固废固体废物生物处理课件

第五章

固体废物生物处理5.1概述2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的对象以生物源物质为主要组分的各种固体废物易腐生活垃圾农业废弃物食品加工废物2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的对象生物源物质的化学分析生物质组成

可溶性糖、纤维素、半纤维素、木质素 蛋白质（水溶、非水溶）、脂肪营养元素

N、P、K、Ca、Mg、Fe其他

盐度、有害元素、有害化合物2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的途径好氧/兼性废物水溶性有机物非水溶性有机物水解微生物代谢热量CO2+H2O+N2+NH3+腐殖质NOx-O2生物量2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的途径厌氧废物水溶性非水溶性水解糖类蛋白质脂肪酸酸化/发酵VFA氨基酸乳酸醇类乙酸化乙酸CO2H2NH4+H2O甲烷化CH4+CO2NH4+生物塑料PHA聚乳酸氢回收腐殖质2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的途径其他Vemicomposting废物初腐化蚯蚓代谢蚓粪蚓体2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的途径基质化利用废物水解营养液微生物体酶其他微生物蛋白质2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的应用堆肥无害化、稳定化、有机质循环农业/生活垃圾处理受污染土壤处理2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所生物处理的应用厌氧消化稳定化、能源利用、有机质循环农业/生活垃圾/食品工业废物/污泥处理其他高附加值利用生物可降解聚合物、H2、电能、酶制剂5.2固体废物堆肥化2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥工艺的定义与分类定义在受控条件下，通过微生物对有机物的代谢过程，使生物源废物转化为稳定的有机残余物，堆肥产物应具有在堆存和运输过程中不腐败发臭、相容于植物生长的特性分类进—出料 间歇/连续物料运动 静态/动态代谢环境 高温/中温好氧/厌氧2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理计量方程不含氮有机物的氧化含氮有机物的氧化细胞质的合成细胞质的氧化2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理例题

某堆肥化原料中含氮与不含氮有机物的重量比为1：3，含氮有机物计量分子式为：C12H16O6N,不含氮有机物计量分子式为：C2H3O;若堆肥过程中有机物的降解率均为60%,其中转化为生物质的重量占1/10，生物质的计量分子式为：C5H7O2N；腐熟堆肥分子式为：C15H18O4N，不考虑生物质的进一步降解时，计算每吨该种废物（含干有机物30%）堆肥化所需的理论空气量（m3）。空气中含氧21%（体积比），每mol氧体积为0.0224m32023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理解： 以1kg为计算单位1）转化为生物质的含碳有机物量及其耗氧量 取n=5，配平前式：2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理2）其余含碳有机物降解耗氧量2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理3）含氮有机物降解耗氧量 取m=3配平4）总耗氧量=106+563+118=787g

换算为每吨原料，即需空气2623Nm32023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理堆肥化微生物细菌：化能异养型细菌 化能自养型细菌放线菌真菌：霉菌 酵母菌原生动物2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理堆肥过程与微生态启动阶段主导微生物：真菌、放线菌

代谢：升温阶段主导微生物：细菌、放线菌代谢：高温阶段主导微生物：细菌、（放线菌）代谢：胞外酶生物质细胞溶解性基质好氧代谢溶解性基质无机物+细胞质+热量好氧代谢溶解性基质无机物+细胞质+热量2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理降温阶段主导微生物：放线菌、真菌、原生动物代谢：腐熟阶段主导微生物：放线菌、真菌、原生动物、自养型细菌代谢：胞外酶非溶解性有机物无机物+细胞质+热量溶解性基质好氧代谢原生动物细胞质生物体+残余物+无机物胞外酶非溶解性有机物无机物+细胞质+热量溶解性基质好氧代谢原生动物细胞质生物体+残余物+无机物特征微生态替换型代谢2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理堆肥过程的影响因素 物料

指标

影响

适宜值有机物含量与组成 生物代谢 >30%含水率 生物代谢、传质 40~60%空隙率 传质 >40%C/N 生物代谢 20~352023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理原料有机物含量对堆肥过程的影响成品质量--要求有机物含量>10%，堆肥过程有机物降解率45%

原料有机物含量应>19.8%达到升温与干化要求--升温 >55℃×5d60%蒸发潜热--干化 初含水率55%终含水率45%有机物热值18MJ/kg原料有机物含量>30%可满足2方面的要求2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理原料含水率与空隙率对堆肥过程的影响生物过程 含水率下限23%，无上限孔隙氧传递过程

堆体应保持一定的空隙率 含水率与空隙率相关--物料达到田间含水率物料内孔隙为水分饱和堆肥过程的物料含水率应基本与田间含水率相当

新鲜垃圾田间含水率 55~70%

腐熟堆肥田间含水率 30~40%优化初始含水率40-60%，空隙率>40%2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理原料C/N比对堆肥过程的影响堆肥过程中碳氮的消费模式为保持肥分、控制环境影响，N应主要用于细胞原料原料中可堆肥有机物的碳、氮质量之比C氧化产能堆体升温合成能量细胞原料细胞合成降解产能氨释放N细胞原料合成能量C/N过低，过量氨散失，也不宜升温（N能量代谢的低效性）C/N过高，细胞合成滞后，降解不完全；成品进入土壤后出现 “氮饥饿”争夺土壤养分2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理堆肥过程的影响因素 过程

指标

影响

适宜值堆体氧浓度 生物代谢 >5%v/v堆温 生物代谢、无害化 45~65℃

堆制时间 生物代谢、植物相容性 一次发酵3-15d

二次发酵>30dpH值 生物代谢 中性

接种一般对升温与启动阶段影响较为明显2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理堆肥评价卫生无害化：致病菌、寄生虫卵、有害昆虫卵植物相容性：发芽率试验、植物生长试验臭气稳定化： 淀粉、orgC/orgC0、NO2--N、腐殖质、 水淬C/N比2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺工艺调控方法原料有机物含量 寻找和应用于适用的废物含水率 木屑、谷糠、秸秆 粪便、污泥空隙率 木屑、谷糠、秸秆、惰性填充物C/N 粪便、污泥

/

秸秆、园林垃圾2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺过程堆体氧浓度 强制通风、翻倒、搅动堆温 通风、翻倒、搅动频率、原料组分堆制时间 优化原料与环境条件pH值 氧浓度、空隙率2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺工艺过程原料预处理

调质一次发酵中间处理二次发酵

分选 含水/空隙率 分选破碎 C/N 破碎 接种 均质成品精制

臭气控制

污水控制

控制

分选密闭空间贮存温度磨细 气流处理回喷时间加富肥分 氧浓度反馈通风/翻倒2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺一次发酵工艺要素：通风、翻倒、环境控制（保温、防雨）野积式/条垛式通风层强制通风翻堆2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺仓式——静态2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺仓式——间歇动态立式塔2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺翻倒槽

2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺仓式——连续动态2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺二次发酵工艺要素：环境控制野积式翻倒槽2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺工艺计算装置容积通风量实际理论2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺通风控制按耗氧速率的演化、比例分配2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺按[O2]、T、t反馈控制t<3/4t总t≥3/4t总2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥精制杂物分拣（选）颗粒控制营养分加富微生物接种5.3固体废物厌氧消化2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化的定义与分类定义在受控的无氧环境中，通过厌氧微生物菌群的代谢，使生物源废物转化为沼气（CO2+CH4）、稳定的有机物的过程分类物料含水率 液态 ——半固态——固态含固率<5%5~15%>15%

消化流程 一阶段 ——二阶段代谢环境 中温 ——高温

35~45℃>50℃

2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理厌氧消化计量方程式中

d=4n+a-2b-3c

s=合成或转化成细胞的那部分废物的化学需氧量（COD）

e=废物的COD转化成作为能量的甲烷气的部分，且s+e=1s的数值随废物的组成成分、固体物质在系统内的平均停留时间（c）及细胞衰变率（f）的变化而变动2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理厌氧消化微生物兼性水解菌：霉菌、酵母、大肠菌群厌氧乙酸化菌厌氧甲烷化菌：乙酸依赖型氢依赖型2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理厌氧消化过程与微生态厌氧消化过程生态依存关系水解产物积累甲烷化抑制乙酸化产氢抑制非离子化VFA必须在相对稳定的微生态条件下进行消化2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理厌氧消化过程的影响因素物料指标

影响

适宜值有机物含量与组成 生物代谢 >50%，分布均衡含水率 生物代谢、传质 >60%C/N 生物代谢 ~352023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理与堆肥过程相比厌氧过程没有氧传递要求，不需限制空隙率原料的有机物含量更高单位投资更大对设施技术经济性的要求原料含水率没有上限不限制空隙率原料含水率低限更高一段式发酵：搅拌的要求——微生物生态和代谢产物均质化，H2的释放二段式发酵：有限的固液相际传质C/N比更高细胞得率低、氮源需求少过量NH4+积累易引起毒性效应2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理过程指标

影响

适宜值温度 生物代谢 32~40℃，50~55℃中温菌群高温菌群

中温与高温厌氧菌群的代谢活力2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理过程

指标

影响

适宜值

pH值 生物代谢 6.8~7.6H+浓度影响甲烷化菌群活力、毒性物非离子化VFA和氨的浓度，以及系统的热力学条件——反应自由能大小2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理过程指标

影响

适宜值含水率 生物代谢、传质 与搅拌方式相关，但≮

60%停留时间 生物代谢 ~25d，~15d

氢分压 生物代谢 <10-5atmPH2影响丁酸（>10-2atm）和丙酸（>10-5atm）的乙酸化代谢反应自由能的正负性PH2难以控制于极低值——厌氧发酵在丙酸积累的主要因素2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理接种通常是必须的，尤其当固体含量和有机物含量高时抑制物NH4+、盐、各种金属离子2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化原理过程评价产气率以理论产气率为依据评价*其他与堆肥化类似2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化工艺工艺调控方法物料物料含水率 寻找适用废物含水率

沼渣/

粪便、污泥、沼液C/N

沼液/

秸秆、园林废物2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化工艺过程温度 /

进料流率/

加热水流率pH值

酸/

碱微生态 接种PH2

搅拌污泥颗粒化毒害物 原料控制、搅拌2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化工艺混合收集垃圾预分选混合接种发酵反应器固液分离1回收/填埋/焚烧分类收集垃圾易腐有机废物渣液固液分离2液处理利用堆肥化/直接利用泥厌氧消化工艺过程2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所消化工艺条件温度

35~40℃ 50～55℃停留时间

25～30d 12~18d含固率

8～15％ 25～35％ ≥35％（二段法）接种 回流液/泥 回流渣 液流循环

1:2～1 1:0.3～0.5 ——厌氧消化工艺2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化工艺工艺关键搅拌

Biogas/液体 脉冲气流 液流循环接种 甲烷化 甲烷化 酸化物料输送

—— 2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所厌氧消化工艺消化工艺与设备消化工艺DrancoKompogasValorga2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所Kompogas2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所Dranco2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所Valorga2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所Linde-BRV2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所Linde-KCA2023/6/30同济大学固体废物处理与资源化研究所消化工艺与设备其他设备混合接种浆式搅拌破碎机（w