words: garbage, fermentation, conditioner, kitchen, spent mushroom substrate, corn straws, aerobic composting, germination index