季节性变化对机械预处理城市固体废物中有机组分好氧生物稳定化动力学的影响

《Waste Management》：Effect of seasonal variability on aerobic biostabilisation kinetics of mechanically pre-treated organic fraction municipal solid waste

机械-生物处理中有机废弃物的季节性变化对好氧稳定化的影响研究表明，春夏季低pH（5.3-5.5）和高纸张比例导致降解率下降超50%，秋冬季高 yard waste（23.2%）和 food waste（29.9%）提升稳定化效果，温度达62-68℃时氧气消耗率达77.8-90.1 g O2 kg-1 h-1。

　　

弗拉基米尔·米罗诺夫 | 叶戈尔·巴尔瓦绍夫 | 张胜华 | 索菲亚·捷列吉娜 | 安·李

俄罗斯科学院生物技术研究中心维诺格拉茨基微生物学研究所，莫斯科，俄罗斯

摘要

本研究探讨了城市固体废物（ms-OFMSW）中机械分选后的有机组分在成分和性质上的季节性变化如何影响好氧生物稳定化的速率。通过为期一年的研究，从一座全规模的机械-生物处理厂每月采集原始ms-OFMSW样本，并在14天的中试规模生物稳定化过程中对其形态组成、物理化学参数和呼吸活性进行了测试。结果显示，在39.8 ± 0.8°C的温度下，最初的10 ± 2小时内微生物活性达到最大值，其氧气吸收速率为1381 ± 164 mg O₂ kg^?1 DM h^?1，热量释放量为8609 ± 1370 J kg^?1 h^?1。在春季和夏季，由于pH值较低（5.3–5.5）以及纸张和细小组分的比例较高，生物降解速率降低了超过一半，这导致热能积累（高达146.8 kJ kg^?1）和氧气吸收量减少（降至33.7 g O₂ kg^?1）。相比之下，秋季庭院废物的比例较高（23.2%），冬季食物废物的比例较高（29.9%），这些条件有利于生物降解过程，表现为适中的pH值（5.7–6.1）、62–68°C的温度以及较高的氧气吸收量（77.8–90.1 g O₂ kg^?1）。这些发现强调了控制原始ms-OFMSW性质对于预测生物稳定化过程及开发适应性过程控制方法的重要性。

引言

人们正在加大努力，以减少城市固体废物（MSW）的产量、回收其中有用的材料（Tyagi等人，2018年）。为此设计了专门的MSW分类收集系统。这类系统的有效性可以通过所谓的“残余”废物的体积来评估，即那些在源头未被家庭分离成可回收组分的废物（Lubello等人，2025年）。不幸的是，即使实现了完美的废物分类，仍然会产生一定量的残余废物（Gadaleta等人，2022年）。残余MSW主要由46%的不稳定有机组分（食物废物、庭院废物、食物残渣）组成，其次是17%的纸张、10%的塑料、5%的玻璃、4%的金属和18%的其他材料（Tyagi等人，2018年）。不稳定有机组分（OFMSW）具有特定的特性，由于其化学成分的复杂性以及受到多种社会经济因素和季节性变化的影响，因此可能是最难处理的有机废物（Sánchez等人，2025年）。

机械-生物处理（MBT）被全球广泛用作处理残余混合MSW的主要策略（Okori等人，2025年；Nie等人，2023年；Sholokhova等人，2022年；Trulli等人，2018年；Scaglia等人，2010年）。在大多数情况下，MBT包括：（i）对MSW进行机械预处理，以获得符合固体回收燃料标准的可燃组分和粒径小于40–80毫米的机械分选有机组分（ms-OFMSW）（Barontini等人，2025年；Lombardi等人，2022年）；（ii）在受控的好氧条件下通过生物阶段减少和稳定可生物降解的有机物质ms-OFMSW（Gadaleta等人，2022年）。ms-OFMSW的特点是含水量高且成分极其复杂（Barontini等人，2025年）。它包含有机成分（如食物废物、纸张、纸板和木材）以及塑料、玻璃、金属和惰性材料的碎片（J?drczak等人，2020年）。ms-OFMSW会被送去进行好氧生物稳定化处理，类似于堆肥过程，以减轻其重量和降低生物活性（Barontini等人，2025年；Lombardi等人，2022年；Velis等人，2009年）。

更好地描述生物稳定化过程的参数是温度曲线和氧气吸收速率（OUR）（Puyuelo等人，2010年）。OUR是有机物生物稳定性的基本生物学特征，直接反映了好氧微生物反应的活性（Paletski和Young，1995年）。OUR的调节基于基本原理：好氧菌落的生长速率由OUR决定，而OUR又受到气体相向液相传递氧气速率的限制（Doran，2013年）。另一个重要参数是温度，它影响微生物的活性和微生物群落的组成（Sánchez等人，2025年）。微生物对有机物质的分解会产生热量，从而提高温度、加速生化反应、增加OUR并导致热量释放（MacGregor等人，1981年）。

好氧生物稳定化的速率取决于关键参数及其接近最佳值的程度（Sánchez等人，2025年；Haug，1993年；de Bertoldi等人，1983年；Finstein和Morris，1975年）：pH值在5.5–8.0范围内，含水量为50–70%，C/N比为25，堆积密度为500–650 kg m^?3，温度为40–70°C，废物空隙中的氧气含量≥5%。

ms-OFMSW生物稳定化的优化应基于对输入废物流详细特性的了解（Traven等人，2025年；Agwe等人，2025年；Campuzano和González-Martínez，2016年），同时考虑地区、季节和社会经济背景（Tyagi等人，2018年）。一些研究人员分析了混合MSW的组成和性质（Lubello等人，2025年；Campuzano和González-Martínez，2016年），研究了提高ms-OFMSW价值的方法（Barontini等人，2025年）以及不同季节下生物干燥的效率（Traven，2025年），并探讨了MBT后废物的物理和机械特性（Nie等人，2023年）。他们还展示了使用呼吸计量法测量MBT厂处理后样品的生物活性，以分析全规模设施的效率（Colón等人，2017年；Scaglia等人，2010年；Adani等人，2001年）。然而，目前尚无关于ms-OFMSW的季节性变化对其生物稳定化速率影响的数据。

生产设施的成功运行需要了解这些季节性模式，并实施灵活的管理策略，包括采用人工智能（AI）技术。我们在运营MBT设施方面的经验使我们能够确定一组最低限度的ms-OFMSW输入特性和过程参数，这些参数可以通过传感器（pH值、含水量、堆积密度、氧气浓度、温度）和计算机视觉相机（用于分类废物图像，Malla等人，2025年）在全规模生产中实时监测，从而预测其形态组成。因此，本研究的主要目标是：（i）研究ms-OFMSW的形态组成和物理化学性质的季节性变化；（ii）评估这些变化对好氧生物稳定化动力学关键指标的影响；（iii）通过受控的中试规模生物稳定化过程收集原始数据，以了解过程动态并构建有效的AI模型。

实验设计

采样和总体实验设计

2024年7月至2025年6月期间，从一座正在运行的MBT工厂（俄罗斯莫斯科地区，坐标：56°02′46.1″N 37°00′04.1″E）收集了ms-OFMSW样本，该工厂的年处理能力为50万吨。根据现有技术，图1所示，残余混合MSW首先在滚筒筛上进行机械分离。

随后，在不超过2小时内，粒径小于70毫米的组分（占输入MSW的28–38%）被送入堆肥系统。

结果与讨论

研究结果以一年内样本指标的变化形式呈现（图3），并附有各季节的平均值（表2）。

结论

在整个日历年度中，ms-OFMSW的形态组成会发生变化，这些变化受季节和城市活动的影响，显著影响了其好氧生物稳定化的动力学。在温暖季节，MSW的收集、运输和机械预处理阶段的高环境温度会导致pH值下降和微生物活性显著降低。此外，某些季节性的因素也会影响...

作者贡献声明

弗拉基米尔·米罗诺夫：撰写 – 审稿与编辑、原始稿撰写、资源协调、项目管理、方法论制定、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。叶戈尔·巴尔瓦绍夫：原始稿撰写、验证、监督、软件开发。张胜华：撰写 – 审稿与编辑、方法论制定、研究设计。索菲亚·捷列吉娜：原始稿撰写、数据可视化。安·李：撰写 – 审稿与编辑、方法论制定、研究设计。

资金

本研究未获得任何外部资助。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢俄罗斯“EcoVector”公司的V. Sergeev在样本获取方面提供的帮助。感谢所有参与审稿的评审专家。