第八章固体废物的反应堆处理

1、第八章,固体废物的反应堆处理,Chapter 8 The Bioreactor Treatment of Solid Waste,第一节,城市固体废物的稳定化过程,一,固体废物填埋场内部微生物作用过程,一）微生物及其营养需求,1,微生物生长所需的主要营养物质包括,C,H,O,N,S,P,等元素，其,中,C,N,P,三种化学元素控制着微生物的生长，对微生物至关重要,2,微生物的生长、繁殖还必须有适宜的水份,pH,和盐浓度等条件,二）填埋场内部微生物作用,1,水解阶段,废物中的水解菌在胞外酶的作用下将纤维素、蛋白质等复杂的有,机物分别水解成纤维二糖、葡萄糖和短肽、氨基酸等可溶性小分子有,机物。纤维

2、素等大分子有机物结构复杂，其水解过程通常比较缓慢,因此，这一阶段是有机废物厌氧降解的限速阶段,2,发酵阶段,水解产生的溶解性小分子有机物进入发酵菌细胞内，在胞内酶作,用下分解为短链脂肪酸、二氧化碳、氨、硫化氢和氢气等，同时合成,细胞物质，在此过程中有机物既可作为电子受体也作为电子供体。溶,解性有机物主要被转化为挥发性有机酸，因此这一过程也称为酸化阶,段。在这一阶段起作用的主要是专性厌氧菌,第一节,城市固体废物稳定化过程,复杂有机物,纤维素、多糖、蛋白质,水解菌,水解阶段,简单有机物,氨基酸、葡萄糖、甘油、长链脂肪酸,发酵菌,发酵阶段,H,2,CO,2,NH,3,产甲烷菌,分解乙酸菌,同型产乙酸

3、菌,产甲烷菌,利用,H,2,和,CO,2,乙酸,丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等,发酵菌,产氢产乙酸阶段,H,2,CO,2,产甲烷阶段,乙酸,CH,4,图,9-1,填埋场中有机物的厌氧分解过程,第一节,城市固体废物稳定化过程,3,产氢产乙酸阶段,酸化阶段的产物，如丙酸、丁酸、乙醇等，在产氢产乙酸细菌的,作用下转化为乙酸、氢气和二氧化碳。主要反应如下,CH,3,CH,2,OH,H,2,O,产氢产乙酸菌,CH,3,COOH,2,H,2,CH,3,CH,2,CH,2,COOH,2H,2,O,CH,3,COOH,2,H,2,产氢产乙酸菌,CH,3,CH,2,COOH,2H,2,O,产氢产乙酸菌,CH,3,CO

4、OH,3,H,2,CO,2,4,产甲烷阶段,产甲烷菌将产氢产乙酸阶段产生的乙酸、氢气和二氧化碳等转,化为甲烷。产甲烷细菌能利用的基质十分有限，常见的有,H,2,C0,2,甲,酸、甲醇、甲胺和乙酸等，主要反应如下,CH,3,COOH CH,4,CO,2,CO,2,4H,2,CH,4,2H,2,O,第一节,城市固体废物稳定化过程,二,城市固体废物稳定化过程,调,整,阶,段,这一阶段主要是微生物利用夹带在废物当中的氧气对有机组分进行好氧分解，生,成,CO,2,和水，同时释放热量，废物填埋层的温度逐渐升高。这一阶段的长短主要,取决于废物特性、废物中微生物数量和废物的初始含水率等。反应如下,碳水化合物,

5、C,x,H,y,O,z,(x+0.5y-0.5z)O,2,xCO,2,0.5yH,2,O,热量,含氮化合物,C,x,H,y,O,z,N,v,aH,2,O+bO,2,C,s,H,t,O,u,mNH,3,nCO,2,热量,填埋废物的含水量达到田间含水量，开始产生渗滤液，此时填埋场内的氧气已,被逐渐消耗尽转变为厌氧环境，废物由好氧降解过渡到厌氧降解，主要起作用,的微生物是兼性厌氧菌和真菌,ORP,不断下降,NO,3,和,SO,4,2,在,ORP,为,50,100mv,时被还原生成,N,2,和,H,2,S,气体，在,150,300mv,时,CH,4,气体开始产生生成,pH,开始下降。随着,ORP,和,

6、pH,的进一步降低，开始进入第三阶段,填埋场气体中,H,2,含量上升标志着产酸阶段开始。在此阶段，兼性和专性厌氧菌,将复杂有机物转化为有机酸和其它中间产物，如甲酸、富里酸等，同时产生大,量,CO,2,和少量,H,2,重金属离子含量上升至中期达到最大，随后逐渐下降,pH,继,续下降至中期达到最低，可降到,5,或更低，之后逐渐升高,BOD,5,COD,挥发,性脂肪酸和电导率也显著上升。反应如下,可降解废物,O,2,CO,2,H,2,O,热量,生物量,乙酸,残余物,CO,2,H,2,O,H,2,CO,3,过,渡,阶,段,产,酸,阶,段,第一节,城市固体废物稳定化过程,当,H,2,含量降到很低时，固体

7、废物就进入产甲烷阶段，产甲烷菌将上一阶段产生的,有机酸和,H,2,转化为,CH,4,和,CO,2,气体，主要反应为,CH,3,OOH,CH,2,O,CH,4,CO,2,热量,在产甲烷阶段前期，当,CH,4,含量达到,50,左右时,pH,值升高至,6.8,8.0,并保持稳,定，而,BOD,5,COD,VFA,重金属离子和电导率急剧下降；此后,CH,4,含量稳定,在,55,左右，此时,BOD,5,COD,VFA,重金属离子和电导率缓慢下降,又称成熟阶段，废物中的可降解有机物基本被降解完后，填埋场进入稳定阶段,此时，填埋场只有少量的微生物分解废物中难降解的物质，产气率明显下降,填埋场气体的组成还是以

8、,H,4,和,CO,2,为主，也可能含有少量氮气和氧气；渗滤,液中大部分是难生物降解或不可生物降解的腐殖酸和富里酸等,产,甲,烷,阶,段,稳,定,阶,段,在理论上，如果填埋废物有足够的含水率和营养物质，且不存在毒性抑制物质时,这五个阶段随时间依次在各个填埋单元同时进行。但实际上废物填埋是分区、分批进,行的，填埋环境和废物组分也存在一定的差异，填埋废物在时空范围内存在异质性,因此，废物稳定化的五个阶段经常出现重叠。即使在同一填埋单元内，废物层的物理,化学特性和生物环境也存在差异，废物的稳定化速率也有差异，所以填埋场实际是由,不同稳定化阶段组成的混合体,第一节,城市固体废物稳定化过程,调整,过渡,

9、产酸,产甲烷,稳定,N,2,CO,2,H,2,VFA,pH,VFA,Fe,Zn,COD,图,9,2,固体废物稳定化过程及物质变化特点,第一节,城市固体废物稳定化过程,三,影响填埋场垃圾稳定化的因素,影响填埋场垃圾生物降解的因素较多，主要包括垃圾组成、垃圾,的含水率（湿度）、温度、粒径,pH,营养物质、抑制物质等，现分别,介绍如下,1,固体废物的特性,微生物对不同的垃圾组分的降解速度不同；垃圾的粒径对垃圾的降解,速度有明显影响；垃圾破碎可以改善压实效果、增加填埋场垃圾的纳入,量，有利于填埋垃圾均匀降解；同时，破碎增大了垃圾的比表面积，扩,大了固液接触面积，加快了垃圾中有机物的溶出速度，促进胞外酶

10、对有,机物的分解，加快垃圾降解速度,2,湿度,若填埋垃圾含水率太低，会使微生物失活，延缓填埋垃圾的降解,若含水率太高，虽然有利于可溶性物质和营养物溶解，促进填埋场内物,质传递和营养均衡，有利于微生物的生长繁殖，加快垃圾降解速度，但,过高的发酵微生物活性，将造成填埋场内有机酸的积累和低,pH,环境，抑,制垃圾降解进程的发展,第一节,城市固体废物稳定化过程,3,温度,温度对生物降解起重要的作用，温度太高或太低都不利于微生物,的降解。在生物降解过程中，每一种细菌都有一个最佳生长温度范围,4.pH,pH,对微生物生长的影响主要有：首先,pH,的变化会引起细胞膜电,荷的变化，从而影响微生物对营养物质的吸

11、收和酶的活性；其次,pH,能,够改变环境中营养物质的有效性和有害物质的毒性,pH,过高或过低都会,抑制微生物的生长,5,营养,微生物生长所需的主要元素有,C,H,O,N,P,S,等，占细胞干,重的,97,所需微量元素有,Zn,Mn,Na,Cl,Cu,等。一般认为厌氧生,物处理系统中物料的,C: N: P,比应为,100: 5: 1,6,毒性物质,垃圾中的毒性物质主要有有机酸、氨氮、硫化物和重金属等，它,们对垃圾的降解速度都有不同程度的影响,第二节,生物反应堆填埋场,一,生物反应堆,一）生物反应堆的概念,生物反应堆,Bioreactor,填埋场是一种可控制的填埋场，通过提,高固体废物的湿度、增加

12、空气浓度等措施优化微生物的生长环境来加,速或强化微生物对固体废物的转化（如图,9-2,生物反应堆填埋场填埋时，首先进行废物预处理，主要考虑废物,的均匀性、粒度、透气性等因素，必要时进行破碎和分选。另外，为,加速微生物降解速度，一般需补充水份、调节,pH,增加营养元素等,反应堆填埋场的核心技术是渗滤液循环,二）反应堆的微生物学结构,1,内部处于厌氧分解状态的压缩城市垃圾,2,表层。填埋场上部能与空气接触的部分，处于好氧状态,3,渗滤液。是一种潜在的微生物活动流体，它可以被好氧或厌氧处理,也可以循环分解,第二节,生物反应堆填埋场,图,9-2(a,生物反应堆示意图,第二节,生物反应堆填埋场,图,9-

13、2(b,生物反应堆示意图,第二节,生物反应堆填埋场,二,生物反应堆理论主要解决的问题,1,如何加快固体废物填埋场内有机污染物的分解速度，以缩短,反应堆”的反应时间,2,如何确定固体废物填埋场内部以生物作用为主的过程向以地,球化学作用（非生物过程）为主过程的转变,3,为了缩短反应时间，减少污染物质向环境的释放和避免二次,污染物的生成，什么样的固体废物不应该进入反应堆型填埋场,4,填埋场内部设备的使用寿命和防护层的寿命,5,采用何种方法和参数来研究填埋场地中废物的演化和状态,三,生物反应堆的特点,1,稳定化速度快,渗滤液循环提高了填埋场内填埋层的含水率，增加了微生物数,量，提高了营养物质、能量和水

14、分等的均匀性，促进了微生物的生,长，从而加速了固体废物的稳定化速度；另外，渗滤液循环使,VFA,和,重金属的浓度很快降低，减少了其对微生物的毒害抑制作用,第二节,生物反应堆填埋场,2,提高了填埋气体的产生速度和产量,渗滤液循环有利于在生物反应堆内形成产甲烷的环境,湿度增大,ORP,降低、重金属离子浓度下降,提高产甲烷速率；同时，又补充,了大量的有机物和微生物，增加了填埋场的甲烷产量,3,增大填埋场的沉降,随着垃圾的降解，填埋垃圾的体积会不断减少，而且垃圾降解量,越大，填埋垃圾体积减少也就越多，沉降越大。因此，生物反应堆填,埋场较高的沉降增大了填埋场实际可容纳的垃圾量，提高了填埋场的,使用效率,

15、4,缩短填埋场封场后的维护期,生物反应堆填埋场由于加速了垃圾的降解，所以大大缩短了垃圾,的稳定化时间。另外，生物反应堆填埋场对垃圾渗滤液进行了原位处,理，改善了渗滤液的水质，而且在渗滤液循环过程中的蒸发作用使得,渗滤液的量大大减少，从而降低了渗滤液的处理成本，节省运行管理,和维护费用,第二节,生物反应堆填埋场,四,生物反应堆的类型,1,好氧生物反应堆,Aerobic Bioreactor,图,9-4,利用好氧微生物在有氧条件下的代谢作用将废物中复杂的有机物,分解成,CO,2,和水，其主要条件是保证充足的,O,2,稳定的温度和湿度,图,9-4,好氧生物反应堆示意图,第二节,生物反应堆填埋场,2,

16、厌养生物反应堆,Anaerobic Bioreactor,图,9-4,利用在无氧条件下生长的厌养或兼性菌的代谢作用处理废物，其,主要降解产物是,CH,4,和,CO,2,一般需保证温度、无氧或低溶解氧浓度,图,9-4,厌氧生物反应堆示意图,第二节,生物反应堆填埋场,3,准好氧反应堆,Facultative Bioreactor,图,9-5,是使渗滤液集水沟水位低于渗滤液集水干管管底高程，大气可以通,过集水干管上部空间和排气通道，使填埋场具有一定的好氧条件,图,9-5,准好氧生物反应堆示意图,第二节,生物反应堆填埋场,4,混合生物反应堆,Hybrid Bioreactor,是既有好氧又有厌氧的生物

17、处理方法，在填埋下一层废物之前,好氧处理,30,60,天，目的是让废物尽快经过产酸阶段为进入厌氧产,甲烷阶段作准备,第三节,生物反应堆处理的强化,一,生物反应堆强化的理论依据,根据微生物反应的基本原理，固体废物的厌氧分解主要包括产酸和产,甲烷阶段。传统的填埋处理实际上是这两个阶段同时存在的组合处理,如果不加任何调节，在固体废物稳定化的初期阶段产生的有机酸不断积,累，对甲烷的产生起一定的抑制作用，延长了固体废物稳定化的时间,如果能够有效解决固体废物稳定化过程中有机酸的积累对产甲烷的抑制,问题或使产酸阶段和产甲烷阶段有效分离而分别进行，就可以加快固体,废物的稳定化速度，这就是生物反应堆的强化,二,

18、生物反应堆强化的措施,生物反应堆的强化措施有：渗滤液循环、调节,pH,强制通风、增加微,生物量、分段（两段法）等措施来实现,一）渗滤液循环,填埋场渗滤液循环处理就是把垃圾填埋场产生的渗滤液直接回灌、喷,洒到填埋场，利用垃圾层和覆盖土层的净化作用来处理固体废物和渗滤,液的一种方法,第三节,生物反应堆处理的强化,将渗滤液回灌到垃圾填埋层内，使得更大范围的微生物都能利用渗,滤液中的有机污染物，在微生物大量繁殖的同时，渗滤液中的污染物,也得到了降解,经回灌处理后的垃圾填埋层，空隙多并且发育良好，各类微生物明,显增多，同时出现一定数量的原生动物及大量菌胶团，垃圾填埋层相,当于一个生物滤池。由于作为“填料

19、”的垃圾自身不断被降解，提供,了比普通滤池还要大的空隙率，而且，填埋场中的微生物一般会对渗,滤液中的污染物具有很强的适应性和降解能力，不需要长期驯化培养,通过适量的表面喷洒、回灌，可充分利用潜在的土地蒸发量，有效,减少渗滤液的处理水量,渗滤液循环可以提高营养物质、能量和水分等的均匀性，为微生物,的生长提供适宜的生长环境,第三节,生物反应堆处理的强化,二,pH,调节,通过添加粉煤灰,HCO,3,OH,CO,3,2,等具有碱性性质的物质来改,善产生的有机酸和碳酸对产甲烷菌的抑制作用,三）强制通风,好氧通风能使好氧菌、兼性菌和厌氧菌等不同的微生物种群在同一,填埋场中同时发挥作用，实现优势生长,通风时

20、，部分有机酸直接转化为,CO,2,和,H,2,O,释放，使,pH,升高，缓解了,pH,对微生物生长的抑制，加快了固体废物的稳定进程,通风过程中,CO,2,和部分有机酸被吹脱出来，对,pH,的降低有一定的缓,解作用,间歇好氧通过对,pH,的影响有利于产酸和产甲烷两阶段的分离，优化,了微生物的生长环境，提高了微生物对固体废物的降解效率,四,增加生物量,可通过添加活性污泥等增加填埋场的生物量,五）分段法,通过一定的技术手段将固体废物稳定化过程中的产酸阶段和产甲,烷阶段分离，减轻或消除低,pH,对产甲烷菌生长的抑制,第三节,生物反应堆处理的强化,N,2,CH,4,CO,2,H,2,S NH,3,O,2,NH,4,S,2,N,2,CH,4,CO,2,H,2,S NH,3,NO,3