环科《固体废物处理技术》课件(生物技术)

1、 第第八八章章 固体废物生物固体废物生物处理处理技术技术 第一节第一节 概述概述 一、固体废物的生物处理一、固体废物的生物处理 1 1、生物处理、生物处理就是以固体废物中的可降解有机物就是以固体废物中的可降解有机物为对象，通过生物的好氧或厌氧作用，使之转化为稳为对象，通过生物的好氧或厌氧作用，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。定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。 几乎所有生物处理过程中均伴随着能源和物质的再几乎所有生物处理过程中均伴随着能源和物质的再生与回用。生与回用。 2 2、生物处理方法、生物处理方法堆肥化、厌氧消化、纤维素水堆肥化、厌氧消化、纤维素水解、生物制氢

2、技术等。其中堆肥化可大规模处理固解、生物制氢技术等。其中堆肥化可大规模处理固体废物，已得到广泛应用并取得较成熟的经验。体废物，已得到广泛应用并取得较成熟的经验。 3 3、生物处理作用、生物处理作用 稳定化和杀菌消毒作用稳定化和杀菌消毒作用 生物处理过程中，有机物转化为生物处理过程中，有机物转化为H H2 20 0和和C0C02 2、CHCH4 4、NHNH3 3、H H2 2S S等气体，实现腐殖化达到稳定化的效果，并利用反等气体，实现腐殖化达到稳定化的效果，并利用反应热导致的高温过程，杀灭病原菌，实现无害化。应热导致的高温过程，杀灭病原菌，实现无害化。 废物减量化废物减量化 废物经过生物处理

3、后，有机物可以减少废物经过生物处理后，有机物可以减少30305050。 回收能源回收能源 回收物质回收物质 除了生产堆肥化产品外，还有纤维素水解生产化工除了生产堆肥化产品外，还有纤维素水解生产化工原料和其他生物制品，养殖蚯蚓生产生物蛋白，以及原料和其他生物制品，养殖蚯蚓生产生物蛋白，以及生物制氢回收利用氢气等技术。生物制氢回收利用氢气等技术。 二二、生物处理过程的基本生物原理生物处理过程的基本生物原理 1 1、微生物生长所需营养条件、微生物生长所需营养条件 能源和碳源能源和碳源 两种最常见碳源两种最常见碳源有机碳有机碳和和COCO2 2。 异养微生物异养微生物利用有机碳合成细胞物质的微生物利用

4、有机碳合成细胞物质的微生物; ; 自养微生物自养微生物利用利用C0C02 2合成细胞物质的合成细胞物质的微生物微生物。其。其合合成成转化是转化是还原反应还原反应，需要吸收能量，比异养微生物，需要吸收能量，比异养微生物消消耗更多耗更多的的能量能量，故自养微生物生长率往往较低。，故自养微生物生长率往往较低。 能源能源太阳光、化学反应能量。利用太阳光作为太阳光、化学反应能量。利用太阳光作为能源的生物叫做能源的生物叫做光能营养微生物光能营养微生物。利用化学反应来获。利用化学反应来获得能量的叫做得能量的叫做化能营养微生物化能营养微生物。 无机盐和生长因子无机盐和生长因子 无机盐无机盐也是微生物生长的限制

5、因素。微生物所需也是微生物生长的限制因素。微生物所需的主要的主要无机盐元素无机盐元素包括：包括： N N、S S、P P、K K、MgMg、CaCa、FeFe、NaNa和和C1C1，以及一些，以及一些微微量元素量元素，如，如ZnZn、MnMn、MoMo、SeSe、CoCo、CuCu、NiNi和和W W。 生长因子生长因子一些微生物在生长过程中还需要某些一些微生物在生长过程中还需要某些不能自身合成的，同时又是生长所必需的须由外界所不能自身合成的，同时又是生长所必需的须由外界所供给的营养物质，把这类物质叫做生长因子。供给的营养物质，把这类物质叫做生长因子。 生长因子生长因子可分为可分为3 3类类：

6、氨基酸类、嘌呤和嘧啶类、氨基酸类、嘌呤和嘧啶类、维生素类。维生素类。嘌呤嘌呤C C5 5H H4 4N N4 4嘧啶嘧啶C C4 4H H4 4N N2 22 2、微生物代谢类型、微生物代谢类型 据代谢类型和对分子氧的需求，据代谢类型和对分子氧的需求，化能异养微生物化能异养微生物可可分为：好氧呼吸作用、厌氧呼吸利用、兼性呼吸作用分为：好氧呼吸作用、厌氧呼吸利用、兼性呼吸作用等。等。3 3、微生物种类、微生物种类 细菌，霉菌，酵母菌，放线菌。细菌，霉菌，酵母菌，放线菌。4 4、环境条件、环境条件 温度、pH值范围、水分条件，抑制剂，如重金属、氨、抑制剂，如重金属、氨、硫离子以及其他有毒物质。硫离

7、子以及其他有毒物质。 第二节第二节 堆肥化处理技术堆肥化处理技术一、概念和术语一、概念和术语 1 1、堆肥化（、堆肥化（compostingcomposting）是利用自然界广泛存在的微生物在人为控制条件人为控制条件下，使生物有机废生物有机废物物发生生物稳定化生物稳定化（biostabilization）的过程。定义3 3要点要点： 堆肥原料堆肥原料来自生物界，是由多种不同组分构成的有机物料。包括：垃圾中的厨余物、污水包括：垃圾中的厨余物、污水厂污泥、人畜粪便、农业废弃物、食品加工、酿造厂污泥、人畜粪便、农业废弃物、食品加工、酿造废弃物等。废弃物等。欧洲一些国家已经对堆肥化的概念进欧洲一些国家

8、已经对堆肥化的概念进行了统一，定义堆肥化就是：行了统一，定义堆肥化就是： “ “在有控制的条件下，微生物对在有控制的条件下，微生物对固体和半固体有机废物的好氧中温或固体和半固体有机废物的好氧中温或高温分解，并产生稳定的腐殖质的过高温分解，并产生稳定的腐殖质的过程程”。 堆制过程堆制过程人工控制下，以保存发酵过程中产生的热量，保持温暖湿润和好气条件以利于多种微生物共同作用。可见，堆制过程的实质实质是卫生工卫生工程程意义上的生物化学过程生物化学过程。 堆制目的堆制目的生物稳定化。即使物料中可降解的有机物质在自然细菌、放线菌和真菌等作用下转化为稳定的腐殖质腐殖质类物质，不再产生还原性异味物质（如H2

9、S、NH3等）。 城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程（ CJJ /T52-93）中3.0.1条规定： “堆肥原料应堆肥原料应是城市生活垃圾和其它可作为堆肥原料的垃圾。是城市生活垃圾和其它可作为堆肥原料的垃圾。” 2 2、堆肥历史、堆肥历史 “土坑堆肥土坑堆肥”19201920年年英国科学家“印多尔印多尔”法19331933年年丹麦“达诺达诺”法 19581958年日本垃圾垃圾堆肥。 “印多尔印多尔”法1.5m1.5m堆高，隔月倒堆，6 6个月个月厌氧发酵； “ 达诺达诺”法 好氧装置3 34d4d高温消化 二二次消化。 3 3、堆肥、堆肥堆肥化制得的成品叫

10、做堆肥。其腐殖腐殖质质含量很高，结构疏松结构疏松，体积约为原来的50%50%70%70%。 4 4、堆肥化系统分类方法、堆肥化系统分类方法 按堆制方式按堆制方式野积式堆肥；装置式堆肥 按物料移动形式按物料移动形式静态堆肥；动态堆肥； 按需氧程度按需氧程度好氧堆肥；厌氧堆肥。 目前，国内最常用的是采用好氧发酵工艺好氧发酵工艺。与堆肥化定义有与堆肥化定义有矛盾？矛盾？ADPADP二磷酸腺苷二磷酸腺苷，能量载体。有机固废C、HO、N、P、S微生物新细胞微生物OCO2、NH3H2O、PO43-SO42-、NO2-NO3-PiPiADPADPATPATP热量热量热量热量PiPi位能升高位能升高80千卡克

11、分子千卡克分子二、好氧堆肥技术二、好氧堆肥技术（一）好氧堆肥原理（一）好氧堆肥原理1 1、好氧堆肥过程简示图、好氧堆肥过程简示图合成合成ATP氧化氧化PiPiH3PO43-ATPATP三磷酸腺苷三磷酸腺苷，能量转移中心，在发酵、好氧及无氧呼吸中生成 ，含高能磷酸键，能量库。微生物产微生物产能分配能分配热释放，堆肥升温热释放，堆肥升温合成反应、生命活动合成反应、生命活动贮存在贮存在三磷酸腺苷三磷酸腺苷ATPATP中中 2 2、有机物氧化、合成反应、有机物氧化、合成反应 有机物氧化有机物氧化 、不含氮有机物（CxHyOz） 、含氮有机物（CsHtNuOvaH2O） 细胞质合成细胞质合成 细胞质氧化

12、细胞质氧化 3 3、好氧堆肥阶段划分、好氧堆肥阶段划分 一般情况下，利用堆肥温度变化来作为堆肥过程（阶段）的评价指标。一个完整的堆肥过程由三个三个阶段组成阶段组成: 起始阶段起始阶段（升温段）40405050，40h40h左右； 高温阶段高温阶段50507070，堆肥后404080h80h； 熟化阶段熟化阶段（冷却段）堆肥80h80h以后。微生物微生物低温菌低温菌：-10-103030，最适1515中温菌中温菌：20205050，最适3535高温菌高温菌：45457575，最适5555温度低于温度低于最适温度最适温度下，每升下，每升1010 ，微，微生物生长生物生长速率增加速率增加至至2 2倍

13、。倍。 特点：特点： 、每个阶段利用不同的细菌细菌、放线菌放线菌（丝状微生物）、真菌真菌和原生动物原生动物（最原始的单细胞动物，体形小于0.5mm）。60607070可杀死病原细菌； 、PHPH变化与温度变化的相关性变化与温度变化的相关性 初期初期，微生物繁殖快，有机酸产生多，PHPH下降下降；随着温度的升高，乙酸、丁酸挥发，含氮有机物产NHNH3 3使PHPH回升回升，最后随温度下降，酸性细菌重又复活，PHPH又略呈缓降趋势至稳定稳定水平。 、有机物降解规律、有机物降解规律 先是可溶易分解糖类糖类 蛋白质蛋白质 纤维素纤维素等，一个堆肥系统中，糖类降解率可在95%95%以上。h堆肥过程堆肥过

14、程PHPH与温度变化关系曲线与温度变化关系曲线（二）堆肥化（二）堆肥化控制控制参数参数 堆肥过程的关键关键是如何更好地满足微生物生长和繁殖所必需的条件必需的条件，即控制参数控制参数。 pH T604020TpH 1 1、有机质含量、有机质含量 合适的有机物含量为20%20%80%80%。 堆肥化首要问题堆肥化首要问题热量和温度的平衡问题。 挥发性物质挥发性物质含量小于20%20%时，无法提高堆层温度而达无害化，也无法提高微生物活性； 当含量大于80%80%时，供氧很难满足要求，往往达不到完全好氧而产生恶臭产生恶臭。城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程 （CJ

15、J93）规定的进仓原料有机物含量为20%20%60%60%；堆肥挥发性物质堆肥挥发性物质指将堆肥或其他有机物料在550550的马福炉中灼烧完全后损失损失的部分部分。 2 2、供氧量、供氧量 理论上讲理论上讲，需氧量取决于碳被氧化的量。据研究结论：3030时，需氧量需氧量1mg/g1mg/g挥发性物质挥发性物质；4545时，13.6mg/g13.6mg/g；6363时，5mg/g5mg/g。 实际操作时实际操作时，氧气供应浓度应大于18%18%，最低不能小于8%8%；氧在空气中的含量20.94%20.94%。 影响供氧因素影响供氧因素物料尺寸、结构强度及含水量；尺寸小，空隙率大，易压缩，有效供氧

16、空间减少；尺寸大，空隙率小，强度高，不易压缩。 实际经验值实际经验值：含纸较多的物料，推荐尺寸3.83.85.0cm5.0cm；含结构强度好的物料，尺寸为0.50.51.0cm1.0cm。 3 3、含水量、含水量 取决于物料的空隙体积和微生物活性。 水份太低，微生物活性受到抑制，国外研究最低40%40%； 水份太高（70%70%），有碍于通分供氧，温度难以上升； 据研究，允许含水量的上限值为上限值为：含纸高的城市垃圾555560%60%；木屑、谷壳、干叶类为85%85%。 一般讲，最有利最有利于微生物分解的含水量按重量计为50%50%60%60%。 技术规程技术规程中规定：含水率宜为40% 4

17、0% 60%60%。4 4、温度、温度 温度的作用影响微生物的生长。 一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌。现在的快速、高温、好氧堆肥正是利用了这一点。堆肥高温菌高温菌的理想温度理想温度50506565，此温度下，一般堆肥只要5 56d6d即可达到无害化。 温度温度过低过低延长腐熟时间；过高过高7070有害于微生物活性。 高温堆肥温度最好温度最好在55556060左右。 建设标准建设标准规定必须保证堆温在5555以上保持5 57d7d。 5 5、碳氮比、碳氮比（C/N） C/NC/N比标志有机物质营养条件营养条件。微生物微生物自身的C/NC/N为4 43030，因此堆料C/N比也最好处于

18、该范围中。城市垃圾C/NC/N值20203535；锯木屑30030010001000；活性污泥5 58 8。 发酵过程中，C CCOCO2 2释放减少减少，N N合成合成细胞原生质；故堆肥C/NC/N值将减少6%6%14%14%，最高达27%27%以上。 C/NC/N为10102525时，有机物的降解速度最大速度最大。 C/NC/N高高N缺乏，微生物繁殖受限制，发酵时间长，导致堆肥C/N比过高，引起土壤 “氮饥饿氮饥饿” C/NC/N2020，造成NNHNNH4 4+ +NHNH3 3而大量损失。 堆肥技术规程堆肥技术规程中C/NC/N比为20203030； 6 6、碳磷比、碳磷比（C/P）

19、P P是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能ATPATP的重要组成，一般堆料的C/PC/P比在7575150150为宜。 7 7、PHPH值值 堆肥过程：堆肥过程： PHPH 4.54.55.05.0 8.08.08.58.5 8.08.07.57.5 （有机酸） （产NH3 ） （NH3NO3-，二次氧化） 一般微生物最适宜微生物最适宜的是中性中性或弱碱性弱碱性。( (三三) ) 堆肥腐熟度评价指标堆肥腐熟度评价指标 腐熟度腐熟度就是堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化矿化（无机化，CO2、NH3、H2S等）、腐殖化腐殖化过程最后达到稳定的程度（产品不对环境产生有害影响）。 1 1、物理

20、评价指标、物理评价指标 后期温度自然降低； 不再吸引蚊蝇，无令人讨厌的臭味； 呈棕灰色或深褐色，有白色或灰白色菌丝； 呈现疏松团粒结构。 2 2、化学评价指标、化学评价指标传统、常用、简单易行方法 PH PH值值腐熟堆肥，一般PH值8 89 9。 挥发性固体挥发性固体（有机质或全碳）含量含量 美国要求腐熟后的挥发性固体必须降解38%38%以上。即产品中挥发性固体含量小于原含量的62%62%。 C/N C/N比比评价腐熟度的传统、经典参数。 如木材类废物，从35354040降到18182020，即为腐熟。 阳离子交换容量阳离子交换容量（CEC） CECCEC与C/NC/N比之间有很高的负相关性负

21、相关性： lnln CEC CEC7.027.021.02ln1.02ln（C/NC/N） r r-0.903-0.903 CEC CEC反映有机质降低、腐殖化程度增高的重要指标，腐殖化率（HR）随堆肥过程呈增加趋势。 3 3、光谱分析法、光谱分析法 研究有机质结构变化来判断腐熟度。 堆肥处理的种子发芽率堆肥处理的种子发芽率种子根长种子根长对照的种子发芽率对照的种子发芽率种子根长种子根长 当GIGI达80%80%90%90%时，可认为堆肥已腐熟无毒性。 利用微生物评价利用微生物评价微生物种群随堆肥进程而变化，有内在的对应关系。GI（%）4 4、生物评价指标、生物评价指标 植物毒性法植物毒性法最

22、精确最精确和最有效最有效的方法 用发芽指数发芽指数（GIGI）来评价堆肥的毒性腐熟度：100% ( (四四) ) 堆肥方法堆肥方法（按堆制方式划分） 1 1、野积式堆肥、野积式堆肥又叫露天堆积法 发酵过程垃圾处于堆放状态,故属静态堆肥静态堆肥。 典型静态堆肥主要是条形堆肥条形堆肥。 特点特点： 露天静态堆肥，人工翻动，物料混合不均，周期长，占地较大，但投资和成本较低； 场地防渗水分靠热蒸及排水沟排出； 废物混合分批堆积，一批过程可分为前期前期和熟化稳熟化稳定阶段定阶段。露天堆积法配料比：露天堆积法配料比： 我国：我国：垃圾与粪稀比一般为70%70%80%80%与20%20%30%30%。 国外

23、有三种：国外有三种： 纯垃圾堆肥； 垃圾粪便（7373）混合堆肥； 垃圾污泥（7373）混合堆肥。 若掺入适量粉煤灰对增加孔隙、通风大有好处。 大连市生活垃圾堆肥厂实例简介大连市生活垃圾堆肥厂实例简介是19901990年由市政府支持、个人筹办的中型垃圾堆肥及生产颗粒复混肥的企业。年产有机、无机复混肥10000t10000t，垃圾堆肥采用高温好氧堆肥工艺高温好氧堆肥工艺。工艺特点及主要参数：工艺特点及主要参数： 主要工艺特点主要工艺特点.采用快速高温堆肥快速高温堆肥和后熟后熟两次（各10d10d）发酵技术，周期短，占地少，投资省；.进口了美国美国Wild Cat牌翻堆机翻堆机等成套设备，进行翻堆

24、过筛翻堆过筛等；属于机械翻堆条形堆肥机械翻堆条形堆肥形式。.设置排水系统（渗液和雨水）。 主要参数主要参数. . 日处理规模日处理规模100t 100t 生活垃圾；. . 一次发酵参数一次发酵参数：含水率 55%55%60%60%， C/NC/N比251251，周期10d10d，温度 505075/10d75/10d。. . 二次发酵参数二次发酵参数：最终指标：最终指标：充分腐熟，含水率20%20%，C/N20C/N20，PH7.57.58.58.5，周期10d10d，温度回落至小于4040；.场地参数场地参数：一次场地5000m5000m2 2（开放式，3次翻/周）；二次场地2000m200

25、0m2 2（覆盖塑料布，1次翻/周）；发酵垛发酵垛长宽高/60602.52.51.5m1.5m3 3。 2 2、装置式堆肥、装置式堆肥（连续或间歇，动态或静态） 已在美国美国、日本日本、欧洲欧洲广为采用。 装置式堆肥系统装置式堆肥系统大多为连续（动态）式堆肥。 连续动态堆肥工艺连续动态堆肥工艺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中温和高高温温发酵过程。时间短，防异味，肥力高。 装置系统的保证条件装置系统的保证条件改善、促进微生物新陈代谢的翻堆、搅拌、温度、水分、通风控制装置翻堆、搅拌、温度、水分、通风控制装置或机构机构。 连续式堆肥的主要类型：连续式堆肥的主要类型

26、：连续连续发酵发酵装置装置类型类型立式多层圆筒式立式多层圆筒式立式多层板闭合门式立式多层板闭合门式立式多层浆叶刮板式立式多层浆叶刮板式立式多层移动床式立式多层移动床式筒体斜置，类似球磨机，料体逐渐移向出口单层圆筒状（或矩形）深45m，砼筑成，仓底进气，仓顶进料，612d发酵，螺杆出料D2.5 4.5m，L20 40m0.2 3rmin立式堆肥发酵塔立式堆肥发酵塔（通常58层， 发酵周期58d）卧式堆肥发酵滚筒卧式堆肥发酵滚筒 （又称丹诺Dano式）筒仓式堆肥发酵仓筒仓式堆肥发酵仓（分静态和动态两种）（五）好氧堆肥工艺类型（五）好氧堆肥工艺类型 工艺工艺类型类型第一阶段初级发酵第一阶段初级发酵第

27、二阶段次级发酵第二阶段次级发酵一次性发酵一次性发酵二次性发酵二次性发酵堆肥发酵全过程分两个阶段分别在不同反应设施中完成的堆肥发酵全过程在一个反应设施中一次完成垃圾、污泥垃圾、污泥粪便等粪便等后处理后处理堆肥发酵堆肥发酵前处理前处理分离可堆与不可堆物及有毒有害物除杂分选及堆肥再制作好氧静态或动态发酵堆堆肥肥工工艺艺流流程程框框图图堆堆肥肥工工艺艺流流程程框框图图粒度调整掺加辅料或与成品回流混合使泥饼疏松。堆堆肥肥工工艺艺流流程程框框图图（六）好氧堆肥装置（六）好氧堆肥装置第三节第三节 厌氧发酵技术厌氧发酵技术厌氧发酵厌氧发酵是废物在厌氧条件下通过微生物（厌氧菌）的代谢活动而被稳定化，同时拌有CH

28、CH4 4和COCO2 2的产生。一、一、厌氧发酵原理厌氧发酵原理-三阶段理论1979年由布赖恩提出二、二、影响厌氧发酵的因素影响厌氧发酵的因素 1 1、原料配比、原料配比 C/N比以2020301301为宜。C/N比351351时产气量明显下降。 2 2、温度、温度影响产气量的关键因素。温度高，细菌活跃，产气量越高。 3 3、PHPH值和酸碱度值和酸碱度 甲烷菌最佳pH值是6.86.87.57.5，故弱碱性是必要的。调整PH值的方法是加石灰，但最好方法是调整原料的碳氮比。 4 4、搅拌、搅拌使温度均匀，防止底部物料酸积累，使产物H2S、NH3、CH4迅速排除。 三、厌氧发酵工艺三、厌氧发酵工

29、艺（按发酵温度划分） 1 1、高温厌氧发酵工艺、高温厌氧发酵工艺 最佳温度47475555，适合垃圾、粪便、污泥处理。 高温发酵菌的培养高温发酵菌的培养下水道污泥作为菌种来源 高温维持高温维持池内布设蒸气加热盘管； 原料投入与排出原料投入与排出连续投入新料和排出发酵液 发酵物料的搅拌发酵物料的搅拌机械搅拌、充气、充液搅拌 2 2、自然温度厌氧发酵工艺、自然温度厌氧发酵工艺 农村普遍采取的发酵类型，自然条件下的厌氧发酵自然条件下的厌氧发酵四 、 厌 氧 发 酵 装 置 的 结 构 与 工 作 原四 、 厌 氧 发 酵 装 置 的 结 构 与 工 作 原理理 以水压式沼气池为例水水 压压 式式 沼沼 气气 池池 工工 作作 原原 理理 五、五、城市粪便厌氧发酵处理城市粪便厌氧发酵处理 1 1、化粪池、化粪池也叫腐化池，是1919世纪末世纪末发展起来的粪便发酵处理系统。 功能功能兼有污水沉淀污水沉淀