第二节 堆肥化基本原理及其影响因素
一、好氧堆肥原理及过程 (一)好氧堆肥基本原理 好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物 (主要是好氧茵)的作用来进行的。在堆肥过程 中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物 的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的 和胶体的有机物吸附着在微生物体外，微生物 所分泌的胞外酶分解为溶解性物质。
进入20世纪90年代后，垃圾的堆肥化处理技术的应用又重 新出现回升趋势，垃圾堆肥技术的应用，注意了从源头分 拣，避免垃圾中的有害成分进入堆肥中。欧美各国目前采 用的堆肥技术强调只能用于庭院修剪物、果品蔬菜加工的 废弃物以及养殖场的动物粪便和酿造行业的废弃物。在发 酵中又采用厂生物发酵技术提高了肥料中的N、P成分，从 而保证了堆肥的质量。最终制作成便于运输和施用的颗粒 形状。
通常所说的堆肥化一般是指好氧堆肥化，这是因 为厌氧微生物对有机物分解速度缓慢，处理效率 低，容易产生恶臭，其工艺条件也比较难控制。 最近，在欧洲一些国家已经对堆肥化的概念进行 了统一，定义堆肥化就是“在有控制的条件下， “在有控制的条件下， 微生物对固体和半固体有机废物进行好氧的中温 或高温分解，并产生稳定腐殖质的过程” 或高温分解，并产生稳定腐殖质的过肥化技术应用的历史也较长。早期主要是在农 村利用人畜粪便和农业废物生产农家肥，逐步发展到 处理城市生活垃圾。初期的垃圾堆肥化处理技术是将 垃圾露天堆积。表面用土壤覆盖，在厌氧或自然通风 条件下进行发酵，得到的产品简单筛分后用于农肥。 这种推肥化方法尽管设施简陋，也存在发酵周期长、 产品腐熟度和均匀性较差等缺点，但由于投资省、操 作简便、可以有效地消纳垃圾。
再渗入细胞，微生物通过自身的生命活动-氧化、 还原、合成等过程，把-部分被吸收的有机物氧化 成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的 能量，把另一部分有机物转化为生物体所必需的 营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐 生长繁殖，产生更多的生物体
一般情况下，利用堆肥温度变化来作为堆肥过程 (阶段)的评价指标，如图2-6-2所示。一个完整的 堆肥过程由4个堆肥阶段组成。每个阶段拥有不同 的细菌、放线茵、真菌和原生动物。在每个阶段， 微生物利用废物和阶段产物作为食物和能量的来 源。这种过程一直进行到稳定的腐殖物质形成为 止。
(二)好氧堆肥化过程 好氧堆肥化从废物堆积到腐熟的微生物生化过程比较复杂， 但大致可分为以下3个阶段： (1)中温阶段，亦称升温阶段或产热阶段 堆肥初期，堆肥基本呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并 利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。它们在转换和利用化 学能的过程中，有一部分变成热能。由于堆肥有良好的保 温作用，温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧菌为 主，通常是一些无芽孢细菌。适合于中温阶段的微生物种 类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线菌。细菌特别适 应水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维 素物质具有特殊功能。
发酵滚筒构造简单，制造、安装、操作和维修 方便。具有良好的混合和搅拌功能，不仅能有 效控制发酵参数呈最佳状态，而且可将一次发 酵周期缩短到36-48h，大大提高了效率，减少 了用地面积和对环境的污染。但其缺点是运行 费用较高。
(5)筒仓式发酵仓处理工艺。筒仓式发酵仓为单 层圆筒状(或矩形)，发酵仓高度一般为4-5m。大 多采用钢筋混凝土筑成。一般采用高压离心风机 向发酵仓内强制逆风供氧，以维持仓内的好氧状 态。空气由仓底进入发酵仓，堆肥原料经过皮带 机从仓顶输入，初步发酵腐熟后由出料机从仓底 出料。它属于间歇动态好氧处理工艺。 每天从发酵仓底部把已经发酵的垃圾出料一层， 同时从仓顶均匀地输入一层生活垃圾，发酵仓内 物料依次自上而下间歇式流动，发酵腐熟过程及 热量自下而上传递，因而能够得到相对均匀一致 的发酵。发酵仓内下层垃圾温度可达65度左右， 一次发酵周期缩短。
国家 美国 日本 联邦德国 英国 法国 荷兰 比利时 瑞士 丹麦 奥地利 瑞典 澳大利亚
填埋 75 23 65 88 40 45 62 20 18 59.8 35 62
堆肥 5 4.2 3 1 22 4 9 － 12 24 10 11
焚烧 10 72.8 32 11 38 51 29 80 70 16.3 55 24
城市垃圾堆肥化处理技术的问题主要集中在两个 方面： 一个是堆肥用的原料的分类收集与分选问题。由 于中国尚未实施对城市垃圾的分类收集，垃圾中 年类杂质含量较高，除玻璃、金属、塑料外，还 包括多种有害的化学物质，直接影响堆肥化产品 的质量。
二是堆肥化设备技术水平低，特别是机械化操作方面 存在技术问题较多，难以保证堆肥化设施的长期、连 续、稳定运行。 要大力推广生物发酵法的生物复合肥技术，缩短发酵 时间，提高肥效，稳定产品质量，实现工业化生产规 模，为了大力推广高效生物复合肥和颗粒肥技术。 政府部门也要制定相应的经济政策，提倡和鼓励农业 施用有机肥料，积极扩大堆肥产品市场。
现代化堆肥生产，通常由前(预)处理、主发酵 (亦可称一次发酵、一级发酵或初级发酵)、后 发酵，亦可称二次发酵、二级发酵或次级发酵)、 后处理、脱臭及储存等工序组成。
(三)堆肥过程参数
堆肥过程就是堆肥物料在通风条件下，微生物 对物料中有机质进行生物降解的过程。因此， 堆肥过程的关键就是如何更好地满足微生物生 长和繁殖所必需的参数，其主要过程参数可归 纳如下。
(4)卧式发酵滚筒处理工艺。卧式发酵滚筒又称 Dano滚筒，该发酵装量主体设备是一个长20-35m、 直径为2-3.5m的卧式滚筒。堆肥物料从滚筒的一 端进料口进料，物料在简体内在摩擦力的作用下， 随着筒体旋转而提升，同时借助自重而跃落。通 过如此反复升落，物料被均匀地翻倒而与供入的 空气接触，并在好氧微生物的作用下进行发酵。 此外，出于筒体斜置，当物料沿旋转方向提升并 靠自重跌落时逐渐向筒体出口一端移动，这样可 实现连续进出料。滚筒旋转速度一般为0.2-1.0r ／min.。物料填充率为80％左右，筒内温度为4565度，停留时间为1-6天。
焚烧厂数量 （座） 157 1899 － 38 284 11 29 34 46 － 23 3
焚烧垃圾量 （万吨/年） 1369 3086 － 180 200 170 132 170 145 － 140 35
(二)好氧堆肥化工艺过程
1)自然通风静态堆肥工艺。 该工艺是一种最简单的堆肥方式，将堆肥的物料在场 地上堆成高2米左右，料堆形状一般是长条状，也可结 合场地堆成其他形状。这种堆肥方式与敞开式自然堆 积相似，内部常处于受压状态，外面的空气常不能扩 散到肥堆内部而使其呈压氧状态，臭味大，发酵不够 度分，不均匀，发酵周期较长，需3-6个月以上。
（3）机械堆条形（垛式）发酵工艺。在条垛式堆 肥化系统中，物料以垛状堆置 ，可以排列成多条 平行的条垛。在大规模的条垛系统中，对垛的翻 动通过可移动翻堆设备来进行。条垛的断面形太 可以是长方形、不规则四边形和三角形，其形状 因设备而异。这种方式效率比较高，大部分堆肥 是以这种方式生产的，可机械化操作、成本低、 效率高。但其占地面积大。 对于湿度较高的有机物，应掺入部分干燥回流的 堆肥产物，可改善其物理性状，促进空气交换。 也可加入秸杆等调理剂，同脱水污泥进行混合。
(2)强制通风式固定垛发酵工艺。为克服自然通 风静态堆肥堆体内经常出现供氧不足的缺点，一 般在料堆底部沿着长度方向设置通风管或通风槽， 由高压离心风机根据堆体的发酵状况强制通风。 由于通过控制鼓风量能够对堆体的需氧量和含水 量实现一定程度的控制，强制通风静态推肥的发 酵周期比自然通风静态堆肥明显缩短，采用通风 静态堆肥的一次发酵的时间可缩短到10-20天。通 风静态堆肥多为非露大堆肥场，国内常用的一种 仓式静态通风堆肥工艺流程。
一、堆肥化技术的发展 在现代堆肥化技术的发展过程中也曾经出现过 低谷。例如，20世纪70年代初期，日本采用堆肥 化技术处理的城市生活垃圾量大幅度减少，许多 堆肥厂陆续停产倒闭。其原因是工业化的高速发 展将大量的有毒化学物质和高分子塑料带人城市 垃圾中，严重影响了堆肥化产品的质量。美国的 堆肥化产品也在相当长一段时期由于销路不广而 发展缓慢。
堆肥化技术发展缓慢的原因，可以归纳为以下几 个方面： (1)堆肥的有效肥料成分含量较低；初级堆肥化 产品中的氮、磷和钾含量分别仅为0.5％-1.1％、 0.3％-0.7％和0.3％-0.6％，在肥效上无法与化 肥竞争；
(2)堆肥属于缓效性肥料，需要使用相当长的时 间才能见效，其主要的作用在于保持地力和提高 农产品的质量，在提高产量方面则不如化肥明显。 即使经过精细分选颗粒肥料中也仍然含有一定数 量的碎玻璃、金属、废塑料等杂物，可能会造成 一些田间操作的困难。再者，如果施用发酵不完 全的末腐熟堆肥，残余有机物在土壤中分解会造 成植物根部缺氧，而导致减产或更严重的危害。
(2)高温阶段，当堆肥温度升到45度以上时，发 酵进入高温阶段。在这阶段，嗜温性微生物受到 抑制甚至死亡，嗜热性微小物逐渐代替了嗜温性 微生物的活动，堆肥中残留的和新形成的可溶性 有机物质。
有机物继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤 维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。通常， 在50度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度时，真菌几乎完全停止活动， 仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度达到70以 以上时，对大多数嗜热性微生物己不适宜，微生 物大量死亡或进入休眠状态。
(3)由于堆肥化对固体废物的减量化效果不高， 处理后产物体积仍较大，需要较大的堆存场地和 较高的运输费用。堆肥化产品施用时的工作量大， 有明显的臭味，与现代化农业的需要有一定的距 离。
随着科学技术的进步和人们对废物资源化要求的逐步提高， 城市垃圾的堆肥化又重新受到注目。 针对上述传统堆肥化技术所存在的问题，相应的技术和设 备得到了开发和应用。破碎及分选技术与设备的改进，在 客观上提供了高品质堆肥连续化生产的可能性。 应用了新兴的颗粒肥料生产技术，除在原有技术上增加了 对杂物的精细分离外，还通过添加必要的肥料成分使之形 成统一的产品标准，并最终制作成便于运输和施用的颗粒 形状。这些技术和设备的改进，使得垃圾堆肥的商品化又 前进了一大步。但是，这些设施目前的建设投资与运行费 用仍旧较高。