有机固体废弃物资源化处理技术分析与装备研究

何剑雄，黄安涛，刘胜强

（长沙环保（服务）工业技术研究院，湖南长沙410100）

随着我国经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，有机固体废弃物的产生量逐年增加，产生量居世界前列。有数据统计，仅2015年我国生活垃圾达2.48亿t，农业固体废物中秸秆的年产量突破8 000万t，餐厨垃圾产生量超过8 000万t，畜禽废弃物排放总量38亿t，市政污泥（含水率80%）产生量接近3 500万t，目前有机废弃物每年仍以8%～10%的速度递增[1，2]。特别是广大农村与乡镇，大量的畜禽粪便、餐厨垃圾、市政污泥、稻草秸秆等有机废弃物未经过无害化处理，随意丢弃、裸露堆置或排入河、溪、田、塘等，造成大气、土壤、地表水和地下水生态恶化，产生的恶臭以及有害气体和携带病原微生物的粉尘飘散在空气中，严重威胁人、畜健康[3]。

有机固体废物处理基本思路是减量化、无害化、资源化，处置方法主要有填埋、焚烧、好氧和厌氧消化[4]。针对我国餐饮、果蔬农贸市场、规模畜禽养殖、乡镇污水厂污泥处理等行业的有机废弃物,污染较为分散、集中处理投资成本大、人员费用高、序批式好氧发酵周期长的不足，开发了中小型有机废弃物处理设备，该设备占地面积小，资金投入小，实现了小规模分散式城乡、市场、企业产生的有机固体废弃物自动化处置和资源化利用，改善人居环境。

1 技术原理及工艺

1.1 高温快速好氧发酵原理

好氧发酵是有机物在高温好氧环境下利用微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程，若利用专用设备发酵，添加高效微生物菌剂，不仅能提高堆肥质量，还能促进堆肥快速腐熟[5-6]。

针对有机废弃物较为分散的特点，开发了一种滚筒式有机废弃物反应器，用于分散式有机废弃物资源利用，通过筛选高温发酵优势菌种，调节有机废弃物养分、控制温度、控制氧浓度等措施，缩短好氧堆肥反应的时间。

1.2 滚筒式有机废弃物反应器的原理及结构方案

滚筒式有机废弃物反应器采用外热能源伴热，通过控制水分条件和流动通气，利用滚动和螺旋抄板间断地或连续地翻动有机废弃物，不断地将进料端的物料沿着筒体轴线方向向出料端移动，通风和UV废气装置将少量逸出的臭气处置后抽出，同时带走发酵产生的水汽。发酵过程中快速达到高温，能控制发酵过程中臭气的产生，有效杀灭病原体和降解有机污染物，完成好氧堆肥。主要设备包括伴热装置、卧式发酵滚筒、螺旋抄板等，发酵时间短，适合有机固体废弃物处置，既能快速实现无害化和资源化，又能快速实现经济效益。

如图1所示，滚筒式有机废弃物反应器主要由进出料装置、反应器筒体、支撑装置、限位装置、传动装置、伴热装置、废气处理装置、通风装置等组成。

图1 滚筒式有机废弃物反应器结构图

2 系统设计

2.1 主体结构设计

滚筒式有机废弃物反应器采用水平卧式设计，进出料分别设置在滚筒两侧，采用绞龙或螺旋进出料，可实现进出料全自动化。

滚筒式有机废弃物反应器日批次处理量为1~10 t，根据处理量不同，反应器筒体长4.5~8 m，直径1.2~2.2 m，长径比为3~5，可简化为筒体两端带有2个滚圈支座的简支梁模型，中间采用齿轮传动。筒体外部敷设有保温材料和装饰材料，筒体内部设计有L型物料抄板，该L型物料抄板分两组，一组沿滚动方向呈螺旋递进排布，另一组沿滚动方向呈逆螺旋递进排布，且均与水平方向呈不同倾角，如图2所示。

图2 反应器剖面图

根据滚筒滚圈设置支撑装置及限位装置，主要作用是承载物料及滚筒重量、传递接触转动和防止滚筒串动，减少摩擦。

如图2所示，伴热装置、温湿度检测管和强制曝气管排列成五角星形一体化布置，其中下方2进2出设置4根导热油伴热管，上方管内综合布置有温度检测传感器、氧气浓度检测传感器及强制曝气暗管，实现在线监测及智能控制。

2.2 设计特点

（1）滚筒式有机废弃物反应器设备紧凑，伴热装置和螺旋抄板装置保证了有机废弃物的快速高温好氧发酵。

（2）针对不同的有机废弃物分别添加辅料和菌种，可适用多种有机废弃物分散处理。

（3）根据不同有机废弃物的工艺参数，可智能化设置和调整储热系统温度、氧气浓度、通风速率、滚动频率、正反转等参数，实现物料及菌种的充分混合，缩短发酵时间，减少氮素损失，提高肥料品质。

（4）设备操作简单，各功能及工艺参数可中央监测和远程程序化控制，监测信号自动进行故障分析、诊断、报警、记录。

3 材料与方法

3.1 市政污泥原料

滚筒式有机废弃物反应器可适应如餐厨、果蔬、规模畜禽养殖、乡镇污水厂污泥处理等行业有机废弃物处理，本研究选取较难处理的市政污泥作为发酵原料。

试验污泥来源于娄底市政污泥，按CJ/T209—2009检测，其性质见表1。

表1 某市政污水厂污泥性质（结果取多份样品平均值）%

根据泥质分析，试验市政污泥中有机质含量较高，按照质量比2∶1添加稻壳（含水率11%）作为辅料，调节堆体水分和碳氮比。混合料在滚筒式有机废弃物反应器内充分混合后取样，检测显示平均含水率61%，有机质含量72.2%，碳氮比为20。

3.2 菌种筛选与实验方法

好氧堆肥过程中，起主导作用的主要是微生物，这些微生物具某些特定功能，或是针对某些物质进行分解，或是加快堆体升温。本研究通过筛选优势菌群如芽孢杆菌等嗜热菌，加速大分子复杂有机物，缩短堆肥时间，加快腐熟进程，提高堆肥效率。

市场购买常规EM发酵菌剂，与筛选的芽孢杆菌嗜热菌剂按1∶1添加。试验时按混合料质量比3‰添加菌剂并开启滚筒，转速控制在0.5~1 r/min，正转15 min后反转15 min，将菌剂与堆体充分混合后自动进入间歇式转动，有利于增加堆体与氧气接触和散发热量与水汽。同时开启伴热系统2~3 h，检测堆体温度上升至55℃后停止，按控制程序持续曝气和通风换气，维持堆体70±5℃高温发酵区间。堆体经过短暂升温期后进入55~75℃高温期发酵，45 h后取样检测。

3.3 试验结果与分析

样品按NY525-2012的标准进行理化指标分析如表2。

表2 发酵样品理化指标表%

从表2可以看出，经过48 h发酵后含水率大幅下降，有机质含量略有下降，同时总养分较原料略有下降。持续的高温期将粪大肠杆菌、寄生虫卵和其他病原微生物杀死，达到了无害化卫生标准的要求。

发芽指数可作为腐熟度的量化指标，发芽试验是测定植物毒性物质最直接快速的方法之一，一般认为用于农业用途种子发芽率应不低于80%，本研究市政污泥经快速高温发酵后，有机肥样品发芽率在80%~92%，平均值84.1%，完全腐熟。

4 讨论与结论

与传统好氧发酵堆肥周期需要经历约15~21 d的升温、高温、降温和腐熟4个阶段不同，采用滚筒作为有机废弃物的反应容器，添加筛选的嗜热微生物菌群，堆体可快速进入高温阶段发酵，加快对半纤维素、纤维素、蛋白等复杂大分子有机物的降解，48 h快速完成发酵腐熟。

滚筒内发酵阶温度维持70±5℃，快速杀死病原微生物，缩短发酵时间快速腐熟，同时减少堆肥过程中的有机质和氮素等养分损失，稳定产品品质。

滚筒式有机废弃物反应器不仅可以充分混合原料、辅料和菌种，还能智能调节发酵温度、氧气浓度、换气速度等参数控制发酵过程，实现了有机废弃物的无害化、减量化、资源化处理。

本研究选取较难发酵的市政污泥和谷壳作为材料，通过筛选的嗜热微生物菌群和开发滚筒式有机废弃物反应器进行发酵试验，实现了快速高温发酵形成有机肥，为资源化处理分散式有机垃圾提供了新的思路。

[1]席北斗，刘东明，李鸣晓，等.我国固废资源化的技术及创新发展[J].环境保护，2017(20):16-19.

[2]中华人民共和国环境保护部.2015年环境统计年报[M].北京:中国环境出版社，2017.

[3]徐志平.畜禽废弃物污染与商品有机肥料产业发展[J].耕作与栽培·环境保护，2003(5):57-58.

[4]黄国锋，吴启堂，黄焕忠.有机固体废弃物好氧高温堆肥化处理技术[J].中国生态农业学报，2003，11(1)：159-161.

[5]TORTOSAG. The production of commercialorganic amendments composting of two-phase olive mill waste[J].Journal of Cleaner Production，2012(26):48～55.

[6]廖汉鹏，陈志，余震.有机固体废物超高温好氧发酵技术及其工程应用[J].福建农林大学学报，2017，7(46):439-444.