（环境工程专业论文）餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究.pdf

北京一i 商大学硕士学位论文 i n o c u l a t e do n e ( 4 d ) t h es e p t i ct a n k ss u p e r n a t a n ta st h ei n o c u l a t i o nw a sb e s tf o r t h ec o m p o s t i n g ，w h i c hn o to n l yb r o u g h tb e n i f i c a lb a c t e r i u m ，b u ta l s oa c o m m a d a t e d t h ei n i t i a ic nt o4 9 s m a l ls c a l ee x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e du n d e rt h el a b o r a t o r yc o n d i t i o n t o e x a m i n et h ep r a c t i c a b i l i t yo ft h er e s u l ta n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ec o m p o s i n gr e a c t o r d e s i g n e d i tw a ss h o w n t h a tt h ec o m p o s t i n gs c h e m ed e s c r i b e da b o v ew a ss u i t a b l e f o rt h es m a l ls c a l ee x p e r i m e n t i ta l s os h o w e dt h a tt h ec o m p o s t c o u l dh e a tu pe a s i l y , m a i n t a i n l o n g e r t i m e i n h i g h e rt e m p e r a t u r e a n dh a v eb e t t e re f f e c to f h e a t i n a c t i v a t e d ，w h i c hw o u l do f f e rt h et e c h n o l o g i c a ls u p p o r t so ft h eo p t i m i z a t i o no f t h eh i g he f f i c i e n c yt h e r m o p h i l i cc o m p o s t i n gp r o c e s s ，f u r t h e rl a r g es c a l ec o m p o s t i n g e x p e r i m e n t sa n dt h ed e s i g no ft h er e m o v a l k i t c h e ng a r b a g ep r o c e s s o r k e yw o r d s ：r e s t a u r a n tg a r b a g e ，a e r o b i cc o m p o s t i n g ，g r e a s e c o n t e n t ，s a l tc o n t e n t ，n a t u r ei n o c u l a n t s i i i 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种荆的研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 餐厨垃圾简介1 1 1 1 餐厨垃圾的定义1 1 1 2 餐厨垃圾的现状1 1 1 3 餐厨垃圾的特点与危害3 1 2 餐厨垃圾的处理技术4 1 2 1 物理处理技术。4 1 2 2 物理化学处理技术5 1 2 3 生物处理技术5 1 3 好氧堆肥处理技术8 1 3 1 好氧堆肥的原理8 1 3 2 好氧堆肥微生物的生化过程9 1 3 3 好氧堆肥中的微生物1 1 1 3 4 好氧堆肥工艺及过程参数1 2 1 3 5 好氧堆肥腐熟度的评价指标1 6 1 4 本课题研究的主要成果1 8 1 4 1 工艺参数的优化1 8 1 4 2 堆肥过程中微生物的研究1 9 1 5 本课题的研究意义与内容2 0 1 5 1 餐厨垃圾好氧堆肥工艺存在的问题2 0 1 5 2 本课题的意义与内容2 1 第二章餐厨垃圾好氧堆肥的影响因素研究2 3 2 1 实验条件和方法2 3 2 1 1 实验材料2 3 2 1 2 实验装置2 3 i v 北京1 ：商人学硕士学位论文 2 1 3 实验参数与测定方法2 4 2 2 含油量对餐厨垃圾好氧堆肥的影响2 6 2 2 1 实验方法与材料性质2 6 2 2 2 实验结果分析与讨论2 6 2 2 3 小结3 2 2 3 含盐量对餐厨垃圾好氧堆肥的影响3 2 2 3 1 实验方法与材料性质3 3 2 3 2 实验结果分析与讨论3 3 2 3 3 小结3 8 2 4 本章小结。3 9 第三章自然接种剂对餐厨垃圾好氧堆肥的影响4 0 3 1 接种剂4 0 3 2 实验方法与材料性质4 1 3 3 实验结果分析与讨论4 2 3 3 1 不同自然接种剂对堆料温度的影响4 2 3 3 2 不同自然接种剂对p h 值的影响4 3 3 3 3 不同自然接种剂对含水率的影响4 4 3 3 4 不同自然接种剂对水溶性c n 的影响4 5 3 3 5 不同自然接种剂对有机质降解的影响4 7 3 4 本章小结一4 7 第四章餐厨垃圾好氧堆肥工艺优化与装置研制4 8 4 1 餐厨垃圾好氧堆肥装置的设计4 8 4 2 小试工艺条件4 9 4 3 小试实验5 0 4 3 1 实验方法与材料性质5 0 4 3 2 实验结果分析与讨论5 0 4 4 本章小结一5 4 第五章结论及建议5 5 5 1 结论5 5 v 5 2 建议 致谢 参考文献 攻读硕士学位期 附录。 北京1 ：商人学硕士学位论文 1 1 餐厨垃圾简介 第一章绪论 随着社会的发展和人民饮食水平的提高，我国城市垃圾中的餐厨垃圾的产量在大 幅度增加，我国城市餐厨垃圾平均以每年近9 的速度增长，少数城市的增长率高达 1 5 2 0 i 。 餐厨垃圾是来自厨房和餐桌的剩余食物，这些废物如果处理不当，不仅危害人们 的身体健康，还严重污染环境。餐厨垃圾含水率高达8 0 9 0 ，泔脚中的渗沥水极 易通过渗透作用污染地下水，泔脚中富含的有机物在温度较高时，则很快会发酵而腐 烂变质，产生出大肠杆菌等病原微生物，直接危害人体健康。另外，废弃油脂和残渣 的排放会堵塞下水道，污染环境。因此，对餐厨垃圾进行加工处理是一项亟待解决的 头等大事。 1 1 1 餐厨垃圾的定义 餐厨垃圾包括食品加工过程中产生的食物残余( 厨余) 和饮食消费后的食物残渣 ( 泔脚) ，主要来源于餐饮行业、家庭以及政府机关、企事业单位、学校等的公共食 堂。餐厨垃圾主要由菜蔬、果皮、果核、米面、肉食和骨头组成。餐厨垃圾和蔬菜、 水果等食品加工业和批发零售市场产生的垃圾共同构成了城市生活垃圾的有机垃圾 部分。 1 1 2 餐厨垃圾的现状 随着社会经济的发展、城市化进程的加快和人口的增多，我国生活垃圾的排放量 以每年6 8 的速度增长，近几年增长有所减缓【2 】，餐厨垃圾所占的比例不断加大。 北京市人均r 产生活垃圾0 8 2 公斤，全市r 产垃圾1 1 5 力吨，其中餐厨垃圾约 1 , 0 5 0 t 1 3 1 。上海市同均餐厨垃圾产生量为1 , 1 0 0 1 ，2 0 0 t ，其中餐饮业占5 5 2 4 【4 1 。我国 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究 其他城市餐厨垃圾占城市生活垃圾的比例为：天津5 4 ，沈阳6 2 ，深圳5 7 ，广 州5 7 ，济南4 1 1 1 1 。 以上海为例，近年来其城市生活垃圾产生量和组成状况见表1 1 。 表1 11 9 8 8 2 0 0 0 年上海市生活垃圾成分调查统计及2 0 0 5 2 0 1 5 年预测值【5 】 由表1 1 数据可知，在上海市的生活垃圾中，有机易腐败的垃圾成分( 餐厨垃圾) 和可燃成分( 纸张、塑料橡胶、织物等) 占有很大比例，其中餐厨垃圾为生活垃圾中 有机垃圾的主要成分。随着生活水平和食品结构的变化，以及净菜上市率的提高，非 餐饮业易腐垃圾在生活垃圾中的比重会有所减少，但在未来十几年内，仍占支配性地 位。 按照乐观预测：随着文明餐饮的推广，餐饮业易腐垃圾产量会有所减少，预计在 2 0 1 0 年餐厨垃圾的产量将达2 6 万t 【6 】。 我国餐厨垃圾消纳渠道不畅所带来的社会隐患以及餐厨垃圾产生量日益增加的 严峻现实，使得餐厨垃圾的收集、运输、处理问题迫在眉睫。针对我国餐厨垃圾收集、 处理的现状，2 0 0 5 年1 月l 同北京市实施北京市餐厨垃圾管理办法【7j ，规定禁止 使用饭店、宾馆、餐厅、食堂产生的未经无害化处理的餐厨垃圾饲喂动物，否则由动 物防疫监督机构责令改正，并处1 0 0 0 元以上5 0 0 0 元以下的罚款。上海市紧随其后于 2 0 0 5 年4 月1 日起f 式实施上海市餐厨垃圾处理管理办法1 8 j ，规定禁止将废弃食 用油脂加工后作为食用油使用或者销售，禁止擅自从事餐厨垃圾收运、处置，禁止将 北京1 商人学硕士学位论文 餐厨垃圾作为禽畜饲料，禁止将餐厨垃圾混入其他生活垃圾收运、禁止将餐厨垃圾裸 露存放。在餐厨垃圾单独收集、运输的基础上，针对我国餐厨垃圾的产生现状，从环 保和资源化的角度出发，借鉴国外研究实验成果和开发研究适合我国国情的餐厨垃圾 处理技术具有很强的现实意义。 1 。1 3 餐厨垃圾的特点与危害 尽管餐厨垃圾的组成、性质和产生量受社会经济条件、地区差异、居民生活习惯、 饮食结构、季节变化等不同因素影响而有所差别，但总体具备如下特征： ( 1 ) 餐厨垃圾的含水率高( 水的质量分数大于8 0 ) ； ( 2 ) 有机质比例高( 占干物质质量的9 5 以上) ； ( 3 ) 氮磷钾等营养元素丰富，再利用价值高； ( 4 ) 易腐烂发臭，易滋生病菌，造成疾病的传播。 餐厨垃圾中各种营养成分的含量如表1 2 。 表1 2餐厨垃圾样品绝干物中各种营养成分的含量( ) 【9 】 餐厨垃圾与别的城市垃圾相比，含水量高、有机物含量高，而且油脂含量及盐分 远高于其他有机垃圾，属于较特殊、难处置的一类城市垃圾。长期以来，由于我国大 部分城市餐厨垃圾单独收运处理系统尚未建立，且餐厨垃圾消纳渠道不畅，所以大量 餐厨垃圾直接排放到城市排水管网或流入农户作为畜禽饲料或混入城市垃圾中处置， 产生许多社会隐患： ( 1 ) 餐厨垃圾填埋会侵占土地，同时产生大量沼气和渗滤涮1 0 l 对环境造成二次污 餐厨垃圾好氧堆肥影响冈素及接种剂的研究 染，还可通过地表径流和渗透作用，污染地表水和地下水； ( 2 ) 餐厨垃圾有机物含量高，如和普通城市垃圾一起排放，在温度较高的条件下， 能很快腐烂发臭，引发新的污染； ( 3 ) 餐厨垃圾含有病毒、致病菌和病原微生物，如不加以适当的处理而直接利用， 会造成病原菌的传播和感染等，如“垃圾猪”； ( 4 ) 餐厨垃圾乱倾倒或直接卖给收购泔水的人，容易造成食品废弃物的二次污染， 主要指的是“潲水油”和“地沟油”现象的产生； ( 5 ) 与生活垃圾混合焚烧会大大降低焚烧的热能利用，同时其中的脂类物质在重 金属的催化条件下成为产生二恶英的重要因子【1 1 】。 因此，从环保和资源化的角度出发，借鉴国外研究实验成果和开发研究适合我国 国情的餐厨垃圾处理技术具有很强的现实意义。 1 2 餐厨垃圾的处理技术 餐厨垃圾不同于其它城市生活垃圾，它具有含水率高、有机质比例高、氮磷钾等 营养元素丰富、易腐烂的特点。如果同城市垃圾一起收集、转运和处理，则可能大大 增加填埋渗滤液、沼气的产生，降低焚烧的热值，增加运营的成本。所以应尽可能将 餐厨垃圾进行分类收集，单独处理。由于餐厨垃圾中含有大量的生物质营养成分，有 利于资源化利用，近年来国内外学者针对餐厨垃圾的安全化、资源化处置技术开展了 较广泛的研究。 1 2 1 物理处理技术 物理处理技术主要是指事物破碎技术，是家庭餐厨垃圾处理减量化的主要方式。 欧美发达国家因为饮食习惯与东方人有很大区别，产生的垃圾较少，所以大多采用这 种简单的物理破碎处理方式，是在餐厨垃圾的发生点对其直接进行破碎、粉碎处理， 然后采用水利冲刷，将其排入城市市政下水管网，与城市污水合并进入城市污水处理 厂进行集中处理。 破碎法对于处理少量分散产生的餐厨垃圾如家庭泔脚，具有价格便宜，技术简单 的优点，能降低城市垃圾的含水率，减少收集量，利于提高城市垃圾的发热量。但不 4 北京i ：商大学硕士! 学位论文 足的方面有：用水量较大，增大城市污水的产生量和处理量；餐厨垃圾在污水 管网中，易沉积、发臭，增加病菌、蚊蝇的滋生和疾病的传播；废物中有机组分不 能得到资源利用，同时增加了城市污水处理厂的处理负荷；不利于大规模的餐厨垃 圾的处理处置。 由于我国城市污水收集和集中处理还处于发展阶段，餐厨垃圾的破碎直排处理难 度很大。 1 2 2 物理化学处理技术 餐厨垃圾湿热法处理工艺，作为一种物理化学过程，其原理是将餐厨垃圾在含水 的环境中加热，部分有机物水解生成小分子营养成分，然后迅速卸压、膨化，产物中 的水分从颗粒中瞬间溢出，可以改良固性物微团结构，其余水分主要以间隙水形式存 在，易于被去除，经干燥，最终生成疏松细碎的颗粒状产物。膨化后水分呈过热状态， 瞬间汽化的同时，也散失了部分水溶性蛋白质和低热值脂肪，瞬时的高温又对脂肪酶 和过氧化物酶起到钝化和灭活作用，更有利于物料的保存。并且，在反应条件下，淀 粉水解糖与氨基酸发生梅拉德反应。对产物具有着色致香作用，可改善产物口味，有 利于作为饲料原料【9 1 。 该方法处理周期短，对饮食业垃圾中油脂和高含盐量不敏感，产物中含丰富的易 于被动植物所吸收的氨基酸、不饱和脂肪酸和糖类等营养成分，可以高温消毒，而且 一些有毒有害的有机物，如含硫、硝酸盐的有机物也能被迅速破坏掉，缺点是能耗大， 结合我国餐厨垃圾产生量大和能源紧张的国情，该技术的推广使用具有一定的局限 性。 1 2 3 生物处理技术 1 蚯蚓堆肥技术 蚯蚓堆肥是近年来根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有机物质分解转化功能 的基础上发展起来的一项生物处理技术。蚯蚓吞食大量有机物质，并将其与土壤混合 通过砂囊的机械研磨作用和肠道内分泌的多种酶的分解作用促进有机质分解转化 【1 2 】 0 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究 日本的比嘉昭夫发明了高效复合微生物原露，洒在餐厨垃圾的表层，用塑料布盖 严使之发酵腐熟，杀死细菌，清除恶臭，将餐厨垃圾变为无毒无臭的蚯蚓饲料，蚯蚓 加工后可以制成蚯蚓粉用于养殖业，其粪便用作蔬菜瓜果等作物的优质肥料。a r a n c o n 等人【1 3 】用蚯蚓床处理餐厨垃圾，发现餐厨垃圾堆肥成品比纸品垃圾堆肥含有更高的 c 、n 、c a 、f e 、k 、s 含量，同时施用蚯蚓堆肥的草莓比对照组增产3 5 。b r u c e 1 4 】 通过研究蚯蚓堆肥对致病菌的抑制作用发现，7 2 h 内蚯蚓堆肥中粪大肠杆菌和沙门氏 菌的去除率均达至1 j 9 9 9 9 ，肠道病毒为9 8 9 2 ，蛔虫卵灭活率为4 7 5 4 。 蚯蚓堆肥技术处理速率快，堆肥成品营养含量全，肥效较长，有很好的利用价值， 但所需花费和劳动力较大，同时蚯蚓的生长受气候条件的制约，无法大规模推广应用。 2 密封式反应器堆肥技术 密封式反应器堆肥是一种环境可控的堆肥方式，对周遍环境的负面影响小，适用 于处理含水率高、易腐烂发臭、易滋生蛆虫的餐厨垃圾。反应器系统具有占地小，操 作简单，效率高、清洁无气味的优点，同时多采取好氧的方式，以堆体产生的高温来 杀灭病菌。b r i t t 等人【15 j 于1 9 9 9 年进行了密封式反应器处理餐厨垃圾的可行性研究，该 实验中，餐厨垃圾减重率为7 5 8 0 ( 湿基) ，减容率为5 5 6 1 ( 湿基) 。密封 式反应器的缺点是需要较多的维护，仍然要进行后发酵。 3 浆状好氧堆肥技术 餐厨垃圾浆状好氧堆肥技术就是把餐厨垃圾破碎后投入反应器，加入清水使反应 器内的物料保持泥浆状，并接种经驯化的微生物进行发酵。由于浆状的物料易于搅拌、 同时也可以改善氧气的传质速率、提高微生物对物料的降解效率，因此与厌氧法相比 其操作过程简单、运行成本低、物料平均停留时间短。y e o u n g s a i l g 等人【1 6 j 对浆状好 氧法的机理进行了研究，5 天内8 2 的悬浮固体得到降解，认为d o 和p h 值可作为浆状 好氧反应器工作效率的评价指标，浆状好氧生物反应器处理餐厨垃圾效果良好。 采用该技术堆肥后，堆肥产品因含水率高，在储存和运输方面存在很大问题，强 制通风脱水又使得能耗增加，不适合我国能源紧张的国情。 4 提取生物降解性塑料技术 s h i r a i 等人【1 7 , 1 8 】将餐厨垃圾运送到乳酸生产厂进行乳酸发酵，发酵后通过乳酸分 离、纯化、聚合，得到聚乳酸这种可生物降解性塑料，发酵残渣可作为饲料和肥料， 从而达到餐厨垃圾“零排放”的目的。该技术不但为餐厨垃圾的资源化和减量化提供了 北京l ：商入学硕十学位论文 新的思路，还有利于生物降解性塑料早日取代通用塑料，解决困扰人类的“白色污染 难题”，因此具有广阔的开发前景，但该技术处理量较小，不能从根本上解决我国每 天有大量餐厨垃圾产生的严峻问题。 5 厌氧发酵技术 餐厨垃圾甲烷发酵与燃料电池发电组合系统的开发，使得在餐厨垃圾处理方面前 景不容乐观的厌氧发酵技术重新得到了关注。日本神户等地将收集来的餐厨垃圾经厌 氧发酵得到甲烷，再经催化反应从甲烷中提取氢气，并供给燃料电池发电，所得的电 可供电动汽车充电使用。剩余的甲烷气体可用来供热和发电，也可制成压缩天然气做 汽车燃料使用【1 9 】。在此技术基础上，又开发了餐厨垃圾两段法产氢气、甲烷技术。两 段法综合了相分离、反应器及批序式模式，处理流程由两部分组成：流化床反应器产 氢气，u a s b 反应器产甲烷。s u n k e e 等人【2 0 】以4 个流化床( 产氢气) 和一个u a s b 反 应器( 产甲烷) 组成的装置进行两段法产生物气的可行性研究，研究发现，挥发性固 体去除率为7 2 5 ，其中有2 8 2 转化为氢气，6 9 9 转化为甲烷。 改进的厌氧发酵技术先进，资源化利用率高，但是由于厌氧发酵处理周期长、占 地面积大，恶臭严重，不适合大面积推广使用。 6 高温好氧堆肥技术 堆肥化技术是一项资源回收与利用的技术，堆肥化是在合适的水、气条件下，有 控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，适用于可生 物降解的有机物含量大于4 0 的垃圾【2 1 】。堆肥化技术主要用以处理污泥、城市固体废 物、农业废弃物、动物粪便、食品废物和庭院废物【2 2 , 2 3 1 ，堆肥产生的残余物采用焚烧 处理或卫生填埋处置【2 4 1 。 堆肥化有好氧和厌氧之分【2 5 】，好氧堆肥法是在提供游离氧的条件下，借好氧微生 物的作用来降解有机物，堆温可达5 0 6 5 ，亦称为高温堆肥【2 6 1 。由于好氧堆肥的高 温可以杀死垃圾中的病原菌，同时嗜热菌对有机物的降解速度快，因此国家鼓励在垃 圾分类收集的基础上进行高温堆肥处理。加拿大科学家( i b r ) 开发的高温好氧生物 处理法( e a t a d ) 采用高度嗜热微生物进行发酵，由于发酵温度高，有利于加快发 酵过程。据统计，英国垃圾堆肥比例1 ，美国2 ，法国2 4 7 ，德国3 ，日本1 ， 中国台湾1 t 2 7 1 。 由于餐厨垃圾有机物含量高，c , c n 合理，用高温好氧堆肥方法处理能在较短的发 厂 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究 酵周期内完成堆肥物料的熟化过程和达到良好的热灭活效果。 根据上述各种技术的分析比较，结合我国城市餐厨垃圾处理量大、土地资源紧张、 环境要求高的特点，采用占地小、处理周期短、恶臭不严重、物料分解彻底、能耗低 的高效好氧堆肥化技术进行处理符合我国国情和餐厨垃圾处理资源化、无害化、减量 化的要求。同时，我国已开始注重对餐厨垃圾进行单独的收运、处理，避免了以往和 城市生活垃圾一起堆肥处理所带来的堆肥产品重金属超标的问题【2 8 1 。 1 3 好氧堆肥处理技术 1 3 1 好氧堆肥的原理 好氧堆肥【2 9 】是在有氧的条件下，借好氧微生物( 主要是好氧细菌) 的作用来进行 的。在堆肥过程中，有机废物中的可溶性有机质透过微生物的细胞壁和细胞膜为微生 物所吸收；固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解 为可溶性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动一氧化还原和生物合成过程， 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，产生更多的生物体。 图1 1 可以简单地说明这个过程： 排入环境 图1 1好氧堆肥基本原理 下列方程式反映了好氧堆肥过程中有机物的氧化和合成： 有机物的氧化 不含氮的有机物( c ；h ，o z ) + 释放、转换为热 或微生物合成 北京工商人学硕十学位论文 7 曩 c 。h y o ：+ ( x + 1 2 y 一1 2 z ) 0 2 - + x c 0 2 + 1 2y h 2 0 + 能量 含氮的有机物( c 。h 。n 。o r a l l 2 0 ) c 。h l n 。o v - a h 2 0 + b 0 2 - - + c 。h x n y o z c h 2 0 ( 堆肥) + d h 2 0 ( 气) + c h 2 0 ( 水) + f h 2 0 + g n h 3 + 能量 细胞物质的合成( 包括有机物的氧化，并以n h 3 作为氮源) n ( c x h y 0 ：) + n h 3 + ( n x + n y 4 一n z 2 - 5 x ) 0 2 - - c 5 h 7 n 0 2 ( 细胞质) + ( n x - - 5 ) c 0 2 + l 2 ( n y - - 4 ) h 2 0 + 能量 细胞物质的氧化 c 5 h 7 n 0 2 + 5 0 2 叶5 c 0 2 + 2 h 2 0 + n h 3 + 能量 以纤维素为例，好氧堆肥中纤维素的分解反应如下： ( c 6 h 1 2 0 6 ) n - - + n ( c 6 h 1 2 0 6 ) ( 葡萄糖) n c 6 h 1 2 0 6 + 6 n 0 2 - + 6 n c 0 2 + 6 n h 2 0 + 能量 或：( c 6 h 1 2 0 6 ) n + 6 n ( 0 2 ) _ 6 n ( c 0 2 ) + 6 n ( h 2 0 ) + 能量 1 3 2 好氧堆肥微生物的生化过程 好氧堆肥化的实质就是利用微生物的生化反应将有机物质分解的过程。适宜于高 效好氧堆肥的微生物种类很多，主要有细菌、真菌和放线菌，有时还有酵母和原虫参 加。 高效好氧堆肥从垃圾堆积到腐熟，微生物的生化过程比较复杂，根据堆肥过程中 温度的变化，可将其分为三个阶段。 ( 1 ) 升温阶段 升温阶段亦称为发热阶段或中温阶段。高效好氧堆肥过程中温度的升高是由于好 氧微生物在分解有机物过程中释放出的热量造成的。堆肥初期，堆料基本呈常温，嗜 温菌( 包括真菌、细菌和放线菌) 较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物质( 单糖、 脂肪和碳水化合物) 旺盛繁殖。它们在转换和利用化学能的过程中，释放出热量，由 于堆料有良好的保温作用，温度不断上升。随着温度上升，嗜温菌更为活跃，并大量 繁殖，这样又导致更多的有机物降解和释放出更多的热量。此阶段微生物以中温、需 氧型为主，通常是一些无芽孢细菌。适宜于中温阶段的微生物种类很多，其中最主要 是细菌、真菌和放线菌。这些菌类虽然都有分解有机物的能力，但对不同温度有各自 0 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究 的适应性，且对不同的化合物喜好也各异，如细菌特别喜欢水溶性单糖类，放线菌和 真菌对分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能。 ( 2 ) 高温阶段 当堆料温度上升到4 5 c 以上时，即进入高温阶段。此时，嗜温菌受到抑制甚至 死亡，嗜热菌开始活跃( 真菌、放线菌等) 。堆肥中残留的、新形成的可溶性有机物 继续分解转化，复杂的和一些难分解的有机化合物( 半纤维素、纤维素、蛋白质和木 质素等) 也开始被逐渐分解，腐殖质开始形成，堆肥物质进入稳定状态。高温阶段， 各种嗜热菌的类群和种类是相互接替的，一般在5 0 左右进行活动的主要是嗜热性 真菌和放线菌；温度上升到6 0 时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和 细菌在活动；温度上升到7 0 以上时，大多数嗜热菌已不适宜，微生物大量死亡或 进入休眠状态，除一些孢子外，所有的病原微生物都会在几小时内死亡，如表1 3 。 表1 3 堆肥温度与微生物生长关系【3 0 】 温度对微生物生长的影响 温度( ) 嗜温菌嗜热菌 ( 3 ) 降温阶段 经过高温阶段，堆料中有机物基本降解完毕，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，嗜热菌由于缺乏适当的营养物质而停止生长，即其生物活性 下降，发热量减少。堆料温度由于热量的散失而逐渐下降，堆肥过程进入降温阶段， 亦称为腐熟阶段。在此阶段，嗜温菌又丌始活跃起来，重新成为优势菌种，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。当温度下降并稳定在 4 0 左右时，堆料基本达到稳定。 1 0 北京i ：商人学硕士学位论文 1 3 3 好氧堆肥中的微生物 好氧高温堆肥是有群落演替迅速的多种微生物群体共同作用而实现的动态过程， 在该过程中，有机质生化降解会产生热量，如果这部分热量大于堆肥向环境的散热， 堆肥物料的温度则会上升，短期内可达到6 0 7 0 甚至8 0 ，然后逐渐降温而达腐熟。 在此过程中，堆内的有机物、无机物发生着复杂的分解与合成的变化，微生物的组成 也发生着相应的变化。每种微生物都有在相对较短的时间的最适生长和繁殖的环境条 件，并对某一种或某一类有机物质的分解起作用。 堆肥过程中的微生物主要有如下几种： 1 细菌 细菌凭借其大的比表面积，可快速利用可溶性物质，在数量上通常要比体积更大 的微生物( 如真菌) 多得多。有些细菌，例如芽孢杆菌，能形成很厚的孢子壁以抵抗 高温、辐射和化学腐蚀等不良环境【3 1 】。芽孢杆菌( b a c i l l u s ) 的一些种，如枯草芽孢 杆菌( b s u b t i l i s ) ，地衣芽孢杆菌( b 1 i c h e n i f o r m i s ) 和环状芽孢杆菌( b c i r c u l a n s ) 是堆肥高温阶段的代表性细菌。嗜温细菌是堆肥系统中最主要的微生物。 2 真菌 真菌，尤其是白腐真菌可以利用堆肥底物中所有的木质纤维素。嗜温性真菌地霉 菌( g e o t r i c h u m s p ) 和嗜热性真菌烟曲霉( a s p e r g i l l u sf u m i g a t u s ) 是堆肥生料中的 优势种群，其他一些真菌，如担子菌( b a s i d i o m y c o t i n a ) 、子囊菌( a s c o m y c o t i n a ) 、 橙色嗜热子囊菌( t h e r m o a s c u sa u r a n t i a c u s ) 也具有较强的分解木质纤维素的能力。 但随着堆肥温度的升高，真菌的菌落数开始减少，在6 4 。c 时，所有的嗜热性真菌几 乎全部消失。当温度下降到6 0 以下时，嗜温性真菌和嗜热性真菌又都会重新出现 在堆肥中。研究表明，酵母菌和丝状真菌的数量在堆肥进入高温期时开始下降，经历 一段时间高温期后在高温末期则显著降低【3 2 1 。 3 放线菌 放线菌可以分解一些纤维素、溶解木质素， 比真菌能够忍受更高的温度和p h 。 放线菌降解纤维素和木质素的能力并没有真菌强，但它们在堆肥高温期是分解木质纤 维素的优势菌群【3 引。在恶劣条件下，放线菌则以孢子的形式存活【3 4 】。诺卡氏菌 ( n o c a r d i a ) 、链霉菌( s t r e p t o m y c e s ) 、高温放线菌( t h e r m o a c t i n o m y c e s ) 和单孢子 餐厨垃圾好氧堆肥影响因素及接种剂的研究 菌( m i c r o m o n o s p o r a ) 等都是在堆肥中占优势的嗜热性放线菌，它们不仅出现在堆肥 过程中的高温阶段，同样也在降温阶段和熟化阶段出现【3 引。 4 微型动物 微型动物在堆肥化过程中，也能发挥重要作用。如轮虫，线虫，跳虫，腊虫，甲 虫和蚯蚓等生物通过在堆肥中的移动和吞食作用，不仅能消化部分有机废物，而且还 能增大废物的表面积，并促进微生物的生命活动1 3 6 】。 1 3 4 好氧堆肥工艺及过程参数 1 3 4 1 好氧堆肥工艺 传统的堆肥化技术采用厌氧的野外堆积法，这种方法占地大、时间长。现代化的 堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺，它的工艺流程如图1 2 所示 圈斗目叵叵翘吨叵旧 图1 2 好氧堆肥的工艺流程图 ( 1 ) 前处理 当以城市生活垃圾为主要原料时，由于其中往往含有粗大垃圾和不可堆肥化物 质。这些物质会影响垃圾处理机械的正常运行，并降低发酵仓容积的有效使用，且使 堆温难以达到无害化要求，从而影响堆肥产品的质量。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。 颗粒变小，物料表面积增加，便于微生物繁殖可以促进发酵过程。但颗粒也不能太小， 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1 2 6 0 m m ，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f 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。 a 1 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； 北京l ：商入学硕士学位论文 b ) 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。 ( 2 ) 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。这时微生物吸取有机物的碳、 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3 0 4 0 c ) 进行的。 随着堆温的升高，最适宜温度4 5 6 5 c 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。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4 1 2 d 。 ( 3 ) 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1 - 2 m 高度，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。后发酵时间通常在2 0 3 0 d 以上。 ( 4 ) 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，并 根据需要( 如：生产精制堆肥) 进行再破碎。 ( 5 ) 脱臭 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。 餐厨垃圾好氧堆肥影向因素及接种剂的研究 其中，经济而实用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 8 1 2 m ，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9 8 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。 ( 6 ) 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。 1 3 4 2 好氧堆肥过程参数 好氧堆肥过程就是堆肥物料在通风条件下，微生物对物料中有机质进行生物降解 的过程。因此，好氧堆肥过程的关键就是如何更好地满足微生物生长和繁殖所必须的 参数，归纳起来主要有以下几个方面： ( 1 ) 通风量 通风是好氧堆肥成功的重要因素之一，其主要作用在于：提供氧气，以促进微 生物的发酵过程，如果堆体内的氧气含量不足，微生物处于厌氧状态，使降解速度减 缓，产生h 2 s 等臭气，同时使堆体温度下降【3 7 】；通过空气量的控制，调节最适温度； 在维持最适温度的条件下，加大通风量可以去除水分。堆肥处理的不同阶段，通风 供氧的目的是不同的。堆肥初期易分解的有机物含量高，有机物氧化分解激烈，因此 必须大量供氧。通风的目的主要是提供微生物所需的氧，但通风量过大，水分散失过 快，温度、水分过低反而使生物降解速度下降。当微生物降解有机物反应激烈时，堆 层温度可上升到7 0 以上，为保持生物良好的生存环境，此时可加大通风量，带走更 多的热量，使堆层温度不致升得太高。当有机物基本分解后，通风主要是为了减少堆 肥产品的水分【3 8 1 ，使产品便于储存，因此通风有供氧、降温、带出水分3 种作用。 ( 2 ) 水分 堆肥中水分的主要作用在于：溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；水分 1 4 北京1 ：商大学硕十学位论文 蒸发时带走热量，起调节堆肥温度的作用。水分为微生物生长所必需，在堆肥过程中， 物料含水量的最低值取决于微生物活性，如物料中含水量太低，堆肥中微生物的活性 就会受到抑制；而含水量最大值取决于物料的空隙容积。按重量计，5 0 - - 6 0 的 含水率最有利于微生物分解，水分超过7 0 温度难以上升且易造成厌氧状态，水分低 于4 0 不能满足微生物生长需要，有机物难以降解。因此，堆肥原料水分的多少，直 接影响好氧堆肥反应速度的快慢，影响堆肥的质量，甚至关系到好氧堆肥工艺过程的 成败。 ( 3 ) 温度 温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用主要是影响微生物的生长，一 般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌，堆肥初期，堆体温度一般与环境温度 相一致，经中温菌1 2 天的作用，堆肥温度便能达到高温菌的理想温度5 0 - - 6 5 ， 在这样的高温下，一般堆肥只要5 - - 6 天即可达到无害化。过低的堆温将大大延长堆 肥达到腐熟的时间，而温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量。 根据绘制的常规堆肥温度变化曲线，可判断堆肥过程的进展情况。如测出温度偏 离常规温度曲线，就表明微生物的活动受到了某种因素的干扰或阻碍，而常规的影响 因素主要是供氧情况和物料含水量。若运行正常，而堆温却持续下降，即可判定堆肥 已进入结束前的降温阶段。 ( 4 ) c n 碳主要为微生物生命活动提供能源，氮则用于合成细胞原生质。在堆肥过程中， 碳源被消耗，转化成二氧化碳和腐植质物质；而氮则以氨气的形式散失、或变为硝酸 盐和亚硝酸盐、或是由生物体同化吸收【3 9 】。故就微生物的营养需要而言，c n 是一个 重要因素。正常的好氧堆肥原料中要求有一定的c n ，实践证明：当c n 为2 5 3 5 ：1 时发酵过程最快。若c n 过低( 低于2 0 ：1 ) ，氮过量，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，堆肥过程产生的n h 3 不仅影响环境而且造成肥 效成分氮的损失；而一旦c n 过高( 超过4 0 ：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 i ：i 二逐渐下降。 ( 5 ) p h 值 p h 值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜的p h 值是中性或弱 餐厨垃圾好氧堆肥影响冈素及接种剂的研究 碱性在整个堆肥过程中，p h 值随时间和温度的变化而变化，在堆肥初期，由于有机 酸的生成，p h 值下降( 可降至5 0 ) ，然后上升至8 8 5 左右，如果堆肥成厌氧状态， 贝j p h 值继续下降。在堆肥过程中如果没有特殊情况，一般不必调节p h 值，因为堆肥 物料自身具有较好的p h 缓冲作用，而且微生物也可以在较大的p h 值范围内生长繁殖。 ( 6 ) 颗粒度 堆肥化所需要的氧气是通过堆肥原料颗料空隙供给的。空隙率及空隙的大小取决 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 间空隙大大缩小，不利于通风供氧。物料颗粒的平均适宜粒度为1 2 6 0 m m ，最佳粒 径随垃圾物理特性而变化。 ( 7 ) 有机物含量 有机物是微生物赖以生存和繁殖的重要因素，因此有机物含量也是堆肥过程中的 一个影响因素。对于高温好氧堆肥而言，首要的是热量和温度间的平衡问题。当有机 物含量低于2 0 时，堆肥过程产生的热量将不足以提高堆层的温度而达到堆肥产品的 无害化，也不利于堆体中嗜热菌的繁殖，无法提高堆体中微生物的活性，并且产生的 堆肥产品由于肥效低而影响其使用；当堆体有机物含量高于8 0 时，由于高含量的有 机物在堆肥过程中对氧气的需求很大，又将给通风供氧带来影响，从而可能产生厌氧 和臭气。研究表明，堆料最适合的有机质含量为3 0 6 0 1 4 0 l 。 1 3 5 好氧堆肥腐熟度的评价指标 堆肥在微生物作用下通过高温发酵使垃圾中的病原菌无害化、有机物腐殖质化、 稳定化，最终达到腐熟，而且还能进一步j u t _ 为复合肥料。堆肥没有完全腐熟就施入 土壤，会造成非常严重的后果。未完全腐熟的堆肥c n 比较高，施入土壤会造成植 物缺n ；而c n 过低又会产生氨毒性。未腐熟的堆肥在施入土壤后，能引起微生物 的剧烈活动导致氧的缺乏，产生极端厌氧环境，影响根系生长。同时，未腐熟的堆肥 在这种