高温堆肥及质量标准

5 粒度(granularity)
• 在堆肥化过程中，物料的粒度影响其体密度、内 部摩擦力和流动性。足够小的粒度可以增加废物 与微生物及空间的接触面积，加快生物化学反应 速率；粒度太小容易造成厌氧。 • 对静态堆肥，粒度可适当增大，以起到支撑结构 的作用，增加空隙率，有利于通风。
6 碳氮比(C／N) (carbonnitrogen ratio)
• 堆肥农业效用
一 概述


人类在长期的生产实践中早已懂得利用秸杆、落叶、野草 和禽畜粪便堆积发酵以制取肥料，但都是采用传统的手工 操作和自然堆积方式，依靠自发的生物转化作用，所以存 在发酵周期长，处理能力低，有机物分解不完全，所得的 肥料质量差等等问题。 到20世纪20年代，出现了机械化堆肥技术，并逐渐发展成 为处理生活垃圾、污水污泥、人禽畜粪便以及农业固体废 物的重要方法之一。
定义 分类
1 定义
• 堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，在控制条 件下使来自生物的有机废物降解转化为稳定腐殖质 的生物化学过程。 堆肥化得到的产品称为堆肥，由于它是一种腐殖质 含量很高的呈疏松状态的物质，故也称为腐殖土， 有机固体废物经堆肥化后，体积只有原体积的50～ 70％。
2 分类
• 细胞质的分解反应(decomposition reaction)
三 堆肥原料及堆肥微生物

堆肥原料 堆肥微生物(microorganism)
1 堆肥原料
生活垃圾、有机污泥、人畜禽粪便以及农林废物等都含 有堆肥微生物所需要的碳水化合物、脂肪、蛋白质等各 种基质，因此这些有机废物是常用的堆肥原料。

潜伏阶段 中温阶段 高温阶段 熟化阶段
1 潜伏阶段(温度在内25℃以下)
• 堆肥化的初期阶段； • 微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。
2 中温阶段(温度25～45℃)
• 嗜温菌最活跃，主要利用物料中可溶解性的有机 物，如糖类、淀粉，大量繁殖，在转换和利用化 学能的过程中释放出细胞合成所需的多余能量， 加上物料的保温作用，使温度不断上升。 • 以细菌、真菌和放线菌为主的微生物在此阶段迅 速繁殖。
1 堆肥原料
• 生活垃圾
• 含有较多的不可堆腐的惰性物质，因此必须进行预处理，去除这些惰性物 后才能作为堆肥原料。
• 有机污泥
• 通常富含有微生物生活繁殖所需的营养成分，是堆肥的良好原料。
• 人、畜、禽粪便
• 一般颗粒较小，含有大量的低分子化合物，即人和动物未能吸收消化的中 间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。
固体废物的处理与处置
(Treatment & Disposal of Solid Wastes)
固体废物的生物处理


沼气发酵 高温堆肥（好氧堆肥）Composting
堆肥化(composting)
• 好氧堆肥原理
• 堆肥原料及堆肥微生物 • 堆肥化过程 • 好氧堆肥工艺 • 堆肥化的影响因素
• 堆肥质量
• C／N是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。 • 初始物料的C／N比为30：1，最佳值26／1～35／1 之间。 • 成品堆肥的适宜C／N在10／1～20／1之间。
• C／N过低，菌体衰老和自溶，氮源浪费和酶产量下降，余 氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境； • C／N过高，则氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的 限制，导致有机物分解速率降低，施入土壤中，将夺取土 壤中的氮素，陷入“氮饥饿”状态。
堆肥化系统的分类方法有多种 按堆制方式分类：
间歇堆积法(Intermittent stacking) 连续堆积法(Double tower circulating reactor)
按原料状态：
静态发酵法(Static fermentation) 动态发酵法(Dynamic fermentation)

供氧量计算
2 含水率(water content)
• 由于水是溶解废物中有机物和营养物质以及合成微生 物细胞质必不可少的物质，因此，要求堆肥物料中含 有足够的水分； • 若含水率过高超过70% ，温度难以上升，有机物分解 速率低，水会阻碍空气流通，造成缺氧； • 若水分过少，当含水率<20％时，微生物将停止繁殖。
实际上，堆肥化的好氧和厌氧是相对的，在好氧过 程中，由于原料颗粒较大且不均匀，不可避免存在 厌氧发酵过程；反之，由于密封不严，厌氧过程中 也会有好氧菌的作用。
二 好氧堆肥原理

概述

有机物的生物化学反应
1 概述
好氧堆肥是以好氧菌为主的微生物对有机废物进行吸收、氧化、 分解的复杂生物化学反应过程。在堆肥过程中，好氧菌通过自身 的生命活动，以废物中的有机物为养料，将其一部分氧化分解成 简单的无机物并释放出微生物生长所需的能量，将其另一部分合 成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖。 有机废物的好氧分解过程很复杂，可以下列通式表示：
• 农林废物
• 均富含碳素 • 但有的农林废物因含有难于分解的纤维素、半纤维素、果胶、木质素和植 物腊等物质，难以被微生物分解。 • 有的农林废物因表面布有众多疏水性毛孔，使微生物的分解作用十分缓慢 • 因此这些农林废物均需进行预处理后才能用于生产堆肥。
2 堆肥微生物
•
好氧堆肥过程中，参与有机生化降解的微生物有嗜温菌和嗜热 菌两种。 最低℃ 适宜℃ 最高℃ 43
7 C／P(碳磷比)(c:p ratio)
• 堆肥过程中C／P的变化是微生物分解有机物的 重要标志，堆肥原料的C／P应控制在75～150。 • 堆肥原料的C／P一般高于此值，排水污泥的C／ P低，可用来作为堆肥原料配料时的调整剂，调 整堆肥原料的C／P比。
8 Байду номын сангаасH值
• 在堆肥化过程中，pH值随着温度及时间的变化而变化, 其变化情况和温度的变化是一样的，也反映了有机物 分解的进程。 • 在堆肥初期，由于有机酸的产生，pH值可降至5以下 。随着有机酸的逐步分解，pH值逐渐上升，发酵完成 前可达到8.5～9.0; • 最终成品的pH=7～8。
五 好氧堆肥工艺

好氧堆肥工艺 发酵工艺及装置
1 好氧堆肥工艺
野外人工堆肥和工厂化机械堆肥。


野外人工堆肥是在传统的农家堆肥的基础上发展起来 的，操作简单，费用低廉，许多国家都有应用。该方 法对通气、水分、温度等条件不易控制。这种好气堆 肥工艺适用于分散的农家堆肥。 工厂化机械堆肥技术是由市政管理部门集中城市垃圾 实施社会化堆肥的快速方法。经过加工与材料回收后 的垃圾集中于堆肥工厂，在发酵池中采用机械搅拌与 强制通风的方法使之快速发酵。 包括发酵、熟化、加工与贮存。
温度(termperature) 有机物含量(organic content) 粒度(granularity) 碳氮比（C/N）(carbonnitrogen ratio) 碳磷比（C/P）(c:p ratio) pH值
1 通风和耗氧速率 (aeration and oxygen consumption rate)
高温阶段，嗜热性微生物的活性，可细分为对数增 长期、减速增长期和内源呼吸期三个亚阶段，即三 个时期。
4 腐熟阶段(温度为40—20℃)
• 在内源呼吸期，微生物活性下降，发热量减少，温度逐 渐下降至中温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部 分为难降解物质，腐殖质大量形成。 • 在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动，进一步 分解残留有机物，腐质不断增多，且趋于“稳定”，堆 肥便进入腐熟阶段。
• 堆层中氧的浓度和耗氧速率反应了堆肥过程中微生物活动的强 弱和有机物的分解程度。 • 堆肥过程适宜的氧体积浓度为14～17％，最低不得<10％，一 旦低于此限，好氧发酵将会停止。 • 由于氧气转变为当量的CO2，因此，也可用CO2的生成速率来 表征堆肥的耗氧速率; • 适宜的CO2体积浓度为3～6％。
• 原料预处理(preliminary treatment)： 分选、破碎、含水率和C／N比调整。 • 原料发酵(ferment)：目前推广二次发酵方式。
• 一次发酵（主发酵）： 好氧堆肥的中温和高温两个阶段中的微生物代谢过程 • 二次发酵（后发酵）： 一次发酵后，尚存在有一部分易分解和大量难分解的有机物， 需将其送入后发酵室进行二次发酵，使之腐熟。
（2）厌氧堆肥(anaerobic composting)
• 在无氧条件下，厌氧微生物对有机物分解转化的过程 • 厌氧堆肥的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。 • 厌氧堆肥过程中，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低， 工艺较简单，成本低，对原料的适应性强，成品肥中氮 素保留较多，但工艺条件较难控制，堆肥周期长，有机 物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，有机物 分解不完全，产品质量低，肥效差。
按微生物的生长环境：
好氧堆肥(aerobic composting) 厌氧堆肥(anaerobic composting)
（1）好氧堆肥(aerobic composting)
• 在有氧状态下，好氧微生物对有机废物分解转化的过程
• 最终产物主要是H2O、CO2、热量和腐殖质。 • 好氧堆肥主要用于处理城市垃圾，堆肥系统的温度一般 为50～65℃，最高可达70℃以上，堆肥周期短，能连续 操作，也称为高温快速堆肥； • 好氧堆肥的肥料质量好，可以制作有机颗粒肥料。 • 不足之处：需要对原料进行比较严格的分选,需要强制通 风和机械搅拌,对设备要求高，运行能耗大，投资大。
3 温度(temperature)
初期与环境温度一致 堆温上升，加速分解消化，杀灭虫卵、致 病菌以及杂草籽，安全用于农田。
4 有机物含量(organic content)
• 有机物含量太低不能提供足够的能量，影响嗜热菌增 殖，难以维持高温发酵过程。 • 有机物含量太高则堆肥过程中要求大量供氧，实际生 产过程中常因供氧不足而发生部分厌氧过程，影响堆 肥的腐熟度，即堆肥质量。 • 适宜的有机物含量为20～80％。
有机物＋O2 微生物 细胞质＋CO2＋H 2O＋NH 3＋SO4 ＋ ＋抗性有机物＋热量
－2
2 有机物的生物化学反应
根据微生物在降解有机物过程中的行为，有机物的生物化学 反应有以下三种：
• 有机物的氧化反应(oxidizing reaction)
• 细胞质的合成反应(synthetic reaction)
4 腐熟阶段(温度为40—20℃)
• 生物分解过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌的作 用转化为硝酸盐，其反应式为：
C H NO2 22NH 4 37O2 4CH 2 HCO3 21NO3 5 7 20H 2 O 42H （细胞质）
• 由于硝化细菌生长缓慢，只有在低于40℃的温度下才有 活性，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始 进行。氮在转化为硝酸盐后才能被植物吸收。因此熟化 阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。
嗜温菌 15—25 15—40 (mesophilic bacteria) 嗜热菌 25—45 40—50 (thermophilic bacteria)
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起重要作用的微生物是细菌和真菌。
四 堆肥化过程(composting process)

堆肥化过程中发生的生物化 学反应是极其复杂的，目前 尚难进行精确的描述。在实 际设计和操作过程中，通常 根据温度的变化情况分为以 下四个阶段(见右图)。
五 堆肥化的影响因素
影响堆肥化效果的因素很多，为了创造更好的 微生物生长繁殖和有机物分解的条件，在堆肥化 过程中必须控制以下主要因素。
堆肥化的影响因素

通风和耗氧速率(aeration and oxygen consumption rate)


含水率(water content )
3 高温阶段(温度>45℃)
• 废物堆积开始发酵一周左右，堆温可达65～70℃。嗜温菌受到抑制或 死亡，嗜热菌大量繁殖。 • 最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物 继续分解外，其它固体有机物(纤维素、半纤维素、本质素、蛋白质 等)也开始强烈分解。 50℃，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。 60℃，真菌不适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍在活动。 70℃以上，大多数微生物其谢活动受到抑制，死亡或休眠 • 高温阶段，微生物经历三个时期的变化后，堆肥开始形成腐殖质，逐 步进入稳定状态。