快速堆肥发酵过程及控制讲解

颗粒大小对灭菌的影响
在堆肥过程中形成了大颗粒或者球状物，由于氧气不足， 在这些颗粒内就减少了热的积累，为了保证这些颗粒内 部的病原体完全被破坏，堆肥温度必须传递到颗粒内部。 颗粒越大，传递时间就会越长。
微粒的半径（cm） 到达（T-T0）/（T1-T0）=0.9 所需的时间（h） 1 10 20 50 100 0.1 10 40 250 1000
初期S（0-4d）
13-20:1
Gracilibacillus halotolerans(94.4%)
薄壁芽胞杆 菌
解脲棒杆菌
13-13:2
Corynebacterium urealyticum (95.3%)
堆肥微生物变化
24-45:1 24-45:2 降温期C（1332d） 24-45:3 20-45:1 20-45:2 24-45:1 Sphingobacterium Multivorum(83.4%) Alloiococcus otitis(90.0%) Clostridium fervidus(88.2%) Cl. Filimentosum(85.6%) Alcaligenes sp. NKNTAU(91.4%) Sphingobacterium Multivorum(83.4%) 多食鞘氨醇杆 菌 耳炎差异球菌 热梭菌 梭菌 产碱菌 多食鞘氨醇杆 菌
堆肥必须因地制宜
认识堆肥条件的不可替代性 探索快速堆肥的途径和方法
协调原料配比、温度、水分、翻堆等关系
第三部分：堆肥过程控制
通风控制
通风有三个主要目的： 第一，通风能满足有机质分解的氧气需求（也叫 化学需氧量）； 第二，通风可以除去湿基质之中的水分（称为干 燥需求），当空气被堆肥基质加热以后，可以蒸 发掉水份，使得堆肥物料得到烘干； 第三，通风可以除去有机质分解产生的热量，以 控制过程温度（称为除热需求）。
快速堆肥发酵过程及控制
中国农业大学资源环境学院 李季 教授
目 录
一、堆肥基础 二、快速堆肥及条件 三、堆肥过程控制 四、堆肥产品质量及检验
第一部分：堆肥基础
堆肥含义
堆肥，是指在人工控制下，在一定的水分、
C/N比和通风条件下通过微生物的发酵作用， 将废弃有机物转变为肥料的过程。通过堆肥 化过程，有机物由不稳定状态转变为稳定的 腐殖质物质，其堆肥产品不含病原菌，不含
名称 沙门氏伤寒菌 沙门氏菌属 志贺氏杆菌 大肠杆菌 阿米巴涂 美洲钩虫 流产布鲁氏菌 酿脓链球菌 化脓性细菌 结核分枝杆菌 牛结核杆菌 蛔虫卵 钩虫卵 鞭虫卵 死亡情况 名称 46℃以上不生长；55～60℃，30 分 血吸虫卵 钟内死亡 56℃1 小时内死亡，60℃， 15～ 20 蝇蛆 分钟死亡 55℃，1 小时内死亡 绝大部分，55℃，1 小时死 亡；60℃，15～20 分钟死亡 霍乱产弧菌 炭疽杆菌 死亡情况 53℃，1 天死亡 51-56℃，1 天死亡 65℃，30 天死亡 50-55℃，60 天死亡 55℃，60 天死亡 50℃，15 天死亡 50-60℃，30 天死亡 60℃，30 天死亡 54℃，10 天死亡 51-52℃，10 天死亡 60℃，5 天死亡 55℃，3 天死亡 60℃，4 天死亡 50℃，1 天死亡
第二部分：快速堆肥及条件
堆肥典型时间
方法 堆肥实际时间 范围 传统沤肥 条垛式-翻堆 静态通气堆 转鼓发酵 筒仓发酵 6 个月到 2 年 1-4 个月 3-5 周 3-8 天 1-2 周 典型 1年 2 个月 4周 1-2 个月 1-2 个月 2 个月 2 个月 后熟时间
快速堆肥讨论
什么是快速堆肥？即在满足堆肥产品市场
快速堆肥讨论
快速堆肥的核心： 1、通过协调堆肥过程中养分的降解和保持， 建立有机养分、无机养分之间的平衡； 2、通过微生物分解发热实现自身脱水； 3、建立环境、卫生、工业、农业之间的堆 肥协调途径及方法
堆肥条件
条件 碳氮比(c/n) 水分含量 氧气浓度 颗粒直径(直径以 cm 计) pH 温度(℃) 合理范围 20:1-40:1 40-65% 大于 5% 0.32-1.27 5.5-9.0 43.3-65.5 最佳范围 25:1-30:1 50-60% 远大于 5% 可变* 6.5-8.0 54.4-60
50℃；3 天死亡；71℃，50 分钟内 布氏杆菌 死亡 45℃，50 分钟内死亡 61℃，3 分钟内死亡 54℃，10 分钟内死亡 50℃，10 分钟内死亡 66℃，15～20℃分钟内死亡 67℃， 死亡 55℃，45 分钟内死亡 55～60℃， 5～10 天死亡 50℃；3 天死亡 45℃；60 天死亡 猪丹毒杆菌 猪瘟病毒 口蹄疫病毒 小麦黑穗病菌 稻热病菌 麦蛾卵 二化螟卵 小豆象虫 绕虫卵
污水污泥中消灭病原体所用的时间和温度
灭菌时间（分钟） 微生物 内阿米巴属 蛔虫卵 布鲁氏菌 棒状杆菌 沙门氏菌 埃希氏菌属大肠菌 微球菌 肺结核分支杆菌 病毒 50℃ 5 60 7 60 45 30 60 3 4 4 5 20 20 25 55℃ 60℃ 65℃ 70℃
几种常见病菌与寄生虫的死亡温度
基质能量调节
如果基质没有足够的能量推动堆肥进程，则需要 进行能量调节以达到能量平衡。可采用一种或多 种如下方法：（1）通过控制和降低堆肥过程中 的空气供应以限制干燥；（2）强化脱水以降低 基质含水率；（3）外加能量调理剂。如果通过 减少空气供应量来控制能量平衡，则必须对产品 进行烘干或者加入水分吸收调理剂。 外加能量调理剂是控制能量平衡的较好方法。采 用可降解调理剂调节能量，是初始混合物料调节 的最优选择
次级消费者
初级消费者
有机废弃物
堆肥中的微生物
表 2-1 好氧堆肥期间的微生物群体 微生物 升温阶段 高温阶段 降温阶段 （70℃到冷 却） 嗜温细菌 喜温细菌 喜温放线 菌 嗜温霉菌 喜温霉菌 106 103 103 107 105 106 18 16 108 104 104 106 109 108 1011 107 105 6 1 14 物种检验数量 （堆温＜40℃） （40—70℃）
堆肥微生物变化
堆肥阶段 微生物类型 4-4:1 4-9:1 4-4:2 4-13:1 4-13:1 4-9:2 13-13:1 高温期T (4-13d) 拉丁名（相似性） Leuconostoc paramesenteroides(97.4%) Pediococcus acidilactici(98.2%) Staphylococcus piscifermentans(99.1%) Bacillus badius(99.3%) Bacillus badius(99.3%) Bacillus sp.(99.1%) Virdibacillus proomii(94.7%) 中文名 类肠膜明串珠 菌 乳酸片球菌 葡萄球菌 栗褐芽胞杆菌 栗褐芽胞杆 菌 芽胞杆菌属 枝芽胞杆菌
氧气
堆肥过程中，微生物利用碳源，消耗氧气，产 生二氧化碳。如果没有充足的氧气，堆肥过程 将会变成厌氧发酵，产生难闻的气味，包括 H2S气体的臭鸡蛋气味。
那么，对于好氧堆肥，氧气供应量应该是多少 才算是充足呢？尽管空气中氧气含量占到21%， 但是好氧微生物在氧气浓度为5%时就可以存 活。氧气浓度高于10%被认为是好氧堆肥的最 适条件。
需求及环境卫生标准前提下，采用生物接 种、配方优化、条件控制、设备创新等综 合措施使一次堆肥时间缩短到1到2周，二
次堆肥缩短到2-3周的堆肥工艺。
为何快速堆肥
成本问题 每天堆肥成本
养分损失 特别是氮素损失
堆肥成本
燃料动力 原材料 工资 包装 折旧 维修 管理 合计
典型堆肥厂成本分析
16.07 129.28 6.5 40 10.76 4.87 7.82 215.30
杂草种子，而且无臭无蝇，可以安全处理和
保存，是一种良好的土壤改良剂和有机肥料。
堆肥基本特点
热
水 有机质 矿物质 水 微生物 原料
有机质 矿物质 水 微生物 堆肥产品
堆肥生物链
蜈蚣、捕食螨、 甲虫、蚂蚁等
第三消费者
]跳虫、一些螨、 羽毛翼甲虫、线 虫、原生动物等 细菌、真菌、放线 菌、线虫、一些螨、 蜗牛、蚯蚓等 畜禽粪便、树叶、 草枝、食品垃圾 等
单位：个数/每克湿堆肥
堆ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ微生物变化
高温好氧堆肥过程中微生物的数量变化规律
4d 4-4:1 ++ 9d 13d 20d 24d 28d 32d 38d 43d 45d
4-4:2
++
++ ++ + + +++ + ++
S
4-9:1 4-13:1 4-9:2
13-13:1
++
++ ++ + + + + + + + +
24-45:2
24-45:3 腐熟期M （32-45d） 20-45:1 20-45:2 43-45:1
Alloiococcus otitis(90.0%)
Clostridium fervidus(88.2%) Cl. Filimentosum(85.6%) Alcaligenes sp. NKNTAU(91.4%) Arthrobacter sp. (86.4%)
*依特定的物料、堆体大小和天气条件而变。
生物可降解性
某些有机基质的可降解性 基质 降解性（挥发性固体比例%）
垃圾（总有机组份） 43-54 庭园修剪废弃物 鸡粪 牛粪 垃圾 66 68 28 66
碳源及能量
堆肥过程中通常期望湿基质水分能不断蒸发以获得相对 干燥的堆肥产品。与干基质相比，湿基质堆肥水分蒸发 负担较大，所以湿基质提供的能量就至为重要，因为需 大量能量来支持蒸发。
堆肥无害化
第一，堆肥的本质是微生物利用基质养料生长、繁殖，并 释放能量、带走水分的过程，是一种依靠自然力的生态降 解过程。 第二、堆肥微生物的作用必须建立在其适宜的基质、能量 和环境条件上。
第三、只要堆肥正常，就可以完全破坏专性寄生的病原体， 也可以把指示细菌和非专性寄生细菌病原体减少到很低的 水平，达到无害化的程度。
T
13-13:2 13-20:1 20-45:1
20-45:2
+
++
++ + +
++
+ + ++
++
+ ++ ++
++
+ + ++
++
+ + ++ +
++
++ + ++ ++
C
24-45:2 24-45:3 24-45:1 43-45:1
M 注：+++，strong；++，substantial；+，recognizable；no mark，not recognized.
出自：Brinton,1998
环境影响
堆肥过程 最少人为干预 条垛系统 （堆肥前后变化量%） 55 12 28,744 73 22 223 强制通风系统
体积减少 挥发性固体 平均甲烷释放 排放量（ppmv）
55 15 3
ppmv(单位体积的百万分率)
快速堆肥讨论
快速堆肥的可行性：
1、密闭环境，保温 2、翻堆次数多 3、接种有效微生物 4、有除臭措施 5、仅生产有机物料 6、堆肥产品进一步生产复合肥，并通过高温、 制粒等步骤实现后续处理 7、建立有关指标的监测制度
单位:元/吨
养分损失
处理 第120天的牛粪堆肥 不翻堆 用铲斗装载机翻堆 每两周翻1次 每周翻2次 第150天的家禽堆肥 不翻堆 用铲斗装载机翻堆 每两周翻1次 每周翻2次 有机质损失（%） 70 78 73 80 全氮损失（%） 51 60 53 64
75 79 79 88
72 76 78 86
粒径
在相同体积或质量的情况下，小颗粒要比大颗粒有更 大的表面积。所以如果供氧充足，小颗粒将降解的更 快一些。实验证明将堆肥物质加以粉碎，可以将降解 率提高2倍，科学家提出一个推荐的粒径值为1.3-7.6 毫米，这个区间的下限适用于通风或连续翻堆的堆肥 系统，上限为静态堆垛或其他静态通风堆肥系统。
堆肥工艺优化
耳炎差异球菌
热梭菌 梭菌 产碱菌 节杆菌属
堆肥热力学过程
在堆肥过程中实际释放的热量取决于有机物真正降解的程 度，或混合物中不同成分比例。例如，脂肪比蛋白质或者 碳水化合物更能被降解，因为脂类热值就高。
热灭活动力学
美国环保署要求热失活的最低温度为50℃。 根据Brannen等人的研究结果，在55℃时加热7分钟和在 50℃时加热60分钟，蛔虫卵基本消失，但是在47℃时加热 2个小时蛔虫卵就不被破坏。 为保证能彻底消灭蛔虫卵，处理温度就应该明显超过阈限 温度。因此，选定最低温度为50℃，这样就能大大减少蛔 虫卵的浓度。