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第八章固体废物的生物处理堆肥化及堆肥的概念1堆肥化的原理及影响因素2堆肥化工艺及设备3堆肥腐熟度及产品质量4本章主要介绍一种利用自然界普遍存在的微生物对固体废物进行无害化和资源化的处理技术。自然界的许多微生物具有降解有机固体废物的能力，通过生物转化，将固体废物中的有机成分转化为腐殖肥料、沼气或其他化学转化品，如饲料蛋白、乙醇或糖类，从而实现固体废物无害化和资源化。目前固体废物生物处理技术主要包括好氧堆肥技术和厌氧发酵技术。8.1好氧堆肥随着绿色有机农业的兴起、堆肥技术的进步和环境标准的提高，堆肥又开始受到重视。一方面，堆肥是有机肥，有益于改善土壤性能、提高肥力、维持农作物长期的优质高产；另一方面，有机固体废物数量逐年增加，对其处理的卫生要求日益严格，并从节省资源与能源角度，堆肥是实现有机废物无害化和资源化的重要手段。8.1堆肥化的概念堆肥化堆肥化（composting)：在人工控制条件下，利用自然界中广泛存在的微生物，有控制地促进固体废物中可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。欧洲国家的堆肥化定义：在有控制的条件下，微生物对固体、半固体的有机废物进行好氧的中温或高温分解，并产生稳定腐殖质的过程。堆肥(compost)：利用微生物对有机垃圾进行分解腐熟而形成的肥料。堆肥（composting）的基本概念包括两方面的含义，即堆肥化和堆肥产物。可堆肥化的原料城市生活垃圾污泥：主要是生活污水及部分工业废水的水处理设施排放的污泥禽畜粪便泔脚和食品废物农林废物堆肥化垃圾处理技术的意义可以实现垃圾处理的资源化，减少垃圾对环境的污染；可以将固体废物中的有用组分回用至自然循环系统；可以将固体废物中的有机固体转换成有用的物质和能源。堆肥化技术的发展历史1925年，英国人A.Howard首先在印度提出了堆肥化技术。1933年，丹麦的Dano法，它是一种利用回转窑发酵仓进行好氧发酵的方法，标志着连续性机械化堆肥工艺的开端。元代《农书》：粪屋之中，凿为深池，筑以砖壁，勿使渗漏，凡扫除之土，燃烧之灰，簸扬之糠秕，断蒿落叶，积而焚之，沃以粪汁，积之即久，不觉甚多，凡欲播种，筛去瓦石，取其细者，和匀种子，疏把撮之，待其苗长，又撒以壅之，何患收成不倍厚也哉。8.2堆肥化的原理及影响因素与控制堆肥化原理堆肥化过程堆肥化过程的影响因素8.2.1堆肥化的原理好氧堆肥的原理好氧堆肥是在通气良好、氧气充足的条件下借助好氧微生物的生命活动降解有机物，通常好氧堆肥堆温高，一般在55~60℃，极限温度可达80~90℃，所以也称高温堆肥。首先是垃圾中的可溶性物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；其次不溶的胶体有机质先被吸附在微生物体外，然后依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。有机物质主要通过分解代谢和合成代谢而被降解。堆肥化有机物分解过程可以表示如下：有机物的氧化–不含氮有机物（CxHyOz）的氧化能量OyHxCOOzyxOHCzyx22221)2121(含氮有机物（CsHtNuOv·aH2O）的氧化＋能量＋＋水气＋堆肥3222222)()()(gNHfCOOeHOdHOcHONHCbOOaHONHCzyxwvuts细胞质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3作氮源）能量细胞质OHnyCOnxNOHCOxnznynxNHOHCnzyx2227523)4(21)5()()524()(细胞质的氧化能量细胞质3222275255)(NHOHCOONOHC总的氧化分解过程能量2322222)()(fCOgNHlOeHgOdHOcHONHCbOOaHONHCzyxwvuyx葡萄糖）纤维素酶()(61266126OHnCOHCn纤维素降解为例厌氧堆肥原理厌氧堆肥是在缺氧条件下利用厌氧微生物进行的一种腐败发酵分解，其终产物除CO2和水外，还有氨、硫化氢、甲烷和其他有机酸等还原性终产物，其中氨、硫化氢以及其他还原性终产物有令人讨厌的异臭，而且厌氧堆肥需要的时间也很长，完全腐熟往往需要几个月的时间。传统的农家堆肥就是厌氧堆肥。厌氧堆肥过程主要分成两个阶段：第一阶段是产酸阶段，产酸菌将大分子有机物降解为小分子的有机酸和乙醇、丙醇等物质，并提供部分能量因子ATP，以乳酸菌分解有机物为例：厌氧过程没有氧分子参加，酸化过程中产生的能量较少，许多能量保留在有机酸分子中，在甲烷菌作用下以甲烷气体形式释放出来，厌氧堆肥的特点是反应步骤多，速度慢，周期长。第二阶段为产甲烷阶段。甲烷菌把有机酸继续分解为甲烷气体。8.2.2堆肥化过程好氧堆肥过程根据温度的变化，分为四个阶段潜伏阶段（亦称驯化阶段）：指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程。中温阶段：也称产热阶段，主要是指堆肥过程初期，堆体基本处于15~45℃。此时，嗜温菌活跃，并利用可溶性小分子物质（糖类、淀粉等）不断增殖，在转换和利用化学能的过程中产生的能量超过细胞合成所需的能量，剩余能量主要以热能形式由内部释放。由于堆层热传导较慢，加之物料的保温作用，堆层内部温度不断上升，以细菌、丝状真菌、放线菌为主的微生物迅速繁殖。堆肥过程既是微生物生长、死亡过程，也是堆肥物料温度上升和下降的动态过程。8.2.2堆肥化过程高温阶段：当堆体温度超过45℃时即进入高温阶段，此阶段主要进行的是难降解的半纤维素、纤维素等的降解，同时形成腐殖质。寄生虫卵等主要是在这个阶段被杀死。此时，嗜温菌活性受到抑制，甚至死亡，而嗜热菌逐渐替代嗜温菌，并迅速繁殖，在供氧条件下，大部分较难降解的有机物（蛋白质、纤维等）继续被氧化分解，同时放出大量热能。从废物堆积发酵开始不到1周时间，堆层温度就达到65～70℃，或者更高。一般控制温度在55~60℃。•参与有机生化降解的微生物有嗜温菌和嗜热菌两种。中温好氧的细菌和真菌（嗜温菌、发热）好热性的细菌、放线菌和真菌（高温)嗜热高温细菌和放线菌高温阶段，嗜热菌按其活性，又可分为三个时期：对数增长期、减速增长期和内源呼吸期。当微生物经历三个时期变化后，堆层中有机物质基本降解完全，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止，堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐殖质。内源呼吸期0对数增长期减速增长期时间ab图8.2微生物活性示意图a－微生物活性曲线；b－O2利用率降温熟化阶段(温度为40℃-环境温度)：在内源呼吸期，微生物活性下降，发热量减少，温度逐渐下降至中温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动，进一步分解残留有机物，腐质不断增多，且趋于“稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。生物分解过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌的作用转化为硝酸盐，其反应式为：由于硝化细菌生长缓慢，只有在低于40℃的温度下才有活性，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始进行。氮在转化为硝酸盐后才能被植物吸收。因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。HOHNOHCNOHCOCHONH42202143722227533224（细胞质）高温阶段，嗜热性微生物的活性，可细分为对数增长期、减速增长期和内源呼吸期三个亚阶段，即三个时期。4腐熟阶段(温度为40—20℃)8.2.3堆肥化过程的影响因素有机质含量及营养比有机质含量：适宜含量为20~80%，最佳含量40~60%，有机物含量低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌繁殖，难以维持高温发酵过程，并且产出的堆肥也会因肥效低而影响其应用。有机物含量大于80%时，堆制过程要求大量供氧，实践中常会因通风不利和供氧不足而发生部分厌氧过程。有机质含量及营养比C/N比25~35：1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，菌体衰老和自溶，导致分解缓慢且不彻底，氮源浪费和酶产量下降，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境。而一旦碳氮比过高（超过40:1），则在堆肥施入土壤后，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。总的趋势是，随着堆肥发酵的进行，在整个过程中C/N逐渐下降。成品堆肥的适宜碳氮比为10:1～20:1之间。当有机原料的碳氮比为已知时（可通过分析测出），可按下式计算所需添加的氮源物质的数量：1212CCKNN(8-5)式中：K－混合原料的碳氮比，通常取最佳范围值为35:1；C1、C2、N1、N2－分别为有机原料和添加物料的碳、氮含量。有机质含量及营养比除了C、N之外，P也是微生物必需的营养物质之一。堆肥化适宜的C/P比为75～150。堆肥原料的C／P一般高于此值，排水污泥的C／P低，可用来作为堆肥原料配料时的调整剂，调整堆肥原料的C／P比。例如垃圾堆肥时添加污泥，就是利用污泥中丰富的P来调整堆肥原料的C/P比。含水率堆肥化过程水的主要作用为：一是溶解有机物，参与微生物的代谢活动，二是可以调节堆肥温度，当温度过高时，可以通过水分的蒸发，带走一部分热量。堆肥发酵过程中应具备一定含量的水。适宜的含水率55~65%，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大。一般含水率低于40%时，堆肥发酵难以进行，含水率低于20%时，微生物将停止活动，但含水率过高（超过70%）会导致因空隙被水填满而减少空气量，甚至造成厌氧状态，温度难以上升，同时过多的水蒸发，会带走大部分的热量而使温度达不到嗜热菌活动要求，降低堆肥效果。通风量通风目的：1)供氧；2)调节温度；3)散除水分、CO2适宜的通风量一般取0.6~1.8m3/(d·kg挥发性固体)或堆肥过程中适宜的氧浓度为10～18%，最低不应小于8%通风方法与控制①自然通风供氧②向肥堆内插入通风管(主要用在人工土法堆肥工艺)③利用斗式装载机及各种专用翻推机横翻堆通风④用风机强制通风供氧。温度温度是影响堆肥中微生物种类和数量的最重要因素，实质是影响微生物的生长。随着堆肥温度的升高，微生物的生长随之加速。堆肥中的微生物种群通过自身活动产生热量，这反过来又影响着微生物种群。不同温度阶段微生物的优势种群不同。温度控制与堆肥时间有关，一般控制在高温阶段时的温度为55~60℃为宜，且＞55℃的时间不少于3天，以保证能够杀灭绝大部分的病原菌。表8.2微生物最佳生长温度范围微生物温度范围/℃嗜冷微生物0～25嗜温微生物25～45嗜热微生物＞45pH值在堆肥化过程中，pH随着时间和温度的变化而变化。好氧堆肥初期，堆肥化过程伴随有有机酸的生成，它有利于微生物生存繁殖，pH一般可下降为5.0～6.0，而后又开始上升，发酵完成可达8.0，最终产品为7.0～8.0。适宜的pH值是中性偏碱性，一般认为pH值在7.5~8.5时，可获得最大堆肥速率。在堆肥过程中，尽管pH不断变化，但都能够通过自身得到调节。25456585105987610234567b时间/周5温度/℃pHa图8.3堆肥过程中pH随时间和温度的变化规律对用石灰调节再经真空过滤或加压脱水得到的污泥滤饼，其pH一般可高达12，当采用此种污泥滤饼作堆肥原料时，需作pH调整。颗粒度堆肥前需要对粗大垃圾进行破碎，并分选出不可堆肥化物质，并使堆肥物料粒度达到一定程度的均匀化。颗粒变小，物料比表面积增加，便于微生物繁殖，可以促进发酵过程。但如果颗粒太小，又会减小空隙率，降低透气性能，直接影响堆体的供氧量，一般适宜的粒径范围是12～60mm，具体的粒度要由堆肥工艺和产品的性能要求而定。微生物的多样性与优势菌群的数量提高堆肥初期微生物的群体，增强微生物的降解活性缩短达到高温期的时间拌种分解有机物质能力强的微生物8.3堆肥工艺分类堆肥化的分类按堆肥化过程的需氧程度分好氧堆肥和厌氧堆肥按温度要求分中温堆肥和高温堆肥按发酵历程分为一次发酵和二次发酵按堆肥化方式分类间歇堆积法和连续堆积法按原料发酵所处的状态分静态发酵法和动态发酵法按堆制方式分露