17-固体废物的生物处理-2.ppt

1、固体废物的生物处理,堆肥化 厌氧发酵制沼气,概念,利用微生物氧化（好氧堆肥）、分解（厌氧发酵）有机固体废物的能力处理可降解的有机固体废物，使其达到减量化、无害化和资源化的过程。 生物处理有机固废的方法有多种，如堆肥化，厌氧消化，纤维素水解，垃圾养蚯蚓等。其中最主要的并且能大规模地处理有机固体废物的方法是好氧堆肥法和厌氧消化法。,作用与特点,稳定化和杀菌、消毒作用 有机固体废物经生物氧化分解转化为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

2、化。 减量化 有机废物经生物处理后，可减量3050，减量效果明显,回收能源 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 好氧堆肥和厌氧发酵制取沼气，利用纤维素水解生产化工原料及其他生物制品,堆肥化,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

3、的重要方法之一。,（1）定义,堆肥化是在人工控制条件下，使某些有机的固体废物在微生物的作用下，发生生物化学反应，分解转化为较稳定的腐殖肥料的过程 堆肥化得到的产品称为堆肥，由于它是一种腐殖质含量很高的呈疏松状态的物质，故也称为腐殖土，有机固体废物经堆肥化后，体积只有原体积的5070,（2）分类,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 厌氧堆肥,a.好氧堆肥,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

4、统的温度一般为5065，最高可达8090，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,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，有机物分解速度缓慢，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。 实际上，堆肥化

5、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。 主要介绍好氧堆肥。,好氧堆肥是以好氧菌为主的微生物对有机废物进行吸收、氧化、分解的复杂生物化学反应过程。在堆肥过程中，好氧菌通过自身的生命活动，以废物中的有机物为养料，将其一部分氧化分解成简单的无机物并释放出微生物生长所需的能量，将其另一部分合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖。,好氧堆肥原理,有机物的生物化学反应,根据微生物在降解有机物过程中的行为，有机物的生物化学反应有以下三种： 有机物的氧化反应 细胞质的合成反应 细胞质的分解反应 P272,堆肥微生

6、物,在堆肥化过程中起重要作用的微生物是 细菌、放线菌、真菌和微型生物等。,好氧堆肥工艺,典型的静态好氧发酵堆肥工序包括三个部分： 原料预处理：破碎、分选，去除粗大物料，回收有用物质，调整含水率和CN比。 原料发酵：目前推广二次发酵方式。 一次发酵：采用机械通风，发酵期为10d，60度高温保持5d以上 二次发酵：物料经一次发酵后，尚存在有一部分易分解和大量难分解的有机物，需将其送入后发酵室进行二次发酵，使之腐熟 后处理：去除杂质，进行必要的破碎等处理。,发酵工艺及装置,间歇式发酵工艺及设备 连续式发酵工艺及设备,间歇式发酵工艺及设备,原料一批一批地发酵，一批原料堆积完后不再添加新料，待完成发酵后

7、成为腐殖土运出。 采用该发酵工艺可露天进行，故又称为野积式堆肥或露天堆肥，也有建堆肥仓以进行全天候生产的，武汉100t/d垃圾处理实验厂即采用该工艺，并建有堆肥仓。 间歇式发酵工艺一般采用二次发酵方式 第一次发酵采用机械强制通风，发酵10天，60高温保持5天以上，使肥料达到无害化，然后进行机械分选，去除非堆腐殖质。 二次发酵一般在发酵仓进行，10天左右，可达到腐熟化。 发酵仓有长方形池式、倾斜床式、立式圆筒式，并配有通风管、搅拌装置,立式圆筒静态发酵仓,连续式发酵工艺及设备,连续进料、连续出料。 原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。 该工艺发酵时间短，能杀灭病原体，防止异味,成品

8、肥质量好。 常用设备有 立式多段发酵塔(浆叶式发酵塔) 立式多层移动床式发酵塔 丹诺发酵器（卧式回转筒式发酵器） 筒仓式动态发酵仓,立式桨叶式发酵塔,原料从顶部给入，中间的竖轴由底部电机驱动缓慢转动，并带动固定在竖轴上的桨叶对原料起搅拌作用，发酵塔一般有5层，经一定的机械作用，沿各层相向位置的开口逐层向下移动，到达底部后经螺旋输送机排出 发酵所需的空气由风机向各层输送 物料停留的时间一般58天 塔内温度分布由上至下逐步升高，即底部最高,卧式回转筒发酵器（丹诺发酵器）,形状类似回转窑，废物从一端给入，靠内壁的摩擦提升，再靠重力下落，起到搅拌作用，空气由沿圆筒长度方向分布的风嘴供给，温度可维持60

9、70。 该发酵器一般作为一次发酵器，出料送二次发酵。,堆肥化的影响因素,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） 通风和耗氧速率 温度 pH值 碳磷比（C/P）,（1）粒度,在堆肥化过程中，物料的粒度影响气体密度、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2575mm。 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。,(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

10、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2080。,(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5070，用生活垃圾制堆肥时含水率以55为宜。,(4)碳氮比(CN),CN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CN比为30：1时适

11、合堆肥的需要，其最佳值在261351之间。 成品堆肥的适宜CN在101201之间。 CN过低，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境； CN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CN比一般都高于261351，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，调节到301以下。,(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1417，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;

12、适宜的CO2体积浓度为36。,(6)温度,实践表明，堆肥过程的最佳温度为3555。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。 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5055，并在该温度下维持57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

13、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8.59.0; 最终成品的pH=78。,(8) CP(碳磷比),堆肥过程中CP的变化是微生物分解有机物的重要标志，堆肥原料的CP应控制在75150。,a.有适合农作物生长所需的营养成分。 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。 c.堆肥应达到稳定的腐熟度。,堆肥质量,我国堆肥产品的质量标准,堆肥化产品应满足下

14、列基本要求。 a.堆肥产品中的CN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刑，以维持繁殖增生，若CN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CN比应低于20(CN20)。 b.堆肥产品应达到完全腐热的程度才能施用。 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。 c.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。,堆肥农业效用,改良土壤 促进植物根系增长 堆肥的增产作用 堆肥农用的不利因素,(1)改良土壤,增加有

15、机质和养分 改善土壤结构 使粘质土壤松散，使砂质土壤结成团粒，降低土壤容重，增加孔隙率； 使土壤固相下降，液、气相增加； 促进通风，提高保水能力； 腐殖质粒子表面带负电，能吸附NH+4、K、Ca2等养分，使肥分不致流失。,(2)促进植物根系增长,堆肥本身是腐殖质，能促进植物根系的伸长和增长。 堆肥中含有丰富的微生物、原生动物，施入土壤可以改善土壤生物环境的结构和功能，成为防止病原微生物的“屏障”，使农作物不易遭受虫害。,(3)堆肥的增产作用,施用适宜数量的优质堆肥,一般均有较好的增产作用，并能提高农产品的品质； 与化肥复合施用，效果更佳； 但对于不同的农作物，增产效果并不一样。,(4)堆肥农用

16、的不利因素,肥效不高：NPK混合含量一般3。因此，不能把推肥等同于传统的农家肥，只能作为土壤的改良剂或调节剂。 大量施用堆肥，可能会使土壤富集有害元素。 堆肥设备投资大，产品的成本高。,厌氧发酵制沼气,定义 主要特点 厌氧发酵的生物化学过程 厌氧发酵的影响因素 发酵工艺 发酵装置 城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理,(1)厌氧发酵定义,厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。 由于厌氧发酵的产物是以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵。 厌氧发酵技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化和稳定化的手段得以

17、实施的。厌氧消化处理可以去除废物中1050的有机物，并使之稳定化。 70年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻找新的能源，这时厌氧 发酵技术显示出其优势，普遍受到人们的关注。 近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用来处理城市污泥和粪便。,(2) 厌氧发酵技术的主要特点,可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可直接利用的高品位沼气； 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法； 适用于处理高浓度有机废水和废物； 经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农肥、饲料和堆肥化原料； 厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大； 厌

18、氧处理过程中易产生H2S等恶臭气体。,参与厌氧分解的微生物有产酸菌和产甲烷菌两大类 产酸菌能将复杂的有机物水解，井进一步分解为以有机酸为主的简单产物，产酸菌属于兼性厌氧菌。 产甲烷菌是绝对厌氧菌，其功能是将有机酸转变为甲烷。甲烷菌的繁殖速度相当缓慢，且对于温度、抑制物的存在等外界条件的变化相当敏感。 有机物厌氧消化的生物化学反应是非常复杂的过程，中间反应和中间产物有数百种，并且每种反应都是在酶或其它物质的催化作用下进行的。,厌氧发酵的生物化学过程,厌氧分解过程,根据厌氧分解过程中产物和微生物的特点，厌氧分解过程可分为三个阶段 液化阶段 产酸阶段 产甲烷阶段,a. 液化阶段,在这一阶段中复杂的有

19、机高分子物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。 高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生物的浓度、温度和pH等条件的制约。 主要有机物的水解反应：,蛋白质+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S,b. 产酸阶段,液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。 反应式,c. 产甲烷阶段,产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2，同时把产酸阶段所产生的H2和CO2转化成CH4。 产CH4阶段的生化反应相当复杂

20、，目前已得到验证的主要反应有：,d. 三个阶段的主次地位,在产甲烷反应中，乙酸(醋酸)是产生CH4的主要物质，大约70的CH4来自乙酸的降解。 CO2和H2的反应也能产生一部分CH4。少量CH4是由其它一些物转化而来。 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的环节。 甲烷菌除了产生CH4外，还有分解脂肪酸调节pH值的作用。同时，通过将H2转化成CH4，减少氢的分压,也有利于产酸菌的活动。 三个阶段的主次地位 对于以不溶性高分子有机物为主的污泥、垃圾等废物，水解阶段是整个厌氧消化过程的控制步骤。 对于以可溶性有机物为主的有机废水来说，由于产甲烷菌生长速度慢,对环境和基质要求苛刻,产甲烷阶段是整个厌

21、氧消化过程的控制步骤。,厌氧发酵的影响因素,为了保证厌氧消化的最佳运行状态，除了应保持反应系统的厌氧状态外，还必须控制以下几个因素。 发酵原料 温度 pH值 抑制物质 搅拌,（1）发酵原料,用作堆肥的原料都可以用作厌氧发酵，即沼气发酵原料 厌氧消化过程中的产气量是厌氧消化处理效率的重要指标 不同原料的有机组分不同，其理论产气量也不同,(2) 营养物质,与好氧微生物一样，厌氧微生物对原料的CN比也有一定要求。 由于厌氧微生物摄取碳的速率约为氮的2530倍，因此，厌氧发酵原料的最佳CN应控制在201301 当CN351时，N不足，产气量会明显下降。 为了满足厌氧微生物对营养物质的需要,可以通过富N

22、物质(粪便、下水污泥等)与贫N物质(榍、农作物秸杆等)的合理调配、改善发酵原料的CN比。 同时，也应该对其它微量营养元素(P、Na、K、Ca等)加以适当的调整和控制。,（3）温度,温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。沼气发酵通常采用低温、中温和高温三种发酵温度。 低温发酵(20) 温度随气候变化，产气率不高，病原微生物难于杀灭。 中温发酵(3039) 最佳温度为37，这是甲烷菌的第一个最佳活性温区，产气量中等。中温发酵过程要求1530天的停留时间，由于易于管理因此普遍采用中温发酵。 高温发酵(5055) 适宜温度为53左右,这是甲烷菌的第二个最佳活性温区，产气率最高。 高温发

23、酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施，管理复杂。 但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高，发酵过程的停留时间只需1215天。,图9-4 甲烷产气量随温度的变化,厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加，但在45左右有一个间断点，这是由于中温发酵和高温发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用。在45左右的温度条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此，产气量突然下降。,（4）pH值的影响,产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH值为5.8，产酸阶段也称酸性发酵。 产甲烷菌需碱性条件下生长，称为碱性发酵。当pH6.2时，产甲烷菌就会失活性。因此，在产酸菌和产CH4菌共存的厌氧消化过程中，系统的pH值应控制在657.5之间，最佳值为7.07.2。 在正常发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值。但在突然增加进料量或改变原料时，有机物负荷过高，或消化系统中存在某些抑制物质时,对环境要求荷刻的产甲烷菌首先受到影响，从而造成系统中挥发性脂肪酸积累，pH值下降