固体废弃物处理与处置课程教案.doc

固体废弃物处理与处置课程教案第九章 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单位：地理科学与环境科学系姓名：张海东第九章 可生化降解固体废物的处理与利用 教学目的和要求： 1使学生对生化法处理有机固体废物的理论和实践知识有一定的了解。2理解下列名词的含义：堆肥化、堆肥、一次发酵。3了解堆肥化系统分类方法，好氧法制堆肥原理、熟悉堆肥原料与堆肥微生物，好氧堆肥程序，影响好氧发酵过程的主要因素。本章重点：好氧堆肥原理，堆肥微生物，影响好氧发酵过程的主要因素本章难点：好氧堆肥工艺与装置，特别是丹诺法和浆叶式发酵塔教学时数：2学时教学方法：讲授教学手段：多媒体引入人类在长期的生产实践中，早已懂得利用秸秆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵制作肥料。但都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生物转化作用，发酵周期长，处理量小。上世纪20年代，出现了机械堆制技术，并逐渐发展成为处理生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便以及农林废物等的重要方法之一。第一节 好氧生物降解制堆肥一、堆肥化的概念以及发展历史1 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。实质上是利用污泥中的好氧微生物进行好氧发酵的过程。将污泥按一定比例与各种秸秆、稻草、锯末、树叶等植物残体，或者与草炭、粉煤灰、生活垃圾等混合，借助于混合微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。这一定义强调：（1）堆肥原料来自生物界； （2）堆制过程需在人工的控制下进行，； （3）堆制过程的实质是生物化学过程。堆肥 经过堆肥化处理，制得的成品。又称为“腐殖土”。2 堆肥化的发展历史 现代的堆肥方法是在上世纪初发展起来的，主要分为四个过程，每个过程以一种典型的装置为代表，做如下划分： 班加罗法(1925)：爱德华.霍华德首先进行。固定式固定床：Schweinfurt和Biel丹诺装置(Dano)：立流移动式搅拌发酵仓：Earp-Thomas法3堆肥的工艺类型按堆制方式分为：间歇堆积法和连续堆积法按原料发酵状态分为：静态发酵和动态发酵按需氧程度分为：好氧堆肥和厌氧堆肥二、堆肥的基本原理自然界有很多微生物具有氧化、分解有机物的能力，因此，利用微生物在一定温度、湿度和pH值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质的物质，用作肥料和改良土壤。1 好氧堆肥的基本原理好氧堆肥是在有氧的条件下、借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。生活垃圾中的溶解性有机质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由于生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，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为生物体所必须的营养物质，合成新的细胞物质。下图可以简单说明这个过程。细胞物质腐殖物质合成氧化堆肥有机物2微生物CO2、H2O、NH3、PO42-、SO42-+能量 好氧堆肥原理图（1）有机物的氧化不含氮有机物的氧化CxHyOz+(x+y/2z/2)O2 xCO2+y /2H2O+能量 (9-1)含氮有机物的氧化CsHtNuOvaH2O+bO2 CwHxNyOzcH2O(堆肥) +dH2O（气）+ eH2O（水）+fCO2+gNH3+能量 (9-2)（2）细胞质的合成n(CxHyOz)+ NH3 +(nx+ny/4-nz/2-5x)O2 C5H7NO2(细胞质) (nx-5)CO2+(ny-4)/2 H2O+能量 (9-3) （3）细胞质的氧化C5H7NO2(细胞质)5 O2 5CO2+2 H2O/2+NH3+能量 (9-4)2厌氧堆肥的基本原理厌氧堆肥是在无氧的条件下，借厌氧微生物（主要是厌氧菌）的作用来进行的。当有机物厌氧分解时，主要经历了两个阶段：酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。分解初期，微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢、磷化氢等。在这一阶段，有机酸大量积累，pH值逐渐下降；第二阶段在产甲烷细菌 作用下，有机酸和醇开始分解，产物主要是甲烷和二氧化碳。下图可以简单说明这个过程。细胞物质堆肥有机物2微生物CO2、H2O、NH3、PO42-、SO42-+能量细胞物质CO2、CH4+能量产酸阶段 产气阶段厌氧堆肥原理图三、堆肥原料与堆肥微生物1原料 堆肥的原料有以下几种：城市生活垃圾、污泥、禽畜粪便、植物秸秆和其它农林废物、高浓度有机废液、厨余和食品废物。2 堆肥微生物好氧法堆肥过程中，参与有机物生化降解的微生物包括两类：嗜温菌和嗜热菌。两类微生物生活、繁殖的温度范围见下表。温度嗜温菌嗜热菌常温38激发态不适用3845抑制态可开始生长4555毁灭期激发态5560不适用抑制状态6070抑制状态70毁灭期微生物生活、繁殖的温度范围固体废物好氧微生物降解过程，依据温度变化，大致分为三个阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群：（1）中温阶段：嗜温菌活跃；（2）高温阶段：嗜温菌活动受到抑制，嗜热菌活跃；（3）降温阶段：嗜热菌活动受到抑制，嗜温菌活跃；四、堆肥程序、工艺和装置1 堆肥工艺程序现代化的堆肥生产一般采用好气堆肥工艺，它通常由预处理、发酵（一次发酵和二次发酵）、后处理、脱臭和贮藏五个工序组成。（1） 预处理：包括破碎、分选以及添加水分、调节碳氮比等；（2） 发酵：分为一次发酵和二次发酵一次发酵：好氧堆肥的中温和高温两个阶段的微生物代谢过程成为一次发酵或主发酵。一般需要1020天。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，将其进行二次发酵，使之腐熟。一般需要2030天。（3） 后处理：指出去质物和进行必要的破碎处理等；（4） 脱臭：部分堆肥工艺和堆肥在堆制过程中和结束后，会产生臭味，必须进行脱臭处理。（5） 贮藏：堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就必须积存。方式有直接堆放在发酵池中或袋装，在干燥通风的环境下保存。2 发酵工艺和装置（1）间歇式发酵工艺与装置间歇式发酵工艺是将原料分批发酵，一批原料堆积后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖土后运出。该工艺的一次发酵周期只需10天左右，故可以加快发酵池的周转，还由于第一次发酵后将非堆腐物排出，可使堆肥体积减少1/2。发酵装置示意图见P234图93（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。该工艺装置类型众多，下面以丹诺发酵器和浆叶式发酵塔为代表作介绍：a 丹诺发酵器：丹诺法是一种比较古老的但是至今仍然在普遍使用的好氧堆肥技术。丹诺发酵器是其关键的核心设备（见P235图94）。B 浆叶式发酵塔：（见P236图95）五、影响好氧发酵过程的主要因素影响好氧发酵过程的主要因素有以下几种：1有机物含量有机质高低的影响：温度，氧，微生物的生长。我国的处理方法：（1）对堆肥原料进行预处理；（2）在发酵前加入一定是的调节剂（物料平衡方程式）；（3） 城市生活垃圾与污泥混合堆肥。2含水率从P237图96垃圾含水率与细菌生长和氧摄入量的关系曲线可以看出，微生物的生长和对氧的要求均在含水率为5060时达到峰值。所以一般以含水率55为最佳值。含水率可以通过添加粪稀或污水污泥等进行调节，所添加的调节剂与垃圾的重量比，可以通过P237式95求出： （95）式中：M调节剂与垃圾的重量比 Wm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率、调节剂含水率3.通风和耗氧速率通风可以提供氧气以参与微生物的发酵过程；通过供气量的控制，调节最适温度；在维持最适温度的条件下，加大通风量可以去除水分。（1）供氧方式：翻堆通风、自然扩散、被动通风、强制通风（2）通风情况评估：排气中O2分压大于14，则表示空气中氧的消耗不到1/3；最佳排气O2浓度为1417；如排所中O2体积浓度降至10，则表示好氧发酵停止；如用排气中CO2浓度来代替O2浓度作为监测参数，则最佳CO2的体积浓度应为36。（3）强制通风控制方式：通风速率恒定的时间控制；通风速率变化的时间控制；温度反馈控制；通风速率变化的时间温度控制；微电脑控制；O2和CO2含量反馈控制。4碳氮比堆肥物料最佳碳氮比：2535：1；堆肥成品中一般为1020：1；过低：能量不足，分解缓慢不彻底；过高：“氮饥饿”；碳氮比的可以通过式（96）计算所需添加的氮源物质的数量 （96）式中：K混合原料的碳氮比，通常取最佳范围值，配合后为35：1； C1、C2、N1、N2分别为有机原料和添加物料的碳、氮含量。一些主要有机废物的碳氮比（均值）物质物质大便5.56.5610:1厨房垃圾2.1525 :1小便15180.8:1羊厩肥8.75家禽肥料6.3猪厩肥3.75屠宰场废物7102:1混合垃圾1.0534 :1活性污泥566:1农家庭院垃圾2.1514 :1马齿苋4.58:1牛厩肥1.718 :1嫩草412:1干麦秸0.5387:1杂草2.419:1干稻草0.6367:1马厩肥2.325:1玉米秸0.7553:15温度从P240图98堆肥温度与二氧化碳生成速度的关系曲线，以中可以看出整个堆肥过程的较佳温度是3555。在堆肥的过程中，温度的调节可以通过通风来控制。6pH值好氧堆肥初期，pH值一般可