城市垃圾好氧堆肥化處理技術(shù)

據(jù)統(tǒng)計，2000年我國城市生活垃圾清運(yùn)量已達(dá)1.44億t，而且以每年10%的速度增長[1]。城市垃圾的堆肥化(composting)是目前廣泛采用且能夠有效處理生活垃圾的方法之一，堆肥是利用微生物人為地促進(jìn)可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的微生物反應(yīng)過程。在生物化學(xué)反應(yīng)過程中，垃圾中的有機(jī)物與氧氣和細(xì)菌相互作用，析出二氧化碳、水和熱，同時生成腐殖質(zhì)，用作土壤改良劑或肥料。好氧堆肥是依靠專性和兼性好氧細(xì)菌的作用降解有機(jī)物的生化過程。此法有機(jī)物的分解速度快，堆肥所需天數(shù)短，臭氣發(fā)生量少[2]，目前國內(nèi)許多城市都開展這方面的工作。
1好氧堆肥及堆肥主要技術(shù)措施
城市垃圾堆肥化處理技術(shù)包括分選處理系統(tǒng)、有機(jī)物好氧發(fā)酵系統(tǒng)和有機(jī)復(fù)合肥配制系統(tǒng)，堆肥過程實(shí)質(zhì)是一個微生物學(xué)處理過程，在一定的溫度和pH值下，通風(fēng)供氧，利用好氧嗜溫菌與嗜熱菌對其中有機(jī)物進(jìn)行生物化學(xué)分解，使之變成穩(wěn)定的有機(jī)質(zhì)，并利用發(fā)酵過程中產(chǎn)生的溫度殺死有害微生物以達(dá)到無害化衛(wèi)生指標(biāo)的處理技術(shù)。現(xiàn)代化的好氧堆肥技術(shù)是保證堆肥效果的關(guān)鍵，堆肥的主要技術(shù)措施主要有堆肥有機(jī)物含量、堆肥適合的含水率的調(diào)整、建立合適的通風(fēng)系統(tǒng)、C/N比及C/P比的調(diào)整、最佳溫度控制、適宜pH值等。
2好氧發(fā)酵過程的重要影響因素
2.1一次發(fā)酵
我國的城市垃圾堆肥廠的一次發(fā)酵大多是好氧發(fā)酵，好氧發(fā)酵的反應(yīng)可用下式表示：
CsHtNuOr.aH2O+bO2－CwHxNyOz.eH2O+dH2O+eH2O+gNH3+Q
從反應(yīng)式可知，生活垃圾在通氧條件下，經(jīng)好氧微生物分解成堆肥和滲瀝水，同時有廢氣排出和熱量釋放，為殺死垃圾中的致病菌和寄生蟲卵創(chuàng)造有利條件。采用機(jī)械強(qiáng)制通風(fēng)，發(fā)酵10d左右。影響有機(jī)廢物發(fā)酵的因素主要是有機(jī)質(zhì)含量、濕度(含水率)、碳氮比、堆肥過程的氧濃度和溫度以及pH值。生活垃圾堆肥過程必須定時監(jiān)控影響有機(jī)廢物好氧發(fā)酵的諸因素，如果發(fā)現(xiàn)其中某一因素其適宜范圍，必須及時調(diào)整，以使有機(jī)廢物生物降解過程能順利進(jìn)行。
2.1.1堆肥有機(jī)物含量
生活垃圾適于堆肥的有機(jī)物含量為20%～80%，以40%～60%較好。當(dāng)有機(jī)物含量低于20%時，不能提供足夠熱能供嗜熱菌繁殖，難以維持高溫發(fā)酵；當(dāng)有機(jī)物含量高于80%，堆肥過程需氧氣，在供氧不足時會發(fā)生厭氧過程。
2.1.2堆肥適合的含水率
堆肥中有機(jī)物的分解、微生物的生長繁殖，水是不可缺少的條件。含水量最大值取決于物料的空隙容積。據(jù)研究[3]，對于含紙高的城市垃圾堆肥，50%～60%的含水量最有利于微生物分解。水分超過70%，溫度難以上升，分解速度明顯降低，這是由于水分過多，使堆肥物質(zhì)粒子之間充滿水，有礙于通氣而造成厭氧狀態(tài)，不利于好氧微生物生長并產(chǎn)生H2S等惡臭氣體。水分低于40%，不能滿足微生物生長需要，有機(jī)物難以分解。根據(jù)國外研究結(jié)果，在進(jìn)行有機(jī)物與污泥混合堆肥時，仍能保證堆肥過程順利進(jìn)行的最低含水量為40%。因此，堆肥正常進(jìn)行的含水量下限為40%～50%。當(dāng)含水量降到20%以下時，生物活性就基本停止。
2.1.3堆肥適合的C/N
微生物的生長速度與堆肥物料的C/N有關(guān)。微生物自身的C/N為4～30，因此，作營養(yǎng)基的有機(jī)物的C/N也最好處于該范圍內(nèi)。C/N為10～25時，有機(jī)物的降解速度最大。在堆肥過程中微生物以碳作能源，并構(gòu)成細(xì)胞膜，隨后以CO2形式釋放出來，氮則用于合成細(xì)胞原生質(zhì)。因此發(fā)酵后物料的C/N值將會減少，一般下降6%～14%，最高則可下降27%以上。在成品堆肥施用時，如果其C/N值過高，易引起土地氮饑餓，影響土壤肥力。因此，要求成品堆肥C/N值為10～20。據(jù)此可推算出，城市垃圾堆肥原料配制的最佳C/N值為25～30。
2.1.4堆肥適合的C/P
除碳和氮外，磷對微生物的生長也有很大的影響。有時，在垃圾中添加污泥進(jìn)行混合堆肥，就是利用污泥中豐富的磷來調(diào)整堆肥原料的C/P。堆肥原料適宜的C/P為75～150。
2.1.5堆肥適宜的氧濃度
生活垃圾堆肥過程還需要適宜的氧濃度(14%～17%)。氧濃度過低需要強(qiáng)制性通風(fēng)，以不斷補(bǔ)給氧氣，激發(fā)好氧菌的活性，否則因氧不足將使好氧菌生長受抑制，使好氧發(fā)酵停止。若氧濃度過高，則應(yīng)減少風(fēng)量至氧濃度適宜為止。據(jù)資料[3]研究，為保證微生物足夠的氧濃度，縮短堆肥發(fā)酵的周期，在操作時應(yīng)控制垃圾堆層中氣相的氧濃度在10%以上。
2.1.6堆肥適宜的溫度和pH值
垃圾堆肥過程適宜發(fā)酵溫度以35～55℃為宜。若發(fā)酵溫度低于15℃或高于70℃，微生物將進(jìn)入休眠狀態(tài)或大量死亡，發(fā)酵緩慢甚至停止。有機(jī)廢物發(fā)酵過程適宜的pH值為6.5～7.5。在堆肥初期，由于酸性細(xì)菌的作用，pH值降到515～610，使堆肥物料呈酸性；隨后，由于以酸性物為養(yǎng)料的細(xì)菌的生長和繁殖，導(dǎo)致pH值上升，堆肥過程結(jié)束后，物料的pH值上升到815～910。當(dāng)pH值過高(pH>9)或過低(pH<4)時，會減緩微生物降解速度，需要及時調(diào)整堆肥的pH值。現(xiàn)有的垃圾堆肥廠大都沒嚴(yán)格實(shí)施C/N比、氧濃度、溫度、pH值的監(jiān)控任務(wù)，造成某些參數(shù)偏離其適宜值，使微生物活性受抑制，造成一次發(fā)酵時間延長及腐熟度偏低。
2.2二次發(fā)酵
一次發(fā)酵后仍有不少難降解的纖維素和木質(zhì)素，需要進(jìn)行二次發(fā)酵，其目的是為了使堆肥達(dá)到充分腐熟。較難降解的木質(zhì)素和纖維素被好氧微生物分解，其反應(yīng)可用下式表示：
(C6H10O5)n－n(C6H12O6)
n(C6H10O6)+6nO2－6nCO2+5nH2O+Q
隨著熟化過程的推行，溫度逐漸降低，變成疏松、穩(wěn)定的有機(jī)肥。
即使二次發(fā)酵順利進(jìn)行，難分解的纖維素和抗分解的木質(zhì)素還是難以徹底腐解，這是因為自然界只有少量少數(shù)種類微生物能分解木質(zhì)素，如何加速纖維素和木質(zhì)素徹底腐解，充分提高堆肥腐熟度，成為二次發(fā)酵的關(guān)鍵問題。需要培養(yǎng)出高溫纖維素分解菌，將篩選出分解纖維能力強(qiáng)、生長快、易繁殖的菌株制成堆肥添加菌劑，均勻撒于一次發(fā)酵后經(jīng)傳送帶送往二次發(fā)酵倉的初級堆肥上，接種菌劑的濃度按堆肥重量比配制。中科院南京土壤所顧希賢研究員培育出生長快、粗纖維分解強(qiáng)的高效菌制劑，以0.05%～0.1%的接種量加入二次發(fā)酵肥堆中，取得較好的效果。
3堆肥過程中的微生物學(xué)
分析研究資料表明[4]，堆肥初期是微生物旺盛繁殖并釋放熱能不斷提高堆肥溫度的發(fā)熱階段。在這一階段，堆肥物質(zhì)的變化情況是在好氧條件下，那些容易被微生物分解的有機(jī)物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、淀粉類物質(zhì)，簡單的糖等迅速分解，產(chǎn)生大量的熱量。在這一階段中的微生物以中溫好氧菌為主，常見的有細(xì)菌和絲狀真菌。當(dāng)堆肥溫度超過50℃以后，進(jìn)入高溫階段，在這一階段中，除少部分殘留下來的和形成的水溶性有機(jī)物繼續(xù)分解轉(zhuǎn)化外，復(fù)雜的有機(jī)物，如半纖維素、纖維素等開始分解，同時開始了腐殖質(zhì)的形成過程，出現(xiàn)了能夠溶解于弱堿的黑色物質(zhì)，這一階段以高溫微生物最為活躍，常見的有好熱真菌、好熱放線菌等。其中以放線菌占優(yōu)勢。當(dāng)溫度升高到60℃以上時，好熱絲狀真菌基本上全部停止活動，好熱放線菌和芽孢桿菌的活動占據(jù)優(yōu)勢，到了70℃以上，只有好熱芽孢桿菌在活動。很多好熱微生物分解纖維素和果膠類物質(zhì)能力較強(qiáng)，因此在高溫階段纖維素、果膠類物質(zhì)旺盛的分解，同時產(chǎn)生腐殖質(zhì)。溫度上升到70℃以上后，大多數(shù)好熱微生物的生長繁殖也不適宜，微生物大量死亡或進(jìn)入休眠狀態(tài)，這是在初死亡的微生物含有的各種酶的作用下，有機(jī)質(zhì)的分解仍能夠進(jìn)行一段時間。
4堆肥腐熟度評價
堆肥腐熟度評價是保證城市固體廢物達(dá)到無害化處理的必要環(huán)節(jié)，目的是評價堆肥產(chǎn)品是否熟化，以確定其能否安全應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。用于腐熟度評價的指標(biāo)和方法有物理方法、化學(xué)方法、微生物活性、酶學(xué)分析以及植物毒性分析等。其中較常用和簡便的有溫度、固相C/N值、液相C/N值、NH4+-N含量等。堆肥后熟階段溫度明顯下降，當(dāng)堆體溫度趨于環(huán)境溫度時堆肥已經(jīng)腐熟化，且熟化堆肥應(yīng)是無惡臭氣味，呈均勻褐色的疏松團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。固相C/N值是最常用的堆肥腐熟度評價方法之一，當(dāng)堆肥的C/N值從開始25：1～30：1減至20：1以下時堆肥達(dá)到熟腐。由于微生物的分解作用，有機(jī)氮隨溫度上升不斷分解釋放出大量NH3，pH快速上升并在堆肥開始3～5d內(nèi)達(dá)到最大值，之后隨NH3量逐漸減少而pH值下降。
5堆肥過程中的自動控制技術(shù)
5.1溫度自動控制系統(tǒng)
由于微生物活動而引起的溫度升高不能通過微生物自身來控制。溫度太高將抑制微生物活性甚至燒死而使堆肥失常，需要控制堆肥溫度。通常情況下需要通過通風(fēng)來散發(fā)熱量和改變含水率。Rotgens Static Pile堆肥法是一項高效、節(jié)能的堆肥技術(shù)，在美國80年代中期廣泛采用，該工藝采用溫度反饋控制系統(tǒng)，溫度自動控制系統(tǒng)由溫度傳感器、時間控制器、溫度控制器、鼓風(fēng)機(jī)及附屬設(shè)施組成。當(dāng)肥堆中溫度低于溫控點(diǎn)時，脈沖時間控制器引發(fā)鼓風(fēng)機(jī)按照設(shè)定的較小頻率向肥堆送風(fēng)，使溫度上升。當(dāng)肥堆中溫度超過溫控點(diǎn)時，溫度控制儀引發(fā)鼓風(fēng)機(jī)向肥堆持續(xù)送風(fēng)驅(qū)熱，如此往復(fù)進(jìn)行，直到肥堆中有機(jī)物耗盡，微生物進(jìn)入內(nèi)源呼吸階段，堆溫下降到一定數(shù)值穩(wěn)定下來。
5.2氧濃度自動控制系統(tǒng)
由于好氧微生物分解有機(jī)物需要氧氣。所以供氣是好氧堆肥控制的重要手段。實(shí)際堆肥時，一般通過測定堆層中氧濃度的變化即耗氧速率來了解微生物過程及需氧量，從而控制通風(fēng)量、風(fēng)速率。當(dāng)肥堆中氧氣低于控制點(diǎn)時，時間控制器引發(fā)鼓風(fēng)機(jī)按照設(shè)定的頻率向肥堆送風(fēng)，使含氧量上升。當(dāng)肥堆中氧氣高于于控制點(diǎn)時，時間控制器引發(fā)鼓風(fēng)機(jī)停止向肥堆送風(fēng)。
6堆肥產(chǎn)品中微量金屬的去除技術(shù)
堆肥產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)取決于其用途，主要考慮兩點(diǎn)：(1)微量金屬、病原菌污染水平；(2)使肥力和土壤物理性狀改善的價值。從國外堆肥產(chǎn)品中微量重金屬含量分析表明：混合肥料中的微量金屬的含量大大高于土壤中的金屬含量，尤其是肥料中的Cu，Zn和Pb，混合肥料應(yīng)用于土壤中將導(dǎo)致土壤中微量金屬含量的積累，應(yīng)用過量將損害作物生長，并通過食物鏈進(jìn)入人群。肥料中的金屬存在形態(tài)有水溶性、可交換的、沉淀相、氧化態(tài)金屬共沉淀、吸附或有機(jī)物絡(luò)合，不同形態(tài)微量金屬有著不同的遷移率和生物利用性，有著不同的潛在環(huán)境污染，因此知道各種微量金屬分布的不同形態(tài)并開發(fā)合適的處理技術(shù)至關(guān)重要。7結(jié)論
雖然我國的垃圾處理起步較晚，但在政府的高度重視之下，發(fā)展很快。就目前而言，我國現(xiàn)有的城市垃圾堆肥廠采用的技術(shù)較落后，機(jī)械化、自動化程度較低，許多堆肥廠生產(chǎn)的肥料不能達(dá)到農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)，因銷售困難而重新成為垃圾。希望新建的堆肥廠能夠解決分選處理不徹底和有機(jī)廢物發(fā)酵因素控制不科學(xué)等問題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動化操作，生產(chǎn)出高效的有機(jī)復(fù)合肥。
參考文獻(xiàn)：
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