第5章 城市生活垃圾的堆肥化处理

第五章

城市生活垃圾的堆肥化处理第一节概述2一、堆肥化的基本概念1、堆肥化(composting)定义：依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质是一种发酵过程。2、堆肥“废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(compost)。它是一类棕色的、泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。3有机固体废物的堆肥化技术是一种最常用的固体废物生物转换技术，是对固体废物进行稳定化、无害化处理的重要方式之一，也是实现固体废物资源化，能源化的系统技术之一。5补充：土壤腐殖质的组成、性质和形成（Humus）1、土壤中的有机质（1）非特殊性的有机质，包括动、植物残体的组成部分及其分解的中间产物。它们均为有机化学中已知的化合物，如蛋白质、炭水化合物、脂肪、木质素等。占有机质总量的10～15％。（2）土壤腐殖质，土壤特有的一类有机物，不易为微生物分解，因此是土壤有机质的主体，占总量的85～90％。2、腐殖质的化学处理及产物1）胡敏酸（humicacid）（胡敏酸和乌里酸）（1）元素含量Substances%dryash-freebasisCHONFulvicacids44-493.5–5.044-492.0–4.0Humicacids52-623.0–5.530-333.5–5.0Proteins（蛋白质）

50-556.5–7.319-2415.0–19.0Lignin（木质素）62-695.0–6.526-33-（2）分子结构胡敏酸是一类缩合程度不同的多聚体化合物（3）胡敏酸4个主要组成部分：①带有酚羟基、甲氧基和羧基的无氮芳香核；②杂环类的含氮化合物③侧链上的含氮物质④与①②两部分相连接的糖类残基2）吉马多美朗酸3）胡敏素：与矿物质牢固结合的胡敏酸。4）富啡酸（fulvicacid）：可能与胡敏酸是同类多聚体，富啡酸是胡敏酸酸原始形态。3、土壤腐殖质可能的形成过程1）生物残体的微生物降解——H2OCO2NH3等或者形成胡敏酸的结构单元。2）各结构单元缩合为腐殖质。二、堆肥的分类根据堆肥化过程中氧气的供应情况可以把堆肥化过程分成两种。1、好氧堆肥（高温堆肥）：在通气条件好，氧气充足的条件下通过好氧微生物的代谢活动降解有机物。特点：一般在55～60℃时比较好，有时可高达80～90℃，堆制周期短，也称为高温堆肥或高温快速堆肥。2、厌氧堆肥：是在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。特点：堆制温度低，工艺较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，可以得到清洁能源沼气。16三、好氧堆肥的产生与工业化1925年印度的英国农艺学家AlbertHoward

发明了Indoremethod。

1933年，Dano法。181940年，美国厄普·托马斯法：开始利用发酵槽机械式堆肥，通过接种特种微生物缩短了发酵期。19从20世纪70年代，化肥和垃圾成分的变化使得很多堆肥厂关闭。垃圾的处理一度为焚烧和卫生填埋所取代。20世纪90年代以后，由于环境保护、绿色农业和可持续发展的需要，堆肥处理又得到了较多的重视。20四、堆肥产品的优势1、施用后堆肥产品可改善土壤的理、化性质：（1）土壤容重随堆肥用量的增加而减小,（2）总团粒结构和水稳团粒结构均有增加趋势,土壤孔隙度提高,从而提高了土壤的通气透水和田间持水量,明显改善了土壤的物理性质。（3）施用堆肥可改善土壤对酸碱的缓冲能力,提高土壤保肥性。21

2、堆肥产品中含有有机质和P、K等多种植物所需的养分，施用后促进植物产量和品质的提高；3、施用堆肥增加土壤的微生物活性，可修复被污染的土壤，可成为“微生物肥料”；4、堆肥是缓效性肥料，肥效期较长，不会对农作物产生伤害。22第二节好氧堆肥原理及过程23一、好氧堆肥的基本原理在有氧的条件下，依靠好氧微生物，有机废物中的可溶性物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被直接吸收；而不溶性的固体和胶体有机物质，先被吸附到微生物体外，依靠分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢（氧化还原过程）和合成代谢（生物合成过程）。2425合成(同化作用)氧化堆肥有机物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物细胞物质(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3

，PO42-，SO42-能量随水或气体排入环境释放能量转化为热供生物合成用(异化作用)+腐殖物质+好氧堆肥原理图1、总反应过程262、有机物氧化：273、细胞质的合成4、细胞质的氧化285、好氧分解总化学反应方程式29二、好氧堆肥微生物30三、堆肥化过程（反应过程）大致可分为以下三个阶段：1、中温阶段（产热阶段）2、高温阶段3、腐熟阶段311、中温阶段（产热或起始阶段）堆置初期（发酵之前），15～45℃，嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升，此阶段以中温、需氧型微生物为主。在目前的堆肥化设备中，此阶段一般在12小时以内，蛋白质、淀粉等有机物被嗜温性微生物利用转化。在此过程中,热量不断积累。322、高温阶段45℃以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素等开始被强烈分解。50℃左右主要是嗜热性真菌、放线菌、细菌；60℃时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动；3370℃以上大多数嗜热性微生物不适应,大批死亡、休眠。在各种酶的作用下,有机质仍在继续分解,但温度会由于微生物死亡，酶的作用消退而逐渐降低，温度低于70℃以下时，休眠的嗜热微生物又重新活跃起来并产生新的热量，经过反复几次保持在70℃的高温水平，腐殖质已经基本形成，堆肥物质初步稳定。病原菌和寄生虫大多数可被杀死。343、降温阶段(腐熟阶段)只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物的活性下降，发热量减少，温度下降。嗜温性微生物又占优势，借助残余有机物（包括死掉的微生物残体）而生长，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水量降低。35降温后，需氧量大大减少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。成品堆肥呈褐色、暗灰色、温度低具有土壤的霉味，无臭，无明显纤维状物质。3637第三节堆肥化工艺38一、基本工艺流程现代堆肥生产，通常由前处理、主发酵（一次发酵、一级发酵或初级发酵）、后发酵（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。391、前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时,包括破碎、分选、筛分、混合，以及养分、水分、物理性状调整等工序。作用：（1）去除不可或不宜堆肥物；（2）调整原料的营养成分和物理性状。40

2、主发酵（一次发酵、一级发酵或初级发酵）堆肥化物料温度升高到降低为止的阶段，称为主发酵阶段（或主发酵期）。包括中温阶段、高温阶段和降温阶段，时间约4～12天。以厨房垃圾为主体的生活垃圾和家畜粪尿堆肥，此阶段约3~8天。41423.后发酵（二次发酵、二级发酵或次级发酵）将主发酵尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。也称为熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段,发酵时间通常在20～30天以上。4.后处理二次发酵后，物料形状变细，体积也明显减少了。进一步去除杂物，经过破碎分选，根据需要加入N、P、K等养分，得到更高质量的堆肥产品。最后打包装袋。445.脱臭化学除臭剂除臭；水、酸、碱水溶液吸收；臭氧氧化法；活性炭、熟堆肥等吸附剂吸附法。6、贮存堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产量的库房。贮存时可直接堆存在二次发酵仓中或袋装，要求干燥而透气。45二、堆肥工艺实例46三、影响固体废物堆肥化的主要因素1、通风供氧量2、有机质含量3、堆料含水率4、温度5、碳氮比6、pH值7、颗粒度471、通风供氧量（1）通风的作用：供氧；调温；去水分。（2）通风供氧方式：自然扩散；翻堆；强制通风；翻堆和强制通风结合的方式；（3）控制方式：实际需氧量为理论空气量的2-10倍，堆肥过程适宜的氧体积分数为5～15％。运行时通常用排气中O2和CO2含量控制通风量。最佳排气O2浓度为14%~17%；CO2的体积浓度应为3%~6%。4849（4）理论需氧量计算例1：用一种成分为C30H50O25的堆肥原料1000kg进行好氧堆肥，完成后剩余400kg，测定其堆肥产品成分为C12H20O10。试确定该堆肥原料化学氧化时的理论需氧量。答案：708kg。换算成标况下的空气体积是多少m3？答案：2361.6Nm3.50例2：某市日产生活垃圾100t，拟采用好氧堆肥法处理，该生活垃圾有效组分为C60H100O50N,垃圾含水率40%，挥发性固体占总固体比例0.9，可生物降解挥发性固体占挥发性固体比率0.6。假设生物降解挥发性固体都得到了好氧分解，产生的氨气全部进入大气，试计算该垃圾好氧堆肥的理论需氧量。51解：可降解挥发性固体的质量=100*（1-40%）*0.9*0.6=32.4t氧的系数=（a+0.25b-0.75c-0.5d）=60+0.25*100-0.75-0.5*50=59.25理论需氧量则为59.25*32*32.4/1634=37.60t522、有机物含量（1）有机物含量：最适为20%~80%，过低产热不足，过高则供氧不足。（2）调整堆肥原料的有机物组分的方法对堆肥原料进行预处理，将有机物含量提高至50%以上(含污泥的堆料的挥发性固体含量应大于50%)，具体方法：53a.发酵前在堆肥原料中掺入一定比例的城市污水、污泥、畜粪等。

b.城市生活垃圾和污泥混合堆肥。通常污泥作调理剂，一般原污泥中含有较高的挥发性物质（指单位干重固体在马福炉中600℃灼烧损失的部分），直接堆肥较好。543、堆料含水率（1）堆肥中水分的作用：①溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；②调解堆肥温度。55（2）含水率的影响：最佳含水率为40~60%(按质量计)。水分超过70%，易造成厌氧状态，并会产生H2S等恶臭气体，分解速度明显降低。含水率40％~50％之间，微生物活性即将开始下降。水分低于40％时，堆肥温度随之下降。含水率小于12％时微生物的活动基本停止。56（3）含水率调整方法水分较低时，可加污水或人畜粪尿等含水率高的添加剂；过高时，则可摊开晾干或添加稻草木屑等松散吸水物。实际生产中，经常采用一定量熟堆肥回流至原料，配合添加剂使用。57（4）测定水分的方法105℃±5℃下，2~6h，测定物料的失重。在实际操作中，简便的测定方法为：以手紧握物料能成团，有水迹出现，但水不滴出为宜。584、堆肥过程的温度控制温度是微生物活动剧烈程度的最好参数。（1）温度的作用：①影响微生物的生长，堆肥的最佳温度为45~60℃；②无害化的要求：反应器和强制通风静态垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间必须达5天；对于条垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间至少为15天。（2）控制方法：温度-供气反馈系统；定期翻堆。595、堆肥过程的C/N比控制（1）作用：保证成品堆肥中一定的碳氮比(一般为10～20:1)和堆肥中使分解速度有序地进行。（2）适宜的C/N比范围：25~35:1时发酵过程最快。过低(＜20:1)，微生物的繁殖会因能量不足受到抑制，导致分解缓慢且不彻底；另外，由于可供消耗的碳素少，氮素相对过剩，将变成氨气挥发，降低肥效。60过高(＞40:1)，则堆肥施入土壤后，将会发生夺取土壤中氮素的现象，产生“氮饥饿”状态，对作物生长产生不良影响。（3）堆肥中氮、碳的测定方法氮的测定用凯氏法，碳用重铬酸钾法。616、堆肥过程的pH值控制一般pH值在5.5~8.5时，可获得最大堆肥速率。最终的堆肥产品pH值基本在7.5左右。可通过添加中和剂如石灰、磷酸盐、钾盐等来改变pH值。但通常堆肥可通过自身调节，如无特殊情况，一般不必调整pH值。若pH值降低，可通过逐步增强通风来补救。627、颗粒度颗粒度对通风量有重要影响。堆肥物料的平均适宜粒度为12～60mm。如纸类产物3.8～5.0cm。木质产物在0.5～1.0cm。63第四节堆肥方法与设备641、非反应器型堆肥方法与设备翻堆式条堆法静态条堆法2、反应器型堆肥方法与设备

1、搅拌式翻堆发酵池

2、链板式翻堆发酵池

3、多层发酵塔

4、静态筒仓发酵塔

5、螺旋搅拌式发酵仓

6、达诺式滚筒发酵65一、堆肥方法与设备分类661、翻堆式条堆法将堆肥物料以条垛式条堆状堆置，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。该堆肥过程由预处理、建堆、翻堆和储存4个工序组成。二、非反应器型堆肥方法与设备6768翻堆机69优缺点优点：所需设备简单，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；产品的稳定性相对较好。缺点：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；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，冬季则使堆体热量大量散失、温度降低。702、静态条堆法（1）在条垛式堆肥系统上增加通风系统，就成为强制通风静态垛系统。它能更有效地确保高温和病原菌灭活。（2）场地：场地的表面应结实、能迅速排走积水和渗滤液。71（3）通风系统：包括鼓风机和通风管路。①通风管路：固定式通风系统的管路放于水泥沟槽中或平铺在水泥地面上，上铺木屑、刨花等空隙率较大的填充料，以便均匀布气；或完全靠水泥沟槽充当通风管路。移动式通风系统主要由简单的管道直接放在地面上构成，成本低，设计灵活，易于调整。②通风方式：正压鼓风机或负压抽气，也可用二者组成的混合通风。72③通风的控制方式：一般常用温度或时间控制。在堆体中安装温度反馈系统，堆体内部温度超过60℃时，鼓风机自动开始工作，排出堆料热量和水蒸汽，使堆体冷却下来。也可每隔15min~20min通风供氧。（4）特点设备投资相对较低；与条跺式堆肥系统相比，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；占地也较少；受寒冷气候的影响较小。73反应器堆肥系统是使堆肥物料在部分或全部密闭的反应器即发酵装置(如发酵仓、发酵塔等)内，控制通风和水分条件，使物料进行生物降解和转化，也称发酵仓系统。特点：在一个或几个容器内进行，机械化和自动化程度较高。堆肥基本步骤与其他两类系统相同。74三、反应器型堆肥方法与设备1、链板式翻堆发酵池752、搅拌式翻堆发酵池763、多层发酵塔由多层平面构成。进料口在反应器的上部，物料先进入第一层，然后一层层被向下推移。在各层之间可以有不同的时间停留，通过搅拌使堆料均匀，最后堆料进入最底层，从出料口运走。整个堆腐过程中进料和出料是连续的。通气管道位于反应器的下部，由许多支管组成，外连鼓风机。在反应器的上部设有一废气口，产生的臭气可以统一收集处理。7778常见的立式发酵塔结构示意图7980814、静态筒仓发酵塔混匀的物料从发酵仓顶部进入并充满反应器，占据整个发酵仓。具有分支管路的通气管道在发酵仓底部，废气由反应器上部的废气管道排出，出口略低于混合物的上表面，通过抽气的方式把废气收集处理。进料和出料可以是间歇的或连续式的。产品由反应器的下部出口运走，物料在反应器的移动以推流式方式进行。5、螺旋搅拌式发酵仓826、滚筒式发酵仓根据物料在反应器内的移动方式又分为：a、推流式：物料从仓体的进料口进入，沿仓体移动到反应器末端的出料口，物料通过发酵仓的旋转翻滚而达到混合。空气可以采用正压和负压方式通过流程中的一系列喷口进行分配，通过对温度的监测来调节堆肥过程中的通气量。这是迄今为止最普遍被采用的发酵仓系统。b、分割式：沿物料流动方向，反应器被分为一个个小室，在不同的室内，物料可以进行不同时间、不同堆腐条件的堆腐，物料从一室移入另一个室，最后进入出料口被移走。物料的移动通过一条条传送带进行。在每个小室中，物料通过旋转破碎机械设备而破碎混合。8384DANO滚筒发酵85第五节堆肥腐熟度及堆肥质量评价86一、堆肥腐熟度的评价指标堆肥腐熟度是指成品堆肥的稳定程度。在工程上，它是衡量堆肥反应完成的信号，在农业上，它是堆肥质量的指标。腐熟度的基本含义是：（1）通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化，亦即不对环境产生不良影响；（2）堆肥产品的使用不影响作物的成长和土壤耕作能力。常见指标如下：871、物理评价指标温度、颜色、气味、质地。2、C/N值木材类废物从30~35降低至18~20，认为腐熟。3、挥发性固体堆肥稳定后，挥发性固体含量降低。884、耗氧速率其基本原理是在一次发酵末期，好氧速率趋于平稳，堆温开始下降；二次发酵期间，耗氧速率变化不大，总体呈下降趋势。当堆肥稳定时相对耗氧速率基本稳定在0.02△O2%/min左右，由此判断堆肥腐熟度。895、种子发芽指数GI(%)=（堆肥处理种子发芽率*种子根长/对照种子发芽率*种子根长）*100%除上述指标外，还有一些指标见下表。9091方法参数或项目表观鉴别法1.温度；2.颜色；3.气味；4.质地化学方法碳氮比（C/N）；氮化合物（总氮、NH4