固体废物的生物处理VIP

第五章固体废物的生物处理 概述 生物处理的对象 废物中可生物降解的有机物 途经 微生物的代谢作用 作用 稳定 能源 回收有用物质 方法 处理方法 好氧堆肥处理 厌氧消化处理 微生物浸出 其它生物处理方法 1 4 2 3 第五章固体废物的生物处理 第一节固体废物的好氧堆肥处理 一基本概念 堆肥化 堆肥堆肥化条件 好氧 中温或高温条件 最终产物 堆肥产品 稳定的人工腐殖质 堆肥对象 庭院废物 有机生活垃圾 有机剩余污泥 农业废弃物 人 畜禽粪便 堆肥化 依靠自然界广泛分布的微生物 有控制地促进可生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程 堆肥 堆肥化制得的产物称为堆肥 是一类腐殖质含量很高的疏松物质 也称为 腐殖土 过程 产物 好氧堆肥化厌氧堆肥化 通常所说的堆肥化一般指好氧堆肥化 欧洲一些国家对堆肥化概念进行了统一 在有控制的条件下 微生物对固体和半固体有机物的好氧中温或高温分解 并产生稳定腐殖质的过程 我国常用定义 是在有氧存在状态下 好氧微生物对废物中的有机物进行分解转化的过程 最终产物主要是CO2 H2O 热量和腐殖质 好氧堆肥堆温高 一般在50 60 最高可达80 90 也称为高温快速堆肥 二好氧堆肥的基本原理与过程 1好氧堆肥的基本原理 在有氧的条件下 依靠好氧微生物 细菌和真菌 的作用来进行 途径 有机废物中的可溶性有机物质被微生物直接吸收 而不溶性的胶体有机物质可溶性物质 再渗入细胞 有机物好氧生物分解十分复杂 用通式表示为 有机物 O2 营养物细胞质 H2O CO2 NH3 SO42 抗性有机物 热量 异化 同化 如果将固废中有机物表示为 难以进一步降解的抗性有机物 最终存在于堆肥产品中 表示为 则可用反应式分别表示为 1 有机物的氧化 细胞的异化作用 式中 r 0 5 b nx 3 d nx s a nw 如果有机物完全分解 则反应式表示为 根据上述化学计量式可以求出堆肥化生物分解过程的理论需氧量 2 细胞质的合成 同化作用 3 细胞质的分解 内源呼吸 例 固体废物好氧堆肥需氧量计算 试计算氧化1000kg有机固体废物的需氧量 已知 有机废物化学组成式为 C6H7O2 OH 3 5 反应后的残留物为400kg 残留有机物的化学式为 C6H7O2 OH 3 2 解 1 求出反应前后有机物的物质的量 反应前 反应后 2 确定反应前后有机物物质的量的比 n 1 23 1 23 1 3 确定a b c d w x y z 并确定r和s的值 有机物C30H50O25 a 30 b 50 c 25 d 0残留有机物C12H20O10 w 12 x 20 y 10 z 0r 0 5 b nx 3 d nx 15s a nw 184 求出需氧量 O2的系数 0 5 ny 2s r c 18需氧量 18 1 23 32 708kg 5 进行物料衡算 腐殖质增多稳定化 理想的粒度 25 75mm 温度 中温阶段30 45 高温阶段45 60 废物中的有机物含量适宜 最严格控制因素 较适宜范围 25 50 最佳含水率 50 60 当含水率低于40 反应速率降低 最佳的堆肥条件 pH值 7 5 8 5 提供氧 保证较好的通风条件 腐熟度衡量堆肥进行程度的指标 但未形成完整的评价指标体系 堆肥腐熟度 是指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 堆肥腐熟的基本含意 1 通过微生物的作用 堆肥的产品要达到稳定化 无害化 2 堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤的耕作能力 4堆肥腐熟度评价 化学指标pH COD BOD 碳氮比 氮化物 腐殖酸 植物毒性发芽指数植物生长 堆肥腐熟度评价指标 物理学指标气味 粒度 色度温度 生物学指标呼吸作用微生物种群和数量酶学分析 4堆肥腐熟度评价 生物活性法 呼吸作用微生物种群和数量酶学分析通过分析相关的酶活力 可间接反映微生物的代谢活性和酶特定底物的变化情况 此种方法需进一步研究 耗氧速率CO2产生速率 呼吸作用 在堆肥过程中 好氧微生物的主要生命活动形式为 分解有机物的同时消耗氧产生CO2 研究表明 CO2的产生速率与耗氧速率具有很好的相关性 耗氧速率或CO2的产生速率 mg氧 g挥发性物质 min或mgCO2 g挥发性物质 min 标志了有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度 因此 以耗氧速率或CO2生成速率作为腐熟标准是符合生物学原理的 耗氧速率 由于耗氧速率数据测定受原料成分影响较小 只要在堆层中氧供应充分 耗氧速率的数据就比较稳定可靠 实验室测定和生产现场的测试结果相当吻合 这种一致性表明 耗氧速率的变化反映了堆肥处理的本质过程 因此 可以建议用耗氧速率作为城市垃圾堆肥发酵稳定化的定量指标 0 03 0 5 mgO2 gVS h 植物毒性分析法 是检验有机质腐熟度最精确和最有效的方法 用十字花科植物种子检验植物毒性 不仅能检验堆肥样品中的残留植物毒性 而且能预计毒性的发展 方法种子发芽实验植物生长实验堆肥的腐熟水平可以用植物的生长量来表示 植物毒性可用发芽指数 GI 来评价 通过以十字花科植物种子进行发芽试验 根据其发芽率和根长可得出植物的发芽指数 当GI 50 时认为堆肥基本腐熟并达到了可接受的程度 当GI达到80 85 时 堆肥完全腐熟 三好氧堆肥工艺 一 基本工艺流程 图5 1杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图 二 堆肥工艺分类 好氧静态堆肥工艺包括露天强制通风垛 密闭的发酵池 发酵箱 静态发酵仓一批物料堆积成垛或置入发酵装置后 不再添加新料和翻倒 直至腐熟后运出堆肥始终处于静止状态 物料中有机物和微生物生长不均匀 间歇式好氧动态堆肥工艺静态一次发酵采用间歇翻堆的强制通风垛或间歇进出料的发酵仓 将物料批量地进行发酵 均配有通风管 有的还附装搅拌或翻堆设施池式发酵仓 立式圆筒形发酵仓等 连续式好氧动态堆态工艺一次 二次发酵 时间确定 48h 2 5d 连续进料连续出料 在一个专设的发酵装置内使物料处于一种连续翻动的状态 易于形成空隙 组分混合均匀 水分蒸发迅速 发酵周期短 可有效地灭活病源微生物 防止异味产生 DANO回转滚筒式发酵器 桨叶立式发酵器等 三 堆肥的过程控制 1 关于堆肥中的有机物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 实际操作中经常将一种高C N比的废物 稻草 废纸 与另一种低C N比的废物 污泥 混合在一起 以获得最佳的C N比 干原料中氮的含量 干原料的重量 kg 干原料中碳的含量 用1kg的树叶 配合成C N比达到最佳值25的混合发酵原料 需污泥多少kg 混合后的含水率y 干物质的重量 解 1 求出2种原料中碳 氮的量对于1kg树叶 m水 1 0 5kg 0 5kg m干物质 1 0 5 0 5kgmN m干物质 0 007 0 0035kg mc 50 0 0035 0 175kg同理 对于1kg污泥 m水 0 75kg m干物质 0 25kg mN 0 014kg mc 0 0882kg 满足含水率要求 2计算污泥量使C N 25 3计算混合物的含水率 对于0 33kg的污泥 m水 0 33 0 75 0 25kg m干物质 0 33 0 25 0 08则混合物含水率 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 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 堆肥化设备 破碎设备混合设备输送设备分离设备 斗式装载机或推土机 垮式翻堆机 侧式翻堆机 立式发酵仓卧式发酵滚筒静态条堆 生物过滤器 熟化的堆肥 树皮 木片 粒状的泥炭等 负荷为80 120m3 m 3 h 1 出气温度维持在20 40 物料处理设备 翻堆设备 发酵仓和反应器 除臭设备 四好氧堆肥设备 a 条垛形式与机械翻堆过程 链板式翻堆机 螺旋式翻堆机 翻堆设备 四好氧堆肥设备 箱式堆肥发酵池 立式发酵塔工作过程1 立式发酵塔工作过程2 多层发酵塔工作流程 四好氧堆肥设备 立式堆肥发酵塔 多段竖炉式发酵塔 卧式堆肥发酵滚筒 四好氧堆肥设备 水平 卧式 发酵滚筒 由于筒仓式静态发酵仓结构简单 螺杆出料较方便可靠 在我国已得到广泛应用 例如无锡 杭州等地堆肥厂均用此种类型或其改进形式 取得较好效果 深褐色 质地松散 有泥土味的物质 这种物质的养料价值不高 但却是一种极好的土壤调节剂和改良剂 其主要成分是腐殖质 四好氧堆肥设备 针对有机堆肥臭气去除的生物滤池 除臭设备 五 堆肥的用途和功效 用途 堆肥用途很广 可用作农田 绿地 果园 菜园 苗圃 畜牧场等的肥料 也可用做蘑菇盖面 过滤材料 隔音板等 作用 1 改善土壤的理化性能 2 增加土壤养分 促进作物增产 堆肥的技术很古老 最早记载关于堆肥的文字是圣经 1920年 英国人A Howard 埃 霍华德 发明了印多尔法 1925年 Bangalore 贝盖落尔 改进了印多尔法 六堆肥技术发展 均为厌氧条件下的发酵过程 其共同点是周期长 有机物分解不完全 会产生恶臭 1933年 在丹麦出现了Dano 达诺式 堆肥工艺系统 标志着连续性机械化堆肥的开端 1939年 美国人EarpThomas 厄普 托马斯 发明的立式多段发酵塔在美国取得专利 五好氧堆肥技术发展 二 我国垃圾堆肥情况 第二节固体废物的厌氧消化处理 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 微生物生理学定义 在没有外加氧化剂的条件下 被分解的有机物作为还原剂被氧化 而另一部分有机物作为氧化剂被还原的生物学过程 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 NH2 PH3 碳氢化合物 CmHn 等 一 基本概念 一 厌氧消化原理 一 厌氧消化原理 二 厌氧消化的过程 二 厌氧发酵的过程 随之 这些水解产物被发酵细菌摄入细胞内 经过一系列生化反应 将代谢产物排出体外 由于发酵细菌种群不一 代谢途径各异 故代谢产物也各不相同 1 2 首先 不溶性大分子有机物经水解酶的作用 在溶液中分解为水溶性的小分子有机物 其它众多的代谢产物不能为产甲烷细菌直接利用 它们必须经过产氢产乙酸细菌进一步转化为氢和乙酸后 才能被甲烷细菌吸收利用 并转化为甲烷和二氧化碳 2 1 2 2 3 1 众多的代谢产物中 仅无机的CO2和H2及有机的 三甲一乙 甲酸 甲醇 甲胺和乙酸 可直接被产甲烷细菌吸收利用 转化为甲烷和二氧化碳 二 厌氧发酵的有机物分解代谢过程 1 碳水化合物的分解代谢一般的碳水化合物包括纤维素 半纤维素 木质素 糖类 淀粉和果胶质等 纤维素的分解纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖 反应式为 C6H10O5 n 纤维素 nH2O nC6H12O6 葡萄糖 葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸 乙酸 最后生成甲烷和二氧化碳等气体 总的产气过程可用下述的综合表达式表达 C6H12O6 3CH4 3CO2 糖类的分解先由多糖分解为单糖 然后是葡萄糖的酵解过程 与上述相同 2 类脂化合物的分解代谢类脂化合物 脂肪 磷脂 游离脂肪酸 蜡酯 油脂 含量很低 主要水解产物是脂肪酸和甘油 甘油转变为磷酸甘油脂 进而生成丙酮酸 在沼气菌的作用下 丙酮酸被分解成乙酸 然后形成甲烷和二氧化碳 3 蛋白质类的分解代谢这类化合物主要是含氮的蛋白质化合物 它们的分解过程是在细菌的作用下水解成多肽和氨基酸 其中的一部分氨基酸继续水解成硫醇 胺 苯酚 硫化氢和氮 另一部分分解成有机酸 醇等其他化合物 最后生成甲烷和二氧化碳 还有一些氨基酸作为产沼细菌的养分形成菌体 细胞物质 微生物繁殖 有机酸 醇类 CO2 H2S NH3 能量 堆肥有机物 C N O H P S等 细胞物质 CO2 CH4等 能量 酸性发酵阶段 碱性发酵阶段 1 二阶段理论 发酵性细菌 水解和发酵 产甲烷细菌 厌氧发酵过程的生化过程理论 1 两阶段理论 2 三阶段理论 3 四阶段理论 无产酸阶段 2 三阶段理论 发酵菌 水解菌 产氢产乙酸菌 产甲烷菌 兼性厌氧菌 绝对厌氧菌 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 厌氧消化的影响因素 抑制剂 挥发性脂肪酸 重金属抑制 接种物量5 pH6 5 7 5 碱度 投加石灰 温度40 65 影响产气量 有机物组分及含量提高含量可增加沼气量 搅拌均匀 增加接触 防止酸积累 提高产气量 氧Eh 300mV 营养物质C N比 20 30 1 二 厌氧消化的影响因素 高温消化工艺 最佳温度范围是47 55 此时有机物分解旺盛 消化快 物料在厌氧池内停留时间短 非常适用于城市垃圾 粪便和有机污泥的处理培养高温消化菌 维持高温 投料和排料 搅拌消化物料 目前我国农村都采用这种消化类型 这种工艺的消化池结构简单 成本低廉 施工容易 便于推广 但受季节影响明显消化周期须视季节和地区的不同加以控制 三 厌氧消化工艺 三 厌氧消化工艺 连续消化工艺 半连续消化工艺 三 厌氧消化工艺 离心机等脱水机械 粗大物体如骨头 兼性和厌氧微生物菌种 去除发酵气中H2S等杂质气体 图5 2厨余垃圾厌氧发酵工艺流程 三 厌氧消化工艺 图5 3城市垃圾厌氧发酵工艺流程 预处理 配料制浆 厌氧消化处理与沼气回收 三 厌氧消化工艺 水压式沼气池 四 厌氧消化装置 图5 6水压