第三章 固体废物的农业利用 第一节 固体废物的堆肥化 第二节 粉煤灰的农业利用

第一节 固体废物的堆肥化 一、堆肥化的概念及其发展历史 二、堆肥的基本原理

一、堆肥化的概念及其发展历史 堆肥化的概念: 堆肥化就是在人工控制下，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，将有机物转变为肥料的过程。在这种堆肥化过程中，有机物由不稳定状态转化为稳定的腐殖质物质，对环境尤其土壤环境不构成危害，而把堆肥化的产物称为堆肥。

堆肥化的发展历史: 堆肥化过程虽然是在本世纪才发展起来的科学技术，但原始的堆肥方式很早就出现了，在几个世纪的历史过程中，农民们一直将这种办法用于制造土壤有机肥料。 现代的堆肥化过程就是在这种原始的堆肥方式发展而来，最早的用于混合固体原料的堆肥化方法是由印度的爱德华·霍华德在1925年提出的，混合物料主要是由垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸秆和其他一些有机物料组成。 20世纪30年代初，在丹麦出现了Dano(丹诺)堆肥装置。其装置采用卧式生物发酵筒。发酵筒在水平方向上呈倾斜放置。发酵筒直径为2.74-3.66m，长约45.72m。筒内物料一般不装满。堆料从一端进人，再从另一端排出。这种发酵装置在70年代初最为流行。目前世界上约有150多家这样的工厂。

我国自古以来就有成熟的积肥制肥工艺。随着农业生产力大幅度提高，化肥投人量不断增大，在造成的环境污染日趋加重的同时，由于逐渐丧失了传统农业中有机肥的投入，致使土壤肥力大幅度下降。

二、堆肥的基本原理 堆肥的基本原理 有机固体废物是堆肥微生物赖以生存、繁殖的物质条件，由于微生物生活时有的需要氧气，有的不需要氧气，因此，根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，有机废物处理可分为好氧堆肥法 (高温堆肥)和厌氧堆肥法两种。前者是在通气条件下借好氧性微生物活动便有机物得到降解，由于好氧堆肥温度一般在50-60℃，极限可达80-9O℃，故亦称为高温堆肥。后者是利用微生物发酵造肥。

1.高温堆肥（好氧） 好氧堆肥是在无氧条件下，借好氧微生物（主要好厌氧菌）的作用来进行的。

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

主要生物化学反应:

2.厌氧堆肥 厌氧堆肥是在无氧条件下，借厌氧微生物（主要是厌氧菌）的作用来进行的。

主要生物化学反应:

三、堆肥工艺流程 堆肥工艺程序 堆肥化技术采用厌氧的野外堆积法，这种方法占地大、时间长。现代化的堆肥生产一般采用好气堆肥工艺，它通常由前处理、主发酵(一次发酵)、后发酵 (二次发酵)、后处理及贮藏等工序组成。

1.前处理 在以家畜粪尿、污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和C/N比，或者添加菌种和酶。但以城市生活垃圾为堆肥原料时，由于垃圾中含有大块的和非堆肥物质，因此有破碎和分选前处理工艺。通过破碎和分选，去除非堆肥物质，调整垃圾的粒径。

去除非堆肥物质的理由 a．如不去除，会使发酵仓容积增大； b．传送装置或翻堆搅拌装置可能会被纤维、 绳子缠卷或被竹、金属等绞入而影响操作； c．非堆肥物质妨碍发酵过程； d．非堆肥物质虽然也可在后处理工序去除，但干电池等物质里所含的重金属一旦混人堆肥原料，就不能在后处理时选出，而混到成品堆肥中。

调整粒径的理由 通过破碎可使原料水分一定程度地均匀化，同时破碎使原料比表面积增大，微生物侵蚀的速度就加快，可提高发酵速度。

2.主发酵 (一次发酵) 主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻推或强制通风向堆积层或发酵装置内供给氧气。在露天堆肥或发酵装置内堆肥时，由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵。首先是易分解物质分解，产生CO2和H2O，同时产生热量，使堆温上升，这些微生物吸取有机物的碳氮营养成分。在细菌自身繁殖的同时，将细胞中吸收的物质分解而产生热量。 发酵初期物质的分解发酵作用是靠中温菌 (30~40℃是为量适宜生长温度)进行的，随着堆温上升，最适宜温度45~65℃的高温菌取代了中温菌。在此温度下，各种病原菌均可被杀死 (表2-2)。一般将温度升高到开始降低为止的阶段称为主发酵阶段，以生活垃圾为主体的城市垃圾及家畜粪尿好氧堆肥，主发酵期约为3~10d。

3.后发酵 经过主发酵的半成品被送到后发酵工序，将主发酵工序尚未分解的易分解有机物和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。一般把物料堆积到1~2m高，进行后发酵，并要有防止雨水流人的装置。有的场合还需要翻堆和通风，通常不进行通风，而是每周进行一次翻堆。 发酵时间的长短，决定于堆肥的使用情况。例如，堆肥用于温床(能够利用堆肥的分解热)时，可在主发酵后直接使用；对几个月不种作物的土地，大部分可以不进行后发酵而直接施用堆肥；对一直在种作物的土地，则需要使堆肥进行到不能发生夺取土壤氮的程度，后发酵时间通常在20~30d以上。

4．后处理 经过两次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变形，数量减少了。然而，城市生活垃圾堆肥时，在预分选工序没有去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等物依然存在。因此，还需要经过一道分选工序，去除杂物，并根据需要进行再破碎 (如生产精制堆肥)。

5．脱臭 部分堆肥工艺和堆肥物在堆制过程和结束后，会产生臭味，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭，碱水和水溶液过滤，熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤。在露天堆肥时，可在堆肥表面覆盖熟堆肥，以防止臭气逸散。较为多用的除臭装置是堆肥过滤器，当臭气通过该装置，恶臭成分被堆肥 (熟化后的)吸附，进而被其中好氧微生物分解而脱臭，也可用特种土壤代替堆肥使用，这种过滤器叫土壤脱臭过滤器。

6．贮藏 堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就必须积存，所以要建立贮存六个月生产量的设备。贮存方式可直接堆存在发酵池中或袋装，要求干燥而透气，闭气和受潮会影响制品的质量。

四、堆肥的影响因素 影响堆肥的因素很多，归纳起来主要有下面几方面。 1．有机质含量 2．水分 3．温度 4．碳氮比 5．C/P 6．pH值

1．有机质含量 对于快速高温机械化堆肥而言，首要的是热量和温度间的平衡问题。有机质含量低的物质发酵过程中所产生的热将不足以维持堆肥所需要的温度，并且产生的堆肥由于肥效低而影响销路，但过高的有机物含量又将给通风供氧带来影响，从而产生厌氧和发臭。研究表明，堆肥中合适的有机物含量约为20%~80%之间。

2．水分 水分为微生物生长所必需，在堆肥过程中，按重量计，50%~60%的含水率最有利于微生物分解，水分超过70%，湿度难以上升，分解速度明显降低。因为水分过多，使堆肥物质粒子之间充满水，有碍于通风，从而造成厌氧状态，不利于好氧微生物生长并产生H2S等恶臭气体。水分低于40%不能满足微生物生长需要，有机物难以分解。

3．温度 对堆肥而言，温度是堆肥得以顺利进行的重要因素，温度的作用 主要是影响微生物的生长，一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌，现在的快速、高温、好氧堆肥正是利用了这一点。初堆肥时，堆体温度一般与环境温度相一致，经过中温菌1~2d的作用，堆肥温度便能达到高温菌的理想温度50~65℃，在这样的高温下，一般堆肥只要5~6d即可达到无害化。过低的堆温将大大延长堆肥达到腐熟的时间，而过高的堆温 (>70℃)将对堆肥微生物产生有害的影响。

4．碳氮比 C/N比与堆肥温度有关，原料C/N比高，碳素多，氮素养料相对缺乏，细菌和其他微生物的发展受到限制，有机物的分解速度就慢、发酵过程就长。如果碳氮比例高，容易导致成品堆肥的碳氮比过高，这样堆肥施人土壤后，将夺取土壤中的氮素，使土壤陷入“氮饥饿”状态，会影响作物生长。若碳氮比低于20:1，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则氮将变成铵态氮而挥发，导致氮元素大量损失而降低肥效。 为了保证成品堆肥中一定的碳氮比(一般为25~35:1)和在堆肥过程中有理想的分解速度，必须调整好堆肥原料的碳氮比(生活垃圾碳氮比一般在24:1左右)。一般调整的方法是加人人粪尿，牲畜粪以及城市污泥等。表2-3所示的有机废物的氮含量和碳氮比均较低，用来调整堆肥原料的碳氮比能收到较理想的效果。

5．C/P 磷是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能ATP的重要组成成分，一般要求堆肥料的C/P在75~150为宜。

6．pH值 pH值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。pH值是一个可以对微生物环境作为估价的参数，在整个堆肥过程中，pH值随时间和温度的变化而变化。在堆肥初始阶段，由于有机酸的生成，pH值下降(可降至5.0)，然后上升至8~8.5左右，如果废物堆肥成厌氧状态，则pH值继续下降。此外，pH值也会影响氮的损失，因pH值在7.0时，氮以氨气的形式逸人大气。但在一般情况下，堆肥过程中，pH值有足够的缓冲作用，能便pH值稳定在可以保证好氧分解的酸碱度水平。

五、堆肥的工艺参数和质量标准 1．堆肥工艺参数 堆肥工艺参数包括一次发酵和二次发酵工艺参数。 (1)一次发酵主要参数 含水率：45%-60%；C/N比：25/1-35/1；温度：55-65℃；周期：3-10d。 (2)二次发酵工艺参数 含水率<40%；温度<40℃；周期<30-40d 2．堆肥质量标准 (1)一次发酵终止指标 无恶臭；容积减量25%-30%；水分去除率10%；C/N比：15/1~20/1。 (2)二次发酵终止指标 堆肥充分腐熟；含水率<35%；C/N比：<20/1；堆肥粒度<l0mm。

六、废物堆肥化设备及实例分析 1. 废物堆肥化设备及工艺系统 废物堆肥化按设备流程包括下述系统：进料供料设备→预处理设备→一次发酵设备→二次发酵设备→后处理设备→产品细加工设备。 （1）供料进料设备 （2）堆肥化设备 （a）几种发酵装置示意图： （b）多段竖炉式发酵塔 （c）筒仓式发酵仓 （d）水平（卧式）发酵滚筒

2. 国内100t/d生活垃圾处理厂工艺系统实例 1986年，同济大学和无锡市在垃圾好氧堆肥的中试基础上共同研究，开发设计了我国第一座比较现代化的高温好氧堆肥系统无锡100t/d生活垃圾处理实验厂。 无锡垃圾处理厂机械设计共分3个组成部分：①受料预分选机组；②发酵进出料机组；③精分选机组。几种主要机械的设计参数如下：

（1）板式布料机 链板：长6m，宽1. 2m；链板速度：0. 0025~0. 15m/s；生产能力：50m3/h；功率：7 （1）板式布料机 链板：长6m，宽1.2m；链板速度：0.0025~0.15m/s；生产能力：50m3/h；功率：7.5Kw；功能：使汽车的集中来料变成均匀给料。 （2）高效复合筛分破碎机 双层滚筒筛尺寸：Φ1420×Φ1710×6000（mm）；内筒筛孔Φ40mm，外筒筛孔Φ13mm；筛筒转速：5~18rpm范围内无级转速；额定处理量：20~25t/h；功率：滚动筒7.5Kw；破碎机30Kw；功能：筛除＞40mm为不可堆肥物；粒径小于40mm大于12mm可堆肥物经立锤破碎机粉碎至＜12mm；细筛产生粒径小于12mm粒径可堆肥物。

（4）进料桥式小车 包括2条4.0mm横向进料皮带。总功率：7.4Kw；功能：为一次发酵池进料用。 （3）组合式振动格筛（粗分选机） 功能：去除＞60mm的粗大物；尺寸：2500×1200（mm）；功率：3Kw；能力：16t/h。 （4）进料桥式小车 包括2条4.0mm横向进料皮带。总功率：7.4Kw；功能：为一次发酵池进料用。 （5）螺杆出料机 螺杆长度：4.5m，直径0.3m；能力：100t/6h；总功率：9Kw；功能：为一次发酵池出料用。 垃圾堆肥化处理工艺的完善，在很大程度上依赖于机械设计的正确和设备运输的正常。各城市的垃圾结构差异差较大，不可能有普遍适用的机械设备。每个垃圾厂的机械设计必须依据垃圾结构不同而进行组合，得出比较符合工艺要求的机械设计流程。

第二节 粉煤灰的农业利用 一、粉煤灰的改土与增产作用 二、粉煤灰肥料

一、粉煤灰的改土与增产作用 1. 粉煤灰的孔度与土壤性能的关系 2. 施灰对土壤机械组成的影响 3. 粉煤灰对土层温度的影响 1. 粉煤灰的孔度与土壤性能的关系 2. 施灰对土壤机械组成的影响 3. 粉煤灰对土层温度的影响 4. 粉煤灰的增产作用

1. 粉煤灰的孔度与土壤性能的关系 作物生长的土壤需有一定的孔度，而适合植物根部正常呼吸作用的土壤孔度下限量是12～15％。低于此值，将导致作物减产。粉煤灰中的硅酸盐矿物和炭粒具有多孔性，是土壤本身的硅酸盐类矿物所不具备的。此外，粉煤灰粒子之间的孔度，一般也大于粘结了的土壤的孔度。 粉煤灰施人土壤，除其粒子中、粒子间的孔隙外，粉煤灰同土壤粒子还可以连成无数“羊肠小道”，为植物根吸收提供新的途径，构成输送营养物质的交通网络。粉煤灰粒子内部的孔隙则可作为气体、水分和营养物质的“储存库”。

植物生长过程所需要的营养物质，主要是通过根部从土城币获得，并且是以水溶液的形式提供的。土壤中溶液的含量及其扩散运动都与土壤内部各个粒子之间或粒子内部孔隙的毛细管半径有关。毛细管半径越小，吸引溶液或水分的力越大，反之亦然。这种作用，使土壤含湿量得到调节。如果将粉煤灰施人土壤，能进一步改善土壤的这种毛细管作用和溶液在土壤内的扩散情况，从而调节了土壤的含湿量，有利于植物根部加速对营养物质的吸收和分泌物的排出，促进植物正常生长。

2. 施灰对土壤机械组成的影响 粘质土壤惨入粉煤灰，可变得疏松，粘粒减少，砂粒增加。盐碱土掺人粉煤灰，除变得疏松外，还可起到抑碱作用。例如某盐碱土壤，春播前容重为1.26，每亩施粉煤灰2×104kg，秋后容重降到1.01,与肥沃土壤容重相近。

3. 粉煤灰对土层温度的影响 粉煤灰所具有的灰黑色利于其吸收热量，施入土壤，一般可使上层提高温度1~2℃。据报导，每亩施灰1250kg，地表温度16℃，每亩施灰5×103kg，地表温度17℃。土层温度提高，有利于微生物活动、养分转化和种子萌发。

4. 粉煤灰的增产作用 一些试验和生产实践表明，不同土壤合理施用符合农用标准的粉煤灰都有增产作用。一般以亩施5×104kg增产效果较好。不过，砂质土壤施灰，增产不明显，生荒地施灰增产明显，粘土地增产最明显。作物品种不同，增产效果不同：蔬菜增产效果最好，粮食作物增产比较好，其他经济作物也有增产作用，但不十分稳定。

二、粉煤灰肥料 1．粉煤灰硅钾肥 2．粉煤硅钙钾肥 3．粉煤灰磁化肥 4．粉煤灰磷肥

1. 粉煤灰硅钾肥 以粉煤灰作硅源，配加一定比例的氢氧化钾，在700～800℃锻烧，可制备粉煤灰硅钾肥（K2SiO3）。此种肥料，含有作物生长所需的硅和钾元素。K2SiO3是一种构溶性物质，只能溶于20％的枸溶性酸中。植物根部恰恰能分泌出枸溶酸，可以使K2SiO3溶解供植物在较长时间内均衡地吸收，因而吸收率比较高。

2. 粉煤硅钙钾肥 利用电厂旋风炉，在煤粉中掺入一部分钾盐，可以一步生产出适于水稻生长需要的粉煤灰硅钙钾肥。此种肥料能明显地增强水稻抗病、抗旱、抗倒伏性能，有利于提高稻谷品质，缩短成熟期，增产效果一般为10％左右。

3. 粉煤灰磁化肥 以粉煤灰为原料，按不同作物和上壤的需要，配加一定比例的N、P、K成分，在强滋场内处理，可以制得粉煤灰磁化肥。此种肥料具有调节生物生长的磁性，能够刺激作物生长、活化土壤并改善其结构，因而获得作物增产。其施用量不大，一般等同于普通商品化肥。

4．粉煤灰磷肥 利用电厂旋风炉，在煤粉中掺入一定比例的磷灰石粉，经过高温锻烧和急冷处理，最后再经粉碎，可制得粉煤灰磷肥。此种肥料的主要营养成分为Ca4P2O9，也具有拘溶性。其中除含有硅、钙、磷、钾外，还含有植物生长所需的微量元素，对作物、蔬菜、食用菌类都有增产效果。