南开大学固体废物处理与处置课件.ppt

固体废弃物的处理与处置 第九章可生化降解固体废物的处理与利用 第一节好氧生物降解制堆肥堆肥化概述好氧堆肥程序 工艺 装置和影响因素堆肥质量堆肥的农业效用第二节厌氧发酵制沼气有机物的厌氧发酵过程发酵原料发酵工艺和影响发酵的因素 第一节好氧生物降解制堆肥 一 堆肥化概述 一 堆肥化概念和分类堆肥化是在控制条件下 使来源于生物的有机废物 发生生物稳定作用的过程 这一定义强调 堆肥原料来自生物界 堆制过程需在人工控制下进行 不同于卫生填埋 废物的自然腐烂与腐化 堆制过程的实质是生物化学过程 废物经过堆肥化处理 制得的成品叫做堆肥 它是一类腐殖质含量很高的疏松物质 故也称为 腐殖土 废物经过堆制 体积一般只有原体积的50 70 堆肥化系统分类方法有多种 按堆制方式可分为间歇堆积法和连续堆积法 按原料发酵所处状态可分为静态发酵法和动态发酵法 按堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧法 现代化堆肥工艺 特别是城市垃圾堆肥工艺 大都是好氧堆肥 好氧堆肥系统温度一般为50 65 最高可达70 80 堆制周期短 故也称为高温快速堆肥 厌氧法堆肥系统 空气与发酵原料隔绝 堆制温度低 工艺比较简单 成品堆肥中氮素保留比较多 但堆制周期过长 需3 12个月 异味浓烈 分解不够充分 二 好氧法堆肥原理 好氧法制堆肥是以好氧菌为主对废物进行吸收 氧化 分解 微生物通过自身的生命活动 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物 并放出生物生长活动所需要的能量 把另一部分有机物转化合成为新的细胞物质 使微生物生长繁殖 产生更多的生物体 可用反应式分别表示为 三 堆肥原料与堆肥微生物 1 堆肥原料生活垃圾 有机污泥 人和禽畜粪便以及农林废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基质 碳水化合物 脂类 蛋白质 因而是常用的堆肥原料 2 堆肥微生物好氧法制堆肥 参与有机物生化降解的微生物包括两类 嗜温菌和嗜热菌 固体废物好氧微生物降解过程 依据温度变化 大致分成三个阶段 每一阶段各有其独特的微生物类群 1 中温阶段 堆制初期 堆层呈中温 15 45 此时 嗜温性微生物活跃 利用可溶性物质糖类 淀粉不断增殖 在转换和利用化学能的过程中产生的能量超过细胞合成所需的能量 加上物料的保温作用 温度不断上升 以细菌 真菌 放线菌为主的微生物迅速繁殖 2 高温阶段 堆层温度上升到45 以上 便进入高温阶段 从废物堆积发酵开始 不到1周的时间 堆温一般可达到65 70 或者更高 此时 嗜温性微生物受到抑制 甚至死亡 而嗜热性微生物逐渐替代嗜温性微生物的活动 除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外 半纤维素 纤维素 蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解 在50 左右活动的主要是嗜热性真菌和放线菌 60 时 仅有嗜热性放线菌与细菌活动 70 以上 微生物大量死亡或进入休限状态 在高温阶段 嗜热性微生物按其活性 又可分为三个时期 对数增长期 减速增长期和内源呼吸期 微生物经历三个时期变化以后 堆层便开始发生与有机物分解相对立的腐殖质形成过程 堆肥物科逐步进入稳定状态 3 降温阶段 在内源呼吸期 微生物活性下降 发热量减少 温度下降 嗜温性微生物再占优势 使残留难降解的有机物进一步分解 腐殖质不断增多且趋于 稳定 堆肥便进入腐熟阶段 二 好氧堆肥程序 工艺 装置和影响因素 一 典型的静态好氧发酵制堆肥程序1原料预处理包括分选 破碎以及含水率和碳氮比调整 2原料发酵 1 一次发酵 好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵 它是指从发酵初期开始 经中温 高温然后到达温度开始下降的整个过程 一般需10 12天 以高温阶段持续时间较长 2 二次发酵 物料经过一次发酵 还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在 需将其送到后发酵室 堆成1 2米高的堆垛进行二次发酵 使之腐熟 此时温度持续下降 当温度稳定在40 左右时即达腐熟 一般需20 30天 3后处理 后处理包括去除杂质和进行必要的破碎处理 堆肥产品质量及卫生要求堆肥产品质量 以干基计 粒度 农用堆肥产品粒度不大于12mm 山林果园用堆肥产品粒度不大于50mm 含水率 35 pH值 6 5 8 5 全氮 以N计 0 5 全磷 以P2O5计 0 3 全钾 以K2O计 1 0 有机质 以C计 10 重金属含量 总镉 以Cd计 3mg kg 总汞 以Hg计 5mg kg 总铅 以Pb计 100mg kg 总铬 以Cr计 300mg kg 总砷 以As计 30mg kg 无害化卫生要求堆肥温度 静态堆肥工艺 55 持续5d以上 蛔虫卵死亡率 95 100 粪大肠菌值 10 1 10 2 讨论 固体废物好氧微生物降解过程 依据温度变化 大致分成三个阶段 各个阶段的变化特点 一次发酵和二次发酵的不同点 一次发酵和二次发酵分别对应各个温度变化的阶段是什么 二 发酵工艺与装置 1 条剁式系统 条剁堆肥是将前处理后的堆料堆成高1 2m 宽2 3m的条剁 上面用塑料布或简易棚挡雨 定期使用机械或人工翻堆方法进行自然通风供氧 使物料在好氧条件下分解 在条剁堆肥系统中 翻堆是一个很重要的操作环节 翻堆必须保证整体物料相对位置的转变 强制通风静态垛系统 强制通风静态垛系统是通过风机和埋在地下的通风管道进行强制通风供氧的系统 对于强制通风静态垛系统 通风系统决定其能否正常运行 也是温度控制的主要手段 在堆肥过程中 通风不仅为微生物分解有机物供氧 同时也去除二氧化碳和氨气等气体 并蒸发水分使堆体散热 保持适宜的温度 2间歇式发酵工艺与装置 1 间歇式发酵工艺间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵 一批原料堆积之后不再添加新料 待完成发酵成为腐殖土运出 第一次发酵采用机械强制通风 发酵期10天 60 高温保持5天以上 达到无害化 然后将第一次发酵堆肥通过机械分选 去除非堆腐物 送去二次发酵仓 进行第二次发酵 一般10天左右即达到腐熟 2 间歇式发酵装置有长方形池式发酵仓 倾斜床式发酵仓 立式圆筒形发酵仓等 并各配设通风管 有的还配设搅拌装置 一种圆筒形发酵仓示意图 宜径5米 高4米 底部呈锥状 在圆筒的底部用8 3厘米的钢管沿池壁装设一圈通风管 通风管上均匀开出8个出气口 通风管与鼓风机相接 强制鼓入空气 日处理垃圾50吨 2 连续发酵工艺与装置 连续发酵工艺采取连续进料和连续出料方式发酵 原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程 这种系统除具有发酵时间短 能杀灭病源微生物外 还能防止异味 成品质最比较高 已在美国 日本 欧洲广为采用 2 浆叶式发酵塔 桨叶式发酵塔 图9 5 外观类似多段焚烧炉 外壁由隔热材料做成 是一种可保温的具有多段发酵槽的圆筒 一般有5个发酵槽 各由混凝土或钢板做成 螺旋搅拌式发酵仓的示意图如下图所示 这也是动态式筒式发酵仓的一种形式 经预处理工序分选破碎的废物被运输机送到仓中心上方 靠设在发酵仓上部与天桥一起旋转的输送带向仓壁内侧均匀地加料 用吊装在天桥下部的多个螺丝钻头来旋转搅拌 使原料边混和边掺入到正在发酵的物料层内 三 影响因素 1有机物的含量 堆肥物料适宜的有机物含量为20 80 2含水率 在用生活垃圾制堆肥时 一般以含水率55 为最佳 3通风和耗氧速率 微生物的耗氧速率一般在发酵反应的60 80小时达到峰值 在200小时左右时进入初步稳定阶段 耗氧速率变化缓慢 堆肥过程适宜的氧浓度为14 17 最低不应低于10 好氧堆肥供氧方式有翻堆通风 风机供风 插入风管通风等 4碳氮比 微生物每利用30份碳就需要1份氮 故初始物料的碳氮比为30 1合乎堆肥需要 其最佳值在26 1 35 1之间 成品堆肥的适宜碳氮比为10 1 20 1之间 各堆肥原料的C N比如下 锯末屑300 1000 秸杆70 100 垃圾50 80 人粪6 10 牛粪8 26 猪粪7 15 鸡粪5 10 下水生污泥5 15 活性污泥5 8 因此 当用秸杆 垃圾进行堆肥时 需添加低C N比废物或加入氮肥 以使C N比调整到30以下 5温度 整个堆肥过程的较佳温度是35 55摄氏度 6pH 好氧堆肥初期 pH值一般可下降为5 6 尔后又开始上升 发酵完成前可达8 5 9 0 最终成品达到7 0 8 0 堆把过程对上述各影响因素 特别是耗氧速率 水分和有机物含量三项理论参数的控制特别重要 三 堆肥质量 一 堆肥的成分和养分堆肥质量包括适于农用的成分和养分 符合卫生要求的无害化和腐熟度 堆肥的成分和养分依其所用原料 工艺和堆制周期不同而有差异 二 堆肥的无害化 堆肥的无害化质量应从其中重金属含量和致病微生物的数量上进行考察 近年来 我国曾先后颁布了 农用污泥中污染物控制标准 GB4284 城镇垃圾农用控制标准 GB8172 87 以及包括 高温堆肥的卫生标淮 在内的 粪便无害化卫生标准 GB7959 87 三 堆肥的腐熟度 1腐熟度概念堆肥的腐熟度是指成品堆肥的稳定程度 2腐熟度评定方法 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 2 淀粉测试法 淀粉测试法的理论依据是在正常的发酵过程中 堆肥的淀粉量随时间增加而减少 一般当发酵到达第4 5周时 淀粉绝大部分分解 在最终成品堆肥中 淀粉应全部消失 测定方法是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 适于现场检测用 3 耗氧速率法 测定方法采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 通过仪器自动显示堆层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情况 用氧速率作为堆肥腐熟程度的评定依据 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 四 堆肥的农业效用 一 堆肥的改土作用1 增加土壤有机质2 改善土壤结构3 提高土壤功能4 促进植物根系增长 二 堆肥的增产作用 三 堆肥农用的不利因素堆肥中N P K混合含量一般不高 很少有达到3 的 因此 不应将其等同于传统的农家肥 而只能将其作为 土壤改良剂 或 土壤调节剂 对待 农田大量施用堆肥 土壤中可能富集有害元素 堆肥设备投资大 成品的成本偏高 其竞争力敌不过商品化肥 因而影响到堆肥方法的普及推广 讨论 堆肥工艺的影响因素有那些 各个因素的一般要求有哪些 作业 1 某固体废物含可燃物63 水分20 灰分17 固体废物的元素分析数据为C30 H5 O23 N4 S1 水分20 灰分17 假设 1 固体废物的粗热值为12640kJ kg 2 炉内残渣含碳量为5 残渣离开炉子的温度为660 室外温度25 残渣的比热为0 325KJ Kg 3 水的汽化潜热为2420kJ kg 4 辐射热损失占了0 5 5 碳的热值为32566kJ kg 试计算这种废物热值可利用效率 2 人粪80kg 含总固体量18 猪粪100kg 含总固体量25 稻草95kg 含总固体量88 将其配制成总固体含量为5 的发酵料浆 需加多少水 3 假设在一温度为225 的管式焚烧炉中分解纯二乙基过氧化物 进入焚烧炉的流速为13 5L s 在225 的速度常数为38 3s 1 欲使二乙基过氧化物的分解率达到99 99 炉的内径为7 0cm 求炉长为多少 第二节厌氧发酵制沼气 一 有机物的厌氧发酵过程厌氧发酵也称沼气发酵或甲烷发酵 是指有机物在厌氧细菌作用下转化为甲烷 或称沼气 的过程 有机物厌氧发酵依次分为液化 产酸 产甲烷三个阶段 每一阶段各有其独特的微生物类群起作用 二 发酵原料 堆肥原料都可以作沼气发酵原料 一 常见沼气发酵原料的理论产气量计算沼气发酵原料的理论产气量 可先分别测定每种发酵原料中碳水化合物 蛋白质 脂类化合物的含量 然后依据下式计算甲烷的产量 E 二 原料的产气率和甲烷含量 沼气发酵原料产生率是指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量 我国通常用原料所含总固体 TS 的量作原料单位表示原料的产气量 三 原料的总固体百分含量和总固体量 原料总固体包括挥发性固体和灰分 在挥发性固体中 含有原料可转化成甲烷的有机物 因此 用原料的挥发性固体的重量作原料计量单位所表示的原料产气率更为准确 挥发性固体的含量可用发酵原料总固体中挥发性固体的百分含量或者发酵原料中的挥发性固体含量表示 它们可按下列各式计算 四 原料的碳氮比 厌氧发酵原料的适宜碳氮比为20 1 30 1 碳氮比达到35 1时 产气量明显下降 三 发酵工艺和影响发酵的因素 一 发酵工艺1自然温度半批量投料发酵工艺这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化 所用原料主要是秸秆和粪便 采用半批量方式投料 2自然温度连续投料发酵工艺这种工艺是在自然温度条件下 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包括进料浓度 水力滞留时间 发酵温度 二 影响发酵的因素 1温度低温发酵 温度随气候变化 大多处于20 以下 产气量不高 不易达到杀灭病原微生物的目的 中温发酵 发酵液温度控制在37 左右 这是甲烷菌的第一个最佳活性温区 高温发酵 发酵液温度控制在53 左右 此时是甲烷菌的第二个最佳活性温区 2pH值甲烷菌要求的pH值范围