固体废弃物处理与处置教案 第四章 处理与处置第四章 处理与处置第一节 堆肥一． 概述1. 定义指利用自然界中广泛存在的微生物，通过人为的调节和控制，促进可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产物为堆肥有时候把堆肥化和堆肥不加区分微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多生物体的过程它具有发酵周期短、无害化程 度高、卫生条件好和易于机械化操作等特点，好氧堆肥法在国内外得到广泛应用2. 发展历史1） 古老的技术，几个世纪以前，我国和其它一些国家的农村，利用落叶稻草动物粪便，堆积到一起进行发酵，生产肥料；2） 现代堆肥：1925年，英国人在印度，发明了“印多尔法”，是将落叶垃圾人畜粪便，堆成1.5m的土堆，月翻堆1-2次，6个月腐熟因为翻堆周期长，大部分属于厌氧反应，后来增加了翻堆的次数，效率提高；之后，丹麦发明了达诺法，美国发明了机械化堆肥，主要是多段竖炉发酵仓，并且接种，使这项技术在上个世纪60年代达到顶峰；3）70年代，化肥工业的产生，其速效、方便、廉价对堆肥产生冲击，同时，由于堆肥原料中不可分解的成分较多，导致其产品质量差，效率低而倒闭；4）80-90年代，化肥的副作用开始显现，土壤板结、地力下降。
而且垃圾填埋占用大量土地，焚烧污染大气，所以开始考虑用堆肥方式处理垃圾，又迎来了一个高峰；5）人们对食品安全的重视，导致堆肥应用受限；6）现在：堆肥有条件的使用；比如德国把堆肥当成一种垃圾干燥技术；堆肥也可以作为餐厨垃圾处理的候选技术；3. 堆肥的产品堆肥技术的出现，一开始并不是为了处理废物，而是为了获得产品，即堆肥的产物它具备一些优势：1） 土壤改良剂：堆肥的产物，含有大量的腐殖质，它可以促使土壤形成团粒结构，使土质松软，孔隙度提高，从而提高土壤的保水、透气性，并且有利于植物根系的发育和养分的吸收；2） 肥力：本身就具备一定的肥力，另外，还具有保肥的作用还可以改善磷肥的状态（PO43-可以与土壤中的Al2O3反应而失去活力，加入堆肥后，腐殖质可以与Al2O3作用，而是PO43-呈可溶状态）；3） 对重金属有一定的固定作用：腐殖质的螯合作用4） 肥力缓慢释放，不容易烧苗5） 含有大量的微生物6） 肥效低、体积大、运输成本高和施用劳动量大，见效慢4.分类根据对氧气的需求，分为好氧和厌氧根据温度的不同，分为中温和高温根据操作方式分，露天堆肥和机械堆肥二． 好氧堆肥1. 原理堆肥是在有氧条件下，好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。
微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁忙殖，产生出更多的生物体的过程在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量的能量据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：起始阶段、高温阶段和熟化阶段发生的反应：1） 不含氮有机物的氧化2） 含氮有机物的氧化3） 生物质的合成4） 生物质的氧化总的氧化分解过程：起始阶段：有人把起始阶段分为潜伏阶段和中温增长阶段；其中潜伏阶段是指堆肥开始后微生物适应新环境的过程，即驯化阶段；而中温增长阶段是指不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40℃，从而进入下一个阶段； 高温阶段：当温度升高到45℃以上后，第一阶段的中温微生物由于温度的变化受到抑制或者死亡，高温菌取代中温菌并且迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70℃。
一般来说，温度超过70℃后，微生物不适应，而活性下降当有机物基本降解完，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，形成腐植质 熟化阶段：冷却后的堆肥，一些新的微生物，中温菌，借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成2. 影响因素好氧堆肥的关键，就是控制好堆肥过程的各个影响因素，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：1） 供氧量供氧的目的是为微生物提供好氧生命活动所必须的氧气，一个好的堆肥系统应该保证三点：Ø 充足的氧气Ø 氧气能够均匀的分布于物料中，这取决于设备的构造Ø 考虑通风和干化的关系：通风和高温会使系统中的水分流失，以气态形式流失，而是物料干燥一般堆肥成品与堆肥原料的比值为0.3-0.5，这并不完全是有机质氧化的结果，也包含了水分的流失所需要的氧气量用于三个方面：第一氧化，第二干燥，第三降温先看氧化所需的氧气量V1O2的系数是以O物料衡算得来r=0.5（b-nx-3(d-nz)）以H物料衡算得来s=a-nw 以C物料衡算得来其中n是降解效率，小于1，或称摩尔转化率。
例题：原料1000kg，分子式【C6H7O2(OH)3】5产物400kg，分子式【C6H7O2(OH)3】2求V1解：Ø 先求n 反应前摩尔数 ： 反应后摩尔数：所以n=1Ø 确定a,b,c,d,w,x,y,z并且计算r,sa=30,b=50,c=25 d=0w=12,x=20,y=10,z=0求r=0.5（b-nx-3(d-nz)）=15 （当d=0 式中(d-nz)=0）Ø 有了r，可以求O2的系数 得到18所以O2量=1.23mol×18×32=708kg这就是氧化所需的理论氧气量，折算成空气量即可在实际工作中，可以按照此值的2-3倍近似计算所需空气量即可不过，如果在堆肥过程中，考虑干燥的作用，则需计算干燥所需的空气量V2,举例说明例：用一台封闭的发酵仓设备，以固体含量50%的垃圾生产堆肥，待其干燥至90%后，用作调节剂假设环境温度20℃，饱和湿度为0.015g/g（水/干空气），相对湿度75%试估算使用环境空气干化时，所需的空气量若将空气预热到60℃（饱和湿度0.152g/g）所需的量多少解：Ø 假定进出口温度相同，而排出的空气呈饱和状态则：原料中： 1g 干固体，1g水分，总计2g产物中： 1g干固体，0.111g水分，总计1.111g产物即：1—0.111=0.889g/g（水分/干固体）Ø 20℃，进口空气75%，出口100%即：进口水分含量0.75×0.015g/g（水/干空气） 出口水分含量1×0.015g/g（水/干空气） 所以 1g干空气所带出去的水分为0.25×0.015g/gØ 总计有0.0889g水分需要带出则x=此为所需干空气的质量，再折算成体积即可如果加热至60℃，则不同的是出口的饱和水分含量不同，需要用60℃的数据。
对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量要适当，一般为0.1~0.2m3/m3.min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定2） 含水率水分是维持微生物代谢必不可少的物质Ø 当水分小于20%，微生物活动基本停止Ø 40-50%，活性开始下降，活性下降意味着体系热量来源不足，会导致T降低Ø 50-60%，最适合还要注意，含水率会随着时间的进行，下降，因而，如果要保持高效，需要在堆肥过程中进行水分调节水分的消耗主要两个方面，第一微生物代谢会消耗水分，第二，通风会使体系水分蒸发如果物料含水率偏低，一般用粪水或者污泥调节；如果含水率过高，则用粉煤灰、稻草秸秆或者堆肥的产物回流方式进行调节另外还要注意，最佳含水率还与原料中的有机物含量有关，有机物含量高，则所需的水分也高，有机物含量低，所需水分也低3） 温度堆肥的过程划分是根据温度的变化来确定的。
但是温度变化的内在因素是微生物的分解代谢活动，而影响堆肥体系温度变化的因素，主要是通风当体系温度过高时，可以通过通风的方式降低体系温度，防止温度过高在极限条件下，堆肥温度可以达到80-90℃在堆肥的初期，通风的目的是为了提供充足的氧气满足微生物代谢需要，而后期主要是为了控制温度在实际操作中，当体系温度超过60℃以后，应该加大通风量使温度下降对于堆肥过程而言，我们是希望体系在较高的温度维持较长的时间，因为较高的温度对于病原菌的杀灭是有效的Ø T＞60℃,3天即可完成灭菌Ø 50℃＞T＞60℃，需要10-20天Ø 而当T＞65℃，不少微生物会形成孢子，呈不活动状态，不利于灭菌注：灭菌效果取决于温度和时间，比如牛奶的灭菌方式分为巴氏灭菌和超高温灭菌两种方式巴氏灭菌：72-80℃ 3-15分钟超高温灭菌：135-140℃,1-3秒这种方式口感好，但是营养物质破坏比较多4） C/N比在堆肥过程中，C是提供能量的物质，是堆肥的核心，温度变化的内在原因，N是合成细胞的原料，如果C/N低，系统能量不足，温度达不到要求，系统不会完成堆肥的过程，而如果C/N过高，堆肥的产物施用到土壤后，会夺取土壤中的N素，导致土壤N饥饿。
因此过高和过低都是不合适的堆肥原料的C/N在25-50之间最合适，实际经验表明在25-35之间，效果最好在堆肥过程中一部分的C以CO2形式损失，导致C/N降低，产物一般在10-20之间，这一比例对植物比较有利当原料的C/N不在适合的范围时候，需要预先进行调节，尤其是当几种物质混合堆肥时，更应该调整好比例例题：树叶与污泥混合堆肥，确定比例，使其C/N在25 树叶：含水率50%，C/N：50，含氮量0.7% 污泥：含水率75,%，C/N：6.3，含氮量5.6%确定1kg树叶配比多少污泥解：首先确定1kg树叶中各种物质的量水：50%，即0.5kg；干物质：50%，0.5kg；N=0.5kg×0.7%=0.0035kg；C=0.0035×50=0.175kg再确定1kg污泥的水：75%，即0.75kg；干物质：25%，即0.25kg；N=0.25×5.6%=0.014kg；C=0.014×6.3=0.0882kg假设1kg树叶配比X kg的污泥所以得到X=0.33kg然后在通过水分验证水分是否合适混合后0.33kg污泥+1kg树叶水分含量=0.75/1.33=56%，在适合范围内。
5） C/P比除了C/N之外，P也是微生物必须的营养元素，一般C/P控制在75-150之间，在实际操作中，对C/P的关注不如C/NP的补充一般是通过添加污泥，污泥中的P含量较高6） 有机物含量堆肥化是一个微生物分解有机物的生物化学过程，有机物的含量决定着潜在发热量，直接影响着堆肥温度的变化与通风供氧的要求但是，过高的有机物含量又将通风供养带来影响，从而产生臭气和厌氧研究表明，堆肥物料中最合适的有机物含量在20%～80%之间。