太阳能辅助好氧堆肥处理农村生活垃圾的技术研究

摘要

近年来，农村生活垃圾的产生量不断加大，成分日趋复杂，给农村地区的土壤、水体以及空气等环境均造成了巨大的压力，其处理问题已经成为全面建设小康社会过程中的突出矛盾。因此，探究一种经济性好、适应性强的处理方式以解决广大农村“垃圾围村”的难题，具有十分重要的现实意义，符合绿色可持续发展的时代潮流。
　　本文立足农村实际，自行设计了一种高效率、低能耗的好氧堆肥反应器，引入太阳能作为辅助能量来源，采用鼓热风供氧的方式，有效解决了常规堆肥处理过程受低温限制较大的问题。论文在研究好氧堆肥反应器处理效能的基础上，重点探究了最佳通风工艺条件，优化反应器运行，并分析了不同堆肥条件下微生物的演替规律;同时，依据相关标准对堆肥产品的腐熟情况和肥效质量进行了评价，并结合实际工程项目的初步设计作了简单的工艺成本分析。论文依托实验室小试和工程实践，从减量化和资源化角度论证了该工艺在农村生活垃圾原位处理中推广应用的可行性，以期为大型好氧生物发酵仓工程的运行提供有力的参数依据和理论支撑。本论文的主要研究成果如下:
　　1、实验选取富阳市永昌镇生活垃圾分类处理场的物料为研究对象，其中厨余及庭院垃圾的含量约占76％，容重基本维持在347.72kg/m3～417.96kg/m3，性质较为稳定。控制自行设计的好氧堆肥反应器通风量为0.1m3/min·m3，通风频率为10min/1h，以自然堆肥为空白对照，进行了运行效能试验。通过对温度、pH、EC、E4/E6、C/N、含水率、有机质与灰分、种子发芽指数等指标的研究表明，利用反应器堆肥可显著促进好氧堆肥反应速率，加快分解进程，提高堆肥的腐熟效果，且30天减重和减容情况分别比自然对照组提高了22.95％和18.54％。
　　2、对不同通风量、通风频率、通风温度等条件下的反应器处理效果进行了对比研究，优化通风参数。实验结果表明，最佳运行条件为0.2m3/min·m3的通风量，20min/2h的通风频率，堆肥结束时该堆体pH为7.89，EC小于2 mS·cm-1，含水率降低了25.02％，C/N和有机质含量分别下降至14.78和47.83％，温度、吸光度、BDM和三氮等指标的变化均表现良好，且减重和减容率分别可达54.36％和66.14％。此外，在冬季低温环境中，采用将空气加热至30～40℃再通风供气的方式解决堆肥处理低温低效的问题是完全可行的，堆体可持续50℃以上高温8天，减重减容率分别高达64.89％和68.57％，种子发芽指数达到120％以上，其余指标所反映的反应程度和处理效果均好于不加热的处理组，堆肥具有较好的腐熟性。
　　3、高通量测序结果显示，各堆体微生物种群的多样性均随堆肥反应逐步增加，且通热风组最为明显。高温阶段，厚壁菌（Firmicutes）和子囊菌(Ascomycota)大量富集，均为各堆体最主要的优势菌种，但程度上略有差异。根据真菌与细菌的演替规律分析可得，通风作用可有效促进好氧微生物的繁殖和降解作用，加热可明显提高堆肥的反应进程和后期物料的腐熟程度，可能与高温阶段产生的OPB54、Sphingobacteriia、Flavobacteriia等具有降解木质纤维素和多糖能力的细菌以及耐碱酵母菌（Galactomyces）、粪壳菌（Sordariales）和毕赤酵母菌(Pichia)等可促进物料腐熟的优势真菌有关。
　　4、通过物理、化学、生物等指标的综合判定和肥效测定结果显示，好氧堆肥反应器出料已达到了较好的腐熟状态，且总体肥效质量较好。总养分含量高达8.08％，有机质含量在50％左右，各类重金属指标和粪大肠杆菌含量较低，蛔虫死亡率达100％，除含水率指标偏高外其余均能达到《有机肥料国家行业标准》(NY525-2002)和《城镇垃圾农用控制标准》(GB8172-1987)的限值要求，完全可以用作有机肥料或园林绿化用土以实现资源化。
　　5、结合实际工程初步设计对堆肥工艺的推广应用进行可行性分析表明，本实验采用的强制通风静态微动力好氧堆肥系统的总运行成本约为8972元/月，不计基建费用的吨处理成本仅29.91元，若投资建设成本按15年折旧计约68.54元/t，完全在农村可承受的范围内，且还可产生90～120t/月的有机肥，兼具环境、经济和社会效益，适用于广大农村地区。

目录

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 农村生活垃圾概况

1．1．1 农村生活垃圾特征

1．1．2 农村生活垃圾处理处置现状

1．1．3 农村生活垃圾污染防治存在的问题

1．2 好氧堆肥处理技术

1．2．1 好氧堆肥的原理及特点

1．2．2 好氧堆肥的影响因素

1．2．3 好氧堆肥技术的研究进展

1．3 研究内容及意义

1．3．1 研究背景

1．3．2 研究目的

1．3．3 研究内容

1．3．4 技术路线

2 太阳能好氧堆肥装置结构及运行

2．1 太阳能好氧堆肥装置构造

2．1．1 反应器系统

2．1．2 PLC在线监测控制系统

2．1．3 太阳能供电通风加热系统

2．2 太阳能好氧堆肥装置运行

2．2．1 实验材料

2．2．2 实验方法

2．2．3 实验结果与讨论

2．3 本章小结

3 通风条件对好氧堆肥装置性能的影响

3．1 引言

3．2 实验材料与方法

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 通风量对好氧堆肥装置处理效果影响

3．3．2 通风频率对好氧堆肥装置处理效果影响

3．3．3 通风温度对好氧堆肥装置处理效果影响

3．4 本章小结

4 不同条件下好氧堆肥过程中微生物的演替规律

4．1 实验材料与方法

4．1．1 实验试剂与仪器

4．1．2 DNA的提取

4．1．3 MiSeq测序

4．2 实验结果与讨论

4．2．1 不同条件下好氧堆肥三阶段中细菌的演替规律

4．2．2 不同条件下好氧堆肥三阶段中真菌的演替规律

4．3 本章小结

5 好氧堆肥技术的应用评价

5．1 堆肥的可资源化评价

5．1．1 堆肥产品的腐熟度评价

5．1．2 堆肥产品的质量分析评价

5．2 推广应用的可行性分析

5．2．1 工艺优势分析

5．2．2 工程设计及成本分析

5．2．3 示范工程

5．3 本章小结

6 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 不足与展望

参考文献

作者简历