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1、第七章 固体废物堆肥及厌氧发酵,第一节 基础概述第二节 堆肥的基本原理、工艺及分类（实例）第三节 影响固体废物堆肥化的主要因素第四节 堆肥工艺及腐熟度检测第五节 厌氧发酵概述第六节 发酵工艺及其影响因素第七节 发酵装置,7.1 基础概述,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。1.1 生物处理基本概念原始森林经过漫长的岁月仍保持着繁荣茂盛，这是动物和植物的遗体、排泄物被微生物分解为腐植质，形成植物生长发育必需的食物链进行着物质循环的结果。这也是保持生态系统相对稳定的基础。在自然界到处都存在这种物质循环，即便在与人们息息
2、相关的农田里也重复着这种物质循环现象。,在自然界中存在着大量依靠有机物生活的微生物，它们有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大功能（生物能）。而且具有分布广，繁殖快，容易发生变异等特性。正是这些微生物（分解者），作为生态系统组成的重要环节，不断进行着有机物的分解与无机化（矿化），促进了上述循环的正常进行。另一方面，人们生产和生活过程中不断产生各种各样的固体废物，对整个社会而言就是生产消费废物的一个不断的循环系统。人类通过各种手段，借助于上述微生物的生物能，对固体废物进行生物处理，实现固体废物（主要是有机固体废物）的稳定化、无害化与资源化的技术就统称为固体废物的生物转换技术。,这种生物转换技术
3、应用的重要意义在于：a)对城市固体废物进行处理消纳，实现稳定化、无害化，可以避免或者减轻城市垃圾的大量堆积，影响市容及城市垃圾自然腐败，散发臭气，传播疾病，从而对环境造成的恶劣影响。b)可促进上述自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一，可以把固体废物中的适用组分尽快地重新纳入自然循环（例如生产堆肥用以施肥、改造土壤，可回归农田生态系统中去）；c)可以将大量有机固体废物通过各种工艺转换成有用的物质和能源（例如产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质等）。,（1）生物转换的理论基础（a）微生物的代谢作用微生物同所有生物一样，在生命活动过程中从周围环境吸取养料，并在体内不断进行物质转化和交换作用，这种过
4、程称之为新陈代谢，简称代谢。代谢作用大体上分二大类：物质分解及提供能量的代谢称为分解代谢；消耗能量合成生物体的代谢，称为合成代谢，两种代谢是不可分割，互为依存的。（b）微生物的种类在固体废物生物处理过程中，有各种微生物与发挥作用。微生物种类繁多，大致可以作如下分类：,对于所有微生物来说，凡是生活时需要氧气的都可以称为好氧微生物，只有在无氧环境中才能生长的称为厌氧微生物，在无氧和有氧的环境中都能生活的统称为兼氧性微生物。,（c）生物处理方法根据在处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，生物处理可分为好氧生物处理和厌氧生物处理两类。好氧生物处理法这是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有
5、机物降解、稳定的无害化处理方法。固体废物中存在的各种有机物（分子量大、能位高）作为微生物的营养源，经过一种生化反应，逐级释放能量，最终转化成分子量小，能位低物质而稳定下来，达到无害化的要求，以便利用或进一步妥善处理，使其回到自然环境中去。,厌氧生物处理化这是在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。在这种厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解、转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分能量以CH4形式出现，这是一种可燃气体，可回收利用。同时，仅少量有机物被转化、合成为新的细胞组成部分。,（2）固体废物生物转换技术的应用（a）堆肥化随着生产力发展
6、和科技进步，堆肥化技术已得到不断改进。一方面，人工堆肥是有机肥，对改善土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产方面都是有益的，是农业、林业生产需要的。另一方面，各国有机固体废物数量逐年增加，需要对其处理的卫生要求也日益严格，从节省资源与能源角度出发，有必要把实现有机固体废物资源化作为固体废物无害化处理、处置的重要手段，有机固体废物的堆肥化能同时满足上述两方面要求，所以得到各国应有的重视。,（b）沼气化有机固体废物沼气化是另一种成熟的生物转换技术。沼气亦称生物气，是有机物质在隔绝空气和保持一定的水分、温度、酸碱度条件下，经过多种微生物的发酵分解作用产生的以甲烷为主的气体混合物。污泥厌氧消化过程
7、产生的消化气体。城市固体废物填埋场生物降解过程中产生的生物气以及广大农村用农业废物厌氧发酵收集的气体都是沼气。因此，沼气化技术应用面十分广泛。沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料，固体废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环境卫生都有重要作用，因而是一种经济而理想的生物转换技术。,（c）堆肥化基本概念（1）堆肥化依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐植质生化转化的微生物学过程叫做堆肥化。堆肥化的产物称作堆肥。（2）使用堆肥后，能够增加土壤中稳定的腐植质，形成土壤的团粒结构，并有一系列作用：使土质松软，多孔隙易耕作，增加保水性、透气性及渗水性
8、，改善土壤的物理性能；肥料成分中氮、钾、铵等都以阳离子形态存在。由于腐植质带阴电荷，吸附阳离子，有助于粘土保住阳离子，即保住养分提高保肥能力。腐植质阳离子交换容量是普通粘土的几倍到几十倍；,腐植质有螯合作用和缓冲作用。对于作物有害的铜、铝、镉等重金属可与腐植质发生螯合反应而降低其危害程度，有利于植物生长。当土壤中腐植质多时，即使肥料施得过多或过少，也不易受到损害；即使气象条件恶化也可减轻其影响；即使其他条件稍微恶化，也能减少冲击和缓和影响。例如水分不足时，可防止植物枯萎，起到似类于缓冲器的作用。堆肥是缓效性肥料。腐植化的有机物具有调节植物生长的作用，也有助于根系发育和伸长；将富有微生物的堆肥施
9、于土中可增加土壤中微生物数量。微生物分泌的各种有效成分能直接或间接地被植物根吸收而起到有益作用，故堆肥是昼夜均有效的肥料。,堆肥是CO2的供给源。如与外界空气隔绝的密封罩内CO2气浓度低，当大量施用堆肥后，罩内较高的温度可促使堆肥分解放出CO2。总之，腐植质能改善土壤物理的，化学的，生物的性质，使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态。腐植质又有增进化肥肥效的作用。堆肥的用途很广，既可以用作农田、绿地果园、葡萄园、菜园、苗圃、畜牧场、庭院绿化、风景区绿化、农业等的种植肥料，也可以作蘑菇盖面、过滤材料、隔音板及制作纤维板等。,堆肥用途一览表,（d）堆肥的原料堆肥的原料很广泛，有城市生活垃圾，由纸浆
10、厂、食品厂等排水处理设施排出的污泥及下水污泥，粪尿消化污泥、家畜粪尿、树皮、锯末、糠壳、秸杆等等。在我国堆肥主要原料是生活垃圾与粪便的混合物。也有的是城市垃圾与生活污水污泥的混合物。城市生活垃圾是最主要的原料，但其中可堆肥物数量，碳氮比，水分等等常常不能满足要求，需要进行适当的预处理。配入粪便或某些污泥可以有效地调整碳氮比和水分，并能得到氮、磷、钾含量较高的有机肥。此外不少农业废物也是堆肥的重要原料。,我国实施的城镇建设业标准，CJ/T30591996“城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标”中规定，堆肥原料特性有：密度：适用于堆肥的垃圾密度一般为350650kg/m3；组成成分（湿重）%：堆肥原
11、料必须按下表分类统计各组成成分，其中有机物含量不少于20%；含水率：适合堆肥的垃圾含水率为40%60%；碳氮化（C/N）：适合堆肥的垃圾碳氮比为20：130：1。,（e）堆肥产品质量及卫生要求堆肥产品质量（以干基计）粒度：农用堆肥产品粒度不大于12mm，山林果园用堆肥产品粒度不大于50mm；含水率：35%；pH值：6.58.5；全氮（以N计）：0.5%；全磷（以P2O5计）：0.3%；,全钾（以K2O计）：1.0%；有机质（以C计）：10%；重金属含量：总镉（以Cd计）3mg/kg；总汞（以Hg计）5mg/kg；总铅（以Pb计）100mg/kg；总铬（以Cr计）300mg/kg；总砷（以As计
12、）30mg/kg；无害化卫生要求堆肥温度（静态堆肥工艺）：55持续5d以上。蛔虫卵死亡率：95%100%；粪大肠菌值：101102；,7.2 堆肥的基本原理、工艺及分类,自然界中有很多微生物具有氧化、分解有机物的能力，而城市有机废物则是堆肥化微生物赖以生存，繁殖的物质条件。根据生物处理过程中起作用的微生物对氧气要求不同，可以把固体废物堆肥分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化。前者是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程，由于堆肥堆温高，一般在5565，有时高达80，故亦称高温堆肥化。后者是利用厌氧微生物发酵造肥。,由于好氧堆肥化具有发酵周期短，无害化程度高，卫生条件好，易于机械化操作等特点，故国
13、内外用垃圾、污泥、人畜粪尿等有机废物制造堆肥的工厂，绝大多数都采用好氧堆肥化。2.1 好氧堆肥化基本原理（1）原理介绍好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物（主要是好氧细菌）的作用来进行的。在堆肥化过程中，有机废物中的可容性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收，而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，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），把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、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，使微生物生长繁殖，产生
14、更多的生物体。可用下图简要地说明这种过程。,可用下列关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解关系。CSHtNUOVaH2O+bO2CWHXNYOZCH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量由于堆温较高，部分水以蒸气形式排出。堆肥成品CWHXNYOZCH2O与堆肥原料CSHtNUOVaH2O之比为0.30.5（这是氧化分解减量化的结果）。通常可取如下数值范围：w=510,x=717,y=1,z=28。（2）堆肥化过程好氧堆肥化从废物堆积到腐熟的微生物生化过程比较复杂，但大致可分为三个阶段：,（a）中温阶段（亦称产热阶段）。堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温性微生物较为活跃并利用堆
15、肥中可溶性有机物旺盛繁殖。它们在转换和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保温作用，温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段微生物种类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线菌，细菌特别适应水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能；,（b）当肥堆温度升到45以上时，即进入高温阶段。在这阶段，嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。通常，在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放
16、线菌；温度上升到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度升到70以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态，,与细菌的生长繁殖规律一样，可将微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期，即对数生长期，减速生长期和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程，即腐植质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态；（c）在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。在此阶段嗜温微生物又占优势，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
17、定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风。,（3）热灭活与无害化热灭活有一种温度时间效应关系。热灭活作用是温度与时间两者的函数。一般设计认为杀灭蛔虫卵的条件也可杀灭原生动物，孢子等，故可以把蛔虫卵作为灭菌程度的指标生物（它的耐热性能与其他肠道病原体大致相当）。,好氧堆肥化无害化工艺条件。根据上述热灭活概念分析可得出理论上好氧堆肥无害化工艺条件如下：堆层温度55以上需维持5-7天；堆层温度70则需维持3-5天。即堆肥温度较高维持时间较短时，可以达到同样的无害化要求。2.2 好氧堆肥的基本工艺及分类（1）好氧堆肥化方式分类
18、固体废物堆肥化历史悠久，其工艺发展至今已形成多种方式，大致有如下分类与发展趋势：厌氧堆肥化好氧堆肥化；露天堆积(敞开式)封闭式；无发酵装置有发酵装置；,人工土法机械化；慢速半快速快速；静态发酵动态发酵；其中还有各种过渡形式。国外无发酵装置堆肥化工艺，可分为搅拌式和固定式固体床两种。,显然快速有发酵装置机械化（动态）好氧堆肥化是最先进的，具有堆肥周期短（3-7天），物料混合均匀，供氧效果好，机械化程度高，便于大规模连续操作运行等特点。特别用在产生大量城市垃圾的大城市堆肥化系统是很有前途的。这也是今后发展推广的方向。当前，国内外运用最广的堆肥化方式是快速高温二次发酵堆肥化工艺。适合于有机污泥堆肥化
19、系统的两种条垛式工艺流程如下：（a）搅拌翻堆条垛式发酶工艺在条垛式堆肥化系统中，物料以垛状堆置，可以排列成多条平行的条垛，在大规模的条垛系统中，对垛的翻动是通过可移动翻堆设备来进行的。,条垛的断面形状可以是长方形、不规则四边形和三角形，具体采用哪种断面形状取决于堆肥化物料的特性和用于翻堆的设备。条垛式系统用于各种有机污泥的堆肥化是很有效的。由于条垛式堆肥化采用了机械化操作，因而生产率高，成本低，但占地面积较大。对于温度较高的有机物采用条垛式方法堆肥，必须掺进一部分干燥的回流堆肥产物，掺入量以混合后物料含水量60%为宜。堆成垛后，其形状不易变化，而且由于物料的松散性和多孔性大大改善，使得翻堆更有
20、效地促进空气交换。将碎木块、木屑、禾杆或稻壳之类的调理剂同脱水污泥进行混合(此时加与不加干堆肥化产物都可)，也能达到上述同样的效果。,该发酶工艺流程图可示意如下：用条垛式方法生产堆肥的一次发酵周期通常约34周，在有利的气候条件下，一般能使最终堆肥的固体含量达到6070%。,（b）强制通风式固定垛发酵工艺强制通风式固定垛发酵工艺与前者不同之处在于物料堆肥化过程中不进行翻堆，供氧是通过机械抽风使空气渗透到料堆内部来实现的。此外，在堆肥化供料中不采用回流堆肥，而主要在脱水污泥中以加入木屑之类膨胀剂来调整湿度和改善物料的松散性。污泥与木屑的容积比一般为1:21:3。也可采用其他合适材料作膨胀剂。,下图
21、所示为通风式固定垛系统工艺流程：,其垛堆步骤如下：将污泥与膨胀剂混合；将木屑或其他膨胀剂沿多孔通风管铺开；将污泥与木屑的混合物在备用的床上堆成有一定深度的垛体；将垛的表面覆盖一层过筛的或半过筛的堆肥物；将风机与通风管连接起来。从风机出来的气体应先脱臭后再排入大气。通常用熟堆肥来进行过滤脱臭。通风垛堆的停存时间一般是三周。干化可在堆肥化期间通过保持大风量或在贮料堆中强制通风来完成，也可以辅成长条进行露天风干。,（2）好氧堆肥化工艺过程现代化堆肥生产、通常由前（预）处理，主发酵（亦可称一次发酵，一级发酵或初级发酵）、后发酵（亦可称二次发酵、二级发酵或次级发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。（a）
22、前处理采取破碎、分选等预处理方法去除粗大垃圾和降低不可堆肥化物质含量，并使堆肥物料粒度和含水率达到一定程度的均匀化。因为要考虑到保持一定程度的孔隙率与透气性能，以便均匀充分地通风供氧，适宜的粒径范围是1260mm，最佳粒径需视物料物理而定。当以人畜粪便，污水污泥饼等为主要原料时，由于其含水率太高等原因，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，有时需添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常进行。,降低水分增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。所谓“调理剂”是指加进堆肥化物料中干的有机物，借以减少单位体积的重量并增加与空气的接触面积，以利于好氧发酵，也可以增加物料中有机物数量。理想的调
23、理剂是干燥的，较轻而易分解的物料。常用的有木屑、稻壳、禾杆、树叶等等；所谓“膨胀剂”是指有机的或无机的三维固体颗粒，当它加入湿堆肥化物料中时，能有足够的尺寸保证物料与空气的充分接触，并能依靠粒子间接触起到支撑作用，普遍使用的膨胀剂是干木屑，花生壳、厂矿成粒状的轮胎，小块岩石等物质。,（b）主发酵主发酵主要在发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气，供给空气的方式随发酵仓种类而异。在发酵仓内，由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵，首先是易分解物质分解，产生二氧化碳和水，同时产生热量使堆温上升。这时微生物吸收有机物的碳、氮等营养成分，在合成细胞质自身繁殖的同时，将细胞中吸收的物质分解而产
24、生热量。,发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌（生长繁殖最适宜温度为3040）进行的。随着堆温的升高，最适宜温度4565的嗜热菌取代了嗜温菌，能进行高效率的分解。氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响。如堆肥化过程原理中所述，后面将进入降温阶段。通常将温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵期，以城市生活垃圾为主体的城市固体废物好氧堆肥化的主发酵期约为412d。,（c）后发酵经过主发酵的半成品被送去后发酵。在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解，变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。后发酵也可以在专设仓内进行，但通常把物料堆积到12米高
25、度，进行敞开式后发酵，此时要有防止雨水的设施。为提高后发酵效率，有时仍需进行翻堆或通风。,后发酵时间的长短，决定于堆肥的使用情况。例如堆肥用于温床（能利用堆肥的分解热）时，可在主发酵后直接利用。对几个月不种作物的土地，大部分可以使用不进行后发酵的堆肥，即直接施用堆肥，而对一直在种作物的土地，则有必要使堆肥的分解进行到能不致夺取土壤中氮的稳定化程度（即充分腐熟）。后发酵时间通常在2030天以上。显然，不进行后发酵的堆肥，其使用价值较低。,（d）后处理经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变了形，数量也减少了。然而，在城市固体废物发酵堆肥时，在前处理工序中还没有完全去除的塑料、玻璃、陶
26、瓷、金属、小石块等杂物依然存在，因此，还要经过一道分选工序以去除杂物，可以用回转式振动筛，振动式回转筛，磁选机，风选机，惯性分离机、硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要进行再破碎。并根据需要（如：生产精制堆肥）进行再破碎。后处理工序除分选，破碎设备外，还包括打包装袋、压实选粒等设备，在实际工艺过程中，根据实际需要来组合后处理设备。,（e）后处理在堆肥化工艺过程中，每个工序系统有臭气产生，主要有“氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类”等，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭；水、酸、碱水溶液等吸收剂吸收法；臭氧氧化法；活性炭、沸石、熟堆肥等吸附剂吸附法等等。其中，经济而实用
27、的方法是熟堆肥氧化吸附除臭法。将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器，堆高约0.81.2m，将臭气通入系统，使之与生物分解和吸附及时作用，其“氨、硫化氢”去除效率均可达98%以上。也可用特种土壤（如鹿沼土，白垩土等）代替堆肥，此种设备称土壤脱臭过滤器。,（f）贮存堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天（中间隔半年）。因此，一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设备。堆肥成品可以在室外堆放，但此时必须有不透雨水的覆盖物。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装后存放。加工、造粒、包装可在贮藏前也可在贮存后销售前进行。要求包装袋干燥而透气，如果密闭和受潮会影响堆肥产品的质量。,（3）国内几种
28、高温堆肥处理技术国内不同堆肥处理技术的区别主要在于：有无预处理系统及预处理设备的组合形式；有无发酵仓及仓的结构形式差异；一次发酵的进料及出料方式及设备；后处理系统的完善程度；堆肥产品的质量及使用对象。,第一种：杭州市机械化堆肥处理技术,发酵仓出料机械较先进，半动态堆肥化能缩短发酵周期是该工艺的重要特点，其它工艺特点有：热量利用好，温度自下而上地依次传递，损失少。在高寒地区生产堆肥时，如果采用静态间歇式堆肥，腐熟垃圾出仓后，新装入垃圾升温困难。该堆肥生产过程，就可以解决高寒地区堆肥生产升温困难的问题。发酵仓内堆肥物的翻堆是随出料机的转动出料和堆肥物的自上而下塌落完成的，无需外加动力，故节省能源。
29、该发酵仓堆肥物发酵均匀，可避免静态堆肥中出现的“死角”或“夹生”现象。该发酵仓在堆肥过程中，由于连续进出料，有利于微生物接种，发酵升温快，也有利于引入(或培植)微生物新菌种，使之优化。,第二种：武汉市机械化堆肥处理技术武汉市生活垃圾堆肥厂设在北郊塔子湖边。该工艺采用先发酵，后分选的工艺。设备投资及操作费用低，且全料进仓发酵，从无害卫生化角度看比较有利，但发酵仓容积的有效利用率及堆肥产品降解率较低。,第三种：上海安亭机械化堆肥处理技术该处理系统工艺流程框图如“图4-2-10”所示。整个工艺由五个系统组成：堆肥发酵仓；机械通风系统；水份调节系统；输送系统；机械筛分-破碎系统。该工艺特点是：日处理量
30、大，达300t/d。原料供给靠船队输送并配以桥式起重运输系统。由于输送系统特殊，故投资较国内其他处理厂高。该工艺采取不预筛分破碎的工艺方法，故未设前处理工艺，但对堆肥产品后处理工序设置了有效的机械筛分-破碎系统。已达到工业性生产水平。,第四种：天津大港机械化堆肥处理技术天津大港机械化堆肥处理技术(即LD50-100型生活垃圾堆肥生产线)整条工艺路线分为前处理、发酵、后处理三大工序。,1,该工艺特点是：前处理工序主要采用机械化程度较高的生活垃圾处理专用设备。发酵工序分为两个阶段：一次发酵为好氧发酵阶段，通过微生物的自然分解以达到消灭病菌的目的。二次发酵工序为厌氧发酵阶段，使一次发酵过程中未能降解
31、的可堆肥物进一步腐熟。后处理工序通过精筛和去石工艺，可进一步去除杂质提高堆肥质量，精堆肥可以进一步添加不同比例的氮、磷、钾、无机肥料及微量元素，制成适于不同作物生长的专用有机复合肥料，售价可以随着堆肥所含营养成分的比例成倍的增长，具有较好的市场前景。,第五种：鸡西简易高温堆肥处理技术鸡西市属黑龙江省，依据东北冬夏温差大的特点，首创了两套发酵工艺流程。即夏季炎热，垃圾、粪便易造成城市环境的污染。迅速解决垃圾、粪便的无害化处理是垃圾处理的关键。为此，采用垃圾先分选、破碎，然后与粪便混合进行好氧发酵的无害化处理。而在冬季，由于气候寒冷，最低气温可达-38。冬季的垃圾、粪便对环境污染较夏季已显得不很突
32、出，为此，采用了垃圾、粪便先厌氧发酵六个月(11月至第二年4月)后再分选、破碎的工艺。,（a）夏季堆肥工艺主要工艺设备有板式给料机、生活垃圾筛选机、卧式破碎机及混合搅拌机。一次发酵采用敞开式，有1.5m高围墙的发酵场地(共建有两座发酵场，容积各为1500m3)。在发酵场内进行垃圾粪便混合物料条垛式堆肥化。平时堆料用塑料薄膜覆盖，定期进行装载机机械翻堆，以保证好氧发酵条件(物料间氧含量可大于10%)。一次发酵10d，达到无害化。二次发酵20d，可基本腐熟。,经多年探索及实践经验，该工艺采用将城市生活垃圾及粪便按7:3混合，堆制成长10m、宽8m、高2m的堆体，发酵10d取出一部分作为热源，再覆盖
33、以新的垃圾及粪便(垃圾和粪便的比7:3)堆制成同上大小的堆体，发酵期从当年的11月份至第二年的4月份，共6个月。然后将腐熟后垃圾肥进行筛分、破碎，直接出售。筛分、破碎是利用夏季适用的垃圾处理机械设备。对厌氧堆肥化进行温度跟踪监测，证明堆温能够升到5560左右，达到无害化工艺要求。,7.3 影响固体废物堆肥化的主要因素,影响堆肥化过程（特别是主发酵）的因素很多，对于快速高温二次发酵堆肥工艺来说，通风供氧、堆料含水率、温度是最主要的发酵条件，其他条件包括：有机质含量、颗粒度、碳氮比、碳磷比、pH值等。4.1 通风的作用及控制通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，在机械堆肥生产系统里，要求至少有5
34、0%的氧渗入到堆料各部分，以满足微生物氧化分解有机物的需要。,通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度%，可降解系数（分解效率%）等，可用下式推算出理论上氧化分解需要的氧气量（该关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解关系）：CSHtNUOVaH2O+bO2CWHXNYOZCH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量再折算成理论空气量。为便于估算需氧化量包括供料可降解度，提出如下的化学计量式：CaHbNcOd+0.5(nZ+2S+rd)O2nCwHxNyOz+SCO2+rH2O+(cny)NH3 式中 r=0.5b-nx-3(c-ny)，s=a-nw，n为降解效率(摩尔转化
35、率1)，CaHbNcOd和CwHxNyOz分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。,Example：用一种成分为C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥化试验，试验结果，每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg，测定产品成分为C11H14NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。解：可算出堆肥物料C31H50NO26千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=1000/852=1.173千摩尔。堆肥产品C11H14NO4的千摩尔质量为224kg，算出每摩尔参加过程的残余有机物摩尔数，即n=200/1.173224=0.76；,由已知条件：a=31,b=50,c=
36、1,d=26,w=11,x=14,z=1,y=4，可算出：r=0.5500.76143(10.761)=19.32；S=310.7611=22.64。过程所需的氧量为：W=0.50.764+222.64+19.32261.17332=781.5kg。实际的堆肥化系统必须提供超出计算需氧量（二倍以上）的过程空气以保证充分的好氧条件。主发酵强制通风的经验数据如下：静态堆肥取0.05 0.2 Nm3/minm3堆料，动态堆肥则依生产性试验确定。,通风的其他作用：空气受到堆肥化物料的加热，不饱和的热空气可以带走水蒸气，从而干化物料。干化的发生是氧化作用的一部分，也是堆肥化过程取得的重要收益。在高温堆肥
37、化后期，主发酵排出废气温度较高，容纳水气量将随温度升高按指数规律增加，因此就是在外界环境空气呈饱和状态或相对湿度（）相当高时，也可从堆肥中带走大量水分。,通风供氧与带走水气两者是有关联的，但完成两种目的所需空气量不同。有时能同时满足，有时后者需要空气量更多，例如以污泥粪便等含水率高的物料为主要堆肥原料时，则干化空气需要量将明显增加，在实际通风操作时应注意这一点。通风的另一作用是从堆肥发酵仓系统向外散热，这对堆温度的调节，尤其在进入降温阶段温度的控制是必要的。,例题：使用一台封闭式发酵仓设备，以固体含量为50%的垃圾生产堆肥，俟干至90%固体后用作调节剂，环境空气温度为20，饱和湿度为0.015
38、（g水）/（g干空气），相对湿度为75%，试估算使用环境空气进行干化时的空气需要量，如将空气预热到60（饱和湿度为0.152(g水)/（g干空气）会如何？解：分析假定进口和出口的温度相同而排出空气呈饱和状态，可求得每克固体去除的水分为：(1/0.5-1)(1/0.91)=0.889(g水)/(g固体)当采用20的环境空气时，求得理论上的空气需要量为：0.889g(水)/g(固体)1g(干空气)/0.015g(水)1/(1.00.75)106g/t22.4L/29(空气)1m3/1000L=183000(m3干空气)/(t干堆肥),如果预热空气到60，则去除水分能力为：0.152(1.00.75
39、)0.015=0.148(g水)/(g干空气)则所需空气量为：0.8891/0.14810622.4/291/1000=4640(m3干空气)/(t干堆肥)。通风方法与控制：常用的通风方式有：a)自然通风供氧；b)向肥堆内插入通风管（主要用在人工土法堆肥工艺）；c)利用斗式装载机及各种专用翻推机横翻堆通风；d)用风机强制通风供氧，后两者是现代化堆肥厂主要采用方式，常配合使用。因为需氧量和堆肥物料水分及堆料温度密切相关，一般在堆肥过程中常用堆层温度的变化，用仪表反馈来控制通风量以保证堆肥过程处于微生物生长的理想状态。,另外，氧的吸收率（或称耗氧速率）是衡量生物氧化作用及有机物分解程度的重要评价参
40、数，故对于机械化连续堆肥生产系统，可以通过测定排气中氧的含量（或CO2含量）以确定发酵仓内氧的浓度及氧的吸收率，排气中氧的适宜体积浓度值是1417%，可以此为指标来控制通风供氧量。4.2 含水率微生物需要从周围环境中不断吸收水分以维持其生长代谢活动，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质，微生物只能摄取溶解性养料，水分是否适量直影响堆肥发酵速度和腐熟程度，所以含水率是好氧堆肥化的关键因素之一。从理论上讲为维持微生物活性含水率高达90%仍是适宜的，但受到各种限制。,固体废物含水率的高低主要取决于其物理组成。一般规律是：有机物百分含量50%时；最适宜含水率4550%；有机物百分含量达到60%
41、时，最适宜含水率也可达到60%；当无机物灰分多，物料含水率30%时，微生物繁殖慢、分解过程迟缓，当含水率12%时，微生物的繁殖会停止。（1）最大含水量受到物质结构强度（即物料吸收大量水分、仍能保持其结构的完整性）限制。例如禾杆的最大含水量为7585%；锯木屑最大含水量为7590%；城市垃圾最大含水量为65%。在堆肥化过程中，最大含水量也称“极限水分”。即从透气性角度出发，将固体粒子内部细孔被水填满时的水分含量称为堆肥操作中的极限水分。,垃圾成分的极限含水率（2）临界水分“临界水分”是既考虑了微生物活性需要，又考虑到保持物料孔隙率与透气性需要的综合指标。当含水率超过65%，水就会充满物料颗料间的
42、空隙，使空气含量减少，堆肥将由好氧向厌氧转化，温度也急剧下降，将形成发臭的中间产物（硫化氢、硫醇、氨等）和因硫化物而导致堆料腐败发黑。综上所述，综合堆肥化各种因素可得到适宜水分范围为4560%（wt%）（符合城市生活垃圾堆肥处理厂技术议价指标的规定），以55%为最佳。,（3）堆肥物料含水率调节与控制 当以城市垃圾为主要堆肥原料时，有时含水率偏低，常可配以粪水或污泥来调节水分，也可用一定量的回流堆肥来进行调节。堆肥物料的水分调节可根据采用回流堆肥工艺的物料平衡进行。,上图是好氧堆肥化物料平衡图。图中：Xc城市垃圾原料的湿重；Xp堆肥产物的湿重；Xr回流堆肥产物的湿重；Xm进入发酵混合物料的总湿重
43、；Sc原料中固体含量（重量%）；Sp=Sr堆肥产物和回流堆肥的固体含量（重量%）；Sm进入发酵仓混合物料的固体含量（重量%）。,作物料平衡计算如下：湿物料平衡式：Xc+Xr=Xm(4-2-14)干物料平衡式：ScXc+SrXr=SmXm(4-2-15)将式（4-2-15）代入式（4-2-14）中，得关系式：ScXc+SrXr=Sm(Xc+Xr)(4-2-16)令Rw为回流产物湿重与垃圾原料湿重之比，称为回流比率，则：RW=Xr/Xc(4-2-17)由（4-2-16）变形得：,即 Xr/Xc=(SmSc)/(SrSm)故 RW=Xr/Xc=(SmSc)/(SrSm)(4-2-18)如令Rd为回流
44、产物的干重与垃圾原料干重之比，则Rd=SrXr/ScXc(4-2-19)将（4-2-16）变形，方程两边各除以ScXc，得1+Rd=SmXc/ScXc+SmXr/ScXc=Sm/Sc+SmXr/ScXc(Sr/Sr)=Sm/Sc+Sm/SrRd即 Rd(1-Sm/Sr)=Sm/Sc1 可整理得关系式Rd=(Sm/Sc1)/(1Sm/Sr)(4-2-20)方程式（4-2-18）或（4-2-20）能用来计算所需要的以干重或湿重为条件的回流比率。,当以脱水污泥滤饼等湿度大的物料为主要原料时，回流堆肥调节水份是常用的方法。对堆肥化混合物进行水份控制时，无论是否使用回流堆肥都可以掺加调理剂。干调理剂对控
45、制湿度较有利。如只用调理剂而不用堆肥回流时，则前述物料平衡及计算关系式只需要用Xa、Sa取代Xr及Sr即可求解。但往往消耗大量调理剂。(Xa有机调理剂总湿重；Sa调理剂的固体含量，重量%)。,4.3 仓内温度及其控制于堆肥化系统而言，温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。堆肥中微生物分解有机物进行分解代谢会释放出热量，这是堆料温度上升的热源。堆肥化过程温度的变化速率受到氧气的供应状况及发酵装置、保温条件等影响。对于靠酶促进行的堆肥生物化学反应系统，温度对过程的宏观影响比较复杂，且主要由于不同种类微生物的生长对温度具有不同的要求。,堆肥温度与微生物生长的关系,温度过低是不利的，分解反应速
46、度慢，也达不到热灭活无害化要求，嗜热菌发酵最适宜温度是5060。由于高温分解较中温分解速度要快，并且高温堆肥又可将虫卵、病原菌、寄生虫、孢子等杀灭，达到无害化要求，所以一般都采用高温堆肥。但温度过高也不利，例如当温度越过70时，放线菌等有益细菌（有的地农业有益，存活于植物根部周围，使植物受到良好的影响而茁壮成长），将全部被杀死。且孢子进入形成阶段，并呈不活动状态，使分解速度相应变慢，所以适宜的堆肥化温度为5560。堆肥过程中温度的控制十分必要，在实际生产中往往通过温度通风反馈系统来完成温度的自动控制。,酶促反应动力学 酶和基质反应如下:E:自由酶;S:基质;ES:中间物;P:产物.,平衡法:r
47、p=dcp/dt=-dcs/dt=k+2cES k+1cscE=k-1cES Ks=cscE/cES=k-1/k+1总酶浓度:cE0=cE+cES cE0=KscES/cs+cES=cES(1+Ks/cs)cES=cE0 cs/(Ks+cs)结果:rp=k+2cES=k+2cE0cs/(Ks+cs)rp=rp,maxcs/(Ks+cs),cE0:初始酶浓度.rp,max:产品最大生成速度.稳态法 dcp/dt=k+2cES-dcs/dt=k+1cEcs-k-1cES dcES/dt=k+1cEcs-k-1cES-k+2cES=0 cE0=cE+cES cE=cE0-cES k+1(cE0 cE
48、S)cs-k-1cES-k+2cES=0,Km:Michaelis 常数该方程称 Michaelis 公式,if csKm,rp=rp,max=k+2cES if csKm,rp=rp,maxcS/Km if cs=Km,rp=rp,max/2,酶被基质饱和.在堆肥过程中,rp,max or Km 表示在不同条件下发酵速率(见 Fig.9-11a).rp,max 和 Km 也可以由下式计算(见 Fig.9-11b):1/rp=Km/(rp,maxcs)+1/rp,max,Questions,1.拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量SC为30%，每天处理量为10t（以干物料基计算），即10t(干)/d。采用回流堆肥（其SR为70%）起干化物料作用，要求混合物Sm为40%，试用两种基准计算回流比率，并求出每天需要处理的物料总量为多少t？2.设污泥饼中加入回流堆肥和调理剂以控制湿度。选用的有机调理剂是锯末，其固体含量Sa为70%，脱水泥饼和回流堆肥中分别含25%和60%的固体。污泥饼、堆肥和调理剂按比例1:0.5:0.5湿重混合。试求混合物的固体含量（重量%）。,
