第五章-固体废物生物处理..ppt

第五章固体废物的生物处理,5.1概述5.2固体废物的好氧堆肥化5.3固体废物的厌氧消化处理,1、生活垃圾中50-60%是有机物，会腐烂变质，释放臭气，污染环境；会孳生蚊蝇，危害健康,2、粪便、污水厂污泥大部分是有机物，堆放过程中会释放污染物，污染环境,3、农业废弃物基本上全是有机物，倾倒水体中会释放污染物；焚烧会污染大气,有机物是固体废物污染的重要来源,有机污染物有必要进行治理,有机污染物通常是可生物降解的,生物处理是一种很好的途径,第一节概述,一、生物处理定义,生物处理就是以固体废物中的可降解有机物或其它组分为对象，利用生物对其作用，转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。,二、废物处理的微生物种类,在固体废物生物处理过程中，有各种微生物发挥作用。微生物种类繁多，大致可以作如下分类：,对于所有微生物来说，凡是生活时需要氧气的都可以称为好氧微生物，只有在无氧环境中才能生长的称为厌氧微生物，在无氧和有氧的环境中都能生活的统称为兼氧性微生物。,三、主要生物处理技术,好氧堆肥化,厌氧消化,根据微生物生长的环境可将生物处理技术分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化(厌氧消化)两种。,1、堆肥化定义,堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，将固体废物中可降解有机物，进行矿质化、腐殖化和无害化，使各种复杂的有机态的养分，转化为可溶性养分和腐殖质的生物化学过程。,2、堆肥,是一种有机肥料，所含营养物质比较丰富，且肥效长而稳定，同时有利于促进土壤固粒结构的形成，能增加土壤保水、保温、透气、保肥的能力，与化肥混合使用又可弥补化肥所含养分单一，长期单一使用化肥使土壤板结，保水、保肥性能减退的缺陷。,深褐色、质地松散、有泥土味的物质。,第二节固体废物的好氧堆肥化,、好氧堆肥化原理,好氧堆肥基本原理,、好氧堆肥化微生物,堆肥中含有的微生物种类主要有细菌、真菌和放线菌，堆肥过程中，随有机物的降解，堆肥微生物在数量和种群上会发生变化。高温阶段会出现较多的真菌。,多种多样的真菌,放线菌,好氧堆肥过程,适应新环境,嗜温性细菌、酵母菌、放线菌分解最易分解的可溶性物质，淀粉、糖类增多，温度45,嗜热性微生物、细菌；残留可溶性物质，纤维素、半纤维素、蛋白质，温度4570,嗜温性微生物、多为难分解物质，温度,、好氧堆肥化过程温度变化规律,三、堆肥化的影响因素及其控制,影响因素,堆肥化效果,有机物含量,含水率,供氧量,C/N和C/P,温度,pH,1、有机物含量,适宜的有机物含量为2080%；,有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程；,有机物含量大于80%，堆制过程要求大量供氧，常因供氧不足而发生局部厌氧。,2、含水率,因微生物只摄取溶解性养料，所以含水率是好氧堆肥的关键因素；,含水率高低取决于物料成分，当有机质含量不超过50%时，堆肥最佳含水率为4550%，如果有机质含量达到60%，则堆肥最佳含水率为60%；,含水率低于30%，分解速度缓慢，当水分低于12%，微生物停止繁殖；,含水率超过65%，水会充满颗粒间空隙，使空气含量减少，堆肥由好氧转向厌氧，温度急剧下降，形成发臭的中间产物。,3、供氧量,（1）通风效果衡量堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活动的强弱。,可见，堆肥原料中有机物含量不同，其耗氧速率不同，有机物含量越高，耗氧速率上升越快，到达峰值的时间越短，通风频率越高；,堆肥过程氧浓度应大于10%，最低不小于5%，若低于此限，氧成为限制因素，易使堆肥产生恶臭，可确定需要通风时刻。,例固体废物好氧反应需氧量的计算。试计算氧化1000kg有机固体废物的理论需氧量，已知：有机废物化学组成式为C31H50NO26，反应后的残余物为200kg，残余有机物的化学组成式为C11H14NO4，堆肥过程表示如下：,解：1、反应前后有机物的摩尔数：反应前：（1000/852）kmol=1.173kmol反应后：(200/224)kmol=0.893kmol,2、反应前后有机物的摩尔数比：n=0.893/1.173=0.76,3、确定a、b、c、d、w、x、y、z,并计算出r和s的值：有机废物C31H50NO26：a=31，b=50，c=1，d=26残余物C11H14NO4：w=11，x=14，y=1，z=4r=0.5*b-nx-3*(c-ny)=19.32，s=a-nw=31-0.76*11=22.64,实际的堆肥化系统必须提供超出计算需氧量（二倍以上）的过程空气以保证充分的好氧条件。,4、温度,堆体温度对有机物降解速率有很大影响，温度高，有机物降解速度快，温度低，有机物降解速度慢；,但温度过高，大多数微生物代谢会停止，有机物降解速度变慢，因此，堆体温度控制在5560之间，即保证了较高的有机物降解速率，又杀灭了寄生虫卵和病源菌；,通过通风来控制温度。,5、pH值,适宜pH值可使微生物有效发挥作用，过高或者过低的pH值都会对堆肥效率产生影响，pH值在7.58.5时，堆肥效率最高；,在堆肥过程中，微生物能通过自身活动调节pH值，因此，不必人为调节pH值。,6、碳氮比,在微生物新陈代谢过程中，大部分碳通过氧化作用生成二氧化碳来提供能量，少部分碳则成为原生质和储存物，氮主要消耗在原生质合成中，可见需要的碳比氮多，合适的碳氮比为2535:1,碳氮比低于2025，超过微生物生长需要的多余氮，会转化氨，抑制微生物繁殖，导致有机物分解缓慢、不彻底，且释放的氨可能污染环境,碳氮比过高，微生物的繁殖会受到氮源限制，导致有机物分解速率降低和最终分解率降低，延长发酵时间，同时，碳氮比过高的堆肥施入土壤后，会夺取土壤中的氮素，对作物生长不利,例为了使好氧堆肥化的物料的C/N比达到合适值25，将C/N比为50的树叶和C/N比为6.3的污泥进行混合，试确定树叶和污泥的混合比例。已知：污泥含水率75%，树叶含水率50%，污泥含氮量5.6%，树叶含氮量0.7%,解：1、确定树叶和污泥的C、N量：1kg树叶：干物质=1*(1-50%)=0.5kgN=0.5*0.7%=0.0035kgC=0.0035*50=0.175kg,1kg污泥：干物质=1*(1-75%)=0.25kgN=0.25*5.6%=0.014kgC=0.014*6.3=0.0882kg,2、求1kg树叶中污泥的添加量xkg：C/N比=(1kg树叶中的C+xkg污泥中的C)/(1kg树叶中的N+xkg污泥中的N)=(0.175+0.0882x)/(0.0035+0.014x)=25计算得到x=0.33kg,3、验算混合废物的含水率：含水率=(1*50%+0.33*75%)/(1+0.33)=(0.5+0.25)/(1+0.33)=56%含水率满足要求,四、堆肥工艺及设备,1、好氧堆肥工艺,特点：高温堆肥（一般在50-60，极限可达80-90）,（）好氧静态堆肥工艺,一般采用露天强制通风垛，当一批物料堆积成垛后，不再添加新料和翻堆，直至物料腐熟后运出。,缺点是有机物和微生物分布不均匀，局部会发生厌氧。,1、好氧堆肥工艺,通气条件下借好氧微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化。,（）间歇式好氧动态堆肥工艺,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处理。,堆肥装置有垛体、长方形池式发酵仓、立筒形发酵仓等。,（3）连续式好氧动态堆肥工艺,是一种发酵时间更短的动态二次发酵技术，采取连续进料和连续出料的方式进行，物料在发酵装置内处于连续翻动状态下，组分易于混合均匀，形成空隙利于通风、水分蒸发迅速，使发酵周期缩短。堆肥装置有达诺筒和浆叶式发酵塔等。,堆肥化设备,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,应堆肥产品质量高、操作员少、臭味控制有效、空间限制少、环境影响小等优点。,生物过滤器：熟化的堆肥、树皮、木片、粒状的泥炭等负荷为80120m3.m-3.h-1)，出气温度维持在040；,物料处理设备,翻堆设备,反应器堆肥系统,除臭设备,2、好氧堆肥化设备,（1）堆肥发酵装置,立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒筒仓式堆肥发酵仓箱式堆肥发酵池,堆肥发酵装置,卧式堆肥发酵滚筒,箱式堆肥发酵池,3、好氧堆肥化工艺流程,机械化堆肥场流程图,五、堆肥腐熟度评价,1、直观经验法,温度下降至接近常温；外观呈茶褐色或者暗灰色；无恶臭而有土壤的霉味，不吸引蚊蝇；呈疏松团粒结构。,2、淀粉测试法,最终堆肥成品中，淀粉应全部消失。测定原理是根据淀粉遇碘变蓝，如果碘液检测出现黄色，表明堆肥已稳定，如果呈现蓝色，表明堆肥未腐熟。但当堆肥原料淀粉含量很低时，不能采用此方法判断是否腐熟。,3、耗氧速率法,耗氧速率标志着堆肥反应的进行程度。堆肥腐熟时，耗氧速率很低。认为当耗氧速率降为0.02-0.1O2mol/min时，堆肥已腐熟。耗氧速率一般采用测氧仪测定,六、堆肥产品的利用与精制,1、堆肥的改良土壤作用,增加土壤有机质改善土壤结构：使粘质土壤松散、砂质土壤结团、增加空隙率提高土壤功能：提高保水能力、防止肥分流失促进植物根系增长,2、堆肥的增产作用,增加土壤养分提高农作物产量：10-30%,目前堆肥产品存在的问题,肥效低：混合收集；大量的街道清扫渣土；玻璃；废电池；小石子，等等。成本高：大量的前处理：人工分拣、磁选、破碎、筛分、风力分选，等等；,第三节固体废物的厌氧消化处理,1、厌氧消化定义,厌氧消化是指在厌氧状态下，利用厌氧微生物，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程,二、厌氧消化原理三阶段理论,厌氧消化原理,堆肥有机物微生物,有机酸，醇类，O2，NH3，H2S等，能量，微生物,细胞物质,CO2，CH4等，能量,细胞物质,1、第一阶段(水解阶段)：在水解与发酵细菌作用下，大分子有机物如碳水化合物、蛋白质、脂肪，经水解与发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等,水解与发酵细菌,原生动物：,参与第一阶段代谢的微生物,真菌：,纤维素分解菌,淀粉分解菌,蛋白质分解菌,脂肪分解菌,鞭毛虫,纤毛虫,变形虫,毛霉,根霉,曲霉,2、第二阶段(产酸阶段)：在产氢、产乙酸菌和同型乙酸菌作用下，把第一阶段产物转化成氢、二氧化碳和乙酸,CH3CH2CH2CH2COOH+2H2O,CH3CH2COOH+CH2COOH+H2,CH3CH2COOH+2H2O,CH3COOH+3H2+CO2,CH3CH2OH+2H2O,CH3COOH+2H2,2CO2+4H2,CH3COOH+2H2O,产氢、产乙酸菌,同型乙酸菌,参与第二阶段代谢的微生物,将丙酮酸及其它脂肪酸转化为乙酸、二氧化碳、氢气,将二氧化碳、氢气转化为乙酸；将甲酸、甲醇转化为乙酸,3、第三阶段(产甲烷阶段)：通过两组不同的产甲烷菌作用，将氢和二氧化碳转化为甲烷或者乙酸脱羧产生甲烷,产甲烷菌：,甲烷杆菌,甲烷球菌,4H2+CO2,CH4+2H2O,CH3COOH,CH4+CO2,参与第三阶段代谢的微生物,甲烷八叠球菌,甲烷螺旋菌,厌氧消化过程可用以下方程式表示,厌氧消化产气中甲烷含量5060%；1kg可降解有机物产生0.631.0m3的沼气,CaHbOcNd+(a-0.25b-0.5c+0.75d)H2O,(0.5a+0.125b-0.25c-0.375d)CH4+(0.5a-0.125b+0.25c+0.375d)CO2+dNH3,例生活垃圾厌氧消化产气量计算。已知：生活垃圾中有机组分的化学组成式为C60.0H94.3O37.8N，有机物的含量为79.5%(包括水分)，有机物的含水率为27%，有机物中95%为可降解有机物。试计算在生活垃圾卫生填埋场中，单位质量填埋废物的理论产气量。假定有100kg填埋废物,解：1、根据题意，有机物量为79.5kg,2、可降解有机物干重：79.5*(1-0.27)*95%=56.0kg,4、根据反应方程式确定H2O的系数：a-0.25b-0.5c+0.75d=60-0.25*94.3-0.5*37.8+0.75*1=18.28CH4的系数：0.5a+0.125b-0.25c-0.375d=0.5*60+0.125*94.3-0.25*37.8-0.375*1=31.96CO2的系数：0.25a-0.125b+0.25c+0.375d=0.5*60-0.125*94.3+0.25*37.8+0.375*1=28.04NH3的系数：d=1,3、根据化学组成式C60.0H94.3O37.8N确定：a=60.0,b=94.3,c=37.8,d=1,31.96CH4+28.04CO2+NH3,C60.0H94.3O37.8N+18.28H2O,5、反应方程式为：,1433.1,329.0,511.4,1233.8,17,6、产生的CH4和CO2质量CH4质量：56.0*511.4/1433.1=20.0kgCO2质量：56.0*1233.8/1433.1=48.2kgNH3质量：56.0*17/1433.1=0.66kg,8、CH4和CO2各占体积百分比CH4(%)=27.95*100%/(27.95+24.44)=53.3%CO2(%)=100%-53.3%=46.7%,以填埋废物中可降解有机物干重为基准：(27.95+24.44)/56.0=0.93m3/kg,9、单位填埋废物理论产气量,7、产生的CH4和CO2体积(CH4密度=0.7155kg/m3,CO2密度=1.9725kg/m3)CH4体积：20.0/0.7155=27.95m3CO2体积：48.2/1.9725=24.44m3,以填埋废物为基准：(27.95+24.44)/100.0=0.52m3/kg,三、厌氧消化装置,（1）厌氧发酵装置：厌氧发酵池，亦称厌氧消化器,图4-1水压式沼气池示意图,(a)顶浮罩式,图4-2浮罩式沼气池示意图,图4-4常用的大型发酵罐结构类型,五、厌氧消化影响因素,1、有机物组分与产气量,不同有机物成分，产气量有差异,2、有机物含量与去除率,沼气产量,有机物去除率,有机物含量,正比,正比,提高有机物含量来增加沼气产量,3、原料配比C/N比,最佳C/N比控制在20-30:1,C/N比过小，过剩的氮