一种用于高效厨余堆肥的创新隔间动态好氧反应器：性能、微生物群落及技术经济收益分析

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：An innovative compartmented dynamic aerobic reactor for efficient kitchen waste composting: performance, microbial community, and techno-economic benefits analysis

　　

摘要

本研究探讨了分仓式好氧堆肥反应器（CACR）在厨余垃圾（KW）分散式处理中的性能、微生物群落动态以及技术经济可行性。结果表明，CACR仅需8天即可完成整个堆肥周期——相比静态堆肥（SC）缩短了50%——并实现了高达82%的优质发芽指数（GI）。在运行期间，所有仓室的理化特性均保持稳定，确保了性能的稳定性。此外，微生物学分析表明，稳定的、具有阶段特异性的核心群落推动了这一快速成熟过程。特别是嗜热第二仓室中占主导地位的芽孢杆菌属（50.3%），表现出高温耐受性并加速了底物降解。技术与经济收益分析表明，尽管CACR初期投资略高，但通过劳动力成本降低60%、占地面积缩小50%以及货币化的环境效益（如碳减排），可有效抵消成本。本研究为厨余垃圾的快速好氧堆肥提供了一种兼具经济与环境优势的有前景的替代方案。

引言

2024年，中国产生约2.54亿吨城市固体废物，其中厨余垃圾（KW）约占45% [1], [2]。好氧堆肥作为一种环境友好且相对简单的末端处理工艺，已被众多研究证明具有多重效益，包括生产有机肥料、改善土壤状况以及减少温室气体排放 [3], [4]。

尽管具有上述优点，传统好氧堆肥往往面临成熟不均匀、周期过长以及由粗糙工艺控制引发的二次污染风险等挑战 [5]。研究人员开发了大量先进的好氧堆肥技术与设备，旨在实现大规模、连续化与自动化的堆肥过程 [6], [7]。其中，机械式好氧堆肥系统因其灵活性和适用于中小规模场景（如县、市、村、镇）而备受关注 [8]。然而，大多数现有好氧堆肥反应器采用单仓发酵，将升温、嗜热、降温和熟化四个不同阶段集成于一个仓室内，而每个阶段都承载着独特的微生物群落。将这些阶段置于同一仓室会抑制微生物活性 [9]。因此，单仓发酵在实际应用中面临显著瓶颈，包括堆肥成熟迟缓与运行稳定性差 [10], [11]。

为解决上述问题，本研究旨在开发一种新型的分仓式好氧堆肥反应器（CACR）。通过结构创新，实现了好氧堆肥全过程的分区分控与参数优化。该一体化装置集翻抛、通风、曝气和温控功能于一体，能够根据不同发酵阶段的物料特性独立调节各仓室的运行条件。除提供高效设备外，本研究还优先系统性地考察工艺参数、产品特性及关键微生物群落，以识别影响堆肥快速成熟的关键因素。重要的是，为评估系统的实际可行性，本研究基于工程案例进行了对比性技术经济分析。通过量化资本投入、人工需求、土地利用效率以及货币化的环境效益（如碳减排与除臭），本研究为分散式好氧堆肥技术提供了多维度的理论基础与工程示范。

章节摘录

实验材料

厨余垃圾取自山东省德州市的一蔬菜市场。使用前已去除金属、塑料袋及其他非有机物质。随后，厨余垃圾经粉碎机与脱水机（北京中远创能工程技术有限公司）处理，使含水量达到80%。用作填充剂的锯末购自山东省德州市的一家木材公司。堆肥原料的理化性质如图

静态堆肥过程中理化性质的变化

如图1a所示，所有静态堆肥处理均呈现典型的四阶段温度曲线，最终降至环境温度。温度升高顺序为：C4 > C3 > C2 > C1。增加曝气可增强堆体升温，因为氧气是好氧微生物代谢所必需的。充足的氧气供应可刺激微生物活性，加速有机质降解与热量生成 [20]。值得注意的是，掺入了腐熟堆肥回料的C4处理

结论

本研究利用CACR实现了快速高效的堆肥。与静态堆肥相比，CACR在连续运行8天后仍保持了80%以上的稳定发芽指数，并将堆肥周期缩短了50%。与传统单阶段静态堆肥不同，分仓式设计有助于分阶段发酵，并可实现特定功能微生物的选择性富集。因此，它有助于厨余垃圾中有机成分在分仓之间的梯度降解

未引用参考文献

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作者贡献声明

聂永山：可视化、验证、形式化分析。李义兵：论文审阅与编辑、监督、资源、数据管理。肖峥：可视化、验证、软件、形式化分析。李宇：论文初稿撰写、软件、方法学、调查研究、概念构思。齐甜甜：论文初稿撰写、软件、方法学、调查研究、概念构思。魏泉源：论文审阅与编辑、监督、软件、方法学、调查研究、概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所报告工作的财务利益或人际关系等利益冲突。

致谢

本工作由中国高校基本科研业务费专项资金（项目编号：2025RC008）和内蒙古自治区中央引导地方科技发展资金项目（项目编号：2025ZY0104）资助。

齐甜甜|李宇|肖峥|李义兵|聂永山|王家仕|郭建斌|屈永水|方阔|魏泉源

中国农业大学工程学院（农业部清洁可再生能源利用技术重点实验室），北京 100083，中国