3.4.2　混合物料堆肥工艺无害化水平分析

一个完整的堆肥过程，升温速率和达到高温所需的时间不仅能够直观地反映出堆肥是否能够进行，影响到堆肥的效率和堆肥成本，同时高温持续时间还能反映出堆肥的无害化效果。蛔虫卵和大肠杆菌的测定无疑是无害化指标的最直接证据，但是蛔虫卵和大肠杆菌的测定稳定性、时效性不够高。基于温度指标的快速直观和蛔虫卵、大肠杆菌检测结果说服力较强但程序较复杂的特点，将两者结合，探讨堆肥工艺的无害化水平，以提高分析的速度、科学性与精确性，降低评价结果的不稳定性。

堆肥过程中，堆料中的可溶性有机成分被微生物直接吸收，固体和胶体状的有机污染物首先附着在微生物体外，由微生物分泌的胞外酶分解可溶性物质，再渗入细胞。微生物从有机物吸收能量，并通过自身的生命活动——氧化还原和生物合成过程，把吸收的有机物一部分氧化成简单的无机物，并释放能量供微生物生长；另一部分合成新细胞的原材料。通过一系列放热反应将大分子有机物分解为比较简单、稳定的小分子物质（CO₂、水蒸气等），使堆温逐渐上升。

研究表明，一个完整的堆肥过程堆体温度会经历升温、高温和降温3个阶段^［31］，这主要是因为堆肥开始时微生物分解有机固体废物中较易降解的糖类、脂肪、蛋白质等有机物，同时获得营养物和能量以维持微生物的生长繁殖，由于易降解有机物营养丰富，微生物活动剧烈，这时堆肥温度在30～40℃之间，优势微生物属中温菌；随着反应热量的产生，温度逐渐升高至50～65℃，高温微生物大量生长从而代替中温微生物，很多好热微生物，主要包括细菌、放线菌和丝状真菌等，是分解纤维素和果胶类物质能力很强的微生物，因此，在高温阶段能快速分解生活垃圾及畜禽粪便中的难降解物质，同时高温能杀死寄生虫卵和有害微生物并产生腐殖质。但当温度超过65℃，好热丝状真菌几乎全部停止了活动，而好热放线菌和芽孢杆菌的活动占优势；当达到70℃以上，只有好热芽孢杆菌在活动。当生活垃圾及畜禽粪便中的营养物质不能满足高温微生物生长的需要时，高温微生物死亡，中温微生物又开始活跃，进一步使生活垃圾与畜禽粪便达到腐熟。一般好氧高温堆肥仅需10～30d就可腐熟，并杀死堆肥中的病原微生物，对周围环境污染较小，因而好氧堆肥法成为有机固体废物处理处置的一种非常有前景的方法，典型的堆肥过程包括矿化和生物转化^［62］。

3.4.2.1　堆肥过程中温度动态变化分析

好氧堆肥是在复杂的堆肥原料中，多种微生物在适宜的条件下对有机物进行生物降解的过程，对于高温好氧堆肥发酵工艺来说，堆料含水率、温度、通风供氧是最主要的发酵控制条件，堆体温度直接反应堆肥是否顺利进行，同时温度指标又能直观地反映出堆体内微生物的活性以及堆肥是否达到无害化^［62］。大量研究表明，堆体的最高温度和高温持续时间与堆肥物料的无害化水平直接相关^{［63～65］}。实际应用中，堆肥过程的控制都是为了加快堆肥起始阶段的升温速率和使堆体能够维持足够的高温持续时间，从而有效杀灭堆体内的病虫卵等有害微生物。

（1）工艺1堆肥过程中温度的动态变化

工艺1堆肥温度动态变化如图3-13所示。

图3-13显示，工艺1堆肥过程中温度的动态变化曲线符合堆肥温度变化的3阶段理论^［31］，起始阶段随着堆肥的进行，堆体温度由起始温度逐渐上升，在堆肥的30d内，最高温度约为55℃，且温度曲线呈现升温-降温-升温的波浪式变化趋势；但在温度变化的每个周期中，高温持续时间较短暂，难以达到堆肥无害化对堆体高温维持时间的要求^［66］。这可能主要是因为堆肥工艺1的通风量为0.3L/（min·kg），通气量较小，导致堆体内氧气供应量不足，难以满足微生物生长繁殖对氧气的需求，使堆体内厌氧程度较高，好氧微生物的生长与繁殖受到抑制，活性降低，产生的热量也随之较少，导致堆肥过程中的最高温度较低和难以长时间地维持高温。从图3-13还可以看出，每过48h温度曲线出现短暂快速上升的现象，这可能是由于翻堆后，暂时消除了堆体内的厌氧区域，堆体内氧气浓度相对增加，使堆体内好氧微生物的活性能够上升，降解有机物的能力增强，产生的热量也随之增加，从而使堆体温度上升。但随着堆肥时间的增加，堆体内的微生物量增加，氧气浓度逐渐降低，导致氧气对好氧微生物生长繁殖的限制作用增加，从而导致微生物的活性降低，产热量减少，表现为堆体温度的下降。

（2）工艺2堆肥过程中温度的动态变化

从图3-14可以看出，工艺2堆肥过程中温度的动态变化曲线基本符合堆肥温度变化三阶段理论^［31］，堆体温度在堆肥进行60h左右时达到高温线（≥50℃），且堆体能够维持足够的高温时间（488h左右），初步说明堆肥工艺2能够满足堆体内微生物生长繁殖的需要。但是从图上也可看出，每次翻堆后，温度出现上升，且上升的速率较大，同时每个温度峰的肩宽较窄，这可能是由于以下两种原因造成的：一是由于堆体温度达到最高温度时，高温环境导致堆体内的一部分微生物死亡，微生物活性下降，从而导致产热量减少，温度下降；二是在0.6L/（min·kg）的通风量情况下，不能够满足在该堆肥体系下微生物生长繁殖对氧气的需求，导致翻堆后堆体内氧气浓度出现短暂增加，所以在翻堆后的初始时期内微生物活性急剧增加，但是随着堆肥时间的延长和微生物对氧气消耗量的增加，氧气供应量相对不足，厌氧区域也迅速扩大，从而使堆体内微生物活性以相对较快的速率下降，产热量随之减少，导致堆体温度出现快速下降。图3-14的温度动态变化曲线在堆肥进行22d后，堆体温度没有随着翻堆而使堆体温度上升，主要原因可能是由于堆体含水率或营养成分的消耗，堆肥体系不能继续维持微生物生长繁殖的需要，微生物活性降低，产热量与散热量之间不能维持平衡，导致表观堆体温度下降，该现象也可作为堆肥腐熟的直观判定指标之一。

（3）工艺3堆肥过程中温度的动态变化

从图3-15可以看出，通过温度在线监测动态变化曲线显示，堆肥时间达到200h左右时温度由起始温度上升到50℃，升温速率较工艺1和工艺2的起始升温速率相对较低，这主要是因为工艺3的起始含水率为65%，高于工艺1和工艺2的含水率，影响了堆体内的通风供氧，限制了好氧微生物的生长与繁殖，微生物活性较低，产生的热量不足以使堆体温度升高到高温线以上。当堆体温度达到高温后（≥50℃），温度曲线以48h为周期呈现波浪式变化，且峰的宽度较工艺1和工艺2要宽，这说明由于工艺3的通风量高于工艺1与工艺2，堆体内微生物的生长繁殖时氧气浓度的限制作用要比工艺1和工艺2低。整个堆肥过程中高温持续达300h以上，满足堆肥无害化对温度的要求^［66］；但是当堆肥到工艺安排的22d时堆体温度还未出现下降，所以缺少了堆肥温度变化三阶段理论中的降温阶段，不是一个完整的堆肥过程，直观可以判定堆肥未能腐熟。

时间为该工艺的最大限制因素之一，主要原因是由于物料初始含水率过高，致使堆肥初期微生物活性较低，对有机固体废物的降解量较少，即堆肥初期的堆肥效率较低。随着堆肥的进行，尾气携带出水分，使堆体含水率下降到微生物生长较适宜的水平以后，含水率对好氧微生物的生长繁殖的限制作用下降，好氧微生物活性增强，对堆体内的有机物进行快速降解，使之逐渐稳定，但是当堆肥时间达到22d后，有机物的稳定化程度不够高，堆体内微生物的生长活性依然较高，产生的热量高于散失的热量，从而表现为堆体温度未能出现下降的趋势，所以时间成为该堆肥工艺的主要限制因素之一。

（4）工艺4堆肥过程中温度的动态变化

堆肥工艺4的温度动态变化曲线如图3-16所示，在整个堆肥过程中，温度虽然总体趋于上升的趋势，但是堆体温度一直没有达到高温（≥50℃），说明该工艺在堆肥的18d内，堆体温度一直处于堆肥温度三阶段变化理论中的升温阶段，未能进行到高温阶段和降温阶段。这主要是因为该工艺中堆肥起始物料含水率过高（71%），严重影响到堆体内的通风供氧效果，堆体内的厌氧程度较高，致使好氧微生物的生长繁殖受到严重地抑制，活性较低，产生的热量不能够使堆体温度出现快速上升，从而导致堆肥效率较低，在实际应用中必然影响到堆肥的成本，所以明显不能满足生活垃圾与畜禽粪便无害化、减量化与资源化，特别是市场化推广的需要。在整个堆肥过程中温度曲线呈现一个缓慢上升的趋势，其原因可能主要是以下两点：一方面可能是由于堆体内厌氧微生物和兼性厌氧微生物以及少量的好氧微生物的生长繁殖活动产生的热量在堆体内的积累量超过散失量，使得堆体温度出现缓慢上升；另一方面可能是随着堆肥的进行，堆体内的一部分水分被气体带出，使堆肥物料的含水率有所降低，相对改善了堆体内的氧气环境，使氧气对微生物生长的限制作用出现降低，从而使兼性厌氧微生物和好氧微生物的活性增强，降解能力增加，产生的热量也随之上升，从而使堆体温度表现为上升。

（5）工艺5堆肥过程中温度的动态变化

图3-17为堆肥工艺5的温度动态变化曲线，在堆肥的起始阶段，堆体温度迅速上升，在30h左右就已达到高温水平，而且堆体达到的最高温度较高；同时温度动态变化曲线上的温度周期性变化的波浪形曲线峰宽度明显增加，这主要可能是因为该工艺的物料初始含水率仅为50%，较适于微生物的生长与繁殖^［67］，在通风量足够的情况下，氧气供应充足，不再是微生物生长繁殖的限制因素，从而使得堆体内好氧微生物的活性较高，对有机固体废物的降解能力较强，产生的热量也较多，远高于散热量，从而表现为堆体温度快速上升，也直观地说明该堆肥工艺下，堆肥起始的效率较高。但是从图上又可明显看出，虽然堆体温度的动态变化曲线满足温度变化的三阶段理论，经历了升温、高温和降温阶段，但堆体高温维持了约150h后又表现为快速下降的趋势，这主要是由于堆肥物料起始含水率仅为50%，在通风量为1.5L/（min·kg）和堆体温度较高的情况下，水分的挥发速率较大，被气体携带出的水分量也增加，导致堆体含水率快速下降，堆肥进行6d后微生物的生长繁殖受到含水率太低的限制，从而活性下降，降解能力减弱，产热量减少，温度降低。

（6）工艺6堆肥过程中温度的动态变化

工艺6堆肥过程中温度的动态变化曲线如图3-18所示，整个堆肥过程中的温度变化满足堆肥温度三阶段温度变化理论，说明工艺6堆肥能够顺利进行。在堆肥起始阶段，堆体温度快速上升，迅速达到高温水平，这可能是因为在初始物料含水率为56%和通风量［1.8L/（min·kg）］充足的堆肥条件下，堆体内微生物能够获得足够的氧气，在适宜的水环境条件下，通过同化吸收分解有机固体废物所产生的小分子有机化合物，与此同时释放部分热量到堆肥中，从而使堆体温度快速上升。同时整个堆肥过程中高温持续时间也较长（383h），所以可以从表观上直观地说明该堆肥工艺能够很好地实现堆肥的无害化要求，这可能是由于该堆肥工艺堆肥过程中，在安排的工艺参数下，能够很好地满足堆体内微生物生长繁殖的要求，使堆肥能够顺利进行，实现堆肥中不稳定的有机物质被降解或转化为稳定的物质，使生活垃圾与畜禽粪便达到稳定化的要求。

（7）工艺7堆肥过程中温度的动态变化

图3-19为生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥工艺7的温度动态变化曲线，整个堆肥过程中的温度变化也满足堆肥温度三阶段温度变化理论，说明工艺7堆肥能够顺利进行。在堆肥起始阶段，堆体温度快速上升，迅速达到高温水平，但是其升温速率要比工艺6的升温速率低，这可能是因为该工艺起始物料含水率为62%，堆体内微生物的活性部分受到抑制，同时由于通风量较大［2.1L/（min·kg）］，携带出的热量也较多，在堆肥的起始阶段产生热量有限的情况下影响到堆体的升温速率，使堆体的升温速率下降。

（8）工艺8堆肥过程中温度的动态变化

从图3-20可以看出，工艺8堆肥过程中温度的动态变化与堆肥工艺3相似，这是因为在堆体起始物料含水率为68%的情况下，堆肥起始阶段微生物的活性明显受到抑制作用，降解能力较低，导致产热量较少，不能使堆体温度快速上升，从而严重影响堆肥起始阶段的堆肥效率。但是随着堆肥时间的增加，由于堆体内微生物产生的热量逐渐累积和物料水分散失微生物活性逐渐增强的情况下，当堆肥时间达到220h左右时温度上升到50℃，堆体温度达到高温阶段。从曲线图上还可以看出，堆肥工艺8在堆肥的18d内没有出现降温，曲线缺乏降温阶段，这可能是因为该工艺的堆肥时间仅有18d，堆肥时间不足，时间成为堆肥达到腐熟的主要限制因素之一，从而使堆肥缺乏降温过程，未能达到腐熟的目的，所以初步判断该工艺不能使生活垃圾与畜禽粪便达到合理处理处置的目的。

3.4.2.2　堆体过程中相关温度指标的直观统计分析

一个完整的堆肥过程，达到高温的时间和升温速率不仅能够影响到堆肥的效率和堆肥成本，还能直观地反映出堆肥是否能够进行，同时间接地说明堆肥的无害化效果。

由表3-3可知，生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥的8种工艺中，起始升温速率大小依次为工艺6>工艺5>工艺7>工艺2>工艺1>工艺3>工艺8>工艺4，堆肥工艺4整个堆肥过程未能达到高温，所以起始速率近于0，也就不存在高温时间，所以可以明显看出堆肥工艺4不能满足生活垃圾与畜禽粪便无害化、减量化和资源化的需要。工艺6的升温速率最大，达到1.53℃/h，其次是工艺5的1.24℃/h和工艺7的0.84℃/h，说明生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥的8种工艺中，在工艺6的堆肥体系下微生物生长活性较高，堆体能够以最快的速度达到高温（≥50℃）。

高温持续时间长短依次为工艺2>工艺7>工艺3>工艺6>工艺8>工艺5>工艺1>工艺4，其中，只有工艺2、工艺3、工艺5、工艺6、工艺7和工艺8达到《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—1987）^［66］中规定的堆肥温度在50～55℃以上维持5～7d的要求，工艺1和工艺4明显未能达到无害化的要求，工艺1可能是由于通风量过小，不能满足堆体内微生物生长繁殖的需要，使得氧气浓度成为堆肥顺利进行的主要限制因素之一；工艺4则可能是由于堆肥起始物料的含水率过高，严重影响到堆体内的通风效果，使得堆体内厌氧程度较高，最终在氧气供应不足的情况下，使堆体内好氧微生物的生长与繁殖受到抑制。

3.4.2.3　温度指标的模糊评价

图3-13～图3-20和表3-3能够直观地说明堆肥的进行程度，但是不能量化地判断堆肥的无害化水平，所以过程中，利用3.4.1（2）部分中的评价因子建立和分级数据的确定方法，以高温持续时间和升温速率作为无害化水平判断的评价因子，并依据表3-3中的数据，确定分级数据（见表3-4），从而实现对生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥的8种不同工艺的无害化水平进行分级，获得可直接进行比较的量化指标，实现对8种不同堆肥工艺的无害化水平的优选，最终满足生活垃圾与畜禽粪便得到无害化处理处置的要求。

结合表3-3中的实测数据和表3-4中的分级数据，应用层次分析法，代入式（3-1）中，得出不同工艺的各分级指标的权数（表3-5）。

将隶属度矩阵R与权重矩阵W进行模糊复合运算，从而得出不同工艺基于堆肥过程中高温持续时间和升温速率的评价等级，其结果如表3-6所列。

由表3-6可知，综合考虑到堆肥过程中高温持续时间和升温速率时，8个不同堆肥工艺的温度综合评价结果大小为：工艺2（4级）=工艺6（4级）>工艺3（3级）=工艺5（3级）=工艺7（3级）>工艺8（2级）>工艺1（1级）>工艺4（1级）。说明生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥工艺2和工艺6能够较好地实现物料中有害病虫卵的杀灭，工艺3和工艺5能够基本实现物料的无害化，工艺1和工艺4则明显不能够实现堆肥过程中物料的无害化要求；工艺8属于可能达无害化标准一级，所以暂时不能明确说明，需要结合蛔虫卵和大肠杆菌的测定结果进行分析说明。

3.4.2.4　堆肥中蛔虫卵及大肠杆菌检测结果分析

对堆体内蛔虫卵及大肠杆菌的检测，可以直接判定堆肥的无害化水平，过程中对不同工艺堆肥产品的蛔虫卵及大肠杆菌的检测结果如表3-7所列。

由表3-7可知，工艺1和工艺4堆肥产品中的蛔虫卵杀灭率分别为12.39%和4.72%，远小于畜禽《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—1987）中杀灭率95%～100%的要求，且大肠杆菌的检出率均大于>10^-1，也未达到标准中<10^-2的要求，所以工艺1和工艺4不能达到使生活垃圾与畜禽粪便无害化的要求。工艺8的蛔虫卵杀灭率及大肠杆菌检出率分别为99.78%和<10^-1，均达到畜禽《粪便无害化卫生标准》（GB 7959—1987）^［66］的要求，结合表3.4.1.3中温度模糊分析结果说明，堆肥工艺8堆肥过程中能够实现生活垃圾与畜禽粪便的无害化；工艺2、工艺3、工艺5、工艺6和工艺7的蛔虫卵杀灭率及大肠杆菌检出率均明显达到畜禽粪便无害化标准的要求，所以，工艺2、工艺3、工艺5、工艺6和工艺7均能够实现生活垃圾与畜禽粪便无害化的要求，能够较好地杀灭生活垃圾与畜禽粪便中的有害病虫及微生物。

3.4.2.5　初筛结果分析

综合堆肥过程中高温持续时间、升温速率的模糊评价结果与病虫卵杀灭率检测分析结果，两者的分析结果总体上相一致，并实现了优势互补，从而总结各工艺的无害化判断结果。如表3-8所列。

由表3-8可知，综合温度模糊分析结果与病虫卵检测结果说明，工艺2、工艺3、工艺5、工艺6和工艺7好氧堆肥时，能够较好地实现生活垃圾与畜禽粪便的无害化要求，且无害化水平较高；工艺8基本能够实现生活垃圾与畜禽粪便混合堆肥达到无害化的要求；工艺1和工艺4则不能达到使生活垃圾与畜禽粪便无害化的要求。