廚余垃圾肥過程揮發(fā)性有機物分析

廚余垃圾肥過程揮發(fā)性有機物分析

在北京和其他主要城市，占胡垃圾的60%以上，占胡垃圾的80%以上。胡垃圾具有高含量、高有機成分、易腐蝕性、高熱值和低有害成分的特點。因此，對胡垃圾的處理和回收越來越受到重視。目前，國內外廣泛使用堆肥化和養(yǎng)生化處理胡垃圾，將胡垃圾中的有機物質轉化為穩(wěn)定的腐殖質物質，創(chuàng)造高營養(yǎng)成分的肥料，避免養(yǎng)分損失，減少生活垃圾的處理量和成本。然而，在處理和堆肥過程中，由于含水量和堆肥密度的高，堆肥局部厭氧區(qū)產生的有害分子主要包括氮和硫酸鈉引起的大量有害氣體，這不僅給操作員帶來了不舒服，而且還可能導致人類和家人的呼吸道疾病。此外，如果進入空氣中，會產生降雨，增加氮和硫的負荷。目前國內外學者對廢棄物堆肥過程中的臭氣組成進行了大量研究,王新娟等研究表明沈陽分類后的有機垃圾(混有15%的其它垃圾)在堆肥過程中產生的主要臭氣物質為氨氣、硫化氫、甲硫醇等;Wu和Kim等發(fā)現(xiàn)食品廢棄物堆肥過程中的主要惡臭物質是甲硫醚和二甲二硫.Dimitris等研究表明不同有機廢棄物堆肥過程中產生的臭氣物質不同.受生活習慣和發(fā)展水平的影響,不同地區(qū)廚余垃圾的組成差別較大,因此堆肥過程中產生的臭氣物質不盡相同.本研究主要以北京市分類后的廚余垃圾作為對象,通過全面分析廚余垃圾堆肥過程中排放的臭氣物質,并進行定量分析.在此基礎上,通過臭氣物質的種類、排放濃度和臭氣濃度的關系,明確廚余垃圾堆肥過程中對臭氣濃度貢獻較大的臭氣物質,以期為廚余垃圾堆肥過程中臭氣物質的監(jiān)測與優(yōu)先控制惡臭物質的篩選提供理論依據(jù).1材料和方法1.1堆肥物料及堆制采集北京市南城地區(qū)馬家樓轉運站篩分的15~80mm粒徑段垃圾,經人工進一步大類粗分為廚余垃圾、其它垃圾和可回收垃圾,將廚余垃圾作為堆肥原料.廚余垃圾的主要成分包括米和面粉類食物殘余、蔬菜、動植物油、肉骨等.堆肥物料的基本性狀見表1.高溫好氧堆肥實驗在60L的密閉堆肥化裝置中進行,通風量(以干物質計)為0.2L·(kg·min)-1,堆制30d,發(fā)酵罐結構見圖1.堆制期間,分別在0、2、7、9、15、18、30d各采集氣體樣品,堆肥過程每周翻堆1次.1.2氣質聯(lián)儀分析總有機碳(TOC)和總氮(TN)的測定參考有機肥料標準(NY525-2002);堆肥物料在105℃下烘干至恒重,根據(jù)烘干前后垃圾重量計算堆肥物料含水率;總硫(TS)采用元素分析儀測定(varioMACROcube元素分析儀,德國).采用SOC-01型采樣裝置(天津迪蘭奧特環(huán)?？萍奸_發(fā)有限公司生產)對廚余垃圾堆肥反應器出口的氣體進行采集,將采樣袋放入密閉采樣桶內,與采樣桶的進氣口連接,用真空泵抽取采樣桶內的空氣使其為負壓,為平衡采樣桶內的壓力,樣品氣體通過進氣口進入到專用采樣袋內.樣品在采集后8h內完成氣質聯(lián)儀(GC/MS)分析.臭氣物質測定采用美國EPA方法,樣品經預濃縮儀(Entech7100液氮冷卻系統(tǒng))前處理后進入GC-MS系統(tǒng)(Agilent7890AGC/Agilent5975CMS)進行分析,氣體進樣量為50mL.色譜柱為DB-5ms(60m×0.32mm×1.0mm),載氣種類為氦氣,載氣流量為1.5mL·min-1;柱溫:在35℃下保持10min,然后以5℃·min-1的速度升溫到150℃,接著再以15℃·min-1升溫到220℃維持7min;進樣口溫度為100℃,離子源溫度為230℃,四極桿溫度為150℃,接口溫度為280℃.氨氣(NH3)用硼酸溶液吸收后,采用H2SO4滴定法測定;堆肥過程中的H2S和氧氣(O2)采用生物氣體測定儀測定(biogas,Britain,Geotech),堆肥溫度由堆肥反應器的溫度傳感器記錄,通過電腦直接讀取.臭氣濃度的測定采用三點比較式臭袋法(GB14675-1993).2結果與分析2.1天字號由圖2可以看出廚余垃圾堆肥的溫度呈先上升后下降的趨勢,在堆肥的第6d溫度才上升到55℃,并在此高溫條件下維持了7d,符合生活垃圾堆肥廠運行管理規(guī)范(DB11/T272-2005);從氧氣濃度的變化來看,其與溫度變化正好相反,在堆肥的前5~12d氧氣濃度呈急劇下降的趨勢,隨后又緩慢上升.這主要是因為廚余垃圾的含水率很高(75.7%),垃圾水分過高就會不利于氧氣的傳輸,進而降低微生物的活性,因此在堆肥的前5d堆體溫度也相對較低,在這期間堆體的水分主要以滲濾液形式損失.隨著堆體水分的降低,堆體氧氣傳輸暢通,好氧微生物快速分解有機物,消耗大量的氧氣,同時釋放出大量的熱能,從而使得堆肥溫度快速升高.統(tǒng)計分析表明溫度和氧氣濃度極顯著負相關(R2=-0.916).2.2氯俄羅斯烷法GC-MS分析結果表明,廚余垃圾堆肥過程中揮發(fā)性物質的組分比較復雜,共檢測出43種揮發(fā)性物質,其中含硫類化合物共5種(硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、二甲二硫);烴類化合物共22種(異丁烷、丁烷、2-甲基丁烷、戊烷、2-甲基戊烷、己烷、2-甲基己烷、甲基環(huán)己烷、2-甲基庚烷、3-甲基庚烷、辛烷、壬烷、癸烷、2-甲氧基-2-甲基丙烷、十一烷、丙烯、2-甲基-1,3-丁二烯、2-乙基丁烯、1,3-二氯丙烯、四氯乙烯、三氯甲烷、1,2-二氯丙烷);芳香烴類化合物共11種(苯、乙苯、1,3-二甲基苯、對二甲苯、1-甲基乙基苯、鄰二甲苯、1-乙基-3-甲基苯、1-乙基-4-甲基苯、1,3,5-三甲基苯、1-乙基-2-甲基苯、1,2,4-三甲基苯);其它化合物共5種(NH3、丙酮、甲基異丁基酮、二己酮、乙醇).其中烴類成分數(shù)量最多,主要成分為戊烷、甲基環(huán)己烷和壬烷,由于它們始終是構成城市空氣的主要烴類成分,且含量相對較小,所以因此不加以討論.由表2可以看出,廚余垃圾堆肥過程中臭氣濃度呈先上升后下降的趨勢,在堆肥的高溫期臭氣濃度達到最大,隨著堆肥的進行,臭氣濃度不斷降低,堆肥結束時,臭氣濃度僅為27.從各臭氣物質的濃度變化來看,甲苯和乙苯在堆肥初期濃度最大,隨著堆肥的進行,臭氣濃度逐漸降低,堆肥結束時,兩者的排放濃度均低于各自的檢知嗅閾;而其余臭氣物質的排放規(guī)律相似,在堆肥初期含量均很小(0~2d),當堆肥達到高溫期后(>55℃,7~9d),各臭氣物質的濃度也相應達到最大,隨著堆肥溫度的回落,臭氣濃度也相應降低(圖2).對比各臭氣物質的檢知嗅閾,其中NH4+、硫化氫、甲硫醇、甲硫醚、二硫化碳、二甲二硫、甲苯、乙苯、1,3-二甲基苯、對二甲苯和鄰二甲苯均超過了各自的檢知嗅閾,且甲硫醇的檢知嗅閾最低,其次是硫化氫.因此這11種物質是廚余垃圾堆肥過程中的惡臭氣體的主要來源.2.3芳香烴類化合物篩選結果為了進一步明確廚余垃圾堆肥過程中主要臭氣物質對臭氣濃度的貢獻大小,對不同堆肥階段主要惡臭物質的排放濃度和臭氣濃度的相關性進行分析如表3所示.由表3可以看出硫化氫、甲硫醇、1,3-二甲基苯和鄰二甲苯與臭氣濃度極顯著相關,表明這4種物質對廚余垃圾堆肥過程中臭氣濃度的貢獻最大;二甲二硫和對二甲苯與臭氣濃度顯著相關,表明這2種物質對臭氣濃度貢獻較大.4種含硫化合物之間極顯著相關,氨氣和4種含硫臭氣物質之間相關性極顯著,但是與芳香烴類化合物之間無相關性,表明氨氣和含硫化合物具有相似的排放規(guī)律;除甲苯、乙苯外,硫化氫和甲硫醇與其余臭氣物質均顯著相關,因此這2種物質可以篩選為廚余垃圾堆肥過程中的典型臭氣物質;5種芳香烴類化合物的相關性分析表明,甲苯和乙苯之間呈極顯著相關;1,3-二甲基苯與對二甲苯顯著相關,與鄰二甲苯之間極顯著相關;對二甲苯和鄰二甲苯極顯著相關.可見多數(shù)臭氣物質在排放規(guī)律方面都具有相似性.3廚余堆肥除臭物質排放標準堆肥過程是微生物群落結構與堆肥溫度相互制約的過程,溫度是堆體中微生物生命活動的重要標志.楊朝暉和Dees等研究表明堆肥高溫階段有著比較豐富的細菌多樣性,可以增強對有機物的分解和利用,提高堆肥效率,在此階段堆體的氧氣消耗速率也迅速上升,氧氣濃度一般維持在6%左右,氧氣供應不足必然引起堆肥過程中臭氣物質的產生.因此在廚余垃圾堆肥過程中,氧氣濃度的控制尤為重要,尤其是在堆肥的高溫階段.臭氣濃度和各臭氣物質排放濃度的相關性分析表明硫化氫、甲硫醇、1,3-二甲基苯和鄰二甲苯與臭氣濃度極顯著相關,二甲二硫和對二甲苯與臭氣濃度顯著相關,結合這6種臭氣物質的檢知嗅閾,廚余垃圾堆肥過程中要進行重點監(jiān)測和控制惡臭物質的順序是甲硫醇>硫化氫>1,3-二甲基苯>鄰二甲苯>二甲二硫>對二甲苯.雖然在廚余垃圾堆肥過程中氨氣、甲硫醚和二硫化碳的排放濃度與臭氣濃度無顯著相關性,但是我國惡臭污染物排放標準(GB14554-93)明確規(guī)定了這3種惡臭污染物的排放限值,因此在廚余垃圾堆肥過程中也應對這3種惡臭物質進行監(jiān)測和控制.根據(jù)篩選的廚余垃圾堆肥過程中優(yōu)選控制的惡臭物質的種類,就可以有針對性地進行臭氣控制.目前國內外對于這幾種臭氣物質的控制也做了相關研究,Chen等研究表明氧氣的不足是導致污泥堆肥過程中硫化氫產生的主要原因,因此維持堆體氧氣高于14%可以避免硫化氫的產生;張紅玉等研究表明在廚余垃圾中添加玉米干秸稈可以有效降低硫化氫、甲硫醚和甲硫醇的排放濃度.姜安璽等研究發(fā)現(xiàn)異養(yǎng)型假單胞菌Hm-6能較快去除硫化氫,因此在廚余垃圾堆肥過程中也可以通過添加相應的外源菌劑降低臭氣物質的產生.在本研究中,由于未查閱和檢測到乙醇、1-甲基乙基苯、1-乙基-3-甲基苯、1-乙基-4-甲基苯、1-乙基-2-甲基苯和甲基異丁基酮這6種臭氣物質的嗅閾,因此在后續(xù)的研究中應進一步對這6種臭氣物質的嗅閾進行深入研究,補充完善廚余垃圾