有机固体废物超高温好氧发酵技术及其工程应用

廖汉鹏, 陈 志, 余 震, 卢晓梅, 汪 涌, 周顺桂

(1.福建农林大学资源与环境学院/土壤环境健康与调控福建省重点实验室，福建 福州 350002;2.广东省生态环境技术研究所,广东 广州 510650;3.北京绿源科创环境技术有限公司，北京 100026)



有机固体废物超高温好氧发酵技术及其工程应用

廖汉鹏1, 陈 志1, 余 震2, 卢晓梅1, 汪 涌3, 周顺桂1

(1.福建农林大学资源与环境学院/土壤环境健康与调控福建省重点实验室，福建 福州 350002;2.广东省生态环境技术研究所,广东 广州 510650;3.北京绿源科创环境技术有限公司，北京 100026)

有机固体废物已成为我国生态环境和农业面源污染的重要源头，解决废物资源化高效利用问题成为研究的热点与关键.虽然传统高温堆肥作为废物资源化处理技术已经成熟，但是存在发酵周期长、发酵温度低、无害化不彻底等缺陷，严重制约其工厂化推广应用.本文推出一种有机废物资源化利用新技术：超高温好氧发酵技术.介绍了其基本原理、工艺流程、发酵参数以及在废物资源化利用方面的优势.该技术通过添加嗜热菌剂使发酵温度比传统高温堆肥高出20～30 ℃，能够显著缩短发酵周期、强化无害化效果.因此，该技术有望成为一项具有广泛应用前景和市场需求的废物资源化新技术.

高温堆肥; 超高温好氧发酵技术; 有机废弃物; 超嗜热微生物

我国每年产生大量的有机固体废物，其中畜禽养殖废弃物约40亿t，城市污泥近3 500万t.畜禽废弃物每年排放的COD达1 268万t，占农业排放总量的95.8%，成为最主要的面源污染源[1].因此，如何因地制宜地将有机废弃物转化成可利用的“资源”与“能源”，实现资源化循环利用成为我国农业可持续发展所面临的重大问题[2].2016年12月21日习近平总书记召开中央财经领导小组第十四次会议强调的“六项重大民生工程”，其中两项与废弃物资源化有关，表明废物处理已经成为国家层面的战略问题.

有机固体废物既是重大的环境污染源，同时也是巨大资源与能源库.据估算，我国有机废弃物中蕴含的生物质能约相当于10亿t标准煤，同时有机废弃物中富含N、P、K、有机质等养分的肥料价值与我国化肥的年生产总量相当[3].尽管有机废弃物具有较高的养分与能源价值，但是，目前仍然缺少高效节能的资源化利用技术.废弃物资源化的核心问题是将有机物料中的难以利用的元素转化为植物容易吸收利用的形态，达到废物回收利用与减少污染物质扩散的双重功效[4].从物质和能量循环角度分析，只有将废弃物最终回归至土壤中，才能持续维持土壤地力，实现真正的养分元素循环与平衡.因此，废弃物资源化高效利用技术与途径开发成为研究的热点与关键.

1 有机固体废物处理与利用的方法

目前，有机固体废物处理的方法主要有填埋、焚烧、厌氧消化、好氧发酵处理等[5-6].填埋作为城市污泥最普遍的处置方式，虽然投资少、操作简单，但它占地量大，且容易污染地下水和空气，因此它并不是一种合理环保的处理方式[7].污泥经过固化处理或与石灰等药剂处理后再填埋可以减少对周边环境的污染，但是其仍然受填埋场地有限等因素限制，同时我国将逐步限制未经无害化处理的污泥进行埋场处理.污泥焚烧发电处理的优点为无害化彻底、减量化效果好，同时可以产生电能.因此，在经济发达且土地资源紧缺地区以焚烧发电处理为首要选择.该技术在日本污泥处置所占比例最高，在我国经济发达的江苏省，焚烧发电也占了重要的地位[8].焚烧发电处理虽然有众多优点，但其最大的缺点是投资运行成本太高，而且燃烧产生温室气体、有害气体二噁英污染环境[9].

厌氧消化处理不仅可以处理污泥，还可以处理畜禽养殖废弃物.主要通过厌氧微生物发酵降解有机物产生能源生物质沼气.厌氧消化是一种常用的有机废弃物处置途径，具有减量化、能耗低、产生生物能源沼气等优点，但也有污泥固体生物可降解性低，消减效率较低、处理周期比较长，沼气产率不稳定等缺点[10].

高温好氧堆肥是有机废物无害化处理与资源化利用的重要手段，在我国的历史可以追溯上千年，其实质是有机物在微生物作用下分解代谢产生热能，促使有机物向稳定的腐殖质转化过程.同时高温可杀灭废弃物中的病原菌等有害生物、缩小堆体的体积和容重，方便后期贮存和资源化利用；不仅可解决规模化养殖和燃烧秸秆带来的环境污染问题，而且可发展有机肥产业，保持和提高土壤肥力，对促进农业可持续发展具有重要意义[11].

高温堆肥的原理如图1所示，新鲜的有机废弃物在好氧微生物的作用下，代谢分解产生热能使堆体温度上升，在整个发酵周期中完成有机物的腐殖化、稳定化、减量化、无害化过程.尽管好氧发酵技术理论、设备工艺较为成熟完善，已被广泛应用于城市污泥、畜禽粪便、作物秸秆等废弃物的处理[12-16].但是，传统高温堆肥技术存在发酵温度较低、发酵周期长、无害化不彻底、臭气污染严重等诸多缺点，已成为限制其全面推广与应用的瓶颈.

图1 高温好氧堆肥原理示意图

传统好氧发酵的最高温度一般维持在50～70 ℃，因此也将该好氧发酵技术称为高温(好氧)堆肥[13-17].温度是影响好氧发酵进程的重要因子，整个发酵过程可根据温度高低分为4个阶段：低温阶段、升温阶段、高温阶段、降温阶段.传统堆肥与实践认为，堆肥发酵温度不能高于70 ℃，否则功能微生物会大量死亡，发酵腐熟的进程减慢，导致发酵最终不完全[17].近年来已有研究表明提高堆体温度可加速腐殖化进程，缩短发酵周期[18].嗜热功能微生物是决定发酵温度高低的关键因子，传统高温堆肥中缺乏极端嗜热功能微生物，造成发酵温度难以达到更高.日本科学家通过在污泥原料中添加极端嗜热微生物，在不依靠外部加热条件下将好氧发酵温度提高至90 ℃以上，该措施可以显著缩短发酵周期、提高生产效率、降低生产成本[19].鉴于该技术与常规高温堆肥的主要区别是发酵温度特别高，能够达到90 ℃以上，因此将该技术命名为超高温好氧发酵或者超高温堆肥(hperthermophinic composting or hperthermophinic aerobic fermentation).然而，至今该技术在国内外的进展仍然缓慢，通过Web of Science检索“hperthermophinic composting or hperthermophinic aerobic fermentation”发现只有4篇相关研究报道，通过中国知网检索关键词“超高温好氧发酵或者超高温堆肥”未发现相关报道，表明国内关于超高温好氧发酵或者超高温堆肥的研究一直是空白.本课题组通过多年研究，在国内率先开发出超高温好氧发酵技术，并在全国范围内推广应用.

2 超高温好氧发酵技术原理、工艺

微生物是好氧发酵过程的驱动者，在降解有机物的同时释放热量将堆体温度升高，与此同时功能微生物群落发生剧烈演替.然而，在传统堆肥过程中温度超过70 ℃将抑制几乎所有微生物(包括嗜热微生物)的活性，导致后续堆肥过程难以稳定运行.近二十年，极端嗜热微生物的研究得到快速发展，特别是关于超嗜热菌的分离与培养、酶学功能以及工程应用[20].日本科学家首次发现极端嗜热微生物在好氧发酵过程中具有非常重要的作用[21].此后，周顺桂等研究人员便开展极端嗜热微生物分离筛选及其功能的研究，从多种极端高温环境中采集样品，分离了50余株嗜热微生物菌株.通过底物利用和菌株复配试验，基本明确了大部分极端嗜热菌株的主要功能和相互关系，并筛选出20余株具有较强有机物料降解能力的菌种.通过长期在堆肥工程中的应用试验，发现土芽孢杆菌属(Geobacillus)、栖热菌属(Thermus)和Calditerricola等属的极端嗜热微生物对提高堆体温度、促进堆肥腐熟的作用显著.因此，以嗜热及极端嗜热功能菌株为基础，通过试验开发出了超高温好氧发酵菌剂，并获得在实际工程应用中良好效果.

超高温好氧发酵技术，是针对传统好氧发酵(高温堆肥)技术存在发酵温度低、周期长、臭味严重、无害化不彻底等缺陷而出现的一项新技术.相对于传统有机固体废物处理技术——高温堆肥，该技术最显著的特点是发酵温度特别高(大于80 ℃)，而且是不依靠外源热源加热，通过极端嗜热微生物代谢分解有机物释放的生物热能产生极端高温(表1)，因此该技术也称为超高温堆肥.

表1 超高温好氧发酵与传统堆肥技术特性比较1)

1)a：粪大肠菌群值的含义是含有1个粪大肠菌的被检样品克数或毫升数，该值越大，含菌量越小.GI:种子发芽指数.

2.1 极端嗜热微生物菌剂的开发

Stetter et al[22]根据环境中微生物最适生长温度不同将其分为：嗜冷微生物(<20 ℃)、嗜温微生物(25～40 ℃)、嗜热微生物 (40～65 ℃)、极端嗜热微生物(65～80 ℃) 、超嗜热微生物(>80 ℃).极端嗜热微生物(extreme-thermophilic microbes)是指最适生长温度在65～80 ℃以上的微生物，温度低于65℃以下会停止生长[22].目前，人们已经从高温环境中分离得到90余种极端嗜热微生物[23].本课题组从火山口(云南腾冲火山口)、热泉(广东增城温泉)、高温堆肥(河南郑州堆肥厂)等多种高温环境中采集样品，在高温(50～85 ℃)的环境下以有机物料为唯一的碳源富集培养半个月，最后稀释涂布，具体分离方法见参考文献[24,25]，分离出40余株嗜热(最适生长温度45～65 ℃)和10多株极端嗜热(最适温度70～85 ℃)菌株.经过底物利用筛选试验，获得了9株既具有较强有机物降解能力又具有耐受极端高温(70～85 ℃)的功能微生物(菌种保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心，保藏号为CGMCC 5641、CGMCC 5642、CGMCC 5643、CGMCC 5927、CGMCC 5928、CGMCC 5929、CGMCC 6185、CGMCC 9678和CGMCC 9681，包括3株土芽孢杆菌(Geobacillussp.)、1株超嗜热菌(Calditerricolayamamurae)、1株甲基营养型芽孢杆菌(Bacillusmethylotrophicus)、1株厌氧芽孢杆菌(Anoxybacillusmongoliensis)、1株厌氧芽孢杆菌(Anoxybacilluspushchinoensis)和2株芽孢杆菌(Bacillussp.).进一步通过菌株复配和优化试验，获得超高温发酵复合功能菌剂，添加该菌剂后发酵温度大幅度提高，最高达到90 ℃以上，实现有机废物超高温好氧发酵.

2.2 超高温好氧发酵技术工艺流程

本文以污泥为例阐述超高温好氧发酵工艺流程.首先将新鲜污水处理厂脱水污泥(简称鲜料，含水量80%)与已发酵腐熟干料(简称返混料，含水率35%)拌合均匀，添加0.5%的液体极端嗜热混合菌剂至原料中，运输至发酵槽(水泥钢筋结构，长8.5 m，宽6 m，高3.2 m)，堆体高度约2.5 m，总物料量约110 t，同时开启鼓风机进行曝气供养，前期每隔约4 d进行翻堆混匀物料，后期可以加速翻堆频率以便加速水分蒸发和腐熟进程，整个工艺流程如下图所示(图2).

图2 超高温好氧发酵槽工艺流程图

2.3 超高温好氧发酵技术主要工艺参数

影响高温堆肥的主要工艺参数主要有：初始含水量、C/N比、供氧量、pH、有机质含量、温度等.前期试验研究表明，初始含水量、C/N比、供氧量3个参数对超高温好氧发酵温度的影响较大.不同初始物料C/N比的试验发现(图3-A)，C/N为10与20的2个处理间发酵最高温度差异不明显，两者温度在发酵第2天即上升到80 ℃以上，最高温度达到93 ℃.而C/N为5的处理，升温速率较慢，高温持续时间短.因此，综合考虑生产成本与发酵效果，选择初始C/N为10作为超高温好氧发酵较为理想的条件.从图3-B可知，综合考虑在不用频繁调节通风量的情况下，超高温好氧发酵的通风速率应保持在20 m3·t-1·h-1.原料含水率越高，微生物活跃性越强，但是含水率过高又会导致孔隙率下降，阻碍好氧发酵通风供氧.综合考虑堆体升温速率和最高发酵温度，确定物料初始含水率约为50%是超高温好氧发酵最佳选择.因此，超高温好氧发酵最佳工艺参数为：物料初始C/N=10、通风速率20 m3·t-1·h-1以及初始含水率50%.

A:不同C/N比对发酵温度的影响;B：不同曝气量对发酵温度的影响;C：原料不同含水量对发酵温度的影响.

3 超高温好氧发酵技术的实际工程应用

本课题组率先在国内开展超高温好氧发酵技术的研究，并成功开发出极端嗜热微生物菌剂与超高温好氧发酵技术.该技术相对于传统高温堆肥技术在处理有机固体废物上具有多方面的优势，特别是无害化处理城镇污泥.自2012年以来，依托超高温好氧发酵技术的有机固体废物资源化利用工程在北京、河南、福建、江苏等多地建立，部分示范工程得到了相关媒体的关注报道.2015年9月，中国环境报以“好氧新技术助力污泥无害化处理”为题报道了北京顺义污泥超高温好氧发酵技术，指出该技术可有效解决传统技术弊端，可快速降低污泥含水率，投资成本低.此外，超高温好氧发酵技术作为新型有机废物资源化技术受到了各界领导和专家的关注，先后有中国科学院刘昌明院士、中国人民大学王洪臣教授、同济大学戴晓虎教授、住建部、北京排水集团等有关专家和领导对超高温好氧发酵示范项目进行考察调研.本课题组申报的“UTM超高温好氧发酵技术及应用”获得2016 年中国产学研合作创新成果奖一等奖.

超高温好氧发酵技术应用工程案例：

(1)北京顺义污泥再生资源利用工程:该工程采用超高温好氧发酵技术处理顺义生活污水处理厂的脱水污泥(含水率80%)，日处理污泥近600 t，实现城镇污泥快速生物干化和无害化处置，方便后续资源化利用.初始80%含水率的污泥经过15～20天超高温好氧发酵处理后，可实现生物干化与高温腐熟，腐熟结束时物料含水量在35%～40%之间，可以生产有机肥用于园林绿化等，符合国家相关标准《GB23486园林绿化泥质标准》.由于我国北方冬季气温低，传统高温堆肥由于室温太低无法启动进行.而超高温好氧发酵技术在室温接近-20 ℃的条件下仍然运行良好，冬天北京顺义厂中发酵堆体仍然冒出热腾腾的蒸汽(图4C).

A：工厂发酵槽;B:曝气设备;C:冬季发酵效果;D:发酵最高温度.

截至2017年2月，该工程已累计处理污泥近40万t，减量化达70%以上.2015年9月，中国建设报以“绿源环境：污泥处理生力军”为题报道了超高温好氧发酵技术在北京顺义污泥再生资源利用应急工程项目；3个月后，中新网就该工程项目的运行情况进一步详细报道，报道题为“首个日处理 600 t污泥资源再生利用工程在京运营3个月效果显著”.该项目已成为国内城镇污泥大规模、快速、高效处理与资源化利用的示范性工程.

(2)中原环保污泥超高温好氧发酵工程:该工程位于河南省郑州市王新庄污水处理厂内，日处理含水率80%的污泥50 t，采用超高温好氧发酵技术，于2011年8月建成投产.污泥发酵过程中堆体平均温度80 ℃以上，最高温度可达95 ℃，发酵周期15～20天，产品含水率低35%，腐熟度高，发酵过程臭味产生少，相关指标符合《GB23486园林绿化泥质标准》.该项目是超高温好氧发酵技术研发成功后的首个示范项目，并作为2012年住建部科技发展促进中心科技成果鉴定的考察现场，稳定运行至今.

(3)伊赛牛粪超高温资源化处理工程:该工程位于河南焦作市修武县，于2013年建成投产，采用超高温好氧发酵技术，可日处理牛粪40 t，生产优质生物有机肥10 t.牛粪发酵过程中平均温度80 ℃以上，高温期持续5～7天，发酵过程无臭味、无渗滤液，产品腐熟度高.该工程是超高温好氧发酵技术在畜禽粪便牛粪的首次应用，工程实际应用效果证明该技术不仅能够处理污泥，还可以处理其它农业废弃物.

4 结论与展望

超高温好氧发酵技术基于传统的好氧发酵技术，通过添加极端/超嗜热功能微生物提高发酵温度，能够缩短发酵周期、提高运行效率、降低生产成本、提高无害化效果.尽管超高温好氧发酵技术已在全国多地已推广应用，表现出诸多传统发酵无法比拟的优势，但是与此同时也存在一些缺陷.譬如，超高温处理有机废弃物可加速有机物矿化，但是会降低腐熟物料中有机质保留量.因此，该技术需要在发酵温度与养分损失之间寻找一个平衡点，兼顾有机废物处理效率与产品肥料价值.

[1] 李文哲,徐名汉,李晶宇.畜禽养殖废弃物资源化利用技术发展分析[J].农业机械学报,2013,44(5):135-142.

[2] 孙永明,李国学,张夫道,等.中国农业废弃物资源化现状与发展战略[J].农业工程学报,2005,21(8):169-173.

[3] 陈勇,李国学,刘晓风,等.有机固体废弃物资源化与能源化循环利用系列技术及应用[J].中国科技成果,2011,12(23):59-59.

[4] ZHANG L, ZHANG H, WANG Z, et al. Dynamic changes of the dominant functioning microbial community in the compost of a 90 m3aerobic solid state fermentor revealed by integrated metaomics[J]. Bioresource Technology, 2016,203:1-10.

[5] 黄国峰,吴启堂,孟庆强,等.有机固体废弃物在持续农业中的资源化利用[J].土壤与环境,2001,10(3):246-249.

[6] 张培玉,刘晗.城市污水处理厂污泥的综合利用与资源化[J].环境科学与技术,2009,32(12):109-112.

[7] 朱英,赵由才,李鸿江.城镇污水处理厂污泥填埋方法与技术分析[J].中国给水排水,2010,26(20):12-15.

[8] 周立祥.江苏省城镇污水处理厂污泥处理处置现状调查及政策措施研究(技术鉴定报告)[R].江苏省住房与城乡建设厅,2012-01-07.

[9] 方平,岑超平,唐子君,等.污泥焚烧大气污染物排放及其控制研究进展[J].环境科学与技术,2012,35(10):70-80.

[10] SALMINEN E, RINTALA J. Anaerobic digestion of organic solid poultry slaughterhouse waste—a review[J]. Bioresource Technology, 2002,83(1):13-26.

[11] 于子旋,杨静静,王语嫣,等.畜禽粪便堆肥的理化腐熟指标及其红外光谱[J].应用生态学报,2016,27(6):2 015-2 023.

[12] NAKASAKI K, SHODA M, KUBOTA H. Effect of temperature on composting of sewage sludge[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1985,50(6):1 526-1 530.

[13] TORTOSA G, ALBURQUERQUE A, AIT-BADDI G, et al. The production of commercial organic amendments and fertilisers by composting of two-phase olive mill waste[J]. Journal of Cleaner Production, 2012,26:48-55.

[14] TORTOSA G, CASTELLANO-HINOJOSA, A CORREA-GALEOTE, et al. Evolution of bacterial diversity during two-phase olive mill waste composting by 16S rRNA gene pyrosequencing[J]. Bioresource Technology, 2017,224:101-111.

[15] 刘超,徐智,李少明,等.不同比例鸡粪—废烟末混合堆肥过程的研究[J].云南农业大学学报(自然科学版),2015,30(5):799-803.

[16] 谷思玉,蔡海森,闫立龙,等.鸡粪与稻壳好氧堆肥的不同C/N研究[J].东北农业大学学报,2015,4:51-58.

[17] MACGREGOR S, MILLER F, PSARIANO S, et al. Composting process control based on interaction between microbial heat output and temperature[J]. Applied and Environmental Microbiology, 1981,41(6):1 321-1 330.

[18] YAMADA T, MIYAUCHI K, UEDA H, et al. Composting cattle dung wastes by using a hyperthermophilic pre-treatment process: characterization by physicochemical and molecular biological analysis[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2007,104(5):408-415.

[19] OSHIMA T, MORIYA T. A preliminary analysis of microbial and biochemical properties of high-temperature compost[J]. Annals of the New York Academy of Sciences, 2008,1125(1):338-344.

[20] BLUMER-SCHUETTE, S KATAEVA, WESTPHELING J, et al. Extremely thermophilic microorganisms for biomass conversion: status and prospects[J]. Current Opinion in Biotechnology, 2008,19(3):210-217.

[21] YOSHII T, MORIYA T, OSHIMA T. Bacterial and biochemical properties of newly invented aerobic, high-temperature compost[J]. Springer Netherlands, 2013:119-135.

[22] STETTER K.O, FIALA G, HUBER G, et al. Hyperthermophilic microorganisms[J]. FEMS Microbiology Letters, 1990,75(2-3):117-124.

[23] STETTER K.O. A brief history of the discovery of hyperthermophiliclife[M]. Portland Press Limited, 2013,41(1):416-420.

[24] YU Z, WU C, YANG G Q, et al.Planifilumcaenisp. nov., A novel member of thermoactinomycete isolated from sludge compost[J]. Current Microbiology, 2015,70(1):135-140.

[25] MORIYA T, HIKOTA T, YUMOTO I, et al.Calditerricolasatsumensisgen. nov., sp. nov. andCalditerricolayamamuraesp. nov., extreme thermophiles isolated from a high-temperature compost[J]. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology, 2011,60(3):631-636.

(责任编辑:吴显达)

Development of hperthermophinic aerobic composting and its engineering applications in organic solid wastes

LIAO Hanpeng1, CHEN Zhi1, YU Zhen2, LU Xiaomei1, WANG Yong3, ZHOU Shungui1

(1.College of Resources and Environment, Fujian Agriculture and Forestry University, Fujian Provincial Key Lab of Soil Environmental Health and Regulation, Fuzhou, Fujian 350002, China; 2.Guangdong Institute of Eco-environment and Soil Sciences, Guangzhou, Guangdong 510650, China; 3.Beijing Geogreen Innotech Co., Ltd, Beijing, China)

As important non-point source pollution from agriculture and municipal use, organic solid waste poses serious threat to the environment, organic solid wastes make a serious threat to the environment, so how to process and recycle them causes unprecedented attention. Although traditional thermophilic composting, as a waste utilization technology, is well studied for decades, some defects in this technology seriously restrict its industrial applications, such as long fermentation time, low fermentation temperature, incomplete maturity. To overcome these drawbacks, a new technology named hperthermophinic aerobic fermentation was introduced, together with its basic principle, process flow, fermentation parameter and advantages. Experimental tests proved that adding extreme thermophilic bacteria increased the fermentation temperature of this technology by 20-30 ℃, comparing to traditional composting, which eventually greatly shorten the fermentation time by 15-25 days. Therefore, this technology has a wide potential in the field of wastes utilization.

thermophilic composting; hperthermophinic aerobic composting; organic solid waste; hperthermophinic microbes

2017-02-21

2017-04-25

福建省发改委农业“五新”工程建设项目([2016]482);福建省高校产学研项目(2016N5004);福建农业引导重点项目(2016N0007).

廖汉鹏(1986-),男,讲师,博士研究生.研究方向:固体废物资源化利用与技术.Email:lhp91@126.com.通讯作者周顺桂(1975-),男,教授.研究方向:固体废物资源化与环境生物电化学技术.Email:sgzhou@fafu.edu.cn.

Q815

A

1671-5470(2017)04-0439-06

10.13323/j.cnki.j.fafu(nat.sci.).2017.04.014