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生物有机肥的简易堆制生产技术(二)规模化高温好氧堆肥技
[ 日期:2016-03-23]   阅读:次 ]
 生物有机肥的简易堆制生产技术(二)规模化高温好氧堆肥技
   随着规模化养殖场和城市污水处理厂的大量兴建,由此产生的有机废弃物数量日益庞大,而且高度集中,农村常见的简易堆积方式已不能采用,因为它们堆肥时间长,处理容量小,而且不适合机械化操作。而规模化高温好氧堆肥技术以其腐熟时间短、处理容量大、机械化或自动化程度高,而得到高度重视和推广应用。
(一)堆肥类型
   堆肥分类方法很多。按堆制过程中是否需氧而分为好氧堆肥和厌氧堆肥;按原料发酵所处状态可分为发酵仓式堆肥和无发酵仓式堆肥;无发酵仓式好氧堆肥系统又分为露天条垛式翻堆供氧堆肥法和固定堆强制通风堆肥法两种。
   好氧堆肥化是在通风条件下,有游离氧存在时进行的分解发酵过程。好氧堆肥温度高,一般在55℃以上,可维持5~11d,极限可达80℃以上,也称高温堆肥法。由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等优点,在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。下面介绍目前国内外两类主要的好氧堆肥系统。
   1.无发酵仓式堆肥系统物料通常堆制成条垛式,依据堆料供氧方式,无发酵仓式堆肥系统又可分为搅拌(翻堆)式堆肥床和固定堆式堆肥床两种堆肥方式。
搅拌式堆肥的主要特点是采用定期翻堆,使物料均匀,并提供充足氧气,有时还考虑强制通气(常采用抽气方式进行)。翻堆作业通常采用翻堆机械进行。固定堆式堆肥基本不进行翻堆,其供氧方式主要有两种:一是采用自然通气方式进行堆肥,在堆肥场地开有通气沟,并在垂直方向设有通气管(也可用各种秸秆捆绑成束作为通气之用),生物发酵所需要的氧气完全靠自然通风;二是采用强制通风供氧方式进行堆肥,也称固定堆强制通风堆肥法,肥堆的供氧利用鼓风机或空气压缩机强行鼓风进行,也可采用抽风方式进行。吹风或抽风可用定时器或在肥堆内安置的温度或氧气浓度自动反馈装置来间断性供氧,在一些大型堆肥厂可采用计算机控制堆肥。自然通风堆肥腐熟时间通常较长,而固定堆强制通风堆肥法则比较快,在3~5周内能使肥堆完全腐熟。
无发酵仓式堆肥系统的特点是基建投资少;工艺简单;操作简便易行;处理容量大。缺点是由于是敞开式堆肥,在冬季低温条件下,肥堆不易升温和保温;通常占地较大;堆肥时间比发酵仓式堆肥要长。
   2.发酵仓式堆肥系统堆肥在发酵装置内进行。发酵仓系统可分为立式发酵:塔和卧式、槽式发酵装置等两类。立式堆肥发酵塔通常由5~8层组成,堆肥物料由塔顶进入塔内,在塔内堆肥物通过不同形式的机械运动,由塔顶一层层地向塔底移动。一般经过5~8d的好氧发酵,堆肥物即由塔顶移动至塔底而完成一次发酵。立式堆肥发酵塔通常为密闭结构,塔内温度分布从上层到下层逐渐升高,塔式装置的供氧通常以风机强制通风。卧式堆肥发酵滚筒(达诺式Danot),该发酵滚筒在水平方向上呈倾斜放置,直径为2.5一4.5m,长20一40m,强制供气。在该装置中废弃物靠与简体内表面的摩擦沿旋转方向提升(转速为0.1—3r·min-1),同时借助自身重量落下。通过如此反复升落,废物被均匀地翻倒与供人的空气接触,并通过微生物的作用进行发酵。经1~5d发酵后排出,条垛放置熟化。
筒仓式堆肥发酵仓为单层圆筒状,发酵仓深度一般为4~5m,大多采用钢筋混凝土构成。发酵仓内供氧均采用高压离心风机强制供气,以维持仓内堆肥好氧发酵。空气从仓底进入发酵仓,堆肥原料由仓顶加入,经过6~12d的好氧发酵,初步腐熟的堆肥从仓底通过出料机出料。
   此外还有箱式堆肥发酵池,吊车翻倒式发酵池,卧式浆叶发酵池,卧式刮板发酵池等。发酵仓式堆肥系统不受气候影响,能有效控制二次污染,发酵时间快,占地面积少。缺点是基建投资大,运行成本较高。
(二)堆肥的基本原理及微生物学过程
   基本原理好氧堆肥是在有氧条件下,好氧微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程,将一部分有机物分解氧化成简单的无机物,从中获得微生物新陈代谢所需要的能量,同时将一部分有机物转化合成新的细胞物质的过程(图9—4)。
   堆肥的结果是废弃物中有机物向稳定化程度较高的腐殖质方向转化,腐殖质的形成十分复杂,其生物学过程示意如下(图9—5)。
   需要指出的是,腐殖质形成非常缓慢,在有限的堆肥时间内不可能形成大量腐殖质,但采用各种光谱分析发现,堆肥有机物结构芳构化程度明显有所提高。
   2.微生物学过程好氧堆肥的微生物学过程可大致分为如下3个阶段,每个阶段都有其独特的微生物类群。
    (1)产热阶段。堆肥初期(通常在1~2d),肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源,迅速增殖,并释放出热能,使肥堆温度不断上升。此阶段温度在室温至50℃范围内,微生物以中温、需氧型为主,包括细菌、放线菌和真菌,通常是以一些无芽孢细菌和霉菌等为主。其中细菌主要利用水溶性单糖等,放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊的功能。
    (2)高温阶段。当肥堆温度上升到50℃以上时,即进入高温阶段。通常从堆积发酵开始,只需3d时间肥堆温度便能迅速地升高到55℃,1周内堆温可达到最高值(最高温可达80℃)。此时,嗜温性微生物受到抑制,嗜热性微生物逐渐取而代之。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外,半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。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,仅有嗜热性放线菌和细菌活动;温度上升到70℃以上时,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。此时,产生的热量减少,堆温自动下降。当堆温降至70℃以下—时,处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动,继续分解难分解的有机物,热量又增加,堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用,在此阶段堆月巴内开始了腐殖质的形成过程,并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。C/N明显下降,肥堆高度随之降低。通过高温能有效杀灭有机废弃物中病原物。按我国高温堆肥卫生标准(GB7959—87),要求堆肥最高温度达50~55℃或55℃以上,持续5~7 d。
表27 列举了常见病原物致死的温度和时间

病原物
温度/℃
时间/min
沙门氏伤寒菌
55~60
30
沙门氏菌
55
60
志贺氏杆菌
55
60
内阿米巴溶组织的孢子
45
很短
绦虫
55
很短
螺旋状的毛线虫幼虫
55
很快
微球菌属化脓菌
50
10
链球菌属化脓菌
54
10
结核分枝杆菌
66
15~20
蛔虫卵
50
60
埃希氏杆菌
55
60

    (3)腐熟阶段。在高温阶段末期,只剩下部分较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。此时嗜温性微生物再占优势,对残留较难分解的有机物作进一步分解,腐殖质不断增多且趋于稳定化,此时堆肥进入腐熟阶段。降温后,需氧量大量减少,肥堆空隙增大,氧扩散能力增强,此时只需自然通风。在强制通风堆肥中常见的后熟处理,即是将通气堆翻堆一次后,停止通气,让其腐熟。
(三)工艺流程
   (1)搅拌(翻堆)条垛式发酵工艺。物料以垛状堆置,可以排列成多条平行的条垛,条垛的断面形状通常为三角形或梯形,一般条垛的宽度为4~6m,高1.5~2.0m,长度则视堆肥规模和场地条件而定。
对于湿度较高的有机物,如城市污泥、畜禽粪便等在堆置前必须与干燥的蓬松剂或调理剂混合,使其混合后堆料的含水率为55%~65%。蓬松剂可采用各种农业秸秆、稻壳、木屑、树皮、甘蔗渣和干燥的回流堆肥产物等。其发酵工艺流程见图9—6。
通常在堆置后每4~7d可翻堆一次,3周后可停止翻堆,让其后熟。
   对于垃圾堆肥,堆肥前必须进行前处理,主要是对垃圾分选,去除粗大的无机物,回收各种金属、玻璃、塑料等,提高物料中可堆肥物质的比例。在前处理中有时需要对垃圾进行破碎处理,调整垃圾的粒度,适宜的粒度范围是12~60mm。破碎与筛分可使原料的表面积增大,便于微生物繁殖,提高发酵速度。垃圾堆肥通常不需要加调理剂和蓬松剂。只要水分含量适宜,有机物含量达20%以上,通常便可以单独堆肥。
   (2)强制通风式固定垛发酵工艺。该工艺与前者不同之处就在于物料在堆肥过程中不需要翻堆,氧气的供应是通过机械鼓风或抽风方式来提供,该工艺在污泥堆肥中应用非常普遍,其流程如图9—7所示。
具体做法为:①将脱水污泥与蓬松剂混合,体积比可为1:1、1:2或1:3;②在堆肥场地上铺设小木块或蓬松剂约20cm;⑧在上述基础上,将污泥与蓬松剂的混合物堆成高,1.5—2m的垛;④将垛的表面覆盖一层过筛后的堆肥产物(厚约20 cm);⑤将鼓风机或抽风机与通风管道连接,肥堆堆置2d后开始通风,通风频率可以采用肥堆温度或氧气反馈装置自动调节,例如,在温度低于45℃时,风机开始工作,提供氧气,促进微生物的活动;当温度处于45~70℃时,风机停止工作;当温度高于70℃时,风机再度工作,以降低肥堆的温度。也可以通过定时器控制风机的工作,如可每隔3h通风15~30min;⑥若采用抽风方式,风机出来的气体通常先通过腐熟后的堆肥过滤脱臭,再排人大气;⑦通常堆肥3周后,肥堆翻堆一次,并停止通风,让其后熟,若需要得到高度腐熟的堆肥,后熟时间最好为30d以上;⑧堆腐后的物料通常需要干燥,可以采用自然露天晾干的方法,也可以重新将鼓风机开启,保持大风量来驱逐水分;⑨若堆肥中的蓬松剂{如小木块}需要循环利用,还必须对堆肥进行筛分;⑩在堆肥过程中注意监测肥堆的水分状况,如果太干,要在眼堆上浇水,或结合翻堆时加水。
   (3)发酵仓式城市垃圾堆肥法。现代化的城市垃圾堆肥法通常由预处理(包括分选、破碎、含水率和C/N的调整等)、一次发酵(也称主发酵,指从发酵初期开始,经中温、高温然后到达温度开始下降的整个过程,一般为10~12 d)、二次发酵(也称后发酵,指堆肥经过高温阶段,温度开始下降直至温度稳定35~40℃,达到腐熟的阶段,一般需3~4周)、后处理(包括去除杂质和进行必要的破碎处理)、脱臭及贮存等工序组成。主发酵一般在发酵仓内(如多层立式发酵塔、筒仓式发酵仓或卧式发酵滚筒等)进行,时间通常控制在4~12d不等。通过一次发酵后的出料进入后发酵室,后发酵可以在专设的仓内进行,但通常把物料堆积到1~2m高度,进行敞开式后发酵,此时要有防止雨水的设施。为提高后发酵效率,有时仍需要进行翻堆或通风。后发酵时间的长短,决定于堆肥的使用情况。后发酵时间通常控制在 20~30d之间。
(四)参数的调控
   1.有机质的含量有机质含量高低影响堆料温度和通风供氧。有机质含量过低,.分解产生的热量不足以促进和维持堆肥中嗜热性细菌的增殖,肥堆难于达到高温阶段,影响堆肥的卫生无害化效果。而且,由于有机质含量低,将影响堆肥产品的肥效和使用价值。有机质含量过高,则需要大量供氧,这会给通风供氧造成实际困难,有可能因供氧不足,造成部分嫌气条件。适宜的有机物含量为20%~80%。
   2.通风量与通风频率通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一,前期应以好气为主,利于矿质化过程;后期应停止供氧,利用腐殖化过程,减少有机质和已,形成腐殖质的消耗和氮素损失。通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度、可降解系数等。通风除了供氧以外,还可以起调节堆温和干燥堆料的作用。过小的通风量不足以提供给微生物充足的氧气,影响堆肥温度的升高,过大的通风量则有可能使肥堆的热量散失,影响堆肥无害化程度。通常强制通风可取的经验数据为每分钟0.05—0.2m3·m-3堆料。
   3.水分水分是否合适直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度。对污泥堆肥而言,堆料合适的水分含量为55%~65%。在实际操作中,简便的测定方法为:以手紧握物料能成团,有水迹出现,但水不滴出为宜。垃圾堆肥最合适的水分为55%。
   4.C/N在堆肥化中,有机C主要作为微生物的能源物质,大部分有机C在微生物代谢过程中氧化分解变成CO,而挥发,部分C则构成微生物自身的细胞物质。氮主要消耗在原生质合成之中,就微生物对营养的需要而言,最合适的C/N在 4~30之间。当有机物C/N在10左右时,有机物被微生物分解速度最大。随着C/N增加,堆肥时间相对延长。据文献报道,当原料的C/N为20、30~50及78时,其对应所需的堆肥时间分别为9、12 d、10—19d及21d,但当C/N大于80:1时,堆肥就难于进行。
各堆肥原料的C/N通常为:锯末屑300~l 000、秸秆70~100、垃圾50~80、人粪6~10、牛粪8~26、猪粪7~15、鸡粪5~10、下水污泥8~15为宜。
堆腐后C/N将明显下降,通常在10~20:1,这种C/N的腐熟堆肥,农业利用肥效较好。若成品堆肥的C/N过高,农业利用时就可能造成微生物和植物争夺氮素养分,使农作物可利用氮减少,影响农作物的生长发育。
   5.pH值微生物可在较大的pH值范围内繁殖,合适的pH值为6~8。固体废弃物堆肥时通常不需要调整pH值。但pH值过高或过低的堆料则需要先在露天堆积一定时间或掺人其他堆肥或物料以降低或增加pH值。
(五)堆肥腐熟度的评判与质量控制
   堆肥的腐熟度是指堆肥的稳定化程度,它是评价堆肥质量的最重要参数之一。由于堆肥原料和所采用的工艺不同,堆肥过程中一些物理、化学和生物参数的变化趋势虽有某些相同之处,但变化的绝对或相对数值常务有区别。因此,堆肥腐熟度的评价很难用单个指标来衡量,往往需要各种指标进行综合评价与判断。这些指标包括外观变化、温度等工艺参数的变化、化学参数、生物学参数以及光谱学变化特征等,常用的主要为前4类。
    1.外观变化直观定性判断标准是堆肥不再进行激烈的分解,成品温度较低;外观呈茶褐色或黑色;结构疏松;没有恶臭。
    2.工艺参数作为判断标准
     (1)堆温的变化。对于无发酵仓式堆肥,堆温的变化有良好的指示功能。通常肥堆经过了高温阶段后,温度将逐渐下降。当堆肥达到腐熟时,堆温将低于40℃。但对于发酵仓式堆肥,堆温的指示功能不如无发酵仓式堆肥。因为密封仓保温性好,堆层容积大,在堆肥实际上已稳定化时的温度仍可能较高。
     (2)耗氧速率。耗氧速率是指单位时间内氧在气体中体积百分浓度减少值,可用0.02 △ O2%/min表示。在堆肥过程中氧的消耗或CO2的产生速率标志了有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度。由于耗氧速率数据测定受原料成分的影响较小,只要在堆层中氧供应充分,耗氧速率的数据就比较稳定可靠。从堆积至腐熟过程中,耗氧速率曲线表明其变化由低至高再下降,然后趋于稳定,当堆肥稳定时,相对耗氧速率基本稳定在0.02 △ O2%/min左右。
   3.化学指标
     (1)有机质和挥发性固体含量的变化。随着堆肥的进行,堆肥有机质和挥发性固体含量呈持续下降的趋势,最后达到基本稳定。达到腐熟时,可下降15%~30%。然而这种变化趋势受原料来源的影响很大。仅用其来衡量堆肥是否腐熟,还不充分。
     (2)氮、C/N及无机氮形态的变化。在堆肥过程中部分有机碳将被氧化成CO2挥发损失,肥堆质量减少。由于氮的损失(主要是在有机氮的氨化阶段,少量的氨氮会挥发损失)远低于有机碳的损失,因此,堆肥腐熟后,堆肥中全氮含量有上升的趋势,而C/N持续下降,直至稳定。一些研究指出,当堆料的C/N从25~35:1下降至20:1以下时,肥堆将达到稳定。
堆肥过程中无机氮形态将会发生明显的变化。氨态氮在很短的时间内迅速增高,随后大幅度下降,而硝酸盐则从开始起持续升高。
同样,上述指标由于受原料来源和工艺条件的影响较大,不能作为评价堆肥腐熟度的惟一指标。
     (3)水溶性有机碳及水溶性有机碳与有机氮之比。在堆肥过程中,堆肥水浸提液中水溶性有机碳的变化比堆料固体有机碳的变化要明显得多。研究发现,当堆肥腐熟时,水溶性有机碳可下降50%以上。浸提液中有机氮也有类似的规律,但降幅远没有水溶性有机碳大。近年来发现,水溶性有机碳与水溶性有机氮的比值是堆肥腐熟的良好化学指标,该值为5~6时表明堆肥已经腐熟,而且该值与堆肥原料无关。
   4,生物学指标通常采用堆肥水浸提液对种子萌发的影响或堆肥对幼苗生长的影响来作为生物指标衡量堆肥的稳定程度。当堆肥没有达到稳定时,堆肥的水浸提液具有一定的植物毒性,会妨碍种子的萌发和根的伸长。种子萌发实验的时间一般为24 h,它是评价堆肥稳定化程度最直接的指标之一。实验用的种子包括水芹、胡萝卜、芥菜、白菜、小麦、番茄等,目前国际上应用最多的是水芹(cress)种子,它对环境的敏感性高、发芽快。种子萌发实验的结果一般用种子发芽指数来表示(%):
种子发芽指数=(堆肥浸提液处理种子的发芽率X处理种子的根长)÷[(去离子水处理种子的发芽率X去离子水种子的根长)]X100%
   具体做法为:堆肥鲜样按水:物料=l:2浸提,160r·min-1振荡1 h后过滤,吸取5mL滤液于铺有滤纸的培养皿中,滤纸上放置10颗水芹种子,25C下暗中培养24h后,测定种子的根长,同时用去离子水做空白对照,按上述公式计算种子发芽指数。
   当水芹种子发芽指数达到50%以上时,被认为是已消除植物毒性,堆肥基本到达稳定化。
 
 -------以上信息由河北正定县有机生态肥厂宣传部www.hebyuanhai.com提供。联系人:刘经理 13032613295
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