固体废物的生物处理.ppt

固体废物的处理与处置,能源与环境学院,内蒙古科技大学,Treamentanddisposalofsolidwastes,InnerMongoliaScienceAndTechnologyUniversity,CompanyLogo,产生收运预处理转换后处理处置,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,第四章固体废物的生物处理,人类通过各种手段，借助于自然界中依靠有机物生活的微生物分解有机物的能力，对固体废物进行生物处理，实现固体废物的稳定化、无害化和资源化的技术统称为固体废物的生物转换技术。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求不同，生物处理可分为好氧处理和厌氧处理两类。,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,好氧生物降解制堆肥,厌氧发酵制沼气,4,第四章固体废物的生物处理,粪屋之中，凿为深池，甃以砖壁，勿使渗漏。凡扫除之土，烧燃之灰，簸扬之糠秕，断稿落叶，积而焚之，沃以粪汁。积之既久，不觉其多。凡欲播种，筛去瓦石，取其细者，和匀种子，疏把撮之；待其苗长，又撒以壅之。何患收成之不倍厚也哉?,第一节好氧生物降解制堆肥,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,第一节好氧生物降解制堆肥,问题一,问题二,问题三,问题四,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,堆肥化(composting)：是指在人工控制下，依靠自然界中广泛分布的微生物，人为的促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。堆肥化的产物称为堆肥(compost)，是一类腐殖质含量很高的疏松物质，也称腐殖土。,一、堆肥化概述,具有酸性、含氮量很高的胶体状的高分子有机化合物。,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,固体废物堆肥化的意义（1）对城市固体废物进行处理消纳，实现无害化和稳定化（2）将固体废物中的适宜组分尽快的纳入自然循环系统，促进自然界物质与人类社会物质循环；（3）将大量固体废物通过某种工艺转换成有用的物质和能源；（4）堆肥化可减重、减容50。,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,堆肥原料,生活垃圾人和禽畜粪便有机污泥农林废物,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,密度,组成成分,含水率,C/N,350650kg/m3,(湿重)有机物含量20%,40%60%,20:130:1,堆肥原料特性的评价指标：,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,基本原理好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程，将一部分有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量，同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程。,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,高温堆肥（好氧）,一、堆肥化概述,好氧堆肥基本原理示意图,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,一、堆肥化概述,CompanyLogo,一、堆肥化概述,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,好氧堆肥化的过程,堆肥是一系列微生物活动的复杂过程，在该过程中，堆内的有机物、无机物发生着复杂的分解与合成的变化，微生物组分也发生相应的变化。总的来说，好氧堆肥化从废物堆积到腐熟的微生物生化过程比较复杂，大致可分为以下四个阶段：,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,堆肥过程中温度的变化,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,1,此阶段嗜温菌活跃此阶段以细菌、真菌和放线菌为主的微生物迅速增殖。,2,温度45C以上就进入了高温阶段一般可达(6570C)；50C嗜热性真菌和放线菌；60C仅有嗜热性放线菌与细菌；70C微生物死亡或进入休眠状态,3,微生物活性下降，发热量减少，温度下降。嗜温菌再占优势，将难降解的部分有机物分解，腐殖质增多且趋于稳定，进入腐熟阶段。,中温阶段,高温阶段,腐熟阶段,一、堆肥化概述,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,二、堆肥的影响因素,影响堆肥的因素很多，归纳起来主要有：1有机质含量2含水率3通风供氧4.颗粒度5碳氮比（C/N）和碳磷比（C/P）6温度7pH值,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,对于快速高温机械化堆肥而言，首要的是热量和温度间的平衡问题。有机质含量低的物质发酵过程中所产生的热将不足以维持堆肥所需要的温度，这种条件不利于堆肥的顺利进行和成品的使用；但过高的有机物含量又将给通风供氧带来影响，从而产生厌氧和发臭。研究表明，堆肥中合适的有机物含量约为20%80%之间。,1有机质含量,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,微生物的生长和对氧的需求均在含水率50%60%时达到峰值。故在用生活垃圾堆肥时，一般含水率为55%最佳。通常生活垃圾含水率均低于此值，可添加粪便和污水污泥等进行调节。添加的调节剂与垃圾的重量比可按下式计算：其中：M调节剂与垃圾的重量（湿重）之比；Wm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率、调节剂含水率。,2含水率,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,堆肥过程的需氧量取决于被氧化的碳量，但由于有机物在堆肥过程中分解的不确定性，使得被氧化的碳量难以精确计算。由于堆层中的氧浓度和耗氧速率能表征微生物活动的强弱和有机物分解的程度，所以往往通过测定堆层中氧浓度和耗氧速率来了解堆层的生物活动过程和需氧量的多少，从而达到控制供气量的目的。一般来讲，堆肥过程适宜的氧浓度为14%17%，最低不小于10%一旦低于此限，好氧发酵将会停止。好氧堆肥通风供氧方式可采用：自然扩散、翻堆通风、风机通风、插入风管通风等。,3通风供氧控制,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,堆肥过程中供给的氧是通过颗粒间的空隙分布到颗粒内部的，因此，颗粒度的大小对通风供氧有重要影响。理论上讲，颗粒物应尽可能小，才能使空气有较大的接触面积，并使得好氧微生物更容易更快的将其分解。但如果颗粒太小，会形成厌氧条件，不利于好氧微生物的生长和繁殖。堆肥前通过破碎分选，去除不可堆肥化物质，使堆肥物粒度达到一定程度的均匀化。,4颗粒度,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,微生物每利用30份碳就利用1氮，故初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26:135:1之间。成品堆肥的适宜碳氮比为10:120:1。一般初始原料的碳氮比较高，故需加入含氮物质作调节剂。当有机原料碳氮比已知时，需加的氮源物质的量：其中：K混合原料的碳氮比，通常取35：1；C1、C2、N1、N2分别为有机原料和添加物的碳、氮量,5碳氮比和碳磷比,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,C/P磷是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能ATP的重要组成成分，一般要求堆肥料的C/P在75150为宜。,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,6温度对堆肥而言，温度是堆肥得以顺利进行的重要因素。堆肥过程温度上升的热源，来自堆肥微生物分解有机物所释放的热量。堆肥温度高低要适宜：温度低：反应速率慢，同时不能达到热灭活、无害化的要求，而高温正好相反；但温度也不能过高：当温度70时，放线菌等有益菌被杀死，不利于堆肥过程的进行。适宜温度一般认为在5065直间。,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,7pH值pH值对微生物的生长也是重要因素之一，一般微生物最适宜的pH值是中性或弱碱性，pH值太高或太低都会使堆肥处理遇到困难。pH值是一个可以对微生物环境作为估价的参数，在整个堆肥过程中，pH值随时间和温度的变化而变化。在堆肥初始阶段，由于有机酸的生成，pH值下降(可降至5.0)，然后上升,发酵完成前可达至8.59.0左右，最终成品达到8.59.0。,二、堆肥的影响因素,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,好氧堆肥的工艺,现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺，它通常由以下几个工序组成：,除臭,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,3堆肥原料和堆肥微生物,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,3堆肥原料和堆肥微生物,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,3堆肥原料和堆肥微生物,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,412d,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,第四章固体废物的生物处理,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,三、好氧堆肥工艺,除臭,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,第四章固体废物的生物处理,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,第四章固体废物的生物处理,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,四、堆肥腐熟度评价,堆肥腐熟度：堆肥腐熟度是衡量堆肥进行程度的指标。它定义为：堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。在工程上，它是衡量堆肥反应完成的信号；在农业上，它是堆肥质量的衡量。由于堆肥腐熟度评价是一个很复杂的问题，迄今为止还未形成一个完整的评价指标体系。一般来讲，可分为物理学指标、化学指标、生物学指标以及工艺指标。,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,物理指标：直观、易于监测，常用于定性描述堆肥过程的状态。气味：随着堆肥的进行，臭味逐渐减弱并在堆肥结束时消失。粒度：腐熟后的堆肥产品粒度呈现疏松的团粒结构。色度：受原料成分影响很大，无统一标准判别各种堆肥的腐熟程度。一般堆肥过程中堆料逐渐变黑，腐熟后的堆肥产品呈深褐色或黑色。,四、堆肥腐熟度评价,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,化学指标：通过分析堆肥过程中的化学成分或性质的变化以评价腐熟度。pH：pH随堆肥的进行而变化。有机质变化指标：反应有机质变化的指标有BOD、COD、VS（挥发性固体）。碳氮比：碳氮比是最常用的堆肥腐熟度评估方法之一。当碳氮比值降至（1020）：1时，可认为堆肥达到腐熟。氮化合物：氨态氮、硝态氮和亚硝态氮的浓度变化，也是堆肥腐熟程度评价的常用参数。腐殖酸：腐殖酸的含量随着堆肥腐熟化过程的进行而上升。,四、堆肥腐熟度评价,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,不同腐熟度的堆肥耗氧速率、释放二氧化碳的速率、堆温、肥效等特指也可对堆肥腐熟度做出判断。,四、堆肥腐熟度评价,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,四、堆肥腐熟度评价,堆肥腐熟度的测定方法：（1）直观经验法：成品堆肥显棕色或暗灰色，并具有霉臭的土壤气味，无明显的纤维。采用此法判定堆肥质量，比较简便，但过于“粗糙”，且因人的感觉而异，缺乏统一尺寸。,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,四、堆肥腐熟度评价,（2）淀粉测试法：将堆肥样品加入高氯酸溶液，搅拌，过滤，用碘液检验滤液，如果变黄，略有沉淀物，表明堆肥已经稳定；如果呈现蓝色，表明堆肥未腐熟。此法简便，适用现场检测用。但由于堆肥原料中淀粉含量一般不多，生活垃圾中只有26，被检定的也仅是物料中可腐部分中的一部分，不足以充分反映堆肥的腐熟程度。,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,四、堆肥腐熟度评价,（3）耗氧速率法：利用气体采集枪和微型吸气泵将堆层中的气体抽吸到O2/CO2测定仪，通过仪器显示堆层O2或CO2浓度在单位时间内的变化值，以评定堆肥发酵程度和腐熟程度。此法符合卫生学原理，具有良好的稳定性，专一性和可靠性，不受原料组分的影响，易于在工程上应用。,厌氧消化装置,厌氧消化工艺,厌氧消化的影响因素,厌氧消化原理,概述,第二节固体废物的厌氧消化处理,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,(1)厌氧发酵（anaerobicfermentationm）,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,(1)厌氧发酵（anaerobicfermentationm）,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。由于厌氧发酵的产物是以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵(firedampfermentation)。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,(2)厌氧发酵技术的主要特点,可将潜在于有机废物中的生物能转化为可直接利用的能源；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。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,二、厌氧消化原理,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。总反应式：,Treamentanddisposalofsolidwastes,两段理论,CompanyLogo,二、厌氧消化原理,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，井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。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,根据厌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。液化阶段(Liquefactionstage)产酸阶段(Acid-producingstage)产甲烷阶段(Methane-producingstage)三个阶段的主次地位,Treamentanddisposalofsolidwastes,二、厌氧消化原理,CompanyLogo,Treamentanddisposalofsolidwastes,二、厌氧消化原理,图5-3有机物的沼气发酵过程,CompanyLogo,a.液化阶段(Liquefactionstage),在这一阶段中复杂的有机高分子物质，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。高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生物的浓度、温度和pH等条件的制约。主要有机物的水解反应：,蛋白质+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,b.产酸阶段(Acid-producingstage),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,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,c.产甲烷阶段(Methane-producingstage),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：,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,在产甲烷反应中，乙酸(醋酸)是产生CH4的主要物质，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。例如有机胺必须转化成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。,Treamentanddisposalofsolidwastes,c.产甲烷阶段(Methane-producingstage),CompanyLogo,d.三个阶段的主次地位,三个阶段的主次地位对于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。对于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。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,三、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。发酵原料(rawmaterial)温度(temperature)pH值抑制物质(stayer)搅拌(mixround),Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,（1）发酵原料,用作堆肥的原料都可以用作厌氧发酵，即沼气发酵原料。厌氧消化过程中的产气量是厌氧消化处理效率的重要指标。一般来说,产气量的大小主要取决于物料的组分特性（表5-1）不同原料的有机组分不同，其理论产气量也不同（P247表9-5）配制发酵原料时要进行理论产气量和总固体量等的计算。理论产气量的计算常用原料的产气率及其甲烷含量总固体量的计算营养物质(nutrientmatter),Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,表5-1有机组分的产气量及气体组成,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,a.常用沼气原料理论产气量的计算,在计算沼气发酵原料的理论产气量时，必须首先分别测定各种发酵原料中碳水化合物(A)、蛋白质(B)和脂肪(C)的含量，然后用下式计算出每克发酵原料的甲烷和CO2的理论产量。CH4产量E（L）0.37A+0.49B+1.04CCO2产量D（L）0.37A+0.49B+0.36C式中的A、B、C可在P247表9-5中查到。例，以稻草为原料，其A、B、C值分别为：0.6026，0.0316，0.0321则：E=0.370.6026+0.490.0316+1.040.0321=0.2718（L/g）D=0.370.6026+0.490.0316+0.360.0321=0.2500（L/g）,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,b.原料的产气率和甲烷的含量,沼气发酵原料的产气率指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量，通常用每吨干物料产生的沼气量(m3)表示，即m3(沼气)吨(干物质)。常用沼气发酵原料的沼气产率、甲烷含量()和产气持续时间(d)列于P248表96中，可以查用。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,先取样测定原料的总固体百分含量(MTS)：再由原料总量计算原料的总固体量(WTS)：以上二式中：W2一发酵原料样品在1052的条件下干燥至衡量的重量，即脱去吸附水后的重量：W1一发酵原料样品的重量；W一所用发酵原料的重量。也可以直接计算原料中的挥发性固体含量,c.发酵原料中总固体量的计算,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,挥发性固体含量的计算,发酵原料中能够转化成CH4气体的有机物主要是可挥发性固体，因此，用原料中挥发性固体的含量作为单位重量原料的产气率更准确。挥发性固体的含量可用发酵原料中挥发性固体的百分含量或发酵原料中挥发性固体的重量表示，它们可按下式计算：先计算发酵原料总固体中挥发性固体的百分含量NVS：以原料总量为分母则为发酵挥发性固体的百分含量NVS：发酵原料中所含挥发性固体的重量WVS：式中：W3一发酵原料样品的总固体在50020下灼烧至衡量的重量(灰分重量）。W、W1、W2同前。,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,d.营养物质(nutrientmatter),与好氧微生物一样，厌氧微生物对原料的CN比也有一定要求。由于厌氧微生物摄取碳的速率约为氮的2530倍，因此，厌氧发酵原料的最佳CN应控制在201301。当CN351时，N不足，产气量会明显下降。各物质中C和N的含量有很大差异(P250，表9-7)。为了满足厌氧微生物对营养物质的需要,可以通过富N物质(粪便、下水污泥等)与贫N物质(榍、农作物秸杆等)的合理调配、改善发酵原料的CN比。同时，也应该对其它微量营养元素(P、Na、K、Ca等)加以适当的调整和控制。混合原料C/N比的计算发酵原料料浆配制的计算,Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,混合原料C/N比的计算,根据表97的数据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),Treamentanddisposalofsolidwastes,CompanyLogo,发酵原料料浆的配制计算,将所需的