第五章 固体废物生物处理.ppt

1、第五章 固体废物生物处理,5.1 概 述,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,

2、微生物代谢,热量,CO2+H2O+N2+NH3+腐殖质,NOx- O2,生物量,2020/9/17,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 CO2 H2 NH4+ H2O,甲烷化,CH4 +CO2 NH4+,生物塑料PHA,聚乳酸,氢回收,腐殖质,2020/9/17,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,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生

3、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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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

4、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,2020/9/17,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,2020/9/17,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%,

5、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0.0224 m3,2020/9/17,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：,2020/9/17,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,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆

6、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2623Nm3,2020/9/17,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,2020/9/17,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,

7、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,2020/9/17,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：,特征微生态替换型代谢,2020/9/17,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4060% 空隙率传质40% C/N生物代谢2035,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,原料

8、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555d 60%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,2020/9/17,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

9、70% 腐熟堆肥田间含水率3040%,优化初始含水率40-60%，空隙率40%,2020/9/17,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/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,2020/9/17,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

10、生物代谢、无害化4565 堆制时间生物代谢、植物相容性一次发酵3-15d 二次发酵 30d pH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,2020/9/17,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、org C/org C0、NO2-N、腐殖质、水淬C/N比,2020/9/17,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

11、物 C/N 粪便、污泥 / 秸秆、园林垃圾,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源

12、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,翻堆,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9

13、/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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 t3/4 t总 t3/4 t总,2020/9/17,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,2020/9/17,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

14、，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15% 消化流程 一阶段 二阶段 代谢环境 中温 高温 3545 50,2020/9/17,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 = 1,s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,2020/9/17,同济大学固体废

15、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,2020/9/17,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,2020/9/17,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35,202

16、0/9/17,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,2020/9/17,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3240，5055,中温与高温厌氧菌群的代谢活力,2020/9/17,同济

17、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6.87.6,H+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,2020/9/17,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10-5 atm,PH2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,2020/9/17,同济大学

18、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,2020/9/17,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,2020/9/17,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,2020/9/17,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

19、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,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,厌氧消化工艺过程,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,2020/9/17,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35405055 停留时间2530d1218d 含固率815253535（二段法） 接种回流液/泥回流渣液流循环 1:211:0.30.5 ,厌 氧 消 化 工 艺,2020/9/17,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

20、循环 接种甲烷化甲烷化酸化 物料输送 ,2020/9/17,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,Dranco,Kompogas,Valorga,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Kompogas,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Dranco,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Valorga,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde-BRV,2020/9/17,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde-KCA,2020/9/17,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（w15） 双螺杆混合机 （ w20） 固液分离 螺