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1、固体废物的处理与处置(Treatment&Disposalof Solid Wastes),固体废物的生物处理,沼气发酵 高温堆肥（好氧堆肥）Composting,堆肥化(composting),好氧堆肥原理堆肥原料及堆肥微生物堆肥化过程好氧堆肥工艺堆肥化的影响因素堆肥质量堆肥农业效用,一 概述,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
2、禽畜粪便以及农业固体废物的重要方法之一。定义 分类,1 定义,堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，在控制条件下使来自生物的有机废物降解转化为稳定腐殖质的生物化学过程。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(Intermittent stacking)连续堆积法(Double tower circulating reactor)按原料状态：静态发酵法(Static fermentation)动态发酵法(Dynamic fermenta
3、tion)按微生物的生长环境：好氧堆肥(aerobic composting)厌氧堆肥(anaerobic composting),（1）好氧堆肥(aerobic composting),在有氧状态下，好氧微生物对有机废物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，堆肥系统的温度一般为5065，最高可达70以上，堆肥周期短，能连续操作，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。,（2）厌氧堆肥(anaerobic compostin
4、g),在无氧条件下，厌氧微生物对有机物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。,二 好氧堆肥原理,概述有机物的生物化学反应,1 概述,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
5、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。有机废物的好氧分解过程很复杂，可以下列通式表示：,2 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(oxidizing reaction)细胞质的合成反应(synthetic reaction)细胞质的分解反应(decomposition reaction),三 堆肥原料及堆肥微生物,堆肥原料堆肥微生物(microorganism),1 堆
6、肥原料,生活垃圾、有机污泥、人畜禽粪便以及农林废物等都含有堆肥微生物所需要的碳水化合物、脂肪、蛋白质等各种基质，因此这些有机废物是常用的堆肥原料。,1 堆肥原料,生活垃圾含有较多的不可堆腐的惰性物质，因此必须进行预处理，去除这些惰性物后才能作为堆肥原料。有机污泥通常富含有微生物生活繁殖所需的营养成分，是堆肥的良好原料。人、畜、禽粪便一般颗粒较小，含有大量的低分子化合物，即人和动物未能吸收消化的中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。农林废物均富含碳素但有的农林废物因含有难于分解的纤维素、半纤维素、果胶、木质素和植物腊等物质，难以被微生物分解。有的农林废物因表面布有众多疏水性毛孔，使微生物的分
7、解作用十分缓慢因此这些农林废物均需进行预处理后才能用于生产堆肥。,2 堆肥微生物,好氧堆肥过程中，参与有机生化降解的微生物有嗜温菌和嗜热菌两种。最低 适宜 最高 嗜温菌 1525 1540 43(mesophilic bacteria)嗜热菌 2545 4050 85(thermophilic bacteria)起重要作用的微生物是细菌和真菌。,四 堆肥化过程(composting process),堆肥化过程中发生的生物化学反应是极其复杂的，目前尚难进行精确的描述。在实际设计和操作过程中，通常根据温度的变化情况分为以下四个阶段(见右图)。潜伏阶段中温阶段高温阶段熟化阶段,1 潜伏阶段(温度在
8、内25以下),堆肥化的初期阶段；微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。,2 中温阶段(温度2545),嗜温菌最活跃，主要利用物料中可溶解性的有机物，如糖类、淀粉，大量繁殖，在转换和利用化学能的过程中释放出细胞合成所需的多余能量，加上物料的保温作用，使温度不断上升。以细菌、真菌和放线菌为主的微生物在此阶段迅速繁殖。,3 高温阶段(温度45),废物堆积开始发酵一周左右，堆温可达6570。嗜温菌受到抑制或死亡，嗜热菌大量繁殖。最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解外，其它固体有机物(纤维素、半纤维素、本质素、蛋白质等)也开始强烈分解。50，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。6
9、0，真菌不适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍在活动。70以上，大多数微生物其谢活动受到抑制，死亡或休眠高温阶段，微生物经历三个时期的变化后，堆肥开始形成腐殖质，逐步进入稳定状态。,高温阶段，嗜热性微生物的活性，可细分为对数增长期、减速增长期和内源呼吸期三个亚阶段，即三个时期。,4 腐熟阶段(温度为4020),在内源呼吸期，微生物活性下降，发热量减少，温度逐渐下降至中温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动，进一步分解残留有机物，腐质不断增多，且趋于“稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。,4 腐熟阶段(温度为4020),生物分解过程
10、中产生的氨在这一阶段通过硝化细菌的作用转化为硝酸盐，其反应式为：由于硝化细菌生长缓慢，只有在低于40的温度下才有活性，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始进行。氮在转化为硝酸盐后才能被植物吸收。因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的过程。,五 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。,堆肥化的影响因素,通风和耗氧速率(aeration and oxygen consumption rate)含水率(water content)温度(termperature)有机物含量(organic conten
11、t)粒度(granularity)碳氮比（C/N）(carbonnitrogen ratio)碳磷比（C/P）(c:p ratio)pH值,1 通风和耗氧速率(aeration and oxygen consumption rate),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;适宜的CO2体积浓度为36。供氧量计算,2 含水率(water content),由于水是溶解废物中有机物和营养物质以及合成微生
12、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；若含水率过高超过70%，温度难以上升，有机物分解速率低，水会阻碍空气流通，造成缺氧；若水分过少，当含水率20时，微生物将停止繁殖。,3 温度(temperature),初期与环境温度一致堆温上升，加速分解消化，杀灭虫卵、致病菌以及杂草籽，安全用于农田。,4 有机物含量(organic content),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。,5 粒度(gran
13、ularity),在堆肥化过程中，物料的粒度影响其体密度、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；粒度太小容易造成厌氧。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。,6 碳氮比(CN)(carbonnitrogen ratio),CN是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。初始物料的CN比为30：1，最佳值261351之间。成品堆肥的适宜CN在101201之间。CN过低，菌体衰老和自溶，氮源浪费和酶产量下降，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
14、分解速率降低，施入土壤中，将夺取土壤中的氮素，陷入“氮饥饿”状态。,7 CP(碳磷比)(c:p ratio),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。堆肥原料的CP一般高于此值，排水污泥的CP低，可用来作为堆肥原料配料时的调整剂，调整堆肥原料的CP比。,8 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。,五 好氧堆肥工艺,好氧堆肥工艺发酵工艺及
15、装置,1 好氧堆肥工艺,野外人工堆肥和工厂化机械堆肥。野外人工堆肥是在传统的农家堆肥的基础上发展起来的，操作简单，费用低廉，许多国家都有应用。该方法对通气、水分、温度等条件不易控制。这种好气堆肥工艺适用于分散的农家堆肥。工厂化机械堆肥技术是由市政管理部门集中城市垃圾实施社会化堆肥的快速方法。经过加工与材料回收后的垃圾集中于堆肥工厂，在发酵池中采用机械搅拌与强制通风的方法使之快速发酵。包括发酵、熟化、加工与贮存。,原料预处理(preliminary treatment)：分选、破碎、含水率和CN比调整。原料发酵(ferment)：目前推广二次发酵方式。一次发酵（主发酵）：好氧堆肥的中温和高温两个
16、阶段中的微生物代谢过程二次发酵（后发酵）：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(aftertreatment)：去除杂质，进行必要的破碎等处理。另外，脱臭、贮存等,2 发酵工艺及装置,间歇式发酵工艺及设备(batch fermentation)连续式发酵工艺及设备(continuous fermentation),（1）间歇式发酵工艺及设备(batch fermentation),原料一批一批地发酵，一批原料堆积完后不再添加新料，待完成发酵后成为腐殖土运出。该发酵工艺可露天进行，故又称为野积式堆肥或露天堆肥，也可建堆肥仓以进行全
17、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,（2）连续式发酵工艺及设备(continuous fermentation),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
18、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。,六 堆肥质量,堆肥质量的含义我国堆肥产品的质量标准堆肥的腐熟度(rotten degree),1 堆肥质量的含意,（1）有适合农作物生长所需的营养成分。（2）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
19、数量范围。（3）堆肥应达到稳定的腐熟度。,2 我国堆肥产品的质量标准,堆肥化产品还应满足下列基本要求。（1）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，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。（2）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。（3）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。,3 堆肥的腐熟度,腐熟度的概念堆肥腐熟度是指堆肥的稳定化程度，它既是
20、反映堆肥化反应完成的标志，又是堆肥质量的标准。评价指标：物理学、化学、生物学、工艺指标气味、粒度、色度pH值、有机质变化、碳氮比、氮化合物、腐殖酸,堆肥腐熟度的测定方法：植物幼苗试验法，耗氧速率法、CO2生成速率法、易分解有机物含量法、淀粉消失法、硝酸氮生成法、CN恒定法、氧化还原电位升高法、碱性基团交换容量法等多种方法。,耗氧速率法,堆层中氧的浓度和耗氧速率或CO2生成速率反映了微生物的活性和有机物的分解程度。耗氧速率表示单位时间内O2浓度的变化，以O2min表示，当耗氧速率变化平衡或无明显变化时说明堆肥已趋于成熟。用气体采集枪和微型吸气泵抽取堆层中的气体，然后用O2CO2测定仪测定堆层中O
21、2或CO2浓度在单位时间内的变化值就可以评定堆肥的发酵程度和腐热情况。当单位时间内O2或CO2的浓度没有明显变化则表明堆肥成熟。,七、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
22、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。,思考题简述好氧堆肥的生物反应过程，并写出其总反应式。好氧堆肥过程一般按温度的变化发展，其发展过程分为哪几个阶段？各阶段的生物活动情况如何？堆肥化的影响因素有哪些，各有什么影响？,立式多层移动床式发酵塔,卧式回转筒发
23、酵器（丹诺发酵器）,形状类似回转窑（图），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6070。该发酵器一般作为一次发酵器，出料送二次发酵。,筒仓式动态发酵仓,淀粉消失法,基本原理在正常堆肥发酵过程中，随着时间的推移，堆肥中的淀粉由于微生物的分解吸收，其含量将逐渐减少。在成热的堆肥中淀粉应全部转化分解完而消失。具体测定方法将堆肥样品放入高氯酸钾溶液中，经搅拌，过滤、用含碘液检验滤液，如果滤液变黄并略有沉淀物，即表示堆肥已腐熟稳定。若滤液呈现蓝色，则表明堆肥中淀粉含量仍较高，末达到腐熟稳定化。此法简单方便,适用于现场检测，但当堆肥原
24、料中淀粉含量较低时，所测结果就不能充分地反映堆肥的腐熟程度。,（1）有机物的氧化反应(oxidizing reaction),按反应物表示的反应按生成物表示的反应,按反应物表示的反应,以CxHyOz表示固体废物中的不含氮的有机物，则好氧分解反应可表示为：,以CsHtNuOvaH2O表示固体废物中的含氮有机物，则好氧分解反应 可表示为：,按生成物表示的反应,以CaHbOcNd表示固体废物中的有机物，以CwHxOyNz表示存在堆肥产品中的抗性有机物(稳定的难降解的有机物)，则好氧分解反应可表示为：,（2）细胞质的合成反应(synthetic reaction),细胞质的同化作用是以NH3作为氮源，细胞质的合成作用包括有机物的氧化过程。,（3）细胞质的分解反应(decomposition reaction),细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所引起的反应：,堆肥过程中的主要影响因素,通风和耗氧速率有机质含量水分碳氮比（C/N）颗粒度pH值温度碳磷比（C/P）,有关通风的计算理论需氧量,理论需氧量=堆肥产物中的氧堆肥原料中的氧n降解效率,有关通风的计算碳氮比/物料配比,含氮率干物质的含氮率,
