固体废物处理与资源化课件 第五章 第一节好氧堆肥

第五章固体废物的生物处理本章重点【概念】堆肥化、好氧堆肥、厌氧消化。【阐述】好氧堆肥过程、好氧堆肥的影响因素、厌氧消化的三段理论、厌氧消化的影响因素、蚯蚓处理技术。第五章固体废物的生物处理概述5.1固体废物的好氧堆肥化处理5.2固体废物的厌氧消化处理5.3固体废物的微生物浸出5.4固体废物的其它生物处理技术概述固体废物的生物处理是指直接或间接利用生物体的机能，利用微生物氧化（好氧堆肥）、分解（厌氧发酵）有机固体废物，从而降解有机固体废物，使其达到无害化和资源化的过程。概述生物处理的作用和特点：稳定化和杀菌、消毒作用

减量化有机废物经生物处理后，可减量30～50％，减量效果明显。回收能源回收有用物质稳定化和杀菌作用有机固体废物经生物氧化分解后转化为H2O、CO2、CH4、NH3、H2S等气体和性质稳定的难降解有机物从而达到稳定化的效果，其产品不会对环境造成污染。有机物分解过程中的厌氧环境以及反应热形成的高温可以杀灭废物中绝大多数病原体而达到无害化。回收能源人类生活中大量使用的各种生物物质是重要的太阳能储存体，蕴藏着巨大的潜在能源，利用生物技术可使其转化为可直接利用的能源，开发生物能已经成为一种时代的潮流。例如，污泥和生活垃圾的厌氧消化处理可使其中的有机物转化为具有较高能源价值的沼气，并可进一步转化为热能或电能。回收有用物质用生物处理技术从固体废物中回收有用物质的方法除好氧堆肥和厌氧发酵制取沼气外，还可利用纤维素水解生产化工原料及其他生物制品。第一节固体废物的好氧堆肥化处理5.1.1概述5.1.2好氧堆肥的基本原理5.1.3好氧堆肥的影响因素5.1.4好氧堆肥工艺5.1.5发酵工艺及装置5.1.6堆肥的质量5.1.7堆肥的农业应用5.1.1概述人类在长期的生产实践中早已懂得利用秸杆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵以制取肥料，但都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，依靠自发的生物转化作用，所以存在发酵周期长，处理能力低，有机物分解不完全，所得的肥料质量差等等问题。到20世纪20年代，出现了机械化堆肥技术，并逐渐发展成为处理生活垃圾、污水污泥、人禽畜粪便以及农业固体废物的重要方法之一。5.1.1概述堆肥化：就是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。土壤有机质的主要部分。是黑色的无定形的有机胶体。腐殖质是具有酸性、含氮量很高的胶体状的高分子有机化合物。腐殖质的主要组成元素为碳、氢、氧、氮、硫、磷等。腐殖质并非单一的有机化合物，而是在组成、结构及性质上既有共性又有差别的一系列有机化合物的混合物，其中以胡敏酸与富里酸为主。腐殖质不仅是土壤养分的主要来源，而且对土壤的物理、化学、生物学性质都有重要影响，是土壤肥力指标之一。

5.1.1概述 堆肥化系统的分类方法有多种按堆制方式分类：间歇堆积法连续堆积法按原料发酵状态：静态发酵法动态发酵法按微生物的生长环境：好氧堆肥(aerobiccomposting)厌氧堆肥(anaerobiccomposting)a.好氧堆肥(aerobiccomposting)在有氧状态下，好氧微生物对有机废物进行分解转化的过程。最终产物主要是H2O、CO2、热量和腐殖质。好氧堆肥主要用于处理城市垃圾，堆肥系统的温度一般为50～65℃，堆肥周期短，能连续操作，因此，也称为高温快速堆肥；好氧堆肥的肥料质量好，可以制作有机颗粒肥料。不足之处：需要对原料进行比较严格的分选,需要强制通风和机械搅拌,对设备要求高，运行能耗大，投资大等。b.厌氧堆肥(anaerobiccomposting)在无氧条件下，厌氧微生物对有机物进行分解转化的过程。厌氧堆肥的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。厌氧堆肥过程中，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，工艺较简单，成本低，对原料的适应性强，成品肥中氮素保留较多，但工艺条件较难控制，堆肥周期长，有机物分解速度慢，处理效率低，容易产生恶臭，有机物分解不完全，产品质量低，肥效差5.1.1概述实际上，堆肥化的好氧和厌氧是相对的，在好氧过程中，由于原料颗粒较大且不均匀，不可避免存在厌氧发酵过程；反之，由于密封不严，厌氧过程中也会有好氧菌的作用。5.2.2好氧堆肥的基本原理好氧堆肥是好氧微生物在与空气接触的条件下，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。在固体废弃物中部分工业固体废弃物、城市垃圾和农业固体废弃物都可以堆肥化。人畜粪便和有机污泥可直接堆制；城市垃圾中有许多不可堆腐的物质，需经过预处理适当排除后堆制；农业固体废弃物中，因纤维素、半纤维素、果胶、木质素等较难生物降解，也需作适当预处理后才能堆制。5.2.2好氧堆肥的基本原理堆肥有机物（含C、H、O、N、P、S、Cl）氧和微生物细胞物质（微生物繁殖）CO2,H2O,NH3,PO43-,SO42-能量同化作用异化作用转入环境释放转化为热+5.2.2好氧堆肥的基本原理堆肥过程中有机物氧化分解总的关系式（1）有机物的氧化（不含氮、含氮）（2）细胞物质的合成（3）细胞物质的氧化（1）有机物的氧化（不含氮、含氮）不含氮有机物的氧化含氮有机物的氧化（2）细胞物质的合成细胞质的同化作用是以NH3作为氮源，细胞质的合成作用包括有机物的氧化过程。（3）细胞物质的氧化细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所引起的反应：5.2.2好氧堆肥的基本原理堆肥化过程中发生的生物化学反应是极其复杂的，目前尚难进行精确的描述。在实际设计和操作过程中，通常根据温度的变化情况分为以下四个阶段。潜伏阶段中温阶段高温阶段腐熟阶段（1）潜伏阶段温度在内25℃以下此阶段为堆肥化的初期阶段；是微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。

（2）中温阶段温度25～45℃此阶段嗜温菌最活跃，他们主要利用物料中可溶解性的有机物，如糖类、淀粉，大量繁殖，在转换和利用化学能的过程中释放出细胞合成所需的多余能量，加上物料的保温作用，使温度不断上升。以细菌、真菌和放线菌为主的微生物在此阶段迅速繁殖。（3）高温阶段温度>45℃从废物堆积开始发酵，不到一周的时间，堆温一般可达到65～70℃，或者更高。此时，嗜温菌受到抑制或死亡，嗜热菌大量繁殖，逐渐替代嗜温菌的活动。高温阶段最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续得到分解外，其它的固体有机物(纤维素、半纤维素、木质素、蛋白质等)也开始强烈分解。50℃左右时，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。60℃时，真菌不再适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍在活动。70℃以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到抑制，并大量死亡或进入休眠状态。（3）高温阶段在高温阶段，按嗜热性微生物的活性，可细分为对数增长期、减速增长期和内源呼吸期三个亚阶段，即三个时期。高温阶段，微生物经历三个时期的变化后堆肥开始形成腐殖质，逐步进入稳定状态。微生物活性示意图1-微生物活性曲线；2-O2利用率（4）腐熟阶段温度为40-20℃在内源呼吸期，微生物活性下降，发热量减少，温度逐渐下降至中温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动，进一步分解残留有机物，腐殖质不断增多，且趋于“稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。生物分解过程中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌的作用转化为硝酸盐，其反应式为：（4）腐熟阶段由于硝化细菌生长缓慢，只有在低于40℃的温度下才有活性，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始进行。氮在转化为硝酸盐后才能被植物吸收。因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。5.2.3好氧堆肥的影响因素影响堆肥化效果的因素很多，为了创造更好的微生物生长繁殖和有机物分解的条件，在堆肥化过程中必须控制以下主要因素。粒度有机物含量含水率碳氮比（C/N）和碳磷比（C/P）通风和耗氧速率温度pH值（1）粒度在堆肥化过程中，物料的粒度影响其体密度、内部摩擦力和流动性。足够小的粒度可以增加废物与微生物及空间的接触面积，加快生物化学反应速率；理想的粒度是25～75mm。对静态堆肥，粒度可适当增大，以起到支撑结构的作用，增加空隙率，有利于通风。如果粒度太小，会造成什么样的后果？(2)有机物含量有机物含量太低不能提供足够的能量，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程。有机物含量太高则堆肥过程中要求大量供氧，实际生产过程中常因供氧不足而发生部分厌氧过程，影响堆肥的腐熟度，即堆肥质量。适宜的有机物含量为20～80％。(3)含水率由于水是溶解废物中有机物和营养物质以及合成微生物细胞质必不可少的物质，因此，要求堆肥物料中含有足够的水分；若含水率过高，水会阻碍空气流通，造成缺氧；若水分过少，会使分解速率降低。当含水率<2％时，微生物将停止繁殖。最佳含水率范围为50～60％，用生活垃圾制堆肥时含水率以55％为宜。(4)碳氮比(C／N)C／N是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。微生物每利用30份碳，就需要1份氮，因此初始物料的C／N比为30：1时适合堆肥的需要，其最佳值在26／1～35／1之间。成品堆肥的适宜C／N在10／1～20／1之间。C／N过低，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境；C／N过高，则氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限制，导致有机物分解速率降低，堆肥过程延长。由于初始原料的C／N比一般都高于26／1～35／1，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，调节到30／1以下。(4)C／P（碳磷比）堆肥过程中C／P的变化是微生物分解有机物的重要标志，堆肥原料的C／P应控制在75～150。堆肥原料的C／P一般高于此值，排水污泥的C／P低，可用来作为堆肥原料配料时的调整剂，调整堆肥原料的C／P比。(5)通风和耗氧速率堆层中氧的浓度和耗氧速率反应了堆肥过程中微生物活动的强弱和有机物的分解程度。堆肥过程适宜的氧体积浓度为14～17％，最低不得<10％，一旦低于此限，好氧发酵将会停止。由于氧气转变为当量的CO2，因此，也可用CO2的生成速率来表征堆肥的耗氧速率;适宜的CO2体积浓度为3～6％。通风量主要决定于微生物的活动程度、有机物的分解速率、物料的含水率以及物料颗粒的大小密切相关。可用下式推算出理论上氧化分解需要的氧气量（该关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解关系）：CSHtNUOV·aH2O+bO2→CWHXNYOZ·CH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量再折算成理论空气量。为便于估算需氧化量包括供料可降解度，提出如下的化学计量式：CaHbNcOd+0.5(nz+2s+r–d)O2→nCwHxNyOz+sCO2+rH2O+(c–ny)NH3

式中

r=0.5[b-nx-3(c-ny)]，s=a-nw，n为降解效率(摩尔转化率<1)，CaHbNcOd和CwHxNyOz分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。例5-1：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C11H14NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。解：可算出堆肥物料C31H50NO26千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物物质的量=1000/852=1.173千摩尔。堆肥产品C11H14NO4的千摩尔质量为224kg，算出每摩尔物料参加堆肥过程的残余有机物物质的量，即n=200/1.173×224=0.76；由已知条件：a=31,b=50,c=1,d=26,w=11,x=14,z=4,y=1，可算出：r=0.5[50–0.76×14–3(1–0.76×1)]=19.32；S=31–0.76×11=22.64。过程所需的氧量为：W=0.5[0.76×4+2×22.64+19.32–26]×1.173×32=781.5kg。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。主发酵强制通风的经验数据如下：静态堆肥取0.05~0.2Nm3/min·m3堆料，动态堆肥则依生产性试验确定。(6)温度实践表明，堆肥过程的最佳温度为35～55℃。低于35℃时堆肥效率不高，在55℃左右时，微生物活性最高，有机物的分解效率也最高。高于55℃时，微生物的活性开始下降，堆肥效率也下降。另外，大多数病原菌的灭活温度高于50℃，因此，堆肥温度控制在55℃左右，并维持一定长的时间，对于提高堆肥化效率和堆肥产品质量是适宜的。(6)温度我国防预医学科学院研究指出，用粪便堆肥，最高温度必须达到50～55℃，并在该温度下维持5～7天，可以杀灭大肠杆菌和蛔虫卵。美国环保局指出,用露天条垛式堆肥，最高温度必须达到55℃以上并至少维持15天；在密闭堆肥系统中，在同样的温度下，需要维持至少3天，就可以杀灭病原体。(7)pH值在堆肥化过程中，pH值随着温度及时间的变化而变化,其变化情况和温度的变化是一样的，也反映了有机物分解的进程。在堆肥初期，由于有机酸的产生，pH值可降至5以下。随着有机酸的逐步分解，pH值逐渐上升，发酵完成前可达到8.5～9.0。最终成品的pH=7～8。5.2.4好氧堆肥工艺（1）前处理（2）主发酵（3）后发酵（4）后处理（5）脱臭（6）贮存（1）前处理采取破碎、分选等预处理方法去除粗大垃圾和降低不可堆肥化物质含量，并使堆肥物料粒度和含水率达到一定程度的均匀化。因为要考虑到保持一定程度的孔隙率与透气性能，以便均匀充分地通风供氧，适宜的粒径范围是2~60mm，最佳粒径需视物料物理而定。当以人畜粪便，污水污泥饼等为主要原料时，由于其含水率太高等原因，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，有时需添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常进行。降低水分增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。所谓“调理剂”是指加进堆肥化物料中干的有机物，借以减少单位体积的重量并增加与空气的接触面积，以利于好氧发酵，也可以增加物料中有机物数量。理想的调理剂是干燥的，较轻而易分解的物料。常用的有木屑、稻壳、禾杆、树叶等等；所谓“膨胀剂”是指有机的或无机的三维固体颗粒，当它加入湿堆肥化物料中时，能有足够的尺寸保证物料与空气的充分接触，并能依靠粒子间接触起到支撑作用，普遍使用的膨胀剂是干木屑，花生壳、厂矿成粒状的轮胎，小块岩石等物质。（2）主发酵主发酵主要在发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气，供给空气的方式随发酵仓种类而异。在发酵仓内，由于原料和土壤中存在的微生物作用而开始发酵，首先是易分解物质分解，产生二氧化碳和水，同时产生热量使堆温上升。这时微生物吸收有机物的碳、氮等营养成分，在合成细胞质自身繁殖的同时，将细胞中吸收的物质分解而产生热量。发酵初期物质的分解作用是靠嗜温菌（生长繁殖最适宜温度为30~40℃）进行的。随着堆温的升高，最适宜温度45~60℃的嗜热菌取代了嗜温菌，能进行高效率的分解。氧的供应情况与保温床的良好程度对堆料的温度上升有很大影响。如堆肥化过程原理中所述，后面将进入降温阶段。通常将温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵期，以城市生活垃圾为主体的城市固体废物好氧堆肥化的主发酵期约为4~12d。（3）后发酵经过主发酵的半成品被送去后发酵。在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解，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成品。后发酵也可以在专设仓内进行，但通常把物料堆积到1~2米高度，进行敞开式后发酵，此时要有防止雨水的设施。为提高后发酵效率，有时仍需进行翻堆或通风。后发酵时间的长短，决定于堆肥的使用情况。例如堆肥用于温床（能利用堆肥的分解热）时，可在主发酵后直接利用。对几个月不种作物的土地，大部分可以使用不进行后发酵的堆肥，即直接施用堆肥，而对一直在种作物的土地，则有必要使堆肥的分解进行到能不致夺取土壤中氮的稳定化程度（即充分腐熟）。后发酵时间通常在20~30天以上。显然，不进行后发酵的堆肥，其使用价值较低。（4）后处理经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变了形，数量也减少了。然而，在城市固体废物发酵堆肥时，在前处理工序中还没有完全去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物依然存在，因此，还要经过一道分选工序以去除杂物，可以用回转式振动筛，振动式回转筛，磁选机，风选机，惯性分离机、硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要（如：生产精制堆肥）进行再破碎。后处理工序除分选，破碎设备外，还包括打包装袋、压实造粒等设备，在实际工艺过程中，根据实际需要来组合后处理设备。（5）脱臭在堆肥化工艺过程中，每个工序系统有臭气产生，主要有“氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类”等，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭；水、酸、碱水溶液等吸收剂吸收法；臭氧氧化法；活性炭、沸石、熟堆肥等吸附剂吸附法等等。其中，经济而实用的方法是熟堆肥氧化吸附除臭法。将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器，堆高约0.8~1.2m，将臭气通入系统，使之及时被生物分解和吸附，其“氨、硫化氢”去除效率均可达98%以上。也可用特种土壤（如白垩土等）代替堆肥，此种设备称土壤脱臭过滤器。（6）贮存堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天（中间隔半年）。因此，一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设备。堆肥成品可以在室外堆放，但此时必须有不透雨水的覆盖物。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装后存放。加工、造粒、包装可在贮藏前也可在贮存后销售前进行。要求包装袋干燥而透气，如果密闭和受潮会影响堆肥产品的质量。5.2.5堆肥的质量堆肥效果的评价指标堆肥质量的含义堆肥的腐熟度（1）堆肥效果的评价指标评价指标物理学指标化学指标生物学指标工艺指标气味粒度色度pH有机质变化指标碳氮比氮化合物腐殖酸（2）堆肥质量的含义a.有适合农作物生长所需的营养成分，堆肥产品中的C／N应<20。土壤中的微生物在分解有机物的同时，还要从氨或硝酸盐中吸收氮作为自身的营养剂，以维持繁殖增生，若C／N比过高，则可利用的N量少而使得微生物处于“氮饥饿”状态，最终影响肥效。因此，要求堆肥产品中的C／N比应低于20。b.符合卫生要求，无害化，要求堆肥中的重金属含量和致病微生物的数量必须低于一定的数量范围。（2）堆肥质量的含义c.堆肥应达到稳定的腐熟度。大量施用未完成腐熟的堆肥，由于有机质在土壤中的继续分解，会造成植物根部缺氧而枯死，农业减产。d.便于运输、贮存和施用。故要求水分在40％以下,袋装堆肥的含水率应低于20％，最好加工成颗粒肥。（3）堆肥的腐熟度腐熟度的概念堆肥腐熟度是指堆肥中的有机质经矿化、腐殖化过程最终达到稳定化程度，它既是反映堆肥化反应完成的标志，又是堆肥质量的标准。堆肥腐熟度的测定方法有多种植物幼苗试验法，耗氧速率法、CO2生成速率法、易分解有机物含量法、淀粉消失法、硝酸氮生成法、C／N恒定法、氧化还原电位升高法、碱性基团交换容量法等多种方法。这里只介绍淀粉消失法和耗氧速率法。淀粉消失法基本原理在正常堆肥发酵过程中，随着时间的推移，堆肥中的淀粉由于微生物的分解吸收，其含量将逐