固体废物处理与资源化：第六章 有机固体废物堆肥与厌氧发酵

1、第六章 有机固体废物堆肥与厌氧发酵 p97一、定义与分类1.堆肥化及堆肥 堆肥化（Composting）：在氧气充足条件下，借助好氧微生物，使有机物转化为稳定的腐殖质生物化学过程。 堆肥（compost）：堆肥化产物，具有一定肥效的土壤改良剂和 调节剂。2.有机固体废物厌氧发酵 固体废物中的有机成分在厌氧条件下，利用厌氧微生物新陈代谢的功能，转化为无机物质和自身的细胞物质，从而达到消除污染、净化环境的目的。第一节 概述（1）城市垃圾 须分选回收等预处理。（2）禽畜粪便 有机质、N、P、K及微量元素含量丰富，C/N比较低，有臭味，需除臭。（3）污泥 城市污水处理后污泥：有机物30%50%，氮2%

2、6%，磷1%4%，钾0.2%0.4%。（4）农林废物 植物秸杆：微生物的良好营养物质，进行堆肥和沼气发酵的理想材料。（5）泔脚和食品废物 有机质含量非常高，含水率也相当高，不可堆腐惰性物质和其它杂质量很少，有害物质含量甚微。二、好氧堆肥与厌氧发酵的原料第二节 好氧堆肥与厌氧发酵原理一、好氧堆肥1. 好氧堆肥原理 可溶性有机固体废物透过微生物细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收； 不溶的胶体有机物质，先吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。 微生物的分解代谢（氧化还原过程）和合成代谢（生物合成过程）。CsHtNuOvaH2O+bO2 CwHxNyOzcH2O+dH2O

3、(气) + eH2O(液) + fCO2 + gNH3+能量 堆肥成品（CwHxNyOzcH2O）与堆肥原料（CsHtNuOvaH2O）之比为0.30.5。W=5-10X=7-17Y=1Z=2-8 C、H、O、N、S、P+O2 CO2+NH3+SO42-+PO43-+简单有机物+更多的微生物+热量 （1）通风供氧量 主要作用： 提供氧气，以促进微生物的发酵过程； 通过供气量的控制，调节最适温度； 在维持最适温度的条件下，加大通风量可以去除水分。 堆肥过程合适的氧浓度为18%。 机械化连续堆肥生产系统，通过测定排气中氧含量确定发酵仓氧的浓度及氧吸收率，排气中氧的适宜体积浓度为14%17%。 实际

4、堆肥系统供氧量为计算值的两倍以上。 常用的通风方式： 自然通风供氧； 堆内预埋管道通风供氧； 机械翻堆供氧； 风机强制通风供氧。、是现代化堆肥厂常采用的主要方式，经常配合使用。 2.影响堆肥的因素p99通风供氧在自然通风条件下，垃圾堆体上面空间敞开，下面与大气相通，堆层内的空气受热后向上蒸腾，使得堆层形成微弱的上升气流，既保持好氧状态，又实现散热；在自然通风散热过慢时，应进行强制通风，其风向一般与自然通风一致。 通过通风量调节堆肥温度、水份和供氧量，控制恶臭产生和蚊蝇滋生，消灭堆肥中各种病菌，实现高温好氧发酵；翻抛机完成堆肥翻堆、破块、松堆功能；同时配备多点负压吸尘抽气装置，将臭气和翻堆过程中

5、的粉尘吸走，经生物除臭器进行除尘、除臭处理。 机械翻堆供氧需氧量计算：“教材P99例6-1” 反应式系数 原料与产物摩尔数 理论需氧量 将100kg有机废物进行好氧堆肥处理，假设有机物初始组成为C6H7O2(OH)35，分解后有机产物剩余40kg，且组成为C6H7O2(OH)32，计算好氧堆肥过程的理论需氧量。1选取计算公式并将条件代入 2确定系数n产物的摩尔数计算如下：原料的摩尔数计算如下：得到n1含水率与需氧量和细菌生长的关系曲线 （2）含水率 最适合含水率5060。 超过50时，微生物活性开始下降；20，活动基本停止。 含水率过高：孔隙率降低，供氧不足； 含水率过低：微生物繁殖慢，有机物

6、分解迟缓。城市垃圾堆肥全程发酵温度变化的典型曲线 （3）温度 中温菌：3040；高温菌：5060。 堆肥最佳温度5060，高温菌对有机物降解效率高于中菌温。 实际生产通过温度通风反馈系统自动调节温度。（4）有机质含量 最适合范围2080：过低，产生热量不足以维持堆肥所需温度；过高：通风供氧困难。（5）颗粒度 粒径范围1260mm：纸张、纸板最佳粒度3.85.0cm；材质较硬的废物0.51.0cm。（6）C/N比 有机垃圾作为堆肥原料，最佳C/N比为（2635）:1。 C/N比超过40：补加氮素材料调整C/N； “畜禽粪便、肉食品加工废弃物、污泥等” 随堆肥化过程的发展，堆体中的有机物含量逐渐降

7、低，C/N比逐步从30:1降至15:1，2/3的C以CO2形式释放，1/3的C与N合成细胞物质，在微生物死后被进一步释放。废物类型碳氮比人 粪610:1尿0.81牛 粪13:1禽 粪15:1马 粪25:1生污泥11:1活性污泥6:1杂 草10:1麦秸、稻草120150:1锯木末200600:1（7）碳磷比 适宜的C/P比为75150:1，污泥含磷高。（8） pH 堆肥的pH值为7.58.5时，堆肥速率最大。 堆肥初期，堆肥物产生有机酸，pH值可降至4.55.0； 随后逐渐上升，最高可达到8.08.5； 最终堆肥产品pH值基本稳定在7.5左右。 太低，加含石灰废物； 太高：通风或干燥处理生成有机

8、酸和二氧化碳，或与 熟化后的堆肥混合。二、厌氧发酵 特点： 能高效回收高含水率（60%左右）废弃物中的能量； 工艺简单； 能使有机物稳定减量； 高温消化能杀死大肠杆菌和寄生虫卵等，应用广泛。1. 厌氧发酵原理厌氧消化生化过程：三段理论厌氧发酵影响因素 温度因素 常温发酵（自然发酵，自然温度 ）； 中温发酵（2838； 3035 ）； 高温发酵（4860；5060 ）。嗜热菌嗜温菌嗜寒菌 C/N比和 C/P比 适宜的C/N比为（3020）:1。如C/N太高，细胞的氮含量不足，系统的缓冲能力低，pH值容易降低；C/N太低，氮含量过多，pH值可能上升，氨盐容易积累，会抑制发酵进程。可通过将贫氮原料与

9、富氮原料进行适当的配合来形成具有适宜C/N比的混合原料。 磷（以磷酸盐的形式）的需求量大约为氮的1/5，可通过加入磷酸盐来保证代谢速度。 混合均匀程度搅拌设备：使消化物料分布均匀；增加微生物与物料的接触机会；使消化产物及时分离。搅拌方式：机械搅拌；充气搅拌；充液搅拌。 添加剂和有毒物质 添加过磷酸钙，能促进纤维素的分解，提高产气量。 添加少量钾、钠、钙、镁、锌、磷等元素都能促进厌氧反应的进行。镁、锌、锰等二价金属离子是酶活性中心的组成成分，其中锰、锌离子还是水解酶的活化剂。 加入含有丰富厌氧菌的消化污泥或发酵液（接种物）等有助于厌氧发酵。 固体废物中常见的毒性物质（汞、铜、铬、镍、铵、钠、氰化

10、钾、苯酚、甲苯、重油等）对微生物有毒性或对其生长活动有抑制作用。 厌氧条件 氧化还原电位：-300mV左右。 消化液酸度由脂肪酸含量决定，脂肪酸含量大于20003000 mg/L 会使发酵过程受阻。 消化液碱度由氨氮含量决定，它能中和酸而使发酵液保持适宜的pH值。 水解与发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为56.5，甲烷菌对pH值的适应范围为6.67.5之间。在发酵系统中，氨与二氧化碳反应生成的碳酸氢氨使发酵液具有一定的缓冲能力。发酵系统中，应保持碱度在2000mg/L以上，使其有足够的缓冲能力，有效防止系统pH值的下降。 酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用 生物固体停留时间（污泥龄）与

11、负荷 发酵罐的容积负荷和发酵时间一般呈反比例关系。 （3）甲烷产量计算1 moL 有机碳可转化成 1 moL (CH4+CO2) 。 第三节 简易沤肥技术 将人粪尿、不能食用的烂叶子、动物粪便、杂草、秸梗、废物垃圾等有机废物混合堆积、糊泥密封，在自然条件下利用微生物的发酵作用，使堆料中的有机物腐熟，达到土壤可接受的稳定程度，成为一种含氮丰富的腐殖质，这一过程基本不进行或者很少进行人为控制。这种简单的不使用机械设备的堆肥方法又称为简易堆肥，堆制出的产品称为沤肥。一、 简易沤肥方法（缺） 简易沤肥技术介于好氧堆肥与厌氧发酵之间（无强制通风装置），初期为好氧，主要是利用需氧性微生物的活动，快速分解有

12、机物，并产生大量的热能使堆内的温度不断上升，一般可达到5070，并维持一定时间，将堆料的病菌、蠕虫卵、蝇蛆等杀死，达到无害化的目的；随着有机垃圾降解的进行，逐步转为厌氧性微生物为主要微生物来降解有机物，在这一阶段，一般分解较缓慢，产生的热量少。 部分有机垃圾中含有病原体和细菌等，具体做法： 加生石灰法 加农药处理法 加尿素法二、简易沤肥的无害化处理第四节 有机废物的堆肥工艺与控制一、好氧堆肥的基本工艺 基本工序：前处理、主发酵（一次发酵）、后发酵（二次发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。 底料：污泥、城市有机固体废物、农林废物和庭院废物等。调理剂两种类型： 结构调理剂：无机物或有机物，减少底

13、料容重，增加底料空 隙，有利于通风； 能源调理剂： 有机物，增加可生化降解有机物的含量，增加混 合物的能量。 1.前处理 分选：回收废品、去除大块垃圾和不可堆肥物（石块、塑 料、金属等）。 破碎：粒径范围1260mm；粒径变小，物料表面积增加，便 于微生物繁殖。 筛分：粒径不能太小，需保持一定的孔隙率和透气性能，确 保通风供氧均匀充分。 混合：使不同物料成分、水分等均匀分布。 水分调节：适宜范围5060。水分太高，机械压缩脱 水；水分太低，加粪稀或回流部分堆肥。 调节养分：2.主发酵 从堆肥开始，经升温段、高温段至降温段结束的整个过程。 分解大部分有机物，灭杀蛔虫卵、病原菌、孢子等。 城市有机

14、固体废物的好氧堆肥主发酵期约为412d。 需氧量大：翻堆或通风。3.后发酵 主发酵半成品中有机物进一步分解得到完全腐熟的堆肥成品。 后发酵时间取决于堆肥的使用情况，通常在2030d。 需氧量小，翻堆，通常不通风。4.后处理 5.脱臭 产生的臭气成分：NH3、H2S、甲硫醇、胺类等。 脱臭方法：6.贮存 供应期集中在春播与秋种两季，冬、夏两季生产的堆肥需要贮存，一般可贮存于二次发酵仓或包装袋中，应注意干燥、通风。 二、典型好氧堆肥工艺 城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程（CJJ/T5293） ： 一次性发酵、二次性发酵。 二、典型好氧堆肥工艺1.好氧静态堆肥工艺2. 间歇式好氧动态堆肥工艺3.

15、 连续式好氧动态堆肥 一批原料堆积成条垛或置于发酵装置内后，不再添加新料和翻倒，直到堆肥腐熟后运出。 堆肥物料一直处于静止状态，物料及微生物生长不均匀，物料有机质含量高于50%时，静态强制通风较困难，易造成厌氧状态，使发酵周期延长。1. 好氧静态堆肥工艺2. 间歇式好氧动态堆肥工艺间歇翻堆的强制通风垛或间歇进出料的发酵仓。 3. 连续式好氧动态堆肥 连续进料和连续出料的方式， 可有效地处理高有机质含量的原料。 DANO卧式回转窑垃圾堆肥系统1 加料斗; 2 磁选机; 3 给料机; 4 DANO式回转窑发酵仓; 5 振动筛; 6 三号皮带运输机; 7 玻璃选出机; 8 堆肥; 9 玻璃片; 10

16、 二号皮带运输机; 11 驱动装置; 12 一号皮带运输机; 13 板式给料机 达诺筒垃圾堆肥肥效 含有丰富的有机质、氮、磷等养分，不仅可用于改善土壤，作为土壤改良剂，还可作为有机肥用于粮食、蔬菜、花卉、林木等方面的生产。通过三个方面改善土壤： 改善土壤结构：增加土壤有机质，提高土壤的通透性能，改善 土壤的理化性质。 增加土壤养分：有机物质吸附量大，许多养分不易流失；有机 肥料养分齐全，易分解，其营养元素的含量和配 比很适合作物吸收利用。 提高土壤生物活性。第六节 堆肥肥效和利用二、有机肥的农业利用1.混合堆肥的必要性 堆肥中的N、P、K混合含量通常很少能达到3%。经过精细分选的颗粒肥料，含有

17、一定的碎玻璃、陶瓷、金属、废塑料等不易腐化物质，单独施用于农田，会造成地表粗糙，破坏表土性能，造成土壤污染。 化肥与堆肥具有很大程度的互补性，配合施用，就能达到优势互补，扬长避短。 2.有机-无机复混肥配方发达国家发展中国家中国氮1.370.990.66磷0.510.490.18钾0.710.970.83 我国与国外堆肥肥效比较 南宫生活垃圾堆肥厂 第七节 厌氧发酵设备与工艺一、发酵设备 水压式沼气池（a）1 加料管；2 发酵间（贮气部分）；3 池内液面0-0；4 出料间液面（b）1 加料管；2 发酵间（贮气部分）；3 池内料液液面A-A；4 出料间液面B-B（c）1 加料管；2 发酵间（贮气

18、部分）；3 池内料液液面A-A； 4 出料间液面B-B；5 导气管；6 沼气输气管；7 控制阀二、发酵工艺1. 传统沼气发酵工艺类型（1）按温度分类：高温发酵、中温发酵、常温发酵。（2）按发酵级数分类：单级、两级和多级发酵。 （发酵工艺系统中相互连通的沼气池的数量）（3）按投料方式分类：连续发酵、半连续发酵、批量发酵、 两步发酵（水解产酸池和产甲烷池） 。 常温发酵农村沼气池工艺流程 Q2. 现代大型工业化沼气发酵工艺流程1 有机废物； 2 进料； 3 进料口； 4 分选； 5 料槽； 6 废物； 7 破碎机；8 天然气供应站； 9 加气站； 10 内消耗； 11 电网； 12 沼气罐；13 主变电站； 14 临时储存仓； 15 气体处理站； 16 热交换； 17 发电；18 区域供热系统； 19 热储存罐； 20 发酵热； 21 发酵仓； 22 热交换；23 废液肥料脱水； 24 堆肥产品； 25 堆肥精制车间； 26 脱水。特点 消纳大量有机废物，适用城市垃圾和污水处理厂污泥。 发酵周期比较短。 产沼气量大，质量高，用途广泛。 堆肥产品肥效高，市场潜力大。 运行过程