厌氧堆肥和好氧发酵的原理和区别

厌氧堆肥和好氧发酵的原理和区别

好氧堆肥的工程实践

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sunkille 2006-02-24 13:13:39 中国环境工程技术中心

摘要：污水厂污泥因其独特的物性和特性一直较难处理，因此，污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋，以节省厂内运行费用，却形成了新的污染。为了解决这一问题，我们对处理规模为4.0万m3/d的某污水处理厂的污泥处理过程进行了改造，增设好氧堆肥设施，使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。 关键词：污泥 好氧堆肥 工程实践
关键词：污泥好氧堆肥 污水厂

论文作者：wmywzg

前言

污水厂污泥因其独特的物性和特性一直较难处理，因此，污水厂通常将污泥浓缩脱水后直接外运填埋，以节省厂内运行费用。这一现象随着《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）的实施将被改变，该标准对污水厂污泥的处理提出了更高的要求，且提出了相应的标准，如下表1所示。对照此标准，目前大多数现有污水厂需增设污泥稳定化处理设施。

表1 污水厂污泥稳定化控制指标

稳定化方法
控制项目
控制指标

好氧堆肥
含水率（％）
<65

有机物降解率（％）
>50

蠕虫死亡率（％）
>95

粪大肠菌群菌值
>0.01

好氧消化
有机物降解率（％）
>40

厌氧消化
有机物降解率（％）
>40

某污水处理厂处理规模为4.0万m3/d，为典型的城市生活污水处理厂，为满足GB18918-2002的要求，污水厂将进行改造，在污泥处理与处置过程增设好氧堆肥设施，使污泥在厂内经处理后达到稳定化、资源化利用的目标。

2 好氧堆肥工艺的原理及过程控制参数

（1）工艺原理

好氧堆肥是在有氧条件下，好氧细菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机物则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁忙殖，产生出更多的生物体的过程。在有机物生化降解的同时，伴有热量产生，因堆肥工艺中该热能不会全部散发到环境中，就必然造成堆肥物料的温度升高，这样就会使一些不耐高温的微生物死亡，耐高温的细菌快速繁殖。生态动力学表明，好氧分解中发挥主要作用的是菌体硕大、性能活泼的嗜热细菌群。该菌群在大量氧分子存在下将有机物氧化分解，同时释放出大量的能量。据此好氧堆肥过程应伴随着两次升温，将其分成三个阶段：起始阶段、高温阶段和熟化阶段。

起始阶段：不耐高温的细菌分解有机物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同时放出热量使温度上升，温度可达15~40℃。

高温阶段：耐高温细菌迅速繁殖，在有氧条件下，大部分较难降解的蛋白质、纤维等继续被氧化分解，同时放出大量热能，使温度上升至60~70℃。当有机物基本降解完，嗜热菌因缺乏养料而停止生长，产热随之停止。堆肥的温度逐渐下降，当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐植质。

熟化阶段：冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物（包括死后的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。

（2）好氧堆肥的控制参数

机械化好氧堆肥过程的关键，就是如何选择和控制堆肥条件，促使微生物降解的过程能快速顺利进行，一般来说好氧堆肥要求控制的参数有：

供氧量

对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的物质条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢；但供冷空气量过大又会使温度降低，尤其不利于耐高温菌的氧化分解过程，因此供氧量要适当，一般为0.1~0.2m3/m3.min，供氧方式是靠强制通风，因此保持物料间一定的空隙率很重要，物料颗粒太大使空隙率减小，颗粒太小其结构强度小，一旦受压会发生倾塌压缩而导致实际空隙减小。因此颗粒大小要适当，可视物料组成性质而定。

含水率

在堆肥工艺中，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大，水的作用一是溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；二是可以调节堆肥温度，当温度过高时可通过水分的蒸发，带走一部分热量。水分太低妨碍微生物的繁殖，使分解速度缓慢，甚至导致分解反应停止。水分过高则会导致原料内部空隙被水充满，使空气量减少，造成向有机物供氧不足，形成厌氧状态。同时因过多的水分发，而带走大部分热量，使堆肥过程达不到要求的高温阶段，抑制了高温菌的降解活性，最终影响堆肥的效果。实践证明堆肥原料的水分在50~50％为宜。

碳氮比

有机物被微生物分解的速度随碳氮比变化，微生物自身的碳氮比约为4~30，因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在该范围内，当碳氮比在10~25时，有机物被生物分解速度最大。如果碳氮比过高，堆肥成品的比值也过高，即出现“氮饥饿”状态，施于土壤后，会夺取土壤中的氮，而影响作物生长。堆肥过程适宜的碳氮比应为20~30。

碳磷比

磷对微生物的生长也有很大影响，城市污水处理厂的污泥含有丰富的磷，可满足微生物生长的需要，堆肥原料适宜的碳磷比为75~150。

PH值

PH值是微生物生长的重要条件，在堆肥初期，由于酸性细菌的作用，PH值降到5.5~6.0，使堆肥物料呈酸性，而后由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖，会使PH值上升，堆肥过程结束后物料的PH值上升到8.5~9.0。

3 污水厂好氧堆肥工艺简介

工艺过程

在污水处理厂改造中，引进了日本的涡流加压混扎机（Eco Herds）高品质快速堆肥化系统。该系统将污泥和水分调整材料（稻壳、木屑、熟肥返回料）在密团的装置中加压混轧，使污泥和水分调整材料均匀混合。原料加入涡料加压混轧机后，加压混轧时间（机器内停留时间）约10分钟左右，在此期间产生磨擦热后，原料温度达到50℃左右，如此，使在45℃以下具有活性的低温菌、中温菌、以及恶臭菌活性化。同时，促进发酵、分解的好氧高温菌增殖，使原料在恶臭难以产生的环境中实现快速堆肥处理。

系统构造

Eco Herds式高品质快速堆肥化系统的构造分二部分。

原料部分：由待处理原料一次储存的[原料料斗]、水分调整材料一次储存的[辅料料斗]以及熟肥返回料储存的[馈料料斗]构成。

涡流加压混扎机（Eco Herds）主机

输送部分：由将[原料料斗]的原料定量供料的[供给输送装置]和供给返回料的[皮带式输送装置]构成。

原料供给量的调整、水分调整材料供给量的调整、以及熟肥返回料供给量的调整，都由控制面板按输入程序控制。异物混入时，异物检出机动作，装置全体自动停止运行。原料、辅料及返回料供给机中，如任何一个发生空仓状态时，全装置停止运行，同时控制面板警示灯亮灯示警，各供给机有原料投入时，自动启动并连续运行。

工艺特点

Eco Herds式高品质快速堆肥化系统的特点：

1、为使原料、水分调整料、返回熟料混合进入机械的含水率达到60~65％，各供给机的供给量须给予调整。

原料的供给量由输入程序设定

水分调整的供给量由输入程序设定

返回熟料的供给量由输入程序设定

根据原料水分的变动，调整水分，可以通过增减返回熟料的供给量进行调整

由于水分调整料增减的调整，堆肥的成分会参差不齐，因此通过增减返回熟料的供给量进行调整，可使堆肥成分稳定化。

2、Eco Herds的处理（加压混轧）后排出的堆肥化物，由自走式连续搅拌机在发酵槽内20~25天边搅拌边发酵，由自走式连续搅拌机进行的搅拌与迄今为止的搅拌机不同，是为了Eco Herds 处理后，更进一步促进发酵而专门开发的装置。

Eco Herds处理后的堆肥化物、原料的颗粒较小、颗粒表面附有裂痕，因此使得菌体易于进入并在短时间内进行分解。分解进行的同时，与分解相应的氧气供给是必须的，能否满足这一重要条件是稳定发酵所必须的。

自走式连续搅拌机组合而成的系统，实现了短时间内的稳定、完全发酵、熟化堆肥。

3、产品堆肥

使用粉碎的稻草能产生完成发酵、熟化的堆肥

由返回料进行水分调整，因此能产生成分稳定的堆肥

由于加压混轧，杂草的种子和病原菌被灭活，因此能产生安全的堆肥

氮、磷、钾的添加，可使产品根据耕种农业的要求生产出附加价值更高的堆肥。

4、 污泥堆肥产品成分表

为验证好氧堆肥工艺对污水厂污泥的处理效果及堆肥后污泥的性质，采集了现有污泥的样本，进行了试验验证，经堆肥后的污泥成分检测如下表2所示。

表2 厂现状污泥堆肥成分表

检测项目
单位
监测结果
计量方法（标准 JIS）

氮N
％
2.89
肥料分析法5.3.1.2

磷酸P2O5
％
4.10
肥料分析法5.3.3

钾K2O
％
1.04
肥料分析法5.3.3

铜
mg/kg
162
肥料分析法5.18.2

锌
mg/kg
353
肥料分析法5.1.2

碳酸钙
%
2.56
肥料分析法5.3.1.2

水分
%
33.1
肥料分析法3.1.1

经评估，上表数据符合JA（日本农业协会）的标准，可用于任何经济农作物。

高品质快速堆肥化系统致臭物质测定

高品质快速堆肥化系统的环境质量可以达到相应的环境质量标准。其堆肥过程的致臭物质测定值（日本检测数据）如下表3所示：

表3 污水厂污泥堆肥过程致臭物质分析

项目
日本规范、标准
原料堆放处
处理装置口
发酵槽
临界线

氨气
1~2ppm
0.3ppm
0.3ppm
0.2ppm
0.2ppm

甲硫醇
0.002~0.004ppm
0.0002ppm
0.0096ppm
<0.0001ppm
<0.0001ppm

硫化氢
0.02~0.06ppm
<0.005ppm
<0.005ppm
<0.0005ppm
<0.0005ppm

甲硫醚

0.0003ppm
0.015ppm
<0.0001ppm
<0.0001ppm

乙硫醚

0.0044ppm
0.060ppm
<0.0001ppm
<0.0003ppm

室温23.4℃ 湿度49％
室温22.7℃ 湿度53％
室温22.1℃ 湿度52％

测定方法：NH3—EPCN(Fe)铁吸光光度法 MeSH、H2S、Me2S、Me2S2—FPD法

从以上对堆肥过程环境气体质量的监测数据来看，本堆肥过程的环境空气质量完全可以满足我国的国家标准。

厌氧堆肥过程中的应用

慧聪网 2006年1月24日10时44分 网友评论 0 条 进入论坛

便携式红外分析系统在厌氧堆肥过程中的应用

江 娟（华中科技大学环境科学与工程学院，武汉，430074）

摘要：为了更好地利用厌氧处理产生的气体，本文在介绍模拟厌氧堆肥实验的基础上，利用便携式红外分析系统对厌氧堆肥过程中产气状况进行了研究。结果表明，在厌氧堆肥开始阶段，甲烷产率只有7.8%左右，远远低于32.8%的二氧化碳产率；而随着反应的进行，甲烷产率逐渐高于二氧化碳产率，并于第90d左右时达到最高值42.0%；此后二氧化碳及甲烷产率都逐渐降低，但甲烷产率始终高于二氧化碳产率。

关键词：生活垃圾 便携式红外分析系统 厌氧堆肥

1 概述

目前推广的垃圾处理方法主要有三种：卫生填埋、堆肥、和焚烧。随着城市生活垃圾处理过程中循环经济理念的提出，堆肥法作为城市生活垃圾减量化、资源化、无害化的一条重要途径，具有强大的生命力。由于好氧堆肥过程中需要通入大量的氧气，需要消耗大量的能源，而厌氧消化不仅不需要消耗大量的能源，而且还能收集沼气作为清洁能源。因此从循环经济的角度来看，是一种理想的处理方法。

厌氧堆肥过程中产气量是一个很重要的指标，为了更好地利用厌氧处理产生的气体，本研究利用便携式红外分析系统对生活垃圾厌氧堆肥产气进行了分析。在研究分析中发现，生活垃圾厌氧堆肥产气中，甲烷产率并不是一开始就高于二氧化碳产率，而是随着反应的进行，才在某一时间后高于二氧化碳产率的。本文在介绍模拟试验的基础上，着重对厌氧堆肥产甲烷的基本特性进行了研究。

2 实验部分

2.1 实验材料

生活垃圾来自武汉市华中科技大学生活区垃圾点，其基本组成见表1。

表1 实验原料基本组成(%)

木屑 布 纸张 塑料 橡胶 厨余 玻璃金属 灰土

3.0 2.3 4.6 11.0 2.7 51.0 4.3 21.1

2.2 实验装置

模拟实验装置为圆柱型，直径600mm，高1200mm，外包保温棉用于保温。其底部设渗滤液收集口；顶部两个开口，一个连真空泵抽真空，另一个用于测产气率；侧壁设左右两个开口，一个插温度计测温度，另一个用于取样。反应装置如图1所示。

作者简介：江娟，女，华中科技大学环境科学与工程学院实验分室主任，从事环境工程专业实验教学及仪器使用研究。

2.3实验仪器

本实验中使用的主要仪器为北京市华云分析仪器研究所生产的9000D型便携式4组分红外线分析系统。

9000D型便携式4组分红外线分析系统是为测量垃圾填埋场产生的CO、CO2、CH4和O2而专门设计的。分取样系统和主机两部分。测量时将取样探头从厌氧堆肥装置顶部伸入内部过半处，由取样器中的抽气泵将被测气体抽入取样器，经滤尘、冷凝、流量调节后送入主机进行分析，由主机面板的四个三位半LCD液晶显示器直接将浓度值显示出来，响应速度快，数值准确并且能进行长期连续工作。主机中CO、CO2、CH4用不分光红外法，O2用电化学法，其中CO的光学部件采用了气体滤波相关技术。该系统的气体分析流程图见图2。该气体分析系统解决了以往气袋取样分析获得数据较慢、容易产生传递误差和二次污染等缺点，是一种精度高、性能可靠的在线监测系统。

2.4 实验方法

首先对收集来的生活垃圾进行人工分选，将其中的塑料、玻璃、金属等不能降解的物质剔除；然后用四分法采样，将500kg垃圾装入厌氧堆肥装置；由于测定混合垃圾含水率为30%，所以人工加水至含水率为45%后，加盖密封；试验期间，对堆肥过程中甲烷及二氧化碳产率利用红外线分析系统测定。

3 实验结果及分析

实验垃圾装入厌氧堆肥装置时，初期属好氧环境，随着分子氧、SO42-和NO3-的消耗及人工抽真空，装置内开始进入产甲烷菌生长所必需的厌氧状态，开始产生甲烷及二氧化碳。第15d开始用红外线分析系统测定装置内的甲烷及二氧化碳产率，此后每隔15测一次，得到数据如表2所示。

表2：堆肥过程中气体产率

时间 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

CH4 7.8 11.5 11.8 20.2 38.5 42.0 39.4 35.1 33.0 22.8 17.3 13.4

CO2 32.8 34.7 32.1 32.0 23.2 25.0 23.9 24.0 22.5 21.0 16.6 12.5

从表2可以看出，厌氧堆肥过程所产生的气体中，二氧化碳产率是随着时间而降低的，而甲烷产率是先升高后降低的。