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第九章有机固体废物的堆肥本章要点△堆肥的特点△堆肥的影响因素△堆肥腐熟的测定§9-1堆肥概述•堆肥化（Composting）：在控制条件下依靠微生物（细菌、放线菌、真菌等），促进可生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的微生物过程。•堆肥（Compost）：堆肥化的产物。•堆肥的定义包含了好氧堆肥和厌氧堆肥，而在欧盟，堆肥化过程仅限定于好氧堆肥。总之，堆肥化是一种生物降解和转化过程的人工强化。土壤施用堆肥的效用•1.改善土壤结构–土壤容重随堆肥用量的增加而减小，施用堆肥提高了土壤孔隙度，从而提高了土壤的通气透水和田间持水量。•2.增加土壤养分–堆肥中含有N、P、K等元素，能起到培肥地力的作用。•3.提高土壤的微生物活性–堆肥含有丰富的有机物质，为土壤微生物提供了养分。•4.促进植物品质的提高–堆肥养分全面，具有单一无机化肥无法比拟的优势。–例如，把富含有钾的秸秆类有机肥施用于甜菜，可提高其含糖量；种植薄荷施入畜牧堆肥，可增加挥发性油的含量。施用堆肥的隐患•1.土壤砂化–堆肥中虽含有多种养分，但普遍存在较大比例的砾石成分，长期施用于大田会导致土壤砂化。•2.重金属污染–堆肥中的重金属会因长期施用而在土壤中富集。因此，重金属污染是垃圾堆肥施用过程中的一个重要问题。•3.地表粗糙–另外，堆肥原料中若含有陶瓷、塑料等不易腐化物质，堆肥施用农田后，会造成地表粗糙并损坏农用机械。垃圾堆肥技术的优点•垃圾转化为堆肥后，减容30-50%•堆肥过程中温度升高，大多数病原体被杀灭•堆肥可用作农肥和土壤改良剂等，实现了资源化•初期投资和运行成本比焚烧法要低垃圾堆肥技术的缺点•操作过程中易产生恶臭，其工艺条件也较难控制，影响周围环境•微生物降解速度慢，导致处理量偏低•堆肥的肥效取决于原料垃圾的成分，但都比无机化肥要低，市场销路不好•堆肥中可能存在一些有害成分，长期施用会带来土壤砂化、重金属富集等问题国外堆肥发展状况•在欧美发达国家，堆肥是受到严格限制的。–由庭院修剪物、果品蔬菜加工废弃物、养殖场动物粪便和酿造废弃物作为原料而获得的堆肥方可用于农业生产。–垃圾混合堆肥只能用于城市园林、沙漠、盐碱地、海边滩涂绿化和森林植被保护。•国外城市生活垃圾堆肥虽总体呈下降趋势，但也朝精化和多用途方向发展。–培养EM菌种（光合菌、酵母菌、乳酸菌、放线菌等大约80种微生物），并高温发酵，对垃圾进行快堆、精堆肥。–人们对垃圾推肥的概念也有了变化，垃圾堆肥不再被视为一种肥料，而被视为一种土壤改良剂，并且开辟了垃圾堆肥产品的多种用途，如作为路基填充物等。我国堆肥技术现况•由于焚烧和填埋的固有缺点无法克服，而对垃圾堆肥对土地和农作物的影响缺乏正确认识，盲目推广堆肥技术渐成燎原之势，其后果是令人担忧的。•我国垃圾没有预分类，堆肥目前主要以粗堆肥为主，其有效肥料成分含量低，杂质多。堆肥产品体积大，施肥量和运输量都比化肥大得多，市场销路不好。垃圾堆肥农业施用不但肥效低，而且污染土壤。•由于盲目引进不适合国情的外国设备，或者国产设备不过关，再加上大量低劣肥料根本卖不出去，众多的垃圾堆肥厂大都处于停产和半停产状态。垃圾堆肥与我国国情•结构性缺陷–我国的城市垃圾没有预分类，且无机物含量高，这就造成堆肥产品肥效低同时有害成分多。•优势–大量使用无机化肥会使土壤板结，地力下降，降低土壤肥力和可耕作性。–我国传统农业是以大量施用有机肥为主要特点，利用有机垃圾生产无机有机复合肥和土壤改良剂前景很广阔。如在我国果树种植地区，有机肥能明显提高水果的口感，相当受欢迎，这是堆肥的曙光和新的增长点。我国垃圾堆肥技术发展展望•推进我国城市垃圾堆肥技术的主要途经应是：•摒弃以前盛行的粗堆肥方式，在我国垃圾还未分类收集的情况下，应积极研究开发垃圾机械筛分、堆肥新工艺、重金属去除等技术，把堆肥的危害降至最低。•进一步完善国产化有机复合肥成套生产技术与设备，并使生活垃圾堆肥厂中生产有机复合肥的比例逐步提高。•进一步拓宽堆肥市场，使其有稳定的市场需求。§9-2堆肥的基本原理•根据堆肥化过程中微生物对氧气不同的需求情况，可以把堆肥化方法分成好氧堆肥和厌氧堆肥两种。•好氧堆肥（AerobicComposting）是在通气条件好，氧气充足的条件下借助好氧微生物的生命沿动降解有机物，通常好氧堆肥堆温高。•厌氧堆肥（AnaerobicComposting）则是在通气条件差、氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。•好氧堆肥温度高，发酵速度快，能杀灭大多数病原体，是堆肥工艺的主流，现代堆肥工艺都是好氧堆肥。好氧堆肥原理•好氧堆肥过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物吸收利用。不溶性大分子有机物则先附着在微生物的体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质，再输送入细胞内为微生物利用。•通过微生物的生命活动—合成及分解过程．把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并提供生命活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物增殖。•[C、H、O、N、S、P]→CO2+NO3-1+SO4-2+简单有机物+更多微生物+热量•在发酵之前，垃圾中就存在着各种有害的、无害的菌类，当温度和其他条件适宜时，各类微生物菌群即开始繁殖，利用一定的养料和微量元素来发展自己的群体。•当温度达到25℃以上时,中温微生物菌类进入旺盛的繁殖期，开始活跃地对有机物进行分解和代谢。以无芽孢菌、芽孢菌和霉菌等嗜温好氧性微生物为主的菌类，它们将单糖、淀粉、蛋白质等易分解有机物迅速分解。•在供热和微生物消化过程中，利用化学能过程产生的能量超过细胞合成所需的能量，消化时间加快，热量持续积累，20h左右温度就能升到45℃以上。好氧堆肥过程（1）—中温阶段•达到温度45℃以上时,中温微生物受到了抑制或死亡，此时嗜热真菌、好热放线菌、好热芽孢杆菌等微生物活动占了优势。除了易腐有机物继续分解外，一些较难分解的有机物，如纤维素、木质素也逐渐被分解。腐殖质开始形成。•当温度升到70℃以上时大量的嗜热菌类死亡或进入休眠状态，在各种酶的作用下，有机质仍在继续分解，热量的产生会由于死亡的微生物酶的作用消退而逐渐降低温度。•温度低于70℃以下时，休眠好热的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。好氧堆肥过程（2）—高温阶段好氧堆肥过程（3）—降温阶段•当高温持续一段时间后，易腐熟的物质已成熟，有机物含量不足以维持大量微生物的活动，进入内源呼吸期。•此时微生物的活性下降，发热量减少，温度下降。温度下降到40℃左右时，嗜温性微生物又占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。好氧堆肥的影响因素(1)—有机物含量•堆肥物料适宜的有机物含量为20-80％。•有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程。•有机物含量大于80％时，堆制过程要求大量供氧，实践中常因供氧不足而发生部分厌氧过程。•结合我国的实际情况，生活垃圾的无机物含量较高，发酵前在堆肥原料中掺入一定比例的稀粪、城市污水、污泥、畜粪等以提高有机物含量。好氧堆肥的影响因素(2)—含水率•堆肥中水分的主要作用在于：–(1)溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；–(2)水分蒸发时带走热量，起到调节堆肥温度的作用•左图为微生物生长和氧摄入量的关系曲线。从图中可以看到，微生物的生长和对氧的要求均在含水率为50％-60％时达到峰位。好氧堆肥的影响因素(2)—含水率•因此好氧堆肥时，一般以含水率按质量计50％-60％为最佳。•水分过多时，会把空气从原料空隙中挤出，降低游离空隙率，从而易造成厌氧状态，而且会产生渗滤液的处理问题；水分低于40％时，微生物活性降低。•通常，生活垃圾的含水率均低于最佳值，可添加污水、污泥、人畜尿、粪便等进行调节。•如生活垃圾中水分过高时，在物料中添加松散或吸水物(稻草、谷壳、干叶、木屑等)，以辅助吸收水分。好氧堆肥的影响因素(3)—通风供氧•通风是好氧堆肥成功的重要因素之一，主要作用在于：–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，加大通风量去除水分。•从理论上讲，堆肥过程中的需氧量取决于被氧化的碳量，但由于有机物在此过程中分解的不确定性，难以根据垃圾的含碳量变化精确确定需氧量。•目前，研究人员往往通过测定堆层中的氧浓度和耗氧速度来了解堆层的生物活动过程和需氧量多少，从而达到控制供气量的目的。堆肥中耗氧速率随时间的响应好氧堆肥的影响因素(3)—通风供氧•不同时间段的耗氧速率差别较大。微生物的耗氧速率一般在发酵反应的60-80小时（高温阶段）达到峰值，其后耗氧速率逐渐下降。•同时，有机物含量不同，对通风供氧的要求也不同。有机物含量越高，供氧需求更大。•堆肥过程中最低氧浓度不能小于10％。结合经济成本考虑，宜将氧浓度维持在10％-18％。•氧浓度一旦低于10％，氧就成为好氧堆肥中微生物生命活动的限制因素，易进入厌氧状态并使堆肥产恶臭。•此外，由于氧气转化成CO2，故也可用CO2的生成速率来表征堆肥的耗氧速率。好氧堆肥的影响因素(4)—碳氮比•实践证明：当碳氮比为(25-35)：1时发酵过程最快。•若碳氮比过低(低于20:1)，微生物的繁殖就会因能量不足而受到抑制，导致分解缓慢且不彻底。•成品堆肥适宜的碳氮比为（10-20:1）。而一旦碳氮比过高(超过40:1)，则在成品堆肥施入土壤后，将会发生夺取土壤中氮素的现象。产生“氮饥饿”状态，导致对作物生长产生不良影响。•城市垃圾的碳氮比—般都高于最佳值，调整的方法是加入人粪尿、畜粪等调节剂，以降低碳氮比。好氧堆肥的影响因素(4)—碳氮比好氧堆肥的影响因素(5)—温度•温度的作用主要是影响微长物的生长。一般认为嗜热菌对有机物的降解效率高于嗜温菌，现代的快速、高温好氧堆肥正利用这一特点。在堆肥过程中，堆体温度应控制在50-60℃之间。•当堆肥温度升到峰值以后，主要通过调节通风量来实现对温度的控制。好氧堆肥的影响因素(6)—pH值•PH值是一项能对细菌环境做出估价的参数。在堆肥的生物降解和发酵过程中，pH值随着时间和温度的变化而变化，因此pH值也是揭示堆肥分解过程的一个极好标志。如当pH值降至4.5以下时，说明发生了厌氧发酵。•适宜的pH值可使微生物有效地发挥其应有的作用，而过高或过低的pH值都会对堆肥的效率产生影响。一般认为pH值在7.5-8.5时，可获得最大堆肥速率。好氧堆肥的影响因素(6)—pH值•堆肥初期，有机酸生成，pH值降至5.0；而后随着NH3的生成，pH值上升，成品基本在7.5左右。•由此可以看出，在堆肥过程中，尽管pH值在不断变化，但能够通过自身得到调节。•通常认为，当堆肥物料为生活垃圾时，试图在堆肥初期添加中和剂如石灰、磷酸盐、钾盐等来改变pH值是没有必要的，有时甚至会产生不良的后果。若pH值过低，可通过逐步增强通风来补救。§9-3好氧堆肥工艺•现代化堆肥生产，通常由前处理、主发酵（一次发酵或初级发酵）、后发酵（熟化、二次发酵或次级发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。基本工艺流程•前处理：去除不可发酵的组分，调整水分和碳氮比，有时需要添加菌种和酶制剂，以促进发酵正常进行。•主发酵：包括中温和高温阶段（即温度升高至开始降温为止），在发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆来供给氧气，约4-12d，大部分有机物被降解。•后发酵（熟化）：经过主发酵的半成品被送去后发酵室，等到完全成熟的堆肥产品，常需20-30d。•后处理：根据需要进行破碎分选，进一步去除杂物。•脱臭：包括水、酸、碱水溶液吸收法；臭氧氧化法；活性炭、熟堆肥等吸附剂吸附法等。•贮存：干燥、透气的环境下存放。好氧堆肥系统•按照堆肥技术的复杂程度，堆肥系统可分为静态堆肥（垛式）和动态堆肥（反应器式）。•静态堆肥投资成本较低，但占地面积大，周期长，受天气条件影响严重。动态堆肥发酵周期短，受天气条件影响小，无害化程度高，但设备投资大，技术较复杂。条