2.4 污泥堆肥影響因素及原輔料配比

2.4.1 污泥堆肥主要影響因素

城市污泥堆肥好氧發(fā)酵的實(shí)質(zhì)是堆肥微生物對其中有機(jī)物的降解作用。在整個堆肥過程中，影響堆肥腐熟化進(jìn)程的重要因素有含水率、C/N、通風(fēng)方式、溫度和pH值等。

2.4.1.1 堆體溫度

對污泥堆肥化過程來說，要使堆肥好氧發(fā)酵順利進(jìn)行必須將溫度控制在合適的范圍內(nèi)，溫度的高低對微生物的生長繁殖和生物活性有重要影響，而微生物分解大量有機(jī)物的同時會釋放出大量熱量，推動堆肥物料溫度的不斷上升。因此溫度決定了堆肥發(fā)酵反應(yīng)速率的快慢，是評判堆肥腐熟程度的最關(guān)鍵因素之一。

污泥堆肥化過程始終和溫度變化緊密聯(lián)系，一般在堆肥初期，堆體微生物以嗜溫菌為主，其最適宜的生長溫度是20～40℃；由于嗜溫菌的作用，使堆體的溫度迅速上升，進(jìn)而由嗜熱菌取代其參與反應(yīng)，嗜熱菌的最適生長溫度為45～55℃，使反應(yīng)溫度進(jìn)一步上升為60～70℃, 60℃左右時堆肥發(fā)酵反應(yīng)速度最快，不僅大量降解污泥中的有機(jī)污染物、纖維素和木質(zhì)素生成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)，還可以殺死有害微生物等，使污泥無害化、穩(wěn)定化；同時加速堆肥物料的水分蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)污泥減量化。因此，一般的污泥堆肥采用高溫堆肥。

2.4.1.2 堆肥含水率

在污泥堆肥過程中，微生物分解和吸收固體廢物中有機(jī)物和營養(yǎng)物質(zhì)，從而合成微生物細(xì)胞物質(zhì)，水分是必不可缺少的。堆肥物料中水分的作用體現(xiàn)在兩個方面，一方面由于微生物分解有機(jī)物需要足夠的水分，所以合適的含水率能促進(jìn)微生物的新陳代謝；另一方面是當(dāng)水蒸發(fā)的時候有利于熱量的散失，對堆肥堆體的溫度起調(diào)控作用。水分的多少，直接影響好氧堆肥發(fā)酵反應(yīng)速度的快慢，影響堆肥腐熟的質(zhì)量，因此對含水率的控制十分重要。污泥堆肥的初始物料的最佳含水率為55%～60%。若含水率太高，氣體交換的空間相對較小，阻礙空氣流通，使堆體出現(xiàn)局部厭氧狀態(tài)，不僅會降低腐熟化速度，產(chǎn)生腐臭氣味；同時造成堆肥中營養(yǎng)物質(zhì)的大量損失，不利于堆肥的正常進(jìn)行。含水率太低，微生物的活性下降，有機(jī)物的分解速率會降低，有研究表明，當(dāng)含水率在35%～40%之間時，堆肥微生物的降解速率顯著下降，水分下降到30%以下時，降解過程會基本停止。

污泥堆肥過程中，隨著時間的推移，堆體溫度逐漸升高，物料中的水分不斷蒸發(fā)，從而降低堆肥物料中的水含量。一般來說，污泥堆肥好氧發(fā)酵過程中，堆體水分的快速蒸發(fā)發(fā)生在前10～15d；之后，隨著堆肥堆體的溫度下降，水分蒸發(fā)速度也逐漸減慢。當(dāng)堆體含水率不能使堆肥順利進(jìn)行的時候，可以向堆體添加一定比例的濕輔料或均勻噴灑水來調(diào)整。若堆肥物料含水率高于最佳值時，一般需要添加調(diào)理劑如菌菇渣、秸稈粉、鋸末、花生殼等降低其含水量。

研究結(jié)果表明，污泥堆肥好氧發(fā)酵過程能夠有效地殺滅大部分病原微生物，但不同的污泥含水率卻存在很大差異，結(jié)果見表2-9。

因此，保持適當(dāng)堆肥物料的水分和孔隙率是促進(jìn)堆肥過程順利進(jìn)行的主要手段。要保證足夠的生物穩(wěn)定性，必須有足夠的水分含量，但不能高到由于自由通氣孔隙減少而導(dǎo)致氧氣傳輸量下降或缺氧的狀態(tài)，進(jìn)而降低生物活性。另外，適當(dāng)?shù)乃趾妥杂赏饪紫读坑欣谏a(chǎn)干燥的堆肥產(chǎn)品，易于儲存和運(yùn)輸。當(dāng)然在實(shí)際操作過程中是不可能使所有的控制因素同時達(dá)到最佳狀態(tài)的，需要相互協(xié)調(diào)。

2.4.1.3 通風(fēng)條件

污泥堆肥好氧發(fā)酵過程中，氧的供應(yīng)是調(diào)節(jié)污泥發(fā)酵速率的主要因素。因此，通風(fēng)是污泥堆肥工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)的中心問題。實(shí)踐中常用兩種方法來保證氧的供應(yīng)。第一種方法是通過定期機(jī)械攪動翻堆來更新堆肥物料的空隙，允許空氣自然通過，以滿足好氧微生物的需氧量。第二種方法是采用鼓風(fēng)機(jī)或者通過堆肥物料的引風(fēng)方式為好氧微生物提供氧氣。如果氧氣供應(yīng)不足，一則會造成局部厭氧發(fā)酵環(huán)境，這是污泥堆肥過程中產(chǎn)生臭味的主要原因；二則延長污泥堆肥腐熟化過程。相反，如果供氧量過多（如鼓風(fēng)量過大或翻動次數(shù)太多）就會使堆肥堆體的發(fā)酵溫度偏低，而使纖維素、木質(zhì)素等難降解有機(jī)物轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)的過程不夠充分。研究表明，堆肥發(fā)酵溫度在55℃時，氧氣濃度以5%～15%為宜，而強(qiáng)制通風(fēng)量應(yīng)控制在1.5～2.0m3/（min·t干泥）左右，而在污泥堆肥后期還要增加通風(fēng)量，以減少臭氣產(chǎn)生，盡快降低堆肥物料的溫度。

污泥堆肥所需要的通風(fēng)量主要決定于污泥原料的有機(jī)物含量，揮發(fā)度（%）、可降解系數(shù)（分解效率）等。在實(shí)際計(jì)算供氧所需風(fēng)量時，可用式（2-48）計(jì)算：

式中 Qf——供氧所需的風(fēng)量，m3/min；

RO2max——發(fā)酵物料的最大好養(yǎng)速率，molO2/（cm3堆料·h）；

a——標(biāo)準(zhǔn)狀況下1mol氣體的體積，22.4L/mol；

b——b=10 -3m3/L；

c——標(biāo)準(zhǔn)狀況下，空氣中氧的百分含量。

2.4.1.4 碳氮比（C/N）

C/N是指污泥堆肥原料與輔料混合物的碳氮比，是影響微生物生長的最重要因素之一。碳是堆肥生化反應(yīng)的能量來源，同時也是微生物細(xì)胞組織合成所需的重要元素；氮元素是微生物的營養(yǎng)來源，氮元素可被微生物用來合成蛋白質(zhì)、核酸、氨基酸等細(xì)胞組成物質(zhì)。C/N比直接影響菌體的生長繁殖和酶的形成。污泥堆肥原料的理想碳氮比（C/N）為（20～35）∶1。如果初始堆肥物物料的碳氮比較高，例如鋸末、麥秸含量高，則微生物的增長繁殖由于缺氮而受到限制，影響有機(jī)物降解速度，導(dǎo)致堆肥發(fā)酵周期會相應(yīng)延長，同時氮素養(yǎng)料的不足而使微生物生命活動減弱。如果初始堆肥物料的碳氮比較低，例如牲畜糞便和污泥含量高時，可供消耗的碳素少，氮素養(yǎng)料相對過剩，則氮將變成銨態(tài)氮揮發(fā)，在高溫條件下，特別是在高的pH值和強(qiáng)制通風(fēng)供氧條件下，一部分氮就會迅速轉(zhuǎn)化為NH3而逸入大氣，導(dǎo)致氮元素養(yǎng)分大量損失而降低肥效，且污染環(huán)境。

為了保證污泥堆肥產(chǎn)品中植物所必需的營養(yǎng)組分不再堆肥發(fā)酵過程中損失，確保堆肥發(fā)酵的高效快速進(jìn)行，堆肥初始物料的綜合碳氮比，一般為（20～35）︰1，在污泥堆肥過程中要有理想的分解速度，必須按上述標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整好堆肥原料的碳氮比。一般調(diào)整的方法是根據(jù)污泥中的有機(jī)物含量和水分，在污泥中加入秸稈粉、鋸末、牲畜糞便和城市垃圾等有機(jī)固體廢物，能獲得較好的控制效果。在污泥堆肥過程中，由于微生物的作用，有近2/3的碳元素會以CO2的形式釋放出來，剩余部分與氮素一起合成細(xì)胞生物體，所以污泥堆肥化過程是一個C/N逐漸下降并趨于穩(wěn)定的過程，污泥堆肥腐熟料的C/N一般為15左右。污泥及其他堆肥C/N和原料的關(guān)系見表2-10。

另外，磷也是生物細(xì)胞核的重要元素，一般要求堆肥發(fā)酵初始物料的碳磷比（C/P）在75～150為宜。

2.4.1.5 pH值

堆肥過程中，微生物生長需要適宜的環(huán)境條件，而pH值是污泥堆肥過程的重要評估參數(shù)。一般微生物最適宜的酸堿環(huán)境是中性和微堿性，當(dāng)pH值低于5.2或高于8.8時，會引起蛋白質(zhì)的變性，如氨基、羧酸基團(tuán)的變異，改變其物理結(jié)構(gòu)，并使酶蛋白失活，導(dǎo)致堆肥發(fā)酵無法進(jìn)行。適宜的pH值范圍有利于微生物的分解作用。具體在污泥堆肥過程中，適于操作的pH值在5.2～8.8，最佳pH值應(yīng)控制在7.6～8.7之間。調(diào)節(jié)污泥的pH值可以通過如下方式進(jìn)行：通過調(diào)整碳氮比可以控制氨的產(chǎn)生量和損失量，進(jìn)而控制pH值處于合適的區(qū)間；添加輔料以防止局部厭氧發(fā)酵和有機(jī)酸的過量產(chǎn)生而導(dǎo)致pH值降低。雖然污泥堆肥堆體pH值在不斷變化，但生物能夠不斷調(diào)節(jié)以適應(yīng)堆肥發(fā)酵環(huán)境。大多數(shù)情況下，污泥堆肥過程中的微生物對環(huán)境有足夠的緩沖能力，無需人為精確調(diào)整堆肥物料的酸堿度，這是因?yàn)槲⑸锏纳L繁殖和活動可以在較寬的pH值范圍內(nèi)進(jìn)行。

2.4.1.6 有機(jī)物含量與營養(yǎng)物

有機(jī)物含量也是污泥堆肥過程中一個影響因素。當(dāng)有機(jī)物含量低時，微生物正常生長缺少足夠的營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致微生物活性不足，堆肥分解產(chǎn)生的熱量達(dá)不到堆肥的最佳溫度要求，從而影響污泥堆肥的正常進(jìn)行，并且最終堆肥產(chǎn)品的肥效較低，降低了其使用價值。當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量高于一定值時，堆體中氧氣供給將出現(xiàn)問題，嚴(yán)重時可能產(chǎn)生厭氧發(fā)酵狀態(tài)，從而不利于污泥堆肥好氧發(fā)酵的正常進(jìn)行。

有機(jī)物含量對堆肥溫度和通風(fēng)供氧都有一定程度的要求，兩者之間存在某種對應(yīng)關(guān)系，將污泥堆肥物料中的有機(jī)物含量通過選擇性添加輔料的方式控制在適當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，有利于堆肥發(fā)酵的順利進(jìn)行。研究表明，在高溫好氧堆肥中，污泥堆肥中的有機(jī)物含量在20%～60%之間最合適。當(dāng)有機(jī)物含量低于20%時，滿足不了堆肥熱能的需求，堆肥溫度太低，這將影響堆體中微生物的生長繁殖，從而使堆體中微生物的活性受到抑制，最后導(dǎo)致堆肥不能順利進(jìn)行；當(dāng)有機(jī)物含量達(dá)到60%以上時，污泥堆肥過程中有機(jī)物分解需要消耗大量氧氣，而實(shí)際供氣量難以達(dá)到微生物正常活動的需求，導(dǎo)致堆肥堆體處于厭氧狀態(tài)而產(chǎn)生難聞氣味，從而影響污泥堆肥好氧發(fā)酵的順利進(jìn)行。

污泥堆肥過程中，微生物所需的大量養(yǎng)料有碳、氮、磷、鉀，所需的微量元素有鈣、銅、錳、鎂等元素。值得注意的是，污泥堆肥原料中存在一定量的微生物不可利用的營養(yǎng)物質(zhì)，這些物質(zhì)難以被生物降解，殘留在堆肥腐熟料中。

2.4.1.7 粒徑

污泥堆肥物料中有機(jī)物的分解過程主要發(fā)生在顆粒的表面或接近顆粒表面的地方，由于氧氣可以擴(kuò)散進(jìn)入包裹顆粒的水膜，所以這些地方有足夠的氧氣保證微生物有氧代謝的需求。

在相同體積或質(zhì)量的情況下，小顆粒要比大顆粒有更大的表面積。所以如果供氧充足，小顆粒物料一般降解快一些。實(shí)驗(yàn)證明堆肥物料加以粉碎后，可以將降解速率提高2倍以上。污泥堆肥中，一般應(yīng)控制顆粒粒徑為1.3～7.6mm，這個區(qū)間的下限適用于通風(fēng)或連續(xù)翻堆的污泥堆肥系統(tǒng)；上限適用于靜態(tài)堆垛或其他靜態(tài)通風(fēng)污泥堆肥系統(tǒng)。對濕基質(zhì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整時，調(diào)理劑粒徑大小的影響也非常重要。如果調(diào)理劑粒徑過小，堆肥物料難以達(dá)到預(yù)期的自由通氣孔隙，并可能使混合基質(zhì)固相空隙狀態(tài)不易達(dá)標(biāo)。例如，有些污泥堆肥系統(tǒng)由于使用粒徑很小的稱為“木粉”的木屑，導(dǎo)致堆肥初始混合物料呈飽和泥狀，由于缺少通氣空隙而易發(fā)生厭氧反應(yīng)。為規(guī)范調(diào)理劑的使用，美國一些地方規(guī)定木屑應(yīng)不少于總固相的65%，木屑中95%可以通過12mm篩，而通過2.23mm篩的應(yīng)小于50%；有的規(guī)定粗木屑占總固相的50%、70%，木屑中95%可通過12.5mm篩，通過4.75mm的應(yīng)小于20%。同時，對粒徑大的顆粒進(jìn)行限制是為了避免最后的腐熟產(chǎn)品顆粒過大而需過篩。如果污泥堆肥產(chǎn)品應(yīng)用于園藝或在草坪、花園上施用時，粒徑一般不要大于10mm。

總之，污泥堆肥中小顆粒調(diào)理劑如木屑等易于生物降解；但從堆肥物料的微觀結(jié)構(gòu)角度來看，應(yīng)避免使用過多的小顆粒調(diào)理劑。

2.4.1.8 外加微生物菌劑

污泥中通常有發(fā)酵微生物，只要通風(fēng)等條件合適，不加菌劑也能發(fā)酵。但是，為了實(shí)現(xiàn)高效快速堆肥腐熟，必須添加菌劑。現(xiàn)實(shí)中，接種菌劑有固體和溶液兩種。為了節(jié)約污泥處理成本，也可以采用堆肥腐熟料回流施用的方式，腐熟料回流量占總堆肥體積的10%～30%即可。

2.4.2 污泥堆肥配方確定及計(jì)算

在處理污泥配料時，初始堆肥料的水分是最重要的控制指標(biāo)，因?yàn)楦咚謺l(fā)堆肥局部厭氧條件、產(chǎn)生臭氣和低分解率。相對而言，不合適的C/N影響并不嚴(yán)重，通常最好先根據(jù)水分來設(shè)計(jì)一個初始配方，然后再逐步調(diào)整，獲得一個可接受的C/N。干物料與C/N是成比例的，容易通過加水的方式來調(diào)節(jié)。

下面給出了污泥堆肥配方的計(jì)算公式，它是以干重為基礎(chǔ)計(jì)算的。

（1）單個原料計(jì)算公式：

水重量=總重量×水分含量

干重量=總重量-水重量=總重量×（1-水分含量）

氮含量=干重×含氮百分?jǐn)?shù)

碳含量=干重×含碳百分?jǐn)?shù)=氮含量×C/N

（2）污泥堆肥混合物料一般計(jì)算公式：

式中 a、b、c、…——原料a、b、c…的總重量；

Ma、Mb、Mc、…——原料a、b、c…的水分含量；

Na、Nb、Nc、…——原料a、b、c…的氮含量（干重）, %；

Ca、Cb、Cc、…——原料a、b、c…的碳含量（干重）, %。

對單個組分來講，必須知道其水分含量、氮含量（%，干重）和碳含量（%，干重）以及C/N。若要把重量轉(zhuǎn)變?yōu)轶w積或?qū)⒅亓哭D(zhuǎn)變?yōu)轶w積，則還要知道每一成分的密度。

下面給出了計(jì)算堆肥配方比例、水分和C/N的案例和步驟。對兩種原料的配方來說，如污泥和調(diào)理劑，調(diào)理劑的比例可以直接從預(yù)期C/N或水分含量求得。

針對兩種物料時的計(jì)算步驟：

（1）在預(yù)期水分含量下，單位重量原料b所需原料a的重量為

（2）在預(yù)期C/N下，單位重量原料b所需原料a的重量為

式中 a——單位重量原料b所需原料a的重量；

M——預(yù)期混合物料水分含量；

ma——原料a水分含量；

mb——原料b水分含量；

R——預(yù)期混合物C/N；

Ra——原料a的C/N；

Rb——原料b的C/N。

然后，再檢查混合物水分是否合適。但對3種或3種以上原料來說，其配方應(yīng)根據(jù)式（2-48）反復(fù)計(jì)算求得。在這種情形下，各原料的配比可先確定下來，然后計(jì)算相應(yīng)的C/N和水分，若無論是C/N還是水分均不合適，就要調(diào)整配方繼續(xù)計(jì)算，直至取得合適的C/N和水分為止。這種計(jì)算很煩瑣，若依據(jù)計(jì)算機(jī)程序則要簡單許多。