固体废物的生物处理(3)演示课件

1、1,固体废物处理,使学生了解和掌握常见固体废弃物资源化和处理的常用技术和方法,2,第九章 固体废物的生物处理,教学目标: 1.掌握堆肥化概念和好氧堆肥原理； 2.了解并掌握堆肥化过程； 3.熟悉好氧堆肥程序、工艺、装置并掌握好氧堆肥的影响因素； 4.掌握有机物的厌氧发酵过程； 5.理解并掌握厌氧发酵的影响因素及其控制； 教学重点：好氧堆肥的影响因素；厌氧发酵的影响因素及其控制 教学难点：厌氧发酵的影响因素及其控制,3,第九章 固体废物的生物处理,9.1生物处理理论基础 9.2好氧生物降解制堆肥 9.3厌氧发酵处理制沼气,4,9.1生物处理理论基础,生物处理法是最主要的污水处理方法之一，人们对有

2、机固体废物生物转换技术也进行了深入的研究。,5,微生物同所有生物一样，在生命活动过程中从周围环境吸取养料，并在体内不断进行物质转化和交换作用，这种过程称之为新陈代谢，简称代谢。 物质分解及提供能量的代谢称为分解代谢。 消耗能量合成生物体的代谢称为合成代谢。 两种代谢是不可分割、互为依存的。,9.1生物处理理论基础,6,微生物的种类 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。 在无氧环境中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。,9.1生物处理理论基础,7,生物处理方法： 好氧生物处理法 厌氧生物处理法,9.1生物处理理论基础,8,好氧生物

3、处理法是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。 堆肥化利用有机固体废物生产堆肥，已有几千年历史。随着生产力发展和科技进步，堆肥化技术已得到不断改进。,9.1生物处理理论基础,9,堆肥化满足以下两方面要求 人工堆肥是有机肥，对改善土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产都是有益的，是农业、林业生产需要的； 各国有机固体废物数量逐年增加，需要对其处理的卫生要求也日益严格，从节省资源与能源角度出发，有必要把实现有机固体废物资源化作为固体废物无害化处理、处置的重要手段。,9.1生物处理理论基础,10,厌氧生物处理法，是在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有

4、机物进行降解、稳定的一种无害化处理。 厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分能量以甲烷形式出现，仅少量有机物被转化、合成为新的细胞组成部分。,9.1生物处理理论基础,11,有机固体废物沼气化是一种成熟的厌氧生物处理法。沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料。 固体废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环境卫生都有重要作用，因而是一种经济而理想的生物转换技术。,9.1生物处理理论基础,12,9.2好氧生物降解制堆肥,9.2.1堆肥化概念 9.2.2堆肥化原理 9.2.3堆肥化过程 9.2.4堆肥化程序 9.2.5堆肥化影响因素 9.2

5、.6堆肥化工艺与装置 9.2.7堆肥质量与效用 9.2.8堆肥质量与效用,13,9.2.1堆肥化概念,堆肥化(composting)：是在控制条件下，使来源于生物的有机废物，发生生物稳定作用的过程。 堆肥(compost)：废物经过堆肥化处理，制得的成品。它是一类腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。 废物经过堆制，体积一般只有原体积的5070。按照堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧法。,14,9.2.2堆肥化原理,好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。 可溶性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收； 不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生

6、物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。,15,9.2.2堆肥化原理,微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程)，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。,16,9.2.2堆肥化原理,有机物的氧化： 不含氮有机物（CxHyOz）的氧化,17,9.2.2堆肥化原理,有机物的氧化： 含氮有机物（CsHtNuOvaH2O）的氧化,18,9.2.2堆肥化原理,细胞质的合成,19,9.2.2堆肥化原理,细胞质的氧化,20,9.2.3堆

7、肥化过程,好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比较复杂，依据温度变化，分为三个阶段。,中温阶段(产热阶段),腐熟阶段,高温阶段,21,9.2.3堆肥化过程,中温阶段(产热阶段) 堆肥初期，堆层呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。 此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段的微生物种类极多，最主要是细菌、真菌和放线菌。细菌特别适应水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能。,22,9.2.3堆肥化过程,高温阶段 ： 通常在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60时，真菌等嗜温性微生物几乎完全停止

8、活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度升到70以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动。,23,9.2.3堆肥化过程,高温阶段 堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。,24,9.2.3堆肥化过程,高温阶段： 微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期： 对数生长期 减速生长期 内源呼吸期,25,9.2.3堆肥化过程,高温阶段 在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程，即腐殖质的形成

9、过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态,26,9.2.3堆肥化过程,腐熟阶段 嗜温微生物占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。 降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风。,27,9.2.4堆肥化程序,前处理：破碎分选出不可降解物，使得堆肥原料水分、粒度达到要求。调整水分和碳氮比。 主发酵：温度升高到开始下降为止的阶段。4-12天。发酵仓，通风搅拌，中温高温阶段持续4-12d。 后发酵：少量通风，搅拌，20-30d 后处理：分选除杂质。分选破碎 脱臭：每个工序均需要除臭 贮存：集中贮存，统一销售,28,

10、9.2.5堆肥化影响因素,对于快速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，其他尚有有机质含量、碳氮比、碳磷比、pH值等。,29,9.2.5堆肥化影响因素,通风：微生物氧化分解有机物需要氧气，搅拌。 含水率：微生物需要水分维持生长代谢，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质。 有机物的含量：原料适宜的有机物含量为2080。 碳氮比：初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26：135：1之间。 温度：整个堆肥过程的较佳温度是3555。 pH：好氧堆肥初期，pH值一般可下降为56，尔后又开始上升，发酵完成前可达8.59.0，最终成品达到7.08.0

11、碳磷比：堆肥适宜的碳磷比为75150。,30,9.2.5堆肥化影响因素,通风：微生物的耗氧速率在堆肥化60-80小时达到峰值，适宜的氧浓度为14-17%。 供氧方式：翻堆通风、风机供风、风管通风。,31,9.2.5堆肥化影响因素,通风量：决定于堆肥原料有机物含量、挥发度，可降解系数等。可用下式推算出理论上氧化分解需要的氧气量，再折算成理论空气量。,r=0.5b-nx-3(c-ny)； s=a-nw；n为降解效率(摩尔转化率1)； CaHbNcOd和CwHxHyOx分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。,32,9.2.5堆肥化影响因素,用一种成分为C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆

12、肥化试验。试验结果，每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg，测定产品成分为CllHl4NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。 解 (1)计算出堆肥物料C31H50NO26千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=(1000/852)kmol=1.173kmol； (2)堆肥产品CllHl4NO4的千摩尔质量为224kg，可算出每摩尔参加过程的残余有机物摩尔数即n=200/(1.173224)=0.76； (3)由已知条件：a=31，b=50，c=1，d=26，w=11，x=14，z=1，y=4，则 r=0.550-0.7614-3(1-0.761)=19.32

13、S=31-0.7611=22.64 (4)所需的氧量为： W=0.5(0.764+222.64+19.32-26) 1.17332kg=781.5kg,33,9.2.5堆肥化影响因素,含水率：用生活垃圾制堆肥时，含水率55%适宜。生活垃圾加污泥或粪便调节含水率。添加的调节剂与垃圾的重量比，可根据下式求出：,M调节剂与垃圾的重量(湿重)比； Wm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率，调节剂含水率。,34,9.2.5堆肥化影响因素,堆肥物料的水分调节可根据采用回流堆肥工艺的物料平衡进行。,Xc城市垃圾原料的湿重； Xp堆肥产物的湿重； Xr回流堆肥产物的湿重； Xm进入发酵混合物料的总湿重

14、； Sc原料中固体含量(质量分数)，； Sp=Sr堆肥产物和回流堆肥的固体含量(质量分数)，； Sm进入发酵仓混合物料的固体含量(质量分数)，。,35,9.2.5堆肥化影响因素,湿物料平衡式 Xc+Xr=Xm (1) 干物料平衡式 ScXc+SrXr=SmXm (2) 由(1) (2) 得 ScXc+SrXr=Sm(Xc+Xr) (3) 令Rw为回流产物湿重与垃圾原料湿重之比，称为回流比率，则 Rw=Xr/Xc (4) 由式(3)变形得 Xr(Sr-Sm)=Xc(Sm-Sc) 故 Rw=Xr/Xc=(Sm-Sc)/(Sr-Sm) (5) 如令Rd为回流产物的干重与垃圾原料干重之比，则 Rd=S

15、rXr/(ScXc) (6) 将式(3)变形整理得 Rd=(Sm/Sc-1)/(1-Sm/Sr) (7) (5)(7)计算以干重或湿重为条件的回流比率。,36,9.2.5堆肥化影响因素,(2) 湿基回流比率：,拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量Sc为30，每天处理量为10t(以干物料基计算)，采用回流堆肥(其Sr为70)起干化物料作用，要求混合物Sm为40，试用两种基准计算回流比率，并求出每天需要处理的物料总量为多少吨? 解 (1) 干基回流比率：,(3)可根据Rd或Rw算出每天需处理物料的总量(湿)。 总量污泥饼量+回流堆肥量 由Rd：总量=(100.30)+(100.777)0.

16、30t/d=44.4t/d 由Rw：总量=(100.30)+(100.333)0.33t/d=44.4t/d 可见两种方法算出物料总量是一致的。,37,9.2.5堆肥化影响因素,有机物的含量：原料适宜的有机物含量为2080。含量过低，影响堆肥化过程的温度；过高，供氧困难。,38,9.2.5堆肥化影响因素,碳氮比：初始原料碳氮比较低，一般需加入添加剂调整。 K=（C1+C2）/（N1+N2） 式中：K为混合后原料的碳氮比，C1、C2、N1、N2为原料与添加剂的碳氮比。,39,9.2.5堆肥化影响因素,温度：整个堆肥过程的较佳温度是3555。 有机物含量对堆肥化温度的影响：含量由20%升到50%时

17、，堆肥化时间由60小时降到40小时， 55以上稳定时间由56小时升到72小时。,40,9.2.6堆肥化工艺,间歇式发酵工艺与装置,41,9.2.7堆肥化装置,间歇式发酵工艺与装置,42,9.2.7堆肥化装置,Dano 发酵器,连续式发酵工艺与装置,进料：通过安装在固定端前壁的进料口进料。出料：后壁的闸门。 末端有筛子分离器。 完成一次发酵时间为3-5天，出料后收集送到二次发酵室腐化5-6周。,43,9.2.8堆肥质量与效用,堆肥的质量：包括适用于农用的成分和养分，符合卫生条件的无害化和腐熟度。,44,9.2.8堆肥质量与效用,堆肥的成分与养分：碳、氮、磷、钾等含量参考国外的标准。 堆肥的无害化

18、：以污水污泥为原料，采用传统间歇法，高温需46度以上5个月消毒；以垃圾为原料，采用丹诺发酵器，60度以上高温7天左右。,45,9.2.8堆肥质量与效用,堆肥的腐熟度：成品堆肥的稳定程度。工程上是衡量堆肥反应完成的信号；农业上是堆肥质量的指标。 腐熟度评定方法： 直观经验法：成品堆肥呈棕色或暗灰色，具有明显的土壤气味。 淀粉测试法：成品堆肥中淀粉应全部转化。 耗氧速率法：仪器测定堆肥中氧气和二氧化碳的浓度，以确定堆肥发酵程度。,46,9.2.8堆肥质量与效用,堆肥的农业效用：改土作用、培肥、促进作物生长和增产作用。 堆肥农用中不利因素：堆肥中有机物含量不高，只能作为土壤改良剂和调节剂使用；堆肥中

19、有害元素和物质进入土壤中，可能富集；堆肥成品成本较高，影响推广。,47,9.3厌氧发酵处理制沼气,9.3.1厌氧发酵概念 9.3.2厌氧发酵过程 9.3.3厌氧发酵原料 9.3.4厌氧发酵影响因素 9.3.5厌氧发酵应用,48,9.3.1厌氧发酵概念,厌氧发酵就是在厌氧条件下，有机物经厌氧菌分解产生甲烷（即沼气）的过程。 产生的沼气可以发电，也可以直接供居民作燃料和照明用。厌氧发酵后的残渣是优良的腐殖土，可以作饲料和优良的肥料。,49,9.3.2厌氧发酵过程,液化阶段：发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶性物质，细菌继续吸收可溶物生成不同产物。 产酸阶段：产氢、产醋酸细菌

20、将前一阶段的中间产物进一步分解成氢气和醋酸。 产甲烷阶段：甲烷菌利用氢气和二氧化碳将低分子有机物转化为甲烷。,50,9.3.3厌氧发酵原料,适合用厌氧发酵回收能源的固体废弃物有许多，如人畜粪便、农作物秸杆等农业固体废弃物、城市垃圾和工业固体废弃物（如污泥）等。,51,9.3.3厌氧发酵原料,1原料的产气率和甲烷含量 沼气发酵原料产气率是指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量。我国通常用原料所含总固体(TS)的量作原料单位表示原料的产气量。,52,9.3.3厌氧发酵原料,沼气发酵原料的理论产气量 先分别测定每种发酵厨料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的含量，然后依据下式计算甲烷的产量(E) E

21、=0.37A+0.49B+1.04C E每克发酵原料的理论产甲烷量，L； A、B、C分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的重量g。 然后，下式计算二氧化碳的理论产量(D) D=0.37A+0.49B+0.36C D-每克发酵原料的理论二氧化碳产量，L；,53,9.3.3厌氧发酵原料,2原料的总固体百分含量和总固体量 原料的总固体百分含量和总固体量按下式计算：,MTS发酵原料总固体百分含量， W1发酵原料样品重量， W2样品在105土2条件下烘干衡重量， W发酵原料重量， WTS发酵原料所含总固体量。,54,9.3.3厌氧发酵原料,有1000kg猪粪，从中称取10g样品，在105烘

22、至恒重后的量为1.95g，求其总固体百分含量和总固体量。,55,9.3.3厌氧发酵原料,3原料的碳氮比 适宜碳氮比为20：130：1， 碳氮比达到35：1时，产气量明显下降。 为了使发酵过程有一个较高的产气量，可以降原料适当配合，形成适宜厌氧发酵的混合原料。,56,9.3.3厌氧发酵原料,依据下式可以计算混合原料的碳氮比，或者按要求的碳氮比计算搭配原料的数量。,K混合原料的碳氮比； C、N分别为原料中碳、氮含量，； X原料的重量，kg。,57,9.3.3厌氧发酵原料,4发酵料浆的配制计算 原料配制成料浆，可根据料浆中所要求的总固体百分含量，计算加水量。,MTS沼气发酵料浆中总固体百分含量 X各

23、种原料（包括水）的重量； M各种原料总固体的百分含量。,58,9.3.3厌氧发酵原料,人粪100kg，含总固体量20；猪粪100kg，含总固体量20；稻草98.9kg，含总固体量90。将其配置成总固体含量为6的发酵料浆，需加多少水（W）？ 解：,W1851kg,59,9.3.4厌氧发酵影响因素,发酵温度 体系PH值 通风搅拌,60,9.3.4厌氧发酵影响因素,低温发酵：即自然温发酵，工艺流程简单，发酵时间较长（需几个月时间），产气率低，不易杀灭病原体等致病微生物。 中温发酵：一般控制温度在37-38，这是甲烷菌的第一个最佳活性温度； 高温发酵：一般控制温度在52-53，这是甲烷菌的第二个最佳活

24、性温度。 中温发酵和高温发酵的工艺流程较复杂，能耗较高，管理也较复杂，但产气率高，发酵时间短（一般中温发酵1个月左右而高温发酵10-20天左右），适合于现代工厂化的发酵装置。,61,9.3.4厌氧发酵影响因素,厌氧发酵对PH值的要求也很高，适合甲烷菌生长的最佳PH=6.8-7.0，所以在发酵过程中一般控制体系的PH值在6.5-7.5之间,62,9.3.4厌氧发酵影响因素,虽然是厌氧发酵，但在发酵的过程中也需一定量的氧气，必须在发酵过程中对物料进行必要的搅拌，一般有机械搅拌和气体搅拌两种，气体搅拌可以用空气也可以用氮气搅拌。,63,9.3.5发酵装置水压式沼气池,厌氧发酵装置是微生物分解转化废物

25、中有机质的场所，是厌氧发酵工艺中的主体装置。水压式沼气池应满足下列基本要求： (1)最大限度满足沼气微生物的生活条件，要求池内保留大量微生物； (2)具有最小的表面积，有利于保温增温，使其热损失量最少； (3)使用很少的搅拌动力，使整个沼气池混合均匀； (4)易于破除浮渣，方便去除器底沉积污泥； (5)要实现标准化、系列化、工厂化生产； (6)能适应多种原料发酵，且滞留期短； (7)占地面积少，且便于施工。,64,9.3.5发酵装置水压式沼气池,1设计参数 (1)气压：7480Pa(即80cm水柱)为宜。 (2)池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m3沼气/(m3

26、池容d)。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。 (3)贮气量：贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压式沼气池的最大贮气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。 (4)池容：池容系指发酵问的容积。农村家用水压式沼气池的池容积有4、6、8、10m3等几种。 (5)投料率；投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在8595之间为宜。,65,9.3.5发酵装置水压式沼气池,2发酵间的设计 (1)确定池容,(2)确定贮气量,66,9.3.5发酵装置水压式沼气池,2发酵间的设计,(3)圆筒形发酵间容积 圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成。

27、三部分的容积：,67,9.3.5发酵装置水压式沼气池,2发酵间的设计 (3)圆筒形发酵间容积 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等的尺寸。,由,68,9.3.5发酵装置水压式沼气池,2发酵间的设计 (4)进出料管安装位置 进出料管的水平位置一般都确定在发酵间直径的两端。 进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间最低设计液面高度处。 计算死气箱拱的矢高：即池盖拱顶点到发酵间的最高液面O-O位置的距离。其中死气箱拱的矢高（f死）可按下式计算。,h1池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离。65cm直径的活动盖，在1015cm之间； h2导气管下露出长度，取35cm； h3一导气管下口到O-O液面距离，取20-30cm,69,9.3.5发酵装置水压式沼气池,2发酵间的设计 (4)进出料管安装位置 计算死气箱客积(V死),V死、f死、r1死气箱容积、死气箱矢高，池盖曲率半径,求投料率：根据