有机固体废物堆肥化及厌氧发酵概要.ppt

第六章有机固体废物堆肥化及厌氧发酵,教学目的,掌握有机废物堆肥化的概念掌握好氧堆肥化的原理和流程掌握堆肥化的影响因素掌握腐熟度的定义及判定方法掌握堆肥施于农田的效果了解堆肥的工艺参数和质量标准了解废物堆肥化设备,第一节概述,是一种常用的生物转换技术是稳定化、无害化、资源化的重要方式,一、生物处理基本概念,1、生物转化技术及其意义生物转化技术：借助微生物的新陈代谢作用，对固体废物进行生物处理，实现固体废物（主要是有机固体废物）的稳定化、无害化和资源化的技术,生物转换技术的意义,对固体废物进行处理消纳，实现稳定化、无害化。避免或减轻垃圾堆积，影响市容及垃圾自然腐败，散发臭气，传播疾病。促进自然界物质循环与人类社会物质循环，可以把固体废物的适当组分重新纳入自然循环。例如堆肥用以施肥、改造土壤，可回归农田系统中去。可以将大量有机固体废物转换成有用的物质和能源。例如产沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质等,2、生物转换理论基础,微生物的新陈代谢作用物质分解及提供能量的代谢即分解代谢消耗能量合成生物体的代谢即合成代谢。,微生物的种类（好氧、厌氧、兼氧）细菌原核细胞类型蓝绿藻微生物霉菌真菌酵母菌真核细胞类型藻类原生生物,生物处理方法,好氧生物处理有游离氧存在好氧微生物为主使有机物降解、稳定有机物为微生物的营养源，释放能量，转化为小分子量、能位低的物质稳定下来。厌氧生物处理没有游离氧条件下厌氧微生物大部分能量以甲烷形式出现少量有机物转化合成为新的细胞组成部分。,3、固体废物生物转换技术的应用,堆肥化沼气化其他生物转换技术,二、堆肥化基本概念,1、堆肥化定义、作用与用途堆肥化（Composting）：就是在控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，使可被生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。,这个定义强调：作为堆肥化的原料是可生物降解的固体废物；堆肥过程是在人工控制条件下进行，不同于卫生填埋、废物的自然腐烂与腐化；堆肥化的实质是生物化学过程，堆肥产品对环境无害，即废物达到相对稳定。,堆肥化的产物称为堆肥（compost）,它是一种深褐色、质地疏松、有泥土气味的物质，类似于腐殖质土壤，故也称为“腐殖土”。是一种具有一定肥效的土壤改良剂和调节剂。,堆肥的作用,使土质松软，多孔隙，易耕作，增加保水性、透气性及渗水性，改善土壤的物理性能。阳离子交换容量大，N、K、NH4+以阳离子形式存在腐殖质中某种成分有鳌合作用，降低重金属的危害蛋白质氮的形式，缓效肥料增加土壤中微生物，是昼夜有效的废料是CO2的供给源,好氧堆肥的特点,具有对有机物分解速度快、降解彻底、堆肥周期短的特点。使堆肥达到无害化。好氧堆肥的环境条件好，不会产生难闻的臭气。但由于好氧堆肥必须维持一定的氧浓度，因此运转费用较高。,堆肥的原料,我国颁布城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标【CJ/T3059-1996】中规定：密度：350650kg/m3组成成分（湿重）：有机物含量不少于20含水率：4060碳氮比：20：130：1,堆肥的产品质量及卫生要求,堆肥产品质量（以干基计）：粒度农用12mm，山林果园50mm含水率35pH6.58.5全氮（以N计）0.5全磷（以P2O5计）0.3全钾（以K2O计）1.0有机质（以C计）10重金属含量Cd、Hg、Pb、Cr、As,无害化卫生要求：堆肥温度（静态堆肥工艺）：55持续5d以上蛔虫卵死亡率：95100粪大肠菌值：10-110-2,第二节堆肥化原理,根据堆制过程的需氧程度，可以把堆肥化分成：好氧堆肥：通常好氧堆肥堆温高，一般在5560，极限可达8090，堆制周期短，所以也称为高温快速堆肥厌氧堆肥：通气条件差、氧气不足的条件下借助厌氧微生物的发酵堆肥。周期长，312个月。,一、好氧堆肥原理,有机物的好氧堆肥分解,1、有机物的氧化,不含氮有机物：含氮有机物CsHtNuOvaH2O+bO2CwHxNyOzcH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+热量,堆肥,2、细胞质的合成,细胞质,3、细胞质的氧化,C5H7NO2+5O25CO2+2H2O+NH3+能量,二、好氧堆肥过程,中温阶段高温阶段降温阶段,中温阶段,初期，堆层呈中温（1545），嗜温性微生物活跃，温度不断上升。嗜温性微生物包括：细菌：以水溶性糖类为食真菌和放线菌：可分解纤维素和半纤维素物质,高温阶段,堆温升至45以上，嗜热微生物活跃；可溶性有机物质继续分解，复杂有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。温度升到70以上时，大多数嗜热性微生物已不适应，死亡或进入休眠。,表8-1几种常见病菌与寄生虫的死亡温度,降温阶段（腐熟阶段）,微生物活性下降，发热量减少，温度下降40左右，嗜温性微生物又占优势。内源呼吸后期，剩下较难分解有机物。腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。,第三节好氧堆肥基本工艺,一、堆肥分类1、按温度范围：中温堆肥：1545，不能有效杀灭病原菌，目前较少采用。高温堆肥:一般在5065，极限可达8090，杀灭病菌，减少臭气产生，采用较多。,2、按堆肥中物料运动形式间歇式堆肥：一批一批地堆制连续式堆肥：机械连续进料、出料，周期短（37d），杀灭病原微生物，防异味，成品质量高等特点。,3、按堆肥堆制方式露天式堆肥：条垛式装置式堆肥：机械化程度高，堆肥时间短，占地面积小，环境条件好，堆肥质量可控可调,二、好氧堆肥工艺,传统采用厌氧露天堆积法，占地大，时间长。现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺。堆肥的基本工序通常都由前处理、主发酵（一次发酵）、后发酵（二次发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。,1、前处理,以城市生活垃圾为堆肥原料时，前处理通常包括破碎、分选、筛分等工序。除去杂物，调整含水率，增大表面积。在以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂。,2、主发酵（一次发酵）,在发酵仓内进行，通过翻堆搅拌或强制通风供氧。中温阶段高温阶段，嗜温菌嗜热菌。大部分有机物被降解，病原菌被杀灭，堆层温度开始下降。通常，将温度升高到开始降低为止的阶段为主发酵阶段。以生活垃圾为主体的城市垃圾好氧堆肥化的主发酵期约为1012d。,3、后发酵（二次发酵）,将主发酵尚未分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。通常，把物料堆积到12m高的堆层，通过自然通风和间歇性翻堆，进行后发酵，并应防止雨水流入。时间较长，通常在2030d。,4、后处理,经二次发酵，变细碎和变形，数量也有所减少（体积减少到50-70），已成为粗堆肥。分选工序去除杂物，并根据需要，如生产精制堆肥等，则应进行再破碎过程。也可在散装堆肥中加入N、P、K添加剂生产复合肥，做成袋装产品。有时还需要固化造粒以利贮存。,5、脱臭,堆肥过程中，物料局部或某段时间内的厌氧会导致氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等臭气产生。去除臭气的方法：化学除臭剂除臭；水、酸、碱溶液吸收法；熟堆肥、活性炭或沸石等吸附剂吸附法；臭氧氧化法；土壤脱臭过滤器,6、贮存,堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产量的库房。贮存方式：可直接堆存在二次发酵仓中，或装入袋中。贮存的要求：是干燥而透气的室内环境。,第四节发酵工艺和装置,立式堆肥发酵塔筒仓式堆肥发酵仓卧式堆肥发酵滚筒箱式堆肥发酵池堆集式,（1）立式多层圆筒式呈多层圆筒形，密闭结构强制通风温度从上到下逐渐升高一次发酵时间：37天,1、立式堆肥发酵塔,（2）立式多层闭合门式呈多层条形，每层堆高不超过1米。在每一层床都有闭合门，在反复切断输送的同时，利用打开闭合门来顺序向下输送原料。一次发酵时间：510天,立式堆肥发酵塔：优点、缺点,立式多层圆筒式发酵塔占地面积小；除臭设备体积小。堆积低，容积有效利用率低；装置运行所需的动力大；在堆肥过程中物料容易呈压实块状化，通气性能差；多层结构，整个装置很高.,立式多层板闭合门式发酵塔占地面积小；除臭设备体积小。物料在输送过程中是利用自由下落而进行重复切断的，没有破碎作用，通气性能差；必须配备原料供给装置；多层结构，装置很高。,优点,（3）立式多层桨叶刮板式呈多层圆筒形，每层堆高11.5米。利用各段内旋转的刮板同时进行原料的反复切断及输送。原料落在与刮板相反方向的叶片上，按顺序向下输送。一次发酵时间：37天,（4）立式多层移动床式该装置呈多层条形，每层堆高为2.5米。各层床构成整体的移动床。由水平运动将原料推出，顺序输送到下层。一次发酵时间：810天,立式堆肥发酵塔：优点、缺点,立式多层桨叶刮板式发酵塔利用旋转刮板重复切断，无压实块状化；通气阻力及动力消耗小；占地面积小；除臭设备体积小。多层结构，装置很高。,立式多层移动床式发酵塔占地面积小；除臭设备体积小物料容易压实，通气性能差；床的移动机构复杂；多层结构,装置很高。,2、筒仓式堆肥发酵仓,（1）筒仓式静态发酵仓呈单层圆筒形，堆积高度45米。堆肥物由仓顶经布料机进入仓内，顺序向下移动，由仓底的螺杆出料机出料。一次发酵时间：1012天,（2）筒仓式动态发酵仓单层圆筒型，堆积高度为1.52米，螺旋推进器在仓内旋转，自外围投入的原料受到重复切断后，又接着输送到槽的中心部位的排出口排出一次发酵时间：57天,筒仓式堆肥发酵仓：优点、缺点,筒仓式静态发酵仓占地面积小；发酵仓利用率高。堆积高，呈压实状；通风阻力大，动力消耗大；产品难以均质化。,筒仓式动态发酵仓排出口的高度和原料的滞留时间均可调节原料滞留时间不均匀，产品呈不均质状；易呈块状，通气性能差；不易密闭。,3、卧式堆肥发酵滚筒,旋转发酵池结构,发酵滚筒：概况,利用低速旋转滚筒进行经常的反复搅拌和输送。一次发酵天数：25天,发酵滚筒：优点,技术成熟，操作简单；容易形成规模化；生产效率高，停留时间短，占地面积少；自然通风，能耗少环境条件较好,发酵滚筒：缺点,原料滞留时间短，发酵不充分；密闭困难；容易产生压实现象，通气性能差，产品不易均质化。,4、箱式堆肥发酵池,卧式刮板发酵池：结构,卧式刮板发酵池：概况,平面型（最大槽长为25米，堆积高度1.5米），能横向行走的刮板进行锯齿形运行，同时进行原料的重复搅拌和输送，原料缓慢堆积放在与刮板相反方向的叶片上。一次发酵天数：812天,卧式刮板发酵池：优点,利用旋转刮板重复切断，无压实呈块现象，通气性能好，发酵时间短；通气阻力小，动力消耗少；,卧式刮板发酵池：缺点,占地面积大；环境条件差；除臭设备体积大。,箱式堆肥发酵池,戽斗翻倒式发酵池,卧式桨叶发酵池,戽斗翻倒式发酵池平面型（最大槽长为31米，高为1.5米），利用行走式戽斗同时进行原料的重复搅拌和输送，原料到达戽斗的投入口时，向上提升到排出口再将戽斗返回。,卧式桨叶发酵池平面型（最大槽长为31米，堆高1.5米），利用行走螺旋输送机的同时进行原料的反复搅拌和输送，原料到达螺旋输送机的投入端时提升到排出端后再返回。,箱式堆肥发酵池：一次发酵天数,戽斗翻倒式发酵池812天,卧式桨叶发酵池812天,箱式堆肥发酵池：优点、缺点,戽斗翻倒式发酵池很少产生压实成块现象；通气阻力小，动力消耗小。占地面积大；环境条件差；戽斗的长度决定于槽的长度，发酵池的有效利用率低。,卧式桨叶发酵池环境条件差；占地面积大；螺旋的总长度取决于槽的长度；易产生压实成块现象。,5、堆集式,气流箱式,定箱槽式,堆集式：概况,气流箱式室外堆积式（堆积高度为1.53米）。利用铲式装载机或其他专用机械堆积。6090天左右,定箱槽式室内堆积式（堆积高度1.53米）。利用铲式装载机，在固定的角槽内堆积。3060天左右,堆集式：优点、缺点,气流箱式设备简单，不能除臭；重复切断时间长；易产生压实现象，发酵时间长；产品均质化困难。,定箱槽式设备简单。除臭设备体积大；重复切断时间长；易产生压实现象，发酵时间长；产品均质化困难。,第五节影响堆肥化的主要因素,对于高温二次发酵堆肥工艺来说，通风供氧、堆料含水率、温度是最主要的发酵条件有机质含量、粒度、C/N、C/P、pH也有影响,1、通风,目的：微生物分解有机物带走水气，干化物料方式：自然通风、通风管通风、斗式装载机及翻推机、风机强制通风。P199例6-1（掌握）,2、含水率,水分是微生物生命活动的介质，影响物料孔隙度和透气性适宜水分45%60%太低时，可配以粪水或污泥调节,3、温度,是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素一般认为最佳温度在5060之间考虑杀灭病菌和虫卵，温度大于55并保持几天,4、其他影响因素,有机质含量温度和供氧2080粒度表面积大小和供氧适宜1260mmC/N比（430）:1C/P比（75150）:1pH7.58.5,第六节堆肥,一、堆肥产品的分类按等级分类：生堆肥：生活垃圾、污泥和禽畜粪便初级堆肥：一次好氧发酵处理精致堆肥：全发酵（一次发酵和二次发酵）及机械分选处理特种堆肥：精制堆肥中添加无机肥料、黏土和功能微生物而制成的具有高肥效和特殊用途的堆肥。,按堆肥产品粒径分类：细粒堆肥：8mm以下，石渣含量低于5%中粒堆肥：816mm，石渣含量低于20%粗粒堆肥：1625mm,二、堆肥的质量,农用的成分和养分符合卫生要求的无害化和腐熟度,1、堆肥产品的成分和养分,影响因素堆肥原料、工艺、堆制周期、过程条件,堆肥原料,城市垃圾禽畜粪便规模化养殖，富含有机质、N、P、K、微量元素，需除臭污泥城市生活污水和食品、制革、造纸、炼油等行业的工业废水处理污泥农林废物泔脚和食品废物,表8-16我国城市垃圾堆肥成分分析（19801985）,注：引自垃圾农用控制标准，垃圾农用控制研究小组，1986,2、堆肥的无害化,重金属含量：国内堆肥中Hg（），Cd、Cr、Pb（），As（2）致病微生物：,成品堆肥重金属等有害物允许含量(mg/kg)：,砷：总量50，洗提试验1.5；镉：总量分析5，洗提试验0.3；汞：总量分析2，洗提试验0.005；铅：洗提试验3；有机磷：洗提试验1；六价铬：洗提试验15；氰化物：洗提试验1；多氯联苯：洗提试验0.003；,3、堆肥的腐熟度,（1）定义（P201）：通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化，不对环境产生不良影响；所产生的堆肥产品在使用期间，不影响作物的生长和土壤的耕作能力指成品堆肥的稳定程度工程上衡量堆肥反应完成的信号农业上是堆肥质量的指标,（2）腐熟度评定方法,直观经验法：茶褐色或黑褐色，无恶臭，质地松散，具有泥土芳香气味淀粉测试法：高氯酸+碘耗氧速率法：O2/CO2测定仪来自动显示堆层O2和CO2浓度在单位时间内的变化值,三、堆肥的农业效用,良好的堆肥产品的农业效用具有（P228）：改善土壤结构增加土壤养分提高土壤的生物活性促进农作物生长增加农作物产量,1、堆肥的改土作用,增加土壤有机质改善土壤结构降低容重、增加孔隙率提高土壤功能高持水能力，带负电荷的腐殖质能吸附NH4+、K+、Ca2+等养分促进植物根系增长富含微生物和原生动物,施用有机肥对土壤理化性质的改变,改善土壤结构,改土的生产实践证明，施用有机肥料后：土壤腐殖质得到补充和更新，改变了土壤中胶体的性质，土壤干燥过程中板结紧实程度降低，单位体积内的土壤重量减轻，土体的孔隙度提高，相应地改善了土体的通透性能，调节了土体的水、肥、气、热比例，土壤性能变好了，作物产量也得以提高。,增加土壤养分,施用堆肥增加了土壤养分含量，起到培肥地力的作用。,使用堆肥对土壤养分含量的变化,提高土壤的生物活性,各种有机肥料都含有丰富的有机物质，为土壤微生物和酶提供了充足的养分和能源，加速了微生物的生长和繁殖，不仅使其数量增加，而且活性提高，这在有机质的矿化、营养元素的累积、腐殖质的合成等方面起着重要作用。,土壤微生物总量的变化（/g干土）,堆肥的增产作用,由于施用有机肥可以改善土壤结构，增加土壤肥力，可以提供作物全面的营养物质，因此可起到提高作物产量并改善农产品品质的作用。,有机肥增强作物抗逆性,对于含有浓度较高的有毒有害物质包括重金属和有机污染物的堆肥，尤其长期施用这种堆肥的土壤会积累这些有毒有害物质。因此，应严格控制堆肥产品中的有毒有害物质数量，并对施用堆肥后土地的重金属含量进行跟踪监测。,施用堆肥对土壤性质的可能影响,堆肥的利用,堆肥的用途很广，可以用作：农田、绿地、畜牧场、果园、葡萄园、菜园、苗圃、庭院绿化、风景区绿化、蘑菇盖面、过滤材料、隔音板及制作纤维板等。,使用堆肥的注意事项,堆肥内富含微生物，最好用于土壤表面。新鲜堆肥适用于底肥。粗堆肥最好用于粘质、淤泥和板结的土壤，细堆肥用于干燥、疏散及多沙的土壤。城市垃圾堆肥一般含氮量低，最好和氮肥联合使用，以免出现土壤的“氮饥饿”现象。不宜装在密封袋中搬运和保存。,使用堆肥时还应注意以下事项,如果使用新鲜堆肥，并且每公顷的施用量大于10吨时，须在堆肥施撒与播种之间间隔一定的时间。一般冬季需隔一至一个半月，夏季至少要三到四周。堆肥越新鲜、雨量越小、外界温度越低、使用量越大，则所需间隔时间越长。,堆肥的原则,对于任何一种堆肥工艺，都应当研究如何能充分地利用微生物的分解效果，以保证将有机废弃物转化为有用的物质。工艺控制的目的在于分解过程尽量充分、完善，减少臭味，避免昆虫繁殖；破坏垃圾中的病原有机体和垃圾中的植物种子（以使作物纯净）；保留氮、磷和钾这些营养物的最大含量；减少完成整个堆肥工艺所需的时间和堆肥工艺的占地面积。,堆肥化存在的问题,首先，堆肥处理的效率低，操作过程中易产生恶臭，影响周围的环境，其工艺条件也较难控制，设备投资大、处理量小。据估算，建设一座机械化堆肥厂，投资额与处理能力之比为1万元/（t/d）。堆肥的生产设施一般都按照就近的原则建在市内，操作过程会产生恶臭，对环境卫生不利，必须投入较多资金装配排臭设施；生产过程中原料的运入和产品的输出，都要花费大量资金。,堆肥化存在的问题,更重要的是堆肥的质量和市场问题。成分含量低，杂质多。堆肥中的N、P、K混合含量通常都很低，很少有达到3%的。