固体废弃物生物处理技术

生物处理技术

一、基本概念

1、定义：堆肥化（Composting）是在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物（主要为细菌）作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用（向稳定的腐殖质方向转化）的过程。堆肥化后的产物称之为堆肥（Compost）。

2、堆肥的优点

1)废物的物理性质得到改善: 如结构蓬松、体积和水分减少

2)卫生无害化: 无臭味、病原物大幅度灭活、不孳生苍蝇

3)可充分发挥培肥改土和促进植物生长的作用

?堆肥化处理后，物料腐殖化程度提高，施用后不会

烧根烧苗

?改良土壤物理性能：促进土壤团粒结构形成、降低

土壤容重、提高土壤保肥能力

?提高土壤有机质水平和提供作物养分（具有缓释的

特点）

?提高土壤的缓冲作用

?活化土壤养分：腐殖酸具有螯合作用

?具有生理调节作用：具有生理活性物质

?提高土壤生物活性

堆肥是CO2供给源

3、堆肥的原料

1）纤维木质素类废弃物：农业秸秆、林业废弃物（树皮、锯末、树叶）、糠壳、甘蔗渣、芦苇渣、野草等

2）厨余物与畜禽粪便

3）市政废弃物：生活垃圾、下水污泥等

注意：以第一类为主体原料的堆肥，常要配合低C/N比的材料，如畜禽粪便或城市污泥或豆科绿肥或N肥

4、堆肥的类型

好氧堆肥化是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分化发酵进程。好氧堆肥堆温高，一般在55℃以上，可维持7-11天，极限可达80℃以上，亦称高温堆肥法。由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等长处，在有关污泥、城市废物、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛选用。

现在国内外两类首要的好氧堆肥体系：

1) 无发酵设备体系

物料一般均堆制成条垛式（windrow），根据堆料供氧方法，无发酵设备体系又可分为拌和式堆肥床和固定堆式堆肥床两种堆肥方法。

拌和式堆肥床式堆肥又称传统式或强制通气条垛发酵

固定堆式堆肥基本不进行翻堆，其供氧方法首要有两种，

一是选用天然通气方法进行堆肥，在堆肥场地开有通气沟，并在笔直方向树有通气管（也可用各种秸秆捆绑成束作为通气之用），生物发酵所需求的氧气完全赖天然通风。天然通风堆肥腐熟时间一般较长。二是选用强制通风供氧方法进行堆肥，也称固定堆强制通风堆肥法

肥堆的供氧使用鼓风机或空气压缩机强行鼓风进行，也可选用抽风方法进行。吹风或抽风可用定时器或在肥堆内安顿的温度或氧气浓度主动反应设备来间断性供氧。天然通风堆肥腐熟时间一般较长，而固定堆强制通风堆肥规律比较快，在3～5周内能完结堆肥周期。

无发酵设备体系堆肥的特点是基建投资少；工艺简略；操作简便易行；处理容量大。缺陷是由于是敞开式堆肥，在冬天低温条件下，肥堆不易升温文保温；一般占地较大；堆肥时间比发酵仓式堆肥要长。

2）发酵仓式堆肥体系

堆肥在发酵设备内进行。发酵仓体系可分为立式发酵塔和卧式或槽式发酵设备两种。

立式堆肥发酵塔(多段竖炉式发酵塔)：

一般由5～8层组成。堆肥物料由塔顶进入塔内，在塔内堆肥物通过不同方式的机械运动，由塔顶一层层地向塔底移动。一般通过5～8天的好氧发酵，堆肥物即由塔顶移动至塔底而完结一次发酵。立式堆肥发酵塔一般为密闭结构，塔内温度分布从上层到基层逐步升高，塔式设备的供氧一般以风机强制通风。

卧式堆肥发酵滚筒（达诺式 Dano）：

该发酵滚筒在水平方向上呈歪斜放置，直径为2.5-4.5m，长20-40m，强制供气。在该设备中废弃物靠与筒体内表面的冲突沿旋转方向提升（转速为0.1-3 rpm），同时凭借本身分量落下。通过如此重复升落，废物被均匀地翻倒与供入的空气触摸，并通过微生物的效果进行发酵。经1-5天发酵后排出，条垛放置熟化。

常温24h接连操作,通风量为0.1m3/(m3.min)。若一次发酵，时间

36-48h；全程发酵则2-5d。筒填充率应小于80%

筒仓式堆肥发酵仓

筒仓式堆肥发酵仓为单层圆筒状，发酵仓深度一般为4-5米，大多选用钢筋混凝土构成。发酵仓内供氧均选用高压离心风机强制供气，以维持仓内堆肥好氧发酵。空气从仓底进入发酵仓，堆肥质料由仓顶参加，通过6-12天的好氧发酵，开始腐熟的堆肥从仓底通过出料机出料。

其他：

发酵仓式堆肥系统的特点：

?不受气候影响

?能有效控制二次污染

?发酵时间快，占地面积少。

缺点：

是基建投资大，运行成本较高，批量生产量相对较小。

第二节好氧堆肥的原理及微生物学过程

一、基本原理

1、基本原理

好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程，将一部分有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量，同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程。

1）有机物的氧化

CsHtNuOv.aH2O + O2 —>CwHxNyOz.cH2O（堆肥）+ dH2O(气)+ eH2O(水) + fCO2 + gNH3 + 能量

堆肥成品CwHxNyOz.cH2O与堆肥原料CsHtNuOv.aH2O 之比为

0.3~0.5(这是氧化分解减量化的结果)。

通常可取如下数值范围： w=5~10, x=7~17, y=1, z=2~8

堆肥的结果是废弃物中有机物向稳定化程度较高的腐殖质方向转化,腐殖质的形成十分复杂，其生物学过程示意如下：

2、微生物学过程

嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围

好氧堆肥的微生物学过程可大致分为三个阶段，每个阶段都有其独特的微生物类群：

1）产热阶段（中温阶段，升温阶段）：

?堆肥初期（通常在1-3天），肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源，迅速增殖，

并释放出热能，使肥堆温度不断上升。此阶段温度在室温

至45℃范围内，微生物以中温、需氧型为主，通常是一

些无芽胞细菌。

?微生物类型较多，主要是细菌、真菌和放线菌。其中细菌主要利用水溶性单糖等，放线菌和真菌对于分解纤维素和

半纤维素物质具有特殊的功能。

2）高温阶段：

①当肥堆温度上升到45℃以上时，即进入高温阶段。

通常从堆积发酵开始，只须2-3天时间肥堆温度便能迅速地升高到55℃，1周内堆温可达到最高值（最高温可达80℃）。

②嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐取而代之。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌活动；温度上升到70℃以上时，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。

③此时，产生的热量减少，堆温自动下降。当堆温降至70℃以下时，处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动，继续分解难分解的有机物，热量又增加，堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。

④高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。C/N比明显下降，肥堆高度随之降低。通过高温能有效杀灭有机废弃物中病原物，按我国高温堆肥卫生标准（GB7959-87），要求堆肥最高温度达50℃～55℃以上，持续5-7d。

3）、腐熟阶段：

在高温阶段末期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。此时嗜温性微生物再占优势，对残留较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定化，此时堆肥进入腐熟阶段。

降温后，需氧量大量减少，肥堆空隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风。在强制通风堆肥中常见的后熟处理，即是将通气堆翻堆一次后，停止通气，让其腐熟。还可取到保氮的作用

二、工艺流程与装置

（一）堆肥程序

1、原料的预处理

包括分选、破碎、以及含水率和碳氮比的调整

2、原料发酵

可采用一次发酵方式、周期一般在30天左右。目前普通推广二次发酵方式，周期一般需要20天。

（1）一次发酵：好氧堆肥中的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。它是指从发酵初期开始，经中温、高温然后达到温度开始下降的整个过程，一般需10-12天。

（2）二次发酵：物料经过一次发酵，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1-2m高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。此时温度持续下降，当温度稳定在35-40℃左右时即达腐熟，一般需20-30天。

3、后处理

后处理包括去除杂质和进行必要的破碎处理。

（二）工艺

1、乡村简易堆肥法（一次发酵方式）

乡村堆肥的目的是利用其农业废弃物制备优质有机肥源。

堆肥材料可分成三类。

第一类是禾谷类的秸秆及其根茬、杂草和落叶等，它们是堆肥的主体。其特点是含氮较少，C/N比宽，木质素含量较高，不易分解。

第二类是促进分解的材料包括调节C/N比和酸度的材料。前者指含氮较多的物质，如人、畜粪尿、新鲜豆科绿肥和化学氮肥，后者指石灰。在农村进行简易高温堆肥时，还加入适量的骡、马粪或其培养液，以接种高温纤维分解菌。

第三类是吸附能力强的材料，如泥土和泥炭等。堆制前酌情进行预处理。如粗大的玉米秆等应切碎至10 –15cm；垃圾要进行分选，去除不可堆肥物；老熟的野草切短后用石灰水浸泡或堆积；含水过多的杂草需晒一下除去部分水分。

堆制技术

一般堆宽和堆高各2.0m，长度视材料而定。堆前夯实地面，铺9-10cm 厚的干细土或泥炭，以吸收肥液。开始先铺第一类材料，厚约20cm，

然后加适量水和第二类材料，如此反复，堆积至所需高度，上用泥肥封顶。

加堆积物的原则为：

第一类材料的厚度，由下而上逐层变薄；

第二类材料的用量，由下而上逐层增多，以利腐熟均匀。

材料的配方因地而异，一般高温堆肥的配方为：植物性秸秆100份，人、畜粪尿10-20份，石灰或草木灰2-5份，水100-200份，骡、马粪适量。

2、搅拌翻堆条垛式发酵工艺（一次或二次发酵）

物料以垛状堆置，可以排列成多条平行的条垛，条垛的断面形状通常为三角形或梯形，高度1.5-2.0m,宽4-6米。

物料的成垛堆放可以用铲车进行操作（见图）。在大规模的条垛系统中，物料的翻动可通过移动式翻堆设备进行，如下图所示融翻堆、粉碎、测温、测氧于一体的可移动的堆肥翻堆设备。

对于湿度较高的有机物，例如，城市污泥，畜禽粪便等等在堆置前必须与干燥的蓬松剂或调理剂混合，使其混合后堆料的含水率为

55-65%。蓬松剂可采用各种农业秸秆、稻壳、木屑、树皮、甘蔗渣和干燥的回流堆肥产物等。其发酵工艺流程如：

?对于垃圾堆肥，堆肥前必须进行预处理，主要是对

垃圾分选，去除粗大的无机物，回收各种金属，玻

璃，塑料等，提高物料中可堆肥物质的比例。在前

处理中有时需要对垃圾进行破碎处理，调整垃圾的

粒度，适宜的粒度范围是12～60mm。破碎与筛分可

使原料的表面积增大，便于微生物繁殖，提高发酵

速度。

?垃圾堆肥通常不需要加调理剂和蓬松剂，只有水分

含量适宜，有机物含量达20%以上，通常便可以单

独堆肥。

?通常在堆置后每4-7天可翻堆一次，1个月后可停

止翻堆，让其后熟。

3、强制通风式固定垛发酵工艺

该工艺与前者不同之处就在于物料在堆肥过程中不需要翻堆，氧气的供应是通过机械鼓风或抽风方式来提供，该工艺在污泥堆肥中应用非常普遍。

具体做法为：

①将脱水污泥与蓬松剂混合，体积比可为1:1, 1:2, 1:3；

②在堆肥场地上铺设小木块或蓬松剂约20cm；

③在上述基础上，将污泥与蓬松剂混合物堆成高1.5～2M的垛；

④将垛的表面覆盖一层过筛后的堆肥产物(厚约20cm)或覆盖一层塑料薄膜；

⑤将鼓风机或抽风机与通风管道连接，肥堆堆积3-4天后开始通风，通风方式可以采用肥堆温度或氧气反馈装置自动调节。例如，在温度低于45℃时，风机开始工作，提供氧气，促进微生物的活动；当温度处于45～70℃时，风机停止工作；当温度高于70℃时，风机再度工作，以降低肥堆的温度。也可以通过定时器控制风机的工作，例如，可每隔3小时通风15～30分钟。

⑥若采用抽风方式，风机出来的气体通常先通过腐熟后的堆肥过滤脱臭，再排入大气。

⑦通常堆肥4周后，肥堆翻堆一次，并停止通风，让其后熟，若需要得到高度腐熟的堆肥，后熟时间最好为30天以上。

⑧堆腐后的物料通常需要干燥，可以采用自然露天晾干的方法，也可以重新将鼓风机开启，保持大风量来驱逐水分。

⑨若堆肥中的蓬松剂（例如小木块）需要循环利用，还必须对堆肥进行筛分。

工艺流程

4、发酵仓式城市垃圾堆肥法

1)卧式达诺式滚筒发酵堆肥系统（国外）

下图是一个城市垃圾-污泥堆肥化装置。收集来的垃圾投入料坑或给料斗，用板式运输机输送到破碎机破碎，然后用磁选机除去铁质后，用一次分选机将以厨余物垃圾为主的可堆肥物质和非堆肥物质分开。前者送到一次发酵仓通风发酵。该发酵仓除起发酵外还起下述作用：通过旋转使垃圾等可堆肥物质破碎，粒度变小；用于使污泥返料堆肥和垃圾的均匀；用于发酵均匀化的搅拌；进行定量排料。

一次发酵后尚未腐熟的堆肥，用二次分选机（振荡筛）分为细粒未腐熟堆肥及未发酵破碎塑料等杂质两部分。从一次分选及二次分选选出的非堆肥化杂质一并经压缩包装处理后，送去填埋或焚烧。

未腐熟堆肥，进入多段竖炉二次发酵仓快速发酵分解变成腐熟堆肥，经三次分选机（振荡筛）进一步被分成细粒堆肥和粗堆肥。一部分粗堆肥作为接种用堆肥和污泥混合后送回一次发酵仓。细粒堆肥再通过玻璃选出机，靠吹风、反弹、振荡等作用去除细小的玻璃片、塑料等杂质，成为高纯度的精选堆肥，可直接使用或送入熟成场进一步腐熟。2）国内垃圾堆肥系统（无锡100t/d垃圾处理实验工厂）

三、堆肥的影响因素及其控制

（一）通风量与通风频率

通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度、可降解系数等。

通风的主要作用在于：

①提供氧气，加速微生物的发酵过程；

②调节堆温；

③干燥堆料。

过小的通风量不足以提供给微生物充足的氧气，影响堆肥温度的升高，过大的通风量则有可能使肥堆的热量散失，影响堆肥无害化程度。通常强制通风可取的经验数据为0.05～0.2m3/m3堆料.min。

（1）微生物分解有机物需要的氧气之理论计算

CaHbNcOd +0.5(nz + 2s + r–d) O2 —>nCwHxNyOz+ rH2O + sCO2 + (c - ny)NH3 + 能量

式中，r = 0.5[b – nx - 3(c - ny)] s = a - nw

n为降解效率（摩尔转化率＜1）

CaHbNcOd和CwHxNyOz分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。

例：用一种成分为C31H50NO26的堆肥原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。

1）计算出堆肥物料C31H50NO26的千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=1000/852=1.173kmol

2)堆肥产品C11H14NO4的千摩尔质量为224kg，可计算出每摩尔参加过程的有机物转换系数即n = 200/(1.173×224)=0.76

3)由已知条件: a = 31, b = 50, c = 1, d = 26, w = 11, x = 14, z =1, y=4,

可以算出: r = 0.5[b – nx - 3(c - ny)]=19.32

s = a – nw=31- 0.76×11 = 22.64

4)根据上述化学计量式, 所需要的氧量为:

W = 0.5(0.76×4 + 2 ×22.64 + 19.32 –26) ×1.173 ×32 = 781.5kg 实际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为：

0.05-0.2 m3/(min.m3) 或保证通气堆含氧15%-20%(v/v).

(2) 氧的控制

1、自然通风供氧

2、向肥堆内插入通风管

3、利用各种专用翻推机翻堆通风

4、用风机强制通风供氧。

（二）有机质的含量

有机质含量高低影响堆料温度和通风供氧。有机质含量过低，分解产生的热量不足以促进和维持堆肥中嗜热性细菌的增殖，肥堆难于达到高温阶段，影响堆肥的卫生无害化效果。而且，由于有机质含量低，将影响堆肥产品的肥效和使用价值。

有机质含量过高，则需要大量供氧，这会给通风供氧造成实际困难，有可能因供氧不足，造成部分厌气条件。适宜的有机物含量为20-80% （三）C/N比

最适25：1

在堆肥化中，有机C主要作为微生物的能源物质，大部分有机C在微生物代谢过程中氧化分解变成CO2而挥发，部分C则构成微生物自身的细胞物质。氮主要消耗在原生质合成之中，就微生物对营养的需要而言，最合适的C/N比在4～30。当有机物C/N比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。

随着C/N比增加，堆肥时间相对延长，据文献报道：

当原料的C/N比为20，30～50，78时,其对应所需的堆肥化时间约分别为9～12天，10～19天，及21天，但当C/N比大于80:1时，堆肥就难于进行。

各堆肥原料的C/N比通常为：锯末屑300～1000，秸秆70～100，垃圾50～80，人粪6～10，牛粪8～26，猪粪7～15，鸡粪5～10，下水污泥8～15。

堆腐后C/N比将比堆腐前明显下降，通常在10～20:1，这种C/N比的腐熟堆肥，农业利用肥效较好。若成品堆肥的C/N比过高，农业利用时就可能造成微生物和植物争夺氮素养分，使农作物可利用氮减少，影响农作物的生长发育。

（四）水分

水分是否合适直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度。对污泥堆肥而言，堆料合适的水分含量为55-65%。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。垃圾堆肥最合适的水分为55%。

对于以脱水污泥等湿度大的物料为主要原料时，采用回流堆肥调节水分是常用的方法。

例1：拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量为30%，每天处理量为10吨（以干物料基计算），采用回流堆肥（固体含量70%）

起干化物料作用，要求混合物固体含量为40%，试计算湿基回流比例，并求出每天需要处理的物料总量（湿重）为多少吨？

例2：设污泥滤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，其固体含量为70%，脱水泥饼和回流堆肥中分别含25%和60%的固体。污泥滤饼、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。

（五）颗粒度

堆肥化所需要的氧气是通过堆肥原料颗粒孔隙供给的。孔隙率及孔隙大小取决于颗粒大小及结构强度，像纸张、动植物、纤维织物等，遇水受压时密度会提高，颗粒间孔隙大大缩小，不利于通风供氧。

一般地：适宜大小为12-60mm.

（六）pH

微生物可在较大的pH范围内繁殖，合适的pH为6-8.5。固体废弃物堆肥时通常不需要调整pH值。但pH过高或过低的堆料则需要先在露天堆积一定时间或掺入其他堆肥或物料以降低或增加pH值。

四、堆肥的腐熟度

腐熟度：堆肥的腐熟程度

（一）外观变化

直观定性判断标准是堆肥不再进行激烈的分解，成品温度较低；外观呈茶褐色或黑色；结构疏松；没有恶臭。

（二）工艺参数作为判断标准

1、堆温的变化

对于无发酵仓式堆肥，堆温的变化有良好的指示功能。通常肥堆经过了高温阶段后，温度将逐渐下降。当堆肥达到腐熟时，堆温将低于40℃。但对于发酵仓式堆肥，堆温的指示功能不如无发酵仓式堆肥。因为密封仓保温性好，堆层容积大，在堆肥实际上已稳定化时的温度仍可能较高。

2、耗氧速率

耗氧速率是指单位时间内氧在气体中体积浓度%减少值，可用0.02

O2%/min表示。在堆肥过程中氧的消耗或CO2的产生速率标志了有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度。由于耗氧速率数据测定受原料成分的影响较小，只要在堆层中氧供应充分，耗氧速率的数据就比较稳定可靠。从堆积至腐熟过程中，耗氧速率曲线表明其变化由低至高再下降，然后趋于稳定，当堆肥稳定时，相对耗氧速率基本稳定在0.02O2%/min左右。

（三）化学指标

1 、有机质和挥发性固体含量的变化

随着堆肥的进行，堆肥有机质和挥发性固体含量呈持续下降的趋势，最后达到基本稳定。达到腐熟时，可下降15-30%。然而这种变化趋势受原料来源的影响很大。仅用其来衡量堆肥是否腐熟，还不充分。

2、氮、C/N比及无机氮形态的变化

在堆肥过程中部分有机碳将被氧化成CO2挥发损失，肥堆质量减少。由于氮的损失（主要是在有机氮的氨化阶段，少量的氨氮会挥发损失）远低于有机碳的损失，因此，堆肥腐熟后，堆肥中全氮含量有上升的趋势，而C/N比持续下降，直至稳定。一些研究指出，当堆料的C/N 比从25～35:1下降至20:1以下时，肥堆将达到稳定。

3、水溶性有机碳(C)及水溶性有机碳与有机氮之比

在堆肥过程中，堆肥水浸提液中水溶性有机碳的变化比堆料固体有机碳的变化要明显得多。研究发现，当堆肥腐熟时，水溶性有机碳可下降50%以上。浸提液中有机氮也有类似的规律，但降幅远没有水溶性有机碳大。近年来发现，水溶性有机碳与水溶性有机氮的比值是堆肥腐熟的良好化学指标，该值约为5-6时表明堆肥已经腐熟，而且该值与堆肥原料无关。

（四）生物指标

通常采用堆肥水浸提液对种子萌发的影响或堆肥对幼苗生长的影响

来作为生物指标衡量堆肥的稳定程度。当堆肥没有达到稳定时，堆肥