生活垃圾处理机降解温度行为特征的研究
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摘要：研究了生活垃圾处理机生物降解生活垃圾降解温度的特征变化。实验表明该体系的温度反应历程表明其能有效地进行生活垃圾的生物降解。自开始投入第一批垃圾起，生活垃圾处理机运行的前60 d为生活垃圾降解反应的初期，这是菌剂中复合微生物在适宜的反应条件下经驯化、复活、繁殖的阶段，其降解反应温度上升速率逐渐增大，温度从35 ℃逐渐升高至48 ℃。处理机正常运行第60～120天是生活垃圾降解反应的高速稳定期，温度维持在50 ℃左右。
关键词：生活垃圾；垃圾处理机；生物降解；降解温度
中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2012）23-5475-04
Study on Temperature Characteristics of Biodegradation in a Domestic Garbage Processor
WU Hao1，2，ZONG Zhi-min2，ZHANG Gan-dao3
（1. Institute of Chemical Engineering， Xuzhou College of Industrial and Vocational Technology，Xuzhou 221140，Jiangsu，China；
2. Institute of Chemical Engineering，China University of Mining and Technology，Xuzhou 221116，Jiangsu，China；
3. Institute of Biotechnology and Pharmaceutical Engineering，Nanjing University of Technology，Nanjing 210009，China）
Abstract： Temperature characteristics of biodegradation in a domestic garbage processor had been researched. The change of temperature revealed that it could effectively biodegrade the domestic garbage in a domestic garbage processor. The primary period of biodegradation of domestic garbage run 60 days. Compound microorganisms were domesticated， revived and reproduced in the suitable reactive environment by competing with other miscellaneous bacteria. The temperature rising rate of garbage biodegradation was improved， and the temperature rised from 35 ℃ to 48 ℃. When the processor run in the 60～120th day， it was in the stable phase of biodegradation of domestic garbage， and the temperature was retained about 50 ℃.
Key words： domestic garbage； garbage processor； biodegradation； degradation temperature
随着城市化进程的加快，城市垃圾数量越来越多，其成分也越来越复杂；许多国家开始对垃圾进行细化或垃圾分类，以达到资源回收和彻底降解垃圾的目的[1]。其中厨房垃圾是生活垃圾的主要来源，如果控制住垃圾的源头，用家庭生活垃圾处理机将厨房垃圾分散在千家万户就地及时处理，制成有机肥料，用于蔬菜和花卉的栽培，这将是简单、易行、高效、彻底的垃圾处理方法，也会大大减少城市生活垃圾给环境造成的压力，因而它已成为各国研究开发的热点[2-4]。本试验对从国外引进的某台生活垃圾处理机降解生活垃圾的温度行为特征进行了研究。
1 材料与方法
1.1 主要材料
生活垃圾、微生物菌剂、木屑
1.2 主要仪器
家庭用生活垃圾处理机（某进口装置）；XMT-3000B温控仪（南京朝阳仪表有限责任公司，自编程序实现在线记录）；安培表85L1-3A及100 mA（协泰电器仪表厂）；SVC-1500高精度全自动交流稳压器（上海三科电器有限公司）；Pt-100热电阻（兴化市热工仪表厂）。
1.3 试验方法
1.3.1 生活垃圾处理机冷模试验 不加生活垃圾，仅将不含菌剂的模拟实体物料投入处理机正常运行，观察处理机电流、物料温度的变化，了解和剖析生活垃圾处理机的运行模式。处理机所提供的担体约18 L是作为微生物生长的载体，冷模实验所采用的载体是与其物性类似的模拟物料—木屑。在垃圾处理机中加入18 L木屑及适量的水予以润湿，通电、关盖，在正常运行中考察处理机在各种操作状态下的工作电流及物料温度。
1.3.2 生活垃圾降解试验 第一次启动生活垃圾处理机时，按操作规程将复合菌剂的载体—担体18 L投入到生活垃圾处理机；将完全沥干（不再含有水滴）的生活垃圾920 g及80 g水，共1 kg投入垃圾处理机，在其表面均匀撒上随机提供的一包复合菌剂（90.9 g），通电并合上机盖，处理机则自动正常运行。以后每2 d投入所需处理的1 kg生活垃圾，再开机正常运行。
2 结果与分析
2.1 处理机冷模试验
2.1.1 处理机的运行规律 接通生活垃圾处理机电源，控制面板自动运转指示灯（绿）亮，表明处理机启动正常。开启机盖加入18 L木屑，并喷淋少量水润湿，关盖后处理机开始按如下程序自动运行：①关盖后1 min，开始搅拌，并抽风排气。②顺时针搅拌50 s—停止搅拌5 s—逆时针搅拌50 s。③停止搅拌30 min，其中有3 min的加热时间，加热电流为880 mA。（程序②、③可称为一个强搅拌周期）。④反复按程序②、③循环运转12 h。⑤第13小时起仍按程序④操作，但其中程序③停止搅拌时间变为90 min，其中有20 min的加热时间，加热电流为20 mA。此时为弱搅拌周期，弱搅拌周期的循环运转时间为60 h。⑥第73小时起，处理机转入待机模式：停止搅拌，保持抽风排气（运转过程中一直保持抽风排气）。⑦只要打开机盖，处理机即停止搅拌、加热及抽风等所有操作，而在关闭机盖后即重新从程序①开始自动进行①-⑥的程序操作。处理机感应量为45 kg左右。加入处理机的物料超过45 kg时，处理机面板上的“投入中止”指示灯亮，提示处理机已超负荷。
2.1.2 冷模物料温度 由于执行程序定时的电磁加热以及搅拌加强床层传热过程，故冷模试验中处理机内的物料温度有一定的升高。
1）强搅拌周期的物料温度。强搅拌周期内物料温度的变化见图1。从图1可以看出，在加入木屑处理机运行5 h后，物料温度从最初的20.4 ℃上升到24.5 ℃。这是因为在强搅拌周期内，系统提供了强搅拌、强加热程序，物料温度迅速上升，以快速达到降解反应所需要的温度条件。加料后5～12 h物料温度基本稳定在24.5 ℃，此时，生活垃圾处理机加热的热量与排气及机体损失的热量基本达到平衡。
由于投入的是室温物料，处理机腔壁受到加热的物料温度不断升高，而测量物料温度的探头位置固定，搅拌将使具有不同温度的物料与探头接触，因此测得的物料温度随时间推移出现如图1曲线所示的波动。
2）弱搅拌周期的物料温度。处理机运行12 h后，进入以90 min为一周期的弱搅拌的运行过程。在此期间（12～72 h）处理机内物料温度的变化见图2。由图2可以看出，物料温度继续稳定在24.5 ℃一段时间（12～24 h）后，渐升至34 h的27.1 ℃，而后一直稳定在这一温度。在此期间系统提供了弱搅拌、弱加热，长周期操作程序。与强搅拌周期相比，该周期升温速率低、绝对温升值也小。
2.2 生活垃圾降解的反应温度
微生物的生命活动是由一系列生物化学反应组成的，反应温度是生活垃圾生物降解的重要参数，也反映了微生物的生长发育及代谢活动。
2.2.1 处理第一批垃圾时的物料温度 图3是处理机在加入第一批混合垃圾运行48 h的物料温度变化曲线。从图3可以看出，在垃圾处理初期的5 h内，加入的垃圾从室温（20.4 ℃）迅速升至26 ℃。此时复合菌剂微生物处于休眠状态，垃圾还未被复合菌剂微生物利用，对比图1中冷模物料温度此时亦从室温（20.4 ℃）升至24.5 ℃，故可认为该物料温度的升高主要是垃圾处理机在强搅拌周期的强加热作用产生的，基本上属于物理升温过程。其后一段时间（5～25 h）物料温度稳定在26 ℃，此时处理机的电磁加热与排气带出的热量及其他热损失之和基本达到平衡。
在生活垃圾处理机运行25 h后，系统中包括由垃圾夹带进的杂菌等微生物吸收垃圾中部分易降解的组分，反应温度随之升高至32 ℃左右，并趋于平衡稳定。在生活垃圾处理机长期正常运行中，始终定期（1～2 d）加入一定量的生活垃圾，每次加料之初处于室温的垃圾与处理机内较高温度的物料混合，使体系暂时降温，但经强搅拌周期的强加热作用物料总是经历类似于图3的升温过程，只是随着生活垃圾定期、不断地投加，复合菌剂微生物得到营养逐渐复活生长，驯化为降解生活垃圾的优势菌群使降解速率升高，随之增大的反应热也在逐渐升高体系反应温度过程中起了主要作用，加速了升温速率。
2.2.2 前60 d生活垃圾降解的反应温度 从加入第一批生活垃圾起处理机运行60 d期间垃圾降解的反应温度如图4所示。由图4可推测微生物逐渐被驯化、复活进行降解生活垃圾的过程，大致可分为如下2个阶段。
微生物驯化适应期。在0～25 d期间；在与外来杂菌相互竞争中逐渐显示其优势，在此期间反应最高温度稳定在36 ℃左右。在生活垃圾处理机运行的第25～60 天体系反应最高温度从36 ℃逐渐升高至50 ℃，为复合菌剂中的微生物指数生长期，此阶段复合菌剂中的微生物由于渐渐适应体系环境而不断生长，新陈代谢渐渐旺盛。该复合微生物的指数生长逐步提高了升温速率，致使体系温度迅速升高[5-7]。图5是处理机运行第60天（处理第30批垃圾）的物料温度变化曲线。这是复合微生物成为优势菌群后，在一批加料反应周期中典型的反应温度曲线。在加料后0～4 h内，由于反应热及生活垃圾处理机的强加热，生活垃圾降解反应温度从加料时的较低温30 ℃迅速升至48 ℃左右；在加料后的4～10 h为优势菌群迅速降解生活垃圾的主反应阶段，此时反应热大，反应最高温度处在48～52 ℃高温区；加料10 h后新加入的生活垃圾的营养物质被渐渐耗尽，其降解反应温度又降低至35 ℃以下。
2.2.3 一个完整降解过程的最高反应温度趋势 本实验每2 d加入垃圾1 kg，一批复合菌剂使用寿命约120 d，在这一完整的降解生活垃圾过程中每次加料后出现的最高物料温度如图6所示。
处理机加料运行0～60 d是复合微生物经复活、驯化至迅速繁殖的过程。从图6可以看出，第60～120天是微生物降解反应处在高速稳定期，反应最高温度都高于50 ℃以上。这与杨元根等[8]和万波等[9]人的研究结果相似，此时复合微生物活菌数达到最高水平，成为降解生活垃圾的优势菌群。其生长代谢稳定，细胞的净数量波动不大，反应最高温度也变化较小。此时微生物细胞包括能量代谢和一系列其他生化反应的许多功能如降解作用都处于最佳状态，代谢产物的积累开始增多，肥效逐渐增大[10]。如果为了获得大量活菌体，就应在此阶段收获。后续实验可在此阶段取反应物料样进行优势菌群微生物鉴定。
3 结论
该生活垃圾处理机主要设计了程序加热、搅拌、排气系统，它们有效的运行机制为微生物降解生活垃圾反应提供了适宜的条件。
自开始投入第一批垃圾起，生活垃圾处理机运行60 d（每2 d投入垃圾1 kg）为生活垃圾降解反应的初期。这是菌剂中复合微生物在适宜的反应环境下经驯化、复活繁殖，并在与体系其他杂菌竞争中作出调整的阶段，其降解反应温升速率逐渐增大，温度从35 ℃逐渐升高至48 ℃。处理机正常运行第60～120天（每2 d投入垃圾1 kg）是生活垃圾降解反应的高速稳定期。此时菌剂中的复合微生物成为该体系的优势菌群，每批垃圾降解的最高反应温度均在48～52 ℃之间，为生活垃圾的主降解期。
处理机加料运行120 d以后，经过一个较长稳定生长期的微生物群体到了衰亡期，优势菌群中细胞死亡率开始上升，最高反应温度开始降低。在此阶段可以卸出反应物料制作成肥料。在本实验条件下，一批复合菌剂（90.9 g）可有效降解60 kg厨房垃圾（含水约8%）。
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