（环境工程专业论文）城市垃圾好氧堆肥过程的动力学研究.pdf

硕士学位论立 摘要 如今，作为一种安全有效的处理固体废物的方法，并可以使得废物中的有机 物和营养元素重新利用，堆肥在废物处理规划以及农业种植等方面都扮演着非常 重要的角色。且有着广阔的应用前景。现代的堆肥工厂必须遵循严格的环境准则， 包括气体的散发，比如恶臭。若要符合准则的要求，设计堆肥厂必须进行反复试 验。这种方法花费大、消耗时问多、执行性差且常常得出无效的结果。而数学的 反应堆模型可以做为一个基本的工具，加快和优化工艺流程设计、进行系统分析 以及操作指导。 然而，到目前为止几乎所有的反应器模型都是基于经验模型，这类模型不具 备普适性，因而结果也不能得到广泛的应用。所以。为了实现设计和分析上更大 的通用性，必须建立一个关于堆肥动力学的理论模型。 氧气吸收率( o u r ) 是指单位时间单位体积堆肥块所吸收氧气的量，由于直 接与堆肥反应关磺，o u r 是好氧堆肥过程最主要的比率指标。它与微生物的反应、 热量的产生线性相关，而且是堆肥稳定性的直接衡量标准。又由于通入过多氧气 会使大量热量通过水分蒸发而散失，降低堆温；氧气通入不足又会使厌氧菌大量 繁殖，挥发气体，产生恶臭，降低堆肥速率，而确定了o u r 就可以确定任一时 刻最佳的氧气通入量，因此o u r 的研究具有很强的实践指导意义。 因此本文在前人工作的基础上，从好氧堆肥单个颗粒的内部结构分析入手， 建立了一个模拟堆肥过程o u r 变化的动力学模型。建模过程综合运用了生化反 应动力学、物质传递等原理，并设计试验进行了验证，结果基本符合实际情况。 此模型具有较为广泛的适用性，可以起到优化堆置过程控制、辅助工艺流程设计 和系统分析的作用。 关键词：堆肥；模型：氧气吸收率；微生物 a b s t r a c t a sak i n do fs a f ea n de f f e c t i v et r e a t m e n to fs o l i dw a s t e ，a n de n a b l e sr e u s eo f o r g a n i c m a t t e ra n d n u t r i e n t s ，c n m p o s t i n gp l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei nw a s t e m a n a g e m e n ts c h e m e sa n do r g a n i cf a r m i n gt o d a y ，a n d h a saw i d e a p p l i c a t i o n p r o s p e c t s m o d e r nc o m p o s t i n gp l a n t s m u s t c o m p l y w i t hs t r i c te n v i r o n m e n t a l r e g u l a t i o n s ，i n c l u d i n gg a se m i s s i o n ss u c ha sn u i s a n c eo d o r s d e s i g n i n ge o m p o s t i n g p l a n t st om e e tt h e s er e q u i r e m e n t su s i n gc u r r e n tt r i a l - a n d - e r r o rs t r a t e g i e si st o oc o s t l y a n dt i m ec o n s u m i n ga n dp o o rp e r f o r m a n c ea n df a i l u r ea r et o oo f t e nt h er e s u l t m a t h e m a t i c a lr e a c t o rm o d e l sc a ns e r v ea sa ne s s e n t i a lt o o lf o rf a s t e ra n db e t t e r p r o c e s sd e s i g n s ，s y s t e ma n a l y s i s ，a n do p e r a t i o n a lg u i d a n c e h o w e v e r , a l m o s ta l lr e a c t o rm o d e l sd e v e l o p e ds of a r a r eb u s e dn ne m p i r i c a l k i n e t i cf o r m u l a t i o n s ，r e s t r i c t i n gt h eg e n e r a l i t ya n dt h u sa p p l i e a b i l i t yo ft h er e s u l t s t o a c h i e v e g r e a t e rg e n e r a l i t y f o r d e s i g n a n da n a l y s i s ，am e c h a n i s t i cm o d e lf o r e o m p o s t i n gk i n e t i c si sn e e d e d t h eo x y g e nu p t a k er a t e ( o u r ) i st h ea m o u n to fo x y g e nt h a ti st a k e nu pb ya u n i ts a m p l eo fw a s t ei nau n i tp e r i o do ft i m e i ti st h em o s ti m p o r t a n tc o m p o s t i n g p r o c e s sr a t ei n d i c a t o ra si ti sd i r e c t l yl i n k e dt ot h ec o m p o s t i n gr e a c t i o n ，i ti sl i n e a r l y l i n k e dt oh e a tp r o d u c t i o ni n d e p e n d e n to fm o l e c u l a rs u b s t r a t ec o m p o s i t i o n ，a n di ti sa d i r e c tm e a s u r eo ft e m p e s t i n gs t a b i l i t y o nt h eo t h e rh a n d a sar e s u l to fe x c e s s i v e o x y g e nw i l lc a u s eag r e a td e a l o fh e a td i s s i p a t i o nt h r o u g hw a t e re v a p o r a t i o n ，t h u s l o w e rt h ep i l et e m p e r a t u r e ；a l s ow i t ht h el a c ko fo x y g e nw i l lm a k es u b s t a n t i a l b r e e d i n go fa n a e r o b i cb a c t e r i a ，g a sv o l a t i l e ，o d o u rp r o d u c ea n dl o w e rt e m p e s t i n g r a t e ，a n dm a k es u r et h ev a l u eo fo u re q u a l sm a k es u r et h eo p t i m a lq u a n t i t yo f o x y g e ns u p p l y h e n c ei th a sag r e a tm e a n i n go fp r a c t i c eg u i d a n c et or e s e a r c ho u r i n t e m p e s t i n g t h e r e f o r e ，b a s e do nt h et o r m e rs c h o l a r sr e s e a r c h ，t h i sa r t i c l ee s t a b l i s h s a k i n e t i cm o d e lf o rs i m u l a t i n go u r sc h a n g ed u r i n gt h ec o m p o s t i n gp r o c e s so nt h e b a s i so f s i n g l ep a r t i c l e s i n t e r n a lc o n s t r u c t u r e a n a l y s i s b i o c h e m i c a l r e a c t i o n d y n a m i c s ，m a t e r i a lt r a n s f e r ，a n do t h e rp r i n c i p l e sa r es y n t h e t i c a l l yu s e di nm o d e l l i n g p r o c e s s ，a n dw ed e s i g nae x p e r i m e n tt oc o n f i r mt h em o d e l sv a l i d i t y t h er e s u l t s b a s i c a l l yc o n f o r mt h ea c t u a ls i t u a t i o n t h i sm o d e lh a sw i d e ra p p l i c a b i l i t y , a n dh a st h e f u n c t i o nt oo p t i m i z et h ec o m p o s t i n gp r o c e s sc o n t r o l ，a i dt h ed e s i g no ft e c h n o l o g i c f l o wa n ds y s t e ma n a l y s i s k e yw o r d s ：c o m p o s t i n g ；m o d e l ；o u r ；m i c r o b e 插图索弓 图l 。l 堆肥化过程幂意图1 7 图1 2 数学建模步骤示意图1 9 图l 3 堆肥系统的物质和能量转换示意图2 0 翻2 1 堆肥厂生产步骤示意图2 7 图2 2 堆肥反应器示意图2 9 图3 1 堆肥过程研究结构图3 7 图3 2 堆肥过程概念图3 7 图3 3 堆胆纯期阀主要成分质量转移的过程图解4 5 图3 4 气体从气相传送到液相的理想双膜棋拟图4 6 图3 5 堆肥颗粒示意图4 8 图3 ，6 颗粒几何结构示意圈”，4 9 图3 7 实验装置示意图5 5 国3 8 粒径2 n u n 时o u r 预测值与实验值的对比5 6 图3 9 粒径4 m m 时o u r 预测值与实验值的对比5 6 图3 1 0 粒径8 r a m 时o u r 预测僮与实验值的对比5 6 图3 1 l 粒径1 6 m m 时o u r 预测使与实验值的对比5 7 图3 1 2 起始好氧微生物浓度为0 4t o o l m 。时 o u r 预溯值与实验健的对比5 7 图3 ，1 3 觳始好氧微生物浓度为0 8t o o l m 。3 时 o u r 颈测值与实验值的对比5 8 图3 1 4 起始好氧微生物浓度为1 6t o o l m 4 时 o u r 预测值与实验值的对比5 8 图3 。1 5 起始好氧微生物浓度为3 2t o o l m 4 时 o u r 预测值与实验值的对比5 8 图3 1 6 表面氧气浓度为0 0 4 t o o l n 1 4 时o u r 预测值与实验值的对比s 9 图3 1 7 表面氧气浓度为00 8 m o l n 3 3 时o u r 预测值与实验值的对比5 9 图3 18 表面氧气浓度为o 。1 6t o o l m + 3 时o u r 预测值与实验值的对眈6 0 图3 1 9 表面氧气浓度为0 ，3 2t o o l m 。时o u r 预测值与实验值的对比6 0 附表索引 表1 1 部分国家1 9 9 6 年生活垃圾处理方法统计表3 表2 1 评估成熟堆肥的方法汇总表3 5 表3 1 公式中用到的主要参数5 4 表3 2 不同粒径下预测数据与实验数据的对比6 1 表3 3 不同起始好氧微生物浓度下预测数据与实验数据的对比6 1 表3 4 不同表面氧气浓度下预测数据与实验数据的对比6 2 第1 章绪论 城市生活垃圾是人们同常生活活动中产生的固体废物。主要包括来自居民生 活与消费、市政建设与维护、商业活动、市区的园林及耕种生产、医疗和娱乐场 所等方面产生的一般性垃圾以及人畜粪便、厨房废物和污水处理的污泥等。通 常将城市生活垃圾简易分为有机物、无机物、可回收物品三大类。有机物可用 于堆肥，无机物主要用于填埋，可回收物包括纸张、塑料、破布、金属和玻璃等 可回收再利用。 随着我国城市化进程加快，经济高速增长，科技进步和社会需求的发展，城 市生括垃圾只益增多。据统计，1 9 8 0 年全国城市生活垃圾总清运量为3 1 万t ， 1 9 8 5 年增长一倍达到64 万t l 。9 0 年代以后，我国城市生活垃圾每年以1 0 的 速度递增，到2 0 0 0 年，全国3 0 个省、自治区、直辖市( 西藏和台、港、澳地区未 统计) 城市生活垃圾总清运量达1 18 亿t 口j 。伴随着城市生活垃圾的大量增长，垃 圾中的主要组成成分有机物含量也逐年增加。至1 9 9 7 年，我国城市生活垃圾中， 有机物平均占到4 0 5 0 t 3 1 。 由于城市生活垃圾的大量产牛，加之过去对城市生活垃圾的处理很粗糙，通 常垃圾任意堆放在郊外或简单填埋，从9 0 年代开始在我国大部分地区都出现了垃 圾围城的现象，严重地影响了我国城市周边生态环境。根据文献1 5 j ，近十年来我 国至少有6 7 以上大中城市处在垃圾包围之中，城郊垃圾堆积如山。仅北京市日 产生活垃圾1 1 l 1 0 4 t ，市郊三环以外5 0 m 2 以上的垃圾堆场多达4 9 0 0 多个，近 郊己无空地堆放，只好外扩堆放地，向昌平征用良田1 0 0 0 亩。国外发达国家情况 也是如此m 1 “。以美国为例，9 0 年代初，每人平均同产垃圾就达到2 k g 以上，每 年全国垃圾总量约在1 6 1 0 4 t 以上。在纽约，7 0 0 万人口每天产生3 1 0 4 t 垃圾。 这些垃圾一小部分送往纽约市附近的焚烧厂和一小填埋场处理，还有一部分送到 长岛西南的斯登汀岛上一个占地3 0 0 0 英亩的填埋场。但这样仍不能解决纽约市的 垃圾问题，相当多的垃圾还得运到1 2 0 0 k m 以外的填埋场去处理。由此可见，城 市生活垃圾占用土地量之大，处理费用之高，远远超出现代城市的承受力。而且， 这些垃圾堆置于城市周边，释放有害气体、污染城市水源，特别是垃圾中的有机 物不仅体积大，占用空间多，它包裹在其它组分中冉r j 晒雨淋、高温氧化条件下 发酵分解，产生发酵液和释放出臭气，是严重污染地表、地下水源和土壤、污染 城市周边的大气，对当地居民生活造成直接的危害的t 要因素。 针对城市生活埽圾产生量不断增加，危害日益严重的倾向，我国政府近年来 加大了对城市生活垃圾的处理，制订了符合我国城市生态环境和社会经济刖持续 发展的“三化”政策，即城市生活垃圾资源化、减量化、无害化的综合处理。对 城巾有机固体废物进行无害化、减量化处理，再把有机固体废物作为资源加以利 用是我国一项长期的环保指导方针，也是有机固体废物最终的归宿。为此，我国 政府先后推出和颁布了城市有机固伴废物处理各种工艺技术和标准【4 ，如：城市 生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标，城市生活垃圾卫生填埋技术标准，城镇 垃圾农片j 控制标准，生活垃圾填埋污染控制标准等。 我国城市垃城中可降解的有机物含量高达4 0 6 0 。而堆肥作为生活垃圾处 理的一种有效手段，利用微生物对生活垃圾中可生物降解的有机物部分进行分解， 使之稳定化和无害化，并可用于对农作物施肥。因此，用堆肥法处理城市生活垃 圾不但可变废为宝，还能节约垃圾填埋所占土地并减轻垃圾焚烧对大气的污染。 研发具有良好无害化、减量化和资源化效果的堆肥处理技术将成为解决生活垃圾 问题的一种趋势。 1 1 城市生活垃圾处理工艺概述。 1 1 1 城市生活垃圾处理技术现状分析 由于生活垃圾成分非常复杂，又受到经济发展水平、自然条件及传统习惯等 多种因素的制约，因而各国对生活垃圾的处理般是随国情而异，往往一个国家 的不同地区也采取不同的处理方法，难以有一个统一的模式和万全之策。就目前 广泛应用的填埋、堆肥及焚烧等垃圾处理方法来看，各国采用这些方法的比例也 因诸多因素而有着较大的差别。表1 1 列出了部分国家1 9 9 6 年生活垃圾处理方法 的统计比例 g l 。 从表1 1 可见，目前世界各国生活垃圾处理的传统方法即填埋处理仍占较大 比例，而且对生活垃圾处理的最终处理而言，填埋方法也是唯一的方法，所以这 种方法在今后仍会继续存在并得以发展。日本的垃圾焚烧存9 0 年代中期己达7 5 ， 全国现有垃圾焚烧厂接近2 0 0 0 座。瑞士、比利时、丹麦、法国、卢森堡、瑞典、 新加坡等圆焚烧的比例也都已接近或超过填埋。可见，垃圾焚烧方法正逐步为越 来越多的国家所采用。堆肥法在国外一般较少使用，因其与填埋法相比，投资费 用较贵，此外堆肥产品的销路困难和售价偏低，以及产品对土壤可能引起重金属 污染等，也使堆肥法的推广受到限制，但这种情况近几年在不少国家正在悄悄地 变化，可以预见，随着人们对资源化、循环经济、可持续发展等理念的不断深化， 垃圾堆肥的使用比例会逐渐上升。而对于牛活垃圾中可利用物质的回收量，目前 国外发达园家平均为1 5 左右，但在亚洲国家则普遍较低。 从表11 中所列出的各国生活垃圾处理方法的统计数据中，我们既可以看出 各国生活垃圾处理的基本概况，也口j _ 以看出凼各国国情、经济水平等基础条件不 同，所采用的生活垃圾处理方式也存在很明锓的差别，尤其是发达国家、中等发 达国家和发展中困家之间的差异相当明显。这种状况充分说明，任何一个国家或 城市治理生活垃圾都必须紧密结合本国国情和本地实际。例如：发达国家生活垃 圾的焚烧处理率普遍较高，且呈稳步增长趋势，它说明这些国家生活垃圾的热值 等基本特性和经济、技术水平都适合采用焚烧技术。而发展中国家则以填埋、堆 肥、堆放等处理方式为主，除受生活垃圾热值较低等条件制约以外，也受经济、 技术水平的严重制约。因此。一个国家或城市的生活垃圾处理方式和水平，也亩 接或问接地反映了这个国家或这个城市的经济发达水平和现代化程度。 表1 1 部分国家1 9 9 6 年生活垃圾处理方法统计表 单位：k g k g 但是，从世界各国的生活垃圾处理状况分析，无论是发达国家，还是发展中 国家，生活垃圾的无害化处理率都在不断增睦，日都在罔绕减量化、资源化、无 害化的治理目标实施与展丌，尤其是采取有效措施促进生活垃圾资源的开发利用， 已经受到世界各国的普遍重视。冈而，不仅实现生活垃圾无害化处理已经成为世 界各围的共识，而且实现生活垃圾资源化也已成为世界各国拉动国民经济增长的 重要举措之一，生活垃圾的同收利用率明显呈逐年上升的趋势。以美国为例，1 9 9 0 年美围的生活垃圾回收利用率为8 到了3 0 ，上升了整整2 2 个百分点 到1 9 9 8 年美国的生活垃圾喇收利用率已选 是1 0 年前的3 7 5 倍。 1 1 。2 城市生活垃圾主要处瑾方法介绍 城市生活垃圾的处理方法报多，针对不同类型或不同含量的有机固体废物可 采用不同的方法。常用的处理方法和技术有填埋法、焚烧法和堆肥法。 1 1 2 。1 填蠼法 土地填埋法是从传统的垃圾堆放和土地掩埋发展起来的一项最终处置技术。 它现在已不是单纯的堆、填、埋，而是一种按照工程理论和土地标准，对固体废 物进行有控管理的综合性科学工程方法。它至今仍是我国城市生活垃圾主要处理 方法。由于我国城市生活垃圾未分类收集，绝大部分城市有机固体废物都被混在 其它垃圾中填埋处理了。这种处理方法具有工艺简单、成本较低、适于处理斋种 类型的固体废物。 目时，土地填埋法分为卫生土地填埋法和安全土地填埋法。 ( 1 ) 卫生土地填埋法又分为厌氧、好氧和推好氧三辩。好氧填埋实际上类似 于高温堆肥，其主要优点是能够减少填埋过程中由于垃圾降解所产+ 生的水分，进 而可以部分减少由于浸出液积聚过多所造成的地下水污染：其次屉好氧填埋分解 的速度快，能够产生高温( 可毗达到6 06 c 队上) ，这对消灭大肠杆菌等致病绍菌是 十分有利的。 对于准爵氧琏理，也同样有类似的优点，并且造价更抵。 而现在世界上广泛采用的是厌氧式填埋，原因是厌氧填埋场地结构简单、操 作方便、施工费用低，同时还可回收甲烷气体。 为了防止地下水污染，目前卫生土地填埋法已从以往的依靠土壤过滤自净的 扩散烈结构发展为密封型结构。防止浸出液的渗漏、降解气体的释出、臭昧和病 原菌的扩散。但是，这样大大增加了土地填埋费用。 ( 2 ) 安全土地填埋法是处置有害固体废物的技术，它实际e 是一种改进的卫 生土地填埋法。 从理论上讲。如果处置前对废物进行稳定化预处理，则安全土地填蠼可以处 置一切有害和无害的固体废物。美国对此进行了详细的研究把适于土地填埋处 置的锫种废物组成及可供参考的2 5 种处餮方法按英文字亭编翩成表以供土地填 埋处蹬工程设计人员选择参考。但在实际上，除特殊情况外七地填埋场不应处 置易燃性固体废物、反应性固体废物、挥发性固体废物和大多数液体、半固体、 污泥：土地：| ；翼埋场也不虑处置互不拥窑的废物，以免混台以后发生爆炸，产生或释 出有毒、育害气体及烟雾。 然而，无论卫生土地填埋法还是安全土地壤埋法同现行其它垃圾处理法相比， 都其有降解过程缓慢、稳定化时闻长、降解不完全、产气率低、渗滤液成分复杂， 难以处理等缺点。其主要原羁是，传统的卫生填埋场中，垃圾的生物降解是一个 无任何控制的自然降解过程。由于垃圾组成成分复杂，物理、化学和生物特性差 异很大，以及垃圾填堙场结构改计上的问题，獒无法为微生物提供适宜羽生长条 件，垃圾的生物降解过程因而受到限制。而更蘸要的是在当今土地益紧张的情 况下，采用该法处瑾垃圾不仅浪费大量豹土地，其成本费用也不断上涨。据搬道 2 1 ，2 0 0 0 年，全国城市生活垃圾处理设施的总处理规横为1 3 5 1 0 4 t d ，约为0 4 9 1 0 8 t v ，其中垃圾填埋场处理规模为1 2 ，2 x1 0 4 t d ，占8 9 8 ；堆肥厂处理规 模为0 6 1 8 7 l0 4 t d ，占4 。6 ；再娄垃城焚烧厂处理趣模为0 7 6 5 0 1 0 4 t d ，占 5 6 。全国城市生活垃圾处理设施的总投资为7 2 3 6 2 9 3 1 万元，其中垃圾填埋场 处理设施的总投资为5 0 4 4 6 6 1 万元，占6 9 3 ，鞍三年前增加投资近2 0 堆肥 厂处理设施的总投资为5 0 1 4 1 7 万元，占6 9 ；各类垃圾焚烧厂处理设施的总投 资为1 7 2 0 4 1 万元，占2 3 ，8 。由此可见，现在城市生活垃圾填埋敷巨大，处理费 用也越来越高。但是，由于城市有桃固体凌物易产生腐鼹液，污染地下水源，壤 埋法并不是处理有机固体废物的最适宜方法。 1 1 2 2 焚烧法 焚烧法是一种高温热处理技术。邵以一定的过剩窆气量与被处理的有机物在 焚烧炉内进行氧化燃烧反应，废物中有害有毒物质在高温下氧化、热解丽被破坏， 达到废物尽可能焚烧的目的，使被焚烧的物质变为无害和最大限度地减容，并尽 量减少新的污染物产生，避免二次污染。这是一种可同时实现玻物无害纯、减量 化、资源化的处理技术，也是一种节省大量土地的有效方法【9 】。 焚烧法不仅可班处理固体废物，还可以处理液体废物和气体废物；不但可以 处理城市垃圾和一般工业废物，而且日j 以用于处理危险废物。危险废物中的有机 固态、液态和气态废物，常常采用焚烧法来处理。在焚烧处理城市生活垃圾时。 也常常将垃圾焚烧处理前暂时赌存过程中产生的渗漏液和臭气 l 入焚烧炉焚烧处 理。焚烧适宜处理有机成分多、热值商的废物。当处理可燃有机物组分很少的废 物时，需补充大量的燃料，这样会使运行费用增高。但如粜有条件辅以适当的废 热回收装置，则可弥补上述缺点，降低废物的焚烧成本，从而使焚烧法获得较好 的经济效益。 然丽，由于城市垃圾较其它固体废物霄其明显的特殊性，如含水量高、有机 物化学成分复杂等，使得本已成熟的燃烧技术用于城市垃圾的处理时出现燃烧不 完全、效率低、对设备腐蚀严重、产生有毒气体一恶英等诸多闯题l l 卅。 1 1 2 3 堆艇法 城市有机固体废物是具有特殊生物性质的废物，可采用特殊的生物技术处理。 处理城市有机固体废物的生物技术主要是堆肥，这项技术己有几下年历史。随着 生产力发展和科技进步，堆肥化技术已得到不断改进。一方而，人t 堆肥生产有 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是有益的，是农业、 林业生产需要的：另一方面，各国有机同体废物数量逐年增加，需要对其处理的 卫生要求也日盏严格。从节约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，而且经过堆置后达到稳定状态的堆肥也符合无害化的标 准，所以在国内外处理有机固体废物技术中，该技术由于经济有效目更符台生态 学效应而备受关注。 堆肥技术又有两种，一种是好氧堆肥法。一种是厌氧堆肥法。 好氧堆肥法是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、 稳定的无害化处理方法。城市垃圾中存在的各种有机物( 相对分子质量大、能位高) 作为微生物的营养源，经过一系列生化反应，逐级释放能量，最终转化成相对分 子质量小、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。 厌氧堆肥法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，复杂的有机化台物也被降 解，转化为简单、稳定的化含物，同时释放出能量。其中大部分能量以c h 。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 的细胞组织成分。 1 2 城市生活垃圾堆肥处理的历史 1 2 1 堆肥化的概念 堆肥化( c o m p o s t i r i g ) 是利用自然界广泛存在的微生物( 细菌、放线菌、真菌等) 或商业菌株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。这一过程也是地球表面生态过程的一部分，它参与着地球表面的物质和 能量循环。堆肥化过程可用下述反应式表达1 1 ： 微生物 有机废弃物+ o r 。稳定的有机残渣+ c 0 2 + t t 2 0 + 能量( 1 1 ) 在人为控制条件下，通过堆肥化可以将固体废物中的有机物转化成为有机肥 料 堆肥，这种有机肥判作为堆肥化的最终产物，不仅- | 生能稳定，且对环境的 危害其小。因此，堆肥化是同佛废物，尤其是城市生活坊圾无害化、稳定化和资 源化的有效途径之一。堆肥化发展至今，已经历了漫长的历史，对其产生和发展 的历史过程进行回顾和分析，可为今后开发新的堆肥工艺技术提供理论和实践上 的借鉴和帮助。 1 2 2 垃圾堆肥化的发展过程 堆肥化技术处理有机废物具有悠久的历史，是人类最早开始进行资源循环利 用的方式之一，早在几个世纪前，人类就开始在农业生产中使用这项技术。世界 各地农村将落叶、杂草、秸秆、海草和人畜粪尿等混合堆积在一起使其发酵，制 取肥料，这就是原始的堆肥方式。现代堆肥技术就是由这种原始的堆肥方式发展 而来的。但真正对堆肥化技术进行科学探讨是始于2 0 世纪初，特别是进入2 0 世 纪后，随着人口的增加和城市化进程的加快，城市生活垃圾产生量急剧增加，在 一些发达国家丌始研究将堆肥化技术用于城市生活垃圾的大规模处理，并不断提 高其机械化水平 1 3 q 6 。 1 9 2 0 年，英国农学家业霍华德( a - h o w a r d ) 首先在印度提出了当时称之为 “印多尔法”的堆肥化技术，但是仅限于厌氧发酵。其方法是：将落叶、垃圾、 人及动物的粪尿在土坑内堆成约1 5 m 高的堆，隔数月翻动一到二次，进行为期六 个月的厌氧发酵。 1 9 2 5 年，贝盖洛尔( b a n g a i o r e ) 对“印多尔法”进行了改进。为了促进堆肥 的好氧发酵，将固体废弃物和人粪肥分层交替堆积，并将翻动次数由一至二次改 为多次，堆期为4 6 个月。这就是以好氧发酵为目的的贝盖洛尔堆肥法。从此以 后，世界各国对有机固体废弃物的堆肥化技术进行了系统的规模化研究，并取得 了很大的进展。贝盖洛尔堆肥法在印度、德国、英国、美国、新西兰、澳大利亚 和亚洲等地广泛应用。 1 9 3 1 年，荷兰v a w 公司对贝盖洛尔堆肥法进行了改进，建成了范曼奈法工艺 堆肥j + 。其改进主要是在搅拌方法上采用了起动抓斗车翻动，而在混台原料堆制 过程中( 2 0 1 8 0 d ) 不做任何处理。生产过程为：将末经破碎的垃圾用水调节，在 室外堆放4 6 个月( 厌氧分解) ，然后破碎、分选得产品。因臭气、苍蝇和老鼠等 问题，翻堆采用远处遥控的方式。 1 9 3 2 年，意大利人贝卡里( g g b e c c a r i ) 向政府领取了他的堆肥法专利。其 方法特点是：先将落叶、垃圾、人及动物的粪尿在密闭的系统内进行厌氧发酵， 然后再通入空气进行好氧分解。此后，维迪尔( v e r d l i e r ) 又对其进行改进，首次 采用了将! j | 芒氧发酵过程中产生的渗出液循环使用的流程，并通过充分供给窄气 缩短发酵周期。 上述诸方法主要为在厌氧条件下的发酵过程，其共同特点是：周期长，有机 物分解不完全，且堆肥过程中产生臭气。 1 9 3 3 年，在丹麦出现达诺( 9 a nc ) ) 堆肥法，这是一种运用卧式回转窑发酵仓进 行好氧发酵的方法。它标志着连续性机械化堆肥工艺的2 t ：端。其显著特点是发酵 周期短，般只需3 4 天。该发酵装置在2 0 世纪7 0 年代襁最为盛行，髫前世界 r 约有1 5 d 多家进样的工厂。与达诺同期，在法国开发出了巴登堆肥法，其特点 是先将垃圾中不易堆聪的无枫物去除，然后再与排水系统中的消化污泥一起露天 堆置发酵 6 个月，最后再分选、破碎。 1 9 4 0 年，厄普- 托马斯( e a r l ) t h o m a s ) 在美国取得了立式多段发酵塔堆肥专 剥。该方法采用多段竖炉发酵仓，发酵仓内物糕从上至下逐层移动，并加强了发 酵过程巾的通风和搅拌强度，使得发酵温度高、周期短( 1 3 个月) 。 厄普托马额堆肥泫的闷世，导致了高速堆肥的迅速发展。至此堆肥化技术 已经初步形成了现代化的生产方式与规模，在城市固体废舁物的处理上起到了非 常重要冉勺作用。 2 0 世纪中期，美国在垃圾堆肥化方法上进行了许多有益豹探索。 1 9 4 9 年，堆肥作为固体废弃物处理的一种工艺传八美国。自那时起，美国己 采用至少1 6 种不同形式的堆肥工艺。如露天堆肥法、弗菜塞一艾湓逊( f e a z e r e e s o n ) 法、迈初( m t r ow e a s f ) 垃圾堆肥系统、斯奈尔( s n e l l ) 垃圾堆肥系统、纳 图荣兹( n a t u r i z e r ) 垃圾堆肥系统、达诺堆肥系统、费尔德一哈地( f a i r f i e l d h a r d y ) 堆肥系统鄂瑞壳尔( r i k e r ) 堆肥系统等。处理的废物种类有：混合垃圾、厨 房垃圾、混合垃圾和消化污泥、混台垃圾和生污泥等。其处理规模最小为4 t d ， 最大为3 6 0 t d 。 2 0 世纪5 0 年代，加到福尼亚大学、密执安州立大学和美国公共卫生署进行 了堆肥基础科学研究。1 9 5 6 年，世界卫生组织出版了一本题目为有机垃圾堆肥、 卫生处理与废物翻收的专著。这些羊萼学研究的最重要戏就蠢 1 7 l ： ( 1 ) 制定了好氧堆肥的基本原理与必须的操作参数； ( 2 ) 实践证明难肥不斋要接种物，那黧接种物作为产品出售也没有价值； ( 3 ) 箍单地倒肥是像持必要通风的有效方法； ( 4 ) 好氧堆肥实际上是半好氧处理，需要的空气量比这个词的含义簧少； ( 5 ) 人们发现可能成为厌氧的堆肥物质若进行翻动通风，就能恢复好氧分解； ( 6 ) 人们发现，在好氧情况下进行了较短期的堆肥后，若不再通风，堆肥也 可以继续完成： ( 7 ) 在堆肥她碗过穰率可蹴控制苍娲、破坏病媒； ( 8 ) 制成的堆肥是。种低级肥料它用于土壤改良效果较好，为其所含之菰、 磷的功效所不及； ( 9 ) 各类堆肥系统鲍费用糍是假设的，但是缎明显，堆霓不会成为城市收入 g 的一种来源； ( 1 0 ) 堆肥产品的多少要依市场情况而定。 在努力研究堆肥可行性的过程中，美国公共卫生署、田纳两河流域管理局和 约翰逊市政当局于1 9 6 6 年达成了一项用固体废弃物和下水污泥进行堆肥的联合 研究与实验计划。承担主体用纳西卅f 约翰逊市堆肥厂采用的是长堆式堆肥工艺。 该厂还负责研究堆肥对健康的害处；堆肥的主要参数；堆肥的经济问题；农田使 用堆肥的效果等课题。 美国的堆肥经验表明，堆肥在技术上是可以办得到的，而且作为固体废弃物 处理的一项技术方法也是很理想的。 在现代堆肥化技术的发展过程中也出现过低谷，特别是城市生活垃圾的堆肥 处理在发达国家一度处于停滞甚至萎缩状态。如，在2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代中 后期，由于城市生活垃圾成分逐渐多样化，不可生物降解的成分曰益增多，尤其 是工业化的高速发展，将大量有毒有害的化学物质和高分子塑料制品带入城市生 活垃圾中，给堆肥生产带来困难，并严重影响堆肥产品质量。这一时期，日本的 许多堆肥厂陆续停产关闭，美国的堆肥化产品也在相当长一段时期由于销路不好 而发展缓慢。 进入2 0 世纪9 0 年代后，由于以下几方面的因素。堆肥处理又呈上升的发展 趋势。欧美发达国家垃圾填埋场的标准和焚烧处理的排放标准都不同程度的进行 修订并进一步提高，焚烧处理和填埋处理成本也随之增加：垃圾分类收集的普遍 推广为垃圾的再生利用也包括堆肥处理的发展提供了良好的基础条件：垃圾再生 利用( r e u s ea n dr e c y c lj n g ) 得到广泛地重视。近几年来，欧美发达国家把垃圾堆 肥看作可降解有机物的再生利用。垃圾的再生利用是垃圾减量化和垃圾资源化的 最佳途径。1 9 9 6 年美国的庭院垃圾堆肥场达到3 4 0 0 座，比1 9 8 8 年增长了4 倍 以卜。由1 欧洲推行“填埋税”，使得垃圾填埋处理费用显著提高，以及限制进入 填埋场的有机物含量的填埋标准将在欧盟内实施等的影响，欧驻人陆垃圾堆肥场 从1 9 9 0 年的8 7 座增加到1 9 9 6 年的6 8 4 座：英国的垃圾堆肥场从1 9 9 0 年的4 座 增加到1 9 9 6 年的5 7 座。 1 2 3 中国城市生活垃圾堆肥 中国足一个有5 0 0 0 年历史的文明古国，自占以来就有成熟的积肥制肥技术。 早在公元1 1 4 9 年的宋代农书中就详细一记载了中国农村已经广为采用的堆肥 化技术：“粪屋之中，凿为深池，筑以砖瓷，勿使渗漏，凡扫除之土，燃烧之灰 簸扬之糠，锕篙落叶，积而焚之，沃以粪汁积之即久，不觉甚多，儿欲播种，筛 取瓦石，取其细者和匀种子，疏把撮之，待其苗长，又以奎之，何忠收成不倍厚 也”。精辟地论述了发酵池的构造和投料、熟热、筛分、施肥的基本法，时至今日 仍具相当的参考价值【】。 中国的堆肥化技术按其发展历史可分为3 个阶段：初始阶段( 2 0 世纪5 0 年 代2 0 世纪6 0 年代) ：开发阶段( 2 0 世纪7 0 年代2 0 世纪8 0 年代) ：推广应用 阶段( 2 0 世纪9 0 年代) 。 中国初始阶段的堆肥化技术是在农村传统堆肥技术基础上进行的较为简单的 堆肥。从工艺上讲属一次性发酵，堆肥方式为露天野积式堆垛，表而用土覆盖保 温，通风方式为a 然通风或厌氧发酵，没有专用机械设备，采用手工筛选或振动 筛进行分选，堆肥产品多用于农田、果园或苗圃。总之初始阶段的堆肥化技术 工艺较为简单，发展缓慢。 2 0 世纪7 0 年代至8 0 年代，中国城市生活垃圾问题日益突出，城市牛活垃圾 堆肥化技术逐渐得到有关政府部门的重视。在国家“六五”、“七赢”和“八五” 有关部门的科技攻关项目中均设立了有关堆肥化技术和专用设备的研究和开发课 题。尤其是“七五”期间，堆肥处理成了城市生活垃圾处理的热点。天津、北京、 t 海、武汉等地的一些科研单位和高等院校的许多研究人员结台中国城市生活垃 圾的特点，对城市生活垃圾堆肥化技术进行了一些基础性研究和应用开发研究， 并取得了一定的成果。所以这一阶段是中国城市生活垃圾堆肥化技术研究、发展 的兴旺时期，新工艺、新技术不断涌现，堆肥用机械设备得到开发，堆肥机理 得到深入研究。 陈世和等人口0 就堆肥全过程的机理进行了较为系统的实验分析，证明堆肥全 过程包括低温、中温、高温3 个阶段；对堆肥过程微生物特性进行了研究，为工 程中堆肥极限温度的控制和通风量等提供了参考依据。 李国建等人叫l 就堆肥过程氧的传递过程作了较深入的探讨，提出了堆层中氧 扩散传递的几种供氧方式扩散模式；通过对堆肥发酵最佳含水率与极限水分的关 系的研究，提出了极限含水率的概念：在堆肥的耗氧速率和通风量方面研制了堆 肥发酵气体采集测定器，能采集测定堆层中任意点位的氧气含量变化。 张所明等田】对采用耗氧速率作为腐熟度指标( m a t u r i t yi n d i c e s ) 进行了大量 实验研究，对各种理化指标( v m ，c o db o d s c n 、淀粉含量、纤维素含量、含水 率、温度) 和工艺指标进行横向比较，结果表明耗氧速率与其它各种指标有明显的 相关性和一致性。 1 9 9 0 年1 2 月由中国国家科委社会发展科技司和建设部科技司共同丰持召开 的全国城市生活垃圾处理技术评估会上，堆肥处理项目占到了预评总数的4 2 ， 机械化程度较高的堆肥厂也占有一定比例，其中堆肥化技术有1 l 项分别被评为推 广技术和试点推广技术1 2 “。在评估基础上，对推广技术由国家科委、建设部列入 摊广计划，按有关推广应用规定执行。对试点推广j ! 吏术，继续加强二 作完善相 关配套，提高技术水平，待完善后，经评估梭推广技术执行。将确定些重点研 究、攻关技术项目列入“八- t l ：”乖i 研计划，嬗中国城市生活垃圾雌肥化技术提高 到国际先进水平。 从中国目前运行的机械化堆肥设施来看，人多属于竖流式发酵仓系统，一次 发酵时间为7 l o d 不等，发酵温度均在5 5 5 7 之间，对垃圾无害化均能达到 国家规定的卫生指标，并接近国外同类技术的水平。但另一方菌由于中国城市 生活垃圾分类工作的不完善及垃圾分选设备和堆月e 化设备技术水平低等原因，使 得堆肥产品的淝效低( 有机物含量遥常在j o 左右，总氨和总磷在o 5 左右) ，玻 璃及塑料杂质多，堆肥成本高，再加上堆肥产品的销路不畅等原因在一定程度 上导致堆肥处理技术的推广和发最缓慢。 针对传统堆肥化技术所存在t 豹问题，“九五”期间，人们在垃圾堆肥化技术的 应用卜注意了从源头分检，避免垃圾中有害成分进入堆肥产品中，且柏应的技术 和设备也得到开发种应用。特别是破碎和分进技术设备的改进。在客观上提供了 高品质堆肥连续化生产的可能性。应用新型的颗粒化技术。除了在原有技术上增 加了对杂质的精期分捡外，还通过添加必要的肥料成分使之形成统一_ 自q 标准产品 并最终制成便于运输和使用的颗粒状产品。这些技术和设备的改进，使得垃圾堆 肥的商品化又前进了一大步。 据有关统计m ，1 9 9 1 年中国共有垃城堆肥场2 6 座，处理能力为3 7 1 3 t d ： 1 9 9 6 年共有垃圾堆肥场3 2 座，处理能力为5 8 5 3 t d ：1 9 9 7 年至2 0 0 0 年规划建设 垃圾堆肥场4 3 座，处理能力为1 2 1 1 0 t d 。 1 2 4 垃圾堆腮化的未来展望 随着社会的进步、人口的增加、城市化发展进程的加快和城市生活垃圾的泛滥， 原来仅仅满足农业需要的堆肥化技术己转向为处理城市生活垃圾射乖要手段，在 技术、工艺和设备上都有很大的发展。 目前，大多数发展中国的垃圾构成中，多数是低熟值的植物，可回收的金属、 纸张、塑料本身就少或被入检走，所剩物不易焚烧，国家又无力兴建大规模高水 平的卫生填埋场且填埋场的场址选择义是一大难题，从而使用人们叉对垃圾 堆肥化技术进行重新思考( 2 3 1 。 近年来，由于经济的高速