5 固体废物的生物处理2.ppt

5 固体废物的生物处理（课本188 页） n 概述 n 堆肥化 n 厌氧发酵制沼气 5.1 概述 n概念 n作用与特点 (1) 概念 n利用微生物氧化（好氧堆肥）、分解（厌氧发酵）有机固体废 物的能力处理可降解的有机固体废物，使其达到无害化和资源 化的过程。 n生物处理(biologic treatment)是处理和利用有机固废的一条重 要的途径。 n生物处理有机固废的方法有多种，如，堆肥化，厌氧消化，纤 维素水解，垃圾养蚯蚓等。其中最主要的并且能大规模地处理 有机固体废物的方法是好氧堆肥法和厌氧消化法，本章将重点 介绍。 n其它的生物处理技术虽不能大规模处理，但能从废物中回收高 附加值生物制品，因此也得到了较多的研究，例如纤维素水解 生产化工原料及生物制品，养殖蚯蚓生产生物蛋白等。 (2)作用与特点 生物处理的作用和特点有以下四个方面： n稳定化和杀菌、消毒作用 n减量化 有机废物经生物处理后，可减量3050，减量 效果明显。 n回收能源 n回收有用物质 a. 稳定化和杀菌作用 n有机固体废物经生物氧化分解后转化为 H2O，CO2，CH4，NH3，H2S等气体，和性质 稳定的难降解有机物(抗性有机物)从而达 到稳定化的效果，其产品不会对环境造成 污染。有机物分解过程中的厌氧环境以及 反应热形成的高温可以杀灭废物中绝大多 数病原体而达到无害化。 回收能源 n人类生活中大量使用的各种生物物质是重要 的太阳能储存体，蕴藏着巨大的潜在能源， 利用生物技术可使其转化为可直接利用的能 源，开发生物能已经成为一种时代的潮流。 例如，污泥和生活垃圾的厌氧消化处理可使 其中的有机物转化为具有较高能源价值的沼 气，井可进一步转化为热能或电能。 回收有用物质 n用生物处理技术从固体废物中回收有用物质的方法除 好氧堆肥和厌氧发酵制取沼气外，还可利用纤维素水 解生产化工原料及其他生物制品。 5.2 堆肥化(composting) 概述 好氧堆肥原理 堆肥原料及堆肥微生物 堆肥化过程 好氧堆肥工艺艺 堆肥化的影响因素 堆肥质质量 堆肥农业农业 效用 5.2.1 概述 n人类在长期的生产实践中早已懂得利用秸杆、落叶、野草和禽 畜粪便堆积发酵以制取肥料，但都是采用传统的手工操作和自 然堆积方式，依靠自发的生物转化作用，所以存在发酵周期长 ，处理能力低，有机物分解不完全，所得的肥料质量差等等问 题。 n到20世纪20年代，出现了机械化堆肥技术，并逐渐发展成为处 理生活垃圾、污水污泥、人禽畜粪便以及农业固体废物的重要 方法之一。 定义 分类 （1）定义 堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，在控制条件 下使来自生物的有机废物降解转化为稳定腐殖质的生 物化学过程。 堆肥化得到的产品称为堆肥，由于它是一种腐殖质含 量很高的呈疏松状态的物质，故也称为腐殖土，有机 固体废物经堆肥化后，体积只有原体积的5070。 （2）分类 堆肥化系统的分类方法有多种 按堆制方式分类： 间歇堆积法(Intermittent stacking) 连续堆积法(Double tower circulating reactor) 按原料发酵状态： 静态发酵法(Static fermentation) 动态发酵法(Dynamic fermentation) 按微生物的生长环境： 好氧堆肥(aerobic composting) 厌氧堆肥(anaerobic composting) a.好氧堆肥(aerobic composting) 在有氧状态下，好氧微生物对有机废物进行分解转化 的过程。 最终产物主要是H2O、CO2、热量和腐殖质。 好氧堆肥主要用于处理城市垃圾，堆肥系统的温度一 般为5065，最高可达8090，堆肥周期短，能 连续操作，因此，也称为高温快速堆肥； 好氧堆肥的肥料质量好，可以制作有机颗粒肥料。 不足之处：需要对原料进行比较严格的分选,需要强 制通风和机械搅拌,对设备要求高，运行能耗大，投 资大等。 b.厌氧堆肥(anaerobic composting) 在无氧条件下，厌氧微生物对有机物进行分解转化的过程。 厌氧堆肥的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。 厌氧堆肥过程中，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，工艺较 简单，成本低，对原料的适应性强，成品肥中氮素保留较多， 但工艺条件较难控制，堆肥周期长，有机物分解速度缓慢，处 理效率低，容易产生恶臭，有机物分解不完全，产品质量低， 肥效差。 实际上，堆肥化的好氧和厌氧是相对的，在好氧过程中，由于 原料颗粒较大且不均匀，不可避免存在厌氧发酵过程；反之， 由于密封不严，厌氧过程中也会有好氧菌的作用。 本节主要介绍好氧堆肥。 5.2.2 好氧堆肥原理 n概述 n有机物的生物化学反应 （1）概述 好氧堆肥是以好氧菌为主的微生物对有机废物进行吸收、氧化 、分解的复杂生物化学反应过程。在堆肥过程中，好氧菌通过 自身的生命活动，以废物中的有机物为养料，将其一部分氧化 分解成简单的无机物并释放出微生物生长所需的能量，将其另 一部分合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖。 （2）有机物的生物化学反应 根据微生物在降解有机物过程中的行为，有机物的生物化学反 应有以下三种： 有机物的氧化反应(oxidizing reaction) 细胞质的合成反应(synthetic reaction) 细胞质的分解反应(decomposition reaction) a. 有机物的氧化反应(oxidizing reaction) 以CxHyOz表示固体废物中的不含氮的有机物，则好氧分解反应 可表示为： 以CsHtNuOvaH2O表示固体废物中的含氮有机物，则好氧分解反 应 可表示为： b. 细胞质的合成反应(synthetic reaction) 细胞质的同化作用是以NH3作为氮源，细胞质的合成 作用包括有机物的氧化过程。 c. 细胞质的分解反应(decomposition reaction) n细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所引起的反应： 5.2.3 堆肥原料及堆肥微生物 n堆肥原料 n堆肥微生物(microorganism) (1)堆肥原料 生活垃圾、有机污泥、人畜禽粪便以及农林废物等都含有堆肥微生物所 需要的碳水化合物、脂肪、蛋白质等各种基质，因此这些有机废物是 常用的堆肥原料。 生活垃圾 含有较多的不可堆腐的惰性物质，因此必须进行预处理，去除这些 惰性物后才能作为堆肥原料。 有机污泥 通常富含有微生物生活繁殖所需的营养成分，是堆肥的良好原料。 人、畜、禽粪便 一般颗粒较小，含有大量的低分子化合物，即人和动物未能吸收消 化的中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。 农林废物 均富含碳素 但有的农林废物因含有难于分解的纤维素、半纤维素、果胶、木质 素和植物腊等物质，难以被微生物分解。 有的农林废物因表面布有众多疏水性毛孔，使微生物的分解作用十 分缓慢。 因此这些农林废物均需进行预处理后才能用于生产堆肥。 （2）堆肥微生物 好氧堆肥过程中，参与有机生化降解的微生物有嗜温菌和嗜热菌两种。 他们的生活繁殖温度范围是不同的。 最低 适宜 最高 嗜温菌(mesophilic bacteria) 1525 1540 43 嗜热菌(thermophilic bacteria) 2545 4050 85 在堆肥化过程中起重要作用的微生物是细菌和真菌。 细菌是目前已知的最小的活的生物，在自然界中呈多种不同的形状，但 都为单细胞。细菌一般只有0.5lOm大小。其比表面积大，容易让难 降解的有机物进入细胞并进行代谢活动。细菌的含水率约为80，有机 物约占其总固体成分的90。 真菌是有机营养型生物，结构比细菌复杂，可分为霉菌和酵母。 霉菌属好氧菌,而酵母在代谢活动中表现出好氧和厌氧两种特性。 真菌能在低水分条件下生长，能从具有高渗透压的介质中提取水分。 第8讲。 5.2.4 堆肥化过程(composting process) n堆肥化过程中发生的生物化学 反应是极其复杂的，目前尚难 进行精确的描述。在实际设计 和操作过程中，通常根据温度 的变化情况分为以下四个阶段 (见右图)。 n潜伏阶段 n中温阶段 n高温阶段 n熟化阶段 （1）潜伏阶段(温度在内25以下) 此阶段为堆肥化的初期阶段； 是微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。 （2）中温阶段(温度2545) 此阶段嗜温菌最活跃，他们主要利用物料中可溶 解性的有机物，如糖类、淀粉，大量繁殖，在转 换和利用化学能的过程中释放出细胞合成所需的 多余能量，加上物料的保温作用，使温度不断上 升。 以细菌、真菌和放线菌为主的微生物在此阶段迅 速繁殖。 （3）高温阶段(温度45) 从废物堆积开始发酵，不到一周的时间，堆温一般可达到 6570，或者更高。此时，嗜温菌受到抑制或死亡，嗜 热菌大量繁殖，逐渐替代嗜温菌的活动。 高温阶段最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新 形成的可溶性有机物继续得到分解外，其它的固体有机物 (纤维素、半纤维素、本质素、蛋白质等)也开始强烈分解 。 50左右时，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。 60时，真菌不再适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌 仍在活动。 70以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到 抑制，并大量死亡或进入休眠状态。 （4）熟化阶段(温度为4020) 在高温持续阶段，易分解的有机物大部分分解， 只剩下较难分解的有机物和新形成的腐殖质，微 生物活性下降，发热量减少，温度逐渐下降至中 温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部分 为难降解物质，腐殖质大量形成。 在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动， 进一步分解残留有机物，腐质不断增多，且趋于 “稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。 5.2.5 好氧堆肥工艺 n好氧堆肥工艺 n发酵工艺及装置 （1）好氧堆肥工艺 典型的静态好氧发酵堆肥工序包括三个部分： 原料预处理(preliminary treatment)：分选、破碎、 含水率和CN比调整。 原料发酵(ferment)：目前推广二次发酵方式。 一次发酵：好氧堆肥的中温和高温两个阶段中的微生物代谢 过程称为一次发酵或主发酵。 二次发酵：物料经一次发酵后，尚存在有一部分易分解和大 量难分解的有机物，需将其送入后发酵室进行二次发酵，使 之腐熟。 后处理(aftertreatment)：去除杂质，进行必要的破碎 等处理。 （2）发酵工艺及装置 间歇式发酵(batch fermentation)工艺及设备 连续式发酵(continuous fermentation)工艺及设备 间歇式发酵(batch fermentation)工艺及设备 原料一批一批地发酵，一批原料堆积完后不再添加新料， 待完成发酵后成为腐殖土运出。 采用该发酵工艺可露天进行，故又称为野积式堆肥或露天 堆肥，也有建堆肥仓以进行全天候生产的，武汉100t/d垃 圾处理实验厂即采用该工艺，并建有堆肥仓）. 间歇式发酵工艺一般采用二次发酵方式 第一次发酵采用机械强制通风，发酵10天，60高温保持5天以上 ，使肥料达到无害化，然后进行机械分选，去除非堆腐殖质。 二次发酵一般在发酵仓进行，10天左右，可达到腐熟化。 发酵仓有长方形池式、倾斜床式、立式圆筒式，并配有通风管、 搅拌装置 立式圆筒静态发酵仓 连续式发酵(continuous fermentation)工艺及设备 连续进料、连续出料。 原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过 程。 该工艺发酵时间短，能杀灭病原体，防止异味,成品 肥质量好。 常用设备有 立式多段发酵塔(浆叶式发酵塔) 立式多层移动床式发酵塔 丹诺发酵器（卧式回转筒式发酵器） 筒仓式动态发酵仓 立式桨叶式发酵塔 原料从顶部给入，中间的竖 轴由底部电机驱动缓慢转动 ，并带动固定在竖轴上的桨 叶对原料起搅拌作用，发酵 塔一般有5层，经一定的机械 作用，沿各层相向位置的开 口逐层向下移动，到达底部 后经螺旋输送机排出； 发酵所需的空气由风机向各 层输送； 物料停留的时间一般58天 ； 塔内温度分布由上至下逐步 升高，即底部最高。 立式多层移动床式发酵塔 卧式回转筒发酵器（丹诺发酵器） n形状类似回转窑（图5-2），废物从一端给入，靠内 壁的摩擦提升，再靠重力下落，起到搅拌作用，空气 由沿圆筒长度方向分布的风嘴供给，温度可维持60 70。 n该发酵器一般作为一次发酵器，出料送二次发酵。 n（表中生产量应为t/m3.a） 图5-2 卧式堆肥发酵器 筒仓式动态发酵仓 5.2.6 堆肥化的影响因素 影响堆肥化效果的因素很多，为了创造更好的微生物生长繁殖和有 机物分解的条件，在堆肥化过程中必须控制以下主要因素。 n粒度(granularity) n有机物含量(organic content) n含水率(water content ) n碳氮比（C/N）(carbonnitrogen ratio) n通风和耗氧速率(aeration and oxygen consumption rate) n温度(termperature) npH值 n碳磷比（C/P）(c:p ratio) （1）粒度(granularity) 在堆肥化过程中，物料的粒度影响其体密度、内部摩 擦力和流动性。足够小的粒度可以增加废物与微生物 及空间的接触面积，加快生物化学反应速率； 理想的粒度是2575mm。 对静态堆肥，粒度可适当增大，以起到支撑结构的作 用，增加空隙率，有利于通风。 (2) 有机物含量(organic content) 有机物含量太低不能提供足够的能量，影响嗜热菌增 殖，难以维持高温发酵过程。 有机物含量太高则堆肥过程中要求大量供氧，实际生 产过程中常因供氧不足而发生部分厌氧过程，影响堆 肥的腐熟度，即堆肥质量。 适宜的有机物含量为2080。 (3)含水率(water content) 由于水是溶解废物中有机物和营养物质以及合成微生 物细胞质必不可少的物质，因此，要求堆肥物料中含 有足够的水分； 若含水率过高，水会阻碍空气流通，造成缺氧； 若水分过少，会使分解速率降低。当含水率2时， 微生物将停止繁殖。 最佳含水率范围为5070，用生活垃圾制堆肥时含 水率以55为宜。 (4)碳氮比(CN) (carbonnitrogen ratio) CN是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。 微生物每利用30份碳，就需要1份氮，因此初始物料 的CN比为30：1时适合堆肥的需要，其最佳值在26 1351之间。 成品堆肥的适宜CN在101201之间。 CN过低，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境； CN过高，则氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限 制，导致有机物分解速率降低，堆肥过程延长。 由于初始原料的CN比一般都高于261351，故 应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，调节到30 1以下。 (5)通风和耗氧速率 (aeration and oxygen consumption rate) 堆层中氧的浓度和耗氧速率反应了堆肥过程中微生物 活动的强弱和有机物的分解程度。 堆肥过程适宜的氧体积浓度为1417，最低不得 10，一旦低于此限，好氧发酵将会停止。 由于氧气转变为当量的CO2，因此，也可用CO2的生成 速率来表征堆肥的耗氧速率; 适宜的CO2体积浓度为36。 (6)温度(temperature) 实践表明，堆肥过程的最佳温度为3555。低于35时堆肥 效率不高，在55左右时，微生物活性最高，有机物的分解效 率也最高。高于55时，微生物的活性开始下降，堆肥效率也 下降。 另外，大多数病原菌的灭活温度高于50，因此，堆肥温度控 制在55左右，并维持一定长的时间，对于提高堆肥化效率和 堆肥产品质量是适宜的。 我国防预医学科学院研究指出，用粪便堆肥，最高温度必须达 到5055，并在该温度下维持57天，可以杀灭大肠杆菌和 蛔虫卵。 美国环保局指出,用露天条垛式堆肥,最高温度必须达到55以 上并至少维持15天，在密闭堆肥系统中，在同样的温度下，需 要维持至少3天，就可以杀灭病原体。 (7)pH值 在堆肥化过程中，pH值随着温度及时间的变化而变化 ,其变化情况和温度的变化是一样的，也反映了有机 物分解的进程。 在堆肥初期，由于有机酸的产生，pH值可降至5以下 。随着有机酸的逐步分解，pH值逐渐上升，发酵完成 前可达到8.59.0; 最终成品的pH=78。 (8) CP(碳磷比)(c:p ratio) 堆肥过程中CP的变化是微生物分解有机物的重要标 志，堆肥原料的CP应控制在75150。 堆肥原料的CP一般高于此值，排水污泥的CP低， 可用来作为堆肥原料配料时的调整剂，调整堆肥原料 的CP比。 5.2.7 堆肥质量 堆肥质量的含义 我国堆肥产品的质量标准 堆肥的腐熟度(rotten degree) (1)堆肥质量的含意 a.有适合农作物生长所需的营养成分。 b.符合卫生要求，无害化，要求堆肥中的重金属含 量和致病微生物的数量必须低于一定的数量范围 。 c.堆肥应达到稳定的腐熟度。 (2)我国堆肥产品的质量标准 堆肥的成分和养分随其所用原料、工艺及堆制周期不同而有差异 。 堆肥化产品还应满足下列基本要求: a.堆肥产品中的CN应20 土壤中的微生物在分解有机物的同时，还要从氨或硝酸盐中吸 收氮作为自身的营养刑，以维持繁殖增生，若CN比过高，则可 利用的N量少而使得微生物处于“氮饥饿”状态，最终影响肥效。因 此，要求堆肥产品中的CN比应低于20(CN20)。 b.堆肥产品应达到完全腐热的程度才能施用。 大量施用未完成腐熟的堆肥，由于有机质在土壤中的继续分解 ，会造成植物根部缺氧而枯死，农业减产。 c.便于运输、贮存和施用。 故要求水分在40以下,袋装堆肥的含水率应低于20，最好加 工成颗粒肥。 (3) 堆肥的腐熟度 腐熟度的概念 堆肥腐熟度是指堆肥的稳定化程度，它既是反映堆肥化反应 完成的标志，又是堆肥质量的标准。 堆肥腐熟度的测定方法有多种 植物幼苗试验法，耗氧速率法、CO2生成速率法、易 分解有机物含量法、淀粉消失法、硝酸氮生成法、C N恒定法、氧化还原电位升高法、碱性基团交换容 量法等多种方法。 介绍淀粉消失法和耗氧速率法。 淀粉消失法 基本原理 在正常堆肥发酵过程中，随着时间的推移，堆肥中的淀粉由 于微生物的分解吸收，其含量将逐渐减少。 在成品中淀粉应全部转化分解完而消失。 具体测定方法 将堆肥样品放入高氯酸钾溶液中，经搅拌，过滤、用含碘液 检验滤液，如果滤液变黄并略有沉淀物，即表示堆肥已腐熟 稳定。 若滤液呈现蓝色，则表明堆肥中淀粉含量仍较高，末达到腐 熟稳定化。 此法简单方便,适用于现场检测，但当堆肥原料中淀粉含量 较低时，所测结果就不能充分地反映堆肥的腐熟程度。 耗氧速率法 堆层中氧的浓度和耗氧速率或CO2生成速率反映了微 生物的活性和有机物的分解程度。 耗氧速率表示单位时间内O2浓度的变化，以O2 min表示，当耗氧速率变化平衡或无明显变化时说明 堆肥已趋于成熟。 用气体采集枪和微型吸气泵抽取堆层中的气体，然后 用O2CO2测定仪测定堆层中O2或CO2浓度在单位时间 内的变化值就可以评定堆肥的发酵程度和腐热情况。 当单位时间内O2或CO2的浓度没有明显变化则表明堆 肥成熟。 5.2.8 堆肥农业效用 改良土壤 促进植物根系增长 堆肥的增产作用 堆肥农用的不利因素 (1)改良土壤 增加有机质和养分 改善土壤结构 使粘质土壤松散，使砂质土壤结成团粒，降低土壤容重，增 加孔隙率； 使土壤固相下降，液、气相增加； 促进通风，提高保水能力； 腐殖质粒子表面带负电，能吸附NH+4、K、Ca2等养分，使 肥分不致流失。 (2)促进植物根系增长 堆肥本身是腐殖质，能促进植物根系的伸长和增长。 堆肥中含有丰富的微生物、原生动物，施入土壤可以 改善土壤生物环境的结构和功能，成为防止病原微生 物的“屏障”，使农作物不易遭受虫害。 (3)堆肥的增产作用 施用适宜数量的优质堆肥,一般均有较好的增产作用 ，并能提高农产品的品质； 与化肥复合施用，效果更佳； 但对于不同的农作物，增产效果并不一样。 (4)堆肥农用的不利因素 肥效不高：NPK混合含量一般3。因此，不能 把推肥等同于传统的农家肥，只能作为土壤的改良剂 或调节剂。 大量施用堆肥，可能会使土壤富集有害元素。 堆肥设备投资大，产品的成本高。 5.3 厌氧发酵制沼气（methane） n概述 n厌厌氧发发酵的生物化学过过程 n厌厌氧发发酵的影响因素 n发酵工艺 n发酵装置 n城市污污水污污泥与粪粪便的厌厌氧发发酵处处理 5.3.1 概述 n定义 n主要特点 (1)厌氧发酵（anaerobic fermentationm ） 厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用 下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化 为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。 产物是以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发 酵(firedamp fermentation)。 近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发 酵设施，用来处理城市污泥和粪便。 (2) 厌氧发酵技术的主要特点 可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可 直接利用的高品位； 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设 施简单，运行成本低，属于节能型处理方法； 适用于处理高浓度有机废水和废物； 经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作 农肥、饲料和堆肥化原料； 厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积 大； 厌氧处理过程中易产生H2S等恶臭气体。 5.3.2 厌氧发酵的生物化学过程 n概述 n生物化学反应(biochemical reaction) n厌氧分解(anaerobic decomposition)过程 （1）概述 参与厌氧分解的微生物有产酸菌和产甲烷菌两大类 产酸菌能将复杂的有机物水解，进一步分解为以有机酸为主的 简单产物，产酸菌属于兼性厌氧菌。 产甲烷菌是绝对厌氧菌，其功能是将有机酸转变为甲烷。甲烷 菌的繁殖速度相当缓慢，且对于温度、抑制物的存在等外界条 件的变化相当敏感。 有机物厌氧消化的生物化学反应是非常复杂的过程，中间反应 和中间产物有数百种，并且每种反应都是在酶或其它物质的催 化作用下进行的。 （2）生物化学反应(biochemical reaction) n总反应式 n有机物分子中含S，且以CaHbOeNaSe表示，则上述反应可表示为 n有机物分子不含S，且以CaHbOcNd表示时，反应式为 （3）厌氧分解(anaerobic decomposition)过程 根据庆氧分解过程中产物和微生物的特点，厌氧分解 过程可分为三个阶段，见图5-3。 水解阶段(Liquefaction stage) 产酸阶段(Acid-producing stage) 产甲烷阶段(Methane-producing stage) 三个阶段的主次地位 图5-3 有机物的沼气发酵过程 a. 水解阶段(Liquefaction stage) 有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等在水解细菌 产生的胞外酶的作用下进行体外酶分解，使固体物质变成可溶 于水的简单有机物。 主要有机物的水解反应： 蛋白质+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S b. 产酸阶段(Acid-producing stage) 液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产 醋酸菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要 是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。 反应式 c. 产甲烷阶段(Methane-producing stage) 产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2， 同时把产酸阶段所产生的H2和CO2转化成CH4。 产CH4阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的 主要反应有： CH4 大约70的CH4来自乙酸的降解。 CO2和H2的反应也能产生一部分CH4。 少量CH4是由其它一些物转化而来。例如有机 氨必须转化成NH3后才能被产甲烷菌所吸收。 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的 环节。 甲烷菌除了产生CH4外，还有分解脂肪酸调节 pH值的作用。同时，通过将H2转化成CH4，减 少氢的分压,也有利于产酸菌的活动。 d. 三个阶段的主次地位 以不溶性高分子有机物为主的污泥、垃圾 等废物，水解阶段是整个厌氧消化过程的 控制步骤。 以可溶性有机物为主的有机废水来说，由 于产甲烷菌生长速度慢,对环境和基质要 求苛刻,产甲烷阶段是整个厌氧消化过程 的控制步骤。 5.3.3 厌氧发酵的影响因素 为了保证厌氧消化的最佳运行状态，除了应保持反应系统的厌氧状态外，还必 须控制以下几个因素。 厌氧条件 原料配比(raw material) （CN应控制在201301） 温度(temperature) （40-65） pH值（7.0-7.2） 添加物和抑制物质(stayer) 接种物 搅拌(mix round) 混合原料C/N比的计算 发酵原料料浆配制的计算 混合原料C/N比的计算 根据（常用厌氧发酵原料的碳氮比表）用下式可以粗 略地计算出混合原料的CN比。或按要求的CN比计 算出搭配原料的数量。 式中：C、N一分别为原料中C、N的百分含量() X一原料的重量(kg) 发酵原料料浆的配制计算 n将所需的各种发酵原料配制成料浆，可根据料浆中所 要求的总固体百分含量计算出加水量。 式中：MTS一发酵料浆中总固体Wt； M 一各种原料的总固体Wt； X一各种原料的重量(kg)； W一需加入的水量(kg) 5.3.4 发酵工艺 沼气发酵工艺有多种方式，各地可因地制宜地采用不 同的工艺。我国农村常采用自然温度间断投料和连续 投料发酵工艺。 自然温度半批量投料发酵工艺 连续投料发酵工艺 原料选择原料预处理配料入池发酵产气大出料 加活性污泥 定期出料送农田 （1）自然温度半批量投料发酵工艺 该工艺的发酵温度随自然温度而变化；主要原料为：秸杆、粪 便、青草；投料方式为半批量投料 工艺流程如下： 该工艺的发酵期因季节和农业用肥情况而定，一般为 5个月左右， 运行中要定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降。 该工艺的缺点是出料操作劳动量大。 （2）自然温度连续投料发酵工艺 自然温度条件下发酵 投料方式：定时定量投料和出料。 大中型沼气工程均采用这种发酵工艺。 工艺控制的基本参数有：投料负荷，进 料浓度，水力滞留时间，发酵温度。 5.3.5 发酵装置(fermentation plant) 沼气发酵池的类型较多，其中水压式沼气池是最常用 的，也是我国农村主要推广的池型，被称为中国式沼 气池，特别受发展中国家的欢迎。 结构与工作原理 水压式沼气池的设计 （1）结构与工作原理 结构 水压式沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池,池盖、池底具 有一定的曲率半径，呈弧形。主要结构有：进料管，发酵间，出料管 ，水压间，出料间，导气管等几部分。 工作原理 启动前状态（图5-6a）：发酵间与水压间（出料间）液面处在同一 水平（O-O）；此时发酵间剩余的空间为死气箱容积； 启动后状态（图5-6b）：发酵间产生的气体造成水压间液面高于发 酵间，当产生的气体量最大时，发酵间的液面下降到最低位置（A- A）； 使用沼气状态（图5-6c）：发酵间压力减小，水压间液面下降，停 用沼气时，继续发酵产生的沼气又使水压间液面上升，反复进行。 图5-6a 水压式沼气池启动前状态 1-加料管；2-发酵间；3-初始液面；4-水压间（出料间） 图5-6b 水压式沼气池启动后状态 1-加料管；2-发酵间；3-初始液面；4-水压间（出料间） 图5-6c 水压式沼气池使用状态 1-加料管；2-发酵间；5-导气管；6-沼气输送管；7-控制阀 极限工作压强 当发酵间内贮气量达到最大值(V贮)时，发酵间的液面下降到最 低水平A-A，水压间的液面上升到最高水平B-B，这时称为极限 工作状态，相应地达到极限沼气压强，即最大液面高差(H)： 式中：H极限沼气压强(沼气池最大液面差)； H1一发酵间液面最大的下降值，H1（00）（AA） ； H2一水压间液面最大的上升值，H2(BB)（00）； 相关设计（补充） n1参数 气压、池容产气率、贮气量、池容、投料 量 2 发酵时间计算 1、设计参数 n（1）气压：7480Pa(80cm水柱）为宜。 n（2）池容产气率：每立方米发酵池容积一昼夜的产气量， 单位为m3沼气/（ m3池容d）。池容产气率：0.15、0.2、 0.25、0.3。 n（3）贮气量：指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压 式沼气池的最大贮气量以12小时产气量为宜，其值与有效水 压间的容积相等。 n（4）池容：指发酵间的容积。农村家用水压式沼气池的池 容有4、6、8、10 m3。 n（5）投料比：最大限度投入料液所占发酵间容积的百分比 ，一般在85-95%之间。 2发酵间的设计 n（1）确定池容 池容=用气水平家庭人口数/预计池容产气 率 （2）确定贮气量 贮气量=池容产气率池容1/2 (3)计算发酵间容积。池盖、池身、池底组成 。 式中：V1，V2,V3-分别为 池盖容积、池底容积、池身 容积； f1,f2-分别为池盖失高、池 底失高； r1-池盖曲率半径，它与其他 尺寸关系： r2-池底曲率半径，它与其他 尺寸关系： n综合圆形沼气池的内力结构计算，材料用量计 算和施工、管理、使用技术等各种因素，一般 认为 n例题1 n已知D=2.4m，求f1,f2,H。 n例题 n已知某圆形发酵间容积10m3，适用合理尺 寸确定f1，f2,D,R,H. n解： n（4）确定进出料管安装位置 水压式沼气池进出料管的水平位置，一般都确定在发酵间 直径的两端。 进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计页面 高度处。该位置的计算方法如下： n（4）确定进出料管安装位置 水压式沼气池进出料管的水平位置，一般都确定在发酵间 直径的两端。 进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计页面 高度处。该位置的计算方法如下： nh1为池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，对于65cm直 径的活动盖，该值在10-15cm nh2导气管下露出长度，取3-5cm nh3导气管下口到o-o液面距离，一般取20-30cm nf死= h1+ h2+ h3 n计算死气箱的体积 投料率：根据死气箱容积，计算出沼气池投料率，公式 n计算最大贮气量 贮气量=池容产气率池容1/2 计算气箱的总体积（V贮） V气= V死+V贮 V气、 V死、V贮分别为沼气池气箱总容积、 死气箱容积和有效气箱容积（最大贮气量 ） 计算池盖容积 n计算发酵间最低液面A-A n对于一般沼气池来说，V气均大于V1，也就 是说A-A液面位置在圆筒形池身范围内。此时 ，要确定进出料管的安装位置，应按下式先 计算出气箱在圆筒形池身部分的容积： nV筒=V气-V1 n例 有一口6m3圆筒形水压式沼气池，D=2.4m ，f1=0.48m， r1=1.73m，池容产气率 0.35m3沼气/（ m3池容d），求进出料管的竖 值安装位置。 n答题要点： n1.设h1=12cm, h2=5cm, h3=25cm,则死气 箱拱的失高f死=h1+h2+h3=42cm n2死气箱体积 n3投料率 4最大贮气量 贮气量=池容池容产气率1/2=6 0.35 0.5=1.05m3 5计算气箱的总体积（V气） V气= V死+V贮 =0.88+1.05=1.93m3 6.计算池盖容积 7计算发酵间最低液面A-A V筒=V气-V1=1.93-1.14=0.79m3 3水压间的设计 n三个尺寸 n1水压间底面标高：此标高应确定在发酵间初 始工作状态时的液面位置o-o水平。 n2水压间的高度：此高度应等于发酵间最大液 位下降值与水压间液面最大上升值之和。 H1+H2 n3 水压间容积：此体积等于池内最大贮气量 。 特性好氧工艺艺厌厌氧工艺艺 能源使用纯净纯净 能源用户户纯净纯净 能源提供者 最终产终产 品腐殖质质、CO2、H2O污污泥、CO2、CH4 体积积减小达50%达50% 处处理时间时间20-30d20-40d 固化时间时间30-90d30-90d 主要目的体积积减小生产产能源 次要目的堆肥产产品体积积减小，稳稳定废废 物 5.3.6 城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理 污水污泥厌氧消化处理 粪便厌氧发酵处理 (1)污水污泥厌氧消化处理 n近年来，发达国家都在采用污泥消化池进行污水污泥 厌氧消化处理，污泥消化池的结构、工作原理和设计 计算在“水污染控制或废水处理”课程中已作了介绍。 (2)粪便厌氧发酵处理 n粪便厌氧发酵处理的卫生标准 n粪便厌氧发酵处理工艺 a. 粪便厌氧发酵处理的卫生标准 n粪便厌氧发酵处理的目的十达到无害化，国家标准规 定，沼气发酵温度为532，发酵时间必须持续 两天： n对大肠杆菌数量的限制：常温发酵为101；高温发酵 为101102，常温发酵很难达到无害化，因此，在 用作农肥时须经过无害化处理。 b. 粪便厌氧发酵处理工艺 n粪便厌氧发酵处理工艺可分为化粪池处理和厌氧发酵 池处理两种工艺； n化粪池 n厌氧发酵池（自学） 化粪池(又名腐化池) 用于处理粪便和污水 工作原理 化粪池兼有污水沉淀和污泥发酵的双重作用，粪水进入化粪池 后大约可停留1224小时，比重大的悬浮固体下沉到池底，在 厌氧菌作用下分解，产生气体上浮，并将分解后的疏松物质牵 引到液面，形成浮渣，当浮渣中的气体逸散后，悬浮固体再次 下沉到池底成为污泥；这样，粪便经过如此反复分解，消化， 浮渣和污泥逐渐液化，最终污泥容积只有原悬浮固体的1，冲 厕水和生活污水经化粪池沉淀和厌氧分解，排出的污水中悬浮 物一般可降到140-150ppm，每毫升内细菌约为12000个，BOD下 降60左右，有的可下降8090，pH值偏碱性，可排入下水 道。 化粪池的容积及计算公式 n化粪池容积按其应接纳的粪便污水量和污水 在池内的停留时间计算确定。最小者不小于 4t，液体容量不小于2.8t。容积计算： 推荐文献与思考题 推荐文献 李艳霞等. 固体废弃物的堆肥化处理技术. 环境污染治理技 术与设备. 2000.8（4） 姚 刚. 德国的污泥利用与处置. 城市环境与城市生态. 2000.13（1） 孙进杰等. 沼气正常发酵的工艺条件. 农村能源. 2000（4） 思考题 简述固体废物生物处理的原理，并说明生物处理的特点和作用 。 好氧堆肥过程一般按温度的变化发展，其发展过程分为哪几个 阶段？各阶段的生物活动情况如何？ 堆肥化的影响因素有哪些，各有什么影响？ 有机物厌氧发酵过程？ 厌氧消化的影响因素有哪些？ 对比好氧堆肥与厌氧消化工艺的异同？ 4.3固化技术205页 固体废物固化(solidification) v 概述 v 水泥固化 v 沥青固化 v 塑料固化 v 玻璃固化 v 其他固化方法 4.3.1 概述 固化的概念 固化的机理 固化剂 固化效果的评价 （1）固化的概念 n指用物理化学方法将有害废物掺合并包容在密实的惰性基材 中，使其达到稳定化的一种过程。 n有害废物经固化处理后，其渗透性和溶出性均可降低，所得固 化块能安全地运输和方便地进行堆存或填埋，对稳定性和强度 适宜的产品还可以作为筑路的基材。 （2）固化的机理 固化有两种方式，其机理也不尽相同： 将有害废物通过化学转变或引入到某种晶格中达到稳定化。 将有害废物用惰性材料加以包容使之与环境隔离。 根据上述基本原理，固化处理方法可划分为四类： n 包胶固化（又称凝结固化） n 按固化剂：a.水泥固化；b.沥青固化；c.石灰固化；c.塑料固化 n 按包胶结构： na.宏观包胶：将有害废物包裹在包胶体内，使其与 环境隔离。 nb.微囊包胶：用包胶材料包覆废物的微粒。 n 自胶结固化：适用于含有大量能成为胶凝剂的废物，（如：排烟脱 硫 石膏） n 玻璃固化： 将污泥与玻璃原料一起烧制成玻璃。 n 水玻璃固化：利用水玻璃加酸后的硬化等性能将有害废物结合，包 容及吸附而固化。 （3）固化剂(Solidifying agent) 固化常用的惰性材料： 水泥、沥青、塑料、石灰（凝结固化） 硅酸钠（水玻璃）、粘土（玻璃化固化） （4）固化效果的评价 浸出率 (leaching rate) 增容比 (Enlargement ratio) a.浸出率(leaching rate) n定义 n指固化体内的有害物质在水或溶液中的浸出速度。 n表达式 式中：ar浸出时间内出的有害物质的量，mg； A0样品中含有的有害物质的量，mg F样品的表面积，cm2； M样品的质量，g； t浸出时间，d; 浸出率，应越低越好。 b.增容比(Enlargement ratio) n定义 n指固化体体积与被固化有害废物体积的比值。 n表达式 式中： V2固化体体积，m3； V1固化前有害废物的体积，m3； Ci增容比，也是应越低越好。 4.3.2 水泥固化 原理 水泥与添加剂 水泥固化法的应用 水泥固化法的特点 4.3.2.1 原理 n概念：以水泥为固化剂将有害废物进行固化的一种处 理方法。 n原理： 水泥是一种无机胶凝材料，是以水化反应的形式凝固并逐步 硬化的，包括两种作用： n凝胶包容(Gel encapsulation)：水泥与污泥中的水发生水化 反应，生成的凝胶将污泥中的固态物质包容（污泥中的固态 物成为水化物的骨料从而被水泥凝胶包容）。 n离子沉淀(ionic precipitation)：水泥是一种碱性物质，污泥 中的重金属离子与水泥中的OH反应生成难溶于水的沉淀（ 重金属离子以其稳定的化合物形式存在与水泥制品中）。 4.3.2.2 水泥与添加剂 v水泥(cement) v添加剂(additive) （1）水泥 n水泥的种类 n硅酸盐水泥：以石灰、粘土为主要原料的水泥（又叫波特兰水 泥）； n矿渣水泥：加入了一定量的高炉水淬渣（火山灰质）。 n粉煤灰水泥：加入了一定量的粉煤灰（火山灰质）。 n高铝水泥：加入了一定量的高铝原料，如铝土。 n用于固化处理的水泥主要有： n硅酸盐水泥：适用于腐蚀性不强的污泥（因硅酸盐水泥易于和 污 泥中的油类， 有机酸，金属氧化物反应损害凝结 硬化过程）。 n矿渣水泥： 具有抗硫酸盐和抗化学腐蚀性。 n粉煤灰水泥：抗硫酸盐。 （2）添加剂 n作用 n改善固化条件（如早强剂），提高固化体的质量（如减水剂 ）。 n添加剂种类 n吸附剂（活性氧化铝等）：吸附污泥中的有害组分。 n缓凝剂（柠檬酸等）：获得一定的操作时间。 n促凝剂（水玻璃等）：提高早期强度。 n减水剂（Na2SO4等）：降低水灰比，提高强度。 （3）化学反应 （4）影响固化产品性能的因素 水泥投料比 添加剂 PH 养护时间 水灰比 (6)水泥固化法的特点 优点： 常温下操作，简单（工艺和设备及 操作），费用低，水泥、添加剂易 得； 对含水量较高废物直接固化，对高 毒重金属废物的处理有效； 固化体强度、耐热性、耐久性好 可作投海处置，作路基、建筑物及 基础材料。 缺点 浸出率高（10-4-10-5g/cm2d,孔隙率高所至 ）； 增容比高（1.52）； 有时需预处理（当含腐蚀性物质时），增 加费用； 铵离子易溢出（碱性反应）； 不适合于化学泥渣（胶状物、排料困难， 但可采用加锯末解决）。 4.3.2.3 水泥固化法的应用 电镀干污泥的水泥固化 含水率为75的污泥 一般工艺流程 （1）电镀干污泥的水泥固化 n干污泥 水泥 水（12） ）016 ）02 n强度可达：1020Mpa n浸出率：Hg0.0002 mg/L Cd0.02 mg/L Pb0.002 mg/L Cr6+0.02 mg/L As0.01 mg/L （2）高含水率污泥的固化 污泥含水率为75% 污泥 水泥 添加剂 水60 02 01 03 其中：添加剂是液态或粉末状的无机试剂，有时加砾 石和砂子。 （3）工艺流程 n水泥固化的工艺流程见图43-1。 图43-1 水泥固化的工艺流程 /4.3.3 沥青(asphalt)固化 概述 基本方法 主要影响因素 4.3.3.1 概述 v概念 v将有害废物与沥青混合，通过加热、蒸发实现固化的方法 v沥青的性质 v具有粘结性、化学稳定性，弹性，塑性； v具有对大多数酸、碱、盐的耐腐蚀性和一定的抗辐射性。 v应用范围 v中、低放射性蒸发残液； v化学法处理废水的沉渣； v焚浇灰分。 4.3.3.2 基本方法 高温熔化混合蒸发 暂时乳化法 化学乳化法 4.3.2.1 高温熔化混合蒸发法 （High temperature melting-vaporization method ） 工艺流程 特点 应用范围 工艺流程 n工艺流程图（见图43-2） n工艺流程说明 n在沥青贮槽通入蒸气加热，使沥青成熔融状态，进入混合槽； n在搅拌槽中进一步加热至220，并高速搅拌（15003000转分）； n在高温和高搅拌速度的条件下，污泥中的水分蒸发； n排入容器，冷却后固化； n蒸发气体经冷凝器冷却，冷凝液体再经处理排放，废气经静电除尘，木炭 过滤，烟囱排放。 图 43-2 高温熔化混合蒸发法沥青固化流程 （2）特点 n增容比低，浓缩系数大（见表4-1） n固化体致密度高，有害物质的浸出率低，一般比水泥 固化体低23个数量级。 n快速硬化：冷却后即固化（水泥需养护，28天后为最 终强度）。 n导热系数低，水分蒸发慢，处理时间长（需加温，搅 拌)。 n控制温度（加热过高造成可燃），运输，贮存要有防 火措施。 表几种处理方法的比较 处理工艺生成物体积 （m3） 浓缩系数 废水10001 化学处理45.721 冷冻融化（-150）6.5453 过滤1.5666 沥青固化0.472120 （3）应用范围 n适用于量小，浸出率要求较低的污泥，如放射性污泥，电镀污 等。 4.3.2.2 暂时乳化法 （Temporary emulsific