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1、,固体废物处理与处置,第九章 固体废物的生物处理,本章主要内容：好氧堆肥厌氧消化微生物浸出其他生物处理技术重点：好氧堆肥厌氧消化,9.1 好氧生物降解制堆肥堆肥化（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定的腐殖质转化的微生物学过程。堆肥原料来自生物界；堆制过程需在人工控制下进行，不同于卫生填埋、废物的自然腐烂与腐化；堆制过程的实质是生物化学过程。,堆肥:废物经过堆肥化处理，制得的成品 一种深褐色、质地疏松、有泥土气味的物质，类似于腐殖质土壤，故也称为“腐殖土”。是一种具有一定肥效的土壤改良剂和调节剂。废物经过
2、堆制、体积一般只有原体积的50-70。,堆肥化系统分类方法,按堆制方式可分为间歇堆积法和连续堆积法；按原料发酵所处状态可分为静态发酵法和动态发酵法；按堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧法。,好氧堆肥：城市垃极堆肥工艺，基本上都是好氧堆肥，好氧堆肥系统温度一般为50-65，最高可达8090，堆制周期短，故也称为高温快速堆肥。厌氧堆肥：厌氧堆肥是利用厌氧微生物完成分解反应，空气与堆肥相隔绝，温度低，工艺比较简单，产品中氮保存量比较多，但堆制周期太长，需3-12个月，异味浓烈，分解不够充分。,按温度分：中温堆肥：1545；不能杀灭病原微生物。较少使用。高温堆肥：一般达5065，极限可达8090，最
3、适宜5560。普遍采用。,堆肥化存在的问题,1、堆肥处理的效率低，操作过程中易产生恶臭，影响周围的环境，其工艺条件也较难控制，设备投资大、处理量小。2、堆肥的质量和市场问题。堆肥中的有效肥料成分含量低，杂质多。,一、好氧法堆肥原理,好氧堆肥是以好氧微生物在与空气充分接触的条件下，使堆肥的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过程。微生物对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，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，把另一部分有机物转化合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。,1、有机物的氧化,3
4、、细胞质的氧化,2、细胞质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3作氮源）,二、堆肥原料与堆肥微生物,1、堆肥原料生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及农废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基质碳水化合物、脂类、蛋白质，因而是常用的堆肥原料。在生活垃圾中，不可堆腐的物质较多，需通过预处理，适当排除，才能用作堆肥原料。人和禽畜粪便 有机污泥 农林废物,2.堆肥微生物,好氧法制堆肥，参与有机物生化降解的微生物包括两类：嗜温菌嗜热菌。,三、好氧堆肥化过程,（1）潜伏阶段（驯化阶段）指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程。（2）中温阶段（产热阶段）嗜温性细菌、酵母菌和放线菌等嗜温性微生物利用堆肥中最容易分解的可
5、溶性物质，如淀粉、糖类等迅速增殖，并释放热量，使堆肥温度不断升高。当温度升到45 以上时，进入高温阶段。堆层呈中温（1545）。,（3）高温阶段；堆层温度上升到45以上，便进入高温阶段。嗜热性微生物逐渐替代了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留和新形成的可溶性有机物继续分解，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。50 左右：主要是嗜热性的真菌和放线菌60：真菌停止活动，主要是嗜热性放线菌和细菌70 以上：大多数嗜热微生物不适宜，大量死亡或进入休眠状态。从废物堆积发酵开始，不到1周的时间，堆温一般可达到6570，或者更高。,（4）腐熟阶段。高温持续一段时间后，易分解的有机物（包括纤维
6、素）已大部分分解，只剩下部分难分解的有机物和新形成腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。此阶段，嗜温微生物又占优势，对残余有机物作进一步分解，腐殖质不断增多和稳定化。堆肥进入腐熟阶段。,好氧堆肥过程,四、好氧堆肥工艺,1、前处理 包括分选、破碎、筛分和混合等预处理工艺。还包括调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂。目的：去除大块和非堆肥物料如石块和金属物等2、主发酵（一次发酵）在发酵仓或者露天堆积进行发酵，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气。主发酵期(一次发酵)：好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为主发酵。它是指从发酵初期开始，经中温、高温然后到达温度开始下降的整个过程，一
7、般需412天，以高温阶段持续时间较长。,3、后发酵（二次发酵）物料经过一次发酵，还有一部分易分解和大最难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成12米高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。此时温度持续下降，当温度稳定在40左右时即达腐熟，一般需2030天。,4、后处理 城市生活垃圾堆肥时，在预分选工序没有去除的塑料、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这类杂物，并根据需要，如生产精制堆肥等，则应进行再破碎过程。,5、脱臭 产生臭味物质：氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等 除臭的方法：化学除臭剂；碱水和水的溶液过滤；熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂吸附法等。6、贮存 堆肥一
8、般春秋两季使用，在夏冬两季需贮存，要有容纳6个月产量的贮存设备。,五、发酵工艺与装置,1.间歇式发酵工艺与装置 间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵，一批原料堆积之后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖土运出 间歇式发酵装置：有长方形池式发酵仓、倾斜床式发酵仓、立式圆筒形发酵仓等，并各配设通风管，有的还配设搅拌装置。,2.连续发酵工艺与装置采取连续进料和连续出料方式发酵，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。连续发酵装置：可分为立式和卧式两大类：丹诺发酵器桨叶式发酵塔,六、影响好氧发酵过程的主要因素,1、供氧量2、含水率3、温度4、有机物含量5、颗粒度6、碳氮比和碳磷比7、pH值,1、
9、供氧量 氧气是堆肥过程中有机物降解和微生物生长必须的物质。要保证较好的通风条件，提高充足的氧气是好氧堆肥正常进行的基本保证。通风作用：提供氧气、调节温度、调节堆内的水分含量。,2、含水率 堆肥最适的含水率为50-60%。过低微生物活性下降甚至停止活动，过高，堆温难以上升，有机物分解速率低。故在用生活垃圾制堆肥时，一般以含水率55%为最佳。通常，生活垃圾的含水率均低于此值，可添加粪稀或污水污泥等进行调节。,3.温度堆肥过程的堆体较佳温度是5560。有机物含量对堆肥温度有一定影响。据报导，当有机物含量由20%上升到50%时，相应地初堆时间（以55为界），可由原来的60小时缩短到44小时，而55以上
10、的稳定时间可由56小时延长到72小时。,4、有机物的含量堆肥物料适宜的有机物含量为20-80%，有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程。有机物含量大于80%时，堆制过程要求大量供氧，实践中常因供氧不足而发生部分厌氧过程。,5 颗粒度,颗粒度对通风有重要影响。颗粒度小能增大氧气的接触面积，加快微生物的分解作用。颗粒度过小，容易形成厌氧条件。,6、碳氮比和碳磷比,微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的碳氮比为30:1合乎堆肥需要，其最佳值在26:1-35:1之间。成品堆肥的适宜碳氮比为10:1-20:1之间。由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故应加
11、入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。当有机原料的碳氮比为已知时（可通过分析测出），可按下式计算所需添加的氮源物质的数量：K=（C1+C2）/（N1+N2）碳磷比：75150,7、pH值适宜的pH值可使微生物有效的发挥其应有的作用，而过高或过低的pH值都会对堆肥的效率产生影响。一般pH值在7.58.5时，可获得最大的堆肥速率。好氧堆肥初期，pH值一般可下降为5-6，尔后又开始上升，发酵完成前可达，最终成品达到。对用石灰调节再经真空过滤或加压脱水得到的污泥滤饼，其pH值一般可高达12，当采用此种污泥滤饼作堆肥原料时，需作pH值调整。主要影响因素：耗氧速率；水分和有机物含量。,七、堆
12、肥质量,堆肥质量包括适于农用的成分和养分，符合卫生要求的无害化和腐熟度。,1.堆肥的成分和养分,堆肥的成分和养分依其所用原料、工艺和堆制周期不同而有差异。我国城市垃圾堆肥成分和养分含量比较低，其中，含水率、pH、碳含量均与国外垃圾堆肥大体相同，唯氮、磷、钾低于国外额定范围：全氮0.5-1.5%，全磷0.4-0.8%，全钾0.3-1%。,2.堆肥的无害化,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）以及包括高温堆肥的卫生标准在内的粪便无害化卫生标准（GB7959-87）,3.堆肥的腐熟度,堆肥的腐熟度是指堆肥中有机物经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。
13、腐熟度是衡量堆肥进行程度的指标。评价指标：物理学指标化学指标生物学指标工艺指标,腐熟度评价指标,物理学指标：气味：臭味逐渐减弱并在堆肥结束后消失粒度：腐熟后粒度呈现疏松的团粒结构色度：堆肥过程中逐渐变黑，腐熟后呈褐色或黑色。,化学指标pH：对堆肥的进行变化而变化有机质变化指标：COD、BOD、VS（挥发性固体），随着降解逐渐减少。碳氮比：当碳氮比降到1020：1时，达到腐熟氮化物：堆肥中含有大量的有机氮化物，堆肥中伴随着明显的硝化反应过程。堆肥后期氨态氮被氧化成硝态氮或亚硝态氮。腐植酸：腐熟化过程中，腐植酸含量上升。,工艺指标温度耗氧速率,八、堆肥的农业效用,1.堆肥的改土作用（1）增加土壤有
14、机质（2）改善土壤结构（3）提高土壤功能（4）促进植物根系增长,.堆肥的增产作用,施用堆肥只要得当，都有增产作用。日本土壤学会对垃圾堆肥的农业效用所做的评价是堆肥对于水稻一般都有增产作用，施量大时，稻苗返青期推迟，最高分蘖期前的生长虽然受到暂时抑制，但后期叶色转深，生长旺盛，产量略低于标准施肥地区，但高于空白地区。对于不同土壤上的旱作物，连施4年堆肥，马铃薯、萝卜都有增产效果，施量大，增产效果明显。,.堆肥农用的不利因素,堆肥中N、P、K混合含量一般不高，很少有达到3%的。因此，不应将其等同于传统的农家肥，而只能将其作为“土壤改良剂”或“土壤调节剂”对待。农田大量施用堆肥，土壤中可能富集有害元
15、素。堆肥设备投资大，成品的成本偏高，其竞争力敌不过商品化肥，因而影响到堆肥方法的普及推广。,9.2 厌氧发酵制沼气,厌氧发酵也称沼气发酵或甲烷发酵，是指有机物在厌氧细菌作用下转化为甲烷和二氧化碳的过程。厌氧发酵工艺：采用人工方法，创造厌氧细菌所需的营养条件，使其在一定设备内具有很高的浓度，大大加快厌氧发酵过程。,厌氧消化技术特点：过程可控性、降解快、生成过程全封闭；资源化效果好，可直接转化为沼气；易操作，与好氧处理相比，厌氧消化处理不需要通风动力，设备简单，运行成本低；产物可再利用，消化后的产物可做农肥、堆肥化原料等；可杀死传染性病原菌，有利于防疫；厌氧过程可产生硫化氢等恶臭气体；厌氧微生物生
16、长速率低，常规处理方法效率低，设备体积大。,一、厌氧消化原理,参与厌氧消化的微生物主要种类：水解菌：将复杂有机物水解成有机酸的为主的简单产物产甲烷菌：将有机酸转变为甲烷。厌氧消化的生物化学反应：,厌氧发酵理论：两段理论 三段理论 四段理论,厌氧消化处理原理,有机物微生物,有机酸，醇类，O2，NH3，H2S等，能量，微生物,细胞物质,CO2，CH4等，能量,细胞物质,1.三段理论,厌氧发酵依次分为水解阶段（液化）、产酸阶段、产甲烷阶段三个阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。参与的微生物种类水解阶段发酵细菌，包括纤维素分解菌和蛋白质水解菌；产酸阶段醋酸分解菌.前两段微生物（1与2段）统称不
17、产甲烷菌产甲烷阶段产甲烷菌。,发酵过程水解阶段：发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶于水的物质，然后，细菌再吸收可溶于水的物质，并将其酵解成为不同产物。产酸阶段：产氢、产乙酸细菌把前一阶段产生的一些中间产物挥发性脂肪酸（如丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸）、醇类等进一步分解成乙酸和氢。,产甲烷阶段：甲烷菌利用H2/CO2、乙酸以及甲醇、甲酸、甲胺等C1类化合物为基质，将其转化成甲烷。其中，H2/CO2和乙酸是主要基质。一般认为，甲烷的形成主要来自H2还原CO2和乙酸的分解。,2.二段理论,2.二段理论厌氧消化过程分为：酸性发酵阶段、碱性发酵阶段酸性发酵阶段：在分解初期，产酸菌
18、的活动占主导地位，有机物被分解成有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等，由于有机酸的大量积累，pH随之下降。碱性发酵阶段：在分解后期，产甲烷菌占主导地位，在酸性发酵阶段产生的有机酸和醇等被产甲烷菌进一步分解产生CH4和CO2等。由于有机酸的分解和所产生的氨的中和作用，使得pH迅速上升，发酵从而进入第二个阶段。,二、发酵原料,堆肥原料都可以作沼气发酵原料。,（一）常见沼气发酵原料的理论产气量,计算沼气发酵原料的理论产气量，可先分别测定每种发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的含量，然后依据下式计算甲烷的产量（E）：E=0.37A+0.49B+1.04C E每克发酵原料的理论产甲烷量，L；A、B、
19、C分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂类化合物的重量g。再依下式计算二氧化碳的理论产量（D）：D=0.37A+0.49B+0.36CD每克发酵原料的理论二氧化碳产量，L；,（二）原料的总固体百分含量和总固体量,原料的总固体百分含量和总固体量可按下式计算：总固体百分含量：MTS=W2/W1100%总固体量：WTS=WMTS MTS发酵原料总固体百分含量；W1发酵原料样品重量；W2样品在1052条件下烘干衡重量；W发酵原料重量；WTS-发酵原料所含总固体量,（三）原料的碳氮比,碳氮比：比值大的为贫氮原料，如作物的秸杆、叶、茎等；比值小的为富氮原料，如人畜粪便。厌氧发酵原料的适宜碳氮比为20比
20、1至30比1，碳氮比达到35比1时，产气量明显下降。为使发酵过程有一个较高的产气量，可将贫氮原料与富氮原料适当配合成具有适宜碳氮比的混合原料。,1.混合原料的碳氮比的计算,K混合原料的碳氮比；C、N分别为原料中碳、氮含量，%；X原料的重量，kg。,2.发酵料浆的配制计算,式中：MTS沼气发酵料浆中总固体百分含量；X各种原料（包括水）的重量；M各种原料总固体的百分含量。,三、厌氧消化的影响因素,1、厌氧条件产酸菌大多数是厌氧菌；产气菌专性厌氧产甲烷菌，Eh:维持在300mv左右。2.原料配料比碳氮比：2030:1，磷含量：为有机物的含量的1/1000,3.温度温度高，产气量大；厌氧微生物的代谢速
21、率有2个高峰：3538 和5065 按温度分为：高温发酵：产气量高，53左右，加热保温困难中温发酵：产气量次之，37 左右，产气量低于高温发酵，高于常温发酵，易于管理。常温发酵：产气量最小，20 左右。,4、pH；产甲烷菌需要弱碱条件，pH值范围窄，pH低于6.2丧失活性，在产酸菌和产甲烷菌共存的环境中系统的pH值应控制在6.57.5之间。最佳7.07.2左右；维持碱度：投加石灰或含氮物料进行条件。,5.添加物和抑制物添加钾、钠、镁、锌、磷等元素能提高产气量，含氮物质过多，如蛋白质等，会产生铵盐，抑制甲烷发酵6.接种物细菌的种群和数量影响甲烷发酵。开始发酵时，接种量一般达到料液量的5。7、搅拌
22、 高温发酵要求搅拌，防治局部酸化。保证高产气量机械搅拌：采用一定的机械装置，如提升式、叶桨式等搅拌机械进行搅拌；充气搅拌：将厌氧池抽出，然后再从池底压入，产生较强的气体回流，达到搅拌目的。充液搅拌：从厌氧池的出料间将发酵液抽出，然后从加料管加入厌氧池内，产生较强的液体回流，达到搅拌目的。,四、厌氧消化工艺,1、根据消化温度划分工艺类型1）高温消化工艺 最佳温度范围是47-55，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。高温消化程序：培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅拌消化物料,2）中温消化工艺 中温消化：产气量低于高温消化，消化温度一
23、般维持在37 左右，产气量高于自然消化，易于管理。3）自然温度消化工艺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,2.根据投料运转方式划分工艺类型1）连续消化工艺投料启动后，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 2）半连续消化工艺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,3）两步消化工艺 根据
24、2段发酵理论（产酸段和产甲烷段），设置2个反应器。第一个反应器功能：水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并截留难降解的固体物质。第二个反应器功能：保持严格的厌氧条件和pH，以利于产甲烷菌的生长；消化降解来自前端反应器的产物，转化成甲烷，截留悬浮固体，改善出水性质。,厌氧消化工艺流程图,连续消化工艺,半连续消化工艺,连续消化工艺,半连续消化工艺,五、厌氧消化装置,消化器,红泥塑料沼气池：批量进料 半塑式沼气池/二块模式全塑沼气池/袋式全塑沼气池/干湿交替消化沼 气池,水压式消化池 水压式沼气池具有结构简单、造价低、施工方便；但由于温度不稳定，产气量不稳定，因此原料的利用率
25、低。,长方形甲烷消化池,水压式沼气池,长方形甲烷消化池,（一）传统的发酵系统传统的发酵系统是主要用于间歇性、低容量、小型的农业或半工业化人工制取沼气的最基本设备。传统的发酵系统人们一般称为沼气发酵池、沼气发生器或厌氧消化器。普通沼气发酵系统借助于发酵罐内的厌氧活性污泥来净化有机污染物，产生沼气。以下是几种目前常用的传统的沼气发酵池。1、立式圆形水压式沼气池（水压式沼气池）2、立式圆形浮罩式沼气池3、立式圆形半埋式沼气发酵池组,（二）现代大型工业化沼气发酵设备完善厌氧反应过程必须具备以下条件：要有一个完全密闭的反应空间，使之处于完全厌氧状态；反应器反应空间的大小要保证反应物质有足够的反应停留时间；要有可控的污泥（或有机废物）、营养物添加系统；要具备一定的反应温度；反应器中反应所需的物理条件要均衡稳定。（这就要在反应器中增加循环设备，使反应物处于不断的循环状态,作业,P154：3、5、11,
