第四章处理与处置堆肥.docx

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第四章处理与处置堆肥

第四章处理与处置

第一节堆肥

一．概述

1.定义

指利用自然界中广泛存在的微生物，通过人为的调节和控制，促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。

其产物为堆肥。

有时候把堆肥化和堆肥不加区分。

微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多生物体的过程。

它具有发酵周期短、无害化程度高、卫生条件好和易于机械化操作等特点，好氧堆肥法在国内外得到广泛应用

2.发展历史

1）古老的技术，几个世纪以前，我国和其它一些国家的农村，利用落叶稻草动物粪便，堆积到一起进行发酵，生产肥料；

2）现代堆肥：

1925年，英国人在印度，发明了“印多尔法”，是将落叶垃圾人畜粪便，堆成1.5m的土堆，月翻堆1-2次，6个月腐熟。

因为翻堆周期长，大部分属于厌氧反应，后来增加了翻堆的次数，效率提高；

之后，丹麦发明了达诺法，美国发明了机械化堆肥，主要是多段竖炉发酵仓，并且接种，使这项技术在上个世纪60年代达到顶峰；

3）70年代，化肥工业的产生，其速效、方便、廉价对堆肥产生冲击，同时，由于堆肥原料中不可分解的成分较多，导致其产品质量差，效率低而倒闭；

4）80-90年代，化肥的副作用开始显现，土壤板结、地力下降。

而且垃圾填埋占用大量土地，焚烧污染大气，所以开始考虑用堆肥方式处理垃圾，又迎来了一个高峰；

5）人们对食品安全的重视，导致堆肥应用受限；

6）现在：

堆肥有条件的使用；比如德国把堆肥当成一种垃圾干燥技术；堆肥也可以作为餐厨垃圾处理的候选技术；

3.堆肥的产品

堆肥技术的出现，一开始并不是为了处理废物，而是为了获得产品，即堆肥的产物。

它具备一些优势：

1）土壤改良剂：

堆肥的产物，含有大量的腐殖质，它可以促使土壤形成团粒结构，使土质松软，孔隙度提高，从而提高土壤的保水、透气性，并且有利于植物根系的发育和养分的吸收；

2）肥力：

本身就具备一定的肥力，另外，还具有保肥的作用。

还可以改善磷肥的状态（PO43-可以与土壤中的Al2O3反应而失去活力，加入堆肥后，腐殖质可以与Al2O3作用，而是PO43-呈可溶状态）；

3）对重金属有一定的固定作用：

腐殖质的螯合作用

4）肥力缓慢释放，不容易烧苗

5）含有大量的微生物

6）肥效低、体积大、运输成本高和施用劳动量大，见效慢。

4.分类

根据对氧气的需求，分为好氧和厌氧

根据温度的不同，分为中温和高温

根据操作方式分，露天堆肥和机械堆肥

二．好氧堆肥

1.原理

堆肥是在有氧条件下，好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。

微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁忙殖，产生出更多的生物体的过程。

在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。

生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。

该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量的能量。

据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：

起始阶段、高温阶段和熟化阶段。

发生的反应：

1）不含氮有机物的氧化

2）含氮有机物的氧化

3）生物质的合成

4）生物质的氧化

总的氧化分解过程：

起始阶段：

有人把起始阶段分为潜伏阶段和中温增长阶段；其中潜伏阶段是指堆肥开始后微生物适应新环境的过程，即驯化阶段；而中温增长阶段是指不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40℃，从而进入下一个阶段；

高温阶段：

当温度升高到45℃以上后，第一阶段的中温微生物由于温度的变化受到抑制或者死亡，高温菌取代中温菌并且迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70℃。

一般来说，温度超过70℃后，微生物不适应，而活性下降。

当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。

堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。

熟化阶段：

冷却后的堆肥，一些新的微生物，中温菌，借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。

2.影响因素

好氧堆肥的关键，就是控制好堆肥过程的各个影响因素，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：

1）供氧量

供氧的目的是为微生物提供好氧生命活动所必须的氧气，一个好的堆肥系统应该保证三点：

Ø充足的氧气

Ø氧气能够均匀的分布于物料中，这取决于设备的构造

Ø考虑通风和干化的关系：

通风和高温会使系统中的水分流失，以气态形式流失，而是物料干燥。

一般堆肥成品与堆肥原料的比值为0.3-0.5，这并不完全是有机质氧化的结果，也包含了水分的流失。

所需要的氧气量用于三个方面：

第一氧化，第二干燥，第三降温

先看氧化所需的氧气量V1

O2的系数是以O物料衡算得来

r=0.5（b-nx-3（d-nz））以H物料衡算得来

s=a-nw以C物料衡算得来

其中n是降解效率，小于1，或称摩尔转化率。

例题：

原料1000kg，分子式【C6H7O2（OH）3】5

产物400kg，分子式【C6H7O2（OH）3】2

求V1

解：

Ø先求n反应前摩尔数：

反应后摩尔数：

所以n=1

Ø确定a,b,c,d,w,x,y,z并且计算r,s

a=30,b=50,c=25d=0

w=12,x=20,y=10,z=0

求r=0.5（b-nx-3（d-nz））=15（当d=0式中（d-nz）=0）

Ø有了r，可以求O2的系数得到18

所以O2量=1.23mol×18×32=708kg

这就是氧化所需的理论氧气量，折算成空气量即可。

在实际工作中，可以按照此值的2-3倍近似计算所需空气量即可。

不过，如果在堆肥过程中，考虑干燥的作用，则需计算干燥所需的空气量V2,。

举例说明。

例：

用一台封闭的发酵仓设备，以固体含量50%的垃圾生产堆肥，待其干燥至90%后，用作调节剂。

假设环境温度20℃，饱和湿度为0.015g/g（水/干空气），相对湿度75%。

试估算使用环境空气干化时，所需的空气量。

若将空气预热到60℃（饱和湿度0.152g/g）所需的量多少。

解：

Ø假定进出口温度相同，而排出的空气呈饱和状态

则：

原料中：

1g干固体，1g水分，总计2g

产物中：

1g干固体，0.111g水分，总计1.111g产物

即：

1—0.111=0.889g/g（水分/干固体）

Ø20℃，进口空气75%，出口100%

即：

进口水分含量0.75×0.015g/g（水/干空气）

出口水分含量1×0.015g/g（水/干空气）

所以1g干空气所带出去的水分为0.25×0.015g/g

Ø总计有0.0889g水分需要带出

则x=

此为所需干空气的质量，再折算成体积即可

如果加热至60℃，则不同的是出口的饱和水分含量不同，需要用60℃的数据。

对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量要适当，一般为0.1~0.2m3/m3.min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。

因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定。

2）含水率

水分是维持微生物代谢必不可少的物质

Ø当水分小于20%，微生物活动基本停止

Ø40-50%，活性开始下降，活性下降意味着体系热量来源不足，会导致T降低

Ø50-60%，最适合。

还要注意，含水率会随着时间的进行，下降，因而，如果要保持高效，需要在堆肥过程中进行水分调节。

水分的消耗主要两个方面，第一微生物代谢会消耗水分，第二，通风会使体系水分蒸发。

如果物料含水率偏低，一般用粪水或者污泥调节；如果含水率过高，则用粉煤灰、稻草秸秆或者堆肥的产物回流方式进行调节。

另外还要注意，最佳含水率还与原料中的有机物含量有关，有机物含量高，则所需的水分也高，有机物含量低，所需水分也低。

3）温度

堆肥的过程划分是根据温度的变化来确定的。

但是温度变化的内在因素是微生物的分解代谢活动，而影响堆肥体系温度变化的因素，主要是通风。

当体系温度过高时，可以通过通风的方式降低体系温度，防止温度过高。

在极限条件下，堆肥温度可以达到80-90℃。

在堆肥的初期，通风的目的是为了提供充足的氧气满足微生物代谢需要，而后期主要是为了控制温度。

在实际操作中，当体系温度超过60℃以后，应该加大通风量使温度下降。

对于堆肥过程而言，我们是希望体系在较高的温度维持较长的时间，因为较高的温度对于病原菌的杀灭是有效的。

ØT＞60℃,3天即可完成灭菌

Ø50℃＞T＞60℃，需要10-20天

Ø而当T＞65℃，不少微生物会形成孢子，呈不活动状态，不利于灭菌。

注：

灭菌效果取决于温度和时间，比如牛奶的灭菌方式分为巴氏灭菌和超高温灭菌两种方式

巴氏灭菌：

72-80℃3-15分钟

超高温灭菌：

135-140℃,1-3秒。

这种方式口感好，但是营养物质破坏比较多。

4）C/N比

在堆肥过程中，C是提供能量的物质，是堆肥的核心，温度变化的内在原因，N是合成细胞的原料，如果C/N低，系统能量不足，温度达不到要求，系统不会完成堆肥的过程，而如果C/N过高，堆肥的产物施用到土壤后，会夺取土壤中的N素，导致土壤N饥饿。

因此过高和过低都是不合适的。

堆肥原料的C/N在25-50之间最合适，实际经验表明在25-35之间，效果最好。

在堆肥过程中一部分的C以CO2形式损失，导致C/N降低，产物一般在10-20之间，这一比例对植物比较有利。

当原料的C/N不在适合的范围时候，需要预先进行调节，尤其是当几种物质混合堆肥时，更应该调整好比例。

例题：

树叶与污泥混合堆肥，确定比例，使其C/N在25。

树叶：

含水率50%，C/N：

50，含氮量0.7%

污泥：

含水率75,%，C/N：

6.3，含氮量5.6%

确定1kg树叶配比多少污泥

解：

首先确定1kg树叶中各种物质的量

水：

50%，即0.5kg；干物质：

50%，0.5kg；N=0.5kg×0.7%=0.0035kg；C=0.0035×50=0.175kg

再确定1kg污泥的

水：

75%，即0.75kg；干物质：

25%，即0.25kg；N=0.25×5.6%=0.014kg；C=0.014×6.3=0.0882kg

假设1kg树叶配比Xkg的污泥

所以

得到X=0.33kg

然后在通过水分验证水分是否合适

混合后0.33kg污泥+1kg树叶

水分含量=0.75/1.33=56%，在适合范围内。

5）C/P比

除了C/N之外，P也是微生物必须的营养元素，一般C/P控制在75-150之间，在实际操作中，对C/P的关注不如C/N。

P的补充一般是通过添加污泥，污泥中的P含量较高。

6）有机物含量

堆肥化是一个微生物分解有机物的生物化学过程，有机物的含量决定着潜在发热量，直接影响着堆肥温度的变化与通风供氧的要求。

但是，过高的有机物含量又将通风供养带来影响，从而产生臭气和厌氧。

研究表明，堆肥物料中最合适的有机物含量在20%～80%之间。

有机物含量间接的影响着含水率。

7）pH

pH值对微生物的生长也是重要影响因素之一，一般微生物生长最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难，影响堆肥的效率。

pH值是一个可以对微生物环境做出估价的参数，在整个堆肥过程中，pH值随时间和温度的变化而变化。

初期，pH会下降，因为有水解酸化。

之后有机酸分解，会升高。

因此，pH值也是揭示堆肥分解过程的一个极好的标志。

适宜的pH值可使微生物有效地发挥作用，使得堆肥过程顺利进行。

一般认为pH值在7.5-8.5时，可获得最大堆肥效率

8）粒度

堆肥原料的颗粒大小与堆肥通气、水分和挥发性物质有直接关系，进而影响堆肥的反应速度以及堆肥时间的长短。

从理论上讲，垃圾粒度越小，越有利于分解。

但堆肥时粒度越小，沉降后密实度越大，孔隙率随之减小，从而影响氧的输送、扩散。

通常粒度在15-50mm为宜。

其它指标

Ø腐熟度：

目前，没有比较完善的标准衡量堆肥的腐熟情况。

一般可以用感官（茶褐色或者黑色，不产生恶臭，手感松软）；温度（体系温度不再变化）；C/N（10-20:

1）；好氧速率或者CO2产生率（科学，但是测定较难，条件要求高）

Ø臭味：

在堆肥系统中，经常会出现一些如杂志、塑料等短时间不能降解的物质得到了降解，这主要是因为局部供氧不足，产生了有机酸，加速了这类物质的降解。

因为局部厌氧，所以会产生恶臭。

3.堆肥工艺

好氧堆肥工艺由前处理，主发酵（亦可称一次发酵，一级发酵或初级发酵）、后发酵（亦可称二次发酵、二级发酵或次级发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。

1）前处理：

包括分选、破碎以及含水率及碳氮比的调整

首先去除废物中的金属、玻璃、塑料和木材等杂质，并破碎到40毫米左右的粒度，然后选择堆肥原料进行配料，以便调整水分和碳氮比，可以使用纯垃圾，垃圾和粪便之比为7：

3或者垃圾与污泥之比为7：

3进行混合堆肥。

生活垃圾中往往含有粗大垃圾和不可堆肥化物质，这些物质会影响垃圾处理机械的正常运行，降低发酵仓容积的有效使用，使堆温难以达到无害化要求，从而影响堆肥产品的质量。

前处理的主要任务是破碎和分选，去除不可堆肥化物质，将垃圾破碎在12～60mm的适宜粒径范围。

2）原料的发酵阶段---主发酵和后发酵

我国大都采用一次发酵方式，周期长达30天。

目前采用二次发酵方式，周期一般至少用20天，一次发酵是好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程，具体从发酵开始，经中温、高温然后到达温度开始下降的整个过程，一般需要10—12天，高温阶段持续时间较长。

二次发酵指物料经过一次发酵后，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1—2米高的堆垛进行二次发酵并腐熟。

当温度稳定在40℃左右时即达腐熟，一般需20—30天。

主发酵：

主发酵可在露天或发酵仓内进行，通过翻堆搅拌或强制通风来供给氧气，供给空气的方式随发酵仓种类而异。

发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌（生长繁殖最适宜温度为30～40℃）进行的。

随着堆温的升高，最适宜温度45~65℃的嗜热菌取代了嗜温菌，能进行高效率的分解，氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响。

然后将进入降温阶段，通常将温度升高到开始降低为止的阶段称为主发酵期。

生活垃圾的好氧堆肥化的主发酵期约为4～12d。

后发酵：

碳氮比过高的未腐熟堆肥施用于土壤，会导致土壤呈氮饥饿状态。

碳氮比过低的未腐熟堆肥施用于土壤，会分解产生氨气，危害农作物的生长。

因此，经过主发酵的半成品必须进行后发酵。

后发酵可在专设仓内进行，但通常把物料堆积到1～2m高度，进行敞开式后发酵。

为提高后发酵效率，有时仍需进行翻堆或通风。

在主发酵工序尚未分解及较难分解的有机物在此阶段可能全部分解，变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。

后发酵时间通常在20～30d以上。

3）后处理阶段

是对发酵熟化的堆肥进行处理，进一步去除堆肥中前处理过程中没有去除的杂质和进行必要的破碎过程、经处理后得到的精制堆肥含水30%左右，碳氮比为15—20。

经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都被稳定化和减量化。

但在前处理工序中还没有完全去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物还要经过一道分选工序去除。

可以用回转式振动筛，磁选机，风选机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要进行再破碎（如生产精制堆肥）。

也可以根据土壤的情况，将散装堆肥中加入N、P、K添加剂后生产复合肥。

4）储存

贮存是指堆肥处理前必须加以堆存管理，一般可直接存放，也可装袋存放。

但贮存时要注意保持干燥通风，防止闭气受潮。

堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬两季就需积存，因此，一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设施，以保证生产的连续进行。

4.工艺系统

1）非反应器型：

Ø翻堆式条垛：

条垛式是堆肥系统中最简单最古老的一种。

它是在露天或棚架下，将堆肥物料以长状条垛或条堆堆放，在好氧条件下进行发酵。

垛的断面可以是梯形、不规则四边形或三角形。

条垛式堆肥的特点是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。

条垛式堆肥一次发酵周期为1～3个月。

这种堆肥化由预处理、建堆、翻堆和储存四个工序组成。

条垛式系统的优点是：

这是一种经济式堆肥系统所需设备简单，操作方便,成本投资相对较低；翻堆使堆肥易于干燥，填充剂易于筛分和回用；长时间的堆腐使产品的稳定性相对较好,适合于对环境要求较低的地区使用。

条垛式系统的缺陷是：

占地面积大，堆腐周期长，需要大量的翻堆机械和人力，需要更频繁的监测，才能保证通气和温度要求。

由于条垛式堆肥是开放系统，翻堆会造成臭味的散发，影响周围环境。

运行操作受气候影响大，雨季会破坏堆体结构。

冬季则造成堆体热量大量散失、温度降低等问题。

Ø静态条垛：

强制通风静态垛系统不同于条垛式系统之处在于堆肥过程中不是通过物料的翻堆而是通过强制通风方式向堆体供氧，它能更有效地确保高温和病原菌灭活。

在此系统中，在堆体下部设有一套管路，与风机连接。

穿孔通风管道可置于堆肥场地表面或地沟内，管路上铺一层木屑或其他填充料，使布气均匀。

然后在这层填充料上堆放堆肥物料，成为堆体，在最外层覆盖上过筛或未过筛的堆肥产品进行隔热保温。

强制通风静态垛系统的优点是：

设备投资相对较低；与条垛式系统相比，温度及通风条件得到更好的控制；堆腐时间相对较短，一般为2～3周；产品稳定性好，能更有效的杀灭病原菌及控制臭味；由于堆腐期相对较短、因此占地也相对较少。

但是通风静态垛系统堆肥易受气候条件的影响。

例如，雨天会破坏堆体的结构。

与条垛式系统相比，在足够大体积、合适的堆腐条件下，通风静态垛系统受寒冷气候的影响较小。

另外可以分为正压排气和负压吸气两种方式。

2）反应器型

Ø翻堆发酵池：

类似于条垛式，设置了隔墙，翻堆机在轨道上运行，设置顶棚，减少气候的干扰。

Ø多层发酵塔：

一般为圆形设备，我们看到的是剖面。

堆肥的天数一般即为塔的层数。

设置内拨旋转搅拌耙和外拨旋转搅拌耙，二者的区别是螺旋形状不同。

反应器内设置强制通风送气，也可以负压吸气。

该设备主要确定是旋转耙轴扭矩大，动力消耗大。

Ø静态减仓发酵塔：

螺旋杆出料。

圆筒形或者矩形，钢筋混凝土结构，一般是上窄下宽，防止其拱。

动力消耗小，结构简单。

Ø螺旋搅拌发酵仓：

也是螺旋搅拌，是静态减仓发酵塔的一种改进型。

进料是仓壁的内侧，出料是仓中央。

搅拌器自传，使原料提升，并且把新料混合进去。

自传的同时公转，使物料被搅拌的同时，由外向内出料。

停留时间，可由公转速度来调节。

这种方式，热损失小，温度升高快，发酵时间段。

一般5天即可。

温度可达60-70℃。

Ø达诺筒：

直径2.5-4.5米，长度20-40米，转速0.2-3转/min，t：

36h-48h（一次发酵）或者2-5天（二次发酵）

三．厌氧处理

垃圾厌氧处理的基本原理和污泥的厌氧消化一致，但是对于厌氧消化，具有实际运行经验，目前主流的是低固体厌氧消化，含固率一般在4-8%之间，含水率较高，而垃圾含水率远达不到这一数值，因此，需要添加水分，而消化后，还需进行脱水处理，较为麻烦，再加上垃圾中的有机物质含量较低，其产气效果不如污泥，因此，垃圾一般不采用厌氧消化方式进行处理。

除了低固体厌氧消化外，还有高固体厌氧消化，其含固率可以达到22%以上，垃圾水分接近这一标准，但是这种工艺，目前运行经验有限。

虽然对于垃圾的处理，厌氧技术难以发挥作用，但在特定领域还是可以有一定的应用，比如和污泥混合处理技术。

与厌氧消化相比，其周期短，产气不是主反应，作为好氧堆肥的辅助，产生少量的沼气，用于体系的热量来源，其主要目的使为生产燃料做准备。