有機固體廢棄物資源化處理技術分析與裝備研究

何劍雄，黃安濤，劉勝強

（長沙環保（服務）工業技術研究院，湖南長沙410100）

隨著我國經濟的高速發展和人們生活水平的不斷提高，有機固體廢棄物的產生量逐年增加，產生量居世界前列。有數據統計，僅2015年我國生活垃圾達2.48億t，農業固體廢物中秸稈的年產量突破8 000萬t，餐廚垃圾產生量超過8 000萬t，畜禽廢棄物排放總量38億t，市政污泥（含水率80%）產生量接近3 500萬t，目前有機廢棄物每年仍以8%～10%的速度遞增[1，2]。特別是廣大農村與鄉鎮，大量的畜禽糞便、餐廚垃圾、市政污泥、稻草秸稈等有機廢棄物未經過無害化處理，隨意丟棄、裸露堆置或排入河、溪、田、塘等，造成大氣、土壤、地表水和地下水生態惡化，產生的惡臭以及有害氣體和攜帶病原微生物的粉塵飄散在空氣中，嚴重威脅人、畜健康[3]。

有機固體廢物處理基本思路是減量化、無害化、資源化，處置方法主要有填埋、焚燒、好氧和厭氧消化[4]。針對我國餐飲、果蔬農貿市場、規模畜禽養殖、鄉鎮污水廠污泥處理等行業的有機廢棄物,污染較為分散、集中處理投資成本大、人員費用高、序批式好氧發酵周期長的不足，開發了中小型有機廢棄物處理設備，該設備占地面積小，資金投入小，實現了小規模分散式城鄉、市場、企業產生的有機固體廢棄物自動化處置和資源化利用，改善人居環境。

1 技術原理及工藝

1.1 高溫快速好氧發酵原理

好氧發酵是有機物在高溫好氧環境下利用微生物通過自身的分解代謝和合成代謝過程，若利用專用設備發酵，添加高效微生物菌劑，不僅能提高堆肥質量，還能促進堆肥快速腐熟[5-6]。

針對有機廢棄物較為分散的特點，開發了一種滾筒式有機廢棄物反應器，用于分散式有機廢棄物資源利用，通過篩選高溫發酵優勢菌種，調節有機廢棄物養分、控制溫度、控制氧濃度等措施，縮短好氧堆肥反應的時間。

1.2 滾筒式有機廢棄物反應器的原理及結構方案

滾筒式有機廢棄物反應器采用外熱能源伴熱，通過控制水分條件和流動通氣，利用滾動和螺旋抄板間斷地或連續地翻動有機廢棄物，不斷地將進料端的物料沿著筒體軸線方向向出料端移動，通風和UV廢氣裝置將少量逸出的臭氣處置后抽出，同時帶走發酵產生的水汽。發酵過程中快速達到高溫，能控制發酵過程中臭氣的產生，有效殺滅病原體和降解有機污染物，完成好氧堆肥。主要設備包括伴熱裝置、臥式發酵滾筒、螺旋抄板等，發酵時間短，適合有機固體廢棄物處置，既能快速實現無害化和資源化，又能快速實現經濟效益。

如圖1所示，滾筒式有機廢棄物反應器主要由進出料裝置、反應器筒體、支撐裝置、限位裝置、傳動裝置、伴熱裝置、廢氣處理裝置、通風裝置等組成。

圖1 滾筒式有機廢棄物反應器結構圖

2 系統設計

2.1 主體結構設計

滾筒式有機廢棄物反應器采用水平臥式設計，進出料分別設置在滾筒兩側，采用絞龍或螺旋進出料，可實現進出料全自動化。

滾筒式有機廢棄物反應器日批次處理量為1~10 t，根據處理量不同，反應器筒體長4.5~8 m，直徑1.2~2.2 m，長徑比為3~5，可簡化為筒體兩端帶有2個滾圈支座的簡支梁模型，中間采用齒輪傳動。筒體外部敷設有保溫材料和裝飾材料，筒體內部設計有L型物料抄板，該L型物料抄板分兩組，一組沿滾動方向呈螺旋遞進排布，另一組沿滾動方向呈逆螺旋遞進排布，且均與水平方向呈不同傾角，如圖2所示。

圖2 反應器剖面圖

根據滾筒滾圈設置支撐裝置及限位裝置，主要作用是承載物料及滾筒重量、傳遞接觸轉動和防止滾筒串動，減少摩擦。

如圖2所示，伴熱裝置、溫濕度檢測管和強制曝氣管排列成五角星形一體化布置，其中下方2進2出設置4根導熱油伴熱管，上方管內綜合布置有溫度檢測傳感器、氧氣濃度檢測傳感器及強制曝氣暗管，實現在線監測及智能控制。

2.2 設計特點

（1）滾筒式有機廢棄物反應器設備緊湊，伴熱裝置和螺旋抄板裝置保證了有機廢棄物的快速高溫好氧發酵。

（2）針對不同的有機廢棄物分別添加輔料和菌種，可適用多種有機廢棄物分散處理。

（3）根據不同有機廢棄物的工藝參數，可智能化設置和調整儲熱系統溫度、氧氣濃度、通風速率、滾動頻率、正反轉等參數，實現物料及菌種的充分混合，縮短發酵時間，減少氮素損失，提高肥料品質。

（4）設備操作簡單，各功能及工藝參數可中央監測和遠程程序化控制，監測信號自動進行故障分析、診斷、報警、記錄。

3 材料與方法

3.1 市政污泥原料

滾筒式有機廢棄物反應器可適應如餐廚、果蔬、規模畜禽養殖、鄉鎮污水廠污泥處理等行業有機廢棄物處理，本研究選取較難處理的市政污泥作為發酵原料。

試驗污泥來源于婁底市政污泥，按CJ/T209—2009檢測，其性質見表1。

表1 某市政污水廠污泥性質（結果取多份樣品平均值）%

根據泥質分析，試驗市政污泥中有機質含量較高，按照質量比2∶1添加稻殼（含水率11%）作為輔料，調節堆體水分和碳氮比。混合料在滾筒式有機廢棄物反應器內充分混合后取樣，檢測顯示平均含水率61%，有機質含量72.2%，碳氮比為20。

3.2 菌種篩選與實驗方法

好氧堆肥過程中，起主導作用的主要是微生物，這些微生物具某些特定功能，或是針對某些物質進行分解，或是加快堆體升溫。本研究通過篩選優勢菌群如芽孢桿菌等嗜熱菌，加速大分子復雜有機物，縮短堆肥時間，加快腐熟進程，提高堆肥效率。

市場購買常規EM發酵菌劑，與篩選的芽孢桿菌嗜熱菌劑按1∶1添加。試驗時按混合料質量比3‰添加菌劑并開啟滾筒，轉速控制在0.5~1 r/min，正轉15 min后反轉15 min，將菌劑與堆體充分混合后自動進入間歇式轉動，有利于增加堆體與氧氣接觸和散發熱量與水汽。同時開啟伴熱系統2~3 h，檢測堆體溫度上升至55℃后停止，按控制程序持續曝氣和通風換氣，維持堆體70±5℃高溫發酵區間。堆體經過短暫升溫期后進入55~75℃高溫期發酵，45 h后取樣檢測。

3.3 試驗結果與分析

樣品按NY525-2012的標準進行理化指標分析如表2。

表2 發酵樣品理化指標表%

從表2可以看出，經過48 h發酵后含水率大幅下降，有機質含量略有下降，同時總養分較原料略有下降。持續的高溫期將糞大腸桿菌、寄生蟲卵和其他病原微生物殺死，達到了無害化衛生標準的要求。

發芽指數可作為腐熟度的量化指標，發芽試驗是測定植物毒性物質最直接快速的方法之一，一般認為用于農業用途種子發芽率應不低于80%，本研究市政污泥經快速高溫發酵后，有機肥樣品發芽率在80%~92%，平均值84.1%，完全腐熟。

4 討論與結論

與傳統好氧發酵堆肥周期需要經歷約15~21 d的升溫、高溫、降溫和腐熟4個階段不同，采用滾筒作為有機廢棄物的反應容器，添加篩選的嗜熱微生物菌群，堆體可快速進入高溫階段發酵，加快對半纖維素、纖維素、蛋白等復雜大分子有機物的降解，48 h快速完成發酵腐熟。

滾筒內發酵階溫度維持70±5℃，快速殺死病原微生物，縮短發酵時間快速腐熟，同時減少堆肥過程中的有機質和氮素等養分損失，穩定產品品質。

滾筒式有機廢棄物反應器不僅可以充分混合原料、輔料和菌種，還能智能調節發酵溫度、氧氣濃度、換氣速度等參數控制發酵過程，實現了有機廢棄物的無害化、減量化、資源化處理。

本研究選取較難發酵的市政污泥和谷殼作為材料，通過篩選的嗜熱微生物菌群和開發滾筒式有機廢棄物反應器進行發酵試驗，實現了快速高溫發酵形成有機肥，為資源化處理分散式有機垃圾提供了新的思路。

[1]席北斗，劉東明，李鳴曉，等.我國固廢資源化的技術及創新發展[J].環境保護，2017(20):16-19.

[2]中華人民共和國環境保護部.2015年環境統計年報[M].北京:中國環境出版社，2017.

[3]徐志平.畜禽廢棄物污染與商品有機肥料產業發展[J].耕作與栽培·環境保護，2003(5):57-58.

[4]黃國鋒，吳啟堂，黃煥忠.有機固體廢棄物好氧高溫堆肥化處理技術[J].中國生態農業學報，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]廖漢鵬，陳志，余震.有機固體廢物超高溫好氧發酵技術及其工程應用[J].福建農林大學學報，2017，7(46):439-444.