湖北工业大学固体废物生物处理技术

第七章固体废物的生物处理,固体废物是指人类在生产、生活和消费等活动中产生的固态、半固态和高浓度液态丢弃物。固体废物种类复杂，按成分可分为有机物和无机物，按形状可分固体和泥状的，按其危害状况可分为有毒的、有害的和一般的；按其来源可分为工业的、农业的、生活的和混合的等。,城市生活垃圾1995年己超过1亿t，每年增长10(全世界平均年增长速度8.42)。无害化处理的不足10。污水处理厂干污泥每年产生约2105t，以湿污泥计约为(3850)l05t，且以每年20的速度增长。农业废弃物作物秸秆、草木枝叶、人和畜禽粪便等。作物秸秆每年产量约（56)l08t。（薪柴、就地焚烧）集约化畜禽生产，粪便年排放量约18.8108t。,1、城市固体有机废弃物现状,2、固体有机废物的处理和处置原则,资源化、无害化、减量化和稳定化。资源化有机固体废物被称为“放错地点的原料”，为“二次资源”或“再生资源”，可用于生产生物能源、生物肥料和饲料。无害化杀灭或去除固体废弃物中的病原菌、害虫和寄生虫（害虫和寄生虫卵）、杂草种子和有害化学物质，处置过程需符合国家的无害化标准。减量化经过最终处理、处置的部分能减量到最少的程度。,Mushrooms(Agaricusbisporus)growingincompost,3、处理有机固体废物的方法,主要有堆肥法、填埋法、焚烧法,IncineratorDiagram,第一节堆肥法生物处理,一、堆肥的概念及其优缺点1、堆肥的概念堆肥法指的是在控制条件下，利用微生物的生化作用，将废弃物中的有机物质分解、腐熟并转化成稳定腐殖土的微生物学过程。,堆肥处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质，故称为堆肥(Compost)。,腐熟指茎、叶、秆等难分解有机物经发酵腐烂成有效肥分和腐殖质的过程。腐殖质是指已死的生物体在土壤中经微生物分解而形成的有机物质。黑褐色，含有植物生长发育所需要的一些元素，能改善土壤，增加肥力。影响腐殖质形成的因素有土壤湿度和通气状况、温度、土壤反应及土壤有机质碳氮比值。腐殖质能够增加可以让空气和水进入的空隙，也同样产生植物必须的氮、硫磺、钾和磷。,腐熟肥料的优点,1、提供养份比较全面。有机肥是一种完全肥料。含有作物所需要的营养成份和各种有益元素，而且养份比例全面，许多养分可以被多种植物直接吸收利用。因此，有机肥施得越多，越有利于土壤养分比例平衡，越有利于作物对土壤养分的吸收和利用，不会因多施有机肥而造成土壤某种营养元素大量增加，破坏土壤养份平衡。2、有机肥料可以改善土壤结构，形成微团聚体。微团聚体对自身和加入的水分及营养物质具有较大的吸储能力、释供能力和转化能力，从而改善土壤的理化性质，提高土壤缓冲能力和保肥供肥能力。,腐熟肥料的优点,3、有机肥在土壤中能形成腐殖质，不仅可以直接营养作物，而且腐殖质以胶膜形式凝聚在矿质颗粒表面，同多种金属离子形成水溶性和非水溶性的结合物或螯合物对微量元素的有效性起控制作用。4、有机肥可以缓慢、均衡地供给作物所必需的养分，其营养是慢慢溶出，不易发生浓度障害。而超量的施用化肥极易形成盐类浓度障害。,腐熟肥料的优点,5、提高土壤的保肥保水能力。所有的有机肥料都有较强的阳离子代换能力，可以吸收更多的钾、铵、镁、锌等营养元素，防止淋失，提高土壤保肥能力，尤其是腐熟的有机肥保肥能力更明显。温室是接近封闭或半封闭的设施，气密性好，在有机肥分解过程中可释放出大量的二氧化碳，不易外逸，成为供给植物光合作用原料的重要来源。,堆肥法过程是20世纪发展起来的科学技术。1922年，贝卡里采用密闭容器对有机物料进行厌氧发酵再通入空气进行好氧发酵的方法在意大利取得专利，并在意大利和法国广泛应用。1925年，印度人爱德华霍华德将堆肥化推向系统化和工厂化，开发了用垃圾、人粪尿、污水污泥、树叶或秸秆等混合物料进行好氧发酵的班加罗法，将堆肥化技术向前推进了一大步。1932年，荷兰VAW公司在搅拌方法方面对班加罗法进行改进，采用起重抓斗车翻堆方式，并于1932年建立了范曼奈法工艺堆肥厂。德国的Schweinfurt和瑞士Biel采用固定式固定床法工艺对磨碎物料进行堆肥。,堆肥法技术发展,1933年，在丹麦出现Dano堆肥装置，该装置是一种卧式旋转圆筒生物反应器，曾在西欧和日本得到广泛应用，在20世纪70年代最为流行，目前世界上约有150家这样的工厂。20世纪70年代至80年代，由于城市生活垃圾中的成分日趋复杂，特别是无机成分日益复杂化，限制了一些机械化程度高的堆肥工艺的推广和利用，堆肥处理曾一度被土地填埋和焚烧所替代。进入80年代后期，由于可供填埋的土地资源日益紧张，焚烧垃圾二次污染严重，用堆肥技术来处理各种有机废弃物又重新引起各国的关注与重视。,堆肥法的基本原理,堆肥化的实质是有机固体废弃物在微生物的作用下，利用生物化学反应实现转化和稳定化的过程。根据处理过程中起作用的微生物对氧气的要求的不同，堆肥化可分为好氧法和厌氧法两种。好氧法是在通气条件下通过好气性微生物活动使有机废弃物得到降解稳定的过程，此过程速度快，堆肥温度高。厌氧堆肥实际是微生物的固体发酵，对有机固体废物进行降解与稳定化，需通过更复杂的生物化学反应，该过程堆肥速度较慢，堆肥时间是好氧堆肥法的3-4倍甚至更多。,好氧堆制定义的含义,原料为可生物降解废物，固体或半固体；人工控制下进行；多种微生物联合作用实现，不同阶段，不同的微生物起主导作用。堆制过程好氧、放热，为稳定化过程；能杀死病原菌和寄生虫和害虫卵，达到无害化、安全性；,四、好氧堆肥的工艺流程,前处理家畜粪尿,污泥：调整水分和C/N比，或者添加菌种和酶。城市生活垃圾：破碎和分选，调整垃圾的粒径去除非堆肥物质目的：a如不去除，会使发酵仓容积增大；b传送装置或翻堆搅拌装置可能会被纤维、绳子缠卷或被竹、金属等绞入而影响操作；c非堆肥物质妨碍发酵过程；d非堆肥物质（不包括电池类）也可在后处理工序去除调整粒径的目的：均匀化原料、水份，表面积增大，可提高微生物发酵速度。控制粒径范围是260mm。物料结构坚固，则粒径应小些。决定垃圾粒径大小时，还应从经济方面考虑，因为破碎得越细小，动力消耗就越大，处理垃圾的费用就会增加。,2.发热阶段（主发酵前期，1-3d）堆肥阶段初期，主要由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中最容易分解的可溶性物质（如淀粉、糖类）迅速增殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高,3.高温阶段（主发酵、一次发酵，3-8d）,堆肥温度上升至50以上，即进入高温期。是有机质的分解和有害生物的杀灭最有效的时期。腐殖化过程；高温型好氧微生物成为优势种。主要是好热性细菌、放线菌和真菌的一些种群；杀灭病原生物，5060持续67d，可有效杀灭虫卵和病原菌。,各种好热性微生物的最适温度各不相同，因此，随着堆肥中温度的上升，好热性微生物也随之发生变化：在50左右，主要是嗜热性真菌和放线菌，如嗜热性真菌属（Thermomyces）、褐色嗜热放线菌（Actinomycesthermofuscus）、普通小单胞菌（Micromonosporavulgaris）等；温度升高到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌在活动，缓慢的分解有机物；温度升高到70时，大多数嗜热性微生物已不适宜，相继大量死亡或进入休眠状态。,3.高温阶段（主发酵、一次发酵，3-8d）,几种常见病菌与寄生虫的死亡温度,4.降温和腐熟保肥阶段（后发酵、二次发酵，20-30d）主发酵的半成品中尚未分解的易分解有机物和较难分解的有机物进一进行分解，使之变成腐殖酸,氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。一般把物料堆积到1-2m高，进行后发酵，并要有防止雨水流入的装置。有的场合还需要翻堆和通风，通常不进行通风，而是每周进行一次翻堆。,5.后处理经过两次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变形，数量减少了。然而，城市生活垃圾堆肥时，在预分选工序没有去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等物依然存在。因此，还需要经过一道分选工序，去除杂物，并根据需要进行再破碎（如生产精制堆肥）。,6.脱臭部分堆肥工艺和堆肥物在原料、堆制过程和结束后会产生臭味。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭，碱水和水溶液过滤，熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤在露天堆肥时，可在堆肥表面覆盖熟堆肥，以防止臭气逸散。较为多用的除臭装置是堆肥过滤器，当臭气通过该装置，恶臭成分被堆肥（熟化后的）吸附，被其中好氧微生物分解。也可用特种土壤代替堆肥使用，这种过滤器叫土壤脱臭过滤器。,7.贮藏堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就必须积存，所以要建立储存六个月生产量的设备储存方式可直接堆存在发酵池中或袋装，要求干燥而透气，闭气和受潮会影响制品的质量。,Compostingpile,4、堆肥处理的优点,有机废物分解并达到稳定化易腐败的有机废物和有毒废物被转化为比较稳定的物质，体积大大缩小(4060干有机质被分解)，便于处置和运输。有毒化学品(如农药)形成腐殖质，消除毒性。干化作用人粪尿、动物粪便和污泥含水达8095，经过堆制处理，大大降低其含水率。,杀灭有害生物堆制过程释放大量热能，堆温较高。据测定，6070维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。堆温5060，持续67d，即可杀灭病原和虫卵。堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂,4、堆肥处理的优点,5、堆肥处理存在的问题,堆肥质量不易稳定；原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难；物料温度不均匀；受社会、文化、经济因素的影响；,2、腐熟堆肥的特征,表面呈白色或灰白色，内部呈黑褐色或棕黑色：秸秆和粪块等完全腐熟，质地松软，无粪臭，散发出泥土气味，不招引蚊蝇；pH8-9，呈弱碱性。,三、堆制过程中的生物及其演替,1一般规律参与的主要是微生物，包括：细菌(含放线菌)真菌原生动物等类群一些无脊椎动物如线虫、蚯蚓、螨类等。,微生物群落的变化规律,50左右，高温菌出现，嗜热性真菌和细菌(放线菌)为主。堆温60时，真菌几乎完全停止活动，嗜热性放线菌与细菌继续活动。高温细菌主要是芽孢细菌属、高温放线菌属。,中温型细菌(含放线菌)和真菌首先起作用，,6570时，大多数嗜热性微生物也无法生活，或死亡，或休眠。最后，温度下降，放线菌重新定殖成为优势菌群，堆肥表面呈现白色或灰色。蛋白质分解产生的氨转化为硝酸盐的过程主要在腐熟期进行。,嗜热脂肪芽孢杆菌,StreptomycesandThermomonosporaisolatedfromcompost,Thermomonosporaformosensistypestrain,烟曲霉Aspergillusfumigatus,2特殊规律,农业废物以植物残体为主，堆制过程中的微生物相：细菌、真菌纤维分解菌放线菌能分解本质素的微生物城市污水处理厂剩余污泥、城市生活垃圾堆制过程中，厌氧菌和脱氮菌很多。细菌与放线菌数量之比可作为堆肥腐熟的指标之一。,四、固体废物好氧堆肥的基本条件,影响堆肥过程的因素有物料的有机质含量、营养平衡、通气量、水分、温度和粒径等。,四、固体废物好氧堆肥的基本条件,1、接种将1%-5%腐熟的堆肥或者生物固体（污泥）混入垃圾原料中，称为接种。接种的目的是为了增加微生物菌源，或者增加微生物分解酶。,2、含水量,含水量在5070，以60为宜。若有机质含量高，含水量应高一些；有机质含量低，含水量应低一些。,3、垃圾原料的营养配比,碳氮比(C/N)是营养平衡最重要的参数之一。物料最佳的C/N为2535之间为宜，物料C/N35，会延长堆制的时间。原料C/N90%)H2O、NH3、H2S,2填埋气的产量及产生速率,（1）经验估算：（2）化学计量计算（3）化学需氧量法,3填埋气的控制排气系统可分为被动排气和主动排气。被动排气装置是利用垃圾坑中产生气体的浓度和梯度驱动气体流动。它利用沟槽、排气井或带孔管，周围填以粗粒料，将产生的气体引到封盖之上。主动排气装置用于被动装置不很奏效的场合。它依靠机械设备产出正压或负压，迫使气体运动，可以是竖向的或是横向的。机械设备的真空泵或鼓风机连接于排气管的出口端。,2、气体收集,微生物厌氧发酵产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氮气等气体。填埋场产气量和气体成分与被分解的固体废物的种类有关，并随填埋年限而变化。每千克挥发性有机固体的产气量约为0.0130.047m3。甲烷发酵进入稳定期的时间为2年后，填埋场气体一般含有3040甚至6070的甲烷，以及多种其它种类的气体。填埋场气体经过处理后可以作为能源加以利用。,甲烷的去向：回收作能源，释放到环境；微生物氧化：厌氧甲烷氧化菌、好氧甲烷氧化菌（存在于填埋物培土中）。甲烷气体的好氧氧化作用过程：CH4CH3OHHCHOHCOO-CO2,垃圾渗滤液的处理技术,1、浸出液的生成（1）降水和地表泾流：降水包括降雨和降雪，它是浸出液的主要来源。地表泾流是指来自场地表同上坡方向的径流水，对浸出液的产生数量也影响较大。（2）垃圾含水：除垃圾自身含水外，（3）垃圾中的有机组分在填埋场内经厌氧分解会产生水分，其产生量与垃圾的组成、pH、温度和菌种等因素有关。,2填埋场水的平衡示意图,3浸出液的性质,对垃圾渗滤液有机污染物进行探讨,分析结果表明,从垃圾渗滤液中检出的有机污染物77种,其中芳烃类29种,烯烃类18种,酸类8种,酯类5种,醇、酚类6种,酮、醛类4种,酰胺类2种,其它5种。对太原生活垃圾填埋场进行监测分析,得出结论:除pH和总硬度铝、镉、铬的指标未超过国家标准外,其余指标严重超标。其中COD、BOD5、氨氮、总磷、砷分别超标100、120、547、90、120倍。,4垃圾渗滤液的危害,垃圾填埋场渗滤液对周围地下水和地表水均会造成严重的环境污染例如：美国曾报导距垃圾处理厂的蓄水池512m远的一口井中水,其硬度、钙镁浓度、总固体量和CO2都有增加德国报导距离填埋场4km远的地表水下游,水质出现恶化。渗滤液对含水层的影响不仅仅在于表层,而且贯穿于达60m深的垂直截面。渗沥液中重金属对周围环境及对其后生物处理的毒性影响非常严重。国内报导广州市老虎窿填埋场虽然1992年封场,但直至1995年其排放的浸出液BOD、COD、氮和磷仍然超标,其中以氮为甚,垃圾填埋不采取防渗措施,对地下水必然造成严重污染,主要表现在地下水的水质混浊,有嗅味,COD、三氮含量高,油、酚污染严重,细菌、大肠菌超标,5渗滤液收排系统（1）收排系统的作用渗滤液收排系统应保证在填埋场预设寿命期限内正常运行，收集并将填埋场内渗滤液排至场外指定地点，避免渗滤液在填埋场底部蓄积。（2）收排系统的构造渗滤液收排系统由收集系统和输送系统组成。收集系统的主要部分是一个位于底部防渗层上面的、由砂或砾石构成的排水层。在排水层内设有穿孔管网，以及为防止阻塞铺设在排水层表面和包在管外的无纺布。渗滤液的输送系统由渗滤液贮存罐、泵和输送管道组成。,(3)典型的填埋场液体收排系统由以下几个部分组成：（a）排水层：由粗砂砾铺设厚30cm以上构成，必须覆盖整个填埋场底部衬层上，水平渗透系数应大于10-