城市垃圾的堆肥化技术

城市垃圾的堆肥化技术随着城市化的发展，城市垃圾的问题越来越引起人们的重视。

世界各国根据各自的国情采用多种技术来处理处置城市垃圾。

其中填埋、焚烧和堆肥是目前国内外普遍采用的处理技术。

焚烧会产生二恶英等有害气体，填埋会产生垃圾渗滤液，解决以上两个问题，技术难度大，运行成本高。

而利用垃圾中的有机成分进行堆肥则是一种资源化的垃圾处理方式。

生活垃圾堆肥处理后，可以达到无害化的要求，并可以将有机物重返大自然，进行资源再利用[1]。

因此不管是从保护环境的角度还是经济的角度，堆肥都具有更广阔的发展前景。

堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，有控制的促进固体废物中可降解有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。

堆肥化制得的产品称为堆肥、根据微生物生长的环境可以将堆肥化分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化两种。

好氧堆肥化是指在有氧存在的状态下，好氧微生物对废物中的有机物进行分解的过程，最终的产物主要是CO2、H2O、热量和腐殖质；厌氧堆肥化是在无氧存在的状态下，厌氧化微生物对废物中的有机物进行分解转化的过程，最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。

通常所说的堆肥化一般是指好氧堆肥化，这是因为厌氧微生物对有机物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，其工艺条件也比较难控制。

近些年，在欧洲一些国家已经对堆肥化的概念进行了统一，定义堆肥化就是“在有控制的条件下，微生物对固体和半固体有机物进行好氧的中温或高温分解，并产生稳定的腐殖质的过程。

1堆肥化技术的发展与应用前景1.1堆肥化技术的发展在现代堆肥化技术的发展过程中也曾经出现过低谷。

例如，20世纪70年代初期，日本采用堆肥化技术处理的生活垃圾量大幅度减少，许多堆肥厂陆续停产倒闭。

其原因是工业化的高速发展将大量的有毒化学物质和高分子塑料带入城市垃圾中，严重影响了堆肥化产品的质量。

美国的堆肥化产品也在相当长一段时期由于小鹿不广而发展缓慢。

随着科学技术的进步和人们对废物资源化要求的逐步提高，城市垃圾的堆肥化又重新受到注目。

针对传统堆肥化技术所存在的问题，相应的技术和设备得到了开发和应用。

破碎及分选技术与设备的改进，在客观上提供了高品质堆肥连续化生产的可能性。

应用了新兴的颗粒肥料生产技术，除在原有技术上最让增加了对杂物的精细分离外，还通过添加必要的肥料成分使之形成统一的产品标准，并最终制作成便于运输和施用的颗粒形状。

这些技术和设备的改进，使得垃圾堆肥的商品化又前进了一大步。

但是，这些设施目前的建设投资与运行费用仍旧较高，在发展中国家推行仍有相当的困难。

进入20世纪90年代后，垃圾的堆肥化处理技术的应用又重新出现回升趋势。

垃圾堆肥技术的应用，注意了从源头分拣，避免垃圾中的有害成分进入堆肥中。

在发酵中又采用了生物发酵技术提高了肥料中的N、P成分，从而保证了堆肥的质量。

1.2我国城市垃圾堆肥处理现状和应用前景我国政府有关部门很重视城市垃圾的堆肥化处理技术。

在国家“六五”、“七五”和“八五”科技攻关计划中，均设立了堆肥化技术和专用设备的研究和开发课题。

我国从80年代起即开始应用“2次发酵工艺”，采取了强制通风、好氧发酵，使1次发酵周期缩短为10 d，堆肥机械日趋完善，生产趋向产业化[2]。

20世纪90年代初，开始着手发展机械化连续堆肥生产技术。

目前，已在北京、上海、杭州等许多城市建立了一批城市垃圾的机械化连续堆肥化设施。

但我国垃圾堆肥处理技术与工业化国家的工业化堆肥技术相比，水平还有一定的差距，这主要表现在：垃圾堆肥生产机械化程度低，堆肥质量不高,因而肥效低，限制了堆肥的使用；大多数采用简易堆肥,在发酵条件控制、2次环境污染防治等方面不尽人意；堆肥工艺大多为间歇式，随着城市垃圾中有机物含量的增高,应发展并采用连续堆肥技术。

城市垃圾堆肥化处理的经济效益主要体现在两个方面：一个是对城市垃圾的销纳作用；另一个是作为肥料或土壤改良剂的作用。

前者由于其可以将城市垃圾直接转化为有机肥料，还原大自然，它不像填埋处理需要占用大量的土地，也不像焚烧那样产生大量尾气，从资源化的角度，可以说是最理想的处理方法。

城市生活垃圾堆肥处理是利用垃圾中的可被生物降解的有机物的处理技术，因此原料垃圾中有机物的比例是其堆肥成功的关键因素之一。

目前我国大城市生活垃圾中有机成分约占总量的60%，无机物约占40%,垃圾源头分类收集，是实现垃圾减量化、资源化和无害化的必由之路。

近年来,欧洲许多国家积极发展有机垃圾厌氧消化系统，广泛应用于屠宰场垃圾、厨余垃圾、农牧业垃圾等有机垃圾的处理。

这是一项新的垃圾生物处理技术，它在在厌氧状态下利用微生物使垃圾中的有机物快速转化为甲烷和二氧化碳，与传统的卫生填埋相比，将厌氧消化过程由几年缩短到30d以内，与好氧堆肥相比,改变了占地大、处理时间长，管理复杂和有气味等问题，厌氧消化处理具有过程可控制、易操作、降解快、生产过程全封闭，产物可计量和再利用等特点。

由于厌氧发酵工艺与好氧工艺相比在处理有机垃圾方面具有这些独特的优势，因而具有广阔的发展前景。

微生物除臭技术是国内外垃圾处理行业的前沿技术，此新技术在国外垃圾处理上已有应用。

相信随着生物技术的不断进步，筛选、培育出更加高效的脱臭微生物菌群将最大限度地减少堆肥过程对环境的污染。

此外，发展多种堆肥原料混合发酵也是垃圾堆肥处理今后的一个发展方向。

城市生活垃圾的C/N比较高,有机物含量低，如果和粪便、下水污泥等混合发酵,就能调整C/N比，有利于发酵的进行，并能提高有机物含量，增加肥效，同时也解决了部分粪便和下水污泥的处理问题。

但在2007年行业报告中，城市生活垃圾堆肥处理继续呈现停滞甚至萎缩的状态。

这些垃圾堆肥厂大多存在二次污染严重、实际处理量很低等现象[16]。

2 堆肥化基本原理及影响因素2.1好氧堆肥的原理及过程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，生活垃圾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，固体和胶体有机物先附着在微生物体外，由微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、还原和生物合成等过程，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须的营养物质，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，继续产生一系列的生化作用。

图1 堆肥的好氧发酵过程图好氧堆肥化从废物堆积到腐熟的微生物生化过程比较复杂,但大致可分为以下三个阶段:(1)中温阶段,亦称升温阶段或产热阶段堆肥初期,堆肥基本呈中温,嗜温性微生物较为活跃,并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖.它们在转换和利用化学能的过程中,有一部分变成热能,由于堆料有良好的保温作用,温度不断上升。

此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽孢细菌。

（2）高温阶段，当堆肥温度升到45℃以上时，即进入高温阶段。

在这阶段，嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。

通常，在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度升到70℃以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。

（3）腐熟阶段，在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。

在此阶段嗜温性微生物又占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。

降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风。

2.2 厌氧堆肥的基本原理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。

在堆肥过程中，有机物的厌氧分解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、醉、二氧化碳、氨、硫化氢磷化氢等，在这一阶段，有机酸大量积累，pH值逐渐随着下降，所以叫做酸性发酵阶段，参与发酵的细菌统称为产酸细菌；在分解后期，由于过程中所产生的氨的中和作用，pH值逐渐上升，另一群统称为甲烷细菌的微生物开始分解有机酸和醇，产物主要是甲烷和二氧化碳。

随着甲烷细菌的繁殖，有机酸迅速分解，pH值迅速上升，这一阶段的分解称为碱性发酵阶段。

2.3 影响好氧堆肥化的主要因素影响好氧堆肥化过程的因素很多，归纳起来主要有以下几个方面。

（1）通风供氧。

通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，也是好氧堆肥成功的重要因素之一。

通风的好坏直接影响到堆肥产品的好坏。

在堆肥过程中，通风有供氧、散热和去除水分的作用[3]。

一般而言，在堆肥初期的3-5d中通风供气的主要目的是满足供氧，使生化反应顺利进行，以达到提高堆层温度之目的。

当堆肥温度上升到峰值以后，供氧量的调节主要以控制温度为主。

在极限情况下，堆层温度可上升至80-90℃,这将严重影响微生物的生长繁殖，因此，必须通过加大供气量，借助水分蒸发带走热量，使堆温下降。

有关研究表明:不同的通风方式对堆肥过程有不同的影响。

在被动通风和强制通风下，堆温下降较快，但它们能更有效地向堆体供氧;而在被动通风和自然通风方式下，堆体中心温度大于55℃的时间较长。

与其它通风方式相比，强制通风易于操作和控制，并且是为堆料生物降解提供氧气的最有效方法，但它对通风管附近的堆料有明显的冷却效应。

（2）有机物含量和营养物。

堆肥化是一个微生物分解有机物的生物化学过程，有机物的含量决定着潜在发热量，直接影响着堆肥温度的变化与通风供氧的要求。

但是，过高的有机物含量又将通风供养带来影响，从而产生臭气和厌氧。

研究表明，堆肥物料中最合适的有机物含量在20%～80%之间[4]。

（3）碳氮比。

C/N是影响堆肥效果的重要因素[5]。

碳是堆肥生化反应的能量来源，是生物发酵的动力和热源，氮素好氧微生物的营养来源，主要用于合成微生物体，是控制生物合成的主要因素，也是反应速度的控制因素。

微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初时物料的C/N比为30:1合乎堆肥需要，其最佳值为(30～35):1之间，成品堆肥的适宜C/N比为(10～20):1[6]。

（4）含水率。

在堆肥过程中，微生物分解有机物和微生物生长繁殖过程中需要一定的水分。

含水率低于30%，微生物在水中摄取营养物质的能力降低，有机物分解缓慢。

当低于12%，微生物的繁殖就会停止；反之，含水率超过65%，水就会充满物料颗粒间的间隙，使空气含量大量减少，其结果是形成发臭的中间产物。

（5）物料粒径。

堆肥原料的颗粒大小与堆肥通气、水分和挥发性物质有直接关系，进而影响堆肥的反应速度以及堆肥时间的长短。