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1、第五章 固体废物生物处理,5.1 概 述,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,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,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,同济
2、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,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,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,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、
3、有机质循环农业/生活垃圾处理受污染土壤处理,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,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,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
4、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,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0.0224 m3,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆
5、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：,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,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2623Nm3,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,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、
6、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,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,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
7、生物代谢2035,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,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
8、率相当新鲜垃圾田间含水率5570%腐熟堆肥田间含水率3040%,优化初始含水率40-60%，空隙率40%,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,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4565 堆
9、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,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,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,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工
10、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,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,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,翻堆,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
11、态,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,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,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,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,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,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,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
12、,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,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15%消化流程 一阶段 二阶段代谢环境 中温 高温 3545 50,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-3cs=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
13、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,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,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,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
14、代谢50%，分布均衡含水率生物代谢、传质60%C/N生物代谢35,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,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,同济大学固体废物
15、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,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,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
16、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,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,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,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,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,同济大
17、学固体废物处理与资源化研究所,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,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,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,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Kompogas,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Dr
18、anco,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Valorga,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde-BRV,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde-KCA,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）固液分离螺杆式挤压螺距递减挤压卧螺式离心脱水,厌 氧 消 化 工 艺,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,产生物利用与处理沼气发电内燃机/外燃机沼渣堆肥农用焚烧填埋沼液脱氮处理灌溉利用,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,工艺计算产气量计算元素组成测定原料、固体残余
19、的有机元素组成换算计量化学分子式配平计量化学方程后演算物理组成G=Ci gi i生物质组成G=hi gi,G 单位产气量（Nm3/kg）Ci各物理组分的质量比（kg/kg）Gi各物理组分经验产气率（Nm3/kg）i各物理组分经验消化率（-）hi各物理组分的质量比（kg/kg）gi各生物质组分的经验产气率,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,消化率4560反应器容积发酵周期t日处理垃圾F接种物重量比I混合进料容重W反应器容积V,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,厌氧消化的能源平衡能源产生产气150250L CH4/kgBVS发电热效率30工艺用能物料加热能量(120150%)搅拌装机功率开机时间率,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,沼液处置B/C0.1NH3-N1500mg/LCOD2000mg/L适宜土地处理沼渣处理植物养份好氧堆肥含水量60%无害化水平与消化温度有关,
