固体废物的处理与处置.ppt

固体废物的处理与处置TrentmentandDisposalofsolidwaste 2 第八章生物处理技术 第一节概述第二节固体废物堆肥化技术第三节固体废物厌氧消化 3 知识点 固体废物的生物处理技术基本方法及一般原理 堆肥化处理技术的生物机理 工艺流程原理 堆肥产品质量控制标准与平定方法 厌氧消化技术原理 厌氧消化器选型及结构设计 厌氧消化产物与利用 重点 好氧中高温堆肥化工艺原理与过程控制技术和方法 厌氧消化处理的技术原理 生物化学机理 难点 生物转化 或生物代谢 动力学和厌氧消化器结构设计参数选择与计算 4 第一节概述定义 固体废物生物处理技术的实质是生物转化技术 它是指人类通过各种手段 利用微生物所具有的巨大的氧化分解有机物并使之转化为无机物的生物能 实现可降解固体有机物的稳定化 资源化和减量化 5 好氧生物处理法 在供氧条件下 利用好氧微生物新陈代谢 使固体有机物降解 转化成相对低能位 低分子量物质而稳定下来 同时放出热量 减量化和无害化效果明显 厌氧生物处理法 是在没有游离氧情况下 利用厌氧微生物新陈代谢作用使固体有机质降解 转化成简单 稳定的化合物 同时放出能量 其中大部分能量以CH4的形式出现 仅少部分有机物转化成新的细胞质组分 减量化和资源化效果明显 6 意义 对固体废物进行消纳处理 实现可降解有机固废的三化 促进人类社会与自然界物质循环 改良土壤 保护农田 回收沼气 生产堆肥 合成微生物蛋白质和葡萄糖等 前景 城市生活垃圾 淤泥 人畜粪便和农业秸杆等固体废物中含有丰富的生物固体有机物 来源广泛 数量庞大 在当前世界性自然资源和能源严重短缺情况下 开发固体废物生物处理技术 回收和利用固体废物中所蕴含的大量有用物质及能源意义深远 前景广阔 7 第二节固体废物堆肥化技术一 基本概念二 原料来源及质量控制三 堆肥化原理四 堆肥化工艺五 堆肥化设备六 堆肥化过程技术参数及控制七 堆肥腐熟度及其质量标准 8 一 堆肥化 composting 定义 毕振明 娄性义 是在人工控制的条件下 使来源于生物的有机固体废物进行生物稳定作用 Biostablization 的过程 9 聂永丰 依靠自然界中广泛分布的细菌 放线菌 真菌等微生物 人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化的微生物学过程 欧 美 在有控制的条件下 微生物对固体 半固体有机物的好氧中温或高温分解 并产生稳定的腐殖质的过程 区别于简易好氧或厌氧堆肥 10 堆肥化包含四层含义 堆肥化的原料是来自生物的固体有机物 Bio mass 堆肥化过程是在人工控制条件下进行 作用的主体是微生物 作用的过程是生物化学过程 产物是稳定的腐殖 11 堆肥的效能与作用 堆肥 是有机固体废物经过堆肥化处理得到的成品 或产品 主要由疏松多孔的腐殖质组成 堆肥中的腐殖质可改善土壤的物理 化学和生物特性 增进化肥肥效 保持土壤环境适于农作物的良好状态 12 使土质松软 多孔 增加保水性 透气性及渗水性 改善土壤的物性 由于腐殖质带阳电荷 有助于吸附和粘住化肥中氮 钾 铵等阳离子 保持土壤养分 提高肥力 腐殖质与酸性土壤中的活性铝等结合 或螯合 后能抑制活性铝与磷酸结合 并促进有机质分解和氮肥等养分供应 减轻施肥过程 以及气候等条件恶化对农作物的影响 起缓冲作用 堆肥中的氮肥几乎都是以蛋白质的形式存在 要经过氮微生物分解或硝酸盐氮后方能被植物吸收 故可保持土壤长期肥力而不对农作物产生损害 有助于促进植物根系发育及生长 并可提供CO2 13 使用堆肥应注意事项 成熟的堆肥富有活的微生物 其耗氧量虽然比未成熟堆肥要少 仍易成为厌氧状态 所以在使用时需要充分注意 用于农田施肥时 不要将堆肥埋起来 最好让其在土壤表面暴露于空气中 新鲜堆肥宜用作底肥 粗堆肥最好用于粘质 淤泥和结板的土壤 细堆肥用于干燥 疏散及多沙的土壤 城市垃圾堆肥C N比大 即含氮量低 最好和氮肥配合使用 以免出现土壤的 氮饥饿 现象 堆肥不应装在密封的袋里搬运或保存 必要时 在袋上开空气流通口 14 二 原料来源及质量控制来源 可用作堆肥化处理的废物种类很多 来源广泛 如城市生活垃圾 农业秸杆 锯末 树皮 污泥及厌氧发酵残渣等 目前 我国堆肥化原料主要是两类 生活垃圾 粪便或生活垃圾 生活污泥 农业秸杆 粪便 15 质量控制A 密度 容重 适于堆肥的垃圾密度为350 650kg m3 B 组分 湿质 有机物 20 并按照易腐物 动物性 植物性 灰渣 15mm称渣砾 15mm为灰土 和废品 纸类 布类 塑料 金属 玻璃 分别统计用于堆肥化处理的城市生活垃圾组成成分 C 含水率 适合堆肥的垃圾含水率为40 60 D 碳 氮比 C N 适合堆肥的C N比为20 1 30 1 E 粒度 适合堆肥的物料粒度为12 60mm 蔬菜类易腐废物尺寸可略大一些 16 三 好氧堆肥化机理好氧堆肥是在通风条件下和有游离氧存在情况下 依靠好氧微生物 即好氧细菌 的分解发酵作用下进行的 如果将废物中的有机物用CaHbOcNd表示 堆肥产品 难降解抗性有机物 的有机质用CwHxOyNz表示 则好氧分解代谢过程可表示为 CaHbOcNd 0 5 ny 2s r c O2 nCwHxOyNz dH2O 气 fH2O 液 sCO2 d nx NH3 17 堆肥化过程通常都是根据堆层温度变化为主要标志 将堆肥化过程分为下列若干段 A 潜伏阶段 又称驯化阶段 是堆肥中的微生物适应新环境 在优胜劣汰中驯化 形成优势菌群的过程 B 中温阶段 堆肥初期 堆层基本呈中温 嗜温性微生物较为活跃 并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖 C 高温阶段 当肥堆温度上升到45 以上时 即进入高温阶段 D 腐熟阶段 在内源呼吸后期 只剩下部分难分解的有机物和新形成的腐殖质 此时微生物活性下降 发热量减少 温度下降 18 A 前处理 分选 破碎 调质 配料 菌种驯化 投放及投加酶制剂 有机调理剂及膨胀剂等 以利于发酵过程正常进行 B 主发酵 是由温度升高到开始降低为止的发酵过程 C 后发酵 是指将经主发酵的半成品中尚未分解的有机质分解变为腐殖质 氨基酸等比较稳定的有机物和完全腐熟的堆肥产品过程 D 后处理 包括分选除杂志 除臭和精制过程等 E 精制 根据用途和需要破碎 添加N P K等添加剂生产复合肥 或固化造粒等 F 贮存 净化后的散装堆肥产品可以直接销售给客户 或者进行贮存 四 堆肥化工艺流程 19 堆肥化技术分类根据堆肥化工艺技术发展演化历史及工艺特点分类如下 厌氧堆肥化 好氧堆肥化 露天 敞开 式堆肥化 封闭式堆肥化 无发酵袋置堆肥化 有发酵袋置堆肥化 人工土法堆肥化 机械化堆肥化 静态发酵堆肥化 动态 机械化 发酵化 20 根据堆肥化过程中通风方式可进一步分为 搅拌翻堆条垛式堆肥工艺特点 物料以条垛状堆置并排成多条平行垛 通风方式通过翻动垛来实现 生产效率高 成本低 但占地面积大 周期 一次发酵周期约3 4周 强制通风式固定垛发酵工艺特点 物料堆肥化过程不进行翻堆 氧气的供给是通过机械抽风使空气渗透到料堆内部来实现 其主要优点是占地面积小 生产效率高 周围环境好 操作管理方便 但堆肥成本相对较高 周期 一次发酵停存周期一般为三周 21 五 堆肥设备堆肥化设备按照堆肥化工艺流程包括 进料供料设备 预处理设备 一次发酵设备 二次发酵设备 后处理设备 产品精加工设备等 供料设备 地磅称 贮料仓 进料斗 起重机等 预处理设备 破包机 撕碎机 分选机 混合搅拌机等 发酵设备 一次发酵设备 二次发酵设备等 后处理设备 筛选机 烘干造粒机 配肥 包装机等 其它设备 脱臭装置 污水导排与处理装置 配电与控制装置 22 六 堆肥化过程技术参数及控制1 通风作用及其控制2 含水率及其控制3 仓内温度及其控制4 有机质含量5 颗粒度6 碳氮比 C N 7 碳磷比8 pH值 23 通风作用及其控制作用 维持好氧微生物的生物活性 带走水蒸气 干化物料 调节发酵仓内堆层的温度等 A 堆肥化过程需氧量计算 见下一页 B 通风方法及控制主要方式 自然通风 堆层内置通风管 机械翻堆通风 强制通风等控制方法 利用需氧量与堆肥物料水分和堆层温度密切相关性 通常用堆层温度变化来控制通风量 利用耗氧速率 或氧的吸收率 可作为衡量堆层内生物氧化作用及有机质分解程度指示剂的特点 在机械化连续堆肥中 利用排气中氧的含量或CO2含量变化 与发酵仓内氧的浓度和吸收率有相关性 控制通风量 排气中适宜的体积浓度控制标准为14 17 24 堆肥化过程需氧量计算 根据堆肥化过程有机物氧化分解下列反应式推算理论氧化分解需氧量 进而折算出理论空气量 CsHtNuOi aH2O bO2 CwHxNyOz cH2O dH2O 气 eH2O 液 fCO2 gNH3 Q 其中w 5 10 x 7 17 y 1 z 2 8 根据下列化学计算式推算理论需氧量 考虑降解效率n时 CaHbNcOd 0 5 Nz 2s r d O2 nCwHxNyOz sCO2 rH2O c ny NH3 其中n为降解效率 其摩尔转化率 1 即堆肥需氧量V 0 5 Nz 2s r d 32kmolr 0 5 b nx 3 c ny s a nwn 堆肥化产品重量 堆肥产品千摩尔质量 kg 经验法 通常为理论空气量二倍以上 静态堆肥中取0 05 0 2M3 min m3 在动态堆肥化中则需做生产性试验确定 25 含水率及其控制微生物只能摄取溶解性养料 微生物体内的水 80 和流动状态的水是微生物生化反应的介质 并影响堆肥发酵速度和腐熟程度 有资料显示 当物料中含水率 12 时 微生物将停止繁殖 因此含水率也是好氧堆肥化关键工艺条件之一 并对通风等其它工艺技术参数产生影响 极限含水量 又称最大含水量 是指从透气性角度出发 将固体粒子内部细孔被水填满时的含水率称之 城市垃圾最大含水率65 其中煤渣45 1 菜皮92 0 厚纸板65 5 报纸74 4 破布74 3 碎砖瓦15 9 玻璃1 1 塑料5 7 金属1 1 临界水分 是指堆肥化过程中既考虑微生物活性需要 又考虑到保持物料孔隙率和透气性需要的综合指标 当含水率 65 时 水分将充满物粒间隙 堆层内空气量降低 由好氧状态向厌氧转化 温度剧降 并产生恶臭气体 26 含水率调节与控制 回流物料平衡法湿料平衡Xc Xr Xm 料仓内混合物料总湿重 干料平衡ScXc SrXr SmXm Sm料仓内混合物料含固量 湿重回流比Rw Xr Xc Sm Sc Sr Sm 干重回流比Rd SrXr ScXc Sm Sc 1 1 Sm Sr 掺加调理剂 干调理剂锯末 湿调理剂污泥或粪便等 适宜的含水率范围是45 60 以55 为最佳 因为临界水分与物料有机质含量有关 当有机质含量 50 时 临界水分45 50 当有机物含量达到60 时 临界水分为60 27 含水率与干化关系在混合进料时 单位质量可降解有机物中的水分质量为w 当w 10时 堆肥化过程中所产生的能量 热 足以提供堆肥化或全部干化所需 当w 10时 则堆肥温度较低而减弱预期干化条件 这时 必须限制干化程度以减轻蒸发负荷 使堆肥化过程得以正常进行 28 仓内温度及其控制温度决定着微生物活性大小和堆肥化进程快慢 同样是好氧堆肥化重要工艺技术参数之一 温度太低 不仅不利于有机质氧化分解和微生物新陈代谢 而且也达不到热灭活 即高温杀灭虫卵 病原菌和寄生虫等 的无害化要求 故一般采用好氧高温堆肥 但是 当温度超过70 时 堆肥中的放线菌等有益细菌 存活于植物根部周围使植物茁壮成长 将被杀灭 孢子量不活动状态 分解速度减慢 故堆肥化适宜温度为55 60 发酵仓内温度变化与发酵装置 保温条件和通风供氧量有关 所以在实际工作中通常由温度 通风反馈系统来实现堆层温度的自动控制 大量试验和经验数据表明 一次发酵平均通风量选择0 2m3 min m3 较为适宜 29 有机质含量 堆肥化原料中的有机质含量高低对堆层温度和通风量均有影响 有机质含量太低 分解所产生的热量不足以维持堆肥化所需热灭活温度 且影响堆肥成品质量 有机质含量太高则给通风供养带来困难 易出现厌氧状态 适宜的有机质含量为20 80 颗粒度颗粒度影响堆层空隙率和透气性 物料颗粒的平均适宜粒度为12 60mm 并随垃圾物性变化而变化 纸类 含纸板 的破碎粒度为3 8 5 0cm 材质较硬者的粒度要求小一些 0 5 1 0cm 厨房食品垃圾为主的废物破碎尺寸可大一些 以免破碎成浆状影响透气性 30 碳氮比 C N比 在堆肥过程中 大部分碳源被微生物代谢分解成CO2排入大气 少部分碳成细胞膜 而氮则主要消耗在细胞原生质合成并留于系统中 因此 对于微生物营养需求而言 C N比是影响微生物生长活性的最主要营养因素 微生物体本身的C N4 30 干重比 用作营养的C N比最好在此范围内 C N比10左右 有机物被微生物分解速率最大 C N太低 多余的氮将以氨的形式逸散并污染环境 C N比太高 微生物繁殖受到氮源限制而使有机质分解不完全 影响最终的分解效率或降解效率 n值 31 碳磷比 C P比 磷也是微生物繁殖和新陈代谢所必需的 对有机物发酵影响很大 堆肥化原料适宜的C P比为5 15 pH值堆肥化过程中堆层pH值随时间和温度变化而变化 pH值是揭示堆肥化分解过程的一个极好标志 最初阶段由于有机酸产生 pH值回降低到以下 随后 随着有机酸被逐渐分解 pH值逐渐上升到8左右 一般认为pH 7 5 8 5时堆肥化效率最高 32 七 堆肥腐熟度及其质量控制定义 指堆肥中有机质因氧化分解而稳定化程度称作堆肥腐熟度 基本含义 堆肥产品达到稳定化 无害化程度 即对环境不产生不良影响 堆肥产品使用不影响农作物的生长和土壤的耕作能力 33 标准 直观标准 无激烈分解 低温 茶褐色或黑色 无恶臭 手感松软易碎 无明显纤维素和木质结构等 化学标准 包括堆肥中的COD Vs 淀粉和纤维素 碳氧比 凝胶色谱 氧化还原电位 碱性基本交换量 硝酸氨等 工艺参数标准 包括堆层温度 水分物料平衡 耗氧速率等 34 堆肥腐熟度的检测方法 氨实验方法 完全腐熟的堆肥含有硝酸氮和少量氨氮 未腐熟的堆肥则只含有氨氮而不含硝酸氮 根据这一特性 可利用特定的显色反应来测试堆肥样品中是否含有氨氮和硝酸氮 可由硝酸氮还原产生 从而判定堆肥是否腐熟及腐熟程度 耗氧速率方法 其基本原理是在一次发酵末期 好氧速率趋于平稳 堆温开始下降 二次发酵期间 耗氧速率变化不大 总体呈下降趋势 当堆肥稳定时相对耗氧速率基本稳定在0 02 O2 min左右 由此判断堆肥腐熟度 35 第三节固体废物厌氧消化一 概述二 厌氧消化生物化学机理三 厌氧消化工艺技术条件及控制四 厌氧消化处理的工艺流程五 厌氧消化反应器结构与设计 36 在断绝与空气接触的条件下 依赖兼性厌氧菌和专性厌氧菌的生物化学作用 对有机物进行生物降解的过程 称为厌氧生物处理法或厌氧消化法 厌氧生物处理法的处理对象是 高浓度有机工业废水 城镇污水的污泥 动植物残体及粪便等 一 固体废物厌氧消化概述 37 厌氧生物处理的方法和基本功能有二 1 酸发酵的目的是为进一步进行生物处理提供易生物降解的基质 2 甲烷发酵的目的是进一步降解有机物和生产气体燃料 38 定义 在人工控制的厌氧条件下 利用厌氧微生物将废物中可降解有机质分解转化成甲烷 二氧化碳和其它稳定物质的生物化学处理过程 历史 自然界中厌氧消化产沼现象发现于1630年 到二十世纪初厌氧消化产沼技术得以应用并发展 厌氧消化处理技术应用于固体废物处理始于英国 种类 根据厌氧消化处理的废物性质 或性状 分为 低固厌氧消化和高固厌氧消化 39 二 厌氧消化生物化学反应代谢方程1 总生化反应式 当有机物用CaHbOcNd表示时 其完全厌氧分解反应式为 2 碳水化合物分解代谢方程式 40 3 脂类化合物在厌氧消化原料中含量低 其代谢过程为 4 蛋白质类化合物在厌氧发酵原料中所占比例变化大 养殖场废物中有时高达20 其代谢过程为 41 厌氧消化代谢过程 理论 两阶段理论 按生化作用是否产气 将厌氧消化过程分为两个阶段 水解酸化阶段或产酸阶段 液化阶段 和产气阶段 即 三阶段理论 厌氧消化过程分为三阶段 分别由三个不同细菌菌群作用完成 42 四阶段论 认为厌氧消化过程可分为四个阶段并由四个独特性质的微生物菌群代谢完成 43 44 表9 1有机物厌氧消化过程 45 厌氧消化微生物不产甲烷菌 指厌氧消化过程中不直接参与甲烷生成反应的微生物统称 包括水解性细菌和产酸细菌等 其作用是 为产甲烷菌提供养分 为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件 为产甲烷菌消除部分有毒物质 和产甲烷菌一起 共同维持发酵的pH值 46 厌氧消化微生物产甲烷菌 隶属于原核生物 其主要生态特征有 严格厌氧 对氧和氧化剂非常敏感 宜于中性偏碱性环境条件下繁殖 菌体倍增时间长 4 5天才系列增殖1代 只能利用少数简单化合物作营养 但却都能利用分子氢作代谢能量 代谢最终产物是CH4和CO2 47 厌氧消化工艺技术条件 影响因素 1 厌氧条件 确保厌氧消化系统厌氧条件对于固体飞舞厌氧消化处理来说 至关重要 2 温度 在35 38 或50 65 范围内为佳 3 pH值 最佳pH值范围是7 8 4 营养素或养分 C N 15 30 1 P C 5 1 N NH3适宜 5 搅拌 一般情况下需要安装搅拌设备 6 添加剂与毒害物 添加剂有硫酸锌 磷矿粉 钢渣 碳酸钙 炉灰等 但超过发酵菌耐受度即成为毒害物 7 进料方式 通常采用批量进料 半连续进料和连续进料 8 发酵方式 通常有二相发酵 混合发酵两种 9 原料性状 可分为液体 固体和高浓度发酵三种 10 发酵装置 anaerobicdegester 分常规发酵装置和高效发酵装置两种 48 二 发酵的控制条件 以下重点讨论甲烷发酵的控制条件 一 营养与环境条件废水 污泥及废料中的有机物种类繁多 只要未达到抑制浓度 都可连续进行厌氧生物处理 对生物可降解性有机物的浓度并无严格限制 但若浓度太低 比耗热量高 经济上不合算 水力停留时间短 生物污泥易流失 难以实现稳定的运行 一般要求COD大于1000mg L COD N P 200 5 1 49 1 氧化还原电位 ORP或Eh 厌氧环境是厌氧消化过程赖以正常进行的最重要的条件 厌氧环境 主要以体系中的氧化还原电位来反映 一般情况下 氧的溶入无疑是引起发酵系统的氧化还原电位升高的最主要和最直接的原因 但是 除氧以外 其它一些氧化剂或氧化态物质的存在 如某些工业废水中含有的Fe3 Cr2O72 NO3 SO42 以及酸性废水中的H 等 同样能使体系中的氧化还原电位升高 当其浓度达到一定程度时 同样会危害厌氧消化过程的进行 50 高温厌氧消化系统适宜的氧化还原电位为 500 600mV 中温厌氧消化系统及浮动温度厌氧消化系统要求的氧化还原电位应低于 300 380mV 产酸细菌对氧化还原电位的要求不甚严格 甚至可在 100 100mV的兼性条件下生长繁殖 甲烷细菌最适宜的氧化还原电位为 350mV或更低 51 2 温度温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一 温度主要影响微生物的生化反应速度 因而与有机物的分解速率有关 工程上 中温消化温度为30 38 以33 35 为多 高温消化温度为50 55 厌氧消化对温度的突变也十分敏感 要求日变化小于 2 温度突变幅度太大 会招致系统的停止产气 52 3 pH值及酸碱度由于发酵系统中的CO2分压很高 20 3 40 5kPa 发酵液的实际pH值比在大气条件下的实测值为低 一般认为 实测值应在7 2 7 4之间为好 4 毒物凡对厌氧处理过程起抑制或毒害作用的物质 都可称为毒物 53 四 厌氧消化处理的工艺流程1 水压式沼气池工艺流程 2 浮罩式消化池工艺流程 3 两相式厌氧发酵工艺流程 4 中 高温厌氧发酵工艺流程 5 三级循环间歇式厌氧消化工艺流程 6 联合的高固体厌氧消化与好氧堆肥化工艺流程 下图 54 五 厌氧消化反应器结构与设计 55 一 化粪池和双层沉淀池 早期用于处理废水 化粪池是一个矩形密闭的池子 用隔墙分为两室或三室 各室之间用水下连接管接通 废水由一端进入 通过各室后由另