堆肥是好氧微生物在有氧条件下将堆肥原料中的有机物进行分解再利用的过程，通风量是决定发酵效果最主要的因素之一^[1].通风量在堆肥过程中有以下作用：①提供足够的氧气，使微生物正常生长繁殖，氧气浓度过低，好氧菌受抑制、厌氧菌大量繁殖，会产生臭气^[2];②足够的氧气使微生物快速分解有机物，放出热量提高堆体温度，杀死堆体中的病菌；③适宜的通风条件可以促进水分散失，增加堆体中可容纳的空气体积，通风量过高或过低都会影响堆肥效果，还会带来严重的臭气污染^{[3, 4, 5]}.目前，大多数研究关注通风量对堆肥过程中NH₃形式臭气排放的影响^{[3, 5, 6]},对H₂S这种低嗅阈有毒恶臭气体的研究较少，尽管在堆肥过程中H₂S的排放量较低，但H₂S对厨余垃圾堆肥过程中恶臭浓度的贡献最大^[6].H₂S是氧气供应不足时厌氧菌对有机物分解不彻底的产物，因此好氧堆肥过程中供氧参数的设置直接影响H₂S的排放。厨余垃圾堆肥过程中的氧气供给主要通过强制通风系统调解，通风量是影响H₂S排放的关键因素，而通风量对堆肥过程中NH₃和H₂S的综合控制研究鲜见报道。本研究以厨余垃圾堆肥过程中排放的NH₃和H₂S作为重点监控对象，研究不同通风条件下这2种恶臭气体的排放情况，同时结合堆肥的无害化和毒性检验，优选出厨余垃圾堆肥过程中恶臭气体减排的最佳通风参数。

采集南宫垃圾转运站筛分的15~80 mm 粒径段垃圾，经人工大类粗分为厨余垃圾、可回收垃圾和其他垃圾，以厨余垃圾作为实验原料。风干玉米秸秆取自中国农业大学上庄实验站，粒径为2~3 cm.堆肥装置为100 L圆柱体密封发酵罐（图 1）,堆肥初始物料的物理组分见表 1,堆肥原料的基本性状见表 2.

图 1 强制通风静态垛堆肥反应器示意 Figure 1 Diagram of heat insulated composting vessel with forced aeration system

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表 1 堆肥初始物料的物理组分 Table 1 Physical components of kitchen waste for composting

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表 2 堆肥初始物料的基本性状 Table 2 Basic characteristics of kitchen waste for composting

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将厨余垃圾与秸秆以湿基质量比85∶15混合均匀后堆置在4个100 L密封发酵罐中进行高温好氧堆肥。4个处理均采用全天持续强制通风方式，设定每立方米物料的通风量为0.5、1.0、2.2、3.2 m³·h^-1（分别表示为T1、T2、T3、T4）,共堆置30 d,每天测定温度，NH₃、H₂S及O₂含量。翻堆和取样时间为第0、3、7、14、21、30 d,翻堆时将罐中所有堆料倒出，用铁锹将物料充分混匀后取500 g左右用于后续固体指标的测定，取样后将堆肥物料再次装回发酵罐中压实称重，继续进行堆肥处理。

堆肥温度由温度自动监测系统记录，通过电脑直接读取；含水率采用80 ℃烘干10 h测定；电导率（EC）使用便携式多参数测量仪（SX751型，上海三信仪表厂）对浸提液进行测定；总有机碳（TOC）、总氮（TN）采用NY525有机肥料标准方法测定；总硫采用元素分析法测定；氨气（NH₃）采用H3BO3吸收法测定；硫化氢（H₂S）和氧气（O₂）通过沼气测定仪（Biogas 5000型，英国Geotech公司）测定。

发芽指数（GI）测定方法：使用去离子水浸提鲜样，固液比为1∶10,取浸提液9 mL于垫有滤纸的培养皿中，并在培养皿中放入10粒种子，放置在（20±1）℃的培养箱中培养，48 h后测定，按下式计算：

温度是反映堆体有机物分解和微生物活性变化的重要指标^[8],决定堆肥过程中物料的分解速率^[9].堆肥过程中温度随时间变化的情况如图 2所示，各处理堆体温度均呈先上升后下降的趋势。这是由于堆肥初期，堆体中能被微生物利用的有机物快速分解，释放出大量热量，温度上升；堆肥后期，物料中可分解的有机物耗尽，温度逐渐下降并接近室温。各处理均在堆肥第2 d进入高温期（>55 ℃）,并在此温度以上分别持续了25、19、18、12 d,均达到生活垃圾无害化要求^[10].各处理相比，通风量越大，从堆体中带出的热量越多，堆体温度越低且高温期持续时间越短。统计分析表明，各处理间温度变化差异极显着（P＜0.01）.

图 2 堆肥期间温度变化曲线 Figure 2 Dynamics of temperature during composting

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各处理O₂含量随堆肥时间变化的结果如图 3所示，4个处理堆体出口氧气含量均呈上升趋势。堆肥前2周，各处理的O₂消耗量较大，主要由于这一时期有机物分解剧烈，因此堆肥出口O₂含量较低。堆肥结束时各堆体出口O₂含量均接近于环境中的O₂含量。翻堆后，4个处理O₂含量迅速下降，主要是因为翻堆使堆料变得松散，增加了物料的孔隙度，使O₂的传输变得通畅，加速了微生物对有机物的分解，O₂的消耗量增大，导致堆肥出口的O₂ 含量下降；随着有机物分解速度变缓，堆体中微生物对O₂消耗量减少，O₂浓度上升并趋于稳定。4个处理相比，通风量越高，出口O₂浓度越高；通风量越低，堆肥出口O₂浓度也越低。统计分析表明：各处理间O₂变化差异极显着（P＜0.01）.

图 3 堆肥期间O2变化曲线 Figure 3 Dynamics of oxygen during composting

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H₂S是有机物厌氧发酵过程中的副产物^[11].堆肥期间H₂S的排放浓度和累积排放量的变化如图 4所示。由图 4a可以看出，在堆肥初期就有H₂S的排放，可能由于厨余垃圾在清运和转运过程中已经发生厌氧反应释放出了H₂S.4个处理的H₂S日排放浓度均呈先上升后下降的趋势。除T1的排放周期集中在前3周外，其余各处理H₂S的排放周期均集中在前2周。有研究表明，在堆肥升温期和高温期易分解有机物的快速分解会消耗大量O₂,从而造成局部缺氧使H₂S在此时集中排放^[12].这一结论与本实验的研究结果一致。由图 4b可以看出，通风量越大，H₂S的累积排放量越低。值得一提的是，尽管T4的通风量高于T3,但其H₂S的累积排放量反而高于T3.这主要是因为过大的通风量会加大堆体中H₂S的吹脱，使得堆体出口H₂S的排放量增大。整个堆肥周期内4个处理H₂S的累积排放量分别为103.17、54.10、35.58、44.38 mg·kg^-1 DW.与T1相比，T2、T3和T4的H₂S累积排放量分别降低了47.6%、65.5%和57.0%.对H₂S的减排效果最好的是T3,最差的是T1,说明通风量的适度增加有助于H₂S的减排，但过高的通风量也会增加H₂S的排放^[13].统计分析结果显示，各处理间H₂S排放差异极显着（P＜0.01）.

图 4 堆肥期间硫化氢浓度（a）和累积排放量（b）的变化 Figure 4 Changes of concentrations（a） and cumulative emissions（b） of hydrogen sulfide during composting

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堆肥过程中NH₃的排放浓度和累积排放量如图 5所示。由图 5a可以看出，4个处理NH₃的排放均呈先上升后下降的趋势，并且其排放主要集中在前两周。堆肥过程中NH₃挥发与堆肥高温密不可分，由于在堆肥初期，堆体温度较低，各处理的NH₃排放浓度相应较低，其后随着有机物的快速分解，堆体温度不断升高，导致NH₃挥发速率逐渐增加。堆肥进行两周后，由于硝化细菌硝化作用产生的H⁺和有机物分解产生的有机酸含量上升，导致堆料的pH值降低，NH₃-N转变为NO₃-N,NH₃排放量逐渐减少并趋近于零。NH₃在第3 d和第7 d的排放出现波动是由于翻堆后，堆体松散，可容纳O₂量增多，好氧微生物利用O₂加速分解堆体中的有机物成分，排放更多NH₃.整个堆肥周期内，4个处理NH₃的累积排放量分别为14.79、406.50、1 475.63、2 274.35 mg·kg^-1DW,与T1相比，T2、T3和T4的总排放量分别是T1的27.5、99.8、153.8倍。可见，通风量的增加会加速NH₃的排放，NH₃排放是堆肥过程中氮素损失的主要方式，过大的通风量也是导致堆肥氮素损失和臭气排放的主要原因。目前已有类似研究结果^{[3, 6, 14]}.统计分析表明，各处理间 NH₃排放差异极显着（P＜0.01）.

图 5 堆肥期间氨气浓度（a）和累积排放量（b）的变化 Figure 5 Changes of NH3 concentrations（a） and cumulative（b） emissions during composting

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植物生长试验是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法^[15],当种子发芽指数GI达到 80%～85%,就认为堆肥已腐熟并达到了可接受的程度，即没有毒性^[16].堆肥过程中4个处理物料水浸提液的GI随堆肥时间的变化趋势见图 6a.可以看出，在堆肥过程中4个处理的GI均呈上升趋势，说明随着堆肥的进行，抑制植物种子发芽的有毒物质在不断分解，堆肥不断趋近腐熟。堆肥结束时，T1、T2、T3和T4的GI值分别为79.9%、114.6%、113.5%和137.4%,4个堆肥产品均达到无害化要求，并且通风量的增加促进了堆肥无害化的进行。统计分析表明，各处理间GI 变化差异显着（P＜0.05）.

图 6 堆肥期间GI（a）和EC（b）的变化曲线 Figure 6 Changes of germination index（a） and electrical conductivity（b） during composting

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EC反映了堆肥浸提液中的离子总浓度，即可溶性盐含量情况，是衡量堆肥腐熟度的一个必要条件^{[17, 18]}.堆肥产品含盐量越高，EC越大，越容易造成土壤盐化而损害植物根部功能，对植物生长的抑制作用越大。堆肥期间各处理EC的变化如图 6b所示。堆肥初期，可能因为物料中原有的NH₄⁺、OH^-转变为NH₃和H₂O导致各处理的EC值快速下降，在堆肥的第3~7 d,随着物料中有机物氧化分解释放出矿物盐分和其他离子，各处理EC值上升，此后随着CO₂和NH₃的释放和金属离子的固定，各处理EC值再次下降^[19].堆肥结束时，4个处理的EC值均低于3 mS·cm^-1,在作物生长安全范围之内，可以排除对作物的毒害作用。统计分析表明，各处理间EC 变化差异显着（P＜0.05）.

堆肥过程中各处理的物质和元素平衡如表 3所示。4个处理的干物质损失率在22.1%~35.8%之间，其中T1的干物质损失率最小，T4的干物质损失率最大。堆肥过程中水分可以通过蒸发水和渗滤液两种形式损失。厨余垃圾单独好氧堆肥过程中会产生渗滤液^[20],渗滤液是氨氮流失的一种重要途径^[21],已有研究表明垃圾渗滤液中含有60多种有机污染物，堆肥过程中产生的渗滤水也是重要的恶臭气体散发源。本实验采用秸秆与厨余垃圾进行混合堆肥，利用秸秆吸收厨余垃圾中多余水分，既避免了渗滤液的排放，也阻断了渗滤液形式的臭气排放。此外厨余垃圾堆肥过程中以气态形式排放的大量恶臭气体中H₂S的贡献最大，秸秆的添加有效地增加了堆肥物料的孔隙度，从而增大物料与空气接触面积，减少厌氧的发生，大幅降低了H₂S的排放。秸秆的添加还能提高厨余垃圾的C/N,一定程度也降低了堆肥过程中NH₃的排放，有效抑制氮素流失和臭气排放的问题。本次实验4个堆肥处理均未产生渗滤液，水分均以蒸发冷凝水形式损失。与T1相比，T2、T3和T4的水分损失率分别是T1的1.6、3.0倍和2.7倍，T3处理冷凝水的损失率最高。因此，在厨余垃圾堆肥过程中，采取高通风量的情况下就要加强冷凝水的收集措施。

表 3 堆肥过程中的物质和元素平衡 Table 3 Balance of mass and elements during composting

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由表 3中“N素平衡”可知，堆肥过程中4个处理的N素总损失率依次增大，说明通风量越大，N素的总损失越高。NH₃挥发是氮素损失的一个重要途径，4个处理以NH₃形式损失的N占堆肥物料初始总N的比例分别为0.66%、18.24%、27.59%和30.62%,进一步核算可以得出堆肥中T1、T2、T3和T4的NH₃-N分别占总N素损失的3%、71%、83%和85%.因此，降低堆肥过程中NH₃的挥发是减少N素损失和提高堆肥产品养分含量的关键。

堆肥过程中S素损失的重要途径是H₂S的排放。通过表 3中“S素平衡”可知，4个处理S素损失占初始总S的11.2%~21.6%,以H₂S形态释放的S占总S素损失的51.6%~77.7%.随着通风量的增大，总S损失和H₂S的排放不断降低，但是通风量过大反而加速堆体中H₂S的吹脱，不利于堆肥过程臭气的控制。

厨余垃圾中富含有机物（粗蛋白16.73%、粗脂肪28.82%、粗纤维2.52%）^[22],这决定了厨余垃圾在堆肥过程中有机物的好氧或厌氧分解会产生一定的NH₃和H₂S,造成N素和S素的损失，不仅影响堆肥产物的质量，还会对环境造成污染。厨余垃圾堆肥过程需要大量O₂参与，初始堆料中含水率较大，堆料孔隙被水分占据，需要通过强制通风调解堆料的通气质量。通风量较低，供气困难导致堆料中O₂不足，造成局部厌氧，影响微生物对有机质的彻底分解并产生H₂S,也容易引起堆体升温缓慢、高温期过短的情况发生。通风量过高带出堆料中热量增多，缩短堆肥高温期，影响堆料无害化，还会增加NH₃的排放。

从实验结果来看，T3处理对厨余垃圾堆肥过程中NH₃和H₂S的综合减排效果最好。这是因为T3处理的通风强度适中，带走堆料中多余的水分，增加堆体孔隙度，使物料保持较好的微环境保证堆体有机物分解。由于堆料好氧产生NH₃,堆料厌氧易产生H₂S,适合的通风量可以尽量降低NH₃和H₂S的综合排放量，减少臭气污染，提高堆肥产品的品质。所以在废弃物堆肥过程中寻找最适合的通风量是关键。

（1）从温度及毒性指标EC和GI来看，4个处理均达到无害化要求。

（2）从臭气排放来看，NH₃ 的排放量随通风量的增大而增大；H₂S的排放量在一定范围内随通风量的增大而减少，但过大的通风量也会加速堆体中H₂S的吹脱，使其排放量增大。在本实验条件下每立方米物料的通风量为2.2 m³·h^-1的持续强制通风可有效控制堆肥过程中H₂S和NH₃的排放。

（3）通过堆肥过程中的物质平衡来看，通风量越大，干物质损失率越高。通风量的增大加速了有机物的彻底分解；而从水分平衡来看，通风量越大水分损失越多。