2.4 污泥堆肥影响因素及原辅料配比

2.4.1 污泥堆肥主要影响因素

城市污泥堆肥好氧发酵的实质是堆肥微生物对其中有机物的降解作用。在整个堆肥过程中，影响堆肥腐熟化进程的重要因素有含水率、C/N、通风方式、温度和pH值等。

2.4.1.1 堆体温度

对污泥堆肥化过程来说，要使堆肥好氧发酵顺利进行必须将温度控制在合适的范围内，温度的高低对微生物的生长繁殖和生物活性有重要影响，而微生物分解大量有机物的同时会释放出大量热量，推动堆肥物料温度的不断上升。因此温度决定了堆肥发酵反应速率的快慢，是评判堆肥腐熟程度的最关键因素之一。

污泥堆肥化过程始终和温度变化紧密联系，一般在堆肥初期，堆体微生物以嗜温菌为主，其最适宜的生长温度是20～40℃；由于嗜温菌的作用，使堆体的温度迅速上升，进而由嗜热菌取代其参与反应，嗜热菌的最适生长温度为45～55℃，使反应温度进一步上升为60～70℃, 60℃左右时堆肥发酵反应速度最快，不仅大量降解污泥中的有机污染物、纤维素和木质素生成稳定的腐殖质，还可以杀死有害微生物等，使污泥无害化、稳定化；同时加速堆肥物料的水分蒸发，实现污泥减量化。因此，一般的污泥堆肥采用高温堆肥。

2.4.1.2 堆肥含水率

在污泥堆肥过程中，微生物分解和吸收固体废物中有机物和营养物质，从而合成微生物细胞物质，水分是必不可缺少的。堆肥物料中水分的作用体现在两个方面，一方面由于微生物分解有机物需要足够的水分，所以合适的含水率能促进微生物的新陈代谢；另一方面是当水蒸发的时候有利于热量的散失，对堆肥堆体的温度起调控作用。水分的多少，直接影响好氧堆肥发酵反应速度的快慢，影响堆肥腐熟的质量，因此对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为55%～60%。若含水率太高，气体交换的空间相对较小，阻碍空气流通，使堆体出现局部厌氧状态，不仅会降低腐熟化速度，产生腐臭气味；同时造成堆肥中营养物质的大量损失，不利于堆肥的正常进行。含水率太低，微生物的活性下降，有机物的分解速率会降低，有研究表明，当含水率在35%～40%之间时，堆肥微生物的降解速率显著下降，水分下降到30%以下时，降解过程会基本停止。

污泥堆肥过程中，随着时间的推移，堆体温度逐渐升高，物料中的水分不断蒸发，从而降低堆肥物料中的水含量。一般来说，污泥堆肥好氧发酵过程中，堆体水分的快速蒸发发生在前10～15d；之后，随着堆肥堆体的温度下降，水分蒸发速度也逐渐减慢。当堆体含水率不能使堆肥顺利进行的时候，可以向堆体添加一定比例的湿辅料或均匀喷洒水来调整。若堆肥物料含水率高于最佳值时，一般需要添加调理剂如菌菇渣、秸秆粉、锯末、花生壳等降低其含水量。

研究结果表明，污泥堆肥好氧发酵过程能够有效地杀灭大部分病原微生物，但不同的污泥含水率却存在很大差异，结果见表2-9。

因此，保持适当堆肥物料的水分和孔隙率是促进堆肥过程顺利进行的主要手段。要保证足够的生物稳定性，必须有足够的水分含量，但不能高到由于自由通气孔隙减少而导致氧气传输量下降或缺氧的状态，进而降低生物活性。另外，适当的水分和自由通气孔隙量有利于生产干燥的堆肥产品，易于储存和运输。当然在实际操作过程中是不可能使所有的控制因素同时达到最佳状态的，需要相互协调。

2.4.1.3 通风条件

污泥堆肥好氧发酵过程中，氧的供应是调节污泥发酵速率的主要因素。因此，通风是污泥堆肥工艺系统设计的中心问题。实践中常用两种方法来保证氧的供应。第一种方法是通过定期机械搅动翻堆来更新堆肥物料的空隙，允许空气自然通过，以满足好氧微生物的需氧量。第二种方法是采用鼓风机或者通过堆肥物料的引风方式为好氧微生物提供氧气。如果氧气供应不足，一则会造成局部厌氧发酵环境，这是污泥堆肥过程中产生臭味的主要原因；二则延长污泥堆肥腐熟化过程。相反，如果供氧量过多（如鼓风量过大或翻动次数太多）就会使堆肥堆体的发酵温度偏低，而使纤维素、木质素等难降解有机物转化为腐殖质的过程不够充分。研究表明，堆肥发酵温度在55℃时，氧气浓度以5%～15%为宜，而强制通风量应控制在1.5～2.0m3/（min·t干泥）左右，而在污泥堆肥后期还要增加通风量，以减少臭气产生，尽快降低堆肥物料的温度。

污泥堆肥所需要的通风量主要决定于污泥原料的有机物含量，挥发度（%）、可降解系数（分解效率）等。在实际计算供氧所需风量时，可用式（2-48）计算：

式中 Qf——供氧所需的风量，m3/min；

RO2max——发酵物料的最大好养速率，molO2/（cm3堆料·h）；

a——标准状况下1mol气体的体积，22.4L/mol；

b——b=10 -3m3/L；

c——标准状况下，空气中氧的百分含量。

2.4.1.4 碳氮比（C/N）

C/N是指污泥堆肥原料与辅料混合物的碳氮比，是影响微生物生长的最重要因素之一。碳是堆肥生化反应的能量来源，同时也是微生物细胞组织合成所需的重要元素；氮元素是微生物的营养来源，氮元素可被微生物用来合成蛋白质、核酸、氨基酸等细胞组成物质。C/N比直接影响菌体的生长繁殖和酶的形成。污泥堆肥原料的理想碳氮比（C/N）为（20～35）∶1。如果初始堆肥物物料的碳氮比较高，例如锯末、麦秸含量高，则微生物的增长繁殖由于缺氮而受到限制，影响有机物降解速度，导致堆肥发酵周期会相应延长，同时氮素养料的不足而使微生物生命活动减弱。如果初始堆肥物料的碳氮比较低，例如牲畜粪便和污泥含量高时，可供消耗的碳素少，氮素养料相对过剩，则氮将变成铵态氮挥发，在高温条件下，特别是在高的pH值和强制通风供氧条件下，一部分氮就会迅速转化为NH3而逸入大气，导致氮元素养分大量损失而降低肥效，且污染环境。

为了保证污泥堆肥产品中植物所必需的营养组分不再堆肥发酵过程中损失，确保堆肥发酵的高效快速进行，堆肥初始物料的综合碳氮比，一般为（20～35）︰1，在污泥堆肥过程中要有理想的分解速度，必须按上述标准调整好堆肥原料的碳氮比。一般调整的方法是根据污泥中的有机物含量和水分，在污泥中加入秸秆粉、锯末、牲畜粪便和城市垃圾等有机固体废物，能获得较好的控制效果。在污泥堆肥过程中，由于微生物的作用，有近2/3的碳元素会以CO2的形式释放出来，剩余部分与氮素一起合成细胞生物体，所以污泥堆肥化过程是一个C/N逐渐下降并趋于稳定的过程，污泥堆肥腐熟料的C/N一般为15左右。污泥及其他堆肥C/N和原料的关系见表2-10。

另外，磷也是生物细胞核的重要元素，一般要求堆肥发酵初始物料的碳磷比（C/P）在75～150为宜。

2.4.1.5 pH值

堆肥过程中，微生物生长需要适宜的环境条件，而pH值是污泥堆肥过程的重要评估参数。一般微生物最适宜的酸碱环境是中性和微碱性，当pH值低于5.2或高于8.8时，会引起蛋白质的变性，如氨基、羧酸基团的变异，改变其物理结构，并使酶蛋白失活，导致堆肥发酵无法进行。适宜的pH值范围有利于微生物的分解作用。具体在污泥堆肥过程中，适于操作的pH值在5.2～8.8，最佳pH值应控制在7.6～8.7之间。调节污泥的pH值可以通过如下方式进行：通过调整碳氮比可以控制氨的产生量和损失量，进而控制pH值处于合适的区间；添加辅料以防止局部厌氧发酵和有机酸的过量产生而导致pH值降低。虽然污泥堆肥堆体pH值在不断变化，但生物能够不断调节以适应堆肥发酵环境。大多数情况下，污泥堆肥过程中的微生物对环境有足够的缓冲能力，无需人为精确调整堆肥物料的酸碱度，这是因为微生物的生长繁殖和活动可以在较宽的pH值范围内进行。

2.4.1.6 有机物含量与营养物

有机物含量也是污泥堆肥过程中一个影响因素。当有机物含量低时，微生物正常生长缺少足够的营养物质，导致微生物活性不足，堆肥分解产生的热量达不到堆肥的最佳温度要求，从而影响污泥堆肥的正常进行，并且最终堆肥产品的肥效较低，降低了其使用价值。当有机质含量高于一定值时，堆体中氧气供给将出现问题，严重时可能产生厌氧发酵状态，从而不利于污泥堆肥好氧发酵的正常进行。

有机物含量对堆肥温度和通风供氧都有一定程度的要求，两者之间存在某种对应关系，将污泥堆肥物料中的有机物含量通过选择性添加辅料的方式控制在适当的范围内，有利于堆肥发酵的顺利进行。研究表明，在高温好氧堆肥中，污泥堆肥中的有机物含量在20%～60%之间最合适。当有机物含量低于20%时，满足不了堆肥热能的需求，堆肥温度太低，这将影响堆体中微生物的生长繁殖，从而使堆体中微生物的活性受到抑制，最后导致堆肥不能顺利进行；当有机物含量达到60%以上时，污泥堆肥过程中有机物分解需要消耗大量氧气，而实际供气量难以达到微生物正常活动的需求，导致堆肥堆体处于厌氧状态而产生难闻气味，从而影响污泥堆肥好氧发酵的顺利进行。

污泥堆肥过程中，微生物所需的大量养料有碳、氮、磷、钾，所需的微量元素有钙、铜、锰、镁等元素。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营养物质，这些物质难以被生物降解，残留在堆肥腐熟料中。

2.4.1.7 粒径

污泥堆肥物料中有机物的分解过程主要发生在颗粒的表面或接近颗粒表面的地方，由于氧气可以扩散进入包裹颗粒的水膜，所以这些地方有足够的氧气保证微生物有氧代谢的需求。

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，小颗粒物料一般降解快一些。实验证明堆肥物料加以粉碎后，可以将降解速率提高2倍以上。污泥堆肥中，一般应控制颗粒粒径为1.3～7.6mm，这个区间的下限适用于通风或连续翻堆的污泥堆肥系统；上限适用于静态堆垛或其他静态通风污泥堆肥系统。对湿基质进行结构调整时，调理剂粒径大小的影响也非常重要。如果调理剂粒径过小，堆肥物料难以达到预期的自由通气孔隙，并可能使混合基质固相空隙状态不易达标。例如，有些污泥堆肥系统由于使用粒径很小的称为“木粉”的木屑，导致堆肥初始混合物料呈饱和泥状，由于缺少通气空隙而易发生厌氧反应。为规范调理剂的使用，美国一些地方规定木屑应不少于总固相的65%，木屑中95%可以通过12mm筛，而通过2.23mm筛的应小于50%；有的规定粗木屑占总固相的50%、70%，木屑中95%可通过12.5mm筛，通过4.75mm的应小于20%。同时，对粒径大的颗粒进行限制是为了避免最后的腐熟产品颗粒过大而需过筛。如果污泥堆肥产品应用于园艺或在草坪、花园上施用时，粒径一般不要大于10mm。

总之，污泥堆肥中小颗粒调理剂如木屑等易于生物降解；但从堆肥物料的微观结构角度来看，应避免使用过多的小颗粒调理剂。

2.4.1.8 外加微生物菌剂

污泥中通常有发酵微生物，只要通风等条件合适，不加菌剂也能发酵。但是，为了实现高效快速堆肥腐熟，必须添加菌剂。现实中，接种菌剂有固体和溶液两种。为了节约污泥处理成本，也可以采用堆肥腐熟料回流施用的方式，腐熟料回流量占总堆肥体积的10%～30%即可。

2.4.2 污泥堆肥配方确定及计算

在处理污泥配料时，初始堆肥料的水分是最重要的控制指标，因为高水分会引发堆肥局部厌氧条件、产生臭气和低分解率。相对而言，不合适的C/N影响并不严重，通常最好先根据水分来设计一个初始配方，然后再逐步调整，获得一个可接受的C/N。干物料与C/N是成比例的，容易通过加水的方式来调节。

下面给出了污泥堆肥配方的计算公式，它是以干重为基础计算的。

（1）单个原料计算公式：

水重量=总重量×水分含量

干重量=总重量-水重量=总重量×（1-水分含量）

氮含量=干重×含氮百分数

碳含量=干重×含碳百分数=氮含量×C/N

（2）污泥堆肥混合物料一般计算公式：

式中 a、b、c、…——原料a、b、c…的总重量；

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）, %。

对单个组分来讲，必须知道其水分含量、氮含量（%，干重）和碳含量（%，干重）以及C/N。若要把重量转变为体积或将重量转变为体积，则还要知道每一成分的密度。

下面给出了计算堆肥配方比例、水分和C/N的案例和步骤。对两种原料的配方来说，如污泥和调理剂，调理剂的比例可以直接从预期C/N或水分含量求得。

针对两种物料时的计算步骤：

（1）在预期水分含量下，单位重量原料b所需原料a的重量为

（2）在预期C/N下，单位重量原料b所需原料a的重量为

式中 a——单位重量原料b所需原料a的重量；

M——预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——预期混合物C/N；

Ra——原料a的C/N；

Rb——原料b的C/N。

然后，再检查混合物水分是否合适。但对3种或3种以上原料来说，其配方应根据式（2-48）反复计算求得。在这种情形下，各原料的配比可先确定下来，然后计算相应的C/N和水分，若无论是C/N还是水分均不合适，就要调整配方继续计算，直至取得合适的C/N和水分为止。这种计算很烦琐，若依据计算机程序则要简单许多。