固体废物处理与处置(好氧堆肥).ppt

第五章固体废物的生物处理 固体废物的生物处理是指直接或间接利用生物体的机能 对固体废物的某些组成进行转化以降低或消除污染物产生的生产工艺 或者能够高效净化环境污染 同时又生产有用物质的工程技术 第一节固体废物的好氧堆肥处理 一 堆肥化的定义与分类堆肥化 Composting 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 Biostablization 的过程 具体讲就是依靠自然界广泛分布的细菌 放线菌 真菌等微生物 在一定的人工条件下 有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程 其实质是一种发酵过程 废物经过堆肥化处理 制得的成品叫做堆肥 Compost 它是一类棕色的 泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质 故也称为 腐殖土 分类 根据堆肥化过程中氧气的供应情况可以把堆肥化过程分成两种 1 好氧堆肥 高温堆肥 在通气条件好 氧气充足的条件下通过好氧微生物的代谢活动降解有机物 特点 一般在55 60 时比较好 有时可高达80 90 堆制周期短 也称为高温堆肥或高温快速堆肥 2 厌氧堆肥 是在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥 特点 堆制温度低 工艺较简单 成品堆肥中氮素保留比较多 但堆制周期较长 需3 12个月 异味浓烈 分解不够充分 二 好氧堆肥原理 1 好氧堆肥过程 堆肥有机物分解过程图 堆制初期 15 45 嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖 温度不断上升 此阶段以中温 需氧型微生物为主 如一些无芽孢细菌 真菌和放线菌 在目前的堆肥化设备中 此阶段一般在12小时以内 1 潜伏阶段 2 中温阶段 产热或起始阶段 指堆肥开始微生物适应新环境的过程 也即驯化过程 45 以上 嗜热性微生物为主 复杂的有机物如半纤维素 纤维素和蛋白质等开始被强烈分解 50 左右主要是嗜热性真菌和放线菌 60 时 几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动 70 以上大多数嗜热性微生物不适应 大批死亡 休眠 大多数微生物在45 65 范围内最活跃 所以最佳温度一般为55 最易分解有机物 病原菌和寄生虫大多数可被杀死 2 高温阶段 微生物活性示意图 1 微生物活性2 O2利用率 0 时间 对数增长期 减速增长期 内源呼吸期 微生物在高温阶段的生长过程细分为 对数生长期 减速生长期和内源呼吸期 此后 堆积层内开始发生腐殖质的形成过程 在内源呼吸后期 只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质 此时微生物的活性下降 发热量减少 温度下降 嗜温性微生物又占优势 腐殖质不断增多且稳定化 堆肥进入腐熟阶段 需氧量和含水量降低 降温后 需氧量大大减少 含水率也降低 堆肥物孔隙增大 氧扩散能力增强 此时只须自然通风 最终使堆肥稳定 完成堆肥过程 3 腐熟阶段 降温阶段 2 好氧堆肥化反应机理 有机物的氧化不含氮的有机物 CxHyOz CxHyOz x 1 2y 1 2z O2 xCO2 1 2yH2O 能量含氮的有机物 CsHtNuOv aH2O CsHtNuOv aH2O bO2 CwHxNyOz cH2O 堆肥 dH2O 气 eH2O 液 fCO2 gNH3 能量由于氧化分解减量化所以堆肥成品 CwHxNyOz cH2O 与堆肥原料 CsHtNuOv aH2O 之比为0 3 0 5 通常可取如下数值范围 w 5 10 x 7 17 y 1 z 2 8 细胞物质的合成 包括有机物的氧化以NH3为氮源 n CxHyOz NH3 nx ny 4 nz 2 5x O2 C5H7NO2 细胞质 nx 5 CO2 1 2 ny 4 H2O 能量 细胞物质的氧化C5H7NO2 细胞质 5O2 5CO2 2H2O NH3 能量 好氧堆肥化能提供杀灭病原体所需要的热量 病原体 细胞的热死主要是由于酶的热灭活所致 其依据的理论主要是热灭活理论 热灭活有关理论指出 1 温度超过一定范围时 酶的活性将明显降低 大部分将呈变性 灭活 型 细胞会失去功能而死亡 2 热灭活作用是温度与时间两者的函数 即经历高温短时间或者低温长时间同样有效 如下表所示 3 在低温下 灭活是可逆的 而在高温下 则是不可逆的 实际因素会限制热灭活效率 所以实际操作时 堆肥无害化温度 时间条件要比理论上更高一些 即在较高的温度维持较长时间 才能达到无害化要求 3 堆肥无害化的机理 热灭活理论 1 来源和作用 有机废物里面固有的 人工加入的特殊菌种 在一定条件下对某些有机物废物具有较强的分解能力 活性强 繁殖快 分解力强 能加速反应进程 缩短反应时间 2 种类 细菌 形体最小 数量最多 分解大部分的有机物并产生热量 放线菌 分解纤维素 木质素 角质素和蛋白质等复杂有机物 散发泥土气息 如树皮报纸等硬物 真菌 在堆肥后期与细菌竞争食物 更耐低温 部分真菌需氮比细菌低 能够分解木质素 细菌则不能 微型生物 如轮虫 线虫 跳虫 潮虫 甲虫和蚯蚓 在堆肥中移动和吞食 消纳部分有机废物 增大表面积 并促进微生物的生命活动 4 堆肥微生物 5 影响堆肥化的因素 1 化学因素 C N和C P比 初始物料的C N比在30 1较好 最佳为25 1 35 1 C P比在75 150为宜 为保证成品肥料中的C N比为10 20 1 初始原料的一般C N比都高于最佳值 多为35 1 氧浓度 适宜的氧浓度为18 最低不应小于8 营养元素 足够的K和微量元素对于微生物的新陈代谢是必须的 一般它们不是限制条件 pH值 堆肥微生物最佳的pH 5 5 8 5 2 物理因素 温度 一般认为最佳温度在50 65 之间 颗粒尺寸 适宜的粒径范围是12 60mm 含水率 堆肥原料的最佳含水率通常是在50 60 三 堆肥的基本工序 1 前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时 包括破碎 分选 筛分等工序 以家畜粪便 污泥等为堆肥原料时 主要任务是调整水分和碳氮比 或者添加菌种和酶制剂 以促进发酵过程正常或快速进行 2 主发酵 一次发酵 将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段 称为主发酵阶段 或主发酵期 堆肥过程的中温阶段和高温阶段 时间约4 12天 3 后发酵 二次发酵 将主发酵尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解 使之变成腐殖酸 氨基酸等较稳定的有机物 得到完全成熟的堆肥制品 也称为熟化阶段 堆肥过程的腐熟阶段 发酵时间通常在20 30天以上 4 后处理分选以去除杂物 并根据需要再破碎 5 脱臭化学除臭剂除臭 碱水和水溶液过滤 熟堆肥或活性炭 沸石等吸附剂过滤 例 土壤过滤器 6 贮存堆肥一般在春秋两季使用 夏冬两季生产的堆肥只能贮存 所以要建立可贮存6个月生产量的库房 贮存方式可直接堆存在二次发酵仓中或袋装 要求干燥而透气 四 堆肥系统及主要技术环节 不同堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段的不同 堆肥化系统有多种分类方法 按堆制方式可分为间歇堆积法和连续堆积法 按需氧程度分为有好氧堆肥和厌氧堆肥 按温度分为有中温堆肥和高温堆肥 按技术分为有露天堆肥 野积式堆肥 和机械密封堆肥 工厂化机械堆肥 按原料发酵所处状态分为静态发酵法和动态发酵法 1 条垛式系统将堆肥物料以条垛式条堆状堆置 在好氧条件下进行发酵 垛的断面可以是梯形 不规则四边形或三角形 条垛式堆肥的特点是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态 条垛式堆肥一次发酵周期为1 3个月 该堆肥过程由预处理 建堆 翻堆和储存4个工序组成 常见的堆肥系统有条垛式 强制通风静态垛系统和反应器系统 优缺点优点 所需设备简单 投资相对较低 翻堆使堆肥易于干燥 填充剂易于筛分和回用 产品的稳定性相对较好 缺点 占地面积大 堆腐周期长 需要大量的翻堆机械和人力 需要更频繁的监测 才能保证通气和温度要求 翻堆会造成臭味的散发 影响周围环境 运行操作受气候影响大 雨季会破坏堆体结构 冬季则使堆体热量大量散失 温度降低 2 强制通风静态垛系统 1 在条垛式堆肥系统上增加通风系统 就成为强制通风静态垛系统 它能更有效地确保高温和病原菌灭活 2 场地 场地的表面应结实 能迅速排走积水和渗滤液 3 通风系统 包括鼓风机和通风管路 通风管路 固定式通风系统的管路放于水泥沟槽中或平铺在水泥地面上 上铺木屑 刨花等空隙率较大的填充料 以便均匀布气 或完全靠水泥沟槽充当通风管路 移动式通风系统主要由简单的管道直接放在地面上构成 成本低 设计灵活 易于调整 通风方式 正压鼓风机或负压抽气 也可用二者组成的混合通风 通风的控制方式 一般常用温度或时间控制 在堆体中安装温度反馈系统 堆体内部温度超过60 时 鼓风机自动开始工作 排出堆料热量和水蒸汽 使堆体冷却下来 也可每隔15min 20min 具体时间根据实际情况确定 通风供氧 3 堆肥物料的特性 形状 物料呈粒状 松散状 尺寸 应均匀 一般为1 25cm左右 含水率 物料含水率应控制在55 左右 以避免物料空隙容积减少甚至压实 4 优缺点设备投资相对较低 与条跺式堆肥系统相比 温度及通风条件得到更好的控制 堆腐时间相对较短 一般为2 3周 产品稳定性好 能更有效的杀灭病原菌及控制臭味 占地也较少 受寒冷气候的影响较小 反应器堆肥系统是使堆肥物料在部分或全部密闭的反应器即发酵装置 如发酵仓 发酵塔等 内 控制通风和水分条件 使物料进行生物降解和转化 特点 在一个或几个容器内进行 机械化和自动化程度较高 堆肥基本步骤与其他两类系统相同 3 反应器系统 1 主要类型 立式发酵塔 由多层平面构成 进料口在反应器的上部 物料先进入第一层 然后一层层被向下推移 在各层之间可以有不同的时间停留 通过搅拌使堆料均匀 最后堆料进入最底层 从出料口运走 整个堆腐过程中进料和出料是连续的 通气管道位于反应器的下部 由许多支管组成 外连鼓风机 在反应器的上部设有一废气口 产生的臭气可以统一收集处理 常见的立式发酵塔结构示意图 包裹仓式混匀的物料从发酵仓顶部进入并充满反应器 占据整个发酵仓 具有分支管路的通气管道在发酵仓底部 废气由反应器上部的废气管道排出 出口略低于混合物的上表面 通过抽气的方式把废气收集处理 进料和出料可以是间歇的或连续式的 产品由反应器的下部出口运走 物料在反应器的移动以推流式方式进行 旋转仓式根据物料在反应器内的移动方式又分为 a 推流式 物料从仓体的进料口进入 沿仓体移动到反应器末端的出料口 物料通过发酵仓的旋转翻滚而达到混合 空气可以采用正压和负压方式通过流程中的一系列喷口进行分配 通过对温度的监测来调节堆肥过程中的通气量 这是迄今为止最普遍被采用的发酵仓系统 b 分割式 沿物料流动方向 反应器被分为一个个小室 在不同的室内 物料可以进行不同时间 不同堆腐条件的堆腐 物料从一室移入另一个室 最后进入出料口被移走 物料的移动通过一条条传送带进行 在每个小室中 物料通过旋转破碎机械设备而破碎混合 2 反应器系统的优缺点优点 设备占地面积小 能进行很好的过程控制 堆肥过程不受气候条件的影响 可对废气进行统一收集处理 防止环境的二次污染 可对热量进行回收利用 缺点 堆肥的投资和运行 维护费用很高 堆肥周期较短 堆肥产品会有潜在的不稳定性 堆肥的后熟期相对延长 由于机械化程度高 一旦设备出现问题 堆肥过程即受影响 五 堆肥的过程控制 1 关于堆肥中的有机物问题 1 有机物含量 最适为20 80 过低产热不足 过高则供氧不足 2 调整堆肥原料的有机物组分的方法 对堆肥原料进行预处理 将有机物含量提高至50 以上 含污泥的堆料的挥发性固体含量应大于50 发酵前在堆肥原料中掺入一定比例的稀粪 城市污水 污泥 畜粪等 城市垃圾 粪稀 农业秸秆 畜禽 城市污泥 草炭或锯末 城市生活垃圾和污泥混合堆肥 通常污泥作调理剂 一般原污泥中含有较高的挥发性物质 指单位干重固体在马福炉中550 灼烧损失的部分 直接堆肥较好 2 堆肥过程的C N比控制 作用 保证成品堆肥中一定的碳氮比 一般为10 20 1 和堆肥中使分解速度有序地进行 1 适宜的C N比范围 25 35 1时发酵过程最快 过低 20 1 微生物的繁殖会因能量不足受到抑制 导致分解缓慢且不彻底 另外 由于可供消耗的碳素少 氮素相对过剩 将变成氨气挥发 降低肥效 过高 40 1 则堆肥施入土壤后 将会发生夺取土壤中氮素的现象 产生 氮饥饿 状态 对作物生长产生不良影响 2 堆肥原料C N比调整的方法 3 堆肥中全氮 全碳的测定方法全氮的测定用凯氏法 全碳用重铬酸钾法 1 堆肥中水分的作用 溶解有机物 参与微生物的新陈代谢 调解堆肥温度 2 水分的调整方法 最佳含水率为50 60 按质量计 水分过多 易造成厌氧状态 并会产生渗滤液的处理问题 水分低于40 时 微生物活性降低 堆肥温度随之下降 条垛式系统和反应器系统 65 强制通风静态垛系统 60 所有系统水分均应 40 水分较低时 可加水或含水率高的添加剂 过高时 则可摊开晾干或添加松散吸水物 3 测定水分的方法105 5 下 2 6h 测定物料的失重 3 堆肥过程的水分 含水率 控制 4 堆肥过程的温度控制 温度是微生物活动剧烈程度的最好参数 1 温度的作用 影响微生物的生长 高温菌的理想温度为50 65 堆肥的最佳温度为55 60 无害化的要求 反应器和强制通风静态垛系统 堆体内部温度大于55 的时间必须达3天 对于条垛系统 堆体内部温度大于55 的时间至少为15天 2 控制方法 温度 供气反馈系统 定期翻堆 1 通风的作用 供氧 调温 去水分 2 通风供氧方式 自然扩散 翻堆 强制通风 翻堆和强制通风结合的方式 被动通风 3 控制方式 理论方式 时间控制 温度反馈控制 静态垛60 O2和CO2含量反馈控制 反应器堆料O2体积分数为15 20 实际运行时的评价方法 排气中O2和CO2含量控制 最佳排气O2浓度为14 17 CO2的体积浓度应为3 6 5 通风的过程控制 一般pH值在7 5 8 5时 可获得最大堆肥速率 最终的堆肥产品pH值基本在7 5左右 可通过添加中和剂如石灰 磷酸盐 钾盐等来改变pH值 但通常堆肥可通过自身调节 如无特殊情况 一般不必调整pH值 若pH值降低 可通过逐步增强通风来补救 6 堆肥过程的pH值控制 六 堆肥的质量控制指标 1 发酵周期与堆肥腐熟度的概念 1 发酵周期指固体废物经好氧发酵过程由原材料成为稳定无害的堆肥产品所需要的时间 堆肥发酵周期的长短是评价堆肥工艺好坏的一个重要指标 碳氮比 通风量 温度和水分等是否处于最佳条件均能使发酵周期受到直接影响 传统的静态堆肥法 依靠自然通风和翻堆来实现好氧堆肥的全过程 因此 发酵周期需时2 3个月 有时甚至长达半年 而目前一些高效快速动态堆肥技术 可使堆肥发酵周期控制在7d以内 有的一次发酵时间仅需2 3d 堆肥腐熟度是指成品堆肥的稳定程度 在工程上 它是衡量堆肥反应完成的信号 在农业上 它是堆肥质量的指标 腐熟度的基本含义是 1 通过微生物的作用 堆肥的产品要达到稳定化 无害化 亦即不对环境产生不良影响 2 堆肥产品的使用不影响作物的成长和土壤耕作能力 2 堆肥腐熟度 2 评估成熟堆肥的常用方法 指标和参数 1 表观鉴别法 物理 温度 与环境温度趋于一致 不再有明显变化 气味 具有潮湿泥土的气味 颜色 黑褐色或黑色 质地 质地疏松 手捏之成团 松之即散 草茎树叶之类用手一拉即断 2 化学方法 碳氮比a 堆肥的固相C N值从初始的25 30 1降低到15 20 1以下 b T 终点C N 初始C N 0 6 氮化合物随着堆肥化过程进行 氨态氮 NH4 N 和硝态氮 NO3 N 完全腐熟的堆肥 氮基本上以硝酸盐形式存在 未腐熟的堆肥则含氨 而基本不含硝酸盐 目前尚未得出一个具体指标 只能相对比较 有机化合物在堆肥过程中 糖类首先消失 接着是淀粉 最后是纤维素 纤维素 半纤维素 脂类等经过成功的堆肥过程 可降解50 80 蔗糖和淀粉的利用接近100 一般认为 淀粉的消失是堆肥腐熟的标志 且它可用淀粉点状检测器来检测 但是 堆肥物料中淀粉的存在并不多 被检测的也只是物料中可腐烂物质的一部分 所以完全腐熟的 稳定的堆肥产品 以检不出淀粉为基本条件 但是检不出淀粉并不一定表示堆肥已腐熟 腐殖质 用NaOH提取的腐殖质 HS 可分为胡敏酸 HA 富里酸 FA 及未腐殖化的组分 NHF 堆肥开始时一般含有较高的非腐殖质成分及FA 较低的HA 随着堆肥过程的进行 FA保持不变或稍有减少 而HA大量产生 成为腐殖质的主要部分 一些腐殖质参数相继被提出 如腐殖化指数 HI HI HA FA 腐殖化率 HR HR HA FA NHF 当HI值达到3 HR达到1 35时堆肥已腐熟 3