快速堆肥发酵过程及控制教材课件.ppt

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1、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,堆肥生物链,蜈蚣、捕食螨、甲虫、蚂蚁等,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

2、便、树叶、草枝、食品垃圾等,堆肥中的微生物,堆肥微生物变化,高温好氧堆肥过程中微生物的数量变化规律,注：+，strong；+，substantial；+，recognizable；no mark，not recognized.,S,T,C,M,堆肥微生物变化,堆肥微生物变化,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

3、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。,污水污泥中消灭病原体所用的时间和温度,几种常见病菌与寄生虫的死亡温度,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。,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

4、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。,第二部分：快速堆肥及条件,堆肥典型时间,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,单位:元/吨,典型堆肥厂成本分析,养分损失,出自：Brinton,1998,环境影响,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、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,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,*依特定的物料、堆体大小和天气条件而变。,生物可降解性,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。,基质能量调节,如果基质没有足够的能量推动堆肥

6、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,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

7、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。,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,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

8、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）。,不同有机物料及其有机成分的一般化学组成,有机物降解需氧量计算,假定碳水化合物为主要的成分，可以计算出分解反应的需氧量： 1 xC6H10O5 + 6O2=6CO2 + 5H2O 162 6(32)则纤维基质的需氧量估计为：x=6(32)/162=1.185g O2/g BVS,通风控制,化学需氧量:1.95kg空气/kg 混合基质干重,说明满足化学需氧量时，空气的重量几乎是进料物质干重的两倍。水分干燥需氧量: 26.

9、7g干空气/g ds基质说明干燥所需的空气远比生物氧化需要的空气要多.除热需氧量:47.9g空气/g 基质ds除热所需的空气量远比化学或者除水分需要的都多。堆肥所需空气的重量是基质干重的3050倍。由于气体是看不到的，空气活动有时候总是被忽略。应该牢记基质处理既包括固体，也包括气体部分。,翻堆的重要性,通风管道,某堆肥厂所用的永久性管路系统示意图,通风系统示意,部分臭气化合物的臭气指数,臭气释放规律,大多数臭气是在堆肥周期的最初710d释放出来的，最初23 d的SOER值为1020 m3/min-m2，此后，SOER值迅速降低到0.52 m3/min-m2范围。 翻堆前平均可达1530 m3/

10、min-m2，翻堆后SOER值迅速增加到550 m3/min-m2，然后在接下来的34小时开始降低。 虽然臭气释放的峰值与翻堆有关,但是臭气释放的主要部分还是在没有翻堆时。如果不考虑翻堆的频率,估计因为翻堆而释放的气体大约相当于总释放气体的10%到15。增加翻堆频率会使释放的峰值降低,但是总的臭气挥发量基本保持不变。基于以上研究，建议当天气条件不好应当停止翻堆。,臭气处理的方法,吸附：气体吸附是指通过特定的吸附装置，把臭气化合物溶解到洗涤液中的一种臭气处理方法。常用吸附装置包括喷雾塔、填充式洗涤床、流体洗涤床、板式塔、喷射洗涤器。通常的化学药剂包括：氧化剂例如次氯酸钠（NaOCI）, 过氧化氢

11、（H2O2）及高锰酸钾（）碱性物例如CaO，aOH2，NaOH酸类例如H2SO4，HCl还原剂例如Na2SO3，H2O2吸收增强剂例如表面活性剂,一种生物过滤器系统的框图,图.1添加植物乳杆菌与可溶性碳水化合物对猪粪臭味的影响,sucrose 蔗糖 glucose 葡萄糖,图.1添加植物乳杆菌与可溶性碳水化合物对猪粪中氨挥发的影响,堆肥氮素变化机理,堆肥过程中氮素转化很复杂，主要包括氮素固定和氮素释放。其中氮素的释放主要指有机氮的矿化、氨的挥发以及硝态氮的反硝化。有机氮作为堆肥的全氮的主要组成部分与全氮一样，在堆肥过程中，始终呈降低趋势。一次发酵初期，氮损失速率较快，主要由于NH3高温挥发所致

12、，另外易挥发含氮有机物的直接挥发也是造成氮素大量损失的另一个主要原因；二次发酵阶段基本无氮损失。一次发酵初期(前10)，在微生物作用下，易降解有机物迅速分解，由于物料的含水率较高,生成的氨主要以NH+4的形式存在于物料中，NH+4-N的含量不断增加，至第10左右增至最高点。随后，由于高温作用，水汽蒸发加强，引起大量NH3挥发，NH+4-N含量不断降低。硝态氮（NO3N）含量主要取决于硝化和反硝化速率之差，物料所处环境为好氧状态时，硝化作用占绝对优势。,堆肥前后氮素变化,（袁守军，）,影响堆肥氮素损失的因素,1）堆肥物料的组成：堆肥的氮损失与初始物料的组成和含氮量密切相关，原料含氮量高损失的比例

13、相应就高。研究表明，厨余垃圾与树叶等混合堆肥的净氮损失是43%62%，鸡舍废物(鸡粪、锯末混合物)在强制通风堆制过程中的氮损失为初始氮的59%，单独的牛粪堆制比牛粪与生活垃圾堆肥以11体积联合堆制的氮损失高410倍。2）堆肥物料C/N比：堆肥物料C/N比越低，氮素损失越严重。堆肥合适的C/N比范围为2535。杨毓峰等以畜禽饲养场排放的鸡粪、牛粪为底物,以玉米糠和玉米秸秆作调理剂和膨胀剂进行堆制，堆肥化过程中的氮素损失随起始堆料的C/N比升高而降低。,影响堆肥氮素损失的因素,3）不同通风方式和pH值：翻堆、强制通风以及鼓风能加快氨从条垛/堆体中逸出的速度。但适当通风是堆肥的关键，因此，不能由于保

14、氮而减少翻堆或通风，只有当保存氮素很重要的时候，才可减少对原料的不必要的翻动。高pH值增加了氨的损失，特别是像家禽粪便等含氮量高的原材料。在堆肥原料中有两种氨的存在形态：气态氨（NH3）和溶解在堆肥中的氨离子（NH4+）。这两种形态都会出现并能从一种形态转化为另一种，转化比例由堆体条件所决定。较高的pH值能帮助气态氨从堆体中逸出。,堆肥氮损失控制的方法,1)改变工艺条件：如保障适量的通风/控温、适当的湿度等。加水和翻堆有利于确保氮素；使堆体内的氧含量始终保持在较高水平，可以减少堆体内的局部厌氧，抑制反硝化的进行，减少硝态氮的损失；单一强制通风由于缺乏对混合物料的翻动，造成堆体较为坚实且分布不均

15、匀，气体交换受阻，不利于好氧堆肥的进行；多次翻动可以破碎结块的物料，并通过多次混合使物料分布均匀，从而减少或消除物料结块及不均匀的现象，增加堆体孔隙度，有利于气体交换及好氧堆肥化的进行。强制通风与机械翻堆相结合能促进堆肥温度的升高和腐熟，加快有机碳的降解和硝态氮的升高，是相对最好的一种通风方式。,堆肥氮损失控制的方法,2)在堆肥过程中加入添加剂：1）富碳物质：在堆肥过程中添加高C/N比的混合物可降低氮损失。如在禽粪堆制时,通过加入富C物质(秸杆和泥炭)可使NH3损失分别降低33.5%和25.8%。2）金属盐类及硫元素：金属盐类的添加可降低堆肥过程中的NH3损失。可选择沸石、过磷酸钙和少量MnS

16、O4作为氮素损失抑制剂。3）吸附剂和调理剂：吸附剂和调理剂的添加也可使氨损失降低。研究表明，泥炭、沸石和玄武岩可在粪便好氧堆制过程中降低氨损失。4）外源微生物：外源微生物的添加可调控堆肥过程中氮、碳的代谢，调控氮素物质分解为NH4+-N后的气态挥发损失，保留更多的氮养分。,第四部分：堆肥产品质量及检验,堆肥稳定性,堆肥过程中，基质里可降解的有机质被氧化，并逐渐被增加的难降解的腐殖物质所代替。堆肥发酵过程中结尾阶段比较稳定的成分仍然可以被降解，但是同原来的基质相比，降解速率会大大降低。 现在的问题是多大的稳定性才是足够的呢？对于这个问题没有准确的答案。例如，厌氧消化的污泥一般认为是很稳定的，似乎

17、可以应用于土地，但如果消化污泥堆置在开放的堆上，那么腐败物质和臭气将会产生。另外如粗污泥在加热烘干后，也可长时间贮存不会产生异味，其低水分含量使生物活性大大降低，并处于一种“假的稳定”状态下,但当物料重新变湿后，通常生物活性就会恢复正常，容易发霉。,堆肥稳定性,稳定性的另外一个方面是有机质对植物生长的影响。研究者已经观察到不成熟的堆肥包含着许多对植物有毒性（称植物毒性）的代谢产物，会危害植物根系，并抑制其生长。生物降解的代谢产物，如乙酸对植物生长有很强的毒害作用。研究表明毒性主要在堆肥开始的前期，尽管直至堆肥发酵60天后，其毒性仍然未完全消除。所有的堆肥设施在设计和操作上都应该是生产有利于植物

18、生长的稳定的产品，而不产生毒性。,堆肥质量定义,严格地讲，完全稳定的前提是所有的有机质全部转化为水和二氧化碳，但是完全的稳定性并不是人们所期望的。因为堆肥作为一种土壤调理剂的价值就在于有机质含量。稳定性应该建立在足以减少危害潜力和植物毒性的基础之上，但还不是如此彻底以及最终产品中有机质不必要地损失掉；稳定性还应该建立在当氧气消耗降低到某一点时，厌氧和异味条件还没有产生，不致于影响到存贮和产品的最终使用，也不致于产生植物毒性物质。,堆肥质量要求,堆肥产品质量涉及众多因子，既有理化指标，又有卫生指标，还有生物学指标。堆肥质量一般包括颗粒大小，pH值，可溶盐含量，产品稳定性，杂草种子、重金属、植物毒

19、素等有害组分的存在，以及杂质。好的堆肥应表现在：颗粒直径小于1.3厘米，pH值在6.0-7.8，可溶盐浓度小于2.5 ms/cm，低呼吸比率，没有杂草种子，污染物浓度低于国家标准。这种堆肥的使用一般不会受到限制。呼吸比率是通过测定耗氧量求得的，呼吸率高，就说明堆肥尚未稳定。,堆肥质量的指导原则,堆肥指标,稳定性发酵好的堆肥不应继续升温，并产生臭味。养分含量发酵好的堆肥速效养分一般在4-5%之间，并含有微量元素。水分含量堆肥完成后水分应降到45 %以下。,堆肥指标,粒径分布堆好后物料分散，粒径相对均一。无杂草种子堆好的产品是没有杂草种子的，产品在2-3周内不会有种子发芽。其它元素浓度重金属、农药

20、的浓度应控制在相关标准之内。产品质量一致每批产品应保持质量的一致。,堆肥腐熟度评价-温度,温度被认为是堆肥稳定度评价最简便快捷的指标，当其趋于环境温度时，表明堆肥已达稳定。一般认为堆肥温度在50以上并维持510天，符合粪便无害化卫生标准。因此，快速达到温度并维持一定时间是比较理想的状态。另外堆肥完成后不应出现再升温的现象，许多堆肥厂完成一次堆肥后，在二次成化时仍表现温度升高，有时甚至发生“烧心”的现象，就说明堆肥没有腐熟完全，以致养分损失加剧，肥效因此受到影响。,堆肥腐熟度评价-颜色及气味,堆肥腐熟度也可从堆肥的表观特征作出一些判断。从颜色上来看，堆肥过程中堆料逐渐发黑，腐熟后的堆肥产品呈黑褐

21、色或黑色。从气味上来看，通常，堆肥原料具有令人不快的气味，在运行良好的堆肥过程中，这种气味逐渐减弱并在堆肥结束后消失。腐熟堆肥的表观特征为：堆肥后期温度自然降低；不再吸引蚊蝇；不会有令人讨厌的臭味；由于真菌的生长堆肥出现白色或灰白色；堆肥产品呈现疏松的团粒结构。总的来说，物理学指标虽然简便、直观，但是难以定量表征堆肥过程中堆料成分的变化，也就不易定量说明堆肥腐熟程度，缺乏可信度和可操作性。,有机质的变化,水溶性有机质含量与堆肥时间有很显著的相关性，是指示堆肥腐熟程度的一个合适的参数。尽管水溶性有机质也受堆肥原料的性质的影响，但在堆肥腐熟的后期，水溶性有机质含量不超过22g/l，所以水溶性有机质

22、含量01%。,氮成分变化,堆肥过程中，由于水溶性NH4+-N一部分转化为3而挥发减少，另外，通过硝化作用一部分NH4+-N又转化为NO3-N。因此， NH4+-N的减少及NO3-N的增加，也是堆肥腐熟度评价的常用指标。NO3-N是评价堆肥腐熟度的简单而有力的参数，具有较好的实用价值。当污泥堆肥中的总含量超过干重的06%时，堆肥达到腐熟。,腐殖化程度相关的参数,堆肥过程中伴随着腐殖化的进行，研究各腐殖化参数的变化是评价腐熟度的重要方法之一。CEC(阳离子交换容量)能反映有机质降低的程度，是堆肥腐殖化程度及新形成有机质的重要指标，可作为评价腐熟度的参数。根据堆肥在酸、碱中的溶解性质，可将堆肥中的腐

23、殖质划分为：腐殖质HS，腐殖酸HA，富里酸FA，富里部分FF及非腐殖质成分NHF。在堆肥原料中HA含量低，FA含量多，但随着堆肥过程的进行，二者的含量发生显著变化，HA含量增加，FA含量在堆肥过程中下降。腐殖质在堆肥中的变化有一定的规律性，可作为评价腐熟度的参数。,C/N比的变化,固相C/N是最常用于评价腐熟度的参数。Garcia (1992)认为最终堆肥产品C/N值在理论上趋于微生物菌体的C/N比，提出C/N比由30：1降为1520：1时，可以认为堆肥腐熟，达到稳定的程度。 Morel等（1985）建议采用=(终点/)/(初始/)来评价城市垃圾堆肥的腐熟度，并提出当值小于06时堆肥达到腐熟。

24、研究认为腐熟猪粪与稻草混合堆肥的值应在049059之间。可见，不同物料堆肥的值变化不大，在0507之间。因而可以认为，值适用于不同物料堆肥的腐熟度评价。,呼吸作用,对于好氧堆肥来说，微生物耗氧速率变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化。堆肥过程的耗氧速率变化反映了堆肥过程中有机物的变化。可根据堆肥过程中微生物吸收O2和释放CO2的强度来判断微生物代谢活动的强度及堆肥的稳定性。堆肥释放CO2在5mg（C）g-1以下时，达到相对稳定；为2mg（C）g-1以下时，达到腐熟。张所明等（1998）提出当堆肥达到腐熟时，耗氧速率为00201O2%min-1。呼吸作用可通过测定呼吸强度和溶解氧来计算，由于测定

25、与实际误差大，这个指标较少使用，但可作为微生物代谢活动的强度的指示。,植物生物测定,从植物毒性的角度讲，最直接的判断堆肥产品是否完全腐熟的方法应该是看其对植物生长的影响。盆栽研究是可以进行的，但在结果出来前需要相当的时间。一些研究者在寻找减少时间的测定方法。这其中最多的是测试种子的发芽率，通常用水芹种子（Lepidium sativum），因为它具有反应迅速的特点。,植物生物测定,Zucconi等人发明了一种24小时生物测定方法：将样品水分含量调节到60%之后，接着进行压力过滤就得到提取液，在提取液中放置68粒水芹种子，在27下黑暗培养24小时，测量发芽部分以及根部的生长，并以百分比表示。发芽

26、指数（germination index）即萌芽部分和根系生长的百分率（各自为对照的百分比）。发芽指数在5060之间，即达到腐熟。,安全性评价,污泥、城市垃圾和畜禽粪便中含有大量致病细菌、霉菌、寄生虫和草种等，直接影响到堆肥的安全性。但这些致病微生物对温度非常敏感，当堆肥温度高于55，并保持3天以上时，可杀死绝大多数。Tiquia（2000）等研究猪粪的堆肥化处理时发现，堆肥开始时，堆肥中大肠杆菌的数量为(618665)104CFU-1，经过高温阶段后，堆肥中已经检测不出大肠杆菌的存在。所以可以认为，当堆肥中检测不出大肠杆菌时，可认为堆肥已达稳定。,堆肥综合评价,通过以上分析可以看出：物理学指

27、标易于监测，用以定性描述堆肥过程所处的状态；化学指标测定简单，是堆肥的实质反映；核磁共振NMR、红外光谱FT-IR、色谱技术的应用揭示了堆肥微观物质结构的变化，有助于评价化学指标的合理性；生物学指标能够综合反映堆肥和实用性，一般用于判断堆肥的稳定性。通常生产上比较简单实用的评价指标主要包括：温度变化、水分变化、物料颜色、发芽率、C/N比 。一个有经验的堆肥技术员可以通过外观、颜色、气味、质地、颗粒大小以及其它一些物理特征来判断堆肥的腐熟程度，可能不是很科学，但会很有用且通常是准确的。,堆肥长期施用地块蚯蚓情况,有机蔬菜地块,常规蔬菜地块,总 结,1、充分了解堆肥的复杂性2、堆肥技术与工艺的优化和本地化3、堆肥必须有政策推动4、堆肥技术的创新5、堆肥工艺与设备合作6、国际合作与产业运作,