应用与环境生物学报　1999,5(Suppl):113～116  Chin.J.Appl.Environ.Biol.　1999210225
城市垃圾二次性好氧堆肥化工艺
的若干设计方程
陈朱蕾
(武汉城市建设学院　武汉　430074)
摘　要　二次性好氧堆肥化工艺是基于将堆肥化过程中高温微生物和中温微生物在分开的、各自适宜的环境
中进行不同基质降解和稳定化的一种较新工艺.通过实验，由物料平衡式结合微生物反应动力学建立了城市
垃圾二次性好氧堆肥工艺的若干基本设计方程式：一次发酵阶段的生物降解方程,K A v值高的易降解物具有一
级反应的性质，试验求出的比率常数K d为01119d-1；一次发酵阶段的堆肥减量二元线性方程，减量主要与挥
发性固体降解率和水份蒸发量有关；一次发酵动态反应器容积和二次发酵构筑物有效面积的计算式，计算式主
要考虑了减量、容重变化及堆肥返料量的影响；一次发酵阶段所需理论通风量的计算式，通风量主要由微生物
需氧量和水份蒸发量所需的空气量组成，后者需气量往往大于前者，有时高达2～6倍.
关键词　城市垃圾；好氧堆肥化；二次性发酵；设计方程式
中图法分类号　X705
SOME DESIGN FORMU LAS FOR TWO STAGE AEROBIC COMPOSTING PROCESS OF MUNICIPAL REFUSE
CHE N Zhulei
(Wuhan Urban Construction Institute,Wuhan　430074)
Abstract　T w o stage aerobic composting process is that therm ophiles and mes ophiles are separately kept at the
temperature and atm osphere suitable for their own activities in order to decompose different materials of munici2
pal refuse.Based on the microorganism kinetic m odel and material balance,s ome design formulas for the tw o
stage aerobic composting process are developed.As for the formula of the biodegradation of the first stage fer2
mentation,the reaction rate is first order reaction for biodegradable v olatile s olids and the rate constant k d is0.
119d-1;as for the formula for the loss of compost weight of the first stage fermentation,the loss of compost
weight is positively correlated with the am ount of biodegradable v olatile s olids and water vapor;in the formulas for the v olume of the first stage fermentation dynamic reactor and for the effective area of secondary fermentation facility,the effects of the loss of compost weight,density change and the quantity of compost recycle are consid2
ered;in the formula for the theory ventilation quantity of the first stage fermentation,the ventilation quantity is
determined from the am ount of organic decomposition and output of water vapor.
K eyw ords　municipal refuse;aerobic composting;tw o stage fermentation;design formula
好氧堆肥化全过程中存在两类微生物，即对较易降解有机物快速分解并使其升温的高温微生物(完成无害化)和对较难降解有机物缓慢分解并使其腐熟的中温微生物(完成稳定化)[1].二次性好氧堆肥化技术是基于将堆肥过程中高温微生物和中温微生物在分开的、各自适宜的环境中进行不同基质的降解和稳定化的一种较新工艺，与传统的一次性堆肥工艺相比，具有发酵周期短、占地面积小、基建投资低等特点[2].目前，城市垃圾二次性好氧堆肥化工艺一般都是根据经验数据进行设计和运行的，而研究基质降解微生物的动力学并结合物料平衡算式推导设计方程的方法，在污水生物处理各种工艺设计中已得到较深入研究和广泛应用[3].本研究以城
收稿日期:1999205219  接受日期:1999207205
3参加本文实验工作的有本院环境工程专业学生谢茂文和丁颖
市垃圾为基质，根据实验结果建立了二次性好氧堆肥化工艺设计的若干公式及方法，可用于工程方面.
1　好氧堆肥化的动力学分析
在堆肥化过程中，微生物附着于有限水分的固体物料，固体底物的降解需要进行一系列相当复杂的变化过程，如固体底物的增溶、溶液化的底物扩散、氧在颗粒空隙间和微生物内的输送、微生物对底物的氧化等，各作用过程都可能成为好氧堆肥化总过程的动力学主要限率因素[4].堆肥化动力学还没有发展到象污水处理动力学那样能将各种限率因素都综合进数学模型的程度，但对限率因素的各过程分别建立相应的动力学模型还是可能的.
R oger T im Hang[5]曾推导了描述堆肥化底物增溶过程的类似M onod方程的动力学模型:
d s d t =-
K A v X
K x+X
(1)
式中,d s
dt
为挥发性固体的水解速率,K为最大水解速率,A v为底物每单位容积的有效表面积(酶的有效结合部位),X为微生物浓度,K x为微生物浓度的半速度系数.该方程有助于解释好氧堆肥化不同阶段的反应速率为何存在显著差异.在垃圾堆肥化初始阶段，通常耗氧速率很大，之后随着耗氧速率降低，氧的消耗持续在低量而发酵处于反应缓慢的稳定化阶段[6].降解快慢不同的底物可以解释为K A V数值的差异，垃圾底物中诸如纤维素、木质素这类较难降解物，其K A V值比食品垃圾这类易降解物要低，需较长的时间以较低的速率分解稳定.在堆肥化后期，底物中充满了微生物，即X≥K x，这一阶段水解率就会稳定在零级(d s/d t=-K A V)的水平上，即不受微生物浓度的影响.只要X比K x大，对于低K A v值的垃圾，在设计上很难缩短发酵时间.因此二次性堆肥化工艺的特点之一就是将那些较难降解的底物在二次发酵构筑物中以低通风量或自然通气形式停留较长时间而完成稳定化.
图1所示是作者在垃圾好氧堆肥化小试装置得到的一次发酵阶段不同挥发性固体含量的降解曲线.
从图中可见，就易降解物来说，它的分解具有一级反应的性质，即反应速度d s/d t与任何时刻剩余的挥发性固体质量分数S成正比(反应条件最佳).
d s
d t
=-K d S(2)
将(2)式积分,∫s s
0d s
S
=-K d∫t0d t，故有
S/S0=e-k d t(3)
式中的垃圾底物中挥发性固体质量分数S0/%和比率常数K d/d-1随垃圾原料成分组成和发酵条件不同而不同.本次试验在最佳发酵条件下，求得K d=0.119d-1.根据陈世和等人[2]的实验数据，可算出K d=0.136 d-1.方程(3)适用于一次发酵终止时的有机物剩余量预测和一次发酵所需的时间确定，从而为发酵构筑物的容积设计和有机物降解的微生物需氧量计算提供依据.
2　一次发酵阶段堆肥减量方程
垃圾在发酵过程中，水分、重量及容重等指标会发生变化，建立物料间这种变化关系式可直接用于指导工程设计.
在一次发酵阶段，堆肥减量主要是挥发性固体降解为气体以及水分蒸发而引起的重量损失.挥发性固体降解程度的指标可用挥发性固体降解率X vs表示，即降解所减少的挥发性固体重量与进料中挥发性固体重量之比.因此，一次发酵t时刻剩余的挥发性固体重量W vs可由下式求出:reaction order
W vs=S0(1-W0)(1-X vs)(4)
式中,S0为垃圾进料中挥发性固体含量,W0为垃圾进料含水率.根据物料平衡，堆肥化过程中无机物固体不发生变化，则一次发酵t时刻挥发性固体含量S t可由下式求得:
S t=S0(1-W0)(1-X vs)(1-W0)-1(1-S0・X vs)-1(5)
整理得:
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X vs =(S 0-S t )/S 0(1-S t )(6)
本次试验表明，一次发酵阶段的挥发性固体质量分数从30%～60%减少到大约15%～
30%，根据方程(6)可以计算出垃圾的挥发性固体降解率(X vs )范围为60%～70%.水分的蒸发量△W 可由物料平衡求出(无渗滤水):
ΔW =W 0・F 0-W t ・F t
(7)式中,F 0为垃圾进料湿重,F t 为t 时刻垃圾出料湿重,W t 为t 时刻垃圾出料含水率.根据物料平衡，不可降解部分存在如下关系:
F 0(1-S 0)(1-W 0)=F t (1-S t )(1-W t )(8)
将方程(8)代入方程(7)并加整理得:
ΔW F 0(1-W 0)=(W 01-W 0)-(1-S 01-S t )(W t 1-W t )(9)
方程(9)适用于不同进料含水率和出料含水率的水分蒸发量计算.但在实际操作中，单位干固体的水分蒸发量是否能达到设计要求的计算值则取决于挥发性固体降解释放的能量和蒸发所需的热量是否平衡，同时还受到通风量的控制，这需要进行热力学计算和通风量计算.
本次实验通过通风量变化的控制，使出料含水率在30%～40%范围.根据实验结果，取进料挥发性固体为53%
的一组数据(见图1)，由方程(9)的计算可给出不同进料含水率对水分蒸发量的关系曲线，示于图2.
图1　垃圾一次发酵阶段挥发性固体变化
Fig.1　The changes of v olatile s olids in the first stage fermentation 图2　进料和出料含水率与水分蒸发量的关系曲线Fig.2　E ffect of input and output m oisture contents on water vapor  　由以上试验结果和讨论，可知垃圾挥发性固体降解率和进出料含水率是影响堆肥减量的主要因素.根据本次试验数据，作者建立了一次发酵阶段堆肥减重△F 与挥发性固体含量和含水率的二元线性方程式:
ΔF =2.76F 0(S 0-S t )(1-W 0)+1196F 0(W 0-W t )+θ
(10)将(3)式代入(10)式得:
ΔF =2.76F 0・S 0(1-e K d t )(1-W 0)+1196F 0(W 0-W t )+θ
(11)方程(10)或(11)适用于计算一次发酵阶段的出料量或二次发酵阶段的进料量，从而为动态发酵装置的单元递
减量及容积和二次发酵构筑物的有效面积设计提供设计依据.
在好氧堆肥化过程中，不仅重量发生变化，而且容重也随之变化.有机垃圾的分解使粒径变小，颗粒本身的强度也降低且颗粒间摩擦力减小，从而使垃圾容重增加.本次试验结果表明，一次发酵结束时的容重增加约在8%～9%范围.文献[2]报道的垃圾进出料容重由600kg/m 3变化至650kg/m 3，增加8.3%.从国内一些垃圾堆肥处理厂的数据分析，堆肥减重在30%～50%范围内波动时，容重增加也在6%～10%范围内波动.
一次发酵终止时的堆肥体积V t 是由减重后的出料重量和变化后的容重决定的，即
V t =F t /d t =(F 0-&F )/d 0(1+α)(12)式中,d t 为一次发酵出料的容重,d 0为一次发酵进料的容重,α为容重增加系数.当一次发酵阶段采用连续进出料的动态发酵装置时，其容积V 应为:
V =V 0+V t
2・t ・f (13)
式中,V 0为一次发酵进料体积,f 为一次发酵装置填充系数.如考虑堆肥返料体积V R ，则
5
11Suppl 陈朱蕾：城市垃圾二次性好氧堆肥化工艺的若干设计方程 
V=(V0+V R)+V t
Δ
・t・f(14)
设R为堆肥返料体积比，将(12)式代入并整理得:
V=F0(1+α)+(1+R)(F0-ΔF)
2d0(1+α)
・t・f(15)
二次发酵构筑物的有效面积A可用下式计算:
A=(1-R)(F0-ΔF)
d0(1+α)H
・t2(16)
式中,t2为二次发酵时间,H为二次发酵物料堆高.
3　一次发酵阶段理论通风量的计算
好氧堆肥化所需的空气量主要是满足挥发性固体分解时微生物需氧要求和气体带走水份的通风要求.
根据挥发性固体的化学成份和降解程度，采用化学计量法可估算微生物对氧的需要量.垃圾的有机物主要为植物性垃圾，假设含氮有机物中氮的硝化作用需氧量忽略不计，则有机垃圾化学组成的基本单位可以葡萄糖表示，这样可计算出每氧化1kg挥发性固体需要氧1107kg，折算空气量为3184m3.对于已知垃圾原料挥发性固体含量S0和降解率X vs的堆肥化过程，微生物所需的空气量就可直接计算；对于已知堆肥减量或根据公式(10)和(11)计算的堆肥减量ΔF，微生物所需的空气量G m可利用下式计算:
G m=3.84ΔW vs(17)
式中ΔW vs为挥发性固体的减重,ΔW vs与ΔF的关系式为:
ΔW
vs
=F0S0(1-W0)-(F0-ΔF)S t(1-W t)(18)
将(18)式代入(17)式得:
G m=3.84[F0S0(1-W0)-(F0-ΔF0)S t(1-W t)](19)
蒸发水份所需的通风量可根据方程(8)先求出水份蒸发量，再由堆肥构筑物排气口处温度的饱和空气所能携带的水蒸气量计算出去除水份所需的空气量.
假定堆肥化构筑物通入θ=20℃且相对湿度为100%，排气口θ=50℃～70℃，当出料含水率为30%时，根据图2的实验和水份蒸发计算结果，可计算出不同进料可以看出，含水率时的所需空气量(图3).当进料含水率
<50%且排气口θ>60℃时，蒸发水份所需的空气量才和挥发性固体降解所需的空气量的化学计量值相近.若进料含水率>65%且<60℃时，则所需空气量将比降解所需空气量高2～6倍.
以上计算结果表明，蒸发水份所需的空气量明显地大于挥发性固体降解所需的空气量，并且主要受到垃圾进料含水率和排气口温度的影响.
在一次发酵阶段，可限定通风量保持在挥发性固体降解的需氧量水平上，这样可限制水份的大量蒸发，然后再在二次发酵阶段，采用自然通风的堆积方式，使堆肥产品干化
.
图3　不同进料含水率和排气口温度的所需空气量
Fig.3　Air quantity for input m oisture content
and gas temperature of air outlet
参考文献
1　王家玲等1环境微生物学1北京：高等教育出版社,1988
2　陈世和，张所明1城市垃圾堆肥原理与工艺1上海：复旦大学出版社,1990
3　顾夏声1废水生物处理数学模式1北京：清华大学出版社,1982
4　R oger T im Hang.C om post Engineering Principles and Practice.M ichigan:Ann Arbor Science Publishers Inc,1980
5　Qu SH(曲颂华),Chen SW(陈绍伟)1Research on mixed com post of municipal s olid wastes and sewage sludge.Environmental Protec2 tion(环境保护).1998,10:15～16
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