第五章-固体废物的生物处理314.ppt

生物处理技术 概念 利用微生物的新陈代谢作用使固体废物分解 矿化或氧化的过程作用 可将大量的固体废物通过各种工艺转换为有用的物质和能源 例如 提取各种有价金属 生产肥料 沼气 葡萄糖和微生物蛋白质等 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 在人工控制的条件下 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转化的微生物学过程堆肥 Compost 堆肥化产物 分类 根据堆肥化过程中氧气的供应情况1 好氧堆肥 高温堆肥 好氧微生物在与空气充分接触的条件下 使堆肥原料中的有机物发生一系列放热分解反应 最终使有机物转化为简单而稳定的腐殖质的过程 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 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 但堆制周期过长 需3 12个月 异味浓烈 分解不够充分 堆肥原料和堆肥微生物 常用的堆肥原料 生活垃圾 有机污泥 人和禽畜粪便及农林废物等 这些物质中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 好氧堆肥微生物 嗜温菌和嗜热菌嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围 好氧堆肥原理 1 好氧堆肥过程 堆肥有机物分解过程图 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 4y 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 细胞质的合成 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 细胞质的氧化C5H7NO2 细胞质 5O2 5CO2 2H2O NH3 能量 堆肥化过程 大致可分为以下四个阶段 潜伏阶段中温阶段 产热阶段 高温阶段腐熟阶段 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 一些无芽孢细菌 真菌和放线菌 此阶段一般在12小时以内 2 中温阶段 产热或起始阶段 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 70 以上大多数嗜热性微生物不适应 大批死亡 休眠 3 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 堆肥过程逐步进入稳定状态 嗜温性微生物占优势 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 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 降温阶段 腐熟阶段 4 影响堆肥化的因素 1 化学因素 C N比和C P比 C P比在75 150为宜 氧浓度 pH值 堆肥微生物最佳的pH 7 5 8 5 2 物理因素 温度 最佳温度50 65 颗粒尺寸 含水率 在50 60 固体废物的含水率 水分含量或水分 测定方法 1 废物样品测取其初始质量后 测定无机物时 可称取样品20g左右 在105 下干燥 恒重至 0 1g 测定水分含量 2 测定样品中的有机物时 应称取样品20g左右 于60 下干燥24h 确定水分含量 在控温于105 1 的干燥箱内进行烘干 直至恒重 要求 在最初连续烘干2 4h后 间隔1h将样品取出称重 如间隔称重的差值 0 005g或样品总质量的2 1000 则可认为达到恒重 该样品的含水率按下式计算后给出 例题1 用一种成分为C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥实验 实验结果 每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg 测定产品成分为C11H14NO4 试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量 例题2 废物混合最适宜的C N比计算 树叶的C N比为50 与来自污水处理厂的活性污泥混合 活性污泥的C N比为6 3 分别计算各组分的比例使混合C N比达到25 假定条件如下 污泥含水率75 树叶含水率50 污泥含氮率5 6 树叶含氮率0 7 三 堆肥的基本工序 1 前处理预处理工序 调节水分和养分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 堆肥过程的中温阶段和高温阶段 时间约4 12d 3 后发酵 二次发酵 腐殖酸 氨基酸等较稳定的有机物熟化阶段 堆肥过程的腐熟阶段 发酵时间通常在20 30d以上 4 后处理分选以去除杂物 并根据需要再破碎 5 脱臭6 贮存 堆肥腐熟度 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 堆肥腐熟度评价 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 复习思考题 1 解释名词 堆肥化 堆肥 高温好氧快速堆肥 一次发酵 二次发酵 腐熟度 2 好氧堆肥过程可分为哪几个阶段 各阶段的特点是什么 3 堆肥中发挥作用的微生物主要有哪些 各有什么作用 4 影响堆肥化的因素有哪些 如何控制 5 试述评价成熟堆肥的方法及其参数和指标 生物转化技术 沼气发酵 厌氧发酵 通过厌氧微生物的生物转化作用 将固体废物中大部分可生物降解的有机物质分解 转化为能源产品 沼气的过程 或称厌氧消化 沼气发酵 沼气的成分 主要为CH4 55 70 和CO2 25 40 此外还有总量小于5 的CO O2 H2 H2S N2 碳氢化合物 CmHn 等 一 基本概念 厌氧硝化技术的特点 过程可控制 降解快 生产过程全封闭资源化利用好易操作产物可再利用利于防疫产生H2S等恶臭气体厌氧微生物生长速率低 设备体积大 1 两阶段理论将厌氧发酵分为产酸 酸性发酵 和产气 碱性发酵 两个阶段 相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌 2 三阶段理论1979年由布赖恩提出 将厌氧发酵依次分为液化 产酸 产甲烷三个阶段 起作用的细菌分别称为发酵细菌 醋酸分解菌 甲烷细菌 比较常用 3 四阶段理论 水解阶段 复杂有机物 纤维素 淀粉 蛋白质 脂肪 被发酵细菌分泌的水解酶 胞外酶 纤维素酶 纤维二糖酶 淀粉酶 蛋白酶 脂肪酶 分解为水溶性简单化合物 限制整个过程速度 甲烷化阶段 乙酸和H2被甲烷细菌 乙酸分解甲烷细菌和H2氧化甲烷细菌 利用生成甲烷 发酵酸化阶段 发酵细菌对水解产物进行胞内代谢 主要产生有机酸和醇类 丙酸 丁酸 琥珀酸 乙酸和乳酸 还有CO2 NH3 H2S H2 产氢产乙酸阶段 厌氧氧化阶段 专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段产生的有机酸和醇类生成乙酸 H2 CO2 同型乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸 2 人粪和猪粪质量各1000kg 配合成C N比为30 1的混合发酵原料 需多少麦秸 解 设麦秸为X1kg 依据上表 麦秸C1为46 N1为0 53 人粪中C2为2 5 N2为0 85 猪粪中C3为7 8 N3为0 6 则X1 1102 99 kg 三厌氧发酵工艺 从发酵原料到生产沼气的整个过程所采用的技术和方法 原料的收集和预处理 接种物的选择和富集 沼气发酵装置形状选择 启动和日常运行管理 副产品沼渣和沼液的处置等技术措施 设计的相关参数 设计水压式沼气池时需掌握的主要参数 气压 7480Pa 即80cm水柱 为宜 池容产气率 每立方米发酵池容积一昼夜的产气量 m3沼气 m3池容 d 我国通常采用的池容产气率为0 15 0 2 0 25和0 3 贮气量 气箱内最大沼气贮存量 农村家用水压式沼气池最大贮气量以12h产气量为宜 其值与有效水压间的容积相等 池容 发酵间的体积 农村家用式沼气池的池容积为4 6 8 10m3等 投料率 最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比 一般在85 95 2 发酵间的设计 1 确定池容 2 确定贮气量 3 计算圆筒形发酵间容积式中 V1 V2 V3 池盖容积 池底容积 池身容积 f1 f2 f3 池盖矢高 池底矢高r1 池盖曲率半径 它与其他尺寸的关系为 r2 池底曲率半径 它与其他尺寸的关系为R 池体内径H 池身高度 R V1 V2 H 综合各种因素 比较合理的沼气池设计对于池容积为4 6 8 10m3的小型沼气池H 1 例题1 已知 D 2 4m 求f1 f2 H尺寸 例题2 已知某圆形发酵间容积为10m3 试用合理尺寸确定f1 f2 D R H尺寸 R V1 V2 f2 H 确定进出料管安装位置 计算死气箱拱的矢高f死 h1 h2 h3 h1 10 15cm h2 3 5cm h3 20 30cm 死气箱容积 投料率 气箱总容积 V气 V死 V贮 发酵间最低液面位 例题 有一口6m3圆筒形水压式沼气池 D 2 4m f1 0 48m r1 1 73m 池容产气率为0 35m3沼气 m3池容 d 求进出管的竖直安装位置 解 死气箱拱的高度 设h1 12cm h2 5cm h3 25cm则f死 h1 h2 h3 42cm 死气箱容积 投料率 最大贮气量 气箱总容积 V气 V死 V贮 0 88 1 05 1 93m3 池盖容积V1 发酵间最低液面位 七 沼气及其发酵余物的利用 1 沼气的综合利用 1 生活燃料 2 运输工具的动力燃料 3 发电 4 化工原料 5 孵化禽类 6 蔬菜种植 增产效果显著 7 贮粮防虫 8 贮藏水果2 沼气发酵余物的利