第七章固废的生物处理ppt课件.ppt

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1、时代背景,一、能源问题,我国能源消费状况： 煤炭：世界第一消费大国 石油：世界第二消费大国我国能源资源状况： 石油：人均剩余可采储量只有2.6吨 天然气：人均剩余可采储量1000M3左右 煤炭：人均煤炭剩余可采储量90吨。,我国煤炭人均资源是全世界平均人均的50，而石油只有10； 我国人年均能源消耗是1000公斤标准煤，而美国是11000公斤,中国石油平衡图,原油产量增速放慢,石油进口量大幅上涨,2004年进口低纯度石油达1.5亿吨。进口依存度达36% ，2020年中国需进口5亿t原油，全球石油增长的1/3来自中国。进口依存度也将达到55%以上。,二、解决能源问题的重要出路：开发生物能,1、符

2、合人类所使用能源的发展趋势脱碳 木柴： 2个碳原子对1个氢原子 煤： 1个或2个碳原子比1个氢原子 石油： 1个碳原子比2个氢原子 天然气：1个碳原子比4个氢原子 氢气： 完全脱碳,开发利用生物能的意义：,2、符合供电模式多元化的发展趋势分布式发电 分布式发电：指靠近最终用户或者就在终端用户的集成的或单独的小型发电装置。,分布式发电的优点：较中央式发电供电成本低；分布式发电可利用的技术种类多；发电规模可大可小，设备容易安装，适应性强；能够满足不同的需求等,现在，组成不断发展的分布式发电革命的一个个燃料电池在计算机软件技术和因特网接入技术的支持下，正互相联结起来，逐步拉开分布式发电网的序幕。不久

3、的将来，最终用户不仅能够用上他们自己生产的电，而且能和他人共享电力，从而从根本上挑战现在世界上自上而下的单向能源系统。,3、符合生态农业发展的需要循环再生,生物质资源的稳定供应将会成为决定我国生物质能发展速度和规模的一个关键因素。,第七章固体废物的生物处理,Biological Treatment of Solid Waste,【概念】 堆肥化、堆肥、高温好氧快速堆肥、一次发酵、 二次发酵、腐熟度、厌氧发酵工艺【方法原理】 好氧堆肥的原理、程序、工艺、装置、影响因素 厌氧发酵的原理、工艺、方法、设备及影响因素 厌氧发酵沼气池的工作原理、过程和设计计算 城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理 细菌浸出

4、机理 蚯蚓床技术,本章重点,固体废物的生物处理 以固废中可降解有机物为对象，使之转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术,其意义在于：（1） 对固体废物进行处理消纳，实现稳定化、减量化、无害化； （2） 促进固体废物的适用组分重新纳入自然循环（如堆肥用于改土，重新回归农田生态系统）； （3） 将大量有机固体废物转化为有用物质和能源，实现固体废物的资源化（如沼气、生物蛋白、乙醇）,处理方法,好氧堆 肥处理,厌氧消 化处理,微生物 浸出,其它生物 处理方法,堆肥化（composting）: 在人工控制的环境下,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

5、定的腐殖质转化的微生物学过程。,厌氧消化: 也称厌氧发酵，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程。,微生物浸出: 利用微生物新陈代谢过程或代谢产物将废物中目的元素转变为易溶状态并得以分离的过程,蚯蚓床技术 废物生产单细胞蛋白等,1,4,2,3,第一节 固体废物的好氧堆肥处理第二节 固体废物的厌氧消化处理第三节 固体废物的微生物浸出第四节 固体废物的其他生物处理技术,第七章固体废物的生物处理,一、堆肥化基本概念与发展过程 二、堆肥化的基本原理 三、好氧堆肥的影响因素与调控 四、好氧堆肥的工艺流程 五、堆肥工艺与堆肥装置 六、堆肥的环境保护 七、堆肥面临的问题与对策,

6、第一节 固体废物的好氧堆肥处理,1、概念 堆肥化（composting）就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，以及由人工培养的工程菌等，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质就是一种生物代谢过程。 堆肥化的产物叫堆肥 (compost）,一、基本概念和发展过程,2、堆肥化工艺的分类 好氧堆肥 厌氧堆肥 兼氧堆肥,堆肥化的好氧或厌氧是相对的。由于堆肥材料的颗粒较大且不均匀，好氧堆肥的过程不可避免地存在一定程度的厌氧发酵现象,一、基本概念和发展过程,3、堆肥原料(1) 可用于堆肥的废物种类,一、基本概念和发展过程,堆肥的本质是生化

7、降解过程，凡是富含微生物所需的碳水化合物、脂肪、蛋白质的固体废物均可作堆肥原料,纤维素结构示意图,木质素结构示意图,3、堆肥原料,一、基本概念和发展过程,纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上,木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间， 起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。,4、堆肥功效,堆肥实质就是人工腐殖质，一般含水率3

8、0%；pH7-8.5；全碳含量11；N（0.5-1.5%）、P（国外0.4-0.8%）、K（0.3-1.0%）；重金属含量符合标准；杂质粒度5mm。 增加稳定的腐殖质，改善土壤的物理性能。 提高保肥能力。 增强磷酸盐被植物吸收利用。 能使土壤对肥料、气象条件的变化有一定的缓冲能力。 含有许多微量元素。 堆肥是缓效性肥料。 具有调节植物生长的作用。 可增加土壤中微生物数量。 使粘重土变轻，改变含沙少的土壤结构，提高土壤的蓄水能力。,一是作有机肥料；二是作土壤调节剂,一、基本概念和发展过程,但与化肥相比，堆肥的肥效较低，且体积大，运输和施用不方便,1、好氧堆肥化的基本原理,好氧堆肥是在有氧的条件下

9、，借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。在堆肥过程中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量，把一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。,二、堆肥化的基本原理,处理对象：生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便及农林废物,1、好氧堆肥化的基本原理,堆肥有机物 （含C、N、O、P、S） 氧气，微生物,

10、细胞物质 （微生物繁殖）,CO2、H2O、NH3、PO43、SO42,能量,合成,氧化,排入环境,释放、转换为热 或提供生物合成用,有机物的好氧堆肥分解过程,提供生物合成,（同化）,（异化）,二、堆肥化的基本原理,2、好氧堆肥化过程,二、堆肥化的基本原理,按其在不同温度下的生物活性大小，又可分为：嗜温菌、嗜热菌,好氧堆肥过程包括驯化阶段、升温阶段（堆肥初期，15-45）、高温阶段（45以上，有机物降解强烈，嗜热微生物为主）、降温阶段（嗜温微生物为主，腐熟阶段）,适应新环境,嗜温性细菌、酵母菌、放线菌分解最易分解的可溶性物质，淀粉、糖类增多，温度45,嗜热性微生物、细菌；残留可溶性物质，纤维素、

11、半纤维素、蛋白质，温度4570,嗜温性微生物、多为难分解物质，温度,二、堆肥化的基本原理,二、堆肥化的基本原理,固体废物中有机物的微生物分解过程,二、堆肥化的基本原理,三、好氧堆肥的影响因素与调控, 有机物含量：要求在2080%之间； 含水率：要求有较高的含水率，一般在5060%，在此条件下，微生物生长对氧的需求量最高；, 通风和耗氧速率,由图可知，在发酵反应6080 h，微生物耗氧达到高峰，其耗氧速率与有机物浓度成正比：即有机物浓度 耗氧速率。,三、好氧堆肥的影响因素与调控,适宜的氧浓度为1417%，10%，实际运行中的耗氧速率用等当量的CO2来表征。具体供氧方式有：翻堆通风，风机供风，插入

12、风管通风。 碳氮比在初始堆肥的中温阶段，C:N=30:1；在二次堆肥（成品堆肥）阶段，C:N=10:120:1。通过在垃圾中加入人粪尿、畜粪以及城市污泥等调节剂，使碳氮比调到30以下。成品为10-20较好，对植物的生长有利,三、好氧堆肥的影响因素与调控,各种物料碳氮比值,另外，由于磷也是微生物必需的营养元素之一，它是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是ATP的重要组成部分碳磷比适宜的碳磷比为75150。污泥中含有丰富的P,三、好氧堆肥的影响因素与调控, 温度 最佳温度为5560。在此温度段，CO2生成速率较高，亦即微生物耗氧速率较快。可通过通风来降低堆体温度，若无通风系统，则通过定期翻堆来实现通风

13、控温。,三、好氧堆肥的影响因素与调控,颗粒度 颗粒度的大小对通风供氧有重要影响。堆肥前通过破碎、分选方法去除不可堆肥化物质，使堆肥物料粒度为12-60mm为宜,堆肥pH控制 pH表征微生物生活环境，同时也是揭示堆肥分解过程的一个标志。pH在7.5-8.5时，可获得最大堆肥速率。pH一般能通过堆肥过程自身得到调节，没必要添加中和剂，若pH过低，可通过通风来补救,当堆肥中有机物含量高时 温度上升，例如，当有机物含量为2050%时，堆肥温度升至55所需时间为44 h 60 h。,三、好氧堆肥的影响因素与调控,温度影响曲线,堆肥温度与微生物生长的相关性,三、好氧堆肥的影响因素与调控,四、堆肥质量指标,

14、堆肥质量指标包括：养份指标、无害化卫生指标及堆肥的腐熟度。（1）养份指标：主要指水分、pH、TC、TN、TP等。目前我国尚无统一的养份质量指标，表9-4列出了我国城市垃圾堆肥成分分析。,(2) 卫生指标：指堆肥中重金属和致病微生物的数量指标。已制定的相关标准有：农用污泥中污染物控制标准，GB4284；城镇垃圾农用控制标准，GB8172-87；粪便无害化卫生标准GB7959-87。,(3) 腐熟度：腐熟度是指堆肥的好氧降解程度。腐熟度的评定方法：直观经验法。成品堆肥呈棕色或暗灰色。淀粉测试法：是一种测定堆肥中淀粉含量降低程度的方法。耗氧速率法。用O2/CO2测定仪，测出的是CO2的生成速率，转换

15、成耗氧速率。此法量化，实用。,三、堆肥质量指标,堆肥的结果是废弃物中有机物向稳定化程度较高的腐殖质方向转化,腐殖质的形成十分复杂，其生物学过程示意如下：,五、好氧堆肥的工艺流程,现代化堆肥生产，通常由前处理、主发酵（一次发酵、一级发酵或初级发酵）、后发酵（二次发酵、二级发酵或次级发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成,1、前处理,以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂。 以城市垃圾为堆肥原料时，垃圾中含有粗大物件和不能堆肥的物质，故前处理包括破碎、分选、筛分等工序，使堆料表面积增大，便于微生物繁殖，从而提高发酵速度。适宜的粒径范围是12-60mm

16、。并调整含水率和碳氮比,五、好氧堆肥的工艺流程,预处理设备破碎机（预处理破碎到1260mm，后处理破碎）,2、主发酵,主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风向堆积层或发酵装置内的物料供给氧气。 发酵初期物质的分解是靠嗜温菌3040为最适宜生长温度进行的，由于堆温上升，最适宜温度为4565的嗜热菌取代嗜温菌，堆温进入高温阶段。通常，在严格控制通风量的情况下，将堆温升高至开始降低为止的阶段作为主发酵阶段。对以生活垃圾为主体的城市垃圾和家畜粪便好氧堆肥而言，其主发酵期约为412天,五、好氧堆肥的工艺流程,3、后发酵,经过主发酵的半成品被送往后发酵工序，在这里将此前尚未分解的易分解和较难分

17、解的有机物进一步分解，使之变成比较稳定的腐殖质类有机物，从而得到完全成熟的堆肥制品。在该工序中通常将物料堆积到12m后进行发酵，一般进行自然通风，有时需加以翻堆或作必要的通风处理。后发酵时间一般在2030天,五、好氧堆肥的工艺流程,4、后处理 分选去除预分选未去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等，若生产精堆肥，应进行再破碎过程。生产复合肥，需加入N、P、K。 5、脱臭 化学除臭剂除臭；碱水和水溶液过滤；熟堆肥或活性炭、沸石吸附剂吸附。 6、贮存 由于施用堆肥有一定季节性，故需适当的库存容量将富余堆肥产品贮存起来。一般以能贮存6个月堆肥生产量为宜。,五、好氧堆肥的工艺流程,五、好氧堆肥的工艺流

18、程,对于湿度较高的有机物，例如，城市污泥，畜禽粪便等等在堆置前必须与干燥的蓬松剂或调理剂混合，使其混合后堆料的含水率为55-65%。蓬松剂可采用各种农业秸秆、稻壳、木屑、树皮、甘蔗渣和干燥的回流堆肥产物等。其发酵工艺流程如,城市垃圾-污泥堆肥化装置,国内垃圾堆肥系统（无锡100t/d垃圾处理实验工厂）,固体废物堆肥处理的工艺类型很多：,操作是否连续,间歇式堆肥,连续式堆肥,反应器特点,非反应器型：静态堆肥工艺,反应器型：机械搅拌式、立仓式堆肥工艺、滚筒式堆肥工艺等,六、堆肥工艺与堆肥装置,静态堆制工艺又称为常规堆制工艺(conventional composting)我国长期使用的一种有机肥堆

19、制法；原料预处理，调整含水量和C/N；垃圾7080与2030的稀粪混合，条形堆制，堆底宽2.5 3.0 m，高1.75m左右，长度不限，自然通风,1、静态堆制工艺(static composting),六、堆肥工艺与堆肥装置,堆好后呈龟背形，堆中竖插竹竿或木棒，堆好后用稀泥封堆，以防热量散失。可插入作物秸秆或草束通气；23d后，堆温上升至50以上(中心部位可达65以上)，维持1020 d，整个工艺过程需要6090d产物才能达到稳定；蛔虫卵致死率90以上,六、堆肥工艺与堆肥装置,六、堆肥工艺与堆肥装置,六、堆肥工艺与堆肥装置,一是采用自然通气方式进行堆肥，在堆肥场地开有通气沟，并在垂直方向树有通

20、气管（也可用各种秸秆捆绑成束作为通气之用），生物发酵所需要的氧气完全靠自然通风。自然通风堆肥腐熟时间通常较长。,通气方式,六、堆肥工艺与堆肥装置,二是采用强制通风供氧方式进行堆肥，也称固定堆强制通风堆肥法，人工翻堆方式通气。人工翻堆每周12次，机械翻堆可12d一次，后期腐熟阶段可每周翻一次。,通气方式,六、堆肥工艺与堆肥装置,六、堆肥工艺与堆肥装置,场地坚实不渗水，有顶棚遮盖，大风频繁的地区应在逆风面设置挡风墙。工艺特点：工艺简单，设备少，处理成本低，但工艺时间长。,场地要求及特点,六、堆肥工艺与堆肥装置,堆制在料仓内进行；机械搅拌通入空气。第一阶段为前57d的动态发酵，此阶段好氧菌活性强，升

21、温快，温度高，有机物分解快，发酵7d绝大部分致病菌死亡。7d后用皮带输送发酵半成品到另一车间进行静态二次发酵，使有机质进一步降解至稳定，2025d达到腐熟,2、搅拌式堆制工艺(mixing composting),六、堆肥工艺与堆肥装置,主要特点是采用定期翻堆，使物料均匀，并提供充足氧气，有时还考虑强制通气（常采用抽气方式进行）。翻堆作业通常采用翻堆机械进行，也有一些堆肥机械融粉碎、翻堆、测温测氧于一体。,也称卧式旋转法，由丹麦人首先研制和使用的一种连续推制法关键设备：长2030m、直径34m、倾角23的可回旋转动的金属圆筒，转速0.51转/M，机械送风,3. 滚筒式堆制工艺,六、堆肥工艺与堆

22、肥装置,有机废物被送入滚筒后，随滚筒的旋转翻动并向滚筒尾部(出料部位)移动，在此过程中完成有机质的降解、升温、杀菌等，筒内温度60以上。物料在反应器内停留35d，出料后的初产物再静态堆制56d，达到腐熟稳定。,达诺(DANO)生物稳定法,（a）卧式旋转发酵池,（b）卧式刮板发酵池,又称为泽西(Jersey)法。主要设施：立式筒状发酵仓，仓高1015m，分56层，主要用于城市垃圾处理。分选、破碎后的垃圾由皮带输送至仓顶层，受自重力和栅板的控制每日下降一层，一共停留56d，出料后静态发酵3060d,4塔式堆制工艺,六、堆肥工艺与堆肥装置,机械通入空气，水分从顶部补充，仓内温度高，升温快，24h可上

23、升至50以上，70可维持3d，之后温度逐渐下降。该工艺占地少，垃圾分解彻底，运行费用低，但水分分布不均匀。,5-8天完成一次发酵,（b）桨叶刮板式,（a）圆筒式,（c）移动床式,（d）板闭合门式,筒仓式堆肥发酵仓为圆筒型发酵仓，堆肥原料由仓顶加入，仓深度一般为45m，大多由钢筋混凝土筑成。 静态发酵仓：发酵仓内供氧均采用高压离心风机强制供气，空气一般从仓底进入。经预处理分选破碎的物料被输送机传送至仓顶中部，然后由布料机均匀地向池内布料。经过612d的好氧发酵，得到初步腐熟的堆肥产品从仓底通过出料机出料。两排发酵仓中间设出料皮带通道，出料时螺杆由两排仓的外侧向中间出料，通过两条皮带机送往中间处理

24、，中间通道设排水口对发酵仓内出料后渗出的水收集回用而使通道保持干燥，有利于出料皮带机的工作和养护。通风阻力过大，动力消耗过多，产品难以均质化。占地面积小，发酵仓利用率高。结构简单，使用较广,六、堆肥工艺与堆肥装置,5筒仓式堆肥发酵仓,动态发酵仓：位于旋转层的螺旋钻以公转和自转来搅拌池内废物，防止形成沟槽。而且螺旋钻的形状和排列能经常保持空气分布的均匀性。由于螺旋叶片重复切断原料，原料被压在螺旋面上，易产生压实块状，故通气性能欠佳。排出口高度和原料的滞留时间可调。,六、堆肥工艺与堆肥装置,槽式堆肥发酵池是一类长方形的发酵仓，主要分类如下： 矩形固定式梨翻倒发酵池 在这种槽式堆肥发酵池中设置梨型翻

25、倒搅拌装置，该装置起机械搅拌废物的作用来保持池内通气，可定期搅动兼移动物料数次从而使物料均匀发散。并兼有运输功能，可将物料从进料端移至出料端。物料在池内停留时间为510d，空气通过池底布气板进行强制通风。发酵池采用输送式搅拌装置，能提高物料的堆积高度,六、堆肥工艺与堆肥装置,6槽式堆肥发酵池,吊斗翻倒式发酵池 预处理后的垃圾经穿梭式输送装置送至发酵池内。在堆肥的发酵腐熟化期间，空气从吸槽供给，以带挖斗的桥吊翻倒物料并兼做接种操作。停留时间710d，翻倒废物频率以一天一次为标准。,六、堆肥工艺与堆肥装置,发酵仓式堆肥系统的特点：不受气候影响能有效控制二次污染发酵时间快，占地面积少。缺点：是基建投

26、资大，运行成本较高，批量生产量相对较小。,六、堆肥工艺与堆肥装置,七、堆肥的环境保护,影响因子：臭气、渗滤水、粉尘、振动、噪声。 防治技术：选址、污染防治。 脱臭技术：稀释淡化法、臭氧氧化法、氧化法、直接燃烧法、吸附法、空气氧化法、掩蔽法和中和法、离子交换树脂法、生物脱臭法和土壤过滤法。,堆肥具有改土、培肥、促进植物生长及增产效用。（1）改土作用 增加土壤有机质(土壤中正常有机质含量为400 kg/亩)；疏松土壤；增加土壤孔隙率；此外，堆肥中的腐殖质能有效地吸附NH4+、K+、Ca2+等土壤养分，使之不易老化。（2）增产作用恰当施用堆肥，对水稻和旱地作物都有明显增产的功效。,八、堆肥农用的优缺

27、点,（3）不利影响 但若长期或大量施用堆肥，可能造成土壤中有害元素的累积，特别是带来重金属元素的积累问题。此外，相对来说，目前堆肥的投资大，成本高。 因此，一般来说，堆肥作为目前一种固废利用的途径，作为土壤的改良剂、调节剂看待。,九、堆肥面临的问题与决策, 堆肥面临的问题 产品中N、P、K含量不高；堆肥杂质（废塑料、碎玻璃、碎陶瓷片等）影响堆肥质量；堆肥投资较大（25-36万元/t.d）；堆肥销路；分选费用、贮存费用较高。 对策 堆制生物活性肥料：微生物接种剂本身不是肥料，只是增强土壤吸收、利用肥料的能力 ； 堆制有机复混肥； 其它新型垃圾肥料：磁性有机肥；生物活性肥料（微生物有机肥）,从政策

28、上，禁止垃圾堆肥农用，只能用于绿化和园艺，使堆肥销路大受影响；从实际情况看：第一批国债项目：德阳、内江、自贡、宜宾、九寨沟均采用堆肥处理垃圾，仅德阳（添加磷矿石生产复混肥）运转正常，其它停产。2005年8月对省国债环保项目进行稽察，发现：自贡市原计划投资400万元改造已有堆肥系统，经多方论证后用36万进行大修，目的是上级检查时能运行，但一天也未运转；泸州原计划投入900万元建堆肥厂，后取消；宜宾垃圾综合处理厂改建后，同时具备焚烧、堆肥和填埋系统，但堆肥生产线建成半年多也未正式运行，尚无肥料产生；内江是第一批国债项目，曾经树为典型，建成不久即停产，影响全省国债项目的申请，2003年按照德阳模式进

29、行整改，目前实际处理率不到40%，正在进行建设填埋场的准备。原来四川垃圾处理专家甚至分为“填埋派”、“焚烧派”和“堆肥派”，部分专家始终认为综合处理是好办法，实践证明盲目发展堆肥并不可取，而应谨慎从事。,国外人们对垃圾堆肥的认识变化：垃圾堆肥不再被视作一种肥料，而是一种土壤改良剂；生产堆肥不是目的，目的在于垃圾的无害化。故在欧美国家，堆肥的使用是受到限制的。由庭院修剪物、果品蔬菜加工废弃物、养殖场动物粪便和酿造厂废弃物作为原料而获得的有机肥料方可用于农业生产；垃圾混合堆肥只能用于城市园林、沙漠、盐碱地、海边滩涂绿化和森林植被保护。如法国所有垃圾堆肥厂生产的堆肥产品均按国家制定的有机土壤改良剂标

30、准销售，动物粪便堆肥才可按有机肥出售。,基本原理,堆肥过程中同化、异化作用反应式。物质变化、能量释放与获取,堆肥过程,堆肥过程四阶段，物质、温度、微生物相变化,影响因素,六个主要因素,堆肥工艺,六个阶段及内容,堆肥设备,四类,1,2,3,4,5,好氧堆肥处理,评价指标,6,四类，15个,总结,影响因素及工艺,主发酵,分选、破碎、筛分、混合、养分及水分调节,发酵仓或露天堆积，强制或翻堆搅拌供氧主发酵期 412d,前处理,1,2,后发酵,进一步分解难分解有机物，条堆或静态堆肥，2030d,3,贮存,夏冬需贮存，容纳6个月的贮存设备；干燥透气,6,后处理,分选设备去除塑料、玻璃金属、小石块；加入N、

31、P、K制复肥,4,第一节 固体废物的好氧堆肥处理第二节 固体废物的厌氧消化处理第三节 固体废物的微生物浸出第四节 固体废物的其他生物处理技术,第七章 固体废物的生物处理,一、厌氧消化的概念与发展 二、厌氧消化的原理 三、厌氧消化的影响因素 四、厌氧消化的工艺 五、厌氧消化装置 六、沼气及发酵残渣的综合利用 七、厌氧消化的优势与不足,第二节 固体废物的厌氧消化处理,一、厌氧消化的概念,厌氧消化（anaerobic digestion，简称AD）是指在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，又称为甲烷发酵。,二、厌氧消化的原理,（一）两段

32、理论（ 20世纪30年代） 酸性发酵阶段、碱性发酵阶段,二、厌氧消化的原理,二、厌氧消化的原理,（二）三段理论（ 70年代初Bryantlzgl等人）,1、水解阶段 2、产酸阶段 3、产甲烷阶段,（二）三段理论,二、厌氧消化的原理,厌氧消化微生物包括水解菌、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌等。水解产酸菌和产甲烷菌既相互依存又相互制约，二者需协同作用，以共同营造均衡的垃圾降解和稳定环境。不产甲烷菌和产甲烷菌的相互关系主要表现在以下几方面： 不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长和产甲烷必须的基质； 不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境； 不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质； 产甲烷菌为不产甲烷菌的生化

33、反应解除反馈抑制； 产甲烷菌在厌氧消化过程中的调节作用。,二、厌氧消化的原理,纤维素的分解过程,（二）三段理论,二、厌氧消化的原理,（二）三段理论, 水解酸化过程 水解酸化过程是指纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质分解菌等微生物作用将非溶解性的含氮有机物（CaHbOcNd，如蛋白质、死菌体和其它动植物残渣等）和碳氢类有机物（CaHbOc，如淀粉、纤维素、半纤维素等糖类物质、脂类物质和醇类等）转化为溶解性的醇类 （Ca1Hb1Oc1）和各种有机酸（Ca2Hb2Oc2-）的生化反应过程，水解反应需在胞外酶的作用下完成。 CaHbOcNd+NH4+H+HCO3- CHON+ Ca1Hb1Oc1+NH4

34、+CO2+H2O CaHbOc+NH4+H+HCO3- CHON+ Ca2Hb2Oc2-+NH4+CO2+H2O Ca1Hb1Oc1+NH4+HCO3- CHON+ Ca2Hb2Oc2-+CO2+H2O,二、厌氧消化的原理,（二）三段理论, 水解酸化过程,二、厌氧消化的原理,（二）三段理论, 产氢产乙酸过程 产氢产乙酸过程是指醋酸分解菌和产氢菌利用水解酸化反应过程产生的可溶性物质（醇类Ca1Hb1Oc1和有机酸Ca2Hb2Oc2-）作电子供体最终产生乙酸或氢气的过程。 产乙酸的反应式为： Ca1Hb1Oc1+NH4+HCO3- CHON+ CH3COO-+CO2+H2O Ca2Hb2Oc2-+

35、NH4+HCO3- CHON+ CH3COO-+CO2+H2O 产氢气的反应式为： Ca1Hb1Oc1+NH4+HCO3-+H2O CHON+ CO2+H2 Ca2Hb2Oc2-+NH4+HCO3-+H2O CHON+ CO2+H2,二、厌氧消化的原理,（二）三段理论, 产甲烷过程 产甲烷过程是甲烷菌利用乙酸、H2和CO2生成甲烷气体的过程，标志着固相有机垃圾的彻底降解和清消。 当以H2为电子供体时，反应式为： H2+NH4+HCO3-+H2O CHON+ CH4+H2O 当以乙酸为电子供体时，反应式为： HCO3- +NH4+H2O CHON+ CH4+ HCO3-+CO2 当以甲醇为电子供

36、体时，反应式为： CH3OH+HCO3- +NH4+H2O CHON+ CH4+ CO2,二、厌氧消化的原理,第一步水解过程：高分子物质，通常是非溶解性物质，在酶的作用下水解为溶解性的物质。第二步酸化过程：水解后的物质在兼性菌和大气作用下转变成为短链的有机酸（如：丁酸、丙酸、醋酸等）、乙醇、H2、CO2。在这些中间产物中，甲烷菌仅能将醋酸和H2、CO2转变成为甲烷。第三步醋酸化过程：将第二步过程产生的有机酸、乙醇转变成为醋酸，在这一过程的醋酸菌与甲烷菌是共生的。第四步甲烷化过程：将醋酸及H2、CO2转化为甲烷。,二、厌氧消化的原理,（三） 四个阶段（Zeikuslao等人）,无论是三阶段理论，

37、还是四类群理论，实质上都是对两阶段理论的补充和完善，较好地揭示了厌氧发酵过程中不同代谢菌群之间相互作用、相互影响、相互制约的动态平衡关系，阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。,三、厌氧消化的原料的分类与特性,一、按原料来源分：1农村发酵原料 富N原料：通常是指人、畜和家禽粪便，也包括青草等富C原料：秸杆和秕壳等农作物的残余物,2城镇有机废物废水 包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等3水生植物 主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其它水草和藻类等。,三、厌氧消化的原料的分类与特性,二、按原料的形态分：1固体原料： 秸杆类、城市有机垃圾等都是固形物，其干物质含量比较高。它们主要

38、可用于干发酵、坑填发酵。,2浆液态原料： 指人、畜和家禽粪便，它们一般随清洗水排入粪坑，呈浆液态。鲜粪干物质含量多在20%左右，与水混合后的浆液多在10%上下。它们可与固态原料混合，进行干发酵，同时也作为我国农村水压式沼气池的主要原料。另外，污水污泥也属于这一类。3有机废水： 如酒精蒸馏废液、酵母厂废水、抗菌素厂废水、豆制品厂废水、制酱厂废水和纸浆废水等，它们含不同量的蛋白质、脂肪和碳水化合物，是产沼气的好原料，比天然有机物易于分解。一般用高效的厌氧消化器处理，如上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和厌氧过滤器（AF）等,三、厌氧消化的原料的分类与特性,三、厌氧消化的原料的分类与特性,四、厌氧消

39、化的影响因素,1、 温度的影响： T 有机物分解 产气量 实际应用的不同温度的发酵过程：低温发酵：20 ，发酵效率低；中温发酵：37 ，利用甲烷菌中温活跃区；高温发酵：53 ，利用甲烷菌高温活跃区。温度对发酵的影响较大，如用稻草+猪粪+青草作原料时： 2931 产气量0.55 m3/m3(池容) d; 2426 产气量0.21 m3/m3(池容) d; 1620 产气量0.10 m3/m3(池容) d; 1215 产气量0.07 m3/m3(池容) d。,温度对厌氧消化过程的影响,厌氧微生物除要求一定比例的C、N、P基质外，还对铁、镍、钴等微量元素具有要求。垃圾中一般都具有厌氧降解反应所需要的

40、营养元素。 合成细胞的碳氮比约为5：1，由于尚需要作为能源的碳，故要求碳氮比达到2030：1为宜。如碳氮比过高，细胞的氮量不足，系统的缓冲能力低，pH值容易降低；碳氮比太低，氮量过多，pH值可能上升，氮盐容易积累，会抑制发酵进程。,2、营养,四、厌氧消化的影响因素,四、厌氧消化的影响因素,3、添加剂与抑制剂,有些物质少量添加于沼气池后就可显著促进产气，这类物质称为添加剂。而另一些物质少量添加于沼气池后则显著抑制产气，这类物质称为抑制剂。,对厌氧消化具有抑制性的物质,四、厌氧消化的影响因素,金属离子的促进作用和抑制作用浓度范围,四、厌氧消化的影响因素,3、添加剂与抑制剂,水解、发酵菌及产氢产乙酸

41、菌对pH值的适应范围大致为56.5，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.67.5（7.07.2）之间。,4、酸碱度（pH）,5、Eh,厌氧微生物只能在Eh值100 mV以下甚至负值时才能生长。产甲烷菌生长和产甲烷的适宜氧化还原电位（Eh）是-300 mV以下,四、厌氧消化的影响因素,6、搅拌（混合）,7、水分,四、厌氧消化的影响因素,水分不仅是固相垃圾被微生物水解、酸化所必需的反物，还是微生物生长繁衍和保持活性所必需的条件，适宜的含水率是促进填埋垃圾快速稳定的最基本条件,8、接种物,正常沼气发酵是一定数量和种类的微生物来完成的。含有丰富沼气微生物数量的污泥叫接种物,添加剂有三种：天然接种剂(ino

42、culant)、微生物接种剂和起爆剂,五、厌氧消化工艺,一个完整的厌氧消化系统包括：预处理厌氧消化反应器消化气净化与贮存消化液与污泥的分离处理和利用,（一）根据消化温度划分的工艺类型,最佳温度范围是4755 ，此时有机物分解旺盛，消化快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适用于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理 培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅拌消化物料,目前我国农村都采用这 种消化类型。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广，但受季节影响明显 消化周期须视季节和地区的不同加以控制,高温消化工艺,厌氧消化工艺,五、厌氧消化工艺,自然温度半批量投料沼气消化工艺流程,（二）根据投料

43、运转方式划分的工艺类型,根据投料运转方式划分工艺类型,投料启动后，经一段 时间的消化产气，连续定量的添加消化原料和排出旧料；其消化时间能够长期连续进行。工艺易于控制，能保持稳定的有机物消化速率和产气率，但该工艺要求较低的原料固形物浓度。,启动时一次性投入较多的消化原料，当产气量趋于下降时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。 农村较适用。,两个反应器；根据两段理论设计。可大幅度地提高产气率，气体中甲烷含量也有所提高。同时实现了渣和液的分离，使得在固体有机物的处理中，引入高效厌氧处理器成为可能。,厌氧消化工艺,五、厌氧消化工艺,五、厌氧消化工艺,厌氧消化工艺,按发酵级差,产酸和产

44、甲烷是在同一装置中进行。单级发酵对处理废水废物中的BOD来说，不如两级或多级理想，但从获得能源的角度来说是可行的。,产酸和产甲烷两个不同阶段是由两类不同的微生物所调节的原理而设计的。这两类微生物在生理学、营养需要、生长和代谢特征、对环境的要求和对环境刺激的敏感性等方面有重大差异。两级发酵能大大提高产气量和挥发性固体的分解效率，缩短发酵周期，节约成本和运转费用，还能更有效地进行废物处理,两相“湿-湿”厌氧消化系统,（三）湿式厌氧消化工艺和干式厌氧消化工艺,五、厌氧消化工艺,（三）湿式厌氧消化工艺和干式厌氧消化工艺,干式厌氧消化 与湿式厌氧消化工艺基本相同，只是污泥的脱水和处置工作量相对较多。由于

45、固体浓度更高，氨浓度等环境参数的影响较大。 难点：生物反应在高固体含量条件下进行；输送、搅拌难度大；需要让进料和接种物充分混合，防止反应器局部有机负荷超高以及消化物质的酸化。 优点:反应器单位体积的需水量低，产气量高;缺点:运行经验十分有限。,五、厌氧消化工艺,（四）其他工艺,间隙处理厌氧堆肥工艺(Sebac or Leach-Bed Process，美国)：第一级（启动期）的破碎垃圾用第三级（稳定期）的渗滤液接种，第一级产生的挥发酸浓度高的渗滤液进入第二级（产甲烷期）转化为甲烷。 干式厌氧消化/好氧堆肥工艺（美国）：一级干式厌氧消化（固体含量2531%），把垃圾中的大部分有机成分转化成甲烷。

46、二级为厌氧消化后剩余固体的好氧堆肥，以产生良好的腐殖质类物质以作为肥料和土壤改良剂。 半固体厌氧消化/好氧堆肥工艺（意大利）：一级为半干法消化（固体含量1522%），产生甲烷；二级为厌氧消化固体和垃圾中可生物降解部分一起进行好氧堆肥，以产生腐殖质类物质。,五、厌氧消化工艺,六、厌氧消化装置,1、化粪池,六、厌氧消化装置,2、水压式沼气池,2、水压式沼气池,六、厌氧消化装置,发酵装置小型水压式沼气池,多用于我国农村；大多采用地下埋设和水压式贮气；发酵间为圆形，两侧带有进出料口；容积：6m3、8m3、10m3、12m3等。优点：池顶有活动盖板，便于检修。结构简单，造价低，施工方便。缺点：气压不稳定

47、，池温低、原料利用率低（仅1020%）、产气率低（平均0.10.15m3(m3d)）。,3、浮罩式发酵装置,六、厌氧消化装置,4、长方形发酵装置,六、厌氧消化装置,5、红泥塑料沼气池,1 ) 半塑式沼气池； 2 )两模全塑式沼气池；3 )袋式全塑沼气池； 4 )干湿交替消化沼气池,六、厌氧消化装置,6、印度KVIC型发酵产沼装置,六、厌氧消化装置,7、常见现代厌氧发酵产沼装置,欧美型：直径与高度比大于1，对底部沉积层和表面浮渣层通过通入气体产生强烈的环流来处理。 经典型：该结构有利于发酵污泥处于均匀、完全循环的状态。 蛋型：有利于发酵污泥完全彻底地形成物料流的循环而避免有死角出现，不会产生过多

48、的物料沉积。 欧洲平底型：与欧美型比，直径与高度比较为合理，但比经典型施工费用低。,六、厌氧消化装置,七、沼气和发酵残渣的综合利用,1 沼气的综合利用 用作生活燃料； 用作运输工具的动力燃料 用以发电 ； 制作化工原料 ； 用以孵化禽类 ； 用以蔬菜种植； 用以贮粮防虫。,3、沼渣的综合利用（1）作肥料（2）作营养钵：棉花营养钵、玉米营养土（3）与其他肥料配合使用（4）栽培蘑菇（5）养殖蚯蚓,2、沼液的综合利用沼液在种植业中的应用沼液浸种：利用沼液中所含的”生理活性物质”、营养组分以及相对稳定的温度对种子进行播种前的处理。沼液叶面喷洒沼液水培蔬菜果园沼液滴灌沼液在养殖业中的应用：沼液养鱼、喂猪

49、、喂鸡,厌氧消化具有过程可控制、降解快、生产过程全封闭的特点；能源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；易操作，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；产物可再利用，适于处理高浓度有机废水和废物，经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以作农肥、饲料或堆肥化原料；可杀死传染性病原菌，有利于防疫；厌氧过程中会产生恶臭气体；厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，稳定化时间长，设备体积大。,八、厌氧消化的优势与不足,第一节 固体废物的好氧堆肥处理第二节 固体废物的厌氧消化处理第三节 固体废物的微生物浸出第四节 固体废

50、物的其他生物处理技术,第七章 固体废物的生物处理,一、微生物浸出史 二、浸矿细菌 三、细菌浸出机理 四、细菌浸出工艺 五、细菌浸出处理放射性废渣,微 生 物 浸 出 内 容 提 要,一、微生物浸出史,1887年,发现,1922年,浸出ZnS,1947年,发现 Thiolacillus Ferrooniclans,1954年,高效,1958年,专利申请,1,2,3,4,5,2040年工业应用历史 贫矿、尾矿废渣 U、Zn、Mn、As、Ni、Co、Mo等,二、浸矿细菌,三、细菌浸出机理,化学 反应说,直接 作用说,喷洒法 灌溉法 垂直管法 均匀分布 pH2,金属回收循环浸出 置换 电积 其它金属,