（环境工程专业论文）菌渣、鸡粪静态好氧堆肥工艺研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 随着禽畜场规模化以及农业的发展，畜禽粪便和农业废物年产量数量惊人。畜禽粪 便的无害化处理势在必行，堆肥是将其转化为优质有机肥，便之无害化和资源化的重要 途径。本论文对以菌渣、鸡粪为主要原料的静态条垛式好氧堆肥工艺进行研究。研究内 容主要包括：1 菌渣、鸡粪静态好氧堆肥工艺研究；2 菌渣、鸡粪静态好氧堆肥一次发 酵分层式研究；3 菌渣、鸡粪静态好氧堆肥微生物研究。研究工作取得了如下主要成果： 1 本实验设三个处理，建堆时堆体温度为3 7 左右，第二天堆体温度即升高到5 0 以上，随后三种处理的堆体温度维持在5 5 以上的时间超过7 天。满足杀菌和降解有 机质的要求。堆肥结束时，堆体温度恢复到略高于室温水平；建堆初期含水率控制在 5 0 6 0 ，至堆肥结束时含水率下降1 5 左右；堆体p h 值先降低后升高然后趋于平缓， 堆肥结束时p h 为7 8 左右；有机质含量总体呈下降趋势，在堆肥开始阶段下降很快，在 建堆后5 天即下降了5 ，至堆肥结束时，有机质含量在3 5 以上：全氮含量在堆肥后 2 3 天迅速下降，在第三天后，大量的氮转化为氨氮并以氨气的形式逸出。建堆第6 天 后，全氮变化不在明显，至堆肥结束时总氮含量损失了1 3 8 1 5 o ，并且主要发生在 一次发酵阶段；全磷全钾含量主要因为堆体质量和体积的减小，含量分别有所上升。 2 堆体在一次发酵阶段存在明显的分层变化，包括感官、含水率、温度、p h 值、全 氮等参数的变化。外层温度由于堆体的散热作用，一直维持在较低的水平，限制了堆肥 的腐熟速度；堆体的里层则由于处于厌氧环境，不能满足对堆肥有益微生物的迅速生长 和繁殖。堆体各层的全磷和全钾变化发区别不明显。感观的变化，以及温度和含水率容 易观察和测定，对实际工程的指导意义更大。堆肥过程中翻堆操作对促进堆肥的腐熟起 到了非常重要的作用，改善了外层和里层的堆肥环境。 3 堆肥过程中，随着堆体中有机质的变化以及堆肥温度的变化，微生物的数量也呈 现出了不同的形态分布及特征。有机质含量和温度对微生物的总数变化起着较大影响， 并呈现出一定的变化规律：有机质含量在堆肥过程中一直处于下降趋势，而微生物的总 数呈现出先升高，后降低的交化过程。而温度的变化曲线和微生物总数的交化趋势类似， 但时间段上并不同步，并非同时升高和降低。 关键词：菌渣；鸡粪：静态好氧堆肥；翻堆；工艺研究；微生物 。桂林工学院硕士学位论文 a b s t r a c t a st h ed e v e l o p m e n to fl i v e s t o c kp l a n t sa n dt h ed e v e l o p m e n to fa g r i c u l t u r e , l o t so f l i v e s t o c kl i t t e rp r o d u c t t h a tj 眦t i o c u o u st r e a t m e n to fl i v e s t o c kl i t t e ri si m p e r a t i v e ，c o m p o s t i n g i so n eo ft h ea p p r o a c h ，c o n v e r t i n gt h ea n i m a ll i t t e rt of e r t i l i z e r , t or e u s et h e m t h i ss t u d yi s a b o u tt h ea e r a t e ds t a t i cc o m p o s i t i n go fm u s h r o o ma n dc h i c k e nl i t t e r t h i ss t u d ym a i n l y i n c l u d ef o l l o w i n gc o n t e n t s ：1 t h es t u d yo ft h ep a r a m e t e r sa n df a c t o r so ft h ec o m p o s i t i n g p r o c e s s ；2 t h es t u d yo ft h el a y e r i n gd u r i n gt h ep r e f e r m e n g3 t h es t u d yo ft h em i c r o o r g a n i s m d u r i n gc o m p o s t i n gp r o c e s s t h er e s u l t sa r ed e t a i l e di nf o l l o w i n gc o n t e n t s ： 1 t h et e m p e r a t 证eo f t h ep i l ei sa b o u t3 7 w h e n b u i l d i n gas t a c lw h i c hc o m e st oa b o v e 5 0 t h ed a yl a t e r ，t h et i m et h a tp i l eo f b o d yt e m p e r a t u r em a i n t a i n sa b o v e5 5 e x c e e d s7 d a y s w h i c hi ss a t i s f i e d 谢t hs t e r i l i z er e q u e s tc o m p o s i n gi nr e p l yo r g a n i cq u a l i t yo f d e g r a d a t i o n i nt h ee n do ft h ec o m p o s t i n g , t h et e m p e r a t u r ec o m e st oal i t t l eh i g h e rt h a nt h e r o o mt e m p e r a t u r el e v e l t h es t a c ki n i t i a ls t a g em o i s t u r ec o n t e n ti s5 0 - 6 0 c o m e sd o w n a b o u t1 5 w h e nc o m p o s ti so v e lt h ep hv a l u ed e c r e a s e si nt h eb e g i n n i n ga n dt h e nr a i s e s ， t e n d st ob e c o m em i l da tt h el a s tf e wd a y s ，t h ep hi sc o n t r o l l e db y7 8w h e nc o m p o s ti so v e r t h eo r g a n i cc a r b o nc o m e sd o w nw h e nt h ec o m p o s t i n gb e g i n s ，e s p e c i a l l yd u r i n gt h ef i r s t f e r m e n ts t e p ，t h eo r g a n i cc a r b o nd r o p sr a p i d l y , a b o u t5 i n5d a y s t h eo r g a n i cc a r b o n c o n t e n t sa r ei na b o v e3 5 w h e nt h ec o m p o s t i n gi s ，o v e lt h et o t a ln i t r o g e nc o n t e n tl o s t s e r i o u s l yi nt h e2 - 3d a y sa f t e rt h ec o m p o s tb e g i n s a f t e rt h et h i r dd a yo ft h ec o m p o s t , l o t so f o r g a n i cn i t r o g e ni st u r n e dt on h 3 - n ，a n dt h ef i r s tt u r no v e rp i l em a k e sl o t so f n h 3 e x h a l a n t s ， t h i sl e a d st ot h ec o n t e n to ft o t a ln i t r o g e nd r o p so b v i o u s l y w h e nt h ec o m p o s tc o m e st ot h e s i x t hd a y , t h ec h a n g eo fn i t r o g e nb e c o m e su n c o n s p i c u o u s t h et o t a ll o s to f n i t r o g e ni sa b o u t 1 3 8 - 15 ，w h i c hm a i n l yo c c u r si nt h ef e r m e n t a t i o ns t a g e d u r i n gt h ec o m p o s t i n g ，t h e c h a n g eo ft o t a lk a l i u ma n dt o t a lp h o s p h o r u sm a i n l yb e c a u s eo ft h ew e i g h tc h a n g eo ft h ep i l e w h e nt h ec o m p o s t i n gi so v e lb o t ht h ec o n t e n to ft o t a lk a l i u ma n dt o t a lp h o s p h o r u si i a v c i n c r e a s e d 2 t h e r ei so b v i o u s c h a n g ei nt h es t a c kb o d yd u r i n gt h ef i r s ts t e po f c o m p o s t i n g ，i n c l u d i n g t h es e n s e ，t h ew a t e rr a t i o ，t h et e m p e r a t u r e ，t h ep hv a l u e ，a n dt h ec h a n g eo ft o t a ln i t r o g e n t h e o u t e rl a y e rt e m p e r a t u r ei sl o w e rb e c a u s eo ft h e d i s s i p a t eo fe n e r g y , w h i c hl i m i t st h e c o m p o s t i n gp r o c e s s ；t h ei n s i d el a y e ri si nt h ea n a e r o b i ce n v i r o n m e n ta n dl o w e rp hv a l u e s o 桂林工学院硕士学位论文 c a nn o ts a t i s f yb e n e f i c i a lm i c r o o r g a n i s mg r o w i n g t h et o t a lp h o s p h o r u sa n de n t i r ep o t a s s i u m c h a n g ea r en o to b v i o u s t h es e n s ec h a n g eo ft h ep i l e ，t h et e m p e r a t u r e ，a sw e l la st h ew a t e r r a t i oi se a s yt oo b s e r v ea n dt od e t e r m i n e ，w h i c ha r eh e l p f u lt op r o j e c t t u r no v c rt h es t a c kh a s c h a n g e dt h ec o m p o s te n v i r o n m e n ta n di m p r o v e dt h eo u t e rl a y e ra n di n s i d el a y e rf o r e o m p o s t i n g 3 d u r i n gt h ec o m p o s tp r o c e s s ，m i c r o o r g a n i s ma l s oh a sd i f f e r e n tf o r m sa n dd i s t r i b u t i n g b e c a u s eo f t h ec h a n g eo f t h eo r g a n i cc a r b o na n dt e m p e r a t u r e o r g a n i cc a r b o nc o n t e n t sa n dt h e t e m p e r a t u r em a k ee f f e c ta n dd i s p l a y i n gac e r t a i nr u l e s ：b u tc o n t e n t sa r ea l w a y so r g a n i c q u a l i t yc o m i n gd o w nt r e n d ，t h em i c r o o r g a n i s ms u ma p p e a r so u tr i s i n gf i r s t ，t h e nc o m ed o w n i nt h ep r o c e s so fc o m p o s t ：t h et e m p e r a t u r ec h a n g ea n dt h em i c r o o r g a n i s ms u mc h a n g et r e n d a r es i m i l a rb u tn o ts y n c h r o n y , n o ta tt h es a m et i m ； k e y w o r d s ：m u s h r o o m ；c h i c k e nl i t t e r ；s t a t i co x y g e nc o m p o s tp r o c e s s ；r u mo v e rp i l e s ；t h e p r o c e s ss t u d y ；m i c r o o r g a n i s m 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明：所呈交的论文是我个人在成官文教授指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ：丝! 霾垄二夕 签字日期：迎) ：互 版权使用授权说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求 提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目 录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以 赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ：2 堡l 霓盏，。 指导教师签字：生立皇釜 签字日期：銎堕盏坠3 1 塑 桂林工学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 有机固体废弃物堆肥的原理及发展历史 1 ，1 1 堆肥化原理 利用微生物在一定温度、湿度和p f i 值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成 一种类似腐殖质的物质，用作肥料和改良土壤，即堆肥化，其过程如图1 1 所示。 f - j 2 0 。 微生物 l 新的微 生物 死亡 j i j r 、能量 l 或堆肥 z o 分 物 图l 。! 堆肥化过程 有机固体废物是堆肥微生物赖以生存、繁殖的物质条件，由于微生物生活时有的需 要氧气，有的不需要氧气，因此。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同， 分为好氧堆肥法( 高温堆肥) 和厌氧堆肥法两种【l 】。 1 1 1 1 好氧堆肥 好氧堆肥是在好氧的条件下，主要是靠好氧菌的作用来进行的。首先，小的溶解性 有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物所吸收。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溶解性物质、再渗入细胞，通过微生物自 身的生命活动，包括氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的 l 桂林工学院硕士学位论文 无机物，并释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，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体( 图1 2 ) 。 一般情况下，利用堆肥温度变化作为堆肥过程的评价指标( 图1 - 3 ) 。一个完整的堆肥 过程由四个堆肥阶段组成，每个阶段拥有不同的微生物。各个阶段中，微生物利用有机 废物和阶段性降解产物作为食物和能量的来源，一直进行到稳定的腐殖质形成为止【1 1 。 籼+ 0 2 僦物襄； 堆 肥 日 m 度 图1 - 2 好氧堆肥过程 加温度 - - - 0 - - - p h 值 圉1 - 3 堆肥过程的四个阶段 伴随微生物的发酵作用过程，会发生一系列的生物化学作用，包括有机物的氧化和 细胞物质的合成作用等。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： 2 桂林工学院硕士学位论文 c 捌如z + ( x + 去y z ) 0 2 斗x c o 一 ) ，h 2 0 + 能量 c ，h t n 。ov h h2 0 + b o2 _ c - hx ny oz d h h2 0 ( 堆肥) + d hz o ( 气) + o h2 0 ( 水) + f c 02 + g n hj + 能量 c h t nu o ，e h h2 0 + b o 2 一c - h - ny oz 皿l h2 0 ( 堆肥) + d h2 0 ( 气) + c h2 0 ( 水) + f c o2 + g n h ，+ 能量 细胞物质的合成( 包括有机物质的氧化，并以n h 3 为氮源) ： h ( c h , 0 0 + 腰，+ + 等一i n z 一5 x ) d 2 寸凸h 7 n 0 2 + 似一s ) c 0 2 + ；( 砂一4 ) ：d + 能量 c s h t n 0 2 + 5 0 2 专5 c 伪+ 2 胁d + 黼+ 能量 1 1 1 2 厌氧堆肥 ( 1 - 1 ) ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) 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 4 简单说明了有机物的厌氧分解过程。当有机物厌氧分解时，主要经历了酸性发酵阶段和 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、二氧化碳、氨、硫 化氢等。在这一阶段，有机酸大量积累，p h 值逐渐下降，统称为甲烷细菌的微生物开始 分解有机酸和醇。产物主要是甲烷和二氧化碳。随着甲烷细菌的繁殖，有机酸迅速分解， p h 值逐步回升，即碱性发酵阶段。以纤维素为例，堆肥的厌氧分解反应为【2 】： 细胞物质 堆肥有机物+ 微生物有机酸醇类c o ：，h 。0 ，细胞物质、有机酸醇类：，z 。 h ：s 等能量微生物 、c 0 ：c h 等能量 i 一，置她舅i 一产甲烷阶段叫( 产酸菌活怕 。 ( 甲烷葩浯 至) ” 图1 4 有机物的厌氧分解过程 酸性发酵阶段： c 6 h 1 2 u 6 0 型堕里2 c ，h 。0 ，( 乳酸) + 2 彳t p 碱性发酵阶段： 2 c ，h 。0 ，j 甄3 c h + 3 c d 2 + 能量 3 ( 1 呦 0 - 7 ) 桂林工学院硕士学位论文 1 1 2 堆肥的发展历史 堆肥化是指在人工控制下，在一定的水分、温度、c n 比和通风条件下通过微生物 的发酵作用，使有机物转变为肥料的过程【3 1 。在这种堆肥化过程中，有机物由不稳定状 态转化为稳定的腐殖质物质，由于其对环境尤其土壤环境不构成危害，而把这种堆肥化 的产物称为堆肥。 在堆肥化过程中，伴随着有机物分解和腐殖质形成的过程，堆肥的材料在体积和重 量上也发生着明显变化。通常由于挥发性成分分解转化，重量和体积均会减少1 2 左右。 进入2 0 世纪9 0 年代后，欧美发达国家垃圾填埋和焚烧处理的排放标准变得更加严格， 造成焚烧和填埋的成本随之增加；由于以上原因，堆肥处理又星上升的发展趋势。 人来利用有机固体废物进行生产堆肥，历史悠久，早在宋代农书中就已经有了 堆肥的纪录。对堆肥技术进行科学的探讨始于2 0 世纪初，各个国家都不断在堆肥化的系 统化和工厂化方面进行研究，多种工艺不断涌现和得到改进，并应用于实践( 表1 一1 ) 。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，日本先后进行了堆肥的小试、中试和生产规模的研究，取得了 大量的经验。至6 0 年代已经建成3 0 多家堆肥厂，其中2 0 多家都采用了达诺堆肥系统。 2 0 世纪7 0 8 0 年代，在一些发达国家机械化堆肥厂相继出现，堆肥已经成为城市 垃圾、生活下水污泥、农林牧废物、人畜粪便资源化的有效途径之一一些国家制定了 堆肥产品技术标准，并根据标准生产了多种用途的堆肥产品，力图拓宽堆肥产品的市场。 但是，随着发达国家对垃圾等再生产品卫生标准的日益严格，以及人们环保意识的逐渐 提高，堆肥产品的重金属含量和有毒有害组分含量对人的健康产生了危害和影响，使堆 肥的技术应用和相应设施建设受到了影响。 2 0 世纪8 0 年代后期，工业化的高速发展，将大量有毒有害化学物质和高分子塑料制 品带入城市垃圾中，给堆肥生产带来了极大困难，使堆肥生产在发达国家一度处于停滞 甚至萎缩状态。但是，发达国家还是不断改进堆肥工艺，稳步发展着堆肥技术。政府要 求废物产生者负有再生的义务，从而推动了食品废物的堆肥化。 目前，发展中国家的堆肥生产也开始发展，在为数不多的大城市也建有少数机械化 堆肥厂，多采用土法或半机械化方法。印度一直积极推行以长条式堆肥为主的垃圾堆肥 技术，并已经有大中小堆肥工厂2 5 0 0 多座。 4 桂林工学院硕士学位论文 表1 12 0 世纪初至2 0 世纪中期出现的堆肥工艺【| 1 对闻 工艺工艺特点备注 1 9 2 0 印多p 尔r o 法c e s l “s d 。 t 9 2 0 罡鬈篙 m z 慧黧 维尔德里尔法 ( v e r d l i e r ) 博达斯法 1 9 3 2 范曼奈尔法 1 9 3 2 固定鬻定床 1 9 3 3 达诺法( n 卸o ) 巴登巴登法 1 9 3 9 厄普一托马斯法 1 9 4 9 弗兰泽法 弗列萨法 把树叶、垃圾、动物和人畜粪发明者是印度的埃霍 尿堆成1 5 m 高的土堆，6 个月华德 厌氧发酵 将上述方法进行改良，将废物类似的还有范武赖恩 和粪便多层交互重叠堆积法( v a n v u r o n ) 封闭系统，先使有机物厌氧发 酵，然后送入空气促使其好氧 发酵 使厌氧发酵的渗出液循环使该方法在法国南部得 用。再充分供给空气，以促进 到推广应用 物料早期熟化 依靠插入管子进行堆内充分的 通风，改善发酵效果 采用起重机抓斗翻堆，其工艺 是将未经破碎的垃圾用水调节 后，室外堆积4 8 个月，经厌 氧分解后，进行破碎和分选 将破碎的物料压成块状并堆方 约3 0 - 4 0 天，期间采用自然扩 散及气流穿过风管通风，腐熟 堆肥后经破碎使用 运用回转窑发酵桶进行好氧发 酵。特点是周期短i 一般只用 3 - 4 天 先将垃圾中不能堆肥的无机物 去除，然后与下水道系统消化 污泥一起露天堆置发酵4 - 6 个 月，擐后分选和破碎 用多段竖炉发酵仓。仓内物料 从上至下逐层移动，加强了发 酵过程中的通风和搅拌强度， 使发酵温度高。同时接种特种 细菌，使堆肥缩短i 3 个月 将腐熟的堆肥掺入发酵堆肥 中重复使用，可省去接种特 种细菌 采用密闭发酵槽进行堆肥；箱 型间接堆肥 荷兰v a m 公司，改良 印多尔法后得到 德国的s c h w e i n f u r t 和 瑞士的b i e l 在西欧和日本得到广 泛应用，世界上约有 1 5 0 家这样的工厂 法国 美国 该法首次加入了菌 种，促使高温堆肥迅 速发展 美国 类比了污水处理的回 流 美国 我国城市垃圾堆肥技术发展可以分为三个阶段；初始阶段，开发研究阶段和推广应 用阶段( 表1 2 ) ： 桂林工学院硕士学位论文 表1 - 2 我国堆肥技术发展三阶段【4 二次发酵工艺最早由北京环境卫生设计科学研究所进行小试，1 9 8 6 年由同济大学、 无锡市环卫处共同承担的科研项目完成和建设了当时我国最大的二次发酵工艺垃圾处理 厂处理量为| o o t d 的无锡环境卫生工程实验厂。 1 2 有机囤废好氧堆肥研究进展 1 2 1 堆肥物料 1 2 1 1 畜禽粪便堆肥 目前，我国总有机废弃物排放量为4 1 3 4 3 4 亿吨【5 】，其中主要是畜禽粪便，产生量约 占固体废弃物的一半，其氮、磷、钾总贮量约为0 6 3 亿吨，相当于0 4 9 亿吨尿素，1 1 9 亿吨 过磷酸钙和o 3 4 亿吨氯化钾，资源化和综合利用是处理畜禽粪便的最佳途径【o 】。 畜禽粪便中有机质和氮、磷、钾及微量元素含量丰富( 表1 3 ) ，是很好的堆肥原料。 李吉进m 等指出发酵过程的实质是微生物作用过程，堆肥调控技术核心是为好气微生物 创造一个良好的生存环境。改进物料预处理，应用适量添加剂，调节c n 比、水分和酸碱 度，控制发酵温度和时间，可以优化堆肥过程的环境条件，提高微生物活性，加快堆肥化进 程。促进堆肥的腐熟，减少氮素损失，保持养分含量，提高堆肥质量。 表1 - 3 新鲜禽盲粪便的养分含量( ) 6 桂林工学院硕士学位论文 1 2 1 2 农林废弃物堆肥 利用农业蔬菜废物进行堆肥，由于高含水率和植物组织中原有的微生物群落特点， 蔬菜废物的好氧堆肥必须将蔬菜废物和各种膨松物质混合，以增加孔隙率，降低含水率 并防止堆肥物料过度塌陷。同时通过连续通气和翻堆，防止局部厌氧状态的发生哺捌。意 大利佛罗伦萨建立了处理能力为5 t d 的动态好氧堆肥沟装置，用于处理蔬菜废物，堆肥 时添加1 5 的木屑和5 的堆肥产品，使堆肥达到了较好的效果【1 0 1 黄得扬【1 1 1 等以滇池 流域典型的蔬菜废物和花卉秸秆为堆肥原料，用纤维素降解复合菌剂进行二次接种二次 发酵，能够有效地促进蔬菜、花卉秸秆的纤维素组分降解，达到了加快堆肥进程，提高 堆肥品质的目的。 1 2 1 3 城市污泥堆肥 污泥是城市污水处理厂在污水净化处理过程中产生的沉积物，颗粒很细，富含有机 质，含水率为8 0 左右，有明显的弹性，联结性很好。城市污水厂处理后的干污泥含有 机物3 0 5 0 ，含氮2 6 ，磷1 4 ，钾0 2 o 4 。利用城市污水厂污泥堆 肥是可行的【1 2 l ，不过污泥在干燥过程中会交硬，在含水率5 0 左右时，污泥颗粒极硬， 很难破碎。干燥过程中由软至极硬的过渡阶段的含水量很窄，这给应用污泥原料制肥带 来了困难。一般采用掺入其他合适原料如城市生活垃圾等的方法解决。污水厂脱水污泥 与城市垃圾混合堆肥的适宜配比为2 6 3 8 ；污水厂脱水污泥、管道污泥与城市垃圾 的堆肥适宜配比为3 0 4 0 ，最小堆肥体积为0 6 4 m 3 1 1 3 1 污泥原料制成的肥料，作林 地用肥或花卉肥是安全的，经过严格检测控制，也可以作为作物用肥。 1 2 1 4 利用生活垃圾堆肥 垃圾含有较多的重金属和虫卵病菌，需要经过无害化处理。与污泥不同的是，垃圾 成分复杂，租细不等，需经过分拣后方可使用。经分拣、发酵处理的垃圾，可制成有机 复混肥，其肥效和经济效益均优于直接施用。城市生活垃圾如泔脚和食品废物等也是堆 肥原料的来源。日本利用有机生活垃圾进行发酵，接种l 的e m 菌，得到活菌肥料， 并可用于蔬菜和花卉的栽培同济大学利用z l a a t 技术也可以把生活垃圾变成肥料f 1 4 1 。 1 2 2 堆肥过程工艺参数研究 堆肥化是微生物作用于有机废物的生化降解过程，微生物是堆肥过程的主体，而微 生物的生长受到各种环境因素的影响，主要有： 7 ( 1 ) 有机质 对于快速高温机械化堆肥而言，首要的是热量和温度间的平衡问题。有机质含量低 的物质发酵过程中所产生的热将不足以维持堆肥所需要的温度，并且产生的堆肥由于肥 效低而影响销路，但过高的有机物含量又将给通风供氧带来影响，从而产生厌氧和发臭 研究表明，堆肥中合适的有机物含量为2 0 8 0 之刚”j 。 ( 2 ) 含水率 水分为微生物生长所必需，在堆肥过程中，按重量计，5 0 6 0 的含水率最有利 于微生物分解，当水分超过7 0 ，温度难以上升、分解速度会明显降低1 1 6 】这是由于水 分过多，使堆肥物质之间充满水，有碍于通风供氧，从而造成厌氧状态，不利于好氧微 生物生长并产生h 2 s 等恶臭气体：水分低于4 0 不能满足微生物生长需要，有机物难以 分解 ， ( 3 ) 温度 对堆肥而言。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，现在的快速、高温、好氧堆 肥正是利用了这一点。初堆肥时，堆体温度一般与环境温度相一致，经过中温菌l d 2 d 的作用，堆体温度便达到高温菌的理想温度5 0 6 5 。在这样的高温下，堆肥只要5 d 6 d 即可达到无害化。过低的堆体温度将延长堆肥达到腐熟的时间，而堆温过高( 7 0 ) 将对堆肥微生物产生有害的影响 1 7 - 1 9 】。 生态学研究表明，温度对不同的生物个体的影响不同。研究显示：真菌生长最适温 度为2 s 3 0 。细菌是中温除段的主要作用菌群，对发酵升温起主要作用；教线菌是 高温阶段的主要作用菌群研究表明随着温度的升高，真菌的菌落数开始减少，在6 4 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。a b d e 皿a c e u r 等人发现，在堆肥过程的初始阶段。嗜温 细菌最为活跃，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【2 0 】。b e f f a t 等2 ”人曾经在堆肥过程中的高温期筛 选出嗜热菌属能够在6 5 以上，甚至高达8 2 的垛温下生长。 1 4 ) c n c n 比与堆肥温度有关，原料c n 比高，碳较多、氮素养料相对缺乏，细菌和其他 微生物的发展受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。如果碳氮比例高，容 易导致成品堆肥的碳氮比过商，这样堆肥施入土壤后，将夺取土壤中的氮素，使土壤陷 入“氮饥饿”状态，会影响作物生长。若碳氮比低于2 0 ：l ，可供消耗的碳源少，氮素 养料相对过剩，氮素将变成铵态氮而挥发。导致氮元素大量损失而降低肥效。 桂林工学院硕士学位论文 为了保证成品堆肥中一定的碳氮比( 一般为2 5 3 5 ：1 ) 和在堆肥过程中有理想的分解 速度。必须调整好堆肥原料的碳氮比。一般方法是加入一些其他原料来调整堆肥原料的 碳氮比能收到较理想的效果。 堆肥的有效性在很大程度上依赖于堆肥底物的性质，c n 对菌体生长繁殖和代谢的 影响很大。控制堆肥过程的c n 在一个合适的范围，能够对堆肥产生良好的促进作用。 有学者通过监测堆肥过程中的多种指标，得出了大豆残茬和树叶堆肥的最适碳氮比【2 2 1 。 堆肥中分离的中温细菌、中温放线菌、中温真菌分别在c n 为5 0 、3 0 、l o 的环境下生 长最好。c n 为3 0 的环境下，放线菌的生长状况最好。而在c n 为5 0 的环境下，放线 菌有较好的长势 2 3 1 。 ( 5 ) 凹 磷是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能a t p 的重要组成成分，一般要求堆 肥料的c ，p 在7 5 1 5 0 为宜。 ( 6 ) p h 值 在垃圾好氧堆肥的过程中p h 值并非是影响微生物菌群数量变化的主导生态因子， 原因可能是堆肥p h 值的变化不像有机物、温度等变化激烈，主要是在7 0 8 0 之间变 化，因此对各种微生物茵群的影响不大 2 4 1 。一般认为，大多数细菌的最适合p h 值在6 5 7 5 之间；真菌改变环境的能力不如细菌和放线菌，但具有较好的耐酸碱性，真菌在p h 值为5 0 的条件下生长最好；在p h 值为7 0 和8 0 韵条件下，放线菌呈指数增长的趋势， 在p h 值为8 0 左右的条件下放线菌生长最好，而在p h 值为5 0 和9 0 的条件下处于停 滞期。一般微生物最适宜的p h 值是中性或弱碱性，p h 值太高或太低都会使堆肥处理遇 到困难。p h 值是一个可以对微生物环境作为评价的参数，在整个堆肥过程中，p h 值随 时间和温度的变化而变化。在堆肥初始阶段，由于有机酸的生成，p h 值下降( 可降至5 o ) ， 然后上升至8 0 8 5 左右，如果废物堆肥成厌氧状态，则p h 值继续下降。在一般情况 下，堆肥过程中，p h 值有足够的缓冲作用。 ( 7 ) 好氧速率 氧气是影响堆肥进程的关键因素，充足的氧气供给可以缩短堆肥的时问。目前，国 内关于高温好氧堆肥堆体中氧气浓度的研究较少，而国外这方面的研究开展较早。在各 种条件适宜的情况下，条垛式静态堆肥系统中，堆体中氧气最低浓度为1 4 4 【2 5 1 。 f r e d e r i c k 等研究发现以1 0 m u m i n 的速率通入氧气有机物降解速度较快，而l m l m i n 处理 中碳素的转化速率较慢f 2 6 l 。堆肥结束时，氧气供给充足的处理有机物分解量大于氧气供 给不足的处理。 堆体氧气含量对堆体的温度有重要影响对垃圾进行通气处理，可以迅速提高垃圾 桂林工学院硕士学位泠文 的发酵温度，加快好氧发酵进程，从而达到无害化的作用。翻堆和强制通风能改善堆体 的微环境，供给微生物活动所需要的氧气，因此可以有效控制堆体的温度。当氧气充足 时，堆体温度很快上升；氧气不足时，堆体温度上升缓慢【m 引。 氧气的供给量对臭气的产生具有重要的影响。氧气供给充足的时候不产生v o a s ， k e r m a r r e c 等【2 9 】对通风与堆体氧气含量的关系、氧气与堆体气体释放的关系等进行了研 究：氧气供给不足会导致厌氧菌群的繁殖，并且产生挥发性有机酸但不产生氨气；在畜 禽粪便堆肥中当供给气体的氧气浓度小于4 3 时，堆肥会散发出明显的臭味。 氧气的供给量对堆肥的稳定性有影响充足的氧气供给可以保证微生物的活动，加 快堆肥的稳定和腐熟；氧气供给不足可导致堆肥不稳定并具生物毒性。w i l e y l 3 0 】利用c 0 2 的产生量作为衡量呼吸作用的指标。试验表明：随着堆肥稳定性的增加，氧气的消耗量 越来越小。b e r t o l d i 3 1 1 证明了利用氧气反馈控制模式进行堆肥的可行性。郑玉琪【3 2 1 等研 究了堆肥过程中耗氧速率的变化特征，论证了利用耗氧速率判断堆肥腐熟度的可行性， 并提出在堆肥高温阶段末期，耗氧速率下降到1 0 0 p 1 ( l s ) 下可以作为堆肥腐熟的标志。 1 2 3 堆肥过程建模研究及自动控制系统研究 为了描述好氧堆肥过程中的生物特性，人们在寻找能应用于实际的理想堆肥模型方 面做了大量工作。有人曾推导了描述堆肥化底物增加过程的类似m o n o d 方程的动力学模 型，但该模型只是简单的理想化模型，并不能应用于实际的堆肥过程当中。王洪涛等【3 3 j 人利用动力学和热力学原理进行物料和能量衡算，建立了动态好氧堆肥计算机模拟模型， 同时通过与实验结果的对比，验证了模型的有效性，但此模型不能预测堆肥系统的变化。 胡天觉p 4 】等通过对高温好氧堆肥中微生物的生长特征和动力学进行了研究，得到了描述 堆肥过程中微生物生长动力学模型和模型参数，正确地反映了高温好氧堆肥中微生物的 生长过程及其动力学机制 为了对堆肥过程更加方便的进行监控和操作，n i e m i 等【3 5 1 探讨了建立氧气消耗和氧 气供给关系模型。朱能武等【3 6 】研究开发了基于温度时间的工业控制计算机好氧堆肥通风 控制系统( t 1 1 m e ) ，实现了通过温度时间参数分别控制各堆体风机的通断。陈同斌等d 7 】 自主研制了基于氧气浓度的实时、在线自动监测系统。 1 2 4 堆肥的腐熟指标研究一 1 2 4 1 腐熟度概念及质量控制标准 腐熟度即堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化过程最后达到稳定的程度有 桂林工学院硕士学位论文 研究建议采用c 0 2 产生速率或比耗氧速率连同自升温方法来评价。在堆肥过程中对d h 值、c o d 、c n 、总氮等做同步跟踪测试，根据测定的结果来评定堆肥是否达到腐熟。 但研究者们普遍认为，仅用单一参数很难确定堆肥的化学及生物学的稳定性，应由几个 或者多个参数确定。利用物理化学方法、生物活性和植物毒性分析等手段，对堆肥的腐 熟和稳定做多方面的监测，并附以植物生长试验，用综合评定法对堆肥腐熟度进行判断 会更加全面娜】。堆肥腐熟度具体评价参数见表1 4 、1 5 3 9 1 。 桂林工学院硕士学位论文 表1 - 4 堆肥腐熟度评价的物理学指标 指标腐熟堆肥特征值 特点与局限 温度 接近环境温度 气味 堆肥产品具有土壤气 味 色度黑褐色或者黑色 光学特征e 6 6 5 。 o 0 0 8 残余浊度和水 电导率 挥发性固体v s 降解3 8 以上，产 ( v s )品中v s 6 5 淀粉 堆肥产品中 不含淀粉 b o d 5 2 0 4 0 9 k g p h 值 8 9 易于检测；不同堆肥系统的温度变化差 别显著，堆体各区域的温度分布不均匀， 限制了温度作为腐熟度定量指标的应用 根据气味可直观而定性的判定堆肥是否 腐熟，难以定量 堆肥的色度受原料成分的影响，较难建 立统一的色度标准以判定各种堆肥的腐 熟程度 堆肥的丙酮萃取物在6 6 5 n m 的吸光度随 堆肥时间星下降趋势，该研究只是初步 的试验 堆肥7 1 4 d 的产品在改进土壤残余浊度 和水电导率方面具有最适宜的影响；需 要与植物毒性试验和化学指标结合进行 研究 易于检测；原料中v s 变化范围较广且 含有难于生物降解的部分，v s 指标的实 用难以具有普遍意义 。 易于检测；不舍淀粉是堆肥腐熟的必要 条件而非充分条件 b o d 5 反映的是堆肥过程中可放生物利 用的有机物的量；对于不同原料的指标 无法统一；且测定方法复杂费时 测定简单；p h 值受堆肥原料和条件的影 响，只能作为堆肥腐熟的必要条件 1 2 桂林工学院硕士学位论文 续上表 指标 腐熟堆肥特征值 特点与局限 水溶性碳 ( w s c ) w s c ，有机氮 w s c ，w s n ( 水溶性氮) n i - 1 4 + n n i - h + - n n 0 2 - + n 0 3 阳离子交量 ( c e c ) 腐殖化参数 ( h i ) 腐殖化程度 ( d h ) 生物可降解指 数( b d w s c 6 5 9 k g w s c 有机氮 趋于5 6 水溶性成分才能为微生物所利用；w s c 指标的测定尚无统一标准 一些原料初始的w s c ，有机氮 6 w s c w s n 2w s n 含量较少，测定结果准确性较差 n i - h + - n 的变化趋势主要取决于温度、p h n l - h + - n 6 0 ) 的影响 应用各种腐殖化参数可评价堆肥的稳定 h i 3 性；堆肥过程中，新的腐殖质形成时， 已有的腐殖质可能会发生矿化 d h 受含水量等堆肥条件和原料的影响 较大 该指标仅考虑了堆肥时间和原料性质， b i 2 4 未考虑堆肥腐熟条件，如通风量和持续 时问等 桂林工学院硕士学位论文 表1 5 堆肥腐熟度评价的生物学指标 1 2 5 堆肥过程氮的迁移及固氮技术研究 氨化作用在堆肥初期显著，硝化作用、反硝化作用、硝化细菌和反硝化细菌数量随 堆肥时间的推移有上升的趋势；堆肥中存在固氮菌，但数量变化不大。在堆肥过程中， 氮素总量损失累计达4 1 9 8 ，其中主要是有机氮的损失，9 9 9 5 的氮损失发生 在一次发酵阶段，主要是在p h 和温度较高条件下的氨气大量挥发造成的1 4 0 一】对通风 进行有效控制、提高物料c n 及添加酸性物质或接种生物菌剂有望减少n 损失。有研究 表明在堆肥过程中加填充剂，并在堆肥底物中加入了风化褐煤这种酸性有机物质来固定 n 出+ ，以减少n h 3 的生成1 4 2 1 ，从而达到减少堆肥过程中氮元素损失的目的。在鸡粪中添 加微生物制剂e m ，也可以显著提高堆肥中有机物质的和氮素的保留率，减少氮的气态 损失。 1 2 6 外接菌剂快速堆肥研究进展 1 2 6