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污水处理厂污泥堆肥技术概述

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污水处理厂污泥堆肥技术概述

1前言
1998年我国城市污水排放量约为195亿 m3，比1997年增加了5.7亿m3,并且城市污水排放量今后将以每年7％的速率增长[1-2]。1996年我国城市污水处理率为23.6%，但城市污水集中处理率仅为 11.4%[3]。根据《国家环境保护“九五”计划和2010年远景目标》，到2000年，全国要新增加城市污水处理能力2000万吨/日，集中处理率达25％，至2010年城市集中污水处理率将达40％，因此，预计我国将新增加城市污水处理厂1000余座，在这些污水处理厂中有相当大一部分是中、小型城市污水处理厂；污水处理副产污泥，这就意味着我国需要处理、处置的污泥量将大幅度增加。1996年，我国有100 多家污水处理厂，日处理污水1022万m3，年产干污泥50-120万吨(湿污泥4380-8395万吨)[4-5]。然而，只有不到1/4的污水处理厂有污泥稳定处理设施，污泥处理工艺配套设备较为完善的还不到1/10[6]。对中、小型污水处理厂来说，污泥厌氧消化技术的投资，运行成本及能耗都较高，所以，我国许多中、小型污水处理厂在建厂时一般没有配置必要的污泥处理设施，个别污水处理厂甚至将已经建成的污泥厌氧处理设施闲置不用。即使使用了污泥厌氧消化技术的污水厂也存在着消化污泥的最终处置问题。由于缺乏适宜的污泥处理技术，这严重阻碍着中、小型污水处理厂的发展和正常运行，污泥成了这些污水处理厂的沉重负担。不合理的污泥处置不仅会使污水厂的水处理成效前功尽弃，劳而无功，还会造成严重的二次污染，造成新的环境危害。目前，我国污泥的主要处置方法是土地利用和土地填埋，只有少部分的污泥用于制造建材[7]。在今后较长一段时期内，我国污泥仍将以土地利用为主[5]，但重金属和病原菌等影响了污泥的土地利用。通过对15家中、小型城市污水处理厂污泥处理方案的生命周期分析表明，在处理费用大致相当的情况下，将中、小型污水处理厂的污泥集中进行脱水和堆肥处理后进行土地利用是最佳选择[4]；污泥厌氧消化和沼气利用适于大型污水处理厂的污泥处理[5,7]。污泥经堆肥化处理后进行土地利用，因施用方便、经济效益高且对环境影响小，值得研究与开发[4,8]。堆肥化技术是对污泥进行无害化、资源化处理处置的常用技术之一，很多国家已经实现了污泥堆肥的商品化生产。堆肥产品可在农业、林业、园艺等方面得到广泛应用。堆肥技术投资和运行费用相对较低，又可回收利用剩余污泥这一废弃资源，不仅会产生环境效益还会产生相当的经济效益。
本论文针对我国中、小型城市污水处理厂采用污泥厌氧消化技术处置剩余污泥不具备技术经济优势，在相当一段时间内将难以设置污泥厌氧消化系统的问题，通过技术攻关开发适合我国国情和中、小型城市污水处理厂污泥稳定化、无害化、资源化的高效低耗与复合肥制备成套技术。污泥堆肥技术的攻关目标和内容[9]：
（1）污泥堆肥生料配方的优选；
（2）污泥堆肥操作条件的优化；
（3）提高污泥堆肥效率和污泥产品质量的途径和技术研究。
专题规定污泥堆肥技术的攻关研究技术路线为[9]：在深入调研分析国内外堆肥技术的研究和应用现状的基础上，选择适合中、小型城市污水处理厂污泥处置的堆肥技术和污泥生料，进行污泥堆肥研究。
根据专题的研究技术路线，本论文的研究和工作内容是：
对国内外堆肥系统和设备进行广泛调研。根据各种堆肥技术的特点和应用条件，针对我国的具体情况和专题攻关目标，以日处理 40000m3、日产10吨干污泥的城市污水处理厂为对象（脱水污泥的含水率为70％～80％），对典型的堆肥系统进行技术经济分析，从中筛选适合我国国情的污泥堆肥系统。根据污泥堆肥系统的技术经济分析结果，结合课题经费和场地等实际情况，选择既有高效低耗特点，技术经济指标较好，工艺设备又较简单的堆肥工艺，设计、建造和安装污泥堆肥中试实验系统。
利用所建造的污泥堆肥中试实验系统，进行污泥堆肥生料配方的优选和污泥堆肥操作工艺的优化实验，探索适宜的污泥生料配方和污泥堆肥操作工艺参数。
进行污泥堆肥稳定度的评价研究，探讨 BOD5 和比耗氧速率（SOUR）等指标作为污泥堆肥稳定度评价指标的可行性。
本论文的研究成果将为中、小型污水处理厂污泥堆肥工业化应用提供科学依据和设计、运行参数。
2 堆肥技术的研究及应用进展
2.1国外堆肥技术的研究及应用进展
固体废弃物处理的方法很多，如土地填埋、焚烧、海洋倾倒和土地利用等，但由于经济、环境和政策法规的影响，土地填埋场地的缺少或土地填埋场的关闭[1-3]，这导致土地填埋的费用上涨(1975年，德国有5000个土地填埋场，1993年只剩不足300个，且土地填埋处理污泥的费用上涨至300- 500马克/吨[2])；美国和欧盟分别规定从1991年12月31日和1998年起禁止向海洋倾倒污泥[4-5]；所以，堆肥技术在固体废弃物管理中的作用越来越大，它应用的领域主要是污泥、城市固体废弃物、庭院废弃物和食品废弃物[6]。
1985年，法国有95个堆肥厂处理城市固体废物（MSW），处理量为153.9万吨/年, 占城市固体废物处理量的9.7％[13]；1992年11月～1993年3月间的调查表明[11], 加拿大有137 个堆肥厂, 年处理城市固体废物27.5万吨。1992年，德国有100个堆肥厂处理有机废物，年处理量是30万吨, 预计到本世纪末, 年处理量将达到300万吨[14]。1997 年，荷兰、德国和英国分别有90%以上、45%和6%的家庭有机废物采用堆肥技术处理，美国有230000吨食品废弃物采用堆肥技术处理[7-8]；1999 年美国约有18000家污水处理厂，产生干污泥约520万吨，其中土地利用占43.55%，堆肥6%，土地填埋22.73%，焚烧16.14%，其它 11.58%[9], 但美国采用堆肥技术处理污泥的厂家却越来越多。
推动堆肥工业发展的主要因素有两个：
（1）用堆肥技术生产有机土壤改良剂;
（2）采用堆肥技术作为废物处理的一种重要手段[15]。
现代堆肥技术起源于英国农业学家Albert Howard于1905年-1934 年在印度开发的著名堆肥方法“Indore 法”[16]。现代堆肥技术的发展分为三个阶段[6]：
第一阶段（1930-1940年）：按照城市固体废弃物管理和处置的优先性，堆肥技术排列很低，这是堆肥技术在该阶段地位的决定性因素。因为当时城市固体废弃物的常用处置方法为露天堆放，所以，同堆肥技术相比，这种原始处置方式的费用非常低。在该时期，有关堆肥微生物的基本原理得到了认识，并尝试将此转化为操作和设计参数；同时堆肥研究的主要争论领域是厌氧堆肥和好氧堆肥，中温堆肥和高温堆肥。
第二阶段（1950-1960年）。在这10年，食品工业的发展和公众食品消费习惯的转移(从罐头食品到冷冻食品)以及塑料的广泛应用引发了城市固体废弃物成分和处理、处置方式的改变。尽管公众已意识到固体废弃物的露天堆放对公众健康、环境质量和资源保护有危害作用，但由于经济原因，露天堆放仍然是城市固体废弃物的常用处置方式。在这个阶段，关于堆肥过程基本原理的理解和应用取得了实质性的发展，从而也提高了堆肥技术在固体废弃物处理中的比例。例如，50 年代人们已认识到堆体温度不应超过 60-65℃；建立了堆肥原料的允许含水率（城市固体废弃物的允许含水率为 55- 60％）；有关堆肥过程的微生物学原理取得了重大的进展；氧的需求与供应成为堆肥研究的焦点；1959年 2 月，人们报道了Uzwil 和Ruschlikon的污泥和垃圾堆肥实验，脱水污泥（含水率为 70％）与垃圾的比例是 1/2；1959年6月，加州污泥处理厂采用污泥与木片刨花进行堆肥；同年Reeves教授采用污泥与木屑进行堆肥[17]。尽管条垛堆肥系统是当时最常见的系统，但也有项目采用反应器堆肥系统，然而由于经济原因和低劣的运行表现，反应器堆肥系统几乎是失败的。总之，该阶段堆肥研究的真正进展是确立了堆肥过程的关键影响因素：含水率、pH 值、温度、C/N比和营养物的可得性。
第三阶段（1970年-至今）。1972 年，美国Los Angeles第一次采用条垛系统进行脱水消化污泥堆肥，处理规模为100吨干污泥/日，该系统运用了回流堆肥的新概念，这标志着现代条垛堆肥系统的开始[16]。为了解决条垛系统进行生污泥堆肥产生的臭味问题，研究人员在此基础上进行了改进，于1975～76年在马里兰州的Beltsville发展了强制通风静态垛堆肥系统，该系统在美国得到了广泛的应用[16,18-19]。1983 年俄亥俄州的 Portland 城在美国第一次采用反应器堆肥系统处理污泥，选用的是Taulman - Weiss堆肥系统[20]。70年代以来，堆肥技术在城市固体废弃物管理中的地位得到了很大的提高，主要原因是：（1）露天堆放处理方式的消亡；（2）土地填埋系统处理固体废弃物产生了很多的问题，如对地下水的污染；（3）人们认识到堆肥技术在污泥处理、处置中的益处。此外，在此期间发生的“能源危机”也使公众认识到固体废弃物可作为一种潜在的资源，所以，有关城市固体废弃物处理的研究得到了极大的发展，堆肥技术也不例外。尽管如此，堆肥技术在城市固体废弃物管理中的地位和作用仍然很小。在当前及不久的将来，堆肥技术将主要用于处理食品废弃物和庭院废弃物。当前有关堆肥研究的焦点仍然是如何控制臭味和寻求一种简单、可靠、便宜的堆肥腐熟度测试方法。
2.2 我国堆肥技术的研究及应用进展
在我国，堆肥技术可追溯到古代的野积式堆肥。目前，堆肥技术主要用来处理城市固体废弃物和污泥。我国城市固体废弃物堆肥技术发展可分为3个阶段[21]：
(1)初始阶段(50- 60年代)：本阶段在农村传统堆肥技术基础上进行较为简单的堆肥，堆肥方式为开放式堆垛，用土覆盖保温，通风方式主要是自然通风或厌氧发酵，没有专用的机械设备，采用手工或振动筛进行筛选。该阶段的工艺较为简单，发展缓慢。
(2)开发研究阶段(70-80年代)：随着城市的发展，人口的增加，城市固体废弃物处理已成为各城市亟待解决的大事。这阶段是城市固体废弃物堆肥技术研究、发展的兴旺时期，新工艺、新技术不断涌现，堆肥专用机械设备得到开发，堆肥机理得到深入研究。1990年有11项堆肥技术分别被评为推广技术和试点推广技术。
(3)推广应用阶段(90年代-至今)：在评估和研究基础上，对一些堆肥技术进行推广，从而促进城市固体废弃物和污泥的处理。
A、堆肥应用基础理论研究
对城市生活垃圾堆肥化处理的微生物特性研究表明：55℃菌株的平均酶活性高于 45℃菌株的平均酶活性[22]；高温好氧堆肥能杀灭大多数细菌，细菌和霉菌为堆肥的优势类群，芽孢杆菌和曲霉菌是优势种[23]。以3株细菌和2株放线菌为基础的混合菌种， 能初步缩短垃圾堆肥周期，并取得了一定的脱臭效果[24]。筛选得到了 8 株嗜高温(55℃)嗜粪细菌，加入所选育菌株进行的猪粪高温好氧堆肥实验表明，24小时内可将猪粪堆肥成无臭味、 深褐色的稳定和无害化产物[25]。堆肥实验结果表明：驯化的降解菌对堆肥中的多环芳烃有明显的降解作用[26]。以垃圾中的各种有机物为电子供体，以O2为电子受体，以 NH4+为微生物细胞合成的氮源，周少奇[27]推导了好氧堆肥过程的生化反应计量方程式，并对计量关系式进行了讨论。
通过消化污泥间歇堆肥小试，张永豪等[28-29]建立了消化污泥间歇式堆肥阶段的无害化温度- 时间标准(50℃-2小时)，并提出了气量与消化污泥堆肥平均反应速率的函数关系式。他依此标准建立了一种新型的堆肥操作气量控制方式：依照无害化温度-时间标准调整气量，使物料在堆肥过程中恰好满足此标准的最大气量为该控制方式的工艺气量，即以工艺气量作为堆肥过程的气量控制方式。
通过对包括COD、VM(挥发性物质)、淀粉、纤维素、C/N 比、温度、水分和耗氧速率等堆肥过程控制指标的综合研究，张所明等[30-31]认为耗氧速率是一个合理可行、易于工程应用的堆肥腐熟度指标。在堆肥达到腐熟时，其耗氧速率为0.02～0.1DO2%/min，此值的变化与堆肥中有机物的含量有关。通过对NH4+-N、pH、类脂物、淀粉、腐殖质、纤维素、蛋白质的研究，李艳霞推荐类脂物作为污泥堆肥的腐熟度指标，但没有给出定量的数值[32]。徐红的研究表明：
当发芽指数(GI)>80%，COD 降解率<5%，可以认为污泥堆肥是腐熟的[33]。
B、堆肥工艺研究及应用
在我国，堆肥工艺分为一次性发酵工艺和二次性发酵工艺，或者分为静态发酵和动态发酵[21]，这不同于传统的堆肥方法分类(条垛、强制通风静态垛和反应器)。
70 年代以前，我国的垃圾堆肥主要采用一次性发酵工艺，80年代以后，更多的城市采用二次性发酵工艺，目前大多数垃圾堆肥厂采用二次性发酵工艺。天津河西区堆肥厂是我国较早建立的一次性发酵工艺堆肥厂，但上海安亭垃圾处理厂规模最大(日处理垃圾300吨)，由于经费等原因，它在90年代初停止运行[21,34]。二次性发酵工艺最早由北京环卫科研所进行小试[21]，无锡建立了当时我国规模最大的二次性发酵工艺垃圾处理厂，处理量是 100吨/日，一次发酵堆层温度控制在60-70℃之间，发酵周期是10天，C/N比为25/1左右，含水率为30- 40%, 氧浓度超过10％；二次发酵周期为10天[35]。北京董村建立了处理量为10吨/日的间歇式翻堆工艺的堆肥厂，由于经费的原因，它已停止运行。建于1995 年并在1998 年开始运行的北京南宫堆肥厂是第一个从国外引进先进堆肥工艺的堆肥厂，采用了从德国引进的隧道式堆肥系统，处理规模为400吨/日。
唐山西郊污水处理厂于 1994 年建立了一个中试规模的水平流搅拌固体床污泥堆肥系统，并在1998年开始用污泥堆肥制备复合肥[36]。
陈世和等[37-38]进行了城市生活垃圾动态堆肥工艺及其装置特性的研究，研制了 Dano 实验模型，研究了Dano堆肥反应器的特性，提出了Dano堆肥动态工艺的特点和参数。卢杰等[39]用发酵罐进行中温消化污泥和生活垃圾混合堆肥的研究，结果显示：最佳污泥投配率为 35％左右，一次发酵周期为7-10天，二次发酵周期为一个月左右，堆肥温度控制在50-65℃，C/N比为30-40/1。而何品晶等[40]报道：污水厂脱水污泥与城市垃圾混合堆肥的适宜配比为 26-38%(wt)；污水厂脱水污泥和管道污泥与城市垃圾的适宜配比为 30- 40％(wt)。 薛澄泽等[41]采用通风静态垛堆肥技术处理污泥，堆料的优选配方为污泥/玉米秆糠/鸡粪/玉米秆短节=6/3/1/3 (以体积计，污泥风干后通过100 mm筛孔)，含水率50- 65%, C/N 比 30/1，并利用腐熟的堆肥制作复合肥料。肉鸡舍垫料堆肥处理的最佳工艺条件为：含水率 70％，最高发酵温度70℃，通风量50 ml/L·min[42]。猪粪高温堆肥的适宜操作条件：稻草或稻壳占猪粪重量的3%或4%，含水率为66%[43]。间歇式动态好氧堆肥技术具有发酵周期短(5天)，处理工艺简单，发酵仓数少和投资小等特点，它的关键是发酵仓底部的等厚分层出料，研究了实现这种要求的变螺杆的设计方法[44-45]。城市生活垃圾滚筒式好氧堆肥技术的适宜操作条件是：有机物含量 50- 60%，含水率 30- 50%，一次发酵时间1- 3天，二次发酵时间10天，一次发酵最佳温度55- 65℃[46]。赵子定等[47]采用自然通风堆肥技术对化纤污泥进行了无害化处理。在由木屑、活性污泥和适当的营养物质所构成的堆肥体系中，在通风和35- 45℃的条件下，No.4 燃料油顺利分解[48]。马瑛等[49]采用好氧堆肥法，分别在常温和高温条件下研究了人工模拟有害固体废弃物降解的动态过程。结果表明：以石油烃为污染基质的固体废弃物，其适宜的堆肥条件为：温度50－60℃，水分60％左右，C/N比35 左右，通风量0.05－0.1Nm3/h·m3，高温停留时间7天，TOC＞20％。
2.3 堆肥化技术和堆肥系统
2.3.1 堆肥化技术基本概念
堆肥化(Composting)的定义：堆肥化技术在世界上许多国家和地区得到了广泛的应用，却没有一个被大家一致接受的严格定义[50-55]。Haug[50]、Diaz 等[54]和Augenstein 等[55]的堆肥化定义都包含了好氧堆肥和厌氧堆肥，而在欧盟[ 20, 51 ]，堆肥化仅限定于好氧堆肥。不过，虽然各种定义的范围有所不同，但大家都认为堆肥化是一种受控制的生物降解和转化过程，这是关键。
堆肥(Compost) 的定义：虽然堆肥化的定义有不同，但堆肥的定义基本一致。堆肥是堆肥化过程的生物降解和转化产物。
堆肥化过程(Process Stages)：底料是堆肥系统处理的对象，一般是污泥、城市固体废弃物、庭院废弃物等。调理剂可分为两种类型：(1)结构调理剂：它是一种加入堆肥底料的物料( 无机物或有机物)，可减少底料容重，增加底料空隙，从而有利于通风。(2)能源调理剂：它是加入堆肥底料的一种有机物，增加可生化降解有机物的含量，从而增加了混合物的能量。
堆肥化过程常分为两个阶段[16, 56 ],第一阶段是高速阶段，第二阶段是后腐熟阶段。Stentiford 等[56]认为，对于条垛堆肥系统，第一阶段结束的标志是堆体最高温度＜40℃。高速阶段的特征是耗氧速率高、温度高、挥发性有机物降解速率高和很浓的臭味；后腐熟阶段的特征则是温度低、耗氧速率低和很淡的臭味。前处理和后处理需要适应堆料的特性和堆肥产品的质量要求。如：对于污泥，前处理主要是污泥和调理剂的混合，后处理主要是污泥堆肥产品的筛分；对于垃圾，前处理通常有垃圾分拣、筛分、磁分离和调湿等，后处理主要是堆肥产品的筛分，所以，用垃圾生产堆肥时，其产品质量在很大程度上取决于前、后处理的类型和程度[16]。
2.3.2 堆肥系统分类
堆肥化技术已得到了广泛的应用，但堆肥系统的分类却大同小异[2- 4, 9- 10, 54, 57]。Stentiford 等[56]根据操作过程的特点，将堆肥化技术分作干预过程和非干预过程[16]。Manser等将堆肥系统分为简单条垛堆肥系统和复杂机械堆肥系统[57]。在众多的分类方法中，Haug[16]的分类比较具有系统性。他根据反应器类型、固体流向、反应器的床层和空气供给方式进行分类，其分类如下：
一、开放式系统(Open)
A. 搅拌固体床：(1)自然通风式，(2)强制通风式；
B. 静态固体床：(1)强制通风静态垛式；(2)自然通风式；
二、反应器系统(In - Vessel)
A. 垂直固体流：(1)搅拌固体床： a.多床式，b.多层式；(2)筒仓式反应器：
a.气固逆流式，b.气固错流式；
B. 水平和倾斜固体流：(1)滚动固体床(转筒或转鼓)：a.分散流式，b.蜂窝式，c.完全混合式；(2)搅拌固体床( 搅拌箱或开放槽)：a.圆形，b.长方形；(3)静态固体床(管状)：a.推进式，b.输送带式；
C.静止式（堆肥箱)
2.3.3 堆肥系统的特点
开放式堆肥系统是一个简单过程，反应器堆肥系统是一个复杂过程[50,58]。条垛系统是将混合好的固体废弃物堆成条垛状并定期进行机械翻堆。氧主要由条垛系统中热气体上升引起的自然通风供给，少部分由机械翻堆引起的气体交换供给[16]。强制通风静态垛系统与条垛系统的最大区别：前者料堆静止不动，通过强制通风给料堆供氧，后者需定期翻堆。反应器堆肥系统种类繁多，特点各异，其堆肥过程一般较开放式堆肥系统快一些。
2.4 堆肥过程的影响因素及其控制
堆肥过程中，重要的影响因素有含水率、C/N 比、氧含量、温度、pH 值。堆肥过程控制的主要因素有三个：通风、温度和含水率。
2.4.1 堆肥过程的影响因素
含水率：对于条垛系统和反应器系统，堆料的含水率不应大于65％；对于强制通风静态垛系统，含水率不应大于60％。无论什么堆肥系统，含水率均应不小于40％[59]。含水率过低，不利于微生物的生长；含水率过高，则堵塞堆料中的空隙，影响通风，导致厌氧发酵。此外，为了便于筛分，经过堆肥处理后的混合物必须含有55- 60％的总固体[60]。C/N 比：堆肥化操作的一个关键因素是堆料的C/N 比，一般在 20/1到30/1之间比较适宜。若C/N 比过高，不利于堆肥过程中微生物的生长；若 C/N比过低，则堆肥产品会影响农作物生长。用含污泥的混合物堆肥时，堆料的挥发性固体含量应大于50％[59]。
氧含量：堆体中的氧含量保持在5-15％之间比较适宜[59]。氧含量低于 5％会导致厌氧发酵； 氧含量高于15％则会使堆体冷却，导致病原菌的大量存活[61]。
温度：堆肥化过程中，堆体温度应控制在45- 65℃之间，但在 55- 60℃时比较好，不宜超过 60℃[61-63]；温度超过60℃，就会对微生物的生长活动产生抑制作用。 堆肥化是一个放热过程，若不加控制，温度可达75-80℃[62]，温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量。因此，常采用调整通风量的办法控制温度。
根据美国环保局的规定[59]，深度减除病原菌工艺(PFRP, Processes to Further Reduce Pathogen)的标准是：(1)对于反应器系统和强制通风静态垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间必须达 3 天。(2)对于条垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间至少为15天，且在操作过程中，至少翻堆5次。
pH 值：根据美国环保局的规定[59]，污泥和调理剂混合物的pH值应在6- 9之间。Nakasaki 等[64]研究了控制pH值对垃圾堆肥的影响。结果表明：在垃圾堆肥早期，控制 pH 值能极大地加快反应速率，这样可避免由于反应停滞引起的臭味问题；微生物增长速率和蛋白质分解速率在pH为7- 8时最佳，葡萄糖分解速率在pH为6-9时最佳。
2.4.2 含水率控制
对于不同的原料，堆料的初始含水率通常在45～70％（wt）之间，但适宜的含水率应在55～65％（wt）之间；当堆料的含水率低于30～40％（wt）时，它将抑制微生物的活性。所以堆肥过程应在含水率40～60％（wt）的范围内操作[59, 65-68]堆料的含水率影响堆料的结构特性、热特性和生物降解速率。对于翻堆的堆肥系统，含水率控制比较简单，一个有经验的操作工人可以在翻堆阶段判断堆料是否过湿或过干，从而决定相应的调整措施；对于密闭的反应器堆肥系统，在线自动含水率监测系统可以替代/加强操作工的作用；对于堆料干燥过快的堆肥系统，通常采用的一个措施是加水。但对于不翻堆的堆肥系统（强制通风静态垛）， 不可能在翻堆阶段加水，所以该类系统需要现场含水率测试仪器。
2.4.3 温度控制
在堆肥过程中，控制温度的目标是极大地使堆肥无害化（高温有利于堆肥无害化）和稳定化（高温抑制堆肥稳定化）[65]。在堆肥过程，不同的温度有不同的效果：>55℃无害化效果最好，45～55℃生物降解速率最大，35～40℃微生物种类最多。
条垛堆肥系统的温度控制取决于翻堆频率；强制通风静态垛堆肥系统的温度控制取决于不同的通风控制方式；而密闭的堆肥系统，其温度控制取决于对出气的控制[65]。由于条垛系统的温度控制取决于翻堆频率，所以温度－时间的曲线图就象“锯齿”。基于温度反馈控制通风方式的强制通风静态垛系统的温度－时间曲线图，该控制方式能有效地保持堆体的设定温度，但它却不能防止堆体温度分布的不均匀。采用翻堆/强制通风方式的堆肥系统可以有效地改善堆体温度的分布，使温度分布更均匀，说明了一种温度控制方式：一方面堆体有一个短的高温阶段，从而极大地达到无害化效果；另一方面堆体有一个较长的中高温阶段，从而极大地达到稳定化效果，比较了中国和欧洲部分国家堆肥无害化的卫生标准[65,69]。
2.5堆肥设备
2.5.1 物料处理设备
物料处理设备包括粉碎、混合、输送和分离设备。粉碎设备主要有冲击磨、破碎机、槽式粉碎机、水平旋转磨、切割机，它主要用来处理城市固体废弃物、废纸、 波纹薄纸板、 灌木和庭院废弃物等[57,66,70]。可根据处理性能、维护要求、投资及运行费用选择粉碎设备。粉碎设备运行时最需要注意的是安全问题[71]。
混合设备主要有斗式装载机（适于条垛、强制通风静态垛）、肥料撒播机（适于农场堆肥）、搅拌机、转鼓混合机、间歇混合机[66 ,70-73]。混合设备直接影响物料的结构，这关系到堆肥过程能否顺利进行，因此，混合设备是物料处理设备中最重要的一部分[73]。可从工程和经济两方面评价混合设备，工程评价内容主要包括不同配比的物料混合物容重、孔隙率和空气阻力；经济评价为设备投资和运行费用[7-8]。经济评价表明：混合设备运行费用的大小依次为搅拌机>斗式装载机>移动式混合设备[72]。
输送机选型的影响因素包括被输送物料特性（重量、体积、密度和含水率）、输送路线及距离、输送机功能及参数、输送机投资及运行费用、配件及维护费用。输送机包括带式输送机、刮板输送机、活动底斗式输送机、螺旋输送机、平板输送机和气动输送系统[73]。在反应器堆肥系统中，螺旋输送机的运行情况最好，不宜采用履带输送机，但采用刮板输送机时应十分小心。输送设备运行时遇到的主要问题是物料压实/堵塞、溢漏和设备磨损[72]。
堆肥系统的分离设备主要有三个作用：回收有市场价值的物品、减少可见惰性废物和化学废物[70]。筛分设备是污泥堆肥系统的主要分离设备，常用的有滚筒筛、振荡筛、跳筛、可伸缩带筛、圆盘筛、螺旋槽筛、旋转筛[66]。可根据处理性能、是否易堵塞和投资及运行费用选择筛分设备，选择筛分设备的重要依据是分离效率（须大于 70％）[66, 74-75]。堵塞是筛分设备运行过程中遇到的最大问题，滚筒筛和跳筛较好地解决了这个问题。例如，在污泥堆肥系统中，当物料的含水率大于 45％时，筛分设备就易出现堵塞现象[75]。因成分复杂，城市
固体废弃物堆肥系统需采用多种分离技术。除筛分设备外，还包括磁分选、涡流分选、风选、湿选和冲击分选设备[70, 75]。
2.5.2 翻堆设备
翻堆不仅为堆料通风供氧，而且可使堆料混合均匀和堆体温度分布均匀。条垛系统的翻堆设备分为三类：斗式装载机或推土机、垮式翻堆机、侧式翻堆机[55 ，67]。翻堆设备可由拖拉机等牵引或自行推进。中、小规模的条垛宜采用斗式装载机或推土机；大规模的条垛宜采用垮式翻堆机或侧式翻堆机。垮式翻堆机不需要牵引机械，但它翻堆时，堆料的位置不变；大部分侧式翻堆机需要由拖拉机牵引，它一次只能对条垛的一侧进行翻堆，需要来回两次才能把一个堆体翻完。美国常用的是垮式翻堆机，而侧式翻堆机在欧洲比较普遍。
2.5.3 反应器堆肥系统
同条垛和强制通风静态垛系统相比，反应器堆肥系统具有下述优点：堆肥产品质量高、操作人员少、有效的堆肥过程控制和臭味控制、空间限制少和良好的公众关系（由于密闭和有效的臭味控制），这些也是选择反应器系统的主要原因[72,75]。可根据处理性能、是否有大规模运行的经历、系统可靠性和灵活性、停机维修时间、投资和运行费用、生产厂家的售后服务[76]选择反应器堆肥系统。
美国目前常用的反应器堆肥系统是搅拌床反应器、水平推流反应器和垂直推流反应器。间歇隧道堆肥系统在欧洲的应用越来越广泛[74]。1998年建成的北京南宫堆肥厂采用了从德国引进的间歇隧道堆肥系统，日处理城市垃圾400 吨。过去，间歇隧道堆肥系统主要为培植蘑菇生产堆肥。该系统具有严格的过程控制和环境影响小等显著优点。一个典型的间歇隧道堆肥系统常采用一个水泥箱或钢箱(长 30- 40 m，宽 2- 5 m，高 3- 5 m)；隧道的墙壁、顶部、门都是绝缘隔热的，底板采用穿孔水泥板或穿孔钢板( 孔径f1cm)，底板下面是风室或与孔相连的穿孔管；堆料停留1～4周，通常为2周；因为堆料进入隧道后不被搅动，所以堆料的混合就显得非常重要；采用计算机控制通风系统，出气可按一定比例与新鲜空气混合进入堆体，因此，堆体前、后两端和上、下层的温差分别2～3℃和3～5℃。但它较高的投资和运行费用影响了它的广泛应用。
2.5.4 除臭设备
美国大多数堆肥工厂采用的除臭设备是多段化学除臭器（ Multistage chemical scrubber） 或生物过滤器（Biofilter）等。常用的化学除臭器有喷雾塔和填料塔，这两种设备由 2- 4 部分组成，通常包含了去除氨气的硫酸部分及氧化有机硫化物和其他臭味物质的次氯酸钠或氢氧化钠部分。因为生物过滤器操作简单，投资和运行费用低，能同时处理多种臭味物质，所以，生物过滤器在堆肥工厂得到了更为广泛的应用。生物过滤器有开放式和密闭式两种，主要由填料和布气系统组成，填料通常为熟化的堆肥、木片、树皮和粒状泥炭等，影响生物过滤器运行效率的关键因素之一是布气系统。生物过滤器的主要设计参数是负荷和停留时间，负荷一般为80-120 m3/m2×h，停留时间通常为40- 60秒，出气温度维持在20- 40℃；保持生物过滤器中过滤床一定的含水率（40-60%，wt％）是实现其最佳操作的关键[72, 78-84]。生物过滤器的除臭机制是物理吸附、化学氧化和中和、生物降解[72]。
2.5.5 堆肥设备发展趋势
A、家庭堆肥器
西雅图固体废弃物公用事业局于1986年在美国第一次实施堆肥大师计划，这标志着家庭堆肥的开始，该计划主要分为两部分：采用堆肥技术处理庭院废弃物和食品废物[85-86]。1995 年，41％西雅图居民家庭实行了家庭堆肥，分流了约 8,300 吨庭院废弃物，其中的82％堆肥用于庭院绿化[85]。有研究表明，在Ontario 的 Mississauga地区，路边收集、集中堆肥和家庭堆肥的处理费用分别为$140/t、$190/t 和$50/t；家庭堆肥可以减少试验区居民垃圾量的 3- 5％[87]。同集中、大规模的堆肥系统相比，家庭堆肥具有显著的优点：费用低（消除了固体废弃物收集和处理的费用）和固体废弃物源头减量[87-89]。在西雅图，用于食品废物的家庭堆肥器有两种型号：蚯蚓箱和锥形桶。过去常用的是蚯蚓箱（每个$60，不包括蚯蚓和垫料），现在流行的是锥形桶（每个$13），锥形桶高约 0.9m，内有一个高度为 0.46m 的篮子，它能容纳一个三口之家在 6-9个月之内产生的食品废物；用于庭院废弃物的家庭堆肥器有两种型号：0.34 m3（$37）和0.59 m3（$41）[86]。制造家庭堆肥器的材料为木材、再生聚乙烯和不锈钢。通过对一个家庭堆肥器（容积600升，材料为再生聚乙烯，为了通风，采用穿孔滤板和穿孔壁，孔径Φ1.2cm ，上覆盖板，滤板和搅拌器为高等级的钢材）长达一年的研究表明：机械搅拌能极大地提高堆肥产品的质量[90]。
堆肥马桶(或称无水马桶）适于无水或少水的地方，如大型堆肥马桶适于公园、高速公路车站等，小型马桶适于轮船等。市售堆肥马桶分为自含式和集中式，这两类均可采用间歇或连续方式运行，材质为玻璃丝和聚乙烯。自含式是堆肥器设置在马桶旁边，集中式设置在地下室或建筑物的旁边。间歇运行的堆肥马桶含有 1 个以上的室，当一个室盛满以后，便转到另一个室，它的好处是腐熟堆肥不会被新鲜的粪便污染；连续运行的堆肥马桶只有一个室，那么新鲜粪便和腐熟堆肥就会混合在一起[91-92]。
B、适于现场操作的小容量反应器堆肥系统
由于经济、臭味控制和场地的原因，大型反应器、强制通风静态垛和条垛堆肥系统受到了极大的限制，因此，适于现场操作的可移动、小容量反应器堆肥系统便应运而生。 例如， 英国 County Mulch Co.建造了两套可移动堆肥系统 （容积为30.584- 38.23 m3）， 形状类似滚式集装箱，进料采用斗式装载机，出料时吊车把集装箱吊起，物料从集装箱的后门倒出来；采用计算机控制温度和氧含量[93]。虽然该类系统只出现了几年，但它正得到小型污水处理厂、食品行业、餐饮业、社区、学校、医院、研究所和商业团体等越来越广泛的注意和应用，目前它主要用于食品废物处理。市售小容量反应器堆肥系统有箱式系统、搅拌仓和旋转消化器等，但目前最常用的是箱式堆肥系统[94- 97]，该系统可间歇或连续操作，具有良好的过程控制（采用计算机控制）、投资低（包括一个 30.584 m3箱、一个螺旋混合器、进料输送带、过程控制和生物过滤器的箱式系统，其费用为＄66,000）、较少的人工费用、设备简单、易于操作和组装（制成标准件）等优点，但它最大的优点是为那些没有足够场地的团体提供了一种处理有机废物的技术，目前美国和加拿大分别有 50 和 25 个箱式堆肥系统在运行[95 - 96]。一个典型的箱式堆肥系统处理规模为 1～40 吨/日， 由若干个箱子组成(每个箱子的
容积为 30.584- 38.23 m3)，其中 2 个箱子用作生物过滤器。为便于现场操作，混合设备和反应器与拖车连接[97-98]。
2.6 堆肥臭味及其控制
臭味问题关系到一个堆肥工厂能否正常运行，有效的臭味控制是衡量堆肥工厂成功运转的一个重要标志[71, 99]。堆肥工厂最主要的臭味物质包括还原性硫化物、氨、胺化合物、脂肪酸、萜、丙酮、苯酚和甲苯，臭味中最常见的硫化物为硫化氢(H2S)、二甲基硫 ((CH3)2S)、二甲基二硫((CH3)2S2) 、二甲基三硫((CH3)2S3)、二硫化碳(CS2)和甲基硫醇(CH3SH)[84]。控制臭味至少须采取五种措施：（1）堆肥过程控制；（2）调查可能的臭味来源；（3）臭味收集系统；（4）臭味处理系统；（5）残留臭味的有效扩散[72]。堆肥过程控制是减少臭味产生的关键因素，但不能完全有效地控制臭味。根据臭味来源的调查结果，建立适当的臭味收集和处理系统。控制臭味的最常用综合措施是封闭堆肥设备、采用生物过滤器和进行过程控制[3]。
2.6 堆肥腐熟度和堆肥产品质量标准
2.6.1 堆肥腐熟度
对堆肥产品和应用来说， 堆肥腐熟度是一个非常重要的指标。 腐熟度与植物毒性有关，稳定度与堆肥的微生物活性有关[100]，然而，腐熟度与稳定度是相互关联的， 这是因为微生物在不稳定的堆肥中产生了植物毒性物质[101]。确定堆肥腐熟度的方法可分为如下几种 ：物理方法、化学方法、生物方法和光谱方法[102-106]。
堆肥的物理特性如颜色、 气味、 温度只能定性描述， 而不能定量描述堆肥的腐熟程度；光谱方法如紫外分析(UV, ultaviolet), 可见光分析(VIS, visible), 固相核磁共振(13C- NMR, nuclear magnetic resonance), 傅里叶转换红外分析 (FTIR, fourier- transform infrared), 漫反射傅里叶转换红外分析 (DRIFT, diffuse reflectance fourier- transform infrared)和近红外分析(NIR, near infrared) 已应用于堆肥腐熟度的研究，但目前不普遍，需要进一步的研究。因此，化学方法广泛地应用于堆肥腐熟度的研究，如测定固相和水浸提液的 C/N 比、无机氮、阳离子交换容量（CEC，cation exchange capacity ）和腐植质，另一种广泛应用的方法是生物方法，如发芽指数(GI, germination index)、微生物活性[100 ，107- 113]。不同原料的堆肥腐熟度建议指标均可查到[114 - 117]。虽然有许多指标，但目前尚没有一种指标能广泛地应用于不同原料、 不同堆肥工艺的堆肥腐熟度判定，只有综合不同指标，才能恰当地评价堆肥是否腐熟
[118-119]。
2.6.2 堆肥产品质量标准
堆肥产品有不同的质量标准，欧洲根据“土壤质量无净值降解（No net degradation of soil quality”制订； 美国根据 “风险评价（Risk assessment）”制订，尤其是污泥的重金属含量限制[120]。
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