（环境工程专业论文）奥森公园绿化废物和粪渣共堆肥技术研究.pdf

青岛理工大学工学硕士学位论文 c l a s s m e di i l d e x ：x 2 q 5 u d c ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e rd e 伊e eme n g m e e r i n g t h et e c h n i c a ls t u d yo nc o c o m p o s t i n gn i g h t s o i la n dg r e e nw a s t e si nt h es 0 l la n dg r e e nw a s t e sl nt n e o l y m p i c f o r e s tp a r k c a n d i d a t e ：z h a n gy r a n p e n g s u p e n r i s o r ： p r o f s u n n 百i e a c a d e m i cd e g 他ea p p i i e df o r ：m a s t e ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l 锣： e n v i r o 衄e n t a le n g i n e e 血g d a t eo fo r a ie x 龇n i n a t i o n ： d e c e m b e r2 0 0 9 u n i v e r s i 哆： q i n g d a ot e c h n o l o g i c a lu 1 1 i v e r s i t y 青岛理t 大学工学硕士学位论文 硕士学位论文 奥森公园绿化废物和粪渣共堆肥技术研究 学位论文答辩日期： 指导教师签字： 答辩委员会成员签字： 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论1 1 1 课题背景、研究目标和主要内容1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 研究目标主要内容2 1 1 3 研究主要内容3 1 2 国内外高温堆肥研究及应用进展4 1 3 好氧堆肥原理及生物动力学基础6 1 3 1 好氧堆肥原理6 1 3 2 好氧堆肥生化作用机理7 1 3 3 堆肥化过程动力学基础8 1 4 堆肥系统分类l o 1 5 堆肥影响因素。1 1 1 6 堆肥腐熟度评价指标14 1 7 除臭技术15 1 7 1 常用的臭气处理方法1 6 1 7 2 微生物除臭法原理1 7 第二章不同比例粪渣与青草共堆肥技术研究。1 9 2 1 材料和方法19 2 1 1 试验装置1 9 2 1 2 试验材料19 2 1 3 静态好氧堆肥实验设计2 0 2 1 4 采样和分析2 0 2 1 5 种子发芽试验。2 l 2 2 一般性指标变化与讨论2 1 2 2 1 温度2 l 2 2 2 含水率2 2 2 2 3v s 2 3 2 2 ，4p h 2 3 2 2 5 体积与重量2 4 2 2 6 二氧化碳、氧气2 5 2 2 7 硫化氢2 6 2 2 8 氨气2 6 2 3 腐熟度指标变化与讨论2 6 2 3 1 物理学指标2 6 2 3 2 化学性指标2 8 2 4 结论2 9 第三章不同通风方式对粪渣与树叶共堆肥的影响技术研究3 1 3 1 材料和方法31 3 1 1 试验装置3 l 3 1 2 试验材料31 3 1 3 静态好氧堆肥实验设计31 3 1 4 采样和分析3 2 3 2 一般性指标变化与讨论，3 2 3 2 1 温度。3 2 青岛理工大学工学硕士学位论文 3 2 2 含水率3 3 3 2 3 、f s 3 3 3 2 4d h ：3 4 3 2 5 沉降高度与重鼋3 4 3 2 6 二氧化碳、氧气3 5 3 2 7 甲烷3 6 3 2 8 硫化氢3 7 3 2 9 氨气3 7 3 3 腐熟度指标变化与讨论。3 7 3 3 1 物理学指标3 7 3 3 2 化学性指标3 8 3 3 3 生物学指标4 1 3 4 结论。4 1 第四章树叶单独好氧堆肥技术研究。4 3 4 1 材料和方法4 3 4 1 1 试验装置4 3 4 1 2 试验材料4 3 4 1 3 静态好氧堆肥实验设计4 3 4 1 4 采样和分析4 4 4 2 结果与讨论4 4 4 2 1 温度变化4 4 4 2 2 工况b 其他指标变化4 5 4 2 3 工况b 部分指标堆肥结束对比分析4 5 4 3 原因分析4 6 第五章氨气除臭技术研究4 8 5 1 喷淋菌液除臭4 8 5 1 1 实验阶段一( 0 8 1 0 4 - 0 8 1 0 1 5 ) 4 8 5 1 2 实验阶段二( 0 8 1 0 1 7 - 0 8 1 0 2 5 ) 。5 0 5 1 3 实验阶段三( 0 8 1 1 1 5 一0 i 0 7 ) 5 1 5 2 生物滤池除臭5 4 5 3 化学生物复合除臭5 6 第六章结论与建议6 1 6 1 结论6 1 6 2 建议6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间所发表的学术论文6 9 致谢7 0 青岛理工大学- 下学硕士学位论文 摘要 北京奥林匹克森林公园的采用绿化废物和粪渣好氧共堆肥实现资源回收利用，从 而实现“零排放，本研究设计了以园内粪渣、树叶、芦苇和草坪修剪物等为原料的 静态高温堆肥体系，研究了不同原料堆肥过程中堆体温度，堆体产气成分以及堆体体 积、质量等性质指标的变化。主要研究结论如下： 以粪渣与青草为原料，采用0 5m 3 h ( 间歇) 通风方式进行静态好氧堆肥实验。 分析了温度、氧浓度、含水率随时间变化的特征。结果表明：三种处理温度保持5 5 以上能够达到3 天，但是不同处理同一测点及同一处理不同测点温度有差异；各测点 氧浓度基本保持在1 5 以上；含水率堆肥后仍然保持在7 0 以上，降低效果不理想。 以粪渣与树叶为原料，采用0 2 5m 3 h ( t 6 5 ) + 1m 3 h ( t 6 5 ) ，0 5m 3 h ( 连 续) ，0 5m 3 h ( 间歇) 三种通风方式进行静态好氧堆肥实验。分析了温度、含水率、 v s 、p h ，以及n h ：一n 、n 0 ：一n 、g r e s s 发芽率等指标随时间变化的特征。结果表明： 在粪渣与树叶含水率分别为8 1 5 和1 0 o ，粪渣与树叶湿基比为4 ：l 时，三种通风 方式均可实现高温好氧堆肥，各指标变化趋势一致且差别不大，其中温度保持5 5 以上均超过7 天，待堆肥结束时g i 均超过9 0 9 6 。 粉碎树叶和黄水共堆肥可以顺利实现堆肥，但是高温持续时间短，且主要维持在 5 0 左右；粉碎芦苇和黄水、树叶和水堆肥均是失败的。 研究发现，氨气挥发主要集中在升温期和高温期，此期间是控制氨气的最佳时期。 喷淋菌液除臭：在氨气低进气流量，低进气浓度时，一级处理去除效果比较好； 氨气低进气流量，低进气浓度时，通过二级处理基本检测不到氨气的存在；高进气流 量，高进气浓度时，一级以及处理效果达到7 0 左右，二级处理效果可以提高到9 0 9 6 左右。 生物滤池除臭：同样的氨气进气浓度，进气流量以及同样外部环境条件下，生物 滤池a 和b 处理氨气的效果基本一致；氨气浓度低于5 0 0 m g m 3 时，经a 、b 生物滤池 处理后，氨气浓度均可达到三级厂界标准值，去除率达9 8 ；当氨气浓度低于2 0 0 m g m 3 时，出气氨气可达到二级，去除率可达9 9 ：当氨气浓度低于1 0 0 m g m 3 时，出气氨 气可达一级，基本上检测不到氨气的存在。 化学生物复合除臭：喷雾器喷雾流量为5 l h 与8 l h ，各进气流量下，化学处理 ， 效果均比较理想，浓度可以控制在1 0 0m g m 3 以下，处理效率达到9 5 9 9 左右；通过一级 生物除臭大部分测点基本检测不到氨气的存在，个别点也保持在3m g m 3 以下；经过 t 一 青岛理工大学工学硕士学位论文 二级生物除臭后，均未检测到氨气的存在。将进气浓度划分为几个浓度梯度，通过化 学处理，进气浓度7 5 0 m g m 3 以下，出气为1 0 m g m 3 以下；进气浓度7 5 0 3 5 0 0 m g m 3 ， 出气可以基本控制在1 0m g m 3 以下；进气浓度3 5 0 0 0 6 5 0 。m g m 3 ，出气可以基本控 制在4 0 5 0 m g m 3 左右；进气浓度6 5 0 0 m g m 3 以上，出气可以在1 0 0m g m 3 以下。一级 生物除臭，当氨气进气浓度1 0 0 珊g m 3 以下时，处理效果比较好，基本检测不到氨气。 关键词：堆肥；树叶；粪渣；n h 。 青岛理工大学t 学硕士学位论文 a b s t r a c t i nm eo l y m p i cf o r e s tp a r k ，o n eo ft l l es t e p so fn l er e s o u r c er e c o v e r yi sm e c o - c o m p o s t i n go f t h em g h ts o i la n dt l l eg r e e n 、v a s t e s 仔o mt l l ep 砌已s t u d ys h o w e d ，也r o u g h u s i n gt l l e 铲e e nw a s t ei n c l u d i n gl e a v e sa n dg r a s s 弱c e s s o r i e s ，r o b i cc o m p o s t i n go f f e c a lr e s i d u ec 锄b ee 仃e c t i v et oa c c o m p l i s h ”z e r oe m i s s i o n s ”i nt l l ep a r k i i l r o b i cc o - c o m p o s t i n go fn i g h ts o i l 肌dg r 弱s ，n ev e n t i l a t e dw a y0 5m l l ( c o n t i m l o u s ) ，0 5m l l ( i n t e n i l i n e n t ) ) w 邪s t u d i e d o f 吐l e s ec o m p o u n d s ，t e m p e r a _ t u r e ， m o i s t u r ec o n t e n tw e r em e 嬲u 1 e dd u r i n gc o m p o s t i n g r e s u l t ss h o w e d ，t h et e m p e r a t u r e so f a tl e a s t5 5 w e r ea l lm a i m a i n e df o ram i i l i m u m0 f3d a y s b u tt l l es 锄em o i l i t o r i n gp o i n t s o fd i a e r e n t 蜘e 锄e n t s 锄dt 1 1 e 也es 锄e 仃e 锄e n t so fd i 丘e r e n tm 砌t o r i n gp o i n t sw e r e d i 舵r e n t 1 ko x y g e no fe a c hm o i l i t o r i n gp o i n te x c e e d e d15 m o i s t i 鹏c o n t e n tk e e p e da t l e 嬲t7 0 ，w l l i c hd i d i l l tg a i nab e t t i e rr e s u l t i i la e r o b i cc 0 - c o m p o s t i n go fi l i 出s o i l 观dl e 嘁缸e ed i 虢r e n tv e n t i l a t e dw a y ( 0 2 5 m 3 1 1 ( t 6 5 卜lm 3 l l ( t 6 5 ) ，0 5m 3 l l ( c o n t i l l u o u s ) ，0 5m 3 l l ( i i 他m l i t c e n t ) ) 、e r e s t u d i e d o fm e c 0 m p o 岫d s ，t 锄p e r 帆鹏，m o i s n 鹏c o n t e 她o r g ；| i l i cm 雒p h 锄dn h ： 一n 、n 0 ：一n 、g r e s sw e r em e 嬲i 小见“n gc o m p o s t m g r e s u l t ss h o w e d ，t 1 1 r e ed i a e r e n t 鳓眦i o np 甜啪a l lc 锄a c l l i e v e dg o a l so fa e r o b i cc 0 - c o m p 0 s t i n g ，a n dh a dm es 锄e 仃e n d 觚d o b v i o u sd i f f e r e n c e t h et e m p e r a _ t u r e so fa tl e a s t5 5 w e 托a l lm a i l l t a i n e df o ra m i n i m 啪o f7d a y sa n dg 即：i l i n a t i o ni i l d e x ( g i ) i i l i x t u r ee x c e e d e d9 0 1 1 1 ec o c o m p o s t i n go f 晌e 纽d 渊h e dl e a fi s 他a l i z e d ，t h ed 眦t i o no fl l i 曲 t e i n p e r a t u r c si ss h o r t ，a n dk e 印5 0 a p p r o x i m a t e l y n ec 0 一c o n 卵s t i n go f 证n e 锄d 渊h e dr e e di s 黼l i n g ，i i l c l u d i n gt l l ec 0 - c 0 m p o s t i n go f 靴岍孤dc r 嬲h e dl e a b yd e t e r 血n a t i o n ，w ef 0 蛐dn h 3e l l l i s s i o nw 嬲m 西1 1 l ya tm e s o p h i l i c 锄d 眦l i e r t l l e m o p h i l i ep h 嬲e s c o n s e q u e n t l y m ee a r l i e rp h 勰ei s w e up 耐o dt 0c o n 仃o ln h 3 v o l a t i i i z a t i o n t h es p r a y i n gb a c t e r i a ls o l u t i o n 仃e a t i n gn h 3s h o w e dt l l ee x l 龇s t i o no fn h 3c o u l d m e e tm ew e l le 疏c tb yt l l ec l 嬲sie m i s s i o n 甜l dm ec l 嬲si ie m i s s i o n w h 也el o wn o w 髓把so fm eo d o r s 觚d1 0 wc o n c e l l t r a t i o n ，m e 心e a t i n ge 伍c i e n c yi sm g l l t h eb i o f i l t e r 仃e a t i n gn h 3s h o w e d 恤e 船c to fa 锄dbi sn e 盯l yc o i n c i d e t h e e xh a u s t i o no fn h 3c o u l dm e e tm ec l 嬲sie m i s s i o ns t 锄捌锄dt l l e c l 嬲si ie m i s s i o n 锄m d a r dw h e nt h ec 0 n c e n t 饱t i o no fn h 3i so 2 0 0m g m w h e n 也ec o n c e n 仃a t i o no fn h 3 i s2 0 0 5 0 0m g 1 1 1 3 ，m ee x h a u s t i o no f n h 3c o u l dm e e tm ec l 弱s i i i e m i s s i o ns t a n 出帕 n l eb i o c h e m i s 仃y 仃e a t i n gn h 3s h o w e dt h ee 毹c ti sw e l lw h e nm es p d r i n gf l o wr a t e s 青岛理t 大学工学硕十学位论文 a r eo 1 0 0 m g m 3 t h ee x h a u s t i o no fn h 3c o u l dm e e tt i l ec l a s sle m i s s i o ns 伽d a r da n d 5 l 1 1 锄d8 l m ，t l l e 仃e a t i n ge m e n c y c a l lr e a c h9 5 9 9 w h e nt i l ec o n c e n t r a t i o no f n h 3i s o 1 0 0 m m 3 k e yw o r d s ：c o m p o s t i n g ；l e 弧n i g h ts o i l ；n h 3 i v 青岛理工大学工学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景、研究目标和主要内容 1 1 1 课题背景 北京是一个资源匮乏同时又是资源消耗量大的城市，资源问题一直是困扰北京经 济社会发展的重要因素。落实科学发展观，建设节约型城市对北京尤为重要。 北京奥林匹克森林公园是综合性大型公园，占地面积6 8 0 公顷，是0 8 奥运工 程系列和北京市的重要景观项目，有极高的环境保护和生态建设的要求。总体规划的 功能定位为：城市的绿肺和生态屏障；奥运的花园和中国山水；市民的森林和休憩天 堂。 北京奥林匹克森林公园建筑排污源分离及资源化关键技术研究与示范项目是依 据北京城市总体规划( 2 0 0 4 2 0 2 0 ) 对北京城市功能的定位以及2 0 0 8 年北京“绿 色奥运，人文奥运，科技奥运 的理念进行设计的，是建设节约型社会、落实科学发 展观的具体体现。总课题研究的目标对象为0 8 年前奥林匹克森林公园新建4 9 处各类 功能建筑物排放的生活污物，基本为人员的尿、粪便冲洗和洗手保洁排水，部分建筑 有餐饮和洗浴废水。公园要求建筑排放污物须实现园区对外“零排放 的目标。 课题总的目标是通过建筑排出污物的资源化再生利用和系统的节水节能、经济运 行，使“三大理念 在实际意义上得以贯彻实施。将满足使用、节水、环保和园林养 护等环节有机的结合在一起，变废为宝；废物分类排放，使处理设施更加高效良性运 行；以简洁有效的方式生产有机肥，作为公园植被生长可长期供给的营养，促进植物 生长，改善景观效果，使废物处理的环保措施成为直接产生经济效益和抵消环保成本 的重要环节。 围绕总课题共开展6 个专题研究： 奥森公园生活排污系统中主要物质量预测及资源化方案； 生活排污源分离系统构建及关键技术； 黄水的储运过程及资源化技术； 化粪池污泥肥化技术； 资源化肥料产品肥效及种植试验研究； 6 奥林匹克森林公园生活排污系统物质资源化技术集成与综合工程示范； 奥林匹克森林公园把产出废物作为资源，因地制宜地加以利用，将环保、生态建 设理念和运行体系提高到了可持续发展的层次。课题开展的废物资源化研究与利用使 1 l 夏 乱 乱 豇 青岛理工大学工学硕士学位论文 公园体系内实现人类活动一生活污物就地资源化一园林利用等产业链和生念链有机 闭合，在我国乃至世界的环保业和再生资源利用方面都具有引领作用和示范效应，将 通过奥运工程的影响效力向世人展示“三大理念的作用和成果。 图卜1 奥森公园生活废物源分离资源化利用理念图1 1 1 2 研究目标主要内容 本人所在清华大学课题组主要实施了专题“化粪池污泥肥化技术 。 课题的研究目标是：以处理公园自产植被类废料为主，在适当时间段内将由污泥 预处理站脱水处理后的污泥与植物废料一起进行好氧发酵堆制，以高品质有机肥为最 终产品。 奥林匹克森林公园绿色废物包括公园内产生的园林废物，主要来自湿地收割的水 生植物、林地的枯枝落叶、草地修剪物等，具有产废量大、污染负荷较高、产废相对 集中的特点。这些废物直接进入填埋场，会占据大量填埋空间，浪费土地资源，造成 环境污染，采用堆肥技术将这些富含有机质的园林废物处理后返还园林绿地中，既解 决了该公园园林废物影响景观和污染环境的问题，形成了生物质资源重复利用的良性 2 青岛理丁大学工学硕士学位论文 循坏。从固体废物处理和资源化回用角度来看，化粪池污泥具有有机物及氮磷含量高、 易于发酵处理的优点，在发达国家广泛使用微生物发酵方法进行住户形式的处理和利 用，而在我国则通过污水管网与其它市政污水混合收集后，进入污水处理厂处理。不 仅增加了污水厂的处理负荷，而且可再生的资源被大量浪费。本研究遵循生态和物质 循环规律，通过污泥快速生物干化预处理技术、复合除臭反应器技术的开发以及干化 污泥一绿化废物共堆肥工艺的优化，进行化粪池污泥原位资源化处理，既从源头减轻 污染，减少了污水厂处理负荷，又实现了生物质资源重复利用的良性循环，同时减少 了市政绿化的化肥施用量；既符合物质循环的规律，开创了资源节约型城市的典范， 又从环保的角度倡导了“绿色奥运 “科技奥运的理念，可以说是新兴环保技术与 全新奥运理念的完美结合，具有重要的社会价值和环境保护意义。 1 1 3 研究主要内容 奥森公园绿化废物主要以乔木落叶、草坪修剪草、湿地收割植物等为主，并且排 放随季节性变化，呈现产废量大、污染负荷较高、产废相对集中的特点。根据统计结 果，产废修剪草约1 2 4 4 吨年，落叶及枯枝9 4 6 吨年，芦苇等湿地植物1 0 0 0 吨年。 每年化粪池粪渣产生量约为2 0 5 5 吨( 含水率8 0 ) 。 由于粪渣含水率高、颗粒粒度小、通气条件差、热性大，因此其单独堆肥容易发 生厌氧情况并造成养分大量流失。粪便与木屑、树叶、秸秆等共堆肥，则可以利用这 些物质的骨架作用。改善通风条件，实现全过程的好氧堆肥，并可改善堆肥产物的物 理形状，同时解决树叶、秸秆的环境污染问题。 奥森公园中有较多的树叶，秸秆等，通过这些绿色垃圾和粪渣好氧共堆肥在国际 环境领域来说，是一件前瞻性的研究，同时也是充满挑战性的。 研究的主要内容是如何确定绿化废物与化粪池粪渣共堆肥的比例j 达到公园内 废物“零排放 及资源化利用的目标。 根据前面课题组成员的实验方案及实验结果，已经进行了树叶粪渣共堆肥系列比 例的实验研究；树叶粪渣共堆肥肥通风量的优化研究；几种辅料同时与粪渣堆肥的研 究。本研究是在前面课题组成员的基础上继续进行的。主要的研究内容分两个部分： 第一部分：奥森公园绿化废物与化粪池粪渣好氧共堆肥实验技术研究 ( 1 ) 草坪修剪草与粪渣好氧共堆肥最佳比例研究； ( 2 ) 不通通风方式对树叶与粪渣好氧共堆肥影响的优化研究； ( 3 ) 粉碎树叶、粉碎芦苇单独好氧堆肥的技术研究： 3 一 青岛理工大学= r 学硕士学位论文 第二部分：氨气除臭技术研究 ( 1 ) 喷淋菌液除臭； ( 2 ) 生物滤池除臭； ( 3 ) 化学生物复合除臭； 堆肥过程中，臭味来源主要是堆体内部局部出现厌氧消化反应，产生了氨气、硫 化氢、二甲基硫醚等臭味气体，其中最主要的是氨气和硫化氢，根据第一部分的堆肥 实验，硫化氢产生主要集中在高温期，之后基本检测不到，氨气产生持续时间长，而 且浓度很大，所以除臭技术研究中主要针对氨气。 图卜2 技术路线 f i g1 - 2s c h e m a t i ed i a g r a mo ft h er e s e a r c hs t r a t e g y 1 2 国内外高温堆肥研究及应用进展 应用堆肥化处理有机废物的历史十分悠久位1 。早在几千年前，人类就开始在农业 一生产中使用秸秆、落叶、杂草、人畜粪便等混合堆肥，经过一段时间发酵后作为农肥 施用。进入1 9 世纪后，随着城市化进程的加快，生活垃圾产生量剧增，堆肥化处理 生活垃圾开始大规模应用。1 9 2 0 年，英国人a h o w a r d 首先在印度提出了“印多尔法 的堆肥技术，到1 9 2 5 年又经b a n g a l o r e 改进后称之为b a n g a l o r e 法。1 9 3 3 年，丹麦 出现的d a n o 堆肥化方法，标志连续化机械化堆肥工艺的开端。该方法采用一种卧式 4 青岛理- t 大学工学硕士学位论文 转筒发酵设备，有机物发酵周期缩短为3 4 d 。1 9 3 9 年，e a r pt h o m a s 发明了立式多 段发酵塔，加强了通风和搅拌，发酵温度高，周期短，初步形成了现代化生产方式与 规模。 有一种建立在源控制卫生概念基础上的粪便处理技术r o t t e b e h a e l t e r ，即先堆 肥池。这种专对粪便以堆肥方式处理的技术通常建于地下的混凝土池，底部有两个每 隔6 1 2 个月交替工作的滤床，或两个并排悬挂的过滤袋。目前这种技术在奥地利、 瑞士、德国等国家作为生活污水的预处理正开始不断应用。这一新技术与化粪池等传 统技术相比，不破坏人类粪便中对农业有益的营养成分与粪便作为土壤调节剂的功 能，不需昂贵的罐式装运车辆。然而，对过滤袋的清理并不是一项简单的工作，仍需 今后进一步改进。同时该技术涉及较长的处理周期和较大的化粪池，在实际运用中还 需要更节省时间和空间。 在我国农村，自古以来就广泛利用堆肥、沤肥和厩肥，堆肥技术可追溯到古代的 野积式堆肥，魏源送等人将我国畜禽粪便堆肥技术发展可分为3 个阶段口3 ： ( 1 ) 初始阶段( 5 0 6 0 年代) 本阶段在农村传统堆肥基础上进行较为简单的堆肥，堆肥方式为开放式堆垛，用 土覆盖保温，通风方式主要是自然通风或厌氧发酵，没有专用的机械设备，采用手工 或振动筛进行筛选。该阶段的工艺较为简单，发展缓慢。 ( 2 ) 开发研究阶段( 7 0 8 0 年代) 随着人口的增加，畜牧业的发展，畜禽粪便对环境的危害，己经成为不可忽视的 生态和环境保护的重要问题。这阶段是畜禽粪便堆肥技术研究发展的兴旺时期，新工 艺、新技术不断涌现，堆肥专用机械设备得到开发，堆肥机理得到深入研究。 ( 3 ) 推广应用阶段( 9 0 年代至今) 在评估研究基础上，对一些堆肥技术进行推广，从而促进畜禽粪便处理。 我国城市垃圾处理起步较晚，大部分城市目前仍采用购地露天堆放的方式。在“七 五 国家科技攻关有关垃圾处理的项目中，堆肥约占4 2 。一些发达城市堆肥机械化 程度较高达到了一定比例，堆肥产品质量、运行可操作性、环境指标都达到了一定水 。1 一一平。在开发实用技术的同时，对于堆肥腐熟度的测定、微生物生长特性和降解能力及 高温堆肥氧的传递等基础研究也取得了很好发展。 堆肥产品作为改良土壤的有机肥料有着十分广阔的应用前景。在一些发达国家， 人们利用堆肥的意识较强，如盆花、街道绿化带全部铺有一层堆肥。但是在我国要为 堆肥开辟市场存在相当困难，主要是人们对于堆肥带来的广义收益缺乏深入的理解。 5 青岛理t 大学工学硕士学位论文 堆肥的利用中存在一些问题，如堆肥品质较低，一些产品中含有塑料、玻璃、陶 瓷、金属等不降解物质；产品中含有未被杀灭的病原微生物，会产生一些致病作用； 另外一些难降解物质如p c b 、重金属等会造成作物、土壤、地下水等污染。主要原因 是我国缺乏完整的堆肥化质量控制和检验程序和标准。将堆肥化加以改良，利用高效 的颗粒化堆肥技术有可能会改变原有的堆肥形象。 1 3 好氧堆肥原理及生物动力学基础 1 3 1 好氧堆肥原理 堆肥化( c o m p o s t i n g ) 是在微生物作用下使可降解有机物转化为腐殖质的生物化 学过程。即生成大量可被植物利用的有效态氮、磷、钾化合物，又合成新的高分子有 机物一腐殖质，它是构成土壤肥力的重要活性物质。 堆肥化可分为好氧堆肥和厌氧堆肥。好氧堆肥又称高温堆肥，是指在有氧条件下 由嗜温菌和嗜热菌的共同作用将有机物分解转化的过程。好氧堆肥具有耗时短、异味 少、有机物分解充分，占地小等突出优点，目前正成为研究开发的热点。好氧堆肥过 程中，小分子有机物透过微生物细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收和利用，大分子有 物则先附着在微生物的体外，由胞外酶分解成可溶性小分子质，再输入其细胞内为微 生物所利用。通过微生物的生命活动( 合成及分解程) ，把一部分被吸收的有机物氧化 成简单的无机物，并提供活动中所需要量，而把另一部分有机物转化成新的细胞物质， 供微生物增殖所需h 6 1 。 好氧高温堆肥化从物料堆积到腐熟，微生物的生化过程比较复杂，根据堆肥过程 中温度的变化，大致分成如下的三个阶段h 6 1 ： ( 1 ) 中温阶段 也称升温阶段或发热阶段。 堆肥初期，堆层基本呈中1 5 4 5 的中温，嗜温性微生物( 主要是细菌，真菌、 酵母菌和霉菌等) 较为活跃并利用可溶性有机物进行旺盛的生命活动。在好氧条件易 被降解有机物，如蛋白质，淀粉类物质，简单的糖类等迅速分解，产生大量热量。由 于堆体有良好的保温作用，堆肥温度不断上升。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能。此阶段微生物以中温、 需氧型为主，其中最主要是细菌、真菌和放线菌。这些菌类虽都有分解有机物的能力， 不仅对不同温度有各自的适应性，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。 6 青岛理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 高温阶段 堆层温度上升到4 5 以上，便进入高温阶段。此时，嗜温性微生物受抑制，甚 至死亡，而嗜热性微生物逐渐代替嗜温性微生物的活动。除中温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、木质素等复杂有机物 也开始强烈分解。高温阶段嗜热性微生物的最适温度也是不同的，5 0 左右活动的主 要是嗜热性真菌和放线菌：6 0 时，真菌几乎停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌活 动，7 0 以上，微生物大量死亡或进入休眠状态，除一些抱子外，所有的病原微生物 都会在几小时内死亡。在高温阶段，嗜热性微生物按其活性，又可分为三个时期：对 数增长、减速增长期和内源呼吸期。微生物经历三个时期变化，堆层便开始发生与物 分解相对立的腐殖质形成过程，堆肥物料逐渐进入稳定状态。 ( 3 ) 降温阶段 又称腐熟阶段。在堆肥后期，堆肥原料中的残余部分为较难降解的有机物和新的 腐殖质。此时，微生物活性下降，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物再次占优势， 使残留难降解有机物进一步分解，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，堆肥基本达到稳定。堆肥进入腐熟阶段，降温后，需氧量大大减少，含 水量也降低，物料间隙率增大，氧扩散能力强，此时只需自然通风。 1 3 2 好氧堆肥生化作用机理 城市生活垃圾堆肥化过程是堆肥微生物生长、死亡的过程，也是堆肥物料温度上 升、下降的动态过程口1 。随着温度的变化，微生物相的变化通常表现为伸一1 ： 。 细菌、真菌一纤维素分解菌一放线菌一木质素分解菌 有机物好氧生物分解比较复杂，可用下面通式表示： 有机物+ 0 2 + 营养物丝竺竺，细胞质+ c o ：+ h ：o + n h 。+ s oi - + + 抗性有机物+ 热量 如果将有机物表示为c 。h 。0 。n d ，而进一步降解的抗性有机物( 最终存在于堆肥产 品中) 表示为c h ，q n 。则好氧分解反应可以表示为： n v e 苫+ h c 瑚。o c n d + ( - 工f ) 0 2 一n c - h i o ，n z + s c 0 2 + r h 2 0 + ( d n x ) n h 。 - 一r = 0 5 b n x 一3 ( d n x ) 一 + 。一一一 s 2 a n w 如果有机物完全分解，则反应式表示为： 由卜a 卜型b 门d g h e o c n d + ( 了一) 0 2 a c 0 2 + ( r ) r h 2 0 + d n h 。 7 青岛理了大学工学硕士学位论文 以上是细胞的异化作用，生物代谢活动中，还有同化作用，气反应式表示为： n c ，h ，o z + n h 3 + ( n x + 詈一詈一5 x ) 倪，c 。h ，n o ，( n x 一5 ) c 0 2 + 雩h ：o 细胞物质的分解，即内源呼吸可以表示为： c 5 h 7 n 0 2 + 5 0 2 - 5 c 0 2 + 2 h 2 0 + n h 3 1 3 3 堆肥化过程动力学基础 堆肥过程中，微生物的生长乃至细菌种群的繁殖和生物活性( 即分解有机物的速 度) 与堆体温度有重要相关性。随着物料中微生物活动的加剧，其分解有机物所释放 的热量增大，当释放热量大于堆肥热耗时，堆肥温度将明显升高，反之亦然。研究微 生物的生长速率和有机物的分解速率的数学模型很多，最有名的是1 9 4 2 年m o n o d 提 出的抛物线模型陬1 0 h 羽： d sk s x d tk 南s 其中，拿为基质的消耗速率，质量( 体积时间) ；x 为微生物浓度，质量体积； 其中，瓦为基质的消耗速率质量( 体积时间) ；x 为微生物浓度，质量体积； s 为基质浓度，质量体积：忽为最大比增长率，高浓度营养物质中最大基质消耗速 率，细胞质量( 基质质量时间) ；凰为半值系数，也称m i c h a e l i s m e n t e n 系数，质 量体积，即比增长率达到最大比增长率一半时的基质浓度。 使用该模型中，假设基质进入细胞没有速度的限制。在高浓度基质中，细胞酶系 统中和基质处于饱和状态，物料转化非常迅速，增加基质浓度不会引起基质消耗速率 的增加，即s 胳，上式简化为： d s | d t x m 这是关于基质浓度的零级反应方程式。反之，在低浓度基质中，假设s 凰，则， m o n o d 模型可以简化为： 竺丝= j - _ - _ _ _ 一一- _ _ _ - _ - _ _ _ - x k s 8 青岛理t 大学工学硕士学位论文 这是关于基质浓度的一级反应方程式。当s = 凰时，m o n o d 模型可以简化为： 击| d t k m 一= = - = 一z 2 因此，半值系数于单位微生物质量的基质消耗速率等于最大基质消耗速率一半时 的基质浓度。 基质消耗与微生物增值有关，可用下式表示： 般d s = ( 一一) 一m d td t d x 式中，j f 为微生物的增值速率，质量( 体积时间) ；丘为增值系数，微生物 质量基质质量；忽为内源呼吸系数，时间。 将m o n