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带温室螺旋搅拌槽式堆肥机的设计与中试试验研究 摘要 污水处理厂污泥是污水处理的必然产物，其产量大，性质复杂，有用 物质和有毒有害物质并存，为防止二次污染，必须对污泥进行处理处置。 污泥堆肥技术因其成本低廉、效果显著等优点成为当前污泥无害化和资源 化的重要手段之一。本文介绍了带温室螺旋搅拌槽式堆肥机的设计思路， 对污泥槽式堆肥进行了中试试验研究，为本设备的工业化应用提供了指 导。 白行设计了带温室螺旋搅拌槽式堆肥机，由行走车、搅拌车、螺旋搅 拌器、随动通氧装置、自动控制系统和液压系统等部分组成，可实现自动 操控和连续生产。 为了总结本堆肥机的翻堆特性和验证其搅拌均匀性效果，进行了物理 模拟试验。发现螺旋搅拌器上的搅拌螺旋兼具输送与搅拌混合的作用，在 经过一次工作行程以后，在料堆中的不同深度的物料，均有一部分以一定 的概率被输送到后方料堆上部；其它部分以原有位置为中心呈正态分布， 这使不同深度及不同进槽时间的物料混合均匀。可以推断出这种混合效果 有利于微生物的生长繁殖以及发酵槽长度上连续分布发酵进程的建立，有 利于缩短堆肥周期和提高堆肥产品的品质。 采用此设备，以脱水污泥为试验对象，以木屑为调理剂，进行了春、 北京化丁人学硕仁学位论空 夏、秋、冬季的槽式堆肥中试试验研究，在物料初始含水率为6 5 左右， 翻堆频率为3 次天，堆肥周期为2 3 天时，结果发现：四轮试验的堆体温 度变化满足堆肥卫生学要求；c n 比分别由开始时的2 1 3 、1 9 4 、2 0 3 、 1 9 7 下降到结束时的1 2 9 、1 1 5 、1 1 4 、1 2 8 ，氨氮分别由开始时的 3 2 0 4 m g k g 一、3 3 l9 m g k g 、2 8 7 4 m g k g 、3 2 7 8 m g k g 。1 下降到结束时的 4 2 8 m g k g 、4 4 7m g k g 、3 3 7 m g k g 、5 2 2 m g k 9 1 ，c n 比和氨氮两指标 均显示堆肥产品已经基本腐熟。设备使堆料搅拌均匀，温度、含水率、有 机质等指标在深度方向上都未出现明显梯度变化。同时发现温室发酵仓的 蓄热、保温效果明显。 综上所述，自行设计的带温室螺旋搅拌槽式堆肥机，可自动运行进行 堆肥生产，堆肥效果满足卫生学和腐熟度的要求，产品质地均匀，是一种 符合中国国情的工业化堆肥设备。 关键词：堆肥；温室：螺旋搅拌；污泥 摘要 d e s i g na n d p i l o t - s c a l ee x p e r i m e n to fc o m p o s t i n gc h a n n e l w i t hs c r e wi i x e ra n dg r e e n h o u s e a b s t r a c t t h es e w a g es l u d g ew i t hah i g hv 0 1 u m ea n dc o m p l i c a t e dc h a r a c t e r i s t i c si s t h ee n d p r o m l c to fw a s t e w a t e rt r e a t n l e n ta n ds h o u l db et r e a t e da n dd i s p o s e dt o a v o i ds e c o n d a r yp o l i u t i o na n dt oe n s u r ct h et r e a t m e n te f 免c t ，b e c a u s eo fm a n y t o x i ca n dh a m 如ls u b s t a l l c e sp r e s e n ti n h o w e v e r ，i ta l s oc o n t a i n ss o m ek i n d s o fu s e 如lm a t t e r st h a tc a nb er e u s e d d u et ot h ea d v a n t a g e so fl o wc o s ta n d r e m a r k a b l ee f r e c t ，c o m p o s t i n gt e c h n o l o g yb e c o m e sc u r r e n tm a i nm e a n si n o r d e rt oe n s u r et h er e c y c l i n go ft h es e w a g es l u d g e i nt h i sp a p e rt h ed e s i g no f m ec o m p o s t i n gc h a i u l e lw i t hs c r e wm i x e ra n dg r e e n h o u s ew a si n t r o d u c e d t h ep i l o t s c a l ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti no r d e rt op r o v i d ei n d u s t r i a l 印p l i c a t i o nw i mg u i d a n c e ac o m p o s t i n gc h a l l l l e lw i t hs c r e wm i x e ra 1 1 d g r e e n h o u s ew h i c hc a n i m p l e m e n ta u t o m a t i cc o m r o la n du n i n t e m j p t e dp r o d u c t i o nw a sd e v e l o p e d ， c o n s i s t i n g o fm a i nm o v e r ， m i x i n gm o v e r ， s c r e wm i x e r ， a i r - p r o v i d e r ， a u t o m a t i o ns y s t e ma n dh y d r a u l i cp r e s s u r es y s t e m s i m u l a t i o ne x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u ti no r d e rt oc o n c l u d em i x i n g l i i 北京化t 人学顾i 一学位论文 m o v e m e n tc h a r a c t e r i s t i ca n dv a l i d a t et 圭1 ee f 诧c to ft h em i x i n gu n i f 0 n i t y i t w a sf o u n dt h a tt h es c r e wm i x e rh a db o t h 如n c t i o n so ft r a n s p o r t a t i o na n d m i x i n g a a e rar o u n do fm i x i n g ，p a r to fc o m p o s t i n gm a t e r i a l si nd i f f 色r e n t d e p t h sc o u l db et r a n s p o r t e db a c k w a r d sw i t hac e r t a i np r o b a b i l i t y t h er e s to f c o m p o s t i n gm a t e r i a l sh a dan o 珊a ld i s t r i b u t i o nw i t l lac e n t e ro fp r e v i o u s p o s i t i o nw h i c he n s u r e st h em i x i n gu n i f o 眦i t yo fm a t e r i a l sw i t hd i f r e r e n t d 印t h sa n di n i t i a lt i m e i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h i sc o m p o s t i n gc h a n n e lc o u l d s h o r t e nm e c o m p o s t i n gp e r i o da i l di m p m v e m e p m d u c tq u a l i t y b ya p p l y i n gt h ec o m p o s t i n gc h a l l n e lw i m s c r e wm i x e ra n dg r e e nh o u s e ， p i l o t s c a l et e s t so nt r e a t i n gs e w a g es l u d g ei ns p r i n g ，s u m m e r ，a u c u m n ，a 芏l d w i n t e rw e r ec a 圩i e do u t w h e nt h ew a t e rc o n t e n to fi n i t i a lm a t e r i a l sa n d f o r c e dv e n t i l a t i o nv o l u m ew e r e6 5 a 1 1 d3t i m e sp e rd a yr e s p e c t i v e l y ，t h e r e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h et e m p e r a t u r es u g g e s t e dt h a tt h ec o n d i t i o n sw e r ea b l e t o 如1 f i ut h ed e m a n do fs t e r i l i z i n g f u r t h e m o r e ，c nr a t i od e c r e a s e df r o m 2 1 3 ，1 9 4 ，2 0 - 3a n d1 9 7t o1 2 9 ，1 1 5 ，1 1 4a n d1 2 8 n h 4 + nd e c r e a s e df r o m 3 2 0 4 m g k 百1 ，3 3 l9m g k g ，2 8 7 4 m g k g a n d3 2 7 8 m g k g 。1t o4 2 8 m g k g ，4 4 7 m g k g ，3 3 7 m g k g 。1a n d5 2 2 m g k g b o t h2i n d i c e si n d i c a t e dt h em a t u r i t yo f c o m p o s t i n gp r o d u c t s t h ew a 册i n ge 疏c to fg r e e n h o u s ea n du n i f _ o n n i t yo f c o m p o s t i n gi n i x i n gw e r eo b v i o u s t os u mu p ，t h ec o m p o s t i n gc h a n n e lw i t hs c r e wm i x e ra n dg r e e nh o u s e 摘要 c o u l di m p l e m e n ta u t o m a t i cp r o d u c t i o nr e s u l t i n gi nah i 曲q u a l i t yo ft h e p r o d u c t s i ti s a ni n d u s t r i a l c o m p o s t i n gc h a n n e lw h i c hs u i t s t h en a t i o n a l s i t l 】a t i o no fc h i n a k e y w o r d s ：c o m p o s t i n g ；g r e e n h o u s e ；s c r e wm i x e r ；s e w a g es l u d g e v 符吁说明 符号说明 符号说明 t s v s t c t o c t n t o t a ls 0 1 i d ，总固体， v o l a t i l es 0 1 i d ，挥发性固体 t o t a lc a r b o n ，总碳 t o t a lo r g a n i cc a r b o n ，总有机碳 t o t a ln i 仃o g e n ，总氮 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者签名：日期：丝兰：堑：! ! 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北 京化工大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 作者签名： 导师签名： 日期： 训譬善弓。 日期：堡蔓! ：2 鱼 第一章绪论 第一章绪论 随着国内污水处理行业的发展，污水的总处理量和处理程度将不断提高，产生的 污泥量也将日益增加。目前中国每天产生的含水率8 0 的污泥，重量上几乎占到城市 产生垃圾总量的2 0 ，而且年增长率大于1 0 ，根据预测，到2 0 1 0 年，全国年产生 污泥量将达到近5 0 0 0 万吨。城市污泥是一种富含有机质、高氮、高磷的有机物质， 其中存在重金属、致病菌和寄生虫等有毒有害成分。城市污泥堆肥技术因其成本低廉、 效果显著等优点成为当前污泥无害化和资源化的重要手段之一。 1 1 国内外污泥处理处置现状与发展趋势 1 1 1 国外城市污泥处理处置现状及发展趋势 国外污泥稳定化处理以厌氧消化为主，欧美、同本、独联体等国家和地区采用该 法处理污泥占所产污泥量的一半以上。发达国家污水处理厂的污泥处理、处置系统的 装备在2 0 世纪6 0 年代就已达到先进的成套化水平，如污泥消化系统设备、污泥浓缩 脱水设备、污泥干燥焚化设备、沼气综合利用设备、污泥高温堆肥系统装备以及污泥 固化工业利用技术与设备，8 0 年代末又启用湿式氧化技术处置污泥。 据调查资料统计，国外污水厂污泥或用于农林绿化，或焚烧处置，或填埋，另有 很少部分以其它方式处置或利用。欧盟、美国及日本近年来采用及预测的污泥主要处 置方法及比例如表1 1 所示。 表1 1 欧盟、美国和日本近年及预测的污泥主要处置方法 1 a b i el 一1r e c e ma n df b r e c a s t i n gm a mm e a n so f s l u d g e sd i s p o s i n g i i le u r o p cu n i o n ，a m e d c aa n dj a p a n 由此可见，农用和填埋仍是大多数国家污泥处置的两种最主要方法。但由于可使 北京化t 人学倾i 。学位论文 用土地面积、处理成本、同益严格的环境标准以及资源回收政策的普及等因素，欧盟 国家也普遍认识到污泥的填埋处置不是一种可持续的发展方法。许多国家认识到在长 远上污泥的农用是一条基本的出路，重余属、过量的有机物以及氮、磷等均是限制污 泥农用的主要因素，但考虑到在过去的1 0 年到2 0 年问污泥性质的巨大变化，可以预 见污泥农用的比例将会增加。污泥焚烧以r 本、德国、奥地利等国占比例高，一般大 型污水厂污泥通过焚烧无害化，产生的热能可回收利用，污泥减容减量化程度很高， 但焚烧投资巨大，操作管理复杂，能耗和运行费均很高。目前经焚烧处置的污泥在欧 盟总的污泥处置量中仍只占较小的比例，但是污泥的焚烧处置不仅是一种有效降低污 泥体积的方法，设计良好的焚烧炉不但能够自动运行，还能够提供多余的能量和电力。 1 1 2 国内城市污泥处理处置现状及分析 国内城市污水污泥处理中存在的问题 我国城市污水处理厂污泥处理起步较晚，上世纪8 0 年代中期才建设城市大型污 水厂，污泥处理也采用中温厌氧消化，引进先进技术的同时也引进了设备，尤其是借 助国外贷款建设项目中，污泥处理系统装备几乎全部需要进口。近十多年来，我国城 市污水厂的污泥处理技术和某些单项专用设备有较大发展，积累了中温厌氧消化技术 的丰富经验，但我国污泥处理不论是科研开发，还是工程实践，均远远落后于发达国 家和国内需求，存在许多问题，主要表现在以下几个方面：幻污泥处理率低、工艺 不完善；b ) 污泥处理技术设备落后；c ) 污泥处理管理水平低；d ) 污泥处理设计水平 低；曲污泥处理投资不足【5 ，”。 我国城市污水污泥处置的状况及分析 城市污水污泥的处置途径包括土地利用、卫生填埋、焚烧处理和水体消纳等方法， 这些方法都能够容纳大量的城市污水污泥，但因国家的不同而应用情况有所不同。我 国自上世纪8 0 年代初第一座污水处理厂天津纪庄子污水处理厂建成投产后，污泥即 由附近郊区农民用于农田。其后北京高碑店等污水处理厂的污泥也均用于农田。随着 城市污水污泥产生量和污水处理厂的逐渐增多，目前我国已开始将污水处理厂污泥用 于土地填埋和城市绿化，并将污泥作基质，制作复合肥用于农业等。但在国内，总的 状况还是以污泥土地利用的形式为主，将污泥用于农业。可是由于国内在污泥管理方 面对污泥所含病原菌、重金属和有毒有机物等理化指标及臭气等感官指标控制的重视 程度还不够高，因此限制了对污泥的进一步处置利用。 国内的污泥处置存在严重问题，目前我国仍有1 3 7 9 的污泥没有任何处置，这 将为环境污染带来巨大危害。污泥散发的臭气污染空气，病原菌对人类健康产生潜在 威胁，重金属和有毒有害有机物污染地表和地下水系统。造成这种现象的原因可以归 第一章绪论 纳如下：a 1 许多城市没有将污泥处置场所纳入城市总体规划，致使很多处理厂难以 找到合适的污泥处置方法和污泥弃置场所；b 1 我国污泥利用的基础薄弱，污泥的最 终处置问题缺乏关注，留下隐患；c 1 污泥的利用率不高，仍有一部分的污水厂污泥 只经贮存即由环卫部门外运市郊直接堆放，随意堆放产生二次污染，也造成污泥资源 的浪费。因此，我国当前面临的问题是尽快发展污泥处理处置技术来解决不断增长的 污水污泥。 1 1 3 我国城市污泥处理处置对策 我国城市污水污泥处理处置发展趋势 污泥处理的目的是使污泥减容化、稳定化、无害化及综合利用。对于国内城市的 各类污水处理厂来说，应该不断完善其污水污泥处理工艺，选择包括污泥浓缩、厌氧 消化、脱水等较完善的污泥处理工艺，并积极开发性能良好的、国产的污泥浓缩、稳 定和脱水的装置和机械，以提高污泥的含固率，使后续的污泥处置和综合利用能顺利 进行。就选择污水污泥浓缩技术来说，由于国内城市污水污泥中有机物含量低，所以 采用重力浓缩仍然是一种经济、有效的污泥减容方法。污泥脱水的方法主要包括自然 于化和机械脱水，而自然干化由于受到气候、地区的限制而很少被采用。污泥的机械 脱水能有效降低污泥体积，为污泥的后续处置打下良好基础。现在常用的机械脱水技 术有板框压滤脱水、带式压滤脱水和离心脱水等，在实际运行中各有其优缺点，同时 污泥的性质对脱水效果影响很大，因此对机械脱水方法的选择应根据污水厂工艺、运 行的特点和污泥处理处置的要求而定。污泥处理时采用不同的稳定方法对整个污水处 理的工艺选择和技术经济比较有举足轻重的影响，典型的稳定方法有厌氧消化、好氧 消化和堆肥等的生物稳定法及投加石灰的化学稳定法。对目前国内现有的情况来说， 应考虑采用基建投资少、运行管理费用低、简易高效的污泥稳定方法。污泥的中温厌 氧消化法为国内的部分污水处理厂所采用，它不仅能将污泥中的有机物降解，同时杀 死部分病原菌和寄生虫( 卵) ，从而使污泥达到稳定化以及部分无害化，而且消化产 生的沼气还可作能源回收。不过该法投资大，操作管理严格，对工艺技术及安全运行 的要求也较高，这对国内大型的污水处理厂来说是可行的，而对于缺乏技术经济优势 的小型污水处理厂，采用污泥厌氧消化作为污泥稳定、无害化措施是不可行的。对于 小型污水处理厂，一是在选择污水处理工艺时，可选择延时曝气法( 如采用氧化沟) ， 由于该工艺产生的污泥随着泥龄的增长，有机物分解趋于完善，挥发分含量随之减少， 其能量也逐渐降低，污泥趋于稳定。当污泥龄足够长时，其好氧稳定的结果与厌氧消 化稳定的结果很接近【”。二是采用生污泥直接脱水后进行好氧堆肥的方法，好氧堆肥 是利用微生物的作用，将污泥转化为类腐殖质的过程，可消除污泥恶臭，堆肥后污泥 稳定化、无害化程度高，是经济简便，高效低能耗的污泥稳定化无害化替代技术。此 3 北京化t 大学顾 j 学位论文 外，我国学者对生污泥进行微波处理降低含水率的试验研究，也为污泥脱水开辟了一 条新的思路【8 l o 污泥堆肥是符合中国国情的污泥稳定技术 污泥农用前最好进行堆肥化处理，目的是经过生物降解作用，使植物养分形态更 有利于植物的吸收，另一方面还可消除臭味、杀死病原菌和寄生虫。污泥的堆肥处理 投资及运行费用低，操作和管理方便，堆肥处理后的污泥可进行土地利用。因此对于 我国的一些中小型城市污水厂及经济技术缺乏的中小城镇污水厂，采用堆肥的污泥稳 定方法是经济可行的。 近年来，国内先后建成了一些机械化程度较高的堆肥厂，如无锡、杭州、武汉、 上海等地的机械化堆肥技术包括较完整的前处理、发酵、后处理工艺和设备，其堆肥 技术在产品质量、运行操作可控性、环境质量等方面的指标都达到了较高水平。天津 市污水处理研究所在纪庄子污水处理厂进行的污泥高温堆肥的试验和研究中，探索出 了一套少加甚至不加调节剂、简单而便于操作管理的污泥堆肥工艺，同时提出了工艺 流程和技术参数，为生产线的设计与建设提供了技术依据。以堆肥处理前、后消化污 泥的提取液为试验液，以草履虫为试验对象所进行的综合毒性研究表明，两者的半致 死浓度相差近1 0 倍，说明堆肥对毒性有机物的降解效果是显著的【9 】。 1 9 9 7 年北京市环境保护科学研究院总结多年研究成果，吸取国内外各类机械堆肥 装置的优点设计、研制了污泥动态发酵器，该装置效率高、能耗低，便于操作管理和 设备化。根据所研制的设备，提出以污泥动态发酵器为核心的污泥制复合肥新工艺路 线。建成了l 条年产5 0 0 0 t 复合肥生产的装置。可以说，该项技术的成果转化和推广 应用已经有了良好的开端 。 污泥土地利用是符合中国国情的处置方法 一般来说，各国家对于污泥处置方式的选择应兼顾到环境生态效益与处置成本、 经济效益之间的平衡。一种有效的、适合本国具体情况的污泥处置方法应该是在环境 上和社会上被接受及经济上有效的方法。污泥土地填埋对污泥的土力学性质要求较 高，需要大面积的场地和大量的运输费用，地基需作防渗处理以免污染地下水，填埋 场的废气可能污染环境等，近年来污泥填埋处置所占比例越来越小；焚烧法的技术和 设备复杂、耗能大、费用较高，并且有大气污染问题；污泥投海受到地理位置和国际 海洋有关公约的限制以及对海洋生态系统和人类食物链已造成威胁，中国政府已于 1 9 9 4 年初接受三项国际协议，承诺于1 9 9 4 年2 月2 0 日起不在海上处置工业废物和污 水污泥；污水污泥用作建材是近年处于研究阶段的新课题，尚有许多技术难题需要解 决。因此，上述几种方法的使用在我国都受到限制。而污泥堆肥化处理由于花钱少收 益高，已成为最受欢迎的污泥处理方式，被越来越多的污水厂采用。 4 第一章绪论 从污泥的成分看，其中有机物、氮、磷等的含量均高于一般农家厩肥，还含有钾 及其它微量元素】。若施用于土地中，对土壤物理、化学及生物学性状有一定的改良 作用。污泥中的有机物质可明显改善土壤的结构性，使土壤的容重下降，孔隙增多， 土壤的通气透水性和田问持水量提高【1 2 ，”】，从而改善土壤的物理性质。施用污泥也可 提高土壤的阳离子交换量，改善土壤对酸碱的缓冲能力，提供养分交换和吸附的活性 位点，从而提高土壤保肥性。污泥中丰富的各种养分，明显地增加土壤氮、磷养分， 并能有效地向植物提供养分【1 ”，减少化学肥料的施用量，从而可降低农业生产的成本。 此外，污泥可以使土壤中微生物量增加和代谢强度提高而改变土壤的生物学性状，所 以污泥土地利用是适合我国目前的经济发展状况是一种积极的、生产性的污泥处置方 法呱1 6 】。同时，我国是一个发展中的国家，又是一个农业大国，其广阔的土地资源是 发展污水污泥土地利用的天然优势。因此，无论从经济因素还是从肥效利用因素出发， 污泥的土地利用特别是污泥的农用都是一种符合中国国情的处罱方法。这种处置方法 一方面可以为国内污水厂污泥找到一条根本出路，另一方面还可缓解我国农村资源的 短缺。城市污水污泥的处理处置与污泥资源化的相结合，必将成为城市污水污泥唯一 的最终出路。 1 2 堆肥的概述 1 2 1 堆肥的历史 现代堆肥化过程虽然是在上世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早 就出现了，在几个世纪的历史过程中，农民们一直将这种办法用于制造土壤有机肥料。 现代的堆肥化过程就是从这种原始的堆肥方式发展而来的，最早的用于混合固体 原料的堆肥化方法是由印度的爱德华霍华德在1 9 2 5 年提出的，混合物料主要是由垃 圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸秆和其他一些有机物料组成【1 ”，通常也把这种方法 称为班加罗法( b a l l g a l o r ep r o c e s s ) 。1 9 3 1 年，荷兰州公司对班加罗法进行了改进， 主要是在搅拌方法上采用起重抓斗车翻堆，翻堆采用远处遥控方式。几乎在同一时间， 德国的s c h w e i h 晰和瑞士的b i e l 采用了固定式固定床方法 1 7 】，这种方法是将磨碎物 料压成块状并堆放约3 0 4 0 天。 2 0 世纪3 0 年代，开始采用机械连续生产，在丹麦出现了d a n o 堆肥装置，这种 发酵装置在7 0 年代初最为流行。与此同时，荷兰出现了v u i ia 舶e m a u t s c h p p i j 法， 随后一个类似的发明在美国取得专利1 9 ，2 0 1 。1 9 3 9 年厄普托马斯法取得专利，该法 采用多段竖型发酵仓，接种特种细菌，可缩短堆肥周期一到三天；1 9 4 9 年美国发明了 弗兰泽法，可看作是厄普托马斯法的改进型式，发酵后生成物破碎后重复使用，不 需要接种特种细菌【1 8 】。 北京化丁人学硕。 ：学位论立 七十年代，美国用甜菜、稻壳、木屑作为调理剂和膨胀剂，掺入污泥进行混合堆 肥；同本也于同期采用污泥与屎尿混合堆肥，并用谷壳、锯末作为调理洲引】；德国 s o u t h e n lw a t e r 公司自1 9 7 8 年丌始研究稻草、秸秆、垃圾与污泥混合堆肥 2 2 。 八十年代，堆肥处理研究很为活跃，有许多国家用城市垃圾等作为调理剂与污泥 混合堆肥，并将堆肥成品用于农业和林业【2 ”。t g s h e a 等探讨了各种分散剂的性质和 选择【23 1 。m f h i r a i 等基于堆肥过程是微生物在溶液状态下进行的生化反应，提出以 萃取液中有机碳与有机氮的比值作为堆肥腐熟度的标准1 2 4 】。 九十年代初，德国s c v a r 公司、b r a c k e l t p 0 1 c o n 公司和s o u t h e m w a t e r 的h o r s h a m 污水处理厂为降低堆肥成本进行了纯污泥堆肥，1 9 9 4 年取得了满意效果【2 2 】。目前， 国外污泥堆肥研究已较广泛，并有工程实际应用，一些国家还实现了商品化生产。1 9 9 6 年统计【2 5 】：美国大约有1 0 0 座污泥堆肥厂运行；在欧洲约有5 0 座堆肥厂，每年生产 2 0 万吨堆肥产品。 我国堆肥历史悠久。在垃圾堆肥技术方面，八十年代同济大学等单位进行了较为 深入的研究；近些年来，在天津、上海、无锡、北京等地建立了规模不等的城市垃圾 堆肥厂 2 ”。目前，我国垃圾堆肥技术的应用正在由静态发酵向高温快速动态发酵转变， 国内有关单位对好氧堆肥工艺的控制因素及指标，如腐熟度、微生物特性及产物的化 学性质等方面进行了较为全面的研究，并在实践中得到了应用和发展【2 ”。在城市污泥 与垃圾混合堆肥技术方面，同济大学以堆肥原料的空隙率与堆肥过程评价参数的相关 分析进行了城市污泥与垃圾混合堆肥的配比研究【2 8 】；中国市政华北设计研究院对堆肥 工艺参数进行了研究，这都为污泥和垃圾混合堆肥的工厂化和大规模生产提供了工艺 技术和设计运行参数 2 9 。 在城市污泥堆肥方面，农业部环保所与天津市污水处理研究所分别用通气式固定 剁和立式发酵仓系统对天津市纪庄子污水处理厂的污泥进行堆肥化处理，取得了较好 的效果【3 m 。目前，在污泥堆肥方面尚未进行大规模的生产。 1 2 2 好氧堆肥的概念与原理 依靠专性和兼性好氧细菌的作用使有机物得以降解的生化过程。好氧堆肥具有对 有机物分解速度快、降解彻底、堆肥周期短的特点。一般一次发酵在和1 2 d ，二次发 酵在l 3 0 d 便可完成。由于好氧堆肥温度高，可以灭活病原体、虫卵和垃圾中的植 物种子，使堆肥达到无害化。此外，好氧堆肥的环境条件好，不会产生难闻的臭气。 目前采用的堆肥工艺一般均为好氧堆肥，但由于好氧堆肥必须维持一定的氧浓度，因 此运转费用比较高。 好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物( 主要是好氧菌) 的作用来进行的。 在堆肥过程中，固体废物中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生 6 第一章绪论 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 为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过 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为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微 生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体，图1 1 可以简单的说明这个过程。 排入环境 图1 1 好氧堆肥发酵过程 f j g 1 1t h ef e 皿e n tp r o c 髓so f a e r o b i cc o m p o s t i n g 一般情况下，利用堆肥温度变化来作为堆肥过程( 阶段) 的评价指标。一个完整 的堆肥过程由四个堆肥阶段( 升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段) 组成。每 个阶段拥有不同的细菌、放线菌、真菌和原生动物。在每阶段，微生物利用废物和阶 段产物作为食物和能量的来源，这种过程一直进行到稳定的腐殖物质形成为止【3 1 】。 下列方程式反映了堆肥中有机物的氧化和合成： 有机物的氧化 1 ) 不含氮有机物( e h 。q ) 的氧化 e 日y q + o + 寺y 一寺z ) 0 2 斗工c d 2 + 寺y 0 2 + 能量 2 ) 含氮有机物( c 只h q 胡：d ) 的氧化 e e “q 羽2 0 + 6 d 2 一c 。日，q c 日2 0 ( 堆肥) + 扭2 0 ( 气) + 巴阿2 d + 鹏+ g a h 3 + 能量 细胞物质的合成( 包括有机物的氧化，并以m t 为氮源) n ( c 髟o ：) + ( w 十等一等一5 0 2 斗c 日，j p ：( 细胞质) + ( 脯一5 ) c 。： + ( ，一4 ) 。h 2 d + 能量 7 北京化t 人学顾 ：学位论文 细胞质的氧化 c 5 日7 ，q + 5 0 2 _ 5 2 + 2 h 2 0 + h 3 + 能量 1 2 3 厌氧堆肥的概念与原理 依赖专性和兼性厌氧细菌的作用降解有机物的过程。厌氧堆肥的特点是工艺简 单。通过堆肥自然发酵分解有机物，不必由外界提供能量，因而运转费用低。若对于 所产生的甲烷处理得当，还有加以利用的可能。但是，厌氧堆肥具有周期长( 一般需 3 6 个月) 、易产生恶臭、且占地面积大等缺点，因此厌氧堆肥不适合大面积推广应 用。 厌氧堆肥是在无氧条件下，借厌氧微生物( 主要是厌氧菌) 的作用来进行的，图 1 2 简单说明了有机物的厌氧分解过程。 图l - 2 厌氧堆肥发酵过程 f i g 1 _ 21 1 1 ef 响c i l tp m c e s so f 柚a e r o b i cc o m p o s t i n g 当有机物厌氧分解时，主要经历了两个阶段：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。分 解初期，微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、c 0 2 、n h 3 、h 2 s 、p h 3 等。在这一 阶段，有机酸大量积累，p h 值逐渐下降。随后，另一群统称为甲烷细菌的微生物开 始分解有机酸和醇，产物主要是c h 4 和c 0 2 。随着甲烷细菌的繁殖，有机酸迅速分解， p h 值迅速上升，这一阶段的分解叫碱性发酵阶段【3 ”。 第一幸绪论 1 2 4 堆肥的工艺过程 堆肥的一般工艺流程主要分为前处理、一次发酵、二次发酵和后处理四个过程。 酊处理 一般污泥的脱水泥饼含水率高，呈片状或块状，结构紧密，通气性差；加消石灰 作助凝剂的脱水污泥p h 值高，这样就不能发酵。因此，必须进行含水率、p h 值及粒 度调整等前处理，然后再利用成品进行接种。 一次发酵 将前处理过的脱水泥饼投入发酵装置( 或在露天) ，通过翻堆或强制通风向堆积 层或发酵装置内堆肥物料供给氧气。物料在微生物的作用下开始发酵，首先是易分解 物质分解，产生c 0 2 和h 2 0 ，同时产生热量，使堆温上升。这时微生物吸取有机物的 碳氮营养成分，在细菌自身繁殖的同时，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( 3 0 叫0 为最适宜生长温度) 进行的，随 着堆温上升，最适宜温度4 5 6 5 的嗜热菌取代了嗜温菌，堆肥从中温阶段进入高温 阶段。此时应采取温度控制手段，以免温度过高，同时应确保供氧充足。经过一段时 间后，大部分有机物已经降解，各种病原菌均被杀灭，堆温开始下降。通常，将温度 升高到开始降低为止的阶段称为一次发酵( 主发酵) 阶段。一次发酵过程中，主要是 脂肪、蛋白质、碳水化合物等生物易降解的物质发生转化，变成腐殖质和有机酸等比 较稳定的物质。因此，b o d 明显下降，改善了污泥的性能，消除了恶臭，同时由于 较长时间使堆料温度保持在高温阶段，也杀灭了致病菌、虫卵和草籽，卫生状况得到 改善，堆肥撒向农田减少杂草的生长。一般一次发酵中若采用添加辅料方式，成品水 分为4 0 r 一5 0 ，成品回流方式水分3 0 一3 5 。 二次发酵 采用成品回流法一次发酵的堆料即可作为成品施用于农田，但采用添加辅料或与 生活垃圾混合的堆料，经一次发酵后，仍有许多难降解有机物，如纤维素、木质素等 还残留在里面。未熟化的堆料施用于农田，对植物生长不利。c 肘比过高的未熟化堆 料施于农田，其进一步分解时会消耗土壤中的氮，使土壤处于缺氮状态；而c n 比过 低时，施于土壤中后会进一步分解放出n h 3 ，阻碍植物生长。因此这样的堆料一次发 酵后还要进行二次发酵，使一次发酵中尚未分解的易降解有机物及难降解有机物进一 步分解，转化成腐殖质、有机酸等比较稳定的有机物，得到完全熟化的产品。 二次发酵反应缓慢，发酵周期长，其长短因辅料的种类而异。由于二次发酵周期 长，用机械装置的发酵槽体积过大，不够经济，通常在水泥地上将一次发酵过的堆料 9 北京化下人学硕i ：学位论文 堆成1 5 2 m 高，靠自然通风或翻堆以供给空气，翻堆次数每周次。 此外，若将堆肥用于温床( 利用堆肥的分解热) 时，可在主发酵后直接使用；对 几个月不种作物的土地，大部分可以不进行后发酵而直接施用堆肥。 后处理 熟化后的堆肥很稳定，基本上没有臭气，但大多数形状不一，用翻斗车装卸不成 问题。但如果出售必须进行粒度调整或成分调整，同时为了保存和运输方便应装袋。 包装袋最好用通气性好的材料，如果用密封的包装袋，容易发生厌氧反应，产生臭气。 1 2 5 堆肥的影响因素 水分 含水量是高温堆肥的一个重要参数。水分是微生物生存繁殖的必需物质：微生物 需要不断从周围环境中吸收水分以维持其生长代谢活动。堆肥材料吸水后软化易被分 解。水分在堆肥中移动，有利于腐熟均匀。水分含量过低，不利于微生物的生长；水 分含量过高，则易堵塞料堆中的空隙，影响通气，导致厌氧发酵。堆料的含水量应在 5 0 一6 0 。可以使用回流堆肥或调理剂对堆肥化混合物进行水分控制。有机物分解产 生的热量将会使水分蒸发而起到对物料的干化作用。 温度 温度是堆肥顺利进行的重要因素。堆肥发酵是一个放热过程，若不加控制，温度 可达7 5 8 0 。在堆肥过程中，堆体温度应控制在4 5 “5 之间，其中以5 5 6 0 之间 为佳，不宜超过6 0 。温度超过6 0 微生物的生长活动开始受到抑制。温度过高还会 过度消耗有机质，影响堆肥产品质量。 美国环保局规定，彻底去除病原菌的温度标准是对于反应器系统和强制通风静态 垛系统，堆体内部温度大于5 5 的时间必须达3 天；对于条垛系统，堆体内部温度大 于5 5 至少1 5 天，且在操作过程中，至少翻堆5 次。我国国家标准规定在5 5 5 以上 要维持5 7 天，以达到杀灭病原菌、杂草种子的目的。 p h 值 p h 值是影响堆肥过程的重要参数之一，对微生物活动和氮元素的保存有重要影 响。过高或过低的p h 值都会对堆肥的效率产生影响。有机固体废弃物发酵过程的适宜 p h 值范围为6 5 7 5 ，因为这是微生物( 尤其是细菌和放线菌) 生长最合适的酸碱度。 常见畜禽粪便的p h 值都在6 8 的范围内，因而在堆肥前一般不需要调节p h 值。在消化 过程中p h 值会随着时间和温度的变化而变化，因此p h 值也是揭示堆肥分解过程的一 l o 第一章绪论 个极好的标志。 通透性 堆肥过程中，通透性即物料的供氧情况是通过温度和气味来反映的。堆肥温度的 异常变化或有臭味、异味产生就说明物料的通透性发生了问题。工业化堆肥一般不太 可能通过空气的自然渗透来满足堆肥有机物生化反应对氧气的需要，必须采取相应的 辅助增氧措施，目前常用的是采取翻堆或强制通风( 曝气) 方式。通过翻堆或强制通 风，不仅可以提供堆肥生化反应足够的氧气，而且还能将热量带走，避免堆体温度过 高导致微生物失活，同时随着热量散失还可带走大量的水分。所以堆肥化过程不仅是 堆肥有机物氧化还原的过程，同时也是堆肥水分逐渐散失的过程，这一点对高水分的 有机物料尤为重要，有利于降低后期干燥成本。 c n 比 c 肘是微生物活动的重要营养条件。碳通过氧化作用为微生物代谢过程提供能量， 自身则以二氧化碳的形式排出。氮主要用于原生质的合成而留于系统内。就微生物对 营养和能量的需求而言，c 斛是一个重要的指标。过高的c 小会使微生物因为缺乏足够 的氮而无法快速生长，使堆肥进展缓慢，并且堆肥施入土壤后，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：过低的c n 又会使微 生物生长过于旺盛，甚至出现局部厌氧，散发难闻气味，同时大量的氮以氨气形式放 出，降低了堆肥质量。堆料c n 一般控制在2 5 3 5 。 1 3 堆肥的类型和特点 1 3 1 堆肥系统的分类及其对比 一般来说，应用反应器的系统通常被称作“封闭”系统，面不用反应器的系统被 称作“开放”系统。堆肥系统也可依据反应器类型、物料流动特点、反应器条件以及 空气供应方式来分类。表1 2 基本包括了大部分历史上和面前沿用的堆肥系统。 根据堆肥技术的复杂程度以及使用情况，主要有条垛式、静态垛式和反应器系统 三大类堆肥系统，槽式堆肥从严格意义上来讲都不属于上述的堆肥类型，实际上是一 种介于条垛堆肥与反应器式堆肥间的特殊类型，它具备搅拌设备和通风设备，但又不 属于露天开放式堆肥，虽然通常建有顶棚遮盖设施，但又不具备严格的反应器控制系 统。表1 3 对常见的条垛堆肥、静态堆肥、反应器堆肥和槽式堆肥的优缺点进行了比 较。 北京化t 大学硕i 。学位论文 表1 2 国内外主要堆肥系统分类 t a b l el - 2c l a s s i 厅c a t i o no f m a i l lc o m p o s t i n gs y s t e m s 开放性 搅动鼓风 堆肥系统 无搅动不鼓风传统堆肥 开放鼓风静态堆肥 有搅动 不鼓风条垛堆肥( 自然通风) 鼓风条垛堆肥( 强制通风) 开放性物料流动方向干预方法堆肥类型 水平静态隧道式堆肥 搅拌搅拌槽式堆肥 封闭 翻转转鼓式( d a n o ) 堆肥 垂直搅拌塔式堆肥 填充筒仓式堆肥 表1 - 3 各种堆肥系统的优缺点比较 项目条垛堆肥 静态堆肥 反应器堆肥槽式堆肥 投资成本低低高 中 运行和维护费用较低低高中 操作难度 低较低难中 受气候条件影响大小大较大小较小 臭味控制差良优优 占地面积 大中小中 堆肥时间 长 中 短 中 堆肥产品质量良优良优 1 3 2 条垛堆肥 条垛式是堆肥系统中最简单最古老的一种，它是将前处理过的堆料堆成断面为梯 形、不规则四边形或三角形的条垛或条堆，上面用塑料布或简易棚挡雨，使堆料进行 好氧发酵；其特点是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。条垛式系统最重要的是 场地，场地的设计要符合两个要求：a ) 必须结实，以便机械设备的出入；b ) 必须有 坡度，便于水迅速流走。在部分场地需要排水沟和贮水池，用以收集堆料渗沥液和雨 第一章绪论 水。 条垛系统的料堆规模必须适当，料堆太小，则保温性差，易受气候影响；若料堆 太大，易在料堆中发生厌氧发酵，产生强烈臭气，影响周围