程控好氧发酵技术处理农村生活垃圾探讨

高根树，朱秋云

（1.中联重科股份有限公司，长沙 410013；2.北京东方同华科技有限公司，北京 100090）

程控好氧发酵技术处理农村生活垃圾探讨

高根树1，朱秋云2

（1.中联重科股份有限公司，长沙 410013；2.北京东方同华科技有限公司，北京 100090）

县域生活垃圾量小且分散难于治理。传统堆肥工程因误导生化反应方向，加大了臭气治理的难度。通过静置程控好氧发酵，亦即设置垛内含氧量、湿度、温度检测，程序控制配风装置，维持稳定的好氧发酵，从而实现低耗能快速腐熟、干化。在消除臭味、大幅减量的基础上，再附加以机械分选，选出的有机质与惰性物留可在当地处置，可燃物进城处理，则可以最低社会成本解决县域生活垃圾处理问题。

生活垃圾；好氧发酵；程控

1 前言

随着我国城镇化速度的加快，农村县域生活垃圾治理问题日益突出，表现为垃圾总量小、运距长、产生臭气、垃圾反向进城、处理设施选址难等诸多方面。我国生活垃圾堆肥处理很早就作为垃圾处理的基本方式[1]，但由于堆肥工程占地面积大，臭气无组织排放、总量大、收集难、处理成本高，一直也未能发展成为垃圾处理的主流方式，主要是碍于工程项目次生的臭气难于有效解决。堆肥工程作为生物发酵技术的应用，之所以难以发展，原因出自工艺技术过程部分环节上步入了误区。

2 生物发酵处理的转换

2.1 好氧发酵

堆肥通常是指：对生活垃圾进行通风，使得好氧微生物大量繁殖的放热生物反应过程。在潮湿和有氧的微团粒表层，微生物吸取氧气，将有机物的碳、氮、硫消化为CO2、NO2、SO2。如微生物在富氧环境中，将有机物糖分解生成CO2和H2O，同时释放大量的热能。

（1）好氧发酵的干化过程

微生物作用形成的水是多分子聚合水，总质量非常小，遇到热势差很容易运动。热势差驱动分子水聚合体随空气介质以湿气形式排放，因此堆肥过程就是生物动力驱动的高效干化过程，而昼夜持续的好氧发酵干化对垃圾处理工艺特别有利。

（2）好氧发酵杀菌与无害化

好氧发酵过程会产生大量的热，堆垛温度很容易达到70℃～80℃，能杀灭大肠杆菌等有害细菌，熟化植物种子。好氧发酵不产生甲烷，是个无害化过程。

（3）堆肥腐熟速度

堆肥腐熟的理论速度取决于好氧微生物繁殖的速度。具备了足够的有机质，加上适宜的环境因素（水分、氧气、温度等），好氧发酵可以在1～2个小时得到80%的腐熟。微生物的这个神奇速度已通过大量实用餐厨垃圾好氧发酵装备得到了确切证实。

2.2 厌氧发酵

好氧发酵不存在产生臭气的原理，但堆肥工程却无一例外地会产生大量臭气。这是因为厌氧微生物与好氧微生物的发酵截然不同，是在缺乏空气状况下的腐烂。只要生物有机质腐烂发生在封闭、无空气或缺乏空气的状态下，就必然会产生臭气，包括甲烷、氨气、硫化氢，以及品种繁多的臭源分子，同时产生有机酸。

2.3 好氧发酵与厌氧发酵的转换

好氧微生物与厌氧微生物的繁殖环境因素是空气中氧气的含量和湿度。在同等湿度下，好氧发酵与厌氧发酵转换的临界点是空气含氧量低至最大含氧量的20%，在此临界值以下，好氧微生物繁殖逐步受到抑制，厌氧微生物逐步主导繁殖，开始产生臭气。

从生化反应速率上来讲，极端的好氧腐熟过程显著短于厌氧腐烂的完成时间。用优选培植微生物好氧处理餐厨垃圾的周期可缩短至8小时内。

2.4 堆肥工程设计对生化反应导向的影响

堆肥工程设计，就是人为创造条件为堆垛提供充足的氧气，同时保持湿度、控制温度。

对堆垛通风输氧的方式有两种：动态翻堆与静置吹（或抽吸）通风。通风过多即会变为冷却，也不利于发酵腐熟。通风的成功与否还受制于堆垛的透气性、阻力、均匀度。

垃圾成分复杂，无论是分类得到的有机质，还是经过机械化分选出的有机组份，用于堆肥的垃圾仍含有塑料、纸张等，这都是影响堆肥透气性能的因素。在同等通风条件下，透气性不好的区域阻力较大，就会优先沦为厌氧区。

总结众多的堆肥工程，可得出以下几个设计误导有机质生化反应方向之处：

（1）动态翻堆供氧工程

目前广泛应用的堆垛供氧技术是翻堆。翻堆机频繁抛撒堆垛垃圾，消耗的柴油成本较高。通常一天最多翻堆2次。

按照好氧发酵在2小时内完成80%的速度反算，1小时内好氧发酵已能够将堆垛氧份降低至正常值的20%，转入厌氧发酵进程。堆垛一天之内在剩余的约90%的时间内实际上是处于厌氧过程，即会产生大量臭气，这也就是国内堆肥工程普遍存在臭气扰民的根本原因。所以，费用高昂的频繁翻堆方式在一定程度上是错误的工程设计 。

（2）负压通风工程

国内目前最大的北京阿苏卫堆肥工程，采用斗轮式机械翻堆加负压抽吸通风的复合工艺。项目建成运营后即遇到选出有机组分塑料、纸张杂质的含量过高，造成堆垛透气性不良、阻力过大，负压抽风运行效果没有达到预期，拖延了次级发酵大厅有机组分腐熟时间，进而加大了后腐熟过程的压力，不得已扩建了后腐熟车间。

（3）动态发酵

动态翻堆技术是一种典型流派，以达能滚筒为代表。通过持续的倾斜滚筒旋转，持续不断地吹风，迅速将垃圾发酵。一般3天时间即可达到初腐熟。

直径4米，长达70米的巨大滚筒转动起来的负荷高达数百千瓦，会产生大量无效功。

（4）通风量设计

通风量与垃圾流量的匹配对发酵升温很重要。过度通风，堆垛温度降低至40℃以下，好氧发酵就会受到抑制，垃圾会被吹干，使得腐熟中断。以后再接续发酵，则臭气依旧。

总之，现有的垃圾堆肥工程存在各种误区，使得厌氧发酵隐蔽在好氧发酵的名义下，不能体现好氧发酵的真实水平，影响了堆肥的发展。

3 程控好氧发酵腐熟

3.1 程控好氧发酵工作原理

维持堆垛持续处于好氧发酵的根本就是控制堆体内部的温度、氧气浓度、湿度状况。这三个指标都是能够在线检测的。用一个程序控制系统，测算出所需的氧气量，换算成标准空气输入量，再通过即时远距离控制风机的运行，就能将氧气精确、定量地输送至堆垛中。通过程控化的控制系统，就能维持堆垛中好氧发酵环境持续稳定，进而发挥出好氧发酵的速度。

堆垛内部的不均匀发酵则通过布置多层探头检测。不同检测层面上的温度和含氧量可以通过视屏反映出来。

3.2 程控好氧发酵系统组成

程控好氧发酵系统有两种，一种是静置开放体系，投资成本很低；另一种是静置封闭循环体系，投资成本略高。

一个静置开放的程控好氧发酵系统包括建筑物、堆垛、探头、鼓风机、风管、程序控制终端（见图1、图2）。所配套的建筑物只需简单的水泥地面或沥青地面，一面女儿墙（是否设敞棚可选），一台装载机就可完成垃圾堆垛和腐熟料的输出。

图1 德国一程控好氧发酵系统示意图

图2 传感器

封闭系统的容器有旋转滚筒[2]、罐、仓，处理量较大。机械上料、出料。

3.3 程控好氧发酵系统的应用

近10年来，我国的程控好氧发酵技术探索有所进展[3]。程控好氧发酵系统除了用于生活垃圾处理（见图3），还可用于处理园林垃圾、活性污泥等[5]。

图3 腐熟中的堆垛

应用静置开放的程控好氧发酵系统，生活垃圾的完全腐熟时间最短达到25天，处理每吨生活垃圾的耗电量仅为1～2kW·h。用于处理活性污泥，可将其干燥至含水量低于20%，每干化1吨污泥的耗能仅为1kW·h。

经过程控好氧发酵的产物是无臭味的。该系统曾用于治理扬州某鸡粪堆肥厂，取得了消除恶臭气味的效果。

4 程控好氧发酵处理对农村县域垃圾的适用性

目前，国内的农村土地权归镇级人民政府管理，以镇为单位，县域内镇级的垃圾总量一般在10～100t/d。生活垃圾总量小，采用静置开放程控好氧发酵处理后，臭味得以消除，且工程占地面积小，易于就地解决场址问题，投资成本和运行成本均很低，工程的可行性、持续可运行性非常优越。

5 腐熟物二次分选

程控好氧发酵的产物虽然不臭，也实现了40%～50%的减量，但产物含杂质较多，去处仍然不畅。

若加上一个小型机械分选系统，对腐熟垃圾进行分选[5]，则可将选出的有机质留本地处置，用于园林；石子、玻璃等惰性物已完成无害化可就地填埋，仅有高热值筛上物选择转运进城集中处理。

6 结论

县域生活垃圾量小且分散，难于治理。传统堆肥工程因误导生化反应方向，加大了臭气治理难度。静置程控好氧发酵亦即设置垛内含氧量、湿度、温度检测，程序控制配风装置，维持稳定的好氧发酵，从而实现低耗能快速腐熟、干化。在消除臭味、大幅减量的基础上，再附加以机械分选，可将选出有机质和惰性物留当地处置，唯有可燃物运输进城处理，则可以最低的综合社会成本解决农村县域生活垃圾的处理问题。

[1] 宋立杰，陈善平，赵由才.可持续生活垃圾处理与资源化技术[M].北京：化学工业出版社，2014：181-219.

[2] 北京中持绿色能源环境技术有限公司.有机废弃物连续动态好氧处理系统及方法[P]：中国，CN103044105A，2014-12-17.

[3] 农业部规划设计研究院.一种有机固体废弃物好氧发酵工程参数数据采集系统[P]：中国，CN202141475U，2008-08-27.

[4] 上海城市污染控制工程研究中心有限公司.一种低能耗、无污染的污泥高温好氧发酵工艺[P]：中国，CN101618977B，2013-01-09.

[5] 高德树，高根树，王锦芳.城市生活垃圾堆肥处理工程技术发展探讨[J].中国环保产业，2007（12）：46-48.

On Rural Refuse Treatment Technology with Programm Controlled Aerobic Fermentation

GAO Gen-shu, ZHU Qiu-yun

X705

A

1006-5377（2016）12-0070-03

湖南省科技计划项目经费资助（2015SK1002）。