（环境工程专业论文）青岛市生活垃圾和污泥联合堆肥技术研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o na n dt h ei n c r e m e n to fp o p u l a t i o n ，q u a n t i t yo f m s w ( m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ) i n c r e a s er a p i d l y c o m p o s t i n gi so n e o ft h em a i nm e t h o d so f m s wr e s o u t c 宅st r e a t m e n t h o w e v e r ，d u r i n gt h et r i a lo p e r a t i o no fx i a o j i a n x ib i o t r e a t m e n t p l a n t ，i tw a sf o u n dt h a tt h ee o m p o s t i n gp r o d u c tw a so f l o wl e v e lr o t t e nd e g r e e ，s e r i o u sl o s so f n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ，s o m eh e a v y m e t a l se x c e e d e d i tw i l la f f e c tt h ea p p l i c a t i o ns c o p eo f m s w c o m p o s t i n gp r o d u c t t h e r e f o r e ，o nt h eb a s i so fs e p a r a t em s w c o m p o s t i n g ，d i f f e r e n t p r o p o r t i o n so fm s ( m u n i c i p a ls l u d g e ) w e r ea d d e dt oi m p r o v et h ep h y s i c a l - c h e m i c a l p r o p e r t i e so ft h ec o m p o s t i n gm a t e r i a l s i nt h ee x p e r i m e n t ，t h et e c h n i c a la n de n v i r o n m e n t a l f e a s i b i l i t yo fm s wc o - c o m p o s t i n gw i t hs l u d g ew a st e s t e da n dd i s c u s s e d t h i sr e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d et h ef o l l o w i n g ： 1 ) d e t e r m i n i n g t h em i x i n gr a t i o ； 2 )e f f e c t so fs l u d g ea m o u n to nn i t r o g e nt r a n s f o r m a t i o na n dl o s s ； 3 ) q u a l i t y e v a l u a t i o no fc o m p o s tp r o d u c t s ； 4 ) t h e p l a n tt o x i c i t yo fc o m p o s tp r o d u c t s t h em a l nc o n c l u s i o n sa sf o l l o w s ： u n d e rt h em s m s wr a t i o = l ：6a n d1 ：4 ( w e tw e i g h tr a t i o ) ，t w og r o u p sm a t e r i a l sc a n b eq u i c k l yh e a tu pa n dm e e tt h es t a n d a r do fg b7 9 5 9 8 7 s a n i t a r ys t a n d a r df o rt h e n o n h a z a r d o u st r e a t m e n to f n i g h ts o i l ) ) ，t h e na e r o b i cc o m p o s t i n gi sf e a s i b l e a d d i t i o no fs l u d g ei sb e n e f i c i a lt ot h ea c c u m u l a t i o no fa m m o n i u ma n dn i t r a t ec o n t e n t , r e d u c i n gt h en i t r o g e nl o s s ，w h i c h i sh e l p f u lt or e s e r v en i t r o g e n a d d i t i o no fs l u d g ei sb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h ed e g r e eo fs t a b i l i z a t i o n t h er e s u l t so fh e a v ym e t a l sd e t e c t i o n ，m o r p h o l o g i c a la n a l y s i sa n dl e a c h i n gs h o w e dt h a t ， c da n dn ia r en o td e t e c t e d ，z na n dp ba r em a i n l yi nt h eu n s t a b l es p e c i a t i o na n do fh i g h e n v i r o n m e n t a lr i s k ，w h i l ec u ，c ra n da sa r em a i n l yi nt h es t a b l es p e c i a t i o na n do fl o w e n v i r o n m e n t a lr i s k t h ep l a n tt o x i c i t yo fc o c o m p o s tp r o d u c ti sl o w t h el e a c h i n gs o l u t i o no ft h ec o m p o s t h a sd i f f e r e n te f f e c t so np l a n t i nt h ea p p r o p r i a t er a t i o ，t h ec o m p o s ti sb e n e f i c i a lt op a i n t g r o w i n g t h ec o m p o s t o fm s wa n ds l u d g ec a nb eu s e da ss o i lr e g u l a t o ro rf e r t i l i z e r i nt h ea p p r o p r i a t er a t i o ，i ti sf e a s i b l et oc o e o m p o s t i n gm s ww i t hs l u d g e a d d i t i o no f s l u d g ei sb e n e f i c i a lt or e s e r v en i t r o g e na n di n c r e a s er o t t e nd e g r e e t h ec o m p o s tp r o d u c ti s 青岛理工大学工学硕士学位论文 b e n e f i c i a lt op a l mg r o w i n g i ti sf e a s i b l et oc o - e o m p o s t i n gm s w w i t hs l u d g ei nt e c h n o l o g y a n de n v i r o n m e n t a lr i s k k e y w o r d s ：m u n i c i p a ls o l i dw a s t e ，m u n i c i p a ls l u d g e ，c o - e o m p o s t i n g ，r o t t e nd e g r e e ， h e a v ym e t a l s ，p l a n tt o x i c i t y 青岛理工大学工学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 研究的背景、目的和意义 1 1 1 研究背景 随着城市的加速发展、人口数量的增加、经济的迅速发展，以及人民生活水平 的逐步提高，城市垃圾的产量呈现出逐年递增的趋势。据2 0 0 9 中国统计年鉴数据表 明，我国城市生活垃圾从1 9 8 2 年的3 1 3 0 万吨增长到2 0 0 8 年的1 5 4 3 7 7 万吨，并保 持以每年6 - 1 0 的增长率增长【l 切。 城市生活垃圾的处理处置和资源化的利用已得到学者的广泛研究，对城市生活 垃圾的处理处置方式主要分三种：卫生填埋、焚烧和堆肥化【3 】。目前，我国已有上 百座城市生活垃圾填埋场以及一般堆场，已填入或堆放的垃圾有上千万吨，卫生填 埋仍然是我国大多数城市处置生活垃圾的主要方法【】。据2 0 0 5 年建设部的统计数 据，共有各类生活垃圾处理厂( 场) 4 7 9 座，其中卫生填埋场3 6 5 座，年处理能力6 6 7 2 万吨，约为8 2 4 ，占绝对主导地位【6 】。根据2 0 0 9 中国统计年鉴数据，2 0 0 8 年我 国生活垃圾卫生填埋量1 2 4 0 5 万吨，占总处置量的8 0 3 6 ，焚烧和堆肥化处理处置 量为3 0 8 7 万吨，仅占总处置量的1 9 6 4 1 2 1 。伴随着城市地价的攀升和征地费用的 增加，要不断的提供新的垃圾填埋场地满足填埋需求就更加困难，并且一般填埋场 的投资在4 0 0 0 万人民币以上，而且使用年限只有1 0 - 1 5 年，所以关键问题是如何 延长已使用的填埋场的使用年限和提高垃圾中资源化利用或回收比例【| 7 1 。 青岛是山东省的政治、经济、金融和文化中心之一。被评为国家卫生城市、中 国优秀旅游城市、国家园林城市、国家环境保护模范城市、国家节水型城市，并相 继获得联合国和国家人居环境范例奖、中国人居环境奖、全国文明城市等荣誉称号。 青岛已经成为最适宜人类创业、居住的城市之一【3 】。随着青岛市经济的快速发展和 “拥湾发展”战略的提出，城市人口日益增长，人民生活水平不断提高，青岛市生活 垃圾产量呈逐年上升趋势。据青岛市2 0 0 9 年统计年鉴统计显示，青岛市2 0 0 8 年生 活垃圾清运量达到1 2 7 万吨，青岛市生活垃圾主要以填埋为主，堆肥处理比例较低 【2 】 o 青岛市小涧西垃圾填埋场主要负责除黄岛区外六区垃圾的卫生填埋任务，2 0 0 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 年一期填埋工作已接近尾声，2 0 1 0 年青岛市固体废物有限责任公司筹备垃圾填埋场 的二期扩建的任务。随着国家对填埋场的选址、环境评价和审批等方面的日益严格， 青岛市生活垃圾的合理化处理处置已成为青岛市经济建设亟待解决的问题之一。 2 0 0 8 年9 月，青岛市小涧西生化处理厂建成，主要负责青岛市生活垃圾的堆肥化处 理，设计规模为3 0 0t d 【9 1 。在青岛小涧西生活垃圾堆肥试运行期间发现，单独生活 垃圾连续堆肥产品中存在腐熟程度低、氮磷元素流失严重、部分重金属超标等问题， 限制堆肥产品的应用范围 9 】。单独生活垃圾堆肥处理存在诸多问题，影响了堆肥化 处理的应用与发展。由此可见，限制生活垃圾堆肥处理的主要原因为堆肥产品质量 问题，导致产品销路不畅，使堆肥厂无法继续经营。在国内，2 0 0 8 - - - 2 0 1 0 年的两年 内，国内有1 3 座堆肥厂停产，采用堆肥化处理连续1 0 年内同比下斛1 0 】。 1 1 2 研究目的和意义 在现阶段，如何解决单独生活垃圾堆肥产品质量问题是堆肥化进一步研究的关 键因素之一。与单独生活垃圾堆肥化相比，城市污泥连续堆肥化成套技术还不成熟， 而在生活垃圾中投加一定量城市污泥不仅可以调节物料c n 等理化性质，还可以实 现城市污水厂污泥的资源化。为此，本研究以分选后生活垃圾为堆肥原料，按不同 比例投加污水厂污泥来改善生活垃圾的理化性质，研究分选后垃圾与污泥联合堆肥 的技术可行性，为青岛市生活垃圾堆肥化处理提供技术参考。 本研究对青岛市生活垃圾的资源化处理具有重要的理论和实际意义，主要为： 为生活垃圾和污泥的资源化提供理论指导，减少资源的严重浪费。 探索青岛市生活垃圾和污泥联合堆肥的技术可行性，试图解决和改善单独生 活垃圾堆肥所存在的问题，为青岛市生活垃圾堆肥化提供合理化参考与建议。 进一步推广生活垃圾和污泥联合堆肥的应用领域，为其他地区垃圾资源化提 供科学借鉴。 1 2 城市垃圾处理处置文献综述 在我国，生活垃圾一般是指城市生活垃圾，又称城市固体废物( m u n i c i p a ls o l i d w a s t e ，m s w ) ，主要包括来自居民生活与消费、市政建设与维护、商业活动、市区 的园林及耕种生产、医疗和娱乐场所等方面产生的一般性垃圾，以及人畜粪便、厨 房废物和污水处理的污泥等，通常将城市生活垃圾简易分为有机物、无机物、可回 青岛理工大学工学硕士学位论文 收物品三大类1 1 m 】。有机物可用于堆肥，无机物主要用于填埋，可回收物包括纸张、 塑料、破布、金属和玻璃等可回收再利用【12 1 。 1 2 1 城市垃圾产生量 随着现代化社会的快速发展，人民生活水平的提高，商品消费量迅速升高，城 市垃圾的产生量和清运量也迅速增加。城市地区的气候、生活标准、年代、教育程 度、地区位置、收集方式和弃置习惯等因素都会影响城市垃圾的产生量【1 3 】。城市生 活垃圾的产量是城市建设、管理的基础性资料，是生活垃圾处理工程的重要设计依 据【l4 1 。生活垃圾产量不仅随经济发展水平变化，还受能源、生活习惯、季节和气候等 变化的影响。各个地区由于经济发展水平和居民的消费习惯等不同，其生活垃圾人均 日产量存在一定的差异，但垃圾总产量呈增长趋势【1 4 】。 世界各国垃圾年产量一般都逐年增长，大致维持在全球1 3 的增长率。1 9 6 0 年平均产生速率为1 2k g ( 人d ) ，到2 0 0 3 年为2 0 2k g ( 人d ) 1 1 5 。美国1 9 8 8 和1 9 6 8 年垃圾的产生量分别为1 6 3 亿吨和1 2 7 亿吨，与2 0 0 5 年的2 2 2 8 亿吨相比， 分别提高了4 4 7 和8 5 8 。据统计，我国城市生活垃圾产生量以每年6 8 的 速率增长，1 9 8 0 年我国城市垃圾总清运量为3 1 3 2 万吨，1 9 9 0 年就增长到了近6 5 0 0 万吨，到2 0 0 8 年时，全国城市垃圾总清运量为1 5 4 3 7 7 万吨5 1 。图1 2 1 为2 0 0 3 2 0 0 8 年我国城市垃圾的清运量。 营 r 嘲 ! 圈 蜓 囊； 捌 ! g 删 1 0 32 0 0 42 0 0 52 0 0 62 0 0 72 0 0 8 年份 图1 - 2 12 0 0 3 2 0 0 6 中国城市生活垃圾处理量及无害化处理率 摹 槲 剐 s 瓶 瞅 阳 印 如 如 加 m o 删 伽 姗 咖 湖 鲫 伽 ” ” b ：2 m 埔 冲 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 2 2 城市垃圾分类 城市垃圾种类繁多，可依据垃圾性质、组成、产生及收集来源等进行不同的分 类，主要依据垃圾的性质、垃圾的组成分类和垃圾产生及收集来源等【1 6 1 。按垃圾产 生分类情况见表1 2 1 。 表1 - 2 1 按垃圾产生分类。1 6 1 垃圾分类垃圾产生及收集来源 食品垃圾也称厨房垃圾，值居民住户排除的主要成分 普通垃圾也称零散垃圾，指纸类、废塑料、罐头盒、玻璃、木片等日用废物 庭院垃圾 包括植物残余、树叶、树权及庭院其它清扫杂物 指城市道路、桥梁、广场、公园及其他露天公共场所由环卫系统收集清扫的垃 清扫垃圾圾 指城市商场、各类商业性服务网点或专业性营业场所如菜市场、食品店等产生 商业垃圾的垃圾 建筑垃圾指城市建筑物、构筑物进行维修或兴建的施工现场产生的垃圾 危险；垃圾包括医院传染病房、放射治疗系统、核试验等场所排放的各种废物 其它垃圾除以上各类产生源以外所排放的垃圾 最近几年，城市垃圾总量大幅度上升的同时，结构也发生很大变化，生活垃圾 中无机物的含量持续下降，有机物含量不断上升，可燃物增多，可利用价值增大【1 7 】。 据有关报道，在2 0 0 0 年时，我国在垃圾中就混有废钢铁1 5 0 4 3 0 万吨，废有色金 属1 0 0 - 1 2 0 万吨，废橡胶8 5 9 2 万吨，废塑料2 3 0 2 5 0 万吨，废玻璃1 0 4 0 万吨， 废纸1 0 0 0 - 1 5 0 0 万吨【1 7 j 。 在日本，垃圾是分类收集和处理的，生活垃圾一般分为可燃垃圾、不可燃垃圾、 资源垃圾和有害垃圾等四大类，可资源化的垃圾主要是纸张、塑料、玻璃、金属等， 有害垃圾包括日光灯、水银温度计、干电池、气体打火机、灭火器等18 1 。在我国， 城市垃圾尚未进行分类收集，但江源等对中国5 个大中城市居民进行问卷调查显示， 广泛开展生活垃圾分类收集，能够获得绝大多数城市居民的理解和支持，该政策在 城市居民中具有较高的认知度，这与近年来广泛开展的垃圾分类宣传和试点有很大 关系，做好被分类收集的不同垃圾成分的运输和处理的后续上作，是垃圾分类政策 能否获得成功的关键【1 9 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 生活垃圾各组成的资源化的适用性见图1 2 2 。 结构程度增加 图1 - 2 2 生活垃圾各组成的堆肥化或厌氧消化的适用性 堆肥化和厌氧消化是生活垃圾资源化处理的主要途径。与堆肥化相比，厌氧消 化控制因素较多，比较严格，要求原料中可降解组分要高，许多无机盐类、金属化 合物等对厌氧微生物有明显的抑制作用【2 0 1 。从中国生活垃圾收集类型和组成而言， 由于分类收集起步较晚，目前，尚不能对垃圾进行系统分类收集，由此看来，好氧 堆肥化是生活垃圾无害化处理的途径之一。 1 2 3 处理和处置技术 目前，城市生活垃圾的处理处置方法仍主要以卫生填埋、焚烧、回收利用、堆 肥为主【2 1 。表1 2 2 为世界主要国家城市垃圾收集、处理处置方法所占比例( 2 0 0 8 年) 。可见，不同国家对城市生活垃圾的处理处置技术存在一定的差异。生活垃圾产 生量较高的美国、中国、巴西、墨西哥等主要以填埋为主；日本生活垃圾焚烧比例 较高，占废物收运量的总量7 4 ；垃圾回收比例较高的主要为美国、日本、德国、 英国、法国等发达国家，发展中国家生活垃圾回收利用率普遍较低；而堆肥比例较 高的国家集中于欧洲地区，主要为德国、法国、意大利和西班牙等国家。城市生活 垃圾不同处理处置特点如表1 2 3 所示。 5 青岛理工大学工学硕士学位论文 一 表1 2 2 世界主要国家城市垃圾处理处置方法所占比例1 2 1 国家截止年份 填埋( ) 焚烧( ) 回收利用( )堆肥( ) 美国2 0 0 55 4 31 3 6 2 3 8 中国2 0 0 34 3 1 2 5 8 4 4 8 巴西2 0 0 06 2 7 0 3 1 44 1 日本 2 0 0 3 3 47 4 1 6 8 德国2 0 0 41 7 7 2 4 6 3 3 1 1 7 1 墨西哥2 0 0 69 6 7 3 3 英国 2 0 0 5 6 4 3 8 4 1 7 49 3 法国2 0 0 53 63 3 8 1 5 8 1 4 3 意大利 2 0 0 5 5 4 41 2 1 3 3 3 土耳其 2 0 0 4 9 7 8 1 4 西班牙 2 0 0 4 5 1 76 7 9 3 2 7 韩国2 0 0 43 6 4 1 4 44 9 2 - _ _ l - _ _ - _ - _ _ i _ _ _ _ _ _ i - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ 一 黑譬釜矍翌篓巷田相对姊，叵 占地面积大； 。 2 善辇誓翌嘉墓耋冕墓翼警誓吝易军星姜会：垃圾渗滤液等二次污 一埋蓍鬻粼麓利戮蒜= 牝珊弓 。 使垃圾实现无害化； 堆肥质量差； 堆肥 堆肥产品可作肥料使用； 肥效低：一 旦塞塑资源化； 堆制过程易产生臭味； 在中国，不同城市经济发展状况的不同，导致生活垃圾处理女h 虿吾覆丽葛磊虿 6 为辽宁省、河南省、上海市和北京市等，日处理能力相对较少；在国内，无害化处 理能效率整体偏低，仅为6 6 7 6 ，无害化处理率较高的省市主要为江苏省、浙江省 和北京市，其中北京市无害化处理率最高，为9 7 7 1 t 2 1 。 表1 - 2 - 4 国内主要城区垃圾处理处置方法所占比例2 l 1 3 城市垃圾混合堆肥研究进展 1 3 1 堆肥化原理 堆肥化是在控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物， 促使生物的有机废物发生生物稳定作用，使可被生物降解的有机物转化为稳定的腐 殖质的生物化学过程，堆肥化的产物称为堆肥【l l 】。好氧堆肥是在一定温度和p h 值 条件下，通风供氧，利用好氧嗜温菌与嗜热菌对其中有机物进行生物化学分解，使 青岛理工大学工学硕士学位论文 其成为一种类似腐殖质土壤的物质，它是一种深褐色，有泥土气味的物质，质地疏 松，具有一定肥效，可做土壤的改良剂或调节剂【2 l 】。 十 甲 排入环境 释放，转化为热量 图1 - 3 1 堆肥过程有机物好氧分解示意 1 3 2 生活垃圾与污泥混合堆肥 截至2 0 0 6 年，我国共有城市污水处理厂9 3 9 座，日处理污水能力6 3 7 0 万吨， 每天产生市政污泥4 万多吨【2 2 1 。城市污泥中含有大量病毒、寄生虫、重金属、有机 物等有毒有害物质，如果不加以合理化处理处置，会造成严重的二次污染。城市垃 圾结构疏松，碳氮比较高，而污泥结构密实，碳氮比较低，可将两者混合进行堆肥， 不仅可以改善堆肥物料的物理结构，而且起到调节碳氮比的作用，还可增加氮素含 量。 王涛【2 3 】、盛晴2 4 】、曹萍【2 5 】、逯延军 2 6 - 2 7 、周美红陶等认为城市垃圾与污水处理 厂污泥联合好氧堆肥是可行的。何品引2 9 】等以堆肥原料孔隙率与堆肥过程评价参数 确定生活垃圾和污泥的最佳配比为：城市垃圾与污水厂污泥为0 2 6 - 0 3 8 ，城市垃 圾与污水厂污泥和管道污泥为0 3 - - - - 0 。4 。曹萍【2 5 】等认为，城市垃圾、污水厂脱水污 泥和排水管污泥混合堆肥时，原料的最适合比例为：城市垃圾( 6 6 7 4 ) ，污水 厂脱水污泥( 1 3 1 7 ) ，排水管污泥( 1 3 1 7 ) 。逯延军【2 6 之7 】等研究垃圾和污 泥不同混合高温好氧静态堆肥小试发现，当垃圾和污泥的体积比例为3 ：1 时，能够 获得较佳的温度、好氧速率和有机物降解率；污泥投加量越大，垃圾量越少，氮素 损失越严重。吴雷犁3 0 】等研究高含水率城市生活垃圾( 含水率6 5 ) 和脱水污泥 好氧堆肥工艺处理时发现，预处理垃圾和污泥在质量比1 - - 3 时，堆肥化可以达到卫 8 青岛理工大学工学硕士学位论文 生化和稳定化的处理要求。周美红【2 8 1 在1 0 0t 中试规模下，用生活垃圾和污泥堆肥 生产生物有机肥，此工艺能缩短堆肥时间，减轻堆肥过程中臭气排放，提高堆肥产 品质量，增加产品有益菌活菌数，产品腐熟度良好。 1 3 3 生活垃圾与粪便混合堆肥 生活垃圾和粪便联合堆肥的研究主要为生活垃圾和禽畜粪便、人的粪渣等进行 联合堆肥。据资料统计，全国畜禽粪便产生量约3 1 9 亿t ( 2 0 0 3 年) ，超过农业废 弃物比例的6 0 ，其中只有不到3 0 得到了初步处理和利用，7 0 则直接向环境中 排放，新鲜或未完全腐熟的猪粪施于土壤时，会因其所含有机物在土壤微生物的作 用下快速分解，使土壤中0 2 含量减少，n h 3 、c 0 2 浓度增加，从而影响植物根系的 呼吸作用，同时，有机质分解产生的有机酸等代谢产物，对作物的发芽和发育有害 3 1 - 3 3 】。与单独生活垃圾堆肥相比，将生活垃圾与畜禽粪便联合好氧堆肥也有利于堆 肥化进行和堆肥产品品质的提高。付美云瞰】等研究认为生活垃圾与猪粪好氧堆肥满 足腐熟要求，满足植物生长需求。杨天学【3 5 】等采用固体废物好氧堆肥成套技术时， 在生活垃圾中添加牛粪后，会改善物料性质，升温速率快、灭菌效果好、腐熟度较 高、堆肥产品品质高、市场前景好等优点，宋光桃 3 6 】、郑景华【3 7 1 也有类似结论。 目前，国内外城镇粪便的处理场，多采用粗过滤、除砂、除泥脱水等工艺，最 后进入市政管网，脱水机排出的干粪渣由堆肥厂收购，制成有机肥回收利用【3 8 】。据 统计，2 0 0 8 年全国城市粪便总清运量达到6 8 3 2 万吨，清运量逐年上升，公厕数达 11 5 3 3 7 座【3 9 1 。贾随堂【删等通过生活垃圾和粪便堆肥试验发现，混合堆肥细菌繁殖速 度快，可增加微生物的数量和菌属种类，提高堆肥的耗氧速率，加快有机质的降解， 缩短堆肥时间，形成复杂而稳定的生物生态系统，不仅可以降低生活垃圾处理厂的 投资，还可以生产出肥效较高的复合有机肥。郑景华研究混合堆肥垃圾与粪便表明， 混合堆肥可有效提高堆肥养分含型3 7 1 。杨吲4 1 1 、王秀蘅4 2 1 等研究认为，生活垃圾与 粪便混合堆肥通风方式宜采用负压抽吸，更有利于有机质降解。 1 3 4 接种菌剂对堆肥微生物的影响 国外关于堆肥接种剂的研究始于半个世纪前，并在日本、美国、韩国、以及我 国台湾等地广泛应用，我国2 9 世纪9 0 年代开始堆肥微生物在堆肥过程中的作用和 9 青岛理工大学工学硕士学位论文 机制进行研究。关于堆肥接种剂对微生物总量、不同种类微生物已得到广泛的研究 【4 3 】 o ( 1 ) 微生物总量 邓强等人人工接种z z m z 堆肥微生物制剂堆肥处理与未接种堆肥在堆肥前后微 生物数量相差较大，堆肥后期微生物数量相差不大，人工接种z z m z 堆肥微生物比 自然堆肥高4 2 2 【4 4 1 。陈活虎嗍等研究蔬菜废物堆肥中微生物得知，微生物总量在 第4 d 达到峰值，其后逐步下降，第1 5 d 时各组分微生物总量分别为第4 d 的1 7 - 2 2 ，同时，不同类微生物达到峰值时间不同。朴仁哲【4 6 1 等研究鸡粪堆肥过程中微 生物变化表明，微生物菌剂的加入，可有效地改善鸡粪堆肥过程中微生物的群落结 构。 ( 2 ) 细菌 周可等【4 7 】接种菌剂后发现，发酵初期，细菌繁殖速度加快，第5 天时达到峰值 1 2 x 1 0 1 0 个儋。此后，随着堆温上升至高温阶段，细菌总量迅速下降，第1 5 天时降 至最低9 7 x 1 0 7 个g 。邓强等删人工接种z z m z 堆肥微生态制剂，能够激发细菌快 速繁殖，细菌数量显著增加，处理细菌数量比自然堆肥处理高4 5 3 。王慧杰等【4 8 】 研究微生态调节剂的添加对猪粪堆肥过程中细菌生理群的影响发现，好气性纤维素 分解细菌数量比自然堆肥高2 2 5 2 ，厌气性纤维素分解细菌数量比自然堆肥低 3 0 5 6 ，氨化细菌数量比自然堆肥高1 4 9 5 ，氨化细菌数量比自然堆肥高1 5 8 7 ， 亚硝化细菌数量比自然堆肥高3 8 4 6 ，反硝化细菌数量比自然堆肥低3 9 9 2 。 ( 2 ) 放线菌 周可等 4 7 1 接种不同菌剂处理，在发酵初期，放线茵数量迅速增加，但不同发酵 过程温度变化下，放线菌增值数量差距较大。邓强等接种z z m z 堆肥微生态制剂放 线菌数量比自然堆肥高6 5 4 ，同一堆肥时期，人工接种z z m z 堆肥微生态制剂堆 肥，放线菌数量也高于未接种z z m z 堆肥微生态制剂堆肥。 ( 4 ) 真菌 周可等发现，无论是接种茵剂还是对照的真菌数量均缓慢增加，并没有因高温 而减少4 7 1 。邓强等研究得出真菌数量在堆肥前期较高，堆肥后期真菌数量较少，高 温期真菌数量最少，堆肥过程中人工接种z z m z 堆肥微生态制剂堆肥真菌数量低于 未接种z z m z 堆肥微生态制剂堆肥，特别在堆肥中后期。人工接种z z m z 堆肥微生 态制剂堆肥处理真菌数目比自然堆肥低6 5 9 3 t 4 4 4 7 】。 1 0 青岛理工大学工学硕士学位论文 1 3 5 堆肥腐熟度评价 腐熟度判定对堆肥工艺和堆肥产品的质量控制以及堆肥产品使用后对环境的影 响都具有重要意义。未腐熟的堆肥产品施人土壤后，能引起微生物的剧烈活动导致 氧的缺乏，从而导致厌氧环境，还会产生大量中间代谢产物一有机酸及还原条件下 产生的n h 3 、h 2 s 等有害成分，这些物质会严重毒害植物的根系，影响作物的正常 生长【4 9 - 5 0 1 。 堆肥腐熟度是反映有机物降解和生物化学稳定度的指标之一。腐熟度指标通常 有三类：物理学指标、化学指标和生物学指标。物理学指标易于检测，常用于描述 堆肥过程所处的状态；堆肥过程是有机物的生化转化过程，所以化学指标和微生物 学指标得到了广泛应用。物理学指标、化学指标和生物学指标的特点和局限汇总表 1 3 _ 2 。 表1 - 3 2 堆肥腐熟度度指标孙5 2 】 腐熟堆肥特征 指标特点与局限 值 易检测；不同堆肥系统温度变化差异显著，堆体各区域 温度接近环境温度 温度分布不均匀，限制了温度作为腐熟度指标的应用 产品具有土壤 物 气味可直观而定性地判断堆肥是否腐熟，难以定量 气味 理 色度黑褐色或黑色 色度受原料成分的影响，较难建立统一的色度标准，难 性以判断堆肥的腐熟程度 指 堆肥的丙酮萃取物在6 6 5 n m 的吸光度随堆肥的时间呈 标 光学特性 e 6 6 5 n m 0 0 0 8 下降趋势；该研究只是初步的试验 残余浊度水 堆肥7 l l d 的产品在改进土壤残余浊度和水电导率方 面具有最适宜影响；需与植物毒性试验和化学指标结合 电导率 进行研究 挥发性固体 v s 降解3 8 以 易于降解；原料中v s 变化范围较广且含有难于生物降 上，产品中 ( v s )解的部分，v s 指标的实用难以具有普遍意义 v s 6 5 产品中不含淀 淀粉易于检测；不含淀粉是腐熟度的必要而非充分条件 粉 化b o d s 2 0 - - 4 0 9 k g b o d 5 反映的是堆肥过程中可被微生物利用的有机物的 学 量；对于不同原料的指标无法统一；测定方法复杂费时 性 p h 值 8 9 测定简单；p h 受原料和条件的影响，只作为堆肥腐熟 指 的一个必要条件 标 w s c w s c 6 5 9 k g 测定尚无统一标准 w s c w s n 趋 w s c - 有机氮 一些原料的初始w s c - 有机氮 6 于5 6 w s c w s nw s c a v s n 2 w s n 含量较少，测定结果准确性较差 n h + - n 6 0 ) 腐殖化参数 h i 3 应用各种腐殖化参数可评价有机废物堆肥的稳定性；新 ( h i )的腐殖质形成时，已有的可能已矿化 腐殖化程度 受含水量等堆肥条件和原料的影响较大 ( d h ) 生物可降解 b i 2 4 仅考虑了堆肥时间和原料性质，未考虑堆腐条件，通风 指数( b i )量和持续时间等 比耗氧速率 变化反映了堆肥过程微生物活性的变化：氧含量在线监 呼吸作用 o 5 m 9 0 2 ( g v s 测快速简单 h 1 生 生物活性试反映微生物活性的参数有酶活性和a t p ；应用尚需进一 物 验步研究 性 利用微生物 不同堆肥期间微生物群落结构随堆肥不同而变化：堆肥 指 评价 中某种微生物存在与否及其数量多少并不能指示堆肥 标 的腐熟程度 植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具有说 发芽试验 g i ：8 0 8 5 服力的方法；不同植物对植物毒性的承受力和适应性有 差异 1 4 研究内容 针对单独生活垃圾连续堆肥产品中存在腐熟程度低、氮磷元素流失严重、部分 重金属超标等问题，严重影响堆肥产品的应用范围，为此，本研究在单独生活垃圾 堆肥的基础上，通过投加污水厂污泥来调节物料c n 、孔隙率等理化性质，探索垃 圾与污泥联合堆肥技术的可行性，本论文的主要研究内容如下： ( 1 ) 城市垃圾和污泥联合堆肥比例的确定：将分选后生活垃圾与污泥按不同比 例混合，进行高温好氧堆肥，通过监测堆肥过程中一般指标变化，来判断联合堆肥 技术上的可行性； ( 2 ) 污泥用量对氮素转化与损失的影响：与单独生活垃圾堆肥相比，研究不同 污泥混合比例对堆肥氮素( 总氮、有机氮、氨氮和硝氮) 转化与损失的影响： ( 3 ) 堆肥产品质量评价：通过腐熟度、腐殖化指数、重金属总量和形态分析三 方面综合评价联合堆肥产品的质量，探讨联合堆肥产品的应用范围； 1 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 4 ) 堆肥产品植物毒性：通过种子发芽率、根生长试验和盆栽试验三方面来评 价堆肥产品的植物毒性。 图1 _ 4 1 为本论文的技术研究路线。 1 3 青岛理工大学工学硕士学位论文 第2 章堆肥材料与方法 2 1 实验材料及来源 2 1 1 污泥 青岛市生活污水厂污泥产生单位有1 0 家，污泥产量为1 5 万吨年，累计历史 堆存量为近1 0 万吨。实验用污泥来源于青岛市麦岛污水处理厂消化后脱水污泥。青 岛市麦岛污水处理厂处理的污水主要是生活污水。该厂产生的污泥主要包括污水中 的泥砂、纤维、动植物残体等固体颗粒及其凝结的絮状物，各种胶体、有机物及吸 附的金属元素、微生物、病菌、虫卵、杂草种子等混合固体物质。实验用污泥如图 2 1 1 所示。 2 1 2 生活垃圾 图2 - 1 i 实验用麦岛污水处理厂消化污泥 青岛市生活垃圾由青岛市垃圾中转站( 负责除黄岛区外的六区) 的垃圾运输车 直接进入堆肥厂预处理车间卸料大厅卸料，再由装载机将卸料场垃圾送往垃圾受料 地坑，由位于地坑底部的板式给料机将物料均匀输送给钢板输送机，经过人工手选 平台将大件垃圾分拣出来后，将物料送入破袋预处理工序。经破袋机破袋处理后， 垃圾袋被均匀地撕裂、破碎，袋中垃圾均匀洒落出来，然后由皮带机输送进入第二 次人工手选。二次人工手选后的垃圾进入滚筒筛进行筛分处理，筛下小于6 0 m m 的 垃圾再经过风选、磁选后直接输送到垃圾堆肥处理系统，筛上大于6 0 m m 的垃圾经 第三次人工手选后，再进行风选、磁选后填埋处理一j 。 堆肥所用生活垃圾主要来源于小涧西生化处理厂经过人工分拣、风选、磁选后 青岛理工大学工学硕士学位论文 的垃圾，即为预处理后的生活垃圾9 1 。预处理后生活垃圾如图2 1 2 所示。 图2 - 1 2 预处理后生活垃圾 2 1 2 1 预处理前后垃圾组成分析 生活垃圾前处理是为了去除垃圾中非生物降解物质和可回收物质，来满足堆肥 化处理的要求。表2 1 1 为进入堆肥厂的生活垃圾成分分析表。由表2 1 1 可以看出， 进料中可堆肥有机物约为6 8 6 6 ，不可降解及不可回收类约为4 1 ，可回收垃圾 约为2 7 。2 。 表2 - 1 1 堆肥厂进料成分分析 物理成分( ) 可堆肥有机类不可回收类可同收类 植物动物贝壳 砖瓦 煤灰土类纸类织物塑料 金属 玻璃 6 8 6 62 4 91 6 302 9 46 4 416 6 6 0 3 0o 8 8 6 8 6 64 1 22 7 2 2 进入堆肥厂的垃圾经过人工手选、破碎、筛分、风选、磁选后，分别将大件垃 圾、衣物及塑料袋等不易堆肥降解垃圾、金属等可回收垃圾分选出来，使垃圾物料 更适合堆肥化。表2 1 2 为预处理后垃圾物料的成分分析。 表2 - 1 2 预处理后的生活垃圾成分分析 物理成分( ) 可堆肥有机类不可回收类可同收类 植物 动物贝壳 砖瓦煤灰土类纸类 织物塑料金属玻璃 7 3 7 37 4 32 1 7 04 3 5 01 1 9 6 0 0 3 6 7 3 7 39 6 016 6 7 由表2 1 2 可以看出，经过预处理后生活垃圾中含有动植物等可堆肥有机物可 青岛理工大学工学硕士学位论文 达7 3 7 3 ，不可降解及不可回收类约为9 6 0 2 ，可回收垃圾约为1 6 6 7 。 2 1 2 2 预处理前后垃圾组分变化分析 分选前后可堆肥化有机类、不可回收类及可回收类所占比例如图2 1 2 所示。 由图可以看出，经预处理，可堆肥化有机类物质含量增加约5 ，不可回收类比例 增加约5 ，可回收类减少约1 0 。 8 0 7 0 6 0 鑫5 0 墨4 0 l 1 3 0 2 0 1 0 0 - ， 口预处理前预处理后 可堆肥有机类 不可回收类 可回收类 图2 - 1 2 预处理前后不同组分的变化 垃圾组劳- 图2 - 1 3 预处理前后不同组分的变化 预处理前后垃圾不同组分变化如图2 1 3 所示。可以看出，经预处理后，可全 部回收织物、金属等废品，可部分回收塑料，可去除部分砖瓦、玻璃等杂物，明显 青岛理工大学工学硕士学位论文 了提高了可堆肥化有机类物料的比例。 2 2 实验方案设计 实验前对污泥、生活垃圾各项指标进行取样分析，其理化性质分析见表2 2 1 。 表2 2 1 实验前污泥、分选后生活垃圾理化性质分析 根据堆肥的最适宜条件c n = 2 0 3 0 、含水率4 0 - 6 0 、p h = 5 一- , 9 ，设计不同混 合比例物料进行堆肥，设计混合质量比例( 污泥垃圾) 分别3 ：1 、2 ：1 、1 ：1 、1 ： 2 、1 ：4 和1 ：6 ，六个比例混合堆肥方案进行堆肥实验。不同混合物料堆肥初始条 件见表2 2 2 所示。 表2 - 2 2 不同物料混合配比 2 3 堆肥运行条件 堆肥在青岛小涧西生化处理厂堆肥仓内进行，堆肥仓尺寸为1 1 0 m 3 m x 3 m ，由 装载机将污泥与分选后的生活垃圾混匀物料铲入到发酵仓内，堆体高约1 6 m ，宽 3 0 m ，长3 0 m 。发酵仓为密闭厂房式构筑物，下设通风道，采用鼓风机强制通风， 每隔4 0 分钟通风1 0 分钟，每隔2 天由装载机翻堆。堆肥在2 0 1 0 年8 。1 1 月进行， 堆肥时间为4 5 d ，定期取样进行相关指标分析。堆肥仓及堆体情况见图2 3 1 。 青岛理工大学工学硕士学位论文 2 4 取样及样品预处理 图2 - 3 1 试验堆肥仓及堆体情况 取样参照c j t3 0 3 9 9 5 城市生活垃圾采样和物理分析方法中大于3m 3 容器 方法，从在对角线上等距布设3 个取样点，每个取样约1 5 埏，合计约4 5 k g ，混合 后进行分析。分选前垃圾取样：卸料后形成类似圆锥形料堆，在料堆的顶部、中部 ( 中一t l , ) 下部( 外侧) 各取1 个样品，取样量约4 5 k g ，混合后进行分析。分选后垃 圾取样：分选后形成类似卸料后的料堆，取样点位置、取样量及频次与分选前相同。 包括：晾晒、烘干、浸提、研磨、筛分、过滤等，为测定各指标做好准备工作。 2 5 检测项目与分析方法 堆肥主要检测项目：温度、含水率、有机质、有机碳、t k n 、氨氮、硝氮、p h 值、发芽指数、重金属、腐殖质等。 2 5 1 常见指标检测与分析方法 试验过程中所用的试验方法和分析仪器见表2 5 1 和表2 5 2 。 表2 - 5 1 实验分析方法 青岛理工大学工学硕士学位论文 - _ _ _ _ _ - _ _ - _ l _ _ _ - l _ _ i _ i - l _ _ i _ _ _ _ - _ - - l _ _ l l _ _ l - - _ _ l - _ i i - i i _ - _ _ _ _ _ _ - - _ l - _ - _ 有机质( o m ) 一 重铬酸钾法干样 p h 值 1 1 p t k g i 含盐量 氯离子 1 ：1 0 ( m v ) 水浸提玻璃电极法 氢氧化钠熔融 钼锑抗分光光度法 氢氧化钠熔融 原子吸收分光光度法 1 ：1 0 ( m v ) 水浸提2 5 c 培养法 1 ：1 0 ( m v ) 水浸提 1 ：1 0 ( m v ) 水浸提 重量法 滴定法 鲜样 干样 干样 干样 干样 干样 表2 - 5 2 实验所用仪器一览表 仪器名称型号 生产厂家 精密p h 计p h s 3 c 型上海安亭昌吉路1 4 9 号雷磁仪器厂 可见分光光度计 7 2 2 s 型 超声波清洗器k h s 2 0 0 型 紫外分光光度仪u v - 1 2 4 0 型 电子天平b h 2 2 0 0 h 型 冷冻水浴