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酵的實質是堆肥微生物對其中有機物的降解作用。在整個堆肥過程中，影響堆肥腐熟化進程的重要因素有含水率、C/N、通風方式、溫度和pH值等。

2.4.1.1 堆體溫度

對污泥堆肥化過程來說，要使堆肥好氧發酵順利進行必須將溫度控制在合適的范圍內，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酵反應速率的快慢，是評判堆肥腐熟程度的最關鍵因素之一。

污泥堆肥化過程始終和溫度變化緊密聯系，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，進而由嗜熱菌取代其參與反應，嗜熱菌的最適生長溫度為45～55℃，使反應溫度進一步上升為60～70℃, 60℃左右時堆肥發酵反應速度最快，不僅大量降解污泥中的有機污染物、纖維素和木質素生成穩定的腐殖質，還可以殺死有害微生物等，使污泥無害化、穩定化；同時加速堆肥物料的水分蒸發，實現污泥減量化。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物和營養物質，從而合成微生物細胞物質，水分是必不可缺少的。堆肥物料中水分的作用體現在兩個方面，一方面由于微生物分解有機物需要足夠的水分，所以合適的含水率能促進微生物的新陳代謝；另一方面是當水蒸發的時候有利于熱量的散失，對堆肥堆體的溫度起調控作用。水分的多少，直接影響好氧堆肥發酵反應速度的快慢，影響堆肥腐熟的質量，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，使堆體出現局部厭氧狀態，不僅會降低腐熟化速度，產生腐臭氣味；同時造成堆肥中營養物質的大量損失，不利于堆肥的正常進行。含水率太低，微生物的活性下降，有機物的分解速率會降低，有研究表明，當含水率在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，從而降低堆肥物料中的水含量。一般來說，污泥堆肥好氧發酵過程中，堆體水分的快速蒸發發生在前10～15d；之后，隨著堆肥堆體的溫度下降，水分蒸發速度也逐漸減慢。當堆體含水率不能使堆肥順利進行的時候，可以向堆體添加一定比例的濕輔料或均勻噴灑水來調整。若堆肥物料含水率高于最佳值時，一般需要添加調理劑如菌菇渣、秸稈粉、鋸末、花生殼等降低其含水量。

研究結果表明，污泥堆肥好氧發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，結果見表2-9。

因此，保持適當堆肥物料的水分和孔隙率是促進堆肥過程順利進行的主要手段。要保證足夠的生物穩定性，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致氧氣傳輸量下降或缺氧的狀態，進而降低生物活性。另外，適當的水分和自由通氣孔隙量有利于生產干燥的堆肥產品，易于儲存和運輸。當然在實際操作過程中是不可能使所有的控制因素同時達到最佳狀態的，需要相互協調。

2.4.1.3 通風條件

污泥堆肥好氧發酵過程中，氧的供應是調節污泥發酵速率的主要因素。因此，通風是污泥堆肥工藝系統設計的中心問題。實踐中常用兩種方法來保證氧的供應。第一種方法是通過定期機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機或者通過堆肥物料的引風方式為好氧微生物提供氧氣。如果氧氣供應不足，一則會造成局部厭氧發酵環境，這是污泥堆肥過程中產生臭味的主要原因；二則延長污泥堆肥腐熟化過程。相反，如果供氧量過多（如鼓風量過大或翻動次數太多）就會使堆肥堆體的發酵溫度偏低，而使纖維素、木質素等難降解有機物轉化為腐殖質的過程不夠充分。研究表明，堆肥發酵溫度在55℃時，氧氣濃度以5%～15%為宜，而強制通風量應控制在1.5～2.0m3/（min·t干泥）左右，而在污泥堆肥后期還要增加通風量，以減少臭氣產生，盡快降低堆肥物料的溫度。

污泥堆肥所需要的通風量主要決定于污泥原料的有機物含量，揮發度（%）、可降解系數（分解效率）等。在實際計算供氧所需風量時，可用式（2-48）計算：

式中 Qf——供氧所需的風量，m3/min；

RO2max——發酵物料的最大好養速率，molO2/（cm3堆料·h）；

a——標準狀況下1mol氣體的體積，22.4L/mol；

b——b=10 -3m3/L；

c——標準狀況下，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。碳是堆肥生化反應的能量來源，同時也是微生物細胞組織合成所需的重要元素；氮元素是微生物的營養來源，氮元素可被微生物用來合成蛋白質、核酸、氨基酸等細胞組成物質。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，影響有機物降解速度，導致堆肥發酵周期會相應延長，同時氮素養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，氮素養料相對過剩，則氮將變成銨態氮揮發，在高溫條件下，特別是在高的pH值和強制通風供氧條件下，一部分氮就會迅速轉化為NH3而逸入大氣，導致氮元素養分大量損失而降低肥效，且污染環境。

為了保證污泥堆肥產品中植物所必需的營養組分不再堆肥發酵過程中損失，確保堆肥發酵的高效快速進行，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，必須按上述標準調整好堆肥原料的碳氮比。一般調整的方法是根據污泥中的有機物含量和水分，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和原料的關系見表2-10。

另外，磷也是生物細胞核的重要元素，一般要求堆肥發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境條件，而pH值是污泥堆肥過程的重要評估參數。一般微生物最適宜的酸堿環境是中性和微堿性，當pH值低于5.2或高于8.8時，會引起蛋白質的變性，如氨基、羧酸基團的變異，改變其物理結構，并使酶蛋白失活，導致堆肥發酵無法進行。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值應控制在7.6～8.7之間。調節污泥的pH值可以通過如下方式進行：通過調整碳氮比可以控制氨的產生量和損失量，進而控制pH值處于合適的區間；添加輔料以防止局部厭氧發酵和有機酸的過量產生而導致pH值降低。雖然污泥堆肥堆體pH值在不斷變化，但生物能夠不斷調節以適應堆肥發酵環境。大多數情況下，污泥堆肥過程中的微生物對環境有足夠的緩沖能力，無需人為精確調整堆肥物料的酸堿度，這是因為微生物的生長繁殖和活動可以在較寬的pH值范圍內進行。

2.4.1.6 有機物含量與營養物

有機物含量也是污泥堆肥過程中一個影響因素。當有機物含量低時，微生物正常生長缺少足夠的營養物質，導致微生物活性不足，堆肥分解產生的熱量達不到堆肥的最佳溫度要求，從而影響污泥堆肥的正常進行，并且最終堆肥產品的肥效較低，降低了其使用價值。當有機質含量高于一定值時，堆體中氧氣供給將出現問題，嚴重時可能產生厭氧發酵狀態，從而不利于污泥堆肥好氧發酵的正常進行。

有機物含量對堆肥溫度和通風供氧都有一定程度的要求，兩者之間存在某種對應關系，將污泥堆肥物料中的有機物含量通過選擇性添加輔料的方式控制在適當的范圍內，有利于堆肥發酵的順利進行。研究表明，在高溫好氧堆肥中，污泥堆肥中的有機物含量在20%～60%之間最合適。當有機物含量低于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，最后導致堆肥不能順利進行；當有機物含量達到60%以上時，污泥堆肥過程中有機物分解需要消耗大量氧氣，而實際供氣量難以達到微生物正常活動的需求，導致堆肥堆體處于厭氧狀態而產生難聞氣味，從而影響污泥堆肥好氧發酵的順利進行。

污泥堆肥過程中，微生物所需的大量養料有碳、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物質，這些物質難以被生物降解，殘留在堆肥腐熟料中。

2.4.1.7 粒徑

污泥堆肥物料中有機物的分解過程主要發生在顆粒的表面或接近顆粒表面的地方，由于氧氣可以擴散進入包裹顆粒的水膜，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。實驗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，一般應控制顆粒粒徑為1.3～7.6mm，這個區間的下限適用于通風或連續翻堆的污泥堆肥系統；上限適用于靜態堆垛或其他靜態通風污泥堆肥系統。對濕基質進行結構調整時，調理劑粒徑大小的影響也非常重要。如果調理劑粒徑過小，堆肥物料難以達到預期的自由通氣孔隙，并可能使混合基質固相空隙狀態不易達標。例如，有些污泥堆肥系統由于使用粒徑很小的稱為“木粉”的木屑，導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生厭氧反應。為規范調理劑的使用，美國一些地方規定木屑應不少于總固相的65%，木屑中95%可以通過12mm篩，而通過2.23mm篩的應小于50%；有的規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的應小于20%。同時，對粒徑大的顆粒進行限制是為了避免最后的腐熟產品顆粒過大而需過篩。如果污泥堆肥產品應用于園藝或在草坪、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理劑如木屑等易于生物降解；但從堆肥物料的微觀結構角度來看，應避免使用過多的小顆粒調理劑。

2.4.1.8 外加微生物菌劑

污泥中通常有發酵微生物，只要通風等條件合適，不加菌劑也能發酵。但是，為了實現高效快速堆肥腐熟，必須添加菌劑。現實中，接種菌劑有固體和溶液兩種。為了節約污泥處理成本，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，因為高水分會引發堆肥局部厭氧條件、產生臭氣和低分解率。相對而言，不合適的C/N影響并不嚴重，通常最好先根據水分來設計一個初始配方，然后再逐步調整，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節。

下面給出了污泥堆肥配方的計算公式，它是以干重為基礎計算的。

（1）單個原料計算公式：

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×含氮百分數

碳含量=干重×含碳百分數=氮含量×C/N

（2）污泥堆肥混合物料一般計算公式：

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。若要把重量轉變為體積或將重量轉變為體積，則還要知道每一成分的密度。

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

針對兩種物料時的計算步驟：

（1）在預期水分含量下，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，其配方應根據式（2-48）反復計算求得。在這種情形下，各原料的配比可先確定下來，然后計算相應的C/N和水分，若無論是C/N還是水分均不合適，就要調整配方繼續計算，直至取得合適的C/N和水分為止。這種計算很煩瑣，若依據計算機程序則要簡單許多。