厭氧堆肥和好氧發(fā)酵的原理和區(qū)別

【專家解說】：好氧堆肥的工程實(shí)踐 -------------------------------------------------------------------------------- sunkille 2006-02-24 13:13:39 中國環(huán)境工程技術(shù)中心 摘要：污水廠污泥因其獨(dú)特的物性和特性一直較難處理，因此，污水廠通常將污泥濃縮脫水后直接外運(yùn)填埋，以節(jié)省廠內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用，卻形成了新的污染。為了解決這一問題，我們對(duì)處理規(guī)模為4.0萬m3/d的某污水處理廠的污泥處理過程進(jìn)行了改造，增設(shè)好氧堆肥設(shè)施，使污泥在廠內(nèi)經(jīng)處理后達(dá)到穩(wěn)定化、資源化利用的目標(biāo)。 關(guān)鍵詞：污泥 好氧堆肥 工程實(shí)踐 關(guān)鍵詞：污泥好氧堆肥 污水廠 論文作者：wmywzg 前言 污水廠污泥因其獨(dú)特的物性和特性一直較難處理，因此，污水廠通常將污泥濃縮脫水后直接外運(yùn)填埋，以節(jié)省廠內(nèi)運(yùn)行費(fèi)用。這一現(xiàn)象隨著《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB18918-2002）的實(shí)施將被改變，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)污水廠污泥的處理提出了更高的要求，且提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，如下表1所示。對(duì)照此標(biāo)準(zhǔn)，目前大多數(shù)現(xiàn)有污水廠需增設(shè)污泥穩(wěn)定化處理設(shè)施。 表1 污水廠污泥穩(wěn)定化控制指標(biāo) 穩(wěn)定化方法 控制項(xiàng)目 控制指標(biāo) 好氧堆肥 含水率（％） <65 有機(jī)物降解率（％） >50 蠕蟲死亡率（％） >95 糞大腸菌群菌值 >0.01 好氧消化 有機(jī)物降解率（％） >40 厭氧消化 有機(jī)物降解率（％） >40 某污水處理廠處理規(guī)模為4.0萬m3/d，為典型的城市生活污水處理廠，為滿足GB18918-2002的要求，污水廠將進(jìn)行改造，在污泥處理與處置過程增設(shè)好氧堆肥設(shè)施，使污泥在廠內(nèi)經(jīng)處理后達(dá)到穩(wěn)定化、資源化利用的目標(biāo)。 2 好氧堆肥工藝的原理及過程控制參數(shù) （1）工藝原理 好氧堆肥是在有氧條件下，好氧細(xì)菌對(duì)廢物進(jìn)行吸收、氧化、分解。微生物通過自身的生命活動(dòng)，把一部分被吸收的有機(jī)物氧化成簡單的無機(jī)物，同時(shí)釋放出可供微生物生長活動(dòng)所需的能量，而另一部分有機(jī)物則被合成新的細(xì)胞質(zhì)，使微生物不斷生長繁忙殖，產(chǎn)生出更多的生物體的過程。在有機(jī)物生化降解的同時(shí)，伴有熱量產(chǎn)生，因堆肥工藝中該熱能不會(huì)全部散發(fā)到環(huán)境中，就必然造成堆肥物料的溫度升高，這樣就會(huì)使一些不耐高溫的微生物死亡，耐高溫的細(xì)菌快速繁殖。生態(tài)動(dòng)力學(xué)表明，好氧分解中發(fā)揮主要作用的是菌體碩大、性能活潑的嗜熱細(xì)菌群。該菌群在大量氧分子存在下將有機(jī)物氧化分解，同時(shí)釋放出大量的能量。據(jù)此好氧堆肥過程應(yīng)伴隨著兩次升溫，將其分成三個(gè)階段：起始階段、高溫階段和熟化階段。 起始階段：不耐高溫的細(xì)菌分解有機(jī)物中易降解的碳水化合物、脂肪等，同時(shí)放出熱量使溫度上升，溫度可達(dá)15~40℃。 高溫階段：耐高溫細(xì)菌迅速繁殖，在有氧條件下，大部分較難降解的蛋白質(zhì)、纖維等繼續(xù)被氧化分解，同時(shí)放出大量熱能，使溫度上升至60~70℃。當(dāng)有機(jī)物基本降解完，嗜熱菌因缺乏養(yǎng)料而停止生長，產(chǎn)熱隨之停止。堆肥的溫度逐漸下降，當(dāng)溫度穩(wěn)定在40℃，堆肥基本達(dá)到穩(wěn)定，形成腐植質(zhì)。 熟化階段：冷卻后的堆肥，一些新的微生物借助殘余有機(jī)物（包括死后的細(xì)菌殘?bào)w）而生長，將堆肥過程最終完成。 （2）好氧堆肥的控制參數(shù) 機(jī)械化好氧堆肥過程的關(guān)鍵，就是如何選擇和控制堆肥條件，促使微生物降解的過程能快速順利進(jìn)行，一般來說好氧堆肥要求控制的參數(shù)有： 供氧量 對(duì)于好氧堆肥而言，氧氣是微生物賴以生存的物質(zhì)條件，供氧不足會(huì)造成大量微生物死亡，使分解速度減慢；但供冷空氣量過大又會(huì)使溫度降低，尤其不利于耐高溫菌的氧化分解過程，因此供氧量要適當(dāng)，一般為0.1~0.2m3/m3.min，供氧方式是靠強(qiáng)制通風(fēng)，因此保持物料間一定的空隙率很重要，物料顆粒太大使空隙率減小，顆粒太小其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度小，一旦受壓會(huì)發(fā)生傾塌壓縮而導(dǎo)致實(shí)際空隙減小。因此顆粒大小要適當(dāng)，可視物料組成性質(zhì)而定。 含水率 在堆肥工藝中，堆肥原料的含水率對(duì)發(fā)酵過程影響很大，水的作用一是溶解有機(jī)物，參與微生物的新陳代謝；二是可以調(diào)節(jié)堆肥溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)可通過水分的蒸發(fā)，帶走一部分熱量。水分太低妨礙微生物的繁殖，使分解速度緩慢，甚至導(dǎo)致分解反應(yīng)停止。水分過高則會(huì)導(dǎo)致原料內(nèi)部空隙被水充滿，使空氣量減少，造成向有機(jī)物供氧不足，形成厭氧狀態(tài)。同時(shí)因過多的水分發(fā)，而帶走大部分熱量，使堆肥過程達(dá)不到要求的高溫階段，抑制了高溫菌的降解活性，最終影響堆肥的效果。實(shí)踐證明堆肥原料的水分在50~50％為宜。 碳氮比 有機(jī)物被微生物分解的速度隨碳氮比變化，微生物自身的碳氮比約為4~30，因此用作其營養(yǎng)的有機(jī)物的碳氮比最好也在該范圍內(nèi)，當(dāng)碳氮比在10~25時(shí)，有機(jī)物被生物分解速度最大。如果碳氮比過高，堆肥成品的比值也過高，即出現(xiàn)“氮饑餓”狀態(tài)，施于土壤后，會(huì)奪取土壤中的氮，而影響作物生長。堆肥過程適宜的碳氮比應(yīng)為20~30。 碳磷比 磷對(duì)微生物的生長也有很大影響，城市污水處理廠的污泥含有豐富的磷，可滿足微生物生長的需要，堆肥原料適宜的碳磷比為75~150。 PH值 PH值是微生物生長的重要條件，在堆肥初期，由于酸性細(xì)菌的作用，PH值降到5.5~6.0，使堆肥物料呈酸性，而后由于以酸性物為養(yǎng)料細(xì)菌的生長和繁殖，會(huì)使PH值上升，堆肥過程結(jié)束后物料的PH值上升到8.5~9.0。 3 污水廠好氧堆肥工藝簡介 工藝過程 在污水處理廠改造中，引進(jìn)了日本的渦流加壓混扎機(jī)（Eco Herds）高品質(zhì)快速堆肥化系統(tǒng)。該系統(tǒng)將污泥和水分調(diào)整材料（稻殼、木屑、熟肥返回料）在密團(tuán)的裝置中加壓混軋，使污泥和水分調(diào)整材料均勻混合。原料加入渦料加壓混軋機(jī)后，加壓混軋時(shí)間（機(jī)器內(nèi)停留時(shí)間）約10分鐘左右，在此期間產(chǎn)生磨擦熱后，原料溫度達(dá)到50℃左右，如此，使在45℃以下具有活性的低溫菌、中溫菌、以及惡臭菌活性化。同時(shí)，促進(jìn)發(fā)酵、分解的好氧高溫菌增殖，使原料在惡臭難以產(chǎn)生的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速堆肥處理。 系統(tǒng)構(gòu)造 Eco Herds式高品質(zhì)快速堆肥化系統(tǒng)的構(gòu)造分二部分。 原料部分：由待處理原料一次儲(chǔ)存的[原料料斗]、水分調(diào)整材料一次儲(chǔ)存的[輔料料斗]以及熟肥返回料儲(chǔ)存的[饋料料斗]構(gòu)成。 渦流加壓混扎機(jī)（Eco Herds）主機(jī) 輸送部分：由將[原料料斗]的原料定量供料的[供給輸送裝置]和供給返回料的[皮帶式輸送裝置]構(gòu)成。 原料供給量的調(diào)整、水分調(diào)整材料供給量的調(diào)整、以及熟肥返回料供給量的調(diào)整，都由控制面板按輸入程序控制。異物混入時(shí)，異物檢出機(jī)動(dòng)作，裝置全體自動(dòng)停止運(yùn)行。原料、輔料及返回料供給機(jī)中，如任何一個(gè)發(fā)生空倉狀態(tài)時(shí)，全裝置停止運(yùn)行，同時(shí)控制面板警示燈亮燈示警，各供給機(jī)有原料投入時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)并連續(xù)運(yùn)行。 工藝特點(diǎn) Eco Herds式高品質(zhì)快速堆肥化系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1、為使原料、水分調(diào)整料、返回熟料混合進(jìn)入機(jī)械的含水率達(dá)到60~65％，各供給機(jī)的供給量須給予調(diào)整。 原料的供給量由輸入程序設(shè)定 水分調(diào)整的供給量由輸入程序設(shè)定 返回熟料的供給量由輸入程序設(shè)定 根據(jù)原料水分的變動(dòng)，調(diào)整水分，可以通過增減返回熟料的供給量進(jìn)行調(diào)整 由于水分調(diào)整料增減的調(diào)整，堆肥的成分會(huì)參差不齊，因此通過增減返回熟料的供給量進(jìn)行調(diào)整，可使堆肥成分穩(wěn)定化。 2、Eco Herds的處理（加壓混軋）后排出的堆肥化物，由自走式連續(xù)攪拌機(jī)在發(fā)酵槽內(nèi)20~25天邊攪拌邊發(fā)酵，由自走式連續(xù)攪拌機(jī)進(jìn)行的攪拌與迄今為止的攪拌機(jī)不同，是為了Eco Herds 處理后，更進(jìn)一步促進(jìn)發(fā)酵而專門開發(fā)的裝置。 Eco Herds處理后的堆肥化物、原料的顆粒較小、顆粒表面附有裂痕，因此使得菌體易于進(jìn)入并在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行分解。分解進(jìn)行的同時(shí)，與分解相應(yīng)的氧氣供給是必須的，能否滿足這一重要條件是穩(wěn)定發(fā)酵所必須的。 自走式連續(xù)攪拌機(jī)組合而成的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了短時(shí)間內(nèi)的穩(wěn)定、完全發(fā)酵、熟化堆肥。 3、產(chǎn)品堆肥 使用粉碎的稻草能產(chǎn)生完成發(fā)酵、熟化的堆肥 由返回料進(jìn)行水分調(diào)整，因此能產(chǎn)生成分穩(wěn)定的堆肥 由于加壓混軋，雜草的種子和病原菌被滅活，因此能產(chǎn)生安全的堆肥 氮、磷、鉀的添加，可使產(chǎn)品根據(jù)耕種農(nóng)業(yè)的要求生產(chǎn)出附加價(jià)值更高的堆肥。 4、 污泥堆肥產(chǎn)品成分表 為驗(yàn)證好氧堆肥工藝對(duì)污水廠污泥的處理效果及堆肥后污泥的性質(zhì)，采集了現(xiàn)有污泥的樣本，進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)堆肥后的污泥成分檢測如下表2所示。 表2 廠現(xiàn)狀污泥堆肥成分表 檢測項(xiàng)目 單位 監(jiān)測結(jié)果 計(jì)量方法（標(biāo)準(zhǔn) 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 鉀K2O ％ 1.04 肥料分析法5.3.3 銅 mg/kg 162 肥料分析法5.18.2 鋅 mg/kg 353 肥料分析法5.1.2 碳酸鈣 % 2.56 肥料分析法5.3.1.2 水分 % 33.1 肥料分析法3.1.1 經(jīng)評(píng)估，上表數(shù)據(jù)符合JA（日本農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)）的標(biāo)準(zhǔn)，可用于任何經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物。 高品質(zhì)快速堆肥化系統(tǒng)致臭物質(zhì)測定 高品質(zhì)快速堆肥化系統(tǒng)的環(huán)境質(zhì)量可以達(dá)到相應(yīng)的環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其堆肥過程的致臭物質(zhì)測定值（日本檢測數(shù)據(jù)）如下表3所示： 表3 污水廠污泥堆肥過程致臭物質(zhì)分析 項(xiàng)目 日本規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn) 原料堆放處 處理裝置口 發(fā)酵槽 臨界線 氨氣 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 硫化氫 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 室溫23.4℃ 濕度49％ 室溫22.7℃ 濕度53％ 室溫22.1℃ 濕度52％ 測定方法：NH3—EPCN(Fe)鐵吸光光度法 MeSH、H2S、Me2S、Me2S2—FPD法 從以上對(duì)堆肥過程環(huán)境氣體質(zhì)量的監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，本堆肥過程的環(huán)境空氣質(zhì)量完全可以滿足我國的國家標(biāo)準(zhǔn)。 厭氧堆肥過程中的應(yīng)用 慧聰網(wǎng) 2006年1月24日10時(shí)44分 網(wǎng)友評(píng)論 0 條 進(jìn)入論壇 便攜式紅外分析系統(tǒng)在厭氧堆肥過程中的應(yīng)用 江 娟（華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，武漢，430074） 摘要：為了更好地利用厭氧處理產(chǎn)生的氣體，本文在介紹模擬厭氧堆肥實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用便攜式紅外分析系統(tǒng)對(duì)厭氧堆肥過程中產(chǎn)氣狀況進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在厭氧堆肥開始階段，甲烷產(chǎn)率只有7.8%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于32.8%的二氧化碳產(chǎn)率；而隨著反應(yīng)的進(jìn)行，甲烷產(chǎn)率逐漸高于二氧化碳產(chǎn)率，并于第90d左右時(shí)達(dá)到最高值42.0%；此后二氧化碳及甲烷產(chǎn)率都逐漸降低，但甲烷產(chǎn)率始終高于二氧化碳產(chǎn)率。 關(guān)鍵詞：生活垃圾 便攜式紅外分析系統(tǒng) 厭氧堆肥 1 概述 目前推廣的垃圾處理方法主要有三種：衛(wèi)生填埋、堆肥、和焚燒。隨著城市生活垃圾處理過程中循環(huán)經(jīng)濟(jì)理念的提出，堆肥法作為城市生活垃圾減量化、資源化、無害化的一條重要途徑，具有強(qiáng)大的生命力。由于好氧堆肥過程中需要通入大量的氧氣，需要消耗大量的能源，而厭氧消化不僅不需要消耗大量的能源，而且還能收集沼氣作為清潔能源。因此從循環(huán)經(jīng)濟(jì)的角度來看，是一種理想的處理方法。 厭氧堆肥過程中產(chǎn)氣量是一個(gè)很重要的指標(biāo)，為了更好地利用厭氧處理產(chǎn)生的氣體，本研究利用便攜式紅外分析系統(tǒng)對(duì)生活垃圾厭氧堆肥產(chǎn)氣進(jìn)行了分析。在研究分析中發(fā)現(xiàn)，生活垃圾厭氧堆肥產(chǎn)氣中，甲烷產(chǎn)率并不是一開始就高于二氧化碳產(chǎn)率，而是隨著反應(yīng)的進(jìn)行，才在某一時(shí)間后高于二氧化碳產(chǎn)率的。本文在介紹模擬試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著重對(duì)厭氧堆肥產(chǎn)甲烷的基本特性進(jìn)行了研究。 2 實(shí)驗(yàn)部分 2.1 實(shí)驗(yàn)材料 生活垃圾來自武漢市華中科技大學(xué)生活區(qū)垃圾點(diǎn)，其基本組成見表1。 表1 實(shí)驗(yàn)原料基本組成(%) 木屑 布 紙張 塑料 橡膠 廚余 玻璃金屬 灰土 3.0 2.3 4.6 11.0 2.7 51.0 4.3 21.1 2.2 實(shí)驗(yàn)裝置 模擬實(shí)驗(yàn)裝置為圓柱型，直徑600mm，高1200mm，外包保溫棉用于保溫。其底部設(shè)滲濾液收集口；頂部兩個(gè)開口，一個(gè)連真空泵抽真空，另一個(gè)用于測產(chǎn)氣率；側(cè)壁設(shè)左右兩個(gè)開口，一個(gè)插溫度計(jì)測溫度，另一個(gè)用于取樣。反應(yīng)裝置如圖1所示。 作者簡介：江娟，女，華中科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院實(shí)驗(yàn)分室主任，從事環(huán)境工程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及儀器使用研究。 2.3實(shí)驗(yàn)儀器 本實(shí)驗(yàn)中使用的主要儀器為北京市華云分析儀器研究所生產(chǎn)的9000D型便攜式4組分紅外線分析系統(tǒng)。 9000D型便攜式4組分紅外線分析系統(tǒng)是為測量垃圾填埋場產(chǎn)生的CO、CO2、CH4和O2而專門設(shè)計(jì)的。分取樣系統(tǒng)和主機(jī)兩部分。測量時(shí)將取樣探頭從厭氧堆肥裝置頂部伸入內(nèi)部過半處，由取樣器中的抽氣泵將被測氣體抽入取樣器，經(jīng)濾塵、冷凝、流量調(diào)節(jié)后送入主機(jī)進(jìn)行分析，由主機(jī)面板的四個(gè)三位半LCD液晶顯示器直接將濃度值顯示出來，響應(yīng)速度快，數(shù)值準(zhǔn)確并且能進(jìn)行長期連續(xù)工作。主機(jī)中CO、CO2、CH4用不分光紅外法，O2用電化學(xué)法，其中CO的光學(xué)部件采用了氣體濾波相關(guān)技術(shù)。該系統(tǒng)的氣體分析流程圖見圖2。該氣體分析系統(tǒng)解決了以往氣袋取樣分析獲得數(shù)據(jù)較慢、容易產(chǎn)生傳遞誤差和二次污染等缺點(diǎn)，是一種精度高、性能可靠的在線監(jiān)測系統(tǒng)。 2.4 實(shí)驗(yàn)方法 首先對(duì)收集來的生活垃圾進(jìn)行人工分選，將其中的塑料、玻璃、金屬等不能降解的物質(zhì)剔除；然后用四分法采樣，將500kg垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置；由于測定混合垃圾含水率為30%，所以人工加水至含水率為45%后，加蓋密封；試驗(yàn)期間，對(duì)堆肥過程中甲烷及二氧化碳產(chǎn)率利用紅外線分析系統(tǒng)測定。 3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析 實(shí)驗(yàn)垃圾裝入?yún)捬醵逊恃b置時(shí)，初期屬好氧環(huán)境，隨著分子氧、SO42-和NO3-的消耗及人工抽真空，裝置內(nèi)開始進(jìn)入產(chǎn)甲烷菌生長所必需的厭氧狀態(tài)，開始產(chǎn)生甲烷及二氧化碳。第15d開始用紅外線分析系統(tǒng)測定裝置內(nèi)的甲烷及二氧化碳產(chǎn)率，此后每隔15測一次，得到數(shù)據(jù)如表2所示。 表2：堆肥過程中氣體產(chǎn)率 時(shí)間 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 從表2可以看出，厭氧堆肥過程所產(chǎn)生的氣體中，二氧化碳產(chǎn)率是隨著時(shí)間而降低的，而甲烷產(chǎn)率是先升高后降低的。