2015年季学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目：污泥好氧发酵过程复合控制技术学生所在院（系）：市政环境工程学院学生所在学科：市政工程学生姓名：邢佳学号:15B927001学生类别：博士研究生考核结果阅卷人第1页（共7页）固体废物堆肥过程中的安全控制问题及对策摘要：有机固体废弃物的处理长期以来一直受到重视，由于其含有大量的重金属 及在物质（玻璃、塑料、金属等），不能直接利用，而新鲜的有机质如果施人土壤， 在被土壤微生物分解的同时，会生成一些对植物正常生长有抑制作用的中间代产 物。因此有机固体废弃物的堆肥化处理得到普遍采用，但是堆肥后的产物性质是 否稳定。以及是否达此，堆肥安全性一直是阻碍堆肥应用的关键问题。本文就堆 肥安全性控制做出如下概括说明。关键词：固体废物；堆肥；安全控制；腐熟度；重金属1. 堆肥的原理1.1堆肥的基本原理堆肥化（composting）是在微生物作用下通过高温发酵使有机物矿质化、腐殖化和无害 化而变成腐熟肥料的过程，在微生物分解有机物的过程中，不但生成大量可被植物吸收利用 的有效态氮、磷、钾化合物，而且又合成新的高分子有机腐殖质，它是构成土壤肥 力的重要活性物质。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被微生物 所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性 物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命代活动，进行分解代（氧化还原过程）和合成代 （生物合成过程）把一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 的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。 可以用图1.1简要的说明这种过程：图1.1有机物的好氧堆肥分解下列方程式反映了堆肥中有机物的氧化和合成1,2,3（1）有机物的氧化不含氮的有机物（CxHyOz）CxHyOz+（x+1/2y-1/2z）O2=xCO2+1/2yH2O+能量含氮有机物（CsHtNuOv aH2O）CsHtNuOv aH2O+bO2=CwHxNyOz cH2O （堆肥）+dH2O（气）+cH2O （水）1.2堆肥的微生物变化过程城市生活垃圾堆肥的过程是一个生物化学反应的过程，不论是好氧堆肥，还是厌氧堆肥， 起主导作用的有机物质分解成为肥料、二氧化碳、水及氨气等，并释放能量。适宜于高温好 氧堆肥的微生物种类很多，主要有细菌、真菌和放线菌，有时还有酵母和原虫参加。这些微 生物来自混入垃圾的土壤、食品废物或其它有机废弃物。城市生活垃圾中一般细菌数量在 1014-1016个/千克，其中，总大肠菌和粪性大肠菌分别占10%和1%。1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，但大致可分为以下三个阶 段.(1) 中温阶段(亦称产热阶段)堆肥初期，堆肥基本呈中温，嗜温性细菌较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁 殖。它们在转化和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保温作用， 温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧型为主，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，其中最主要的是细菌。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具有特殊功能。(2) 高温阶段当堆肥温度上升到45r以上时，即进入堆肥过程的第二阶段一一高温阶段。此时，嗜温 性微生物受到抑制甚至死亡，取而代之的是一系列嗜热性微生物(真菌、放线菌等)。堆肥 中残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化，复杂的和一些难分解的有机化合物如半纤 维素、纤维素、蛋白质等也开始被逐渐分解，腐殖质开始形成，堆肥物质进入稳定状态。高 温阶段，各种嗜热性微生物的类群和种类是相互接替的，一般在50r左右进行活动的主要是 嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60r时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细 菌在活动；温度上升到70r以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进 入休眠状态，除一些孢子外，所有的病原微生物都会在几小时死亡，其它种子也被破坏。与细菌的生长繁殖规律一样，根据微生物的活性，可将其在高温阶段的生长 过程分为三个时期： 对数增长期：这一时期，嗜热性微生物处于对数增长期，营养过剩，其活性增长速度与 有机物浓度无关，仅与温度及供氧量有关。 减速增长期：在易分解和部分较难分解有机物不断消耗和新细胞不断合成后，堆肥中有 机物含量急剧下降，直至有机物不再过剩，且成为微生物进一步生长的限制因素，嗜热性微 生物便从对数增长期过度到减速增长期。此时，微生物增长速度将直接与剩下的营养物浓度 成正比。 源呼吸期：此时继续通入空气，微生物仍不断地进行代活动，但因堆肥中易分解和部分 较易分解有机物几乎耗尽，微生物的代进入源呼吸期，虽然在有机物充足时源呼吸也存在， 但细胞的合成远大于消耗，故其表现不明显，而在源呼吸期则不然，因为此时微生物已不能 从其周围环境中获得足够的能量以维持其生命，于是开始显著地代自身细胞的营养物质，随 后，微生物在维持其生命中逐渐死亡，细胞部分酶开始分解细胞壁某些部分，营养物质便离 开细胞本体向外扩散，以提供给活着的微生物较多营养，此时，细胞的生长虽没有完全停止， 但被细胞的分解率所超越，致使微生物数量减少，由于此时能量水平低，耗氧减少，故通气 量亦可减少。在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层就开始发展与有机质分 解相互对立的另一过程，即腐殖质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定状态。(3) 腐熟阶段经过高温阶段，在源呼吸后期，堆肥中有机物基本降解完，只剩下部分较难分解及难分 解的有机物和新形成的腐殖质，嗜热微生物由于缺乏适当的营养物质而停止生长，即其生物 活性下降，发热量减少。堆肥温度会由于散热而逐渐下降，堆肥过程进入第三阶段一一腐熟 阶段。在此阶段，中温微生物又开始活跃起来，重新成为优势菌种，对残余较难分解的有机 物作进一步分解，腐殖质不断增多，且稳定化。当温度下降并稳定在40r左右时，堆肥基本 达到稳定。堆肥进入腐熟阶段，降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，物料孔隙率增大，氧扩散能力强，此时只需自然通风。2. 污泥堆肥土地利用所面临的安全性问题污泥堆肥古有一定量的重金属和盐分，施人土壤后，将引起土壤重金属和盐分含量增加， 直接危害植物生长或成为潜在的威胁。土壤中累积过多的重金属.重金属进入食物链或地下 水.还能造成新的环境问题。污泥中重金属主要有铜、锌、铅、铬、镉、镶、汞及砷（危害 性上归为重金属）等。由于污泥的来源和产生的时间不同，重金属含量变化很大。根据美国 科学院资料，美国东部6个州150个污水厂污泥重金属含量差异极大.相差最大的汞含量相差 21200倍，其它重金属含量差异也有78至4130倍之多。为减少重金属可能带来的危害，建议 采用以下措施：（1）加入适量的调理剂和膨胀剂，降低枵泥堆肥中的重金属含量；（2）污泥堆 肥中加入改良剂（如石灰等），降低重金属的迁移性及生物有效性；（3）选择种植对重金属不 敏感的植物；（4）重金属含量过高的污泥堆肥应禁止农田特别是蔬菜地使用.以防止重金属 进入食物链.这类污泥应选择用于林地和园林绿化；（5）避免连续大量使用重金属含量高的 污泥堆肥，造成土壤中重金属积累。为确保农用污泥使用的安全性，一些国家制定农用污泥 重金属含量限制标准，不同国家标准差异很大（表1）。表1 一些国家农用污泥重金属含量标准（mg/kg）国家GuZnPbCdNiCrAsHgMo中国15001000100020200100015美国1104303104620013303599(20t/hm2a)美国（非农地）33008600160038099031003630230芬兰30005000120030500100025瑞典30003001550010008日本5502欧盟150030001000404003.堆肥安全控制指标3.1腐熟度3.1.1腐熟度的意义腐熟度指标（maturity indices）是国际上公认的衡量堆肥反应进行程度的一个概念性参 数，即判定堆肥过程已经完成的标准是腐熟度。腐熟度作为衡量堆肥 产品的质量指标早就被提出。堆肥产品腐熟的基本含义包括： 通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化及不对环境产生不良影响； 堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤的耕作能力。由此看出，腐熟度是对固体废物堆肥安全控制的重要指标判断堆肥腐熟度的指标一般可分为三类：物理学指标、化学指标和生物学指标。物理学 指标易于检测，常用于描述堆肥过程所处的状态；化学指标得到了广泛研究和应用；堆肥化 是微生物对有机物的分解过程，可采用生物学指标进行评价。此外还有光谱分析法等。 3.1.2腐熟度的检测指标3.1.2.1物理学指标包括温度，气味，色度，残余浊度，光学特征，热重分析等参数。但是物理学指标难于 定量表征堆肥过程中堆料成分的变化，也就不易定量说明堆肥的腐熟程度。Sela等丘用城市垃圾进行堆肥试验，将不同腐熟度的堆肥按比例与某些结构上有缺陷的 土壤混合，在温度30C下好氧培养一段时间，分析堆肥对土壤结构的影响以评价堆肥的腐 熟度。结果发现，堆肥时间为714天的堆肥产物在改进土壤残余浊度和水电导率方面具有 最适宜的影响。同时混合物中多糖的成分也达最高。但该研究只是初步的试验，需与植物毒 性试验和化学指标结合进行综合研究。Rajbanshi等6以树叶为原料进行堆肥试验，发现堆肥的丙酮萃取物在665nm的吸光度 随堆肥的时间呈下降趋势。对不同时间堆肥的水萃取物在波长280nm、465nm和665nm的 光学性质研究表明，由于个别有机成分的少量存在，抑制了对短波280nm、465nm的吸收， 而对波长665nm的可见光影响较小。通过检测堆肥在E665 nm（E665 nm表示堆肥萃取物在波 长665 nm的吸光度）的变化可反映堆肥腐熟度，腐熟堆肥E665应小于0.008。3.1.2.2化学指标常通过分析堆肥过程中堆料的化学成分或性质的变化来评价堆肥腐熟度。如有机质或全 碳，易降解有机质，碳氮比，PH等。在堆肥过程中，最易降解的有机质可能被微生物用作能源而最终消失，所以一些研究者 认为它们是最有用的参数口。淀粉和可溶性糖：堆肥原料中一般含有3类碳水化合物，即：糖、淀粉和纤维素。在 堆肥过程中，糖首先消失，接着是淀粉，最后才是纤维素。淀粉和可溶性糖是堆肥原料中典 型的易降解有机质，易被微生物利用。Poincelotw试验显示，垃圾的糖和淀粉含量分别为 5%及2%8%，经过57周的可完全降解。3.1.2.3生物学学指标堆料中微生物的活性变化及对植物生长的影响常用以评价堆肥腐熟度，这些 指标主要有呼吸作用、生物活性及种子发芽率。在堆肥中好氧微生物的主要生命活动形式就是分解有机物的同时消耗氧产生CO2,微 生物耗氧速率的变化或CO2的产生速率变化反映了堆肥过程中微生物活性的变化，标志了 有机物分解的程度和堆肥反映的进行程度Usui等10研究了污泥堆肥过程的耗氧速率变化， 认为其反映了堆肥过程中有机质的变化。各堆肥阶段耗氧速率明显不同，腐熟堆肥的耗氧速 率随堆肥时间变化曲线显得平滑，其值比堆肥初期明显下降。lannoti