好氧堆肥中通風(fēng)工藝與參數(shù)研究進展

徐鵬翔，王 越，楊軍香，李 季

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.全國畜牧總站，北京 100022）

好氧堆肥是在有氧條件下，好氧微生物對有機廢棄物進行氧化、分解、吸收和轉(zhuǎn)化的過程。影響堆肥發(fā)酵的因素很多，但堆肥的水分（水）、通透性（氣）和溫度（溫）是其中的關(guān)鍵控制因素，通常把水、氣、溫稱為堆肥三要素，三者相互影響，互為關(guān)聯(lián)。

對于好氧堆肥來講，通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計是一個十分重要的環(huán)節(jié)。通過控制通風(fēng)速率，可以達到調(diào)節(jié)堆體溫度的目的，從而為微生物生長代謝活動提供良好的環(huán)境。在堆肥過程中，通風(fēng)有三個主要目的，分別是供氧、除濕和降溫。具體表現(xiàn)在，通風(fēng)為好氧微生物的生長繁殖和代謝活動提供氧氣以完成堆肥過程；在溫度較高條件下通風(fēng)可以除去濕基質(zhì)中的水分，空氣被堆肥基質(zhì)加熱后，蒸發(fā)掉部分水分，使堆肥物料得到干化；通風(fēng)可以除去有機質(zhì)分解產(chǎn)生的熱量，以控制過程溫度[1]。

堆肥過程中，通風(fēng)方式和通氣量（即曝氣工藝和參數(shù)）的控制至關(guān)重要，它不僅會影響到堆肥效率、產(chǎn)品品質(zhì)和氣體排放等方面，還會影響堆肥運行成本。本文總結(jié)歸納了國內(nèi)外堆肥通風(fēng)工藝與參數(shù)研究結(jié)果，對比分析了實驗室條件下和實際工程中曝氣參數(shù)之間的關(guān)系，以期為通風(fēng)工藝和參數(shù)在堆肥中的合理應(yīng)用提供參考。

表1 不同通風(fēng)方式比較Table1 Comparison of different ventilation methods

1 堆肥通風(fēng)工藝

1.1 堆肥通風(fēng)工藝類型

堆肥從形式上可以分為條垛式堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥，每種堆肥類型可以結(jié)合工藝特點選擇通風(fēng)工藝。Neklyudov等[2]將堆肥通風(fēng)工藝總結(jié)為以下3種類型：（1）自然通風(fēng)。不采用任何通風(fēng)設(shè)備或輔助設(shè)施，在考慮風(fēng)向的前提下通過自然風(fēng)實現(xiàn)堆體供氧。（2）被動通風(fēng)。堆體底部鋪有通風(fēng)管，管上預(yù)留通氣孔，堆體根據(jù)風(fēng)向圖水平布置，確保空氣能夠順著風(fēng)向通過管道進入堆體內(nèi)部，從而實現(xiàn)被動通風(fēng)。（3）強制通風(fēng)。通過通風(fēng)管道將空氣輸送至堆體，可利用曝氣風(fēng)機或其他能使堆體達到好氧狀態(tài)的設(shè)備。

強制通風(fēng)和被動通風(fēng)對通風(fēng)速率要求不同，二者均具有各自的優(yōu)缺點，詳見表1[2]。

一般而言，被動通風(fēng)和自然通風(fēng)工藝常用于條垛式堆肥，強制通風(fēng)工藝常用于槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥系統(tǒng)。

1.2 堆肥通風(fēng)控制方式

在堆肥科學(xué)研究和實際工程中，強制通風(fēng)方式被廣泛應(yīng)用。為了實現(xiàn)最佳通風(fēng)效率，降低能耗，需要在不同的堆肥工藝中選擇適合的通風(fēng)控制方式以實現(xiàn)對堆肥過程的合理控制。

Maulini-Duran等[3]總結(jié)比較了3種通風(fēng)控制方式，即：定時開-關(guān)周期循環(huán)控制、氧含量反饋控制和最大氧消耗率反饋控制，前兩種控制方式被認為是在工廠化堆肥中應(yīng)用的標準控制方式，第三種控制方式是Puyuelo發(fā)明的一種最新的通風(fēng)控制方式，還未在實際工程中應(yīng)用。

定時開-關(guān)周期循環(huán)控制[3]：這是在好氧條垛堆肥中應(yīng)用最廣泛的通風(fēng)控制方式，通風(fēng)設(shè)備的運行用預(yù)先設(shè)置好的時間間隔進行周期循環(huán)控制。Ruggieri等[4]在試驗中將通風(fēng)時間間隔設(shè)置為先用5 L·min-1的速率通風(fēng)5 min，再用0.2 L·min-1的速率通風(fēng)25 min，周期循環(huán)，以此來保持堆體始終處于好氧狀態(tài)。

氧含量反饋控制[3]：這種控制方式是通過測定堆肥系統(tǒng)排放的廢氣中氧氣的濃度來進行反饋，它通常需要設(shè)定氧氣濃度反饋點來維持系統(tǒng)中的氧氣含量，氧反饋點被固定為11.5%～12.5%（指氧氣在空氣中的體積比，V/V）。在實際工程中，當(dāng)氧氣含量低于11.5%時，控制器指示通風(fēng)設(shè)備以3 L·min-1的高通量進行通風(fēng)；當(dāng)氧氣含量高于12.5%時，控制器指示通風(fēng)設(shè)備以0.2 L·min-1的低通量進行通風(fēng)；當(dāng)氧氣含量介于11.5%～12.5%之間時，控制器不對通風(fēng)設(shè)備做任何指示以維持當(dāng)前通風(fēng)量。

最大氧消耗率反饋控制[3]：這種控制方式通過獲得一種自動控制通風(fēng)規(guī)則，使堆體內(nèi)的微生物具有最佳活性，以此測得的使堆肥好氧微生物保持最佳活性的通風(fēng)參數(shù)被稱為氧氣消耗率。在堆肥過程中，控制器首先測得氧氣消耗率，然后監(jiān)測氧氣消耗率的變化，由氧氣消耗率的變化決定增大、減小或保持通風(fēng)量不變。通過這種方式，控制系統(tǒng)有規(guī)則的將空氣流輸入堆體，使堆體中的好氧微生物在整個堆肥過程中始終保持較高的活性。

除了以上3種控制方式外，常勤學(xué)等[5]還總結(jié)了以下幾種控制方式。（1）時間－溫度控制：利用設(shè)置在堆體中的溫度傳感器產(chǎn)生的控制信號，調(diào)節(jié)通風(fēng)速率或風(fēng)機開關(guān)，以維持堆體溫度在設(shè)定溫度附近。在堆肥初期，堆體由時間控制器控制，允許堆體溫度上升，當(dāng)溫度升高至高溫設(shè)定點（55～60℃）時，風(fēng)機持續(xù)開啟，以降低堆體溫度；當(dāng)溫度降低至低溫設(shè)定點時，減小通風(fēng)速率。該控制方式可以使堆體長時間保持在適宜的溫度范圍，從而使堆肥更好地達到無害化。（2）溫度和氧氣含量反饋控制：這種控制方式以溫度和氧含量作為控制因素，首先確定溫度設(shè)定點Tsp（60℃）和氧含量設(shè)定點Osp（0.10 kg O2·m-3），當(dāng)溫度大于Tsp且氧氣大于Osp時開啟高速風(fēng)機，當(dāng)溫度大于Tsp且氧氣小于Osp時開啟高速風(fēng)機，當(dāng)溫度小于Tsp且氧氣小于Osp時開啟高速風(fēng)機，當(dāng)溫度小于Tsp且氧氣大于Osp時開啟低速風(fēng)機，通過這幾種條件下的通風(fēng)控制使堆肥過程所有階段達到最佳的溫度和氧含量。

在上述通風(fēng)控制方式中，定時開－關(guān)周期循環(huán)控制方式和時間-溫度聯(lián)合通風(fēng)控制方式在實際工程中應(yīng)用最普遍。隨著監(jiān)測技術(shù)和信息化水平的提高，堆肥系統(tǒng)強制通風(fēng)的控制方式將會不斷涌現(xiàn)、不斷升級。但所有堆肥通風(fēng)控制方式的目的都是為了實現(xiàn)：（1）使堆體保持好氧狀態(tài)，最大程度地發(fā)揮好氧微生物的活性；（2）保證堆肥產(chǎn)品達到無害化要求，降低揮發(fā)性物質(zhì)的釋放量；（3）提高堆肥效率，降低能耗。

2 堆肥通風(fēng)與攪拌參數(shù)

2.1 堆肥通風(fēng)速率

在強制通風(fēng)中，通風(fēng)速率因原料不同而不同[6]：對畜禽糞便而言，通風(fēng)速率為0.89～1.9 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)；對城市垃圾和污泥堆肥而言，通風(fēng)速率范圍為 0.20～1.33 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)。在被動通風(fēng)中，堆體通風(fēng)速率不會太大，一般為0.04～0.08 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)[2]。

Keener等[7]認為，農(nóng)業(yè)廢棄物通風(fēng)速率需要0.3～0.9 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)。對于城市垃圾而言，Nick?olas等[8]認為通風(fēng)速率為0.06～0.4 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)是比較合理的。Rasapoor等[9]研究結(jié)果表明，對于城市垃圾廢棄物而言，開始發(fā)酵時通風(fēng)速率保持在0.6 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)，發(fā)酵后期通風(fēng)速率降為0.4 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)是最合理的。

對于畜禽糞便堆肥來說，也有相關(guān)研究者給出了通風(fēng)速率推薦范圍。Hong等[10]研究認為，在牛糞和秸稈混合堆肥中，通風(fēng)速率為0.87～1.07 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)比較合適；Li等[11]用牛糞和稻秸堆肥，研究結(jié)果表明0.25 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)通風(fēng)速率效果最好；Lau等[12]使用豬糞堆肥，得出通風(fēng)速率推薦范圍為0.04～0.08 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)。Shen等[13]使用雞糞堆肥，得出0.1 m3·min-1·m-3的通風(fēng)速率有利于溫室氣體的減排。Chowdhury等[14]在使用畜禽糞便和秸稈堆肥中選擇了高通風(fēng)速率0.44 L·min-1·kg-1和低通風(fēng)速率0.22 L·min-1·kg-1兩個參數(shù)，研究結(jié)果表明低通風(fēng)速率有利于減少氮素損失，且N2O沒有顯著變化。由此可知，在不同的研究條件下，由于原料性質(zhì)和堆肥方式不同，得出的通風(fēng)速率也不同，表2對文獻中的通風(fēng)速率進行了匯總。

我國制定的《生活垃圾堆肥處理技術(shù)規(guī)范》CJJ 52—2014標準[15]中，推薦曝氣參數(shù)為 0.05～0.2 m3·min-1·m-3有機物質(zhì)，經(jīng)換算，對應(yīng)值為 0.22～0.88 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)。

由表2可知，不同原料、不同工藝條件下堆肥過程中所需要的通風(fēng)速率不一樣。經(jīng)比較分析發(fā)現(xiàn)，通風(fēng)速率參數(shù)基本都在0.2～0.6 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)之間，因此，在實際堆肥工程中可將此范圍內(nèi)的通風(fēng)速率參數(shù)作為參考值。

2.2 堆肥翻堆與通風(fēng)

堆肥過程中，通過翻堆或攪拌也能實現(xiàn)堆體通風(fēng)，這種方式在條垛式堆肥中應(yīng)用較多。翻堆是通過翻倒、攪拌等方式使堆料、水分、溫度和氧氣等達到均一化，還可以起到供給空氣、混合物料、散發(fā)水蒸氣的作用。對于強制通風(fēng)式堆肥系統(tǒng)和很多發(fā)酵倉堆肥系統(tǒng)，供氧的作用過程十分清晰，比如，固定通風(fēng)量的堆垛系統(tǒng)，鼓風(fēng)機通入空氣，使之穿過堆垛，借此提供需要交換的空氣。但對于沒有通風(fēng)的條垛堆肥系統(tǒng)，主要的通氣機制是通過攪拌來補充氧氣。一般情況下，翻堆頻率高，堆肥原料可進一步均一化、細?；偻ㄟ^翻堆供給空氣，加快堆肥化原料和微生物的表面更新作用，促進好氧發(fā)酵。同時，通過翻堆可以蒸發(fā)水蒸氣，引起原料中的水分含量下降。但若翻堆頻率過高，發(fā)酵中已升溫的原料的散熱量也增加，反而使發(fā)酵溫度降低。因此，要根據(jù)堆肥原料中有機物的含量和翻堆設(shè)備，設(shè)定最適合的翻堆頻率，通過翻堆來改善堆肥效果，促進發(fā)酵。Wei等[27]研究表明，堆肥過程中翻堆和通風(fēng)有利于氮素的轉(zhuǎn)化。

一般通過攪拌條垛而交換自由孔隙中的空氣并不能滿足空氣需求。如果不強制通風(fēng)，在攪拌過程中，供應(yīng)的氧氣通過兩種方式進入條垛孔隙內(nèi)部，一種是通過分子擴散，另一種是通過能量梯度驅(qū)動下的空氣質(zhì)量運動。分子擴散的速率和堆肥所需的氧氣供應(yīng)速率相比較慢，而且隨著含水率的增加，擴散的速率降低?？傮w而言，分子擴散在通風(fēng)方面作用有限。由于分子擴散是不現(xiàn)實的氧氣輸送機制，很顯然只有通過能量梯度驅(qū)動空氣質(zhì)量運動才能供給足夠的氧氣。在條垛或者反應(yīng)器內(nèi)部，氣體的溫度和濕度高，而周圍環(huán)境的空氣溫度和濕度低，兩者的密度差產(chǎn)生向上的浮力，從而引起自然通風(fēng)。在不進行強制通風(fēng)的條垛或反應(yīng)堆中，自然通風(fēng)是多數(shù)氧氣傳遞的驅(qū)動力。周期性的機械翻堆對自然通風(fēng)的效率有很大影響，這是由于翻堆增加了堆肥物料的自由孔隙，在物料顆粒尺寸不變的情況下，自由孔隙直接與自然通風(fēng)率相關(guān)。Rasapoor等[28]對比研究了靜態(tài)垛強制通風(fēng)、翻堆、靜態(tài)垛自然通風(fēng)和翻堆結(jié)合自然通風(fēng)四種工藝對城市垃圾堆肥理化性質(zhì)的影響，結(jié)果表明：靜態(tài)垛自然通風(fēng)雖然能耗最低，但堆肥效果不理想；翻堆和靜態(tài)垛強制通風(fēng)兩種工藝的都能達到較好的堆肥效果，但能耗偏高；翻堆結(jié)合自然通風(fēng)工藝能耗稍高于靜態(tài)垛自然通風(fēng)工藝，且在減少CO2排放和提高堆肥品質(zhì)方面均有很好的效果，可以在堆肥工程中替代翻堆工藝。

表2 堆肥通風(fēng)速率Table2 Ventilation parameters in composting

堆肥實際生產(chǎn)中，通風(fēng)、攪拌是運行管理的重要因素。使用密閉隧道式和密閉容器式的發(fā)酵設(shè)施時，對原材料的水分進行調(diào)整之后，再把它投入密閉式的發(fā)酵設(shè)施中，進行翻堆通風(fēng)控制[21]。一般情況下，在橫型發(fā)酵設(shè)施中，攪拌的頻率為1～2次·d-1，在密閉式的發(fā)酵設(shè)備中為5～20次·d-1。

3 國內(nèi)堆肥工程中通風(fēng)與攪拌參數(shù)選擇

目前我國常用的好氧堆肥工藝主要有：條垛式堆肥、槽式堆肥和反應(yīng)器堆肥。

條垛式堆肥是一種典型的開放式堆肥，其特征是將混合好的原料排成條垛，并通過機械周期性地翻拋進行發(fā)酵。槽式堆肥一般在長而窄的被稱作“槽”的通道內(nèi)進行，槽壁上方鋪設(shè)有軌道，在軌道上安裝翻堆機，可對物料進行翻攪，槽的底部鋪設(shè)有曝氣管道可對堆料進行通風(fēng)曝氣，是一類將強制通風(fēng)與定期翻堆相結(jié)合的堆肥系統(tǒng)。反應(yīng)器堆肥指將有機廢棄物置于集進出料、曝氣、攪拌和除臭為一體的密閉式反應(yīng)器內(nèi)進行好氧發(fā)酵的一種堆肥工藝。

工程實踐與研究結(jié)果表明，三種堆肥工藝所采用的通風(fēng)和攪拌參數(shù)不同，具體可參見表3[29]。

表3 堆肥工程中通風(fēng)與攪拌參數(shù)選擇Table3 Choice of ventilation and mixing parameters in composting engineering

在實際工程中，條垛式堆肥一般不設(shè)置通風(fēng)系統(tǒng)，而是通過翻堆或攪拌補充氧氣；建議在高溫發(fā)酵期每日翻堆一次，在二次發(fā)酵期可根據(jù)工藝需要增加攪拌頻率，以利于水分的去除。槽式堆肥中一般采取分段曝氣工藝，在一次發(fā)酵過程中的發(fā)酵前期采取較小的通風(fēng)速率（如0.05 m3·min-1·m-3），在發(fā)酵中后期隨著微生物活動的增強和耗氧速率的增加逐漸加大通風(fēng)速率（如0.1 m3·min-1·m-3）；在二次發(fā)酵過程中可根據(jù)工藝需求選擇通風(fēng)速率，如需快速去除水分，可進一步加大通風(fēng)速率（如0.2 m3·min-1·m-3）。反應(yīng)器堆肥一般采取間歇通風(fēng)工藝，如采取開30 min/停30 min、開40 min/停20 min等控制模式，建議通風(fēng)速率為 0.05～0.2 m3·min-1·m-3，實際運行中可根據(jù)堆體溫度和出料水分含量調(diào)整通風(fēng)與攪拌參數(shù)。

4 結(jié)論

（1）好氧堆肥有三種通風(fēng)方式，強制通風(fēng)在堆肥研究和堆肥實際工程中應(yīng)用較多，是現(xiàn)代化堆肥中需要考慮的重要因素之一。

（2）好氧堆肥中典型的通風(fēng)控制方式有三種，定時開-關(guān)周期循環(huán)控制和氧含量反饋控制方式被認為是在工廠化堆肥中應(yīng)用的標準控制方式；最大氧消耗率反饋控制效果最好、能耗最低，但在實際工程中還沒有被應(yīng)用。

（3）堆肥原料不同、堆肥形式不同，相應(yīng)的通風(fēng)速率就不同，通過總結(jié)大量研究結(jié)果，認為0.2～0.6 L·min-1·kg-1有機物質(zhì)的通風(fēng)速率參數(shù)具有較好的應(yīng)用效果，得到了較多的研究驗證，在堆肥通風(fēng)參數(shù)中具有較好的參考價值。

（4）實際堆肥工程中，條垛式堆肥一般采取翻堆結(jié)合自然通風(fēng)工藝，建議翻堆頻率為1 d 1次；槽式堆肥采取分段強制曝氣工藝，一次發(fā)酵期間建議通風(fēng)速率為 0.05～0.2 m3·min-1·m-3，二次發(fā)酵期間建議通風(fēng)速率為 0.1～0.2 m3·min-1·m-3，建議翻堆頻率為 1 d 1次；反應(yīng)器堆肥一般采取間歇式通風(fēng)和攪拌工藝，建議通風(fēng)速率為0.05～0.2 m3·min-1·m-3。通風(fēng)與攪拌協(xié)同進行在槽式和反應(yīng)器堆肥中具有較好的效果。