固体废物的生物处理314

固体废物的生物处理314第1页/共57页第一节固体废物的好氧堆肥处理（一）堆肥化的定义与分类堆肥化(Composting):在人工控制的条件下，依靠自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程堆肥(Compost)：堆肥化产物。第2页/共57页分类：根据堆肥化过程中氧气的供应情况1、好氧堆肥（高温堆肥）：好氧微生物在与空气充分接触的条件下，使堆肥原料中的有机物发生一系列放热分解反应，最终使有机物转化为简单而稳定的腐殖质的过程。特点：一般在55～60℃时比较好，有时可高达80～90℃，堆制周期短，也称为高温堆肥或高温快速堆肥。2、厌氧堆肥：在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。特点：堆制温度低，工艺较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，但堆制周期过长，需3～12个月，异味浓烈，分解不够充分。第3页/共57页堆肥原料和堆肥微生物常用的堆肥原料：生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便及农林废物等。这些物质中含有堆肥微生物所需要的各种基质——碳水化合物、脂类、蛋白质。好氧堆肥微生物：嗜温菌和嗜热菌嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围（℃）细菌最低适宜最高嗜温菌15~2525~4043嗜热菌25~4540~5085第4页/共57页第5页/共57页合成(同化作用)氧化堆肥有机物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物细胞物质(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3

，PO42-，SO42-能量随水或气体排入环境释放能量转化为热供生物合成用(异化作用)+腐殖物质+好氧堆肥原理1、好氧堆肥过程堆肥有机物分解过程图第6页/共57页2、好氧堆肥化反应机理

①有机物的氧化

不含氮的有机物（CxHyOz）

CxHyOz+(x+1/4y-1/2z)O2→xCO2+1/2yH2O+能量

含氮的有机物(CsHtNuOv•aH2O)

CsHtNuOv•aH2O+bO2→CwHxNyOz•cH2O(堆肥)+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量第7页/共57页②细胞质的合成（包括有机物的氧化以NH3为氮源）。

n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5x)O2→C5H7NO2(细胞质)+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量③细胞质的氧化

C5H7NO2(细胞质)+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量

第8页/共57页第9页/共57页堆肥化过程大致可分为以下四个阶段：潜伏阶段中温阶段（产热阶段）高温阶段腐熟阶段第10页/共57页

堆制初期，15～45℃，嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升，此阶段以中温、需氧型微生物为主，一些无芽孢细菌，真菌和放线菌。此阶段一般在12小时以内。（2）中温阶段（产热或起始阶段）

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45℃以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。

50℃左右主要是嗜热性真菌和放线菌；

60℃时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌；

70℃以上大多数嗜热性微生物不适应，大批死亡、休眠。（3）高温阶段第12页/共57页微生物活性示意图1.微生物活性

2.O2利用率0时间对数增长期减速增长期内源呼吸期微生物在高温阶段的生长过程细分为：对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。此后，堆积层内开始发生腐殖质的形成过程，堆肥过程逐步进入稳定状态。第13页/共57页嗜温性微生物占优势，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水量降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。（3）降温阶段(腐熟阶段)

第14页/共57页4、影响堆肥化的因素（1）化学因素①C/N比和C/P比:C/P比在75~150为宜②氧浓度③pH值:堆肥微生物最佳的pH=7.5~8.5。（2）物理因素①温度:最佳温度50~65℃②颗粒尺寸③含水率:在50%~60%。第15页/共57页固体废物的含水率(水分含量或水分)：测定方法：1.废物样品测取其初始质量后（测定无机物时，可称取样品20g左右，在105℃下干燥，恒重至±0.1g，测定水分含量。2.测定样品中的有机物时,应称取样品20g左右,于60℃下干燥24h，确定水分含量），在控温于105℃±1℃的干燥箱内进行烘干，直至恒重（要求：在最初连续烘干2~4h后，间隔1h将样品取出称重，如间隔称重的差值<0.005g或样品总质量的2/1000，则可认为达到恒重），该样品的含水率按下式计算后给出：第16页/共57页例题1用一种成分为C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥实验。实验结果：每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg，测定产品成分为C11H14NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。第17页/共57页例题2废物混合最适宜的C/N比计算：树叶的C/N比为50，与来自污水处理厂的活性污泥混合，活性污泥的C/N比为6.3，分别计算各组分的比例使混合C/N比达到25.假定条件如下：污泥含水率75%；树叶含水率50%；污泥含氮率5.6%，树叶含氮率0.7%第18页/共57页（三）堆肥的基本工序1、前处理

预处理工序、调节水分和养分2、主发酵（一次发酵）将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段，堆肥过程的中温阶段和高温阶段，时间约4～12d。第19页/共57页3、后发酵（二次发酵）腐殖酸、氨基酸等较稳定的有机物熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段，发酵时间通常在20～30d以上。4、后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。5、脱臭6、贮存

第20页/共57页第21页/共57页第22页/共57页堆肥腐熟度: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度评价第23页/共57页⑤腐殖质用NaOH提取的腐殖质(HS)可分为胡敏酸(HA)、富里酸(FA)及未腐殖化的组分(NHF)。堆肥开始时一般含有较高的非腐殖质成分及FA，较低的HA，随着堆肥过程的进行，FA保持不变或稍有减少，而HA大量产生，成为腐殖质的主要部分。一些腐殖质参数相继被提出，如腐殖化指数(HI)：HI=HA/FA；腐殖化率(HR)：HR=HA/(FA+NHF)

。当HI值达到3，HR达到1.35时堆肥已腐熟。第24页/共57页复习思考题1、解释名词：堆肥化；堆肥；高温好氧快速堆肥；一次发酵；二次发酵；腐熟度。2、好氧堆肥过程可分为哪几个阶段？各阶段的特点是什么？3、堆肥中发挥作用的微生物主要有哪些？各有什么作用？4、影响堆肥化的因素有哪些？如何控制？5、试述评价成熟堆肥的方法及其参数和指标。第25页/共57页生物转化技术——沼气发酵

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。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、碳氢化合物(CmHn)等。（一）基本概念第26页/共57页厌氧硝化技术的特点过程可控制、降解快、生产过程全封闭资源化利用好易操作产物可再利用利于防疫产生H2S等恶臭气体厌氧微生物生长速率低，设备体积大第27页/共57页第28页/共57页第29页/共57页1、两阶段理论

将厌氧发酵分为产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。2、三阶段理论

1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌。比较常用第30页/共57页第31页/共57页3、四阶段理论①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。④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。②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。③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。第32页/共57页第33页/共57页2.人粪和猪粪质量各1000kg，配合成C/N比为30:1的混合发酵原料，需多少麦秸？解：设麦秸为X1kg，依据上表，麦秸C1为46%，N1为0.53%；人粪中C2为2.5%，N2为0.85%；猪粪中C3为7.8%，N3为0.6%；则X1=1102.99(kg)第34页/共57页三厌氧发酵工艺从发酵原料到生产沼气的整个过程所采用的技术和方法。原料的收集和预处理；接种物的选择和富集；沼气发酵装置形状选择；启动和日常运行管理；副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。第35页/共57页第36页/共57页第37页/共57页第38页/共57页第39页/共57页设计的相关参数设计水压式沼气池时需掌握的主要参数：①气压：7480Pa（即80cm水柱）为宜②池容产气率：每立方米发酵池容积一昼夜的产气量，m3沼气/(m3池容.d)。我国通常采用的池容产气率为0.15、0.2、0.25和0.3③贮气量：气箱内最大沼气贮存量。农村家用水压式沼气池最大贮气量以12h产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。④池容：发酵间的体积。农村家用式沼气池的池容积为4、6、8、10m3等。⑤投料率：最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85~95%第40页/共57页2.发酵间的设计（1）确定池容（2）确定贮气量（3）计算圆筒形发酵间容积式中：V1,V2,V3——池盖容积、池底容积、池身容积；f1,f2,f3——池盖矢高，池底矢高r1——池盖曲率半径，它与其他尺寸的关系为：r2——池底曲率半径，它与其他尺寸的关系为

R——池体内径

H——池身高度RV1V2H第41页/共57页综合各种因素，比较合理的沼气池设计对于池容积为4、6、8、10m3的小型沼气池H=1第42页/共57页例题1：已知：D=2.4m，求f1，f2，H尺寸。例题2：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尺寸.RV1V2f2H第43页/共57页确定进出料管安装位置①计算死气箱拱的矢高f死=h1+h2+h3②h1=10~15cm；h2=3~5cm；h3=20~30cm③死气箱容积：④投料率：⑤气箱总容积：V气=V死+V贮⑥发酵间最低液面位：第44页/共57页例题：有一口6m3圆筒形水压式沼气池，D=2.4m，f1=0.48m，r1=1.73m，池容产气率为0.35m3沼气/(m3池容.d)，求进出管的竖直安装位置。解：①死气箱拱的高度，设h1=12cm，h2=5cm，h3=25cm

则f死=h1+h2+h3=42cm②死气箱容积③投料率④最大贮气量