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第七章 污泥堆肥技术第一节 污泥堆肥化原理及产品质量要求一、 概述堆肥化(posting)是利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地将可生物降解的有机物向稳定化的腐殖质生物转化的微生物学过程。这一定义强调：堆肥原料是有机固体废弃物；堆制过程需在人工控制条件下进行，不同于有机废物的自然腐化与腐烂。堆肥化的产品成为堆肥（post）。它是堆肥化过程生物降解和转化的产物，是一类腐殖质含量高的疏松物质，也称为“腐殖土”。地球表面的土壤微生态过程类似于堆肥化过程。长期以来，这一过程在生态系统乃至生物圈的物质循环与能量流动中发挥了极为重要的作用。城镇污水厂污泥的堆肥化处理不仅可以实现污泥的稳定化、减量化和无害化，而且还可以实现污泥的资源化利用，使得污泥中可用组分尽快的进入自然循环。城镇污水处理厂污泥处理处置及污染防治技术政策（试行）（建城20XX23号)中指出：当鼓励符合标准的污泥进行土地利用。污泥土地利用应符合国家及地方的标准和规定。污泥土地利用主要包括土地改良和园林绿化等。鼓励符合标准的污泥用于土地改良和园林绿化，并列入政府采购名录。允许符合标准的污泥限制性农用。城镇污水厂污泥的农林业回用将是主要的发展趋势，即通过对污泥进行无害化、稳定化处理后用做土壤改良剂或肥料，能够加速植物生长、保持土壤中的水分、增加土坡中的有机质含量和有利于防止侵蚀。适合用于农牧林地的土壤修复、生态工程开发和填埋场覆盖土等。堆肥化的污泥的处置方式范围备注污泥土地利用园林绿化城镇绿地系统或郊区林地建造和养护等的基质材料或者肥料原料土地改良盐碱地、沙化地、和废气矿场的土壤改良材料农用农用肥料或者农田土壤改良材料污泥填埋混合填埋在城市生活垃圾填埋场进行混合填埋（含填埋场覆盖材料利用）生污泥、消化污泥、化学处理污泥均可以堆肥。调节剂可选择各种不同材料。堆肥工艺相对简单，可在室外各种气候下进行，为了高效操作，减少臭味，降低成本。也有许多堆肥设施在完全封闭的建筑物内，或者完全机械化。重点问题是提高堆肥工艺效率，降低成本。二、 堆肥化的基本原理根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥化可分为厌氧法、好氧法、和厌氧/好氧交替发酵法。1. 厌氧堆肥化原理厌氧堆肥化是指堆肥化原料在无氧的条件下，利用厌氧微生物的繁殖和生长进行堆肥化的过程。厌氧堆肥化实际上是微生物的固体发酵，对有机生物固体（污泥）进行降解与稳定化，需通过更复杂的生物化学反应。厌氧堆肥化堆内不设通气系统，其实质是厌氧微生物在无氧状态下通过对污泥进行液化、酸性发酵（产乙酸）、碱性发酵（产甲烷）个阶段后使有机物质转化并稳定化的过程。实际上是在厌氧消化两个阶段（酸性发酵、碱性发酵）之前多一个“液化阶段”。1) 液化阶段液化阶段起作用的微生物包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌。在这些微生物的作用下，不溶性物质CaHbOd或Ca1Hb1Oc1可转变成可溶性大分子物质。液化反应的微生物都需要消耗一定的和碱度，当电子供体是含氮有机物时，还需要消耗一定的，且含氮有机物中的氮素会以的形式释放出来（氨化作用）。2) 酸性发酵阶段的微生物反应此阶段主要是以上阶段产生的可溶性物质作电子供体，在醋酸分解菌和产氢细菌的作用下产生乙酸或氢气的过程。酸性发酵阶段都需要消耗一定的和碱度。产乙酸：产氢：3) 碱性发酵阶段的微生物反应此阶段是产甲烷菌以或乙酸、甲醇等为电子供体进行的厌氧发酵过程。以H2为电子供体以甲醇为电子供体：产甲烷阶段以H2和甲醇为电子供体时，也需要消耗一定的和碱度。以乙酸等为电子供体时，将会产生一定量的碱度。但是由于该过程堆肥速度较慢，堆肥时间是好氧堆肥化的34倍甚至更多；而且堆肥化过程中容易产生恶臭，滋生蚊虫，卫生条件较差，逐渐被好氧堆肥化代替。所以一般的堆肥化是指的是好氧堆肥化。2. 好氧堆肥化原理好氧堆肥化是在有氧的条件下借好氧性微生物(主要是好氧菌)活动使有机物得到降解，由于好氧堆肥化温度一般在5060，极限可达8090，故也称高温堆肥化。在堆肥化的过程中，污泥中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而被微生物所吸收，固体或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，放出生物生长活动所需要的能量，并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，下图可以简单的说明这个过程。复杂的碳氢化合物和蛋白质等含氮有机物可以通过细菌被降解为单糖和氨基酸，在潮湿的堆肥环境中，温度上升到较高范围时，加热、软化有机颗粒使有机物物理断裂，通过这种物理降解扩大了有机物的表面积，增加了微生物可利用的食物数量，支持了更多微生物群落的生存。最容易降解的物质分解后，生物活动减少、温度降低，堆肥材料开始干化，形成了适合复杂的真菌群落生存的条件，剩下的难降解的物质（如纤维素和木质素）被真菌降解。堆肥化过程，有机物被氧化分解生成菌体、CO2、H2O、NH3等，总的反应式可用下式表示：(热量) （7.1）式中:t=1/2(r+2u+v-c)；u=a-p；v=1/2(b-3q-3w)；w=d-s。式（7.1）中，表示原料中的有机成分，也就是挥发性物质（volatile matter，VM）的元素组成，则是表示生成的菌体和反应的原料的混合物，即堆肥产品的元素组成。为了使式（7.1）在定量上成为完整的体系，将原料的单位质量作为基准，式中的a、b、c、d和p、q、r、s可分别由它们的分子式中的各元素的分子数确定。而t、u、v、w则可以直接测量单位质量原料进行堆肥反应时所消耗的摩尔数和生成的CO2、NH3等的摩尔数来确定。在好氧堆肥化过程中，有机物氧化和合成的反应方程式为：对于不含氮的有机物（CxHyOz）的氧化：含氮有机物()的氧化：对于细胞质的合成（包括有机物质的氧化，以NH3氮源）：细胞的氧化：例如，纤维素在好氧堆肥化中的分解反应分为：在纤维素水解酶的作用下，在微生物的作用下，一般情况下，利用堆肥温度变化来作为好氧堆肥化过程(阶段)的评价指标。好氧条件下进行堆肥化，微生物的作用过程可分为以下3个阶段，在每个阶段，微生物利用污泥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质形成为止。1) 升温阶段（3040，主发酵前期，13d）堆肥堆制初期，堆肥中有机物开始分解，嗜温菌迅速成长，堆肥温度上升至约4045；主要由中温好氧的细菌和真菌，利用堆肥中最容易分解的可溶性物质（如淀粉、糖类等）迅速增殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高。2) 高温阶段（4565，主发酵、一次发酵，38d）堆肥温度上升到50以上即可称为高温阶段。这种状态的持续时间由通风量决定，通风量大，则持续时间短，通风量小，持续时间长。由于淀粉、糖类等易分解物质被迅速分解氧化的同时消耗了大量的氧，造成了堆肥中局部的厌氧环境。这样，嗜热微生物如纤维素分解氧化菌逐渐代替了中温微生物的活动，这时，堆肥中残留的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化，一些复杂的有机物和纤维素、半纤维素等也开始得到强烈的分解。由于各种嗜热微生物的最适温度互不相同，因此，随着堆肥内温度的上升，嗜热微生物也随之发生变化：在50左右，主要是嗜热性真菌和放线菌。温度升到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在继续活动，缓慢地分解有机物。温度升到70时，大多数嗜热性微生物已不适宜生存，相继大量死亡或进入休眠状态。高温对堆肥化而言是极为重要的，主要表现在两个方面： 温对快速腐熟起着重要作用。在此阶段中，堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶于弱碱的黑色物质。 有利于杀死病原性微生物。病原性微生物的失活取决于温度和接触时间。据研究，6070维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。根据我国长期的经验，一般认为，堆温5060，持续67d，可达到较好的杀灭虫卵和病原菌的效果。3) 降温（腐熟）阶段（后发酵、二次发酵，需时2030d）采用成品堆肥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、木质素等还残留里面。未熟化的堆料施用于农田，对植物生长不利。C/N比过高的未熟化堆料施于农田，由于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NH3阻害植物生长。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。 主发酵后，大部分易于分解或较易分解的有机物（包括纤维素等）已得到分解，剩下的是木质素等较难分解的有机物以及新形成的腐殖质。这时，微生物活动减弱，产热量随之减少，温度逐渐下降，中温性微生物又逐渐成为优势种，残余物质进一步分解，腐殖质继续不断地积累，堆肥进入腐熟阶段。腐熟阶段的主要问题是保存腐殖质和氮素等植物养料，充分的腐熟能大大提高堆肥的肥效与质量。为了减弱有机质的矿化作用，避免肥效损失，可采取压紧堆肥，造成厌氧状态的措施。二次发酵反应缓慢，发酵期长，其长短因辅料的种类而异。如稻草需要一个月，而含木质素多的木屑，则需三个月左右。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堆成1.52m高，靠自然通风或翻堆，以供给空气，进一步熟化、干燥、成粒。堆肥成熟的标志是物料呈黑褐色、无臭味、手感松散、颗粒均匀、蚊蝇不繁殖、病原菌，寄生虫卵和病毒以及植物种子均被杀灭，氮、磷、钾等肥效增加且易被作物吸收。这一阶段周期为一个月左右。 一个完整的堆肥化过程的不同阶段有不同类型的优势微生物(细菌、放线菌、真菌和原生动物)。微生物的比表面积大、代谢强度高、数目巨大、繁殖迅速，在堆肥过程中对有机物质降解起主导作用。大型土壤动物通过破碎、混合、运输来影响有机物质的物理性状，而中型和微型动物通过取食微生物影响微生物的群落结构。好氧堆肥是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程(见表7-2)，在该过程中每一个微生物群落都有在相对较短时间内适合自身生长繁殖的环境条件，并且对某一种或某一类特定的有机物的分解起作用。在堆肥过程的初期，嗜温性、利用易降解有机物质迅速繁殖的微生物占优势；随着温度的升高，嗜热微生物逐渐增多，温度超过60以后，连耐热程度低的嗜热真菌也不能存活，仅剩下嗜热细菌和放线菌；温度回落后，中温微生物又重新繁殖，但此时由于易分解的有机物质已基本耗尽，重新繁殖的微生物仅是那些能利用复杂有机物质的种类。在堆肥过程的后期，由于和较易利用的有机物质逐渐消耗，仅剩下木质素等非常难分解的物质，微生物之间的竞争也逐渐激烈，能在一定程度上分解木质素并能产生抗生素的放线菌逐渐占优势。堆肥化处理除了达到稳定有机废物的目的外，还要杀灭物料中病菌和寄生虫卵，如沙门氏菌、类大肠杆菌。有效杀灭这些有害生物的因素包括温度的高低和高温持续的时间。当温度超过60时，在几天内可以达到灭菌目的，但在温度为5060时，需要持续的时间为1020d。杀灭它们所需的时间，除了受高温影响外，在堆肥后期，微生物产生的许多抗生素类物质，也会极大地缩短病原微生物的存活时间。三、 二次发酵 3. 厌氧好氧交替发酵堆肥近年提出厌氧/好氧交替发酵技术也成为了一个污泥堆肥化的重要方法。四、 堆肥产品的质量要求以及安全农用1. 堆肥产品的质量要求要衡量堆肥产品的优劣，需要采取合理的评价指标，我国颁布的城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标（CJ/T 3059-1996）中对堆肥产品的质量和卫生要求如下：堆肥产品质量（以干基计）粒度：农用堆肥产品粒度12mm，山林果园堆肥产品粒度50mm；含水率35%；值6.58.5；全氮（以N计）0.5%；全磷（以P2O5计）0.3%；全钾（以K2O计）1.0%；有机质（以C计）10%；重金属含量：总镉（以Cd计）3mg/kg，总汞（以计）5mg/kg，总铅（以Pb计）100 mg/kg，总砷（以As计）30mg/kg；卫生要求：蛔虫卵死亡率95100%，粪大肠菌值10-110-2个。2. 腐熟度评价指标腐熟度是指垃圾（生物固体）中的有机物经微生物作用后腐化分解成为成分稳定、不再变化、施于土壤后能提高土壤肥效、增加农作物产量，且对作物没有阻碍的堆肥发酵状态。堆肥腐熟与否对土壤及农作物生长有重要影响，未经充分堆肥腐熟的堆肥，其C/N比偏高，（C/N30），施于土壤后，有机质仍继续分解，氮素几乎被微生物吸收，致使农作物出现缺氮现象，其生长发育受到阻碍；相反，过熟的堆肥，其碳氮比偏低（C/N10），当其分解时，在短时间内放出大量的氮，农作物可能因氮素过多而受害。判定堆肥的腐熟度，暂无确定的直接标准和指标，目前，主要依据pH值、COD、C/N比、总有机物等测定的经验值作为参考指标。主要分为物理评价指标、化学评价指标、生物评价指标和光谱分析法。A. 物理评价指标物理评价指标又称表观分析法，Hang(1980年)和李国建(1990年)将腐熟堆肥的表观性质归纳为：堆肥后期温度自然降低；不再吸引蚊蝇；不再有令人讨厌的臭味；由于真菌的生长，堆肥出现白色或灰白色菌丝；堆肥产品呈现疏松的团粒结构。此外，高品质的堆肥应是深褐色，肉眼看上去均匀，并发出令人愉快的泥浆气味。这种方法只能从感官上进行初步判断，难以进行定量分析。B. 化学评价指标化学评价指标主要有：pH值(89)、挥发性固体(有机质或全碳)含量、C/N比、CO2释放量、水溶性有机质（酸）含量、水溶性糖含量、生化需氧量BOD5、有机质腐殖化程度、生物可降解指数(BI)、铵含量等。C. 生物评价指标经验证明，仅用化学分析方法评价腐熟度是不够的，还必须辅以生物分析的方法。生物评价的方法有植物毒性法和微生物评价法。植物毒性法植物毒性用发芽指数（GI）来表示，GI由下式确定：GI，则认为堆肥已腐熟并达到了可接受的程度。用GI判断堆肥腐熟度，可将堆肥过程分为个阶段：抑制发芽阶段，此阶段种子发芽几乎完全被抑制，堆肥时间；迅速上升阶段，此阶段，一般发生在堆肥后；缓慢上升至稳定阶段，继续堆肥超过，可上升到，这表明植物发芽抑制性物质是在堆肥过程中慢慢消除的。微生物评价法微生物评价法是利用堆肥过程微生物相的变化作为评价依据。Willson等研究认为，堆肥的腐熟期主要以放线菌为主，因此也可以用堆肥过程中微生物群落的演替来指示堆肥是否达到稳定阶段或是否腐熟。D. 光谱分析法最普遍采用的光谱分析法是核磁共振法和红外光谱法。利用这些先进的分析法通过研究有机质的结构变化来判断堆肥腐熟度，可以更敏感地反映堆肥中化学环境的细微差别，并提供更多的结构信息。用这一方法判断堆肥腐熟度还有待进一步研究和完善。鼓励符合标准的污泥进行土地利用。污泥土地利用应符合国家及地方的标准和规定。污泥土地利用主要包括土地改良和园林绿化等。鼓励符合标准的污泥用于土地改良和园林绿化，并列入政府采购名录。允许符合标准的污泥限制性农用。7.2 堆肥化典型工艺及设计要点堆肥技术早在20世纪初，欧洲就已开发成功，开始只用于城市垃圾的处理，后来这种方法被应用到污泥处理施用农田。污泥的堆肥化，最初是采用厌氧发酵(如垛式系统)、自然通风发酵法(如通气式固定垛式系统)，通过定期充气或翻垛达到供氧通气的目的。这种工艺简单易行，但是因占地面积大、周期长、易产生臭气等而逐渐被淘汰。随着污泥处理技术的发展，污泥堆肥工艺逐渐发展到现代的高度自动化的高温好氧发酵法，这种系统以机械方式进料、通风和排料，虽然设备投资较高，但是由于自动化程度高、周期短、日处理污泥量大，污泥处理后质量稳定，容易有效利用，而且可以有效地控制臭气和其他污染环境的因素，所以综合效益好。 由于好氧堆肥化具有发酵周期短（一般只有厌氧堆肥法的1/4左右）、能高温发酵、无害化程度高、卫生条件好且易于实现机械化操作和工厂化生产等特点，故国内外对垃圾、生物固体、人畜粪尿等有机废物采用好氧堆肥化的占多数。这里只探讨好氧堆肥的工艺。堆肥化的典型工艺流程如图61所示，主要分为前处理，一次发酵，二次发酵、后处理、脱臭和储存等工序。目前。堆肥工艺有多种分类方式。根据物料的状态，可分为静态和动态两种。根据微生物的生长环境，堆肥可分为好该和厌氧两种；根据堆肥过程的机械化程度，可分为露天堆肥和快速堆肥两种；根据堆肥技术的复杂程度，堆肥又可分为条垛式、强制通风静态垛式和反应器系统。条垛式的垛断面可以是梯形、三角形或不规则的四边形。它通过定期翻堆来实现堆体中的有软状态，强制通风静态垛式是在条垛式基础上。不通过物料的翻堆而是通过强制通风向堆体中供氧。它的堆肥时间较短，温度和通风条件能得到较好的控制。操作运行费用低。反应器系统实际上是密闭的发酵仓或塔，占地面积小。可对臭气进行收集处理，但投资和运行费较高。好氧静态堆肥：脱水泥饼同多孔介质（如木屑）相很合，混合物堆放在多孔床上，多孔床上配备连接有鼓风机的空气管路，肥堆有成肥覆盖以隔热及捕捉臭气，空气从下部排除或者向上扩散。堆肥结束后，膨松剂可筛分回用。条垛工艺：混合物以条垛形（细长条堆）堆置，具有足够大的表面积和体积比。通过自然对流、扩散的方式供气，条垛定期由机械翻堆.，调节剂粒径比好氧静态堆肥小，也可由熟肥回用。在好氧条垛工艺中。自然对流扩散由强制通风完成.空气通过工作面的沟渠供给。反应器工艺：混合物由管道或敞口端的一端进入，并朝排放端连续移动。经过一定的停留时间后排出。空气强制通入混合物。混合物可以无扰动的推流式运行，也可定期翻堆运行。在所有工艺构型中，均添加调节剂以增加孔隙率使于曝气，同时也减少了混合物含水率。调节剂由粗粒径构成，同时可以补充碳源以提供能量平衡及补充碳源。快速可生物降解有机物料通过一系列的代谢过程转化为更为稳定的物料，在二次发酵阶段这一过程以缓慢的速度继续进行。如果物料多孔，.在二次发醉阶段耗氧量及产热速度均足够低，因此此时强制曝气或者搅动并不重要。然而，实践中经常使用曝气式二次发酵以维持物料的好氧好条件和抑制臭气，堆肥及其后处理时间总计5060d。五、 好氧堆肥化的后处理后处理工艺是为堆肥产品的使用做准备，它包括把肥料从堆肥地点运输到熟化、筛分和配制区域；之后要使用滚筒筛或带状粉碎机进行粉碎，粉碎可以在熟化之前或之后进行。在某些情况下，二次筛分更好，尤其是用于园艺目的的肥料产品，这些产品价格高，产品的质量要求也高，因此在质量控制上需要花费更多的功夫。 肥料需要熟化和保存30d至6个月甚至更长时间。这段时间的长短主要取决于堆肥工艺、规范的要求、市场策略和消费者的需求等因素。在熟化之前进行筛分的一个优点是材料贮存的数量较少，可以减少熟化场的面积；另一方面在熟化过程中，存在颗粒较大的材料有利于肥堆内部空气的交换和热量的释放。肥料可以在室外熟化和贮存，堆肥过程产生的热量可使肥堆内部的材料较干燥，肥堆1530cm的深度则比较潮湿，熟化和贮存地点的选择应避免地表水流入肥堆。多数情况下，要控制地表水的径流，从这一区域流出的地表水可以被收集用做水源。六、 常见的堆肥化技术与设备污泥堆肥技术已经得到广泛应用，根据目前实际应用情况，将堆肥技术分为：条垛系统、强制通风静态垛系统和发酵槽系统。 1. 条垛式堆肥化条垛堆肥是将前处理过的堆料堆成条垛，上面用塑料布或简易棚挡雨，依靠空气自然扩散或辅以强制通风供给空气，使堆料进行好氧发酵。条垛系统最重要的是场地，场地的设计要符合两个要求：必须结实，以便机械设备的出入。常用材料是道路沥青或混凝土，其设计标准与公路相似。必须有坡度，便于水迅速流走。用道路沥青和混凝土等坚硬材料建造场地时，其坡度至少应为l；用砾石和炉渣等不太坚硬的材料建造的场地，坡度应大一些，至少为2。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水。条垛系统的料堆规模必须相当，料堆太小，则保温性差，易受气候影响，尤其是冬季，结果处理等量的堆料，所需堆场面积反比大料堆更大；若料堆太大，易在燃料堆中发生厌氧发酵，产生强烈的臭气，影响周围环境。适宜的规模为底宽26m、高l3m、长度不限。最常见的堆料为底宽35m、高23m、横截面积呈三角形。2. 静态好氧堆肥条垛强制通风条件差，主要靠空气自然扩张，供氧量不足，局部容易发生厌氧发酵散发臭气，且温度不高杀灭病原菌效果差，因此开发了强制通风静态系统。该系统与条垛系统的最大区别是：采用强制通风，并用翻料机对料堆进行定期翻动；料堆虽然在不断翻动，但整个堆料的相对位置不变，故称为强制通风静态系统。 强制通风静态系统和条垛系统-样都是开放式系统，它们对场地的要求基本-致，场地的表面要结实，能迅速排走渗沥液和积水。 通风系统决定该系统是否能正常运行，也是温度控制的主要手段。因为在堆肥过程中，通风不仅为微生物降解有机供给足够的氧，同时也去除CO2和NH3等气体，散发并蒸发水分，而水分的蒸发是散热的主要途径，因此通风管道的布置十分重要。通风管道可置于堆场地表面或地沟内，通风方式可采用正压或负压通风，也可两者同时应用。 料堆的大小应根据处理量和堆场等具体情况确定，其截面也是三角形。另外可在料堆表面和底部，用熟化的堆肥或调节剂，加-层覆盖层和衬垫层。 强制通风静态垛系统目前已经成为国外应用最多的污泥堆肥系统。 (条垛式堆肥方式)（1.pdf）3. 反应器堆肥化反应器堆肥化系统主要用于一次发酵，污泥堆肥一般采用一次发酵，对添加辅料的堆料需要二次发酵，则大多采用条垛系统或强制通风静态垛系统。连续封闭仓式发酵系统以机械方式进料、通风和排料，虽然设备投资较高，但是由于自动化程度高、周期短、日处理污泥量大，污泥处理后质量稳定，容易有效利用，而且可以有效地控制臭气和其他污染环境的因素，所以综合效益好。发酵槽系统装置主要包括以下设备：堆肥化反应器、通气装置和搅动装置。因为堆肥化反应器的形状决定通气装置和搅动装置的形式，通常按反应器的形状把发酵装置分为：立式多段发酵槽、筒仓式发酵槽、卧式敞口发酵槽。立式发酵槽处理能力大，占地面积小、动力费小，适合污泥堆肥处理，但建设费用高；卧式旋转发酵槽虽然建设费用小，操作性能和排气处理性能均好，但处理能力小，不适用于规模大的系统；筒仓式和卧式敞口发酵槽介于两者之间。总之各种发酵槽都有其长处和短处，选用时应根据具体情况，选用合适的发酵装置。 (1)立式多段发酵槽装置 发酵槽的形状呈四方形，内部被分隔成多层(510层)，脱水污泥经混合后从槽内的顶部加入，通过开闭的阀门依次下落，使堆料发生移动和搅动，直至到达最下层，变成堆料而排出。这种方式的通气是用鼓风机将空气强制送到各层，通过气孔进入堆料中。排出的废气收集后，经过净化处理排放。这种形式的发酵槽称为立式多段降落门式发酵槽。此外还有立式多段移动床式发酵槽、立式多端耙式发酵槽和立式多段滚轮发酵槽。它们之间的区别主要是搅动方式不同。塔以水平的复数段分隔，堆肥材料堆积于各段塔上发酵，可分为若干种方式。垃圾材料借重力作用从上段塔板下落到下段塔板。各段落板的发酵条件可能有所差异，翻覆法也可能不同，空气供给可从各段塔板强制供给，也可借排气管的通风效果自然供给。此类设备设计需遵循以下原则：形状可采用立方体式，塔数最少应在层以上，停留时间可参考旋转式发酵槽。材质可采用钢盘混凝土或钢板。槽内长宽比以为宜。发酵槽充填率以为宜。为防止搅拌机轴被垃圾中的草绳或污泥所卷缠，要有适宜的防遮设施。搅拌机的转速及驱动装置、换气设备及基础台均可参照旋转式发酵设备进行设计。如图所示为竖型多段落板式发酵槽，该装置通常为分成段的发酵槽，各段分隔成数块有很多通气孔的隔板，各隔板可以水平轴旋转，各段借此而开闭。各段塔板上的垃圾发酵一段时间后，将隔板旋转，即可通过隔板与隔板间的大间隙落下并得到翻覆。空气从偶数段槽侧面上方的送气管供给，从奇数段槽侧面上方的排气管排出。通过控制各段垃圾的停留时间，使之依序从最上段落到最下段，成为堆肥。生成的堆肥从最下段取出，其中一部分可用做接种堆肥而返回垃圾原料中。(2)筒仓式发酵槽筒仓式发酵槽与立式多段发酵槽相似，但槽内没有分层，堆料处于静止状态，堆料的移动和搅拌靠安装在槽底的螺杆出料装置进行。因为堆料从槽的上部加入，熟化的堆料从下部排出，依靠堆料自重，从上到下移动同时翻动。由于堆积高度高、移动和搅动缓慢，容易发生压密现象。不过它的结构简单，建设费较少，在我国得到广泛应用。 为了克服静态筒仓式发酵槽的缺点，开发了动态筒仓式发酵装置。堆料从发酵筒上部加入，用一种固定在桥架上与桥架一起旋转的螺旋管式搅拌装置进行移送、翻动，使堆料不断由四周向中心移动，物料由四周移向中心的时间为所定的发酵时间，最后由中心出料口排出。螺旋管既自转又随桥架公转，堆料不会压密，供氧均匀，发酵效果好。动态筒仓式发酵装置是指在发酵槽里安装翻覆机械，通过翻覆能使发酵原料得以混合，促进迅速发酵的垃圾堆肥化装置。如图7-2所示是钻土机翻覆式发酵槽的结构示意图。堆肥原料由输送机运到发酵槽中心上方，由旋转的输送机和桥沿槽壁内侧均匀投入发酵槽内。吊于桥上的多架钻土机旋转翻覆以混合发酵槽中的材料，这样使投入的原料立即达到45以上的局部环境温度而迅速发酵，即使污泥水分高达70%，也因其水分转移到其他发酵材料中而可立即参与发酵。另外，即使原料恶臭味强，也易被发酵中的材料包覆，发酵槽不致发散恶臭。钻土机将材料从下带上，在自转的同时随桥旋转（公转）以翻覆材料，并将材料从槽壁内侧徐徐转移到槽中央部位出口漏斗，再排出发酵槽而成堆肥。材料的移动速度、滞留时间由公转速度调节。发酵所需空气从槽底部的数支环状散气管供给。发酵的进行程度随半径方向存在差异。槽壁附近的通气管因附近水分蒸发量或氧消耗量多，故供给较多的空气，中心附近散气管则供给较少量的空气。这样，随发酵的进行，合理、经济地供给空气，槽内温度常为6075，停留时间可保持5d。 (3)卧式旋转发酵槽 卧式旋转发酵装置的旋转发酵槽以每分钟几转的速率旋转，堆料从一端加入，熟化后从另一端排出。堆料的搅动是靠旋转过程中将堆料提升至一定高度下落时连续进行。转鼓本身有0.5的倾斜，堆料随转鼓旋转而向出移动。堆料在槽内的停留时间可由转鼓的转速和倾斜度来调节。这种形式的装置设备投资便宜，但处理能力小，同时也因旋转，使堆料结块现象时有发生。图7-1为Dano式卧式旋转发酵槽堆肥化系统。该系统中，投入漏斗的垃圾（生物固体）经漏斗底部的裙板供给器与第一带式输送机到达磁选机除去铁质，接着供给徐徐转动的发酵槽，垃圾在该处接受送风及必要的供水，混合、摩擦粉碎后，持续发酵数日，成为堆肥放出发酵槽外。接着由振动筛筛分为细物与粗物，粗物通过滑槽排出进行焚烧处理或填埋处理，细物经选别机除去玻璃等物而成为堆肥制品。图7- 旋转圆筒式发酵槽旋转式发酵槽为圆筒形，由耐磨性钢铁材料制成。发酵圆筒直径一般为24，长30m以下，其径长比应在1:10左右。发酵圆筒的安装倾斜度以1:1001.5:100为标准。操作方面应注意以下事项：停留时间：视生垃圾的性质与堆肥成品要求而定，通常为24。发酵槽内弃填率以为原则，单位发酵槽处理垃圾量以50t/d较为经济。发酵槽转速应在1r/min以下（一般在0.10.3r/min之间）。机械换气者，应采用耐蚀性材料的排风机，其风量应可弹性调节。旋转驱动设备应采用电力，并需有30%以上的安全负荷。(4)卧式敞口发酵槽 卧式敞口发酵装置在平行间距l.52m的墙壁间隔间，将污泥堆放在有转换刮板的传送带上，以水平方向移动。它的上部安装有能在轨道上滑动的齿耙型或斗型搅拌装置，使堆料一边移动一边搅拌。空气从底部通入，使堆料在移动过程中发酵，熟化的堆料从另一端排出。这种装置上部大多数是敞口的，排气靠扩散，所以臭气的处理比较困难。高温好氧发酵处理污泥。鼓励利用剪枝、落叶等园林废弃物和砻糠、谷壳、秸杆等农业废弃物作为高温好氧发酵添加的辅助填充料，污泥处理过程中要防止臭气污染。七、 好氧堆肥化的设计要点1. 好氧堆肥化的原料特性要求及预处理堆肥原料要有合适物理、化学和生物性质，这对微生物是很重要的，它可以使堆肥微生物有合适的环境，有利于对堆肥化得顺利进行。而对堆肥原料的预处理就是调节堆肥化原料的特性。预处理包括破碎、筛选。有些污泥需要进行简单的破碎，选择的调节剂和膨松剂如果尺寸过大，也得经过破碎机进行预先的破碎。适合堆肥的原料粒径应该在25cm，筛选后的较大粒径的不可破碎颗粒可以进行最终的处置。堆肥化原料要符合堆肥的基本条件，考虑碳氮比、有机物含量、含水率等参数，选择合适的调节剂或膨松剂进行调节。在堆肥过程中还要掺入一些材料用以改进混合原料的物理和化学特性，这种材料被称作调节剂。调节剂可以改善混合原料的物理和化学特性，使堆肥工艺保持最佳运行状态，调节剂的合理选择对于生产高质量的堆肥产品是重要的。调节剂的选择要考虑以下几个因素：肥料使用者的需要；调节剂的干燥程度；有机物的含量；容积密度；孔隙性、粒度和颗粒大小的分布；pH值、氮含量和其他化学特性；颜色和外观。调节剂可以减小单位体积的质量、增加碳源及与空气的接触面积，以利于好氧发酵。污泥堆肥过程中常用的调节剂有木屑、秸秆、稻壳、粪便、树叶、垃圾、炉灰、石膏粉和炭灰等，随着堆肥技术的发展，一些腐烂的蔬菜和水果、剩余的食物也可用做调节剂。选择调节剂和膨胀剂时应优先使用当地的材料。在农业发达地区，各种农业废弃物及其副产品的来源是经济、可靠的；在热电厂附近，燃烧后的灰烬是重要的干燥固体来源；在选择干燥材料时还必须考虑到运输问题，即要在一个合理的运输距离内，同时把这种材料加工成堆肥原料后，要含有较多有益的成分，要易加工和投放市场，并能被堆肥产品使用者接受。表10-2 调节剂的选择膨胀剂是指用有机或无机物制成的固体颗粒，把它加入湿的堆肥材料中时，能有足够的空间保证物料与空气的充分接触，并能依靠颗粒之间的接触起到支撑作用，提高混合物的疏松性和孔隙性。常用的膨胀剂有木屑、团粒垃圾和破碎成颗粒状的轮胎、塑料、花生壳、秸秆、树叶、岩石及其他物质。在堆肥工艺后部的过滤工艺可以去除和回收颗粒较大的膨胀剂，将这些碎片得到重复利用。1) 含水率调整含水率的目的是保证足够的孔隙性和合适的湿度。污泥脱水泥饼的含水率高达7585，水分过高则堵塞堆料中空隙，影响通风，导致厌氧发酵温度急剧下降。水分过低(40)则不利于微生物的生长。当污泥中的含水率高达80以上时，堆肥设施的处理能力就会下降。堆肥材料含水率较高时，应该添加含水率小于45的调节剂，使堆肥混合物中的含水率到达4060左右。由于堆肥设备处理了添加的较高比例的调节剂，它的容量和处理污泥的能力就会降低，同样，当调节剂中的含水率上升到45以上时，料堆中应该加入更多的干燥物质作为调节剂，使调节剂的含量在20左右，以使混合物达到理想的水分含量。所以堆肥原材料中的含水率对于堆肥设备的处理能力有重要影响，此外还关系到调节剂的用量和污泥的处理成本。好氧堆肥化水分一般应调整到4060。含水率调整的方法有：添加辅料、成品回流、干燥和二次脱水等。辅料添加法由于前处理装置简单，脱水泥饼的通气性显著得到改善，因此被广泛应用于高含水率的泥饼。通气性能良好的堆料。常用的调节剂以木屑、米糠、稻草为主。木屑等木质材料与米糠、稻草等植物秸秆相比难分解成分多，需要进行长时间的二次发酵。成品回流法回流堆肥作为调节剂，在对含水率调整的同时也能调整pH值和进行接种，因此对加消石灰后pH值高的脱水泥饼经常使用。用这种方法堆料含水率必须调整到50左右，所以它适用于含水率较低的泥饼，成品回流法的优点，除不需要供给辅料外，堆料中含难分解物质少，可不必进行二次发酵，发酵时间短。干燥和二次脱水，一般被认为是成品回流方式的辅助手段，因干燥费用高和二次脱水机性能不稳定，目前应用很少。2) 挥发性固体含量挥发性固体(VS)与有机物的含量高度相关，可以准确的指示材料中的有机物的含量。部分可挥发性固体是可生物降解的，这部分固体可以进一步进入到那些易生物降解的材料中，例如污泥、剩余食物和那些较慢生物降解的材料中（如，木质材料）。当调节剂中固体含量降低时，会导致污泥的堆肥能力降低，堆肥产品的含水率提高。大多数调节剂材料中可被生物利用的能量要低于污泥。污泥中可挥发性固体的3050是可被生物降解的，而调节剂却较低，例如锯屑中的挥发性固体1525是可生物降解的，当调节剂中的干燥固体含量减少时，按比例应在进料混合物中掺人更多的固体。但当进料中的锯末比例提高时，生物可利用的能量就会减少，随着堆肥材料的加热和水分的蒸发消耗掉部分能量，较多的水分滞留在堆肥材料中，最终导致堆肥产品含水率比较高。 评价某种材料生物可降解性有两种简单的方法：考虑动物和人类的可消化性和这种材料在花园的堆肥过程中的消失情况或者是进入到土壤后是能否被微生物或者大型无脊椎动物所分解；第二个方法呼吸计量法在试验中已被用于判断材料的可生物降解性，在这个方法中，一种物质在已知的温度和压力下被生物降解，在一时间段内，吸入的氧和碳转化为二氧化碳，吸人的氧和呼出的二氧化碳都能被测量，进而评价材料的生物降解性。3) 粒径粒度是堆肥材料重要的物理特性。粒度和颗粒大小的分布对于堆肥混合物的孔隙性是很重要的。混合材料的颗粒大小越均匀，孔隙率越大；反之，材料的颗粒大小差异越大，孔隙率就越小，小颗粒填充在大颗粒的空间中，阻碍了水和气体的交换。粒度可以影响微生物的生物量，堆肥是以种界面现象，微生物在材料表面才比较活跃，例如微生物就没有办法进人到木片的内部。当某种堆肥材料总的表面积提高后，可供微生物利用的食物数量也增加。可生物降解的材料转化为生物稳定的堆肥产品的速率就会提高。污泥和生活垃圾不同，粒度比较细，脱水泥饼呈片状团块，比较密实，需要把粒度调整到l2cm左右才可以应用。不过实际上添加辅料或成品回流混合时，大都已使泥饼分散达到要求，因此不必专门进行粉碎。但用叶片型和螺旋型混合机进行混合时形成的堆料还要进行粉碎调整粒度。4) 容积密度容积密度调节剂的容积密度也是很重要的，它与进入市场的堆肥产品的质量、运输成本、调节剂的运输成本和转化为堆肥混合物的难易紧密相关。调节剂的选择从质量很轻的泡沫聚苯乙烯颗粒到密度相对较大的湿润的木质材料都可以为了特定的目的添加到堆肥混合物中。5) pH值调整一般的脱水污泥不必进行pH值调整，如果脱水时添加了消石灰，则脱水泥饼的pH值可达1113，不加调整通常不能发酵。脱水泥饼的pH值调整常用具有pH值缓冲能力的成品回流来实现，并可与含水率一起调整。调整后的pH值在10.010.5即可，对压滤机泥饼与等体积的回流成品混合即可达到目的。pH值调整除采用成品回流方式外，把二氧化碳吹入发酵槽内，使含二氧化碳的废气在发酵槽内循环，也是一种常用的方法。在处理污泥时可能使用石灰，石灰或其他碱性材料含量较高会使堆肥混合物的pH值提高。但由于二氧化碳、弱酸、氨和弱碱的缓冲作用，pH值仅仅是对堆肥工艺有短暂的影响。氨的释放在堆肥过程中是正常的现象，混合原料中较高的pH值会使堆肥原料在通气和搅拌过程中的氮以氨的形式释放出来。在封闭的堆肥空间中，当pH值大于8.08.5时，氨的损失会较多，而当pH值在7.5左右或更低时，氨的流失不是特别明显。氨和二氧化碳一样起到了缓冲堆肥材料pH值的作用。在堆肥过程中，氨可以与挥发性酸或其他的酸性化合物例如乙酸反应，来中和堆肥材料中的酸。下面这个化学反应是可逆的。 这个反应可以减少挥发性、有气味化合物的生成，因此可以减少或者至少可以改变堆肥设备中明显的臭气，然而如果为了中和所有的臭气而去人为改变堆肥材料pH值的方法是不可取的。 在堆肥过程中，pH值的提高通常是短暂的，在堆肥过程中产生的大量的二氧化碳、弱酸缓冲了pH值的变化。缓冲反应也是可逆的，但是更趋向于通过二氧化碳和碱的反应来降低堆肥材料的pH值。在正常运行的堆肥设施中，即使堆肥混合物的最初pH值在510的范围内变化，氨和二氧化碳的缓冲作用也会使堆肥材料的pH值维持在7.5左右。 6) C/N比为了判断混合原料中的碳氮比，确保混合物中的成分符合规范的要求同时满足堆肥产品用户的需求，我们必须清楚混合原料中的化学成分，并做出适当的调整。当碳氮比越来越大时，微生物会因缺少氮源活性受到抑制，这时，堆肥进程会减慢，导致热量产率的降低，干化的能力也降低，最终可能导致堆肥产品含水率过高。 调整碳氮比的目的是确保堆肥原料中的微生物能够均衡的摄取营养。如前面讨论的，在微生物的生长和再生过程中，碳提供能量、氮提供蛋白质。富含碳的原料包括木质材料、纸、糖和某些类型的木灰等，然而，在几周的堆肥期内，这些原料并不具有可供微生物利用的相似的碳的比例。 添加调节剂可以调整混合原料中碳氮比和干燥固体的含量。干燥固体含量的调整可以利用多种干燥材料，它们可能影响也可能不影响碳氮比。例如，像锯屑这样的调节剂可以调整混合物中的干燥固体含量，也对提高碳氮比有一定的影响，因为锯屑颗粒细小，具有比较高的比表面积；而直径2.5cm、厚1.0cm左右的木片对碳氮比几乎没有影响，微生物较难进入隐藏在木片内部的含碳成分中。同样，对碳氮比几乎没有影响的材料有含碳较多的木灰，因为它实际上是不可以被生物降解的。还有石膏板，因为它非常干燥而且几乎不含碳。有时，非木质的材料是较好的碳源，它们可能很干燥也可能含有较多的水分，如含糖的废弃物、腐烂的水果和破碎的树叶，它们都具有很高的碳氮比并且很容易被生物降解。因此运行者在选择堆肥材料时，应认真考虑材料的可生物降解性和它的碳氮比，正确的判断该种材料调节碳氮比的能力。常用材料碳氮比列于表103。表10-3 常用材料碳氮比多数情况下，用于堆肥的原料都含有足够的碳和氮。堆肥混合物中污泥的含水率高且具有较高的氮含量，而调节剂相对比较干燥，含氮量却较少。要平衡这两种堆肥混合物的成分不仅要平衡进料的水分，还要保证碳氮的平衡。7) 接种 脱水泥饼中通常已存在发酵微生物，只要条件合适，不一定要接种也能发酵。但是在使用机械装置进行快速发酵时，为了加速反应，必须接种。接种通常用成品回流来实现。按接种的要求，成品回流量2030即可。若在含水率和pH值调整中采用了成品回流，其回流量已大大超过接种的需要量，不必专门考虑接种问题。接种有时也采用特种菌种，其发酵效率比普通菌种要高。8) 参照指标利用污泥进行堆肥化，可以参照国家颁布的城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标（CJ/T30591996）中的有关规定。按照规定，堆肥原料特性应满足如下要求：1) 密度一般为350650kg/m3；2) 组成成分中有机物质量分数（湿重）应20%；3) 含水率40%60%；4) 碳磷比(C/P)宜维持在75159之间；5) 碳氮比（C/N）为20:130:1；6) pH值控制在78.5。7) 粒度控制在a) 调节含水率堆肥混合物中两种材料的混合方式可以通过材料的重量之比来确定，堆肥混合物中污泥和调节剂的重量之比与每种材料的含水率相关，进料的含水率要求为4060%。式中，w1表示污泥的含水率；w2表示调节剂的含水率；w为堆肥原料的含水率要求，为4060%；m1为污泥重量，m2调节剂的重量。通过这个等式，调节剂中含水率含量的变化范围在4050时，所需调节剂的重量变化范围最大，图10-1显示出了调节剂的重量变化，当以重量比计算时，堆肥混合物中含水率为40时，调节剂的含水率为50时所需调节剂的重量是含水率为40的2倍，而当调节剂中含水率为40时所需调节剂的量是含量为20时的2倍。因此，当运行人员估算堆肥混合物中的污泥和调节剂的添加量时，调节剂和污泥含水率是非常重要的参数。图10-1 调节剂中干燥固体的含量对调节剂与污泥重量比的影响混合材料的重量比提供了一个精确的、可重复的比较成熟的堆肥材料混合方法。而材料的混合也可以根据容积之比来确定，尤其是当堆肥材料的容积密度在现场较容易测得时。为了有效地利用材料的体积比，首先必须知道它们的容积密度。容积密度就是材料的单位体积重量。b) 调整碳氮比在堆肥过程中，为了确保微生物具有平衡的营养来源，混合物中的碳氮比是很重要的。碳氮比可以通过碳的百分含量除以总氮的百分含量来计算，碳的百分比可以通过挥发性固体的百分比(VS)估算出来。通过对土壤的研究也显示这两个参数之间存在一种线性关系。试验证明，在同一个样品中挥发性固体的百分比大约是碳的百分比的1.8倍，虽然这仅是一个估算，但在制备堆肥混合物时，也可以起到一个参考作用。通常，在制备堆肥混合原料时，首先应该把含水率调整到一个理想的水平，因为水分的含量对堆肥工艺良好的运行是很重要的。理想碳氮比的范围应该是2030之间，如果超出了这个范围，可以通过下一批的原料调整过来，根据经验了解不同材料的含水率、碳氮比和可生物降解性等，对这些材料特性的掌握有助于运行人员确定合适的堆肥材料和添加比例来调整混合原料中干燥固体的含量和碳氮比。c) 接种将1%5%腐熟堆肥或生物固体（污泥）混入垃圾原料中称为接种。接种的目的是增加微生物菌源，或增加微生物活性酶。污泥、调节剂、膨胀剂和腐熟堆肥按定量要求混合。d) 调节粒径e) pH调节1. 原料调节调节剂、膨松剂的选择和储存投加量的计算成品堆肥的回流破碎装置混合装置2. 渗滤液回流堆肥化过程中必须考虑渗滤液的处理，这是由于湿气的冷凝和地表的径流会产生含有高浓度有机物和其他物质的废水，设计人员应该考虑渗滤液的处理。通常可以作为水源调节堆肥含水率。3. 物料平衡4. 温度控制5. 微生物活性7.3 堆肥工艺运行维护要点运行人员必须密切关注堆料的温度、氧含量和堆肥材料的湿度以及堆肥材料化学成分的变化，这种特性的调整很大程度上是对堆料中气体交换效率、热量的输出和温度进行控制。 堆肥最佳的温度条件是356