Review of aerobic composting technology and optimization strategy of food wasteTAM知覽論文網
QIAO RuluTAM知覽論文網
WANG Lingxiao SUN Yuxin LI Guoxue CHANG Ruixue LI Ji L YanmingTAM知覽論文網
College of Resources and Environmental Sciences, China Agricultural University OrganicTAM知覽論文網
Recycling Research Institute (Suzhou) of China Agricutural University
TAM知覽論文網 Abstract：The implementation of garbage sorting policy resulted in an explosion of kitchen waste amount in community, which makes the existing facilities of treating wastes face great challenges. Aerobic composting technology has the advantages of flexible treatment scale, adjustable facilities and high process adaptability, and has the application potential of local resource utilization of kitchen waste. In-depth analysis of the existing problems and solutions of kitchen waste composting is of great significance to realize the utilization of "high efficiency, high quality and low pollution" in the future. In this paper, the basic principles and key problems of aerobic compost treatment of kitchen waste are systematically reviewed, and the advantages and disadvantages and improvement directions of adding microbial agents and regulating environmental parameters (free airspace, water content, particle size, ventilation volume, etc.) are deeply analyzed. It is concluded that both methods accelerate fermentation rate and reduce pollution gas by improving the activity of functional microorganisms, during which the use of indigenous functional microorganisms can avoid the problems of microbial additive failure and inter-population competition. It was pointed out that the environmental parameter adjustment should focus on the balance of specific surface area and porosity of materials, with the aim to improve the utilization rate of oxygen to enhance the activity of functional microorganisms. Based on these technologies, the best process parameters of kitchen waste composting could be obtained to support the design of reactors and the upgrading of existing projects. To sum up, the process optimization of kitchen waste composting should be a combination of many aspects in the future. The transformation of functional microorganism may be realized through the combination of high efficiency technology and multi-disciplinary crossing, in order to build intelligent and digital aerobic composting process of kitchen waste, and reduce processing costs.TAM知覽論文網 TAM知覽論文網 Keyword：aerobic composting; food waste; microorganism inoculant; environmental parameter; process optimization;TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
廚余垃圾指易腐爛的、含豐富有機質的生活垃圾，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[1]。隨著我國經濟的高速發展和人民生活水平的不斷提高，廚余垃圾產生量日益增加，尤其在2019年中國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5803 t/d，家庭廚余的分出量達3946 t/d，同比增長11.7倍。廚余垃圾易腐爛變質且含有寄生蟲卵、病原菌等有害物質，但也包含了大量的有機質及N、P、K等營養元素，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[2]。面對急劇增長的廚余垃圾產量，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。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
目前廚余垃圾的處理處置方法主要包括衛生填埋、焚燒、好氧堆肥、厭氧發酵等方式[3,4]。其中衛生填埋雖操作簡單、成本低廉，但占用大量土地且不能實現廚余垃圾的資源化利用[3]。焚燒法雖然可以迅速實現廢棄物的減量化，但某些廚余垃圾熱值較低，需輔助燃料，處理成本較高，同時焚燒還會產生二次污染，而且該方式也沒有實現資源的有效利用[5]。厭氧消化技術雖能夠實現能源回收，但所需設備復雜、工程耗資大耗時長[6]，難以快速投入使用來滿足與日俱增的廚余垃圾產生量。好氧堆肥操作簡便、經濟可行性高，可就近就地實現分散式廚余垃圾的資源化利用，發酵產物可作為有機肥料或土壤改良劑應用于社區內實現資源的循環利用 [7,8]，這對于保護生態環境、促進生態農業可持續發展、緩解我國日益緊張的資源與環境問題都有十分重要的意義。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
然而，目前好氧堆肥技術處理周期較長、產品品質較低、溫室氣體及臭氣排放等問題嚴重限制了其在社區層面的推廣與應用[9]?；诖?，本文以廚余堆肥為核心，系統總結了國內外通過參數優化、外源添加劑以及反應器裝置等措施來縮短廚余堆肥的發酵周期、減排污染氣體和提升產品品質等方面的研究，以期能夠獲取適宜的工藝參數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的發展前景進行展望。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
1 廚余垃圾好氧堆肥瓶頸問題TAM知覽論文網
1.1 好氧堆肥工程數量少、發酵周期長，處理能力不足TAM知覽論文網
好氧堆肥技術是處理廚余垃圾重要的無害化、減量化和資源化方法之一，然而由于堆肥技術存在不足，使其沒有得到大規模的市場化應用與推廣。如下圖1所示，隨著可持續發展理念深入人心以及技術的改進，堆肥處理廠的數量及處理能力都有所增加，但面對1.25億 t/a的廚余垃圾產量，現有處理能力僅占產生量的1/3，難以滿足處理需求[10]。為進一步提高廚余垃圾的資源化處理能力，國家發展改革委、住房城鄉建設部發布《“十四五”城鎮生活垃圾分類和處理設施發展規劃》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，從發布的數據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。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
圖1 近5年全國堆肥處理廠數量及處理能力的變化 TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
Fig. 1 Changes in the number and capacity of composting plants in recent 5 yearsTAM知覽論文網 TAM知覽論文網
若想提高好氧堆肥技術的處理能力，就要縮短其在生產單位質量有機肥的耗時，發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酵周期在數十天到數月不等，也有些報道稱好氧堆肥發酵周期可縮短在幾天內，但其堆肥產品的質量不能保證。表1列舉了國內外部分研究人員采用好氧堆肥技術處理廚余垃圾所需的發酵周期。從表中數據可以看出廚余垃圾好氧堆肥反應周期一般持續30天左右，為了適應市場規律，在保證堆肥產品質量的前提下縮短發酵周期是提高好氧堆肥技術的處理效率的重要舉措。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
表1 廚余垃圾好氧堆肥周期 TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
Table 1 Aerobic composting cycle of food wasteTAM知覽論文網 TAM知覽論文網
1.2 廚余垃圾好氧堆肥污染氣體排放嚴重TAM知覽論文網
好氧堆肥過程主要是通過微生物對其中的有機物及營養物質進行降解轉化，過程中會同時存在厭氧環境和好氧環境，這種環境的分布取決于有機物所處的空間結構和位置。好氧堆肥堆體內部空間的氧氣含量要低于堆體表面，大顆粒物或顆粒物內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，通風作為向堆體提供氧氣的主要途徑，亦是影響氧氣含量的關鍵因素，若在堆體內局部形成厭氧區域就易生成污染氣體[7]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
堆肥過程產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，其排放轉化過程如下圖2所示[16]。污染氣體的產排會損失碳氮養分，降低堆肥品質，更重要的是會污染環境，影響到堆肥設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[17]。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廠停業，技術升級改造后才重新投入使用[18]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
1.2.1 溫室氣體產生機理TAM知覽論文網
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。據研究，一分子CH4造成的溫室效應是一分子CO2的28~36倍，一分子N2O造成的溫室效應是一分子CO2的296倍[19]。堆肥過程中，CO2主要產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域，促進了產甲烷菌和反硝化菌的生長繁殖[20,21,22]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
好氧堆肥是微生物在有氧條件下降解有機質，代謝產生CO2、H2O和釋放熱量的過程[23]。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先被微生物利用，微生物快速擴繁，產生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，隨著易降解有機質的減少，CO2排放量相對較少且排放速率也較為穩定[24,25]。有機廢棄物是短期碳循環的一部分，經過堆肥分解產生的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產生的溫室效應遠小于CH4和N2O，因此在堆肥過程中大多數情況不考慮其對環境產生的影響[26]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
堆肥過程CH4的產生主要經過水解、產氫產乙酸和產甲烷三個過程。堆體內的含碳有機物先被厭氧或兼性厭氧微生物分解成有機酸，在產氫產乙酸菌群作用下將產生的有機酸分解為乙酸、 氫和二氧化碳，產甲烷菌再通過消耗氫將含碳物質轉變為CH4[27]。產甲烷菌也主要活躍于堆體內部的厭氧區域，在該環境下代謝生成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，導致堆體中產生了大量厭氧區域[28]。N2O的產生是堆肥過程中硝化作用和反硝化作用共同完成的，它的產生與堆體中氧氣擴散有直接聯系，也由于堆體內各區域氧氣濃度的不同，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-經過反硝化途徑產生N2O，相關研究表明N2O的產生主要是通過反硝化作用[29]。楊帆等[30]在堆肥中添加膨松劑來提高堆體孔隙率，減少局部厭氧的發生，結果表明可累計減少42.2%的N2O排放量。因此，今后CH4、N2O的減排機理研究應同時關注堆體結構以及顆粒的粒徑、孔隙結構和通風供氧等，避免局部厭氧的發生。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
1.2.2 惡臭氣體產生機理TAM知覽論文網
好氧堆肥是在微生物的作用下將有機物通過礦質化及腐殖化過程轉化為安全、穩定的腐殖質。但在腐殖化過程中微生物會對蛋白質、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生。已有研究表明，廚余垃圾堆肥過程中會產生大量的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[31]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
NH3主要來自含氮有機物(蛋白質、多肽等) 的降解，這些物質在微生物介導下水解為氨基酸、氨基糖等小分子含氮物質，再經微生物酶的作用進行脫氨基轉化為NH4+，NH4+通過水解作用轉化為NH3[32]。好氧發酵過程中NH3的排放主要受pH及堆體溫度的影響，但在其他研究中發現堆體孔隙率也會影響到NH3的排放[33]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
H2S通常被認為是堆肥過程中最主要的強致臭物質，其主要產生的途徑有兩種，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境中由硫酸鹽還原菌發揮主導作用降解生成H2S，生成的H2S會溶于水，當水體處于飽和狀態并且堆體溫度較高時，多余的H2S將會排放到環境中[34,35]。同時，半胱氨酸在厭氧條件下也可以被直接降解為H2S[36,37]。厭氧環境是影響H2S產生的主要環境因素，因此在H2S的減排研究中亦要關注堆體結構，考慮堆體孔隙率以及氧氣擴散等因素，避免局部厭氧的發生。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2 廚余垃圾堆肥技術的改良TAM知覽論文網
2.1 添加微生物菌劑TAM知覽論文網
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，形成穩定的高腐殖化物質的過程，其主要過程如下圖3所示?？梢钥闯鑫⑸锸呛醚醵逊实暮诵囊刂?，其活性、種類與數量直接影響好氧堆肥過程的進行[38]。傳統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，但傳統堆肥法存在發酵周期長、肥效低且易產生污染氣體等問題[39]。為改善堆肥工藝，早在上世紀40年代，美國學者就開始向堆體中接種細菌[40]。研究人員雖然對好氧堆肥是否需要接種微生物意見各不相同，但許多研究結果還是對菌劑的促進作用做了充分的肯定，不少學者已致力于研究堆肥不同階段起關鍵作用的微生物，并在自然界進行優質高效菌群的篩選和接種技術的探討。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.1.1 添加單一功能菌劑TAM知覽論文網
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；二是將環境樣品如土壤、水體等作為菌種源，通過一定技術干預篩選出特定條件下的微生物[41]。好氧堆肥過程中為了達到某種效果（縮短發酵周期、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[42]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[43]向堆肥中添加篩選得到纖維素降解菌，結果將發酵周期縮短了6天。為減少堆肥中污染氣體的排放，提高堆肥產品的肥效，大量減少NH3、H2S、N2O和CH4排放的功能菌劑也開始應用。邢偉杰等[44]通過向堆肥中添加芽孢桿菌，結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合微生物菌劑成為國內外學者研究的重要方向。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.1.2 添加復合菌劑TAM知覽論文網
復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，發揮它們的聯合作用，以達到最佳的應用效果[45]。為了促進物料快速分解、提高堆肥產品的質量，在大多數情況下使用的都是復合微生物菌劑。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
羅一鳴等[46]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[47]。余培斌等[48]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合菌劑添加到廚余垃圾中堆肥，發現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[49]通過篩選出不同物種優勢菌株（8種細菌、1種放線菌和3種真菌）制成復合微生物菌劑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品的質量。陳文旭等[50]在廚余垃圾堆肥中添加了VT-1000復合微生物菌劑，在第二天添加菌劑的堆體就進入了高溫期，有效了提高了發酵速率，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，溫室效應排放當量減排率高達45.42%。但目前復合菌劑中各菌屬發揮的重要作用機理尚不明確，且大多未在體系內定殖并擴繁，而作用的發揮又與物料性質和過程控制參數密切相關，這也造成相同的菌劑在不同的體系中可能會發揮差異性的影響，因此仍有必要根據物料的性質選擇各組分功能明確且顯著、菌劑功效穩定的菌劑產品。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.1.3 微生物菌劑應用的局限性TAM知覽論文網
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用。另外，有研究發現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[51]。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境出發來提高其在堆肥中的存活力和活性，主要包括：調節堆肥過程中的溫度、含水率、顆粒粒徑、通風量等參數，使之有利于堆體中的微生物的生長和繁殖[52]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2 影響好氧堆肥過程的關鍵環境參數TAM知覽論文網
堆肥化是微生物轉化分解有機物，環境條件是影響堆肥過程的又一核心要素。若堆體的環境不適宜，即使添加微生物菌劑也難以發揮作用，由此可見堆肥環境參數的重要性。廚余垃圾好氧堆肥的本質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酵周期，還會因局部厭氧產生大量的污染氣體，降低堆肥產品的質量[53]。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境參數主要有自由空域、顆粒粒徑、含水率、通風速率、通風頻率等[54,55]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2.1 自由空域TAM知覽論文網
自由空域（Free Air Space，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，可作為衡量堆體中氧氣擴散情況的重要指標[56]。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生，提高發酵速率、縮短堆肥周期和減少污染氣體的排放等[57,58]。SEVIK等[59]堆肥試驗發現當堆體FAS為37%時，物料的降解率最高，有效地縮短了堆肥發酵周期，提高了處理能力。徐志程[19]在廚余垃圾堆肥時設置了高（65%）、中（55%）和低（45%）三個水平的FAS，結果表明55%水平下FAS的更有利于溫室氣體及臭氣的協同減排以及物料的腐熟，這可能因為堆體在該水平自由空域下更有利于氧氣擴散導致的。研究表明最佳的FAS范圍為30%~55%，但該數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系最為密切，通風量對其也有一定的影響[60,61]。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2.2 含水率TAM知覽論文網
微生物生長和代謝需要以水作為介質，水還參與其生化反應。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酵速率和污染氣體排放有著重要的影響[62]。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，由于卻水分的缺失，反應過程會完全停止[63]。Yeh等[64]在廚余垃圾堆肥過程中設置了六個梯度（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[65]等在堆肥試驗中發現含水率為75%時發酵反應不能正常進行，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境才會產生的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生。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2.3 顆粒粒徑TAM知覽論文網
堆肥物料的分解主要發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[58]。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酵速率和堆肥周期的長短都有著重要影響[66]。另外，物料粒徑的大小不僅影響著發酵周期還影響著堆體的孔隙結構，過大的粒徑易使氣體擴散會導致熱量散失，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[67]。根據已有研究表明物料最佳的堆肥粒徑為5~50 mm，但由于物料性質的差異，沒有統一的標準[68,69]。鄭衛聰等[70]將物料碎至50 mm，結果在第2 d時堆體溫度就達到60 ℃以上的高溫階段，在高溫階段維持15 d左右。付麗麗等[33]采用不同粒徑（<5、5~10、>10 mm）物料堆肥，結果顯示小顆粒和中顆粒組由于具有較大的比表面積發酵速率較快，但其因堆體結構較差，產生了大量的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條件，具有較好的發酵速率和最佳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酵周期以及污染氣體的排放產生影響。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2.4 通風速率TAM知覽論文網
通風是物料與氧氣間建立聯系的重要環節，通風量更是堆肥工藝中極為重要的參數之一，其決定了堆體中微生物可利用氧氣的含量[71]。通風量過小，堆體孔隙率較低，堆體會產生大量厭氧區域，導致好氧微生物活性低和延長堆肥周期、加劇臭氣排放；通風量過高，易導致堆體升溫慢、水分損失嚴重，延長發酵周期。一般認為，堆體中的氧濃度保持在8%~18%比較適宜[72]。何明浩等[73]在廚余堆肥過程中設置了高（0.6 L·min-1）、中（0.4 L·min-1）和低（0.2 L·min-1）三個水平的通風速率進行試驗，結果表明高通風速率雖能加快堆體氧濃度恢復速率和減少堆體局部厭氧的發生，但不利于堆體高溫的維持；通風速率為0.4 L·min-1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[19]采用了不同通風速率（0.24、0.36和0.48 L kg-1 DM min-1）進行廚余垃圾堆肥試驗，研究表明通風速率的提高，減少了堆體中的厭氧區域，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0.36 L kg-1 DM min-1更有利于縮短堆肥周期和污染氣體的協同減排。因此，堆肥過程中設置通風速率時要考慮到堆體需氧量的同時不能過度通風，不利于堆體快速升溫。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.2.5 通風頻率TAM知覽論文網
好氧堆肥不僅要有合適的通風量，而且還要有合適的通風頻率[74]。通過觀察持續通風試驗發現，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[75]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，合理的通風頻率不僅利于堆體升溫與縮短發酵周期，而且可減少堆肥過程中污染氣體的排放。因此，選擇合適的通風間隔不僅可能減少能耗，還可能達到較好的堆肥效果[76]。鄭玉琪等[77]研究表明通風5 min可以保證堆體中氧氣的充分供應，通風結束后，前10 min堆體內氧氣供應充足，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，具體的通風頻率應根據通風速率以及堆體處于的發酵時期來確定。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
2.3 廚余垃圾堆肥過程供氧策略優化TAM知覽論文網
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，好氧堆肥各個參數之間的影響如下圖4所示。因此在調整工藝參數時，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，對縮短發酵周期、減少污染氣體排放和提高堆肥質量有著重要意義。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
氧氣是好氧堆肥中的必須元素，更是對好氧堆肥是否成功起著決定性作用。大多數工藝參數實現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。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鍵。因此，針對目前廚余垃圾堆肥發酵周期長、易產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化。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
隨著研究的深入，研究人員發現簡單的持續通風方式并不契合堆肥微生物的生長規律，通風速率供給與微生物呼吸作用之間不存在連續的線性關系，通風速率存在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[78]。Qasim等[79]在通風速率分別為0.3、0.6、0.9 L kg-1 DM min-1情況下進行堆肥，發現通風量大的情況下并不能提高發酵速率，反而低通風速率下微生物活性較高，升溫較好。由此可見，可以根據堆肥微生物的生長與生活特性對通風策略進行調整優化，不但可以優化廚余垃圾堆肥工藝，還可以達到節省能源的目的。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
此外，隨著人工智能的飛速發展，這使得將其應用在好氧堆肥領域也成為一種可能。丁國超等[80]通過數據搭建一套適用于好氧堆肥反應器內部環境的通風量在線預測系統，該系統可準確預測堆肥過程中所需的通風供氧量并通過控通風閥門使堆肥過程中有充足的氧氣能加快反應進程，避免因通風量不夠而產生局部厭氧的情況。這將對實際應用中通風速率的調節，有著較好的指導作用。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
近年來，單片機與傳感器技術迅速發展，在堆肥領域運用的也越來越多。Anand等[81]研發了一種由PLC控制的高效曝氣堆肥系統，該系統通過測定堆體中的溫度來負反饋調節堆肥的通風量，增強堆肥不同階段微生物的活性，使堆肥進程更加快速、穩定。該系統能耗低，可全由太陽能進行供電，大大降低了堆肥的成本。另外，傳感器技術的應用使好氧堆肥向自動化、智能化方向發展，在加快了好氧堆肥的發酵速率的同時，也節省了大量的成本。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
3 結論與展望TAM知覽論文網
“雙碳”背景下，好氧堆肥技術的發展方向必將是以清潔生產為目標的高效、綠色、可持續的處理技術。廚余垃圾好氧堆肥過程中發酵進程緩慢和污染氣體排放量大的最主要原因是堆體環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境適應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用效果受限。環境參數優化要重點關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，基于生物學技術的發展和現代工藝技術的進步，功能性菌劑的研發和工藝參數的優化應是廚余垃圾好氧堆肥技術今后研究的重點與方向。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
微生物菌劑可以起到縮短發酵周期、減少污染氣體排放和增高肥效等多方面功效，可有時因難以適應堆體環境參數而發揮不出作用，隨著基因工程的發展，在未來研究中若能利用基因工程技術構建起對堆體環境普適性強、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，分階段的添加功能菌劑并實現定殖并擴繁，那將大大節約處理成本，提高廚余垃圾的處理效率。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
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，但關于這些因素之間相互作用的機理研究相對較少。很多學者都采用單因素確定最佳工藝條件，此種方法無法說明變量的相互作用效應。未來，若能將數學建模以及數值模擬等方法運用在堆肥領域，那將使得各參數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，為實現廚余垃圾高效堆肥處理提供明確的理論依據。TAM知覽論文網 TAM知覽論文網
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