快速堆肥发酵过程及控制

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。堆肥基本特点水热原料堆肥产品有机质矿物质水微生物有机质矿物质水微生物堆肥生物链有机废弃物初级消费者第三消费者次级消费者蜈蚣、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、蚯蚓等畜禽粪便、树叶、草枝、食品垃圾等堆肥中的微生物表2-1好氧堆肥期间的微生物群体微生物升温阶段（堆温＜40℃）高温阶段（40—70℃）降温阶段（70℃到冷却）物种检验数量嗜温细菌10810610116喜温细菌1041091071喜温放线菌10410810514嗜温霉菌10610310518喜温霉菌10310710616单位：个数/每克湿堆肥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4d9d13d20d24d28d32d38d43d45d4-4:1++4-4:2++4-9:1+++4-13:1+++++++4-9:2++13-13:1++13-13:2++13-20:1+++20-45:1+++++++20-45:2+++++++++++++24-45:2++++++++24-45:3+++++++24-45:1+++++++++++43-45:1+++注：+++，strong；++，substantial；+，recognizable；nomark，notrecognized.STCM堆肥微生物变化堆肥阶段微生物类型拉丁名（相似性）中文名初期S（0-4d）4-4:1Leuconostocparamesenteroides(97.4%)类肠膜明串珠菌4-9:1Pediococcusacidilactici(98.2%)乳酸片球菌4-4:2Staphylococcuspiscifermentans(99.1%)葡萄球菌4-13:1Bacillusbadius(99.3%)栗褐芽胞杆菌高温期T(4-13d)4-13:1Bacillusbadius(99.3%)栗褐芽胞杆菌4-9:2Bacillussp.(99.1%)芽胞杆菌属13-13:1Virdibacillusproomii(94.7%)枝芽胞杆菌13-20:1Gracilibacillushalotolerans(94.4%)薄壁芽胞杆菌13-13:2Corynebacteriumurealyticum(95.3%)解脲棒杆菌堆肥微生物变化降温期C（13-32d）24-45:1SphingobacteriumMultivorum(83.4%)多食鞘氨醇杆菌24-45:2Alloiococcusotitis(90.0%)耳炎差异球菌24-45:3Clostridiumfervidus(88.2%)热梭菌20-45:1Cl.Filimentosum(85.6%)梭菌20-45:2Alcaligenessp.NKNTAU(91.4%)产碱菌腐熟期M（32-45d）24-45:1SphingobacteriumMultivorum(83.4%)多食鞘氨醇杆菌24-45:2Alloiococcusotitis(90.0%)耳炎差异球菌24-45:3Clostridiumfervidus(88.2%)热梭菌20-45:1Cl.Filimentosum(85.6%)梭菌20-45:2Alcaligenessp.NKNTAU(91.4%)产碱菌43-45:1Arthrobactersp.(86.4%)节杆菌属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灭菌时间（分钟）微生物50℃55℃60℃65℃70℃内阿米巴属5蛔虫卵607布鲁氏菌603棒状杆菌454沙门氏菌304埃希氏菌属大肠菌605微球菌20肺结核分支杆菌20病毒25几种常见病菌与寄生虫的死亡温度名称死亡情况名称死亡情况沙门氏伤寒菌46℃以上不生长；55～60℃，30分钟内死亡血吸虫卵53℃，1天死亡沙门氏菌属56℃1小时内死亡，60℃，15～20分钟死亡蝇蛆51-56℃，1天死亡志贺氏杆菌55℃，1小时内死亡霍乱产弧菌65℃，30天死亡大肠杆菌绝大部分，55℃，1小时死亡；60℃，15～20分钟死亡炭疽杆菌50-55℃，60天死亡阿米巴涂50℃；3天死亡；71℃，50分钟内死亡布氏杆菌55℃，60天死亡美洲钩虫45℃，50分钟内死亡猪丹毒杆菌50℃，15天死亡流产布鲁氏菌61℃，3分钟内死亡猪瘟病毒50-60℃，30天死亡酿脓链球菌54℃，10分钟内死亡口蹄疫病毒60℃，30天死亡化脓性细菌50℃，10分钟内死亡小麦黑穗病菌54℃，10天死亡结核分枝杆菌66℃，15～20℃分钟内死亡67℃，死亡稻热病菌51-52℃，10天死亡牛结核杆菌55℃，45分钟内死亡麦蛾卵60℃，5天死亡蛔虫卵55～60℃，5～10天死亡二化螟卵55℃，3天死亡钩虫卵50℃；3天死亡小豆象虫60℃，4天死亡鞭虫卵45℃；60天死亡绕虫卵50℃，1天死亡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。微粒的半径（cm）到达（T-T0）/（T1-T0）=0.9所需的时间（h）10.110102040502501001000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堆肥实际时间方法范围典型后熟时间传统沤肥6个月到2年1年条垛式-翻堆1-4个月2个月1-2个月静态通气堆3-5周4周1-2个月转鼓发酵3-8天2个月筒仓发酵1-2周2个月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燃料动力16.07原材料129.28工资6.5包装40折旧10.76维修4.87管理7.82合计215.30单位:元/吨典型堆肥厂成本分析养分损失处理有机质损失（%）全氮损失（%）第120天的牛粪堆肥不翻堆用铲斗装载机翻堆每两周翻1次每周翻2次第150天的家禽堆肥不翻堆用铲斗装载机翻堆每两周翻1次每周翻2次70787380757979885160536472767886出自：Brinton,1998环境影响堆肥过程最少人为干预条垛系统强制通风系统（堆肥前后变化量%）体积减少挥发性固体平均甲烷释放排放量（ppmv）551228,744732222355153ppmv(单位体积的百万分率)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、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条件合理范围最佳范围碳氮比(c/n)20:1-40:125:1-30:1水分含量40-65%50-60%氧气浓度大于5%远大于5%颗粒直径(直径以cm计)0.32-1.27可变*pH5.5-9.06.5-8.0温度(℃)43.3-65.554.4-60*依特定的物料、堆体大小和天气条件而变。生物可降解性某些有机基质的可降解性基质降解性（挥发性固体比例%）垃圾（总有机组份）43-54庭园修剪废弃物66鸡粪68牛粪28垃圾66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废弃物料典型的化学成分参考文献碳水化合物(C6H10O5)X蛋白质C16H24O10N4脂肪和油C50H90O6污泥原始C22H39O10N混合C10H19O3NMcCarty1垃圾（总有机成分）C64H104O37NHaugetal.2木材C295H420O186NCorey3草C23H38O17NCorey3生活垃圾C16H27O8NCorey3食物垃圾C18H26O10NKayhanian和Tchobanoglous4纸屑C266H434O210NKayhanian和Tchobanoglous4场院垃圾C27H38O16NKayhanian和Tchobanoglous4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：1xC6H10O5+6O2=6CO2+5H2O1626(32)则纤维基质的需氧量估计为：x=6(32)/162=1.185gO2/gBVS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:26.7g干空气/gds基质说明干燥所需的空