第五章

城市生活垃圾的堆肥化處理第一節概述2一、堆肥化的基本概念1、堆肥化(composting)定義：依靠自然界廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，有控制地促進可被生物降解的有機物向穩定的腐殖質轉化的生物化學過程，其實質是一種發酵過程。2、堆肥“廢物經過堆肥化處理，制得的成品叫做堆肥(compost)。它是一類棕色的、泥炭般的腐殖質含量很高的疏松物質，故也稱為“腐殖土”。3有機固體廢物的堆肥化技術是一種最常用的固體廢物生物轉換技術，是對固體廢物進行穩定化、無害化處理的重要方式之一，也是實現固體廢物資源化，能源化的系統技術之一。5補充：土壤腐殖質的組成、性質和形成（Humus）1、土壤中的有機質（1）非特殊性的有機質，包括動、植物殘體的組成部分及其分解的中間產物。它們均為有機化學中已知的化合物，如蛋白質、炭水化合物、脂肪、木質素等。占有機質總量的10～15％。（2）土壤腐殖質，土壤特有的一類有機物，不易為微生物分解，因此是土壤有機質的主體，占總量的85～90％。2、腐殖質的化學處理及產物1）胡敏酸（humicacid）（胡敏酸和烏里酸）（1）元素含量Substances%dryash-freebasisCHONFulvicacids44-493.5–5.044-492.0–4.0Humicacids52-623.0–5.530-333.5–5.0Proteins（蛋白質）

50-556.5–7.319-2415.0–19.0Lignin（木質素）62-695.0–6.526-33-（2）分子結構胡敏酸是一類縮合程度不同的多聚體化合物（3）胡敏酸4個主要組成部分：①帶有酚羥基、甲氧基和羧基的無氮芳香核；②雜環類的含氮化合物③側鏈上的含氮物質④與①②兩部分相連接的糖類殘基2）吉馬多美朗酸3）胡敏素：與礦物質牢固結合的胡敏酸。4）富啡酸（fulvicacid）：可能與胡敏酸是同類多聚體，富啡酸是胡敏酸酸原始形態。3、土壤腐殖質可能的形成過程1）生物殘體的微生物降解——H2OCO2NH3等或者形成胡敏酸的結構單元。2）各結構單元縮合為腐殖質。二、堆肥的分類根據堆肥化過程中氧氣的供應情況可以把堆肥化過程分成兩種。1、好氧堆肥（高溫堆肥）：在通氣條件好，氧氣充足的條件下通過好氧微生物的代謝活動降解有機物。特點：一般在55～60℃時比較好，有時可高達80～90℃，堆制周期短，也稱為高溫堆肥或高溫快速堆肥。2、厭氧堆肥：是在氧氣不足的條件下借助厭氧微生物發酵堆肥。特點：堆制溫度低，工藝較簡單，成品堆肥中氮素保留比較多，可以得到清潔能源沼氣。16三、好氧堆肥的產生與工業化1925年印度的英國農藝學家AlbertHoward

發明了Indoremethod。

1933年，Dano法。181940年，美國厄普·托馬斯法：開始利用發酵槽機械式堆肥，通過接種特種微生物縮短了發酵期。19從20世紀70年代，化肥和垃圾成分的變化使得很多堆肥廠關閉。垃圾的處理一度為焚燒和衛生填埋所取代。20世紀90年代以后，由于環境保護、綠色農業和可持續發展的需要，堆肥處理又得到了較多的重視。20四、堆肥產品的優勢1、施用后堆肥產品可改善土壤的理、化性質：（1）土壤容重隨堆肥用量的增加而減小,（2）總團粒結構和水穩團粒結構均有增加趨勢,土壤孔隙度提高,從而提高了土壤的通氣透水和田間持水量,明顯改善了土壤的物理性質。（3）施用堆肥可改善土壤對酸堿的緩沖能力,提高土壤保肥性。21

2、堆肥產品中含有有機質和P、K等多種植物所需的養分，施用后促進植物產量和品質的提高；3、施用堆肥增加土壤的微生物活性，可修復被污染的土壤，可成為“微生物肥料”；4、堆肥是緩效性肥料，肥效期較長，不會對農作物產生傷害。22第二節好氧堆肥原理及過程23一、好氧堆肥的基本原理在有氧的條件下，依靠好氧微生物，有機廢物中的可溶性物質可透過微生物的細胞壁和細胞膜被直接吸收；而不溶性的固體和膠體有機物質，先被吸附到微生物體外，依靠分泌的胞外酶分解為可溶性物質，再滲入細胞。微生物通過自身的生命代謝活動，進行分解代謝（氧化還原過程）和合成代謝（生物合成過程）。2425合成(同化作用)氧化堆肥有機物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物細胞物質(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3

，PO42-，SO42-能量隨水或氣體排入環境釋放能量轉化為熱供生物合成用(異化作用)+腐殖物質+好氧堆肥原理圖1、總反應過程262、有機物氧化：273、細胞質的合成4、細胞質的氧化285、好氧分解總化學反應方程式29二、好氧堆肥微生物30三、堆肥化過程（反應過程）大致可分為以下三個階段：1、中溫階段（產熱階段）2、高溫階段3、腐熟階段311、中溫階段（產熱或起始階段）堆置初期（發酵之前），15～45℃，嗜溫性微生物利用堆肥中可溶性有機物進行旺盛繁殖。溫度不斷上升，此階段以中溫、需氧型微生物為主。在目前的堆肥化設備中，此階段一般在12小時以內，蛋白質、淀粉等有機物被嗜溫性微生物利用轉化。在此過程中,熱量不斷積累。322、高溫階段45℃以上，嗜熱性微生物為主，復雜的有機物如半纖維素、纖維素等開始被強烈分解。50℃左右主要是嗜熱性真菌、放線菌、細菌；60℃時，幾乎僅為嗜熱性放線菌和細菌在活動；3370℃以上大多數嗜熱性微生物不適應,大批死亡、休眠。在各種酶的作用下,有機質仍在繼續分解,但溫度會由于微生物死亡，酶的作用消退而逐漸降低，溫度低于70℃以下時，休眠的嗜熱微生物又重新活躍起來并產生新的熱量，經過反復幾次保持在70℃的高溫水平，腐殖質已經基本形成，堆肥物質初步穩定。病原菌和寄生蟲大多數可被殺死。343、降溫階段(腐熟階段)只剩下部分較難分解的有機物和新形成的腐殖質，此時微生物的活性下降，發熱量減少，溫度下降。嗜溫性微生物又占優勢，借助殘余有機物（包括死掉的微生物殘體）而生長，腐殖質不斷增多且穩定化，堆肥進入腐熟階段，需氧量和含水量降低。35降溫后，需氧量大大減少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧擴散能力增強，此時只須自然通風，最終使堆肥穩定，完成堆肥過程。成品堆肥呈褐色、暗灰色、溫度低具有土壤的霉味，無臭，無明顯纖維狀物質。3637第三節堆肥化工藝38一、基本工藝流程現代堆肥生產，通常由前處理、主發酵（一次發酵、一級發酵或初級發酵）、后發酵（二次發酵、二級發酵或次級發酵）、后處理、脫臭及貯存等工序組成。391、前處理以城市生活垃圾為堆肥原料時,包括破碎、分選、篩分、混合，以及養分、水分、物理性狀調整等工序。作用：（1）去除不可或不宜堆肥物；（2）調整原料的營養成分和物理性狀。40

2、主發酵（一次發酵、一級發酵或初級發酵）堆肥化物料溫度升高到降低為止的階段，稱為主發酵階段（或主發酵期）。包括中溫階段、高溫階段和降溫階段，時間約4～12天。以廚房垃圾為主體的生活垃圾和家畜糞尿堆肥，此階段約3~8天。41423.后發酵（二次發酵、二級發酵或次級發酵）將主發酵尚未分解的易分解和較難分解的有機物進一步分解，使之變成腐殖酸、氨基酸等較穩定的有機物，得到完全成熟的堆肥制品。也稱為熟化階段，堆肥過程的腐熟階段,發酵時間通常在20～30天以上。4.后處理二次發酵后，物料形狀變細，體積也明顯減少了。進一步去除雜物，經過破碎分選，根據需要加入N、P、K等養分，得到更高質量的堆肥產品。最后打包裝袋。445.脫臭化學除臭劑除臭；水、酸、堿水溶液吸收；臭氧氧化法；活性炭、熟堆肥等吸附劑吸附法。6、貯存堆肥一般在春秋兩季使用，夏冬兩季生產的堆肥只能貯存，所以要建立可貯存6個月生產量的庫房。貯存時可直接堆存在二次發酵倉中或袋裝，要求干燥而透氣。45二、堆肥工藝實例46三、影響固體廢物堆肥化的主要因素1、通風供氧量2、有機質含量3、堆料含水率4、溫度5、碳氮比6、pH值7、顆粒度471、通風供氧量（1）通風的作用：供氧；調溫；去水分。（2）通風供氧方式：自然擴散；翻堆；強制通風；翻堆和強制通風結合的方式；（3）控制方式：實際需氧量為理論空氣量的2-10倍，堆肥過程適宜的氧體積分數為5～15％。運行時通常用排氣中O2和CO2含量控制通風量。最佳排氣O2濃度為14%~17%；CO2的體積濃度應為3%~6%。4849（4）理論需氧量計算例1：用一種成分為C30H50O25的堆肥原料1000kg進行好氧堆肥，完成后剩余400kg，測定其堆肥產品成分為C12H20O10。試確定該堆肥原料化學氧化時的理論需氧量。答案：708kg。換算成標況下的空氣體積是多少m3？答案：2361.6Nm3.50例2：某市日產生活垃圾100t，擬采用好氧堆肥法處理，該生活垃圾有效組分為C60H100O50N,垃圾含水率40%，揮發性固體占總固體比例0.9，可生物降解揮發性固體占揮發性固體比率0.6。假設生物降解揮發性固體都得到了好氧分解，產生的氨氣全部進入大氣，試計算該垃圾好氧堆肥的理論需氧量。51解：可降解揮發性固體的質量=100*（1-40%）*0.9*0.6=32.4t氧的系數=（a+0.25b-0.75c-0.5d）=60+0.25*100-0.75-0.5*50=59.25理論需氧量則為59.25*32*32.4/1634=37.60t522、有機物含量（1）有機物含量：最適為20%~80%，過低產熱不足，過高則供氧不足。（2）調整堆肥原料的有機物組分的方法對堆肥原料進行預處理，將有機物含量提高至50%以上(含污泥的堆料的揮發性固體含量應大于50%)，具體方法：53a.發酵前在堆肥原料中摻入一定比例的城市污水、污泥、畜糞等。

b.城市生活垃圾和污泥混合堆肥。通常污泥作調理劑，一般原污泥中含有較高的揮發性物質（指單位干重固體在馬福爐中600℃灼燒損失的部分），直接堆肥較好。543、堆料含水率（1）堆肥中水分的作用：①溶解有機物，參與微生物的新陳代謝；②調解堆肥溫度。55（2）含水率的影響：最佳含水率為40~60%(按質量計)。水分超過70%，易造成厭氧狀態，并會產生H2S等惡臭氣體，分解速度明顯降低。含水率40％~50％之間，微生物活性即將開始下降。水分低于40％時，堆肥溫度隨之下降。含水率小于12％時微生物的活動基本停止。56（3）含水率調整方法水分較低時，可加污水或人畜糞尿等含水率高的添加劑；過高時，則可攤開晾干或添加稻草木屑等松散吸水物。實際生產中，經常采用一定量熟堆肥回流至原料，配合添加劑使用。57（4）測定水分的方法105℃±5℃下，2~6h，測定物料的失重。在實際操作中，簡便的測定方法為：以手緊握物料能成團，有水跡出現，但水不滴出為宜。584、堆肥過程的溫度控制溫度是微生物活動劇烈程度的最好參數。（1）溫度的作用：①影響微生物的生長，堆肥的最佳溫度為45~60℃；②無害化的要求：反應器和強制通風靜態垛系統，堆體內部溫度大于55℃的時間必須達5天；對于條垛系統，堆體內部溫度大于55℃的時間至少為15天。（2）控制方法：溫度-供氣反饋系統；定期翻堆。595、堆肥過程的C/N比控制（1）作用：保證成品堆肥中一定的碳氮比(一般為10～20:1)和堆肥中使分解速度有序地進行。（2）適宜的C/N比范圍：25~35:1時發酵過程最快。過低(＜20:1)，微生物的繁殖會因能量不足受到抑制，導致分解緩慢且不徹底；另外，由于可供消耗的碳素少，氮素相對過剩，將變成氨氣揮發，降低肥效。60過高(＞40:1)，則堆肥施入土壤后，將會發生奪取土壤中氮素的現象，產生“氮饑餓”狀態，對作物生長產生不良影響。（3）堆肥中氮、碳的測定方法氮的測定用凱氏法，碳用重鉻酸鉀法。616、堆肥過程的pH值控制一般pH值在5.5~8.5時，可獲得最大堆肥速率。最終的堆肥產品pH值基本在7.5左右。可通過添加中和劑如石灰、磷酸鹽、鉀鹽等來改變pH值。但通常堆肥可通過自身調節，如無特殊情況，一般不必調整pH值。若pH值降低，可通過逐步增強通風來補救。627、顆粒度顆粒度對通風量有重要影響。堆肥物料的平均適宜粒度為12～60mm。如紙類產物3.8～5.0cm。木質產物在0.5～1.0cm。63第四節堆肥方法與設備641、非反應器型堆肥方法與設備翻堆式條堆法靜態條堆法2、反應器型堆肥方法與設備

1、攪拌式翻堆發酵池

2、鏈板式翻堆發酵池

3、多層發酵塔

4、靜態筒倉發酵塔

5、螺旋攪拌式發酵倉

6、達諾式滾筒發酵65一、堆肥方法與設備分類661、翻堆式條堆法將堆肥物料以條垛式條堆狀堆置，在好氧條件下進行發酵。垛的斷面可以是梯形、不規則四邊形或三角形。條垛式堆肥的特點是通過定期翻堆來實現堆體中的有氧狀態。條垛式堆肥一次發酵周期為1～3個月。該堆肥過程由預處理、建堆、翻堆和儲存4個工序組成。二、非反應器型堆肥方法與設備6768翻堆機69優缺點優點：所需設備簡單，投資相對較低；翻堆使堆肥易于干燥，填充劑易于篩分和回用；產品的穩定性相對較好。缺點：占地面積大；堆腐周期長；需要大量的翻堆機械和人力；需要更頻繁的監測，才能保證通氣和溫度要求；翻堆會造成臭味的散發，影響周圍環境；運行操作受氣候影響大，雨季會破壞堆體結構，冬季則使堆體熱量大量散失、溫度降低。702、靜態條堆法（1）在條垛式堆肥系統上增加通風系統，就成為強制通風靜態垛系統。它能更有效地確保高溫和病原菌滅活。（2）場地：場地的表面應結實、能迅速排走積水和滲濾液。71（3）通風系統：包括鼓風機和通風管路。①通風管路：固定式通風系統的管路放于水泥溝槽中或平鋪在水泥地面上，上鋪木屑、刨花等空隙率較大的填充料，以便均勻布氣；或完全靠水泥溝槽充當通風管路。移動式通風系統主要由簡單的管道直接放在地面上構成，成本低，設計靈活，易于調整。②通風方式：正壓鼓風機或負壓抽氣，也可用二者組成的混合通風。72③通風的控制方式：一般常用溫度或時間控制。在堆體中安裝溫度反饋系統，堆體內部溫度超過60℃時，鼓風機自動開始工作，排出堆料熱量和水蒸汽，使堆體冷卻下來。也可每隔15min~20min通風供氧。（4）特點設備投資相對較低；與條跺式堆肥系統相比，溫度及通風條件得到更好的控制；堆腐時間相對較短，一般為2~3周；產品穩定性好，能更有效的殺滅病原菌及控制臭味；占地也較少；受寒冷氣候的影響較小。73反應器堆肥系統是使堆肥物料在部分或全部密閉的反應器即發酵裝置(如發酵倉、發酵塔等)內，控制通風和水分條件，使物料進行生物降解和轉化，也稱發酵倉系統。特點：在一個或幾個容器內進行，機械化和自動化程度較高。堆肥基本步驟與其他兩類系統相同。74三、反應器型堆肥方法與設備1、鏈板式翻堆發酵池752、攪拌式翻堆發酵池763、多層發酵塔由多層平面構成。進料口在反應器的上部，物料先進入第一層，然后一層層被向下推移。在各層之間可以有不同的時間停留，通過攪拌使堆料均勻，最后堆料進入最底層，從出料口運走。整個堆腐過程中進料和出料是連續的。通氣管道位于反應器的下部，由許多支管組成，外連鼓風機。在反應器的上部設有一廢氣口，產生的臭氣可以統一收集處理。7778常見的立式發酵塔結構示意圖7980814、靜態筒倉發酵塔混勻的物料從發酵倉頂部進入并充滿反應器，占據整個發酵倉。具有分支管路的通氣管道在發酵倉底部，廢氣由反應器上部的廢氣管道排出，出口略低于混合物的上表面，通過抽氣的方式把廢氣收集處理。進料和出料可以是間歇的或連續式的。產品由反應器的下部出口運走，物料在反應器的移動以推流式方式進行。5、螺旋攪拌式發酵倉826、滾筒式發酵倉根據物料在反應器內的移動方式又分為：a、推流式：物料從倉體的進料口進入，沿倉體移動到反應器末端的出料口，物料通過發酵倉的旋轉翻滾而達到混合。空氣可以采用正壓和負壓方式通過流程中的一系列噴口進行分配，通過對溫度的監測來調節堆肥過程中的通氣量。這是迄今為止最普遍被采用的發酵倉系統。b、分割式：沿物料流動方向，反應器被分為一個個小室，在不同的室內，物料可以進行不同時間、不同堆腐條件的堆腐，物料從一室移入另一個室，最后進入出料口被移走。物料的移動通過一條條傳送帶進行。在每個小室中，物料通過旋轉破碎機械設備而破碎混合。8384DANO滾筒發酵85第五節堆肥腐熟度及堆肥質量評價86一、堆肥腐熟度的評價指標堆肥腐熟度是指成品堆肥的穩定程度。在工程上，它是衡量堆肥反應完成的信號，在農業上，它是堆肥質量的指標。腐熟度的基本含義是：（1）通過微生物的作用，堆肥的產品要達到穩定化、無害化，亦即不對環境產生不良影響；（2）堆肥產品的使用不影響作物的成長和土壤耕作能力。常見指標如下：871、物理評價指標溫度、顏色、氣味、質地。2、C/N值木材類廢物從30~35降低至18~20，認為腐熟。3、揮發性固體堆肥穩定后，揮發性固體含量降低。884、耗氧速率其基本原理是在一次發酵末期，好氧速率趨于平穩，堆溫開始下降；二次發酵期間，耗氧速率變化不大，總體呈下降趨勢。當堆肥穩定時相對耗氧速率基本穩定在0.02△O2%/min左右，由此判斷堆肥腐熟度。895、種子發芽指數GI(%)=（堆肥處理種子發芽率*種子根長/對照種子發芽率*種子根長）*100%除上述指標外，還有一些指標見下表。9091方法參數或項目表觀鑒別法1.溫度；2.顏色；3.氣味；4.質地化學方法碳氮比（C/N）；氮化合物（總氮、NH4