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环境因素

影响堆肥的环境因素

因为堆肥化是一个生物过程,所以基本上要受决定微生物系统的各种环境因素的影响。 堆肥中影响堆肥的环境因素包括温度、pH、通气量、水分含量以及底物(即含有基本营养 元素)。因为在之前的章节已经讨论过底物,这里我们将不再继线讨论。这些影响因素共同 决定了降解的速度和程度。显然的,这几种因素的总体越接近于最佳条件,堆肥化的速度就 会越快。除了“共同”这一概念,对于一个特定的过程,与其达到最大潜在速率关系最紧密 的决定性因素是最容易偏离最佳条件的因素。起到最大限制作用的因素被称为 “限制因素”。


温度

堆肥化是微生物氧化降解混合有机物质的过程。这个放热过程产生了相当大的能量,只 有40%~50%的能量可 以被微生物用来合成 ATP,剩余的能量都以热的形式损失。大量的 热造成了堆肥体中温度的上升,甚至可能达到 70~90°C,Finstein 称这种现象为 “微生物自杀”(Finstein 等,1980)。事实上,高温限制了微生物生长并降低了有机质的降解速率。只 有一少部分嗜热细菌可以在超过70°C的温度下继续进行微生物活动。为了得到高降解速率 和最大的生物多样性,温度必须处于 30~45°C之间 (de Bertoldi 等,1983; Finstein 等, 1983;Stentiford,1993)。在堆肥过程中,为了降低保留时间,可以设置一个温度范围为 30~50° 的温度反馈控制装备。

事实上,在堆肥过程中,不能完全排除高温阶段,因为这是减少植物病原体的重要时 期。而且,在堆肥化过程的初期,高温阶段会持续一段时间,这时大量存在的易降解分子可 以支持温度达到 70°C。

在通气系统中,主要的排热机理是冷却蒸发(水的蒸发),这大约可以移除 80%~90% 的热量。在这种系统中,传导散热的作用可能很小 (Finstein 等,1999)

在密闭容器中产生的部分热量可以再利用,通过热泵为家庭和工厂供热(Jaccard 等, 1993).


氢离子浓度 (pH)

通常,有机质可以在很宽的 pH(从了~11)范围内进行堆肥 (de Bertoldi 等, 1985) 最佳的范围是 5.5~8.0。而细菌的最适 pH 是中性,真菌的最适 pH 是酸性。

在实际应用中,堆肥中的 pHI 不会轻易改变。通常,因为酸性细菌的作用,使得复杂含 碳物质转化为中间产物有机酸,D1 值在初始时会下降(即降到 5.0),当这个酸化过程结束后,中问产物几乎全部消失,pl 就会升商,并且在结味附,p1T 为 8:.0~-8.5.

如果在起始阶段 DH 较高,并且温度较高,就会列起氮元素以氨的形式挥发。在厌氧消 化中,临果p且 在一个很窄的范围的(例如: 6.5~-7.5),推肥过程中的ph范由很大,很 少会過到因极高或者极低pH 引起的问题。

因为pH不大可能降到抑制微生物的水平,所以不需要在堆肥过程中添加石灰(氢氧化钙)作为缓冲剂。事实上,在堆肥过程中不应该加人石灰,因为石灰会在接下来的阶段导致比正常情况下更多的氮以氨挥发的形式摄失。这里有一个例外就是水果的堆肥,在这种垃圾 的推肥中,D 值会降到 4.5。有证据可以证明,在这种情况下,堆肥过程可以加速进行 (国家罐头协会研究基金会,1964)。提高温度和 pH 值,相应的堆肥中钱离子会挥发,在堆 肥的通气阶段以氨气的形式损失。虽然在大多数有氧堆肥中都会发生氮(元素的损失,但是加 人石灰后会增加氮元素的损失。但是,可能由 于可以作为干燥剂,加人石灰可以改善堆肥废 物的物理状态。


通气

在堆肥中,一个最容易被技术和系统设计方案影响的因素就是堆肥中的氧气供应。堆肥 空隙中的空气,随着微生物氧化活动,组成一直在变化。通常,二氧化碳含量上升,而氧气 含量下降。堆肥中 CO2 和02的,总含量平均为 20%。氧气含量在 15%~20%之间变化,二氧化碳含量在0.5%~5%之间变化(MacGregor 等,1981)。如果氧气低于这个浓度,无氧微生物活动将超过有氧微生物活动,就会发生发酵作用和无氧呼吸作用。因此,对系统进行稳定的氧气供应防止微生物的新陈代谢发生变化是十分重要的。经过了几个小时的堆肥,氧气浓度降到非常低的值,并且需要进行通气供氧。每一两天进行周期性的料堆翻转,而不对整体进行任何通气,不能保证堆肥过程中氧气的含量保持在一个恒定的值。

通常,料堆中的氧气都是通过通气得来的 (正压或者负压或者两者共同作用)。通气除 了可以提供氧气外,也有其他的作用,例如控制温度和水分含量。在60°C的堆肥料堆中, 控制温度和补充氧气所需的空气量的比例是9:1(空气作用比)。在较低的温度下,这个比 值会相应的增加(Finstein 等,1986,1987,1999;Finstein 和 Hogan,1993)。因此,在需 要进行排热作用时通气过程需要通人足够氧气用于有氧呼吸(反过来,有氧呼吸也促进热的 产生)。 一个较理想的状况是以一个特定的速率进行通气防止无氧过程发生。通常,建议的 最佳估算值是每吨湿润基质每分钟通人0.15m°空气。为了控制温度,需要在预定的固定点 安置温度反馈控制装备。

许多研究者都致力于研究如何确保堆肥过程中有氧活动所需的空气量。但很多年来研究 发明的分析模型都不能用于污水研究,所以达到这个目的是非常难的。

很早之前 Schulze (1960,1964)进行了一项研究,在旋转鼓式容器中进行反应时,将 空气以给定的速度通人鼓中,并测量出口处的氧气浓度。虽然 Schulze 的研究并没有确定材 料所需的氧气量,但是测出了氧气的消耗速率。他发现呼吸比值为 1,具体如下:

产生的二氧化碳/消耗的氧气=1.0

为了确定在一定的环境因素下氧气的摄取值, Schulze 发现,从数量上讲,环境条件越 接近最佳值,氧气摄人的速度和数量越大。因为,他得出结论,在30°下,每克挥发物需 摄人1mg 氧气,增加到 63°下,每克挥发物需摄人 5mg 氧气 (Schulze, 1960, 1964; Regan 和 Jeris, 1970; Golueke, 1972)。相反的,如果环境条件恶化,氧气的摄人量会相应降低。这个多变的结果反映了固体堆肥中的生变性,这些也放 Chrometaka (1986)和 Lossim (97I) 的结论所证明。 Chrometzka (1986)指出,氧气气的需要量从成熟堆肥阶段的 9mm³/(g •h)到新鲜堆肥阶段的 284mm³/(g• h)。 Lossin提出堆肥的第1天需要 900mg/ (g•h)氧气,到堆肥的第 24 天需要 325mg/(g •1)氧气(Lossin. 1971)。 Regan 和 Jeris (1970)提出;在30C、水分含量为 45%下,每克挥发固体每小时需要 1.0mg 氧气,到 45°C 水分含量为 56%时,每克挥发固体每小时需要 13.6mg 氧气。通过之前的研究,我们可以毫 无异议地得出如下结论,氧气的摄人量可以反映微生物活动。如果微生物活动很少,就可以 判定垃圾进人稳定化阶段。如果这是正确的,那么当堆肥度过高温阶段后,氧气的需求量也 会相应地降低。

理论上,氧气的需求量取决于被氧化的碳元素的量。但是,因为皮物中的碳元素中,转 化为细菌细胞物质和很难被微生物降解的碳元素不能确定,所以不能通过碳含量测定氧气的 需求量。由 Schulze (1960)提出的数值,即每吨挥发物每天消耗 510~620m³空气,对于 装有空气量测量装备的堆肥反应器是很有益的。

从之前的讨论得出的实用性结论就是需要对用于堆肥的不同类型的废物进行试验以确定 通气的速度。对于料堆系统,需要提出适宜的翻转频率;对于静置堆肥和机械反应器,需要 指出空气流动速度

另一个实用性的结论就是,如果不进行积极的处理,不可能保证超过 1t的堆肥中实现 完全的有氧活动。虽然我们的目标是进行最大量的通气,但是受到经济方面的限制。由于经 济和一定程度的技术方面的共同限制,使得其不会达到完全的有氧活动,实际应用中,氧气 的可利用性也就成为一个限制因素。

可以想象,向堆肥系统的输人空气流中添加纯氧会对堆肥化起到极大的促进作用。事实 上,这种做法值得提倡。虽然从技术的角度来看这是非常吸引人的,但是花费这么多资金来 实现这一做法是否值得仍然存在争议。


水分含量

微生物所有的活动都需要水,并且整个堆肥循环中都需要适当的水。起始材料的最佳水 分含量取决于材料的物态、粒子直径以及所使用的堆肥类型。通常,初始材料的水分含量为 60%是较合理的状态。但是由于不同的材料有不同的含水量,不能精确地概括出关于最佳开 始或其他各阶段中的水分含量。

低水分含量意味着对堆肥整体干燥过早,会阻止生物过程并最终得到物理状态稳定但生 物状态不稳定的堆肥产物。

水分含量过多会阻塞气孔并阻止气体交换。事实上,我们应该得出可用水的需求量和气 体交换之问的怡当平衡。起始阶段水含量过多会偏向无氧过程,导致堆肥化过程速度降低、 终产物质量下降。

在现代堆肥系统中,在堆肥化过程中可以加人水。在一个高速产热的系统中,需要通过 水的蒸发来排热,这就使材料变得千燥,因此需要周期性地加水来支持微生物的高强度活 动,而这需要与机械旋转联合进行。但事实上,水分含量不适合进行连续的甚至频繁的调 节,因为水分的加人会影响该过程中多方面的因素。

在堆肥的最后阶段,为了阻止已经稳定的材料中进行进一步的生物活动,水分含量应该 相当低(大约 30%)。

如前面所说,容许的水分含量和氧气的可利用性密切相关。这种密切关联的基础是堆肥采用的方式。对于所有的堆肥模型,废物基本保持着送到堆肥区域时的状态。在这种情况 下,废物中的水分含量和其产生时基本一样。同样的,微生物的氧气供应包括周围空气和垃 圾空隙(粒子之间)之间的空气。因为周围空气扩散人堆肥整体的速度很慢,所以空隙之间 的空气则是主要的氧气来源。因此,如果堆肥中的水分含量过高,就会取代原有空气的位 置,那么堆肥中就会出现无氧条件(厌氧生活〉。因此,最大可容许水分含量即空隙之间剩 余的空气不能保证足够的氧气供应的含量,换言之,此时氧气变为限制因素。所以,“容许” 一词指的是水分含量不会妨碍堆肥过程顺利进行。

最大容许水分含量取决于组成堆肥材料的废物的粒子结构强度,它指的是每个粒子的抗 压程度。压缩指的是每个粒子所承受的来自料堆上部的压力。显然,粒子的结构强度越大,可容许的水分含量越高,这种类型的 材料包括木屑、稻草、千草、稻壳、 玉米皮,这几种材料的混合物的可容 许的水分含量高达 75%~80%。如果 粒子的结构强度很差,它们受到挤压 会变形,那么它们的空隙之间的总容 积就会相应减少,这就会导致空气和 水的可用空间减少,那么可容许的水 分含量就会减少(如图)。

纸张是这种材料的典型例子。如果变得湿润,纸张就会瓦解,并形成纸垫。以纸张为主的混合堆肥材 料的最高容许水分含量为 55%~60%。还有一些堆肥材料的结构强度很小甚至没有。为了 方便起见,称这种材料为无定形的,换言之,材料颗粒没有明确的形状,这种材料通常有水 果垃圾、罐头垃圾、污泥和没有铺垫材料的动物类便。将这些材料进行堆肥,必须要加人填 充剂。填充剂指的是与无定形废物混合后仍可保持其结构完整的试剂,同时填充剂也可以吸 收一些水分。任何高结构强度的材料都可以作为填充剂。如果没有填充剂,需要对无定形材 料进行一定的处理使得它们有 定的结构强度才可进行堆肥。例如,经过千燥,鸡粪可以成 为粒状结构。除非特别的湿润, 与新鲜的类便混合时,鸡类颗粒也可以保持其完整性。在实 际应用中,会留出一些完成的堆肥产品作为新的废物的填充剂。有一 个很重要的需要记住的 问题是如果将干燥的或者堆肥完成的非定型材料作为填充剂,那它和新鲜垃圾的水分含量的 总和不得超过 60%。

水分含量的关键作用不应局限于料堆堆肥中,也可以应用于机械堆肥,包括那些频繁搅 动堆料的设备。随着堆肥物料中水分含量的增加,材料倾向于变成垫状、块状、球状或者三 者混合。巧合的是,在机械堆肥时遇到水分含量问题的点要稍高于料堆堆肥的容许水分 含量。

在水分含量的讨论中,使水分含量成为限制因素的最低值也应受到关注。如果水分含量 低于 8%~12%,所有的微生物活动都会停止。因此,越按近这个值,水分的限制影响越 大。在实际应用中,保持水分含量高手 40%是较合理的。

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环境因素.txt · 最后更改: 2021/09/26 14:03 由 admin

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