固体废弃物的生化处理学课件

1、第三章：固体废弃物的生化处理 Biological Conversion Technologies of Solid Wastes固体废弃物的生化处理学1、生活垃圾中5060%是有机物，会腐烂变质，释放臭气，污染环境；会孳生蚊蝇，危害健康2、粪便、污水厂污泥大部分是有机物，堆放过程中会释放污染物，污染环境3、农业废弃物基本上全是有机物，倾倒水体中会释放污染物；焚烧会污染大气有机物是固体废物污染的重要来源有机污染物有必要进行治理有机污染物通常是可生物降解的生物处理是一种很好的途径固体废弃物的生化处理学原理: 微生物降解技术:依靠自然界广泛分布的微生物的作用,通过生物转化(氧化、分解有机固废)将有

2、机固废中易于生物降解的有机组分转化为腐殖肥料、沼气或其它化学转化品。（塑料蛋白、乙醇或糖类）从而达到固废无害化的一种处理方法。目前主要包括：好氧堆肥技术、厌氧发酵技术 此外还有：废物养殖蚯蚓固体废弃物的生化处理学3-1 堆肥法（Compost）原料 传统： 秸秆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵制作肥料。 本世纪20年代后：生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便以及农林废物等工艺传统:手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生物转化作用，发酵周期长，处理量小本世纪20年代后；出现了机械堆制技术固体废弃物的生化处理学一、 堆肥化概念及发展过程1、堆肥化定义堆肥化（composting)是在控制条件下，使来源于

3、生物的有机废物，发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。注意：堆肥原料来自生物界；堆制过程需在人工控制下进行;堆制过程的实质是生物化学过程。体积一般只有原体积积50一70。固体废弃物的生化处理学、堆肥化发展过程农业废弃物、落叶、杂草、粪便厌氧堆肥化城市生活垃圾垃圾成分动植物残余、灰渣好氧堆肥化、机械化堆肥垃圾产生速度快、产生量大堆肥厂停产倒闭工业革命，工业制成品及有害物混入垃圾中堆肥化技术又开始回升填埋、焚烧缺陷，分类收集、分选技术发展固体废弃物的生化处理学 两个相关概念堆肥：废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(compost)。腐殖土：堆肥是一类腐殖质含量很高的疏松物质

4、，故也称为“腐殖土”。分类 按堆制方式：间歇堆积法、连续堆积法按原料发酵所处状态：静态发酵法、动态发酵法按堆制过程的需氧程度：好氧法、厌氧法 二、堆肥化概述1.堆肥化分类固体废弃物的生化处理学关于好氧法、厌氧法好氧堆肥系统温度一般为50一65，最高可达80一90，堆制周期短，故也称为高温快速堆肥。 厌氧堆肥，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，工艺比较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，但堆制周期过长，、需312个月，异味浓烈，分解不够充分。固体废弃物的生化处理学 2、好氧法堆肥原理好氧法制堆肥是以好氧菌为主对废物进行吸收、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

5、，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，产生更多生物体。固体废弃物的生化处理学三、堆肥原料与堆肥微生物1堆肥原料含碳水化合物、脂类、蛋白质较多的固废 人和禽畜粪便，已经经过胃肠系统的充分消化，一般颗粒较小，合有大量低分子化合物人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高，可直接用作原料。 有机污泥富含微生物生活繁殖所需的营养成分(表91)，是堆肥的良好原料。 农林废物均富含碳素，但有的因含纤维素、半纤维素类物质；有的因表面布有众多毛孔而其有疏水性，处理困难，故均需作预处理生活垃圾中，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。固

6、体废弃物的生化处理学2堆肥微生物 嗜温菌和嗜热菌。繁殖的温度范围列于下表。菌 类 最低温度适 宜 最高温度 嗜温菌 15-25 25-40 43 嗜热菌 25-45 45-50 85 嗜温菌 (细菌、放线菌、酵母菌)： 吃糖类、淀粉；嗜热菌 (细菌、真菌) ：吃脂类、蛋白质、纤维。 固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学1。堆肥过程描述(1)起始阶段：堆制初期，堆层呈中温(1545)。此时，嗜温性微生物活跃，利用可溶性物质糖类、淀粉不断增殖，在转换和利用化学能的过程中产生的能量超过细胞合成所需的能量，加上物料的保温作用，温度不断上升。四、堆肥过程固体废弃物的生化处理学（3）熟化阶段 冷却

7、后的堆肥，一些新的微生物借助参与有机物（包括死掉的细菌残体）而生长，将堆肥过程最终完成。（2）高温阶段 嗜热性微生物迅速繁殖，在供养条件下，大部分较难降解的有机物（蛋白质、纤维等）继续氧化分解，同时释放能量，温度60-70度；有机物分解完毕，养料减少，嗜热性微生物停止活动，当温度稳定在40度左右，堆肥基本达到稳定，形成腐殖质。固体废弃物的生化处理学2、堆肥过程参数、供氧量空气量少，大量微生物死亡，分解速度慢；多，温度降低，不利于耐热菌。最佳量：实际空气量为理论空气量的2-10倍方式：强制通风、翻堆搅拌，需适当的物料空隙率固体废弃物的生化处理学、含水率影响：溶解有机物，参与微生物的新陈代谢 可以

8、调节堆肥温度一般，含水率水分低于20%，微生物死亡；过高，原料紧缩，空隙率小，导致空气量小，转化成厌氧反应；同时水分蒸发过多，温度达不到要求，影响堆肥效果。最佳含量：在50-60%（质量分数）为宜，55%左右为最理想，此时微生物分解速度最快。对高含水量的垃圾可采用机械压缩脱水，使脱水后的垃圾含水率在60%以下，也可以在场地和时间允许的条件下，将物料摊开，搅拌使水分蒸发。还可以在物料中加入稻草、木屑、干叶等松散或吸水物。而对低含水量的垃圾（低于30%），可添加污水、污泥、人畜尿粪等。固体废弃物的生化处理学、碳氮比 微生物每利用30份碳就需要l份氮，故初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳

9、在26：135：1之间。成品堆肥的适宜碳氮比为10:1-20:1之间：出于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，放应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。影响:过高；氮缺乏，细菌和其它微生物发展受限制，堆肥速度缓慢，时间长；另外还会造成成品堆肥的氮饥饿过低：氮素过剩，容易转化成氨气释放，造成肥效降低各物料的碳氮比见表固体废弃物的生化处理学碳磷比：除碳和氮外，磷对微生物的生长也有很大影响。在垃圾发酵时添加污泥就是利用其中丰富的磷来调整堆肥原料的碳磷比。堆肥原料适宜的碳磷比为75-150。 好氧堆肥初期，pH一般可下降为56，尔后又开始上升，发酵完成前可达8.5-9.0，最终达到7

10、0一80固体废弃物的生化处理学有机物含量堆肥物料适宜的有机物含量为20一80，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。固体废弃物的生化处理学固体废物有机固体废物预处理无机物搅拌机机械发酵池风机后处理后发酵贮藏出售堆肥工艺流程预处理：包括破碎、分选等，主要是除去堆肥原料中大块和非堆肥化物质。但不同的堆肥原料，预处理过程有所不同。如家畜粪便、污泥、城市生活垃圾。 一般，粒径，有机物分解速度，但物料间的空隙率 ，通气效果。适宜的粒径范围是1260mm。如果堆肥物质结构坚固，不易挤压，粒

11、径应小些，否则粒径应大些。此外，决定垃圾粒径大小时，还应考虑它的经济性，因为粒度，动力消耗，处理垃圾的费用。五、堆肥程序固体废弃物的生化处理学主发酵（一次发酵）通常将堆肥开始到堆肥温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵阶段。主发酵阶段是堆肥生物化学反应的基本阶段，在发酵池内进行。周期一般需要天固体废物有机固体废物预处理无机物搅拌机机械发酵池风机后处理后发酵贮藏出售主发酵期应满足下述各工艺条件：碳氮比(C/N): 有机物被微生物分解速度随C/N比而变。微生物自身的C/N比约430，用作其营养的有机物C/N比最好也在此数值范围内，特别当C/N比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。含水率 :

12、5060%重量时，微生物分解速度最快。供氧量 实际供氧量通常为理论量的210倍。但过量供氧易使温度下降，不利于发酵的正常进行。固体废弃物的生化处理学后发酵 经过主发酵的半成品被送去后发酵。在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。一般，把物料堆积到12米高度进行后发酵，此时，需要防止雨水的装设，有些场合还需进行翻堆和通风。有时即使不进行通风，也需要每周左右进行一次翻堆。当温度稳定在40左右时即达腐熟，一般需20一30天。后处理 经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都变细碎和变了形，数量也减少了。然而，在城市固体废

13、物发酵堆肥时，在前处理工序中还没有完全去除的塑料、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杂物，可以用回转式振动筛、振动式回转筛、磁选机、风选机、惯性分离机、硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要（如生产精制堆肥）进行再破碎。固体废物有机固体废物预处理无机物搅拌机机械发酵池风机后处理后发酵贮藏出售固体废弃物的生化处理学粪便输送垃圾发酵仓熟料振动筛细料通风磁选农肥粗料分拣利用浸滤液集水井冲洗水调节池初沉池污泥曝气池竖流池污泥回用池上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程 固体废弃物的生化处理学武汉市城市垃圾堆肥发酵系统 计量板式给料机初选（人工）发酵仓出仓

14、二次发酵垃圾入场磁选滚筒筛堆肥污水粪便计量废铁填埋回收物粪便入场固体废弃物的生化处理学杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图城市生活垃圾贮料池抓吊废铁滚筒筛人工分选粗大无机物去填埋混合滚筒污水池风机出料机二次发酵出料机风机一次发酵振动给料机散装堆肥装袋机填埋出售滚筒筛固体废弃物的生化处理学 长野县堆肥化系统流程图脱臭戽斗式翻堆机贮槽定量给料器一次发酵仓家畜尿回转振动筛二次发酵仓杂质污水池土壤脱臭装置干净气体固体废弃物的生化处理学六、堆肥方法1、间歇堆肥法（野积式堆肥） Windrows composting 传统方法；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。一次发

15、酵，周，每周翻动-次二次发酵，-周全过程-天，场地坚实不渗水面积足够固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学说明：野积式堆肥首先要求对堆肥原料进行前处理，然后根据其含水率和碳氮比，确定原料配比，国外利用城市固体废弃物生产堆肥的配料方法有纯垃圾堆肥、垃圾-粪便混合（7：3）堆肥、垃圾-污泥混合（7：3）堆肥三种。我国露天堆肥法一般是采用70-80%垃圾与20-30%粪稀配比。固体废弃物的生化处理学2、好氧静态堆肥工艺Aerated Static Pile composting一般采用露天强制通风垛，当一批物料堆积成垛后，不再添加新料和翻堆，直至物料腐熟后运出。缺点是有机

16、物和微生物分布不均匀，局部会发生厌氧。固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学3、连续发酵In-Vessel composting连续发酵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和高温发酵过程。这种系统除具有发酵时间短，能杀灭病源微生物外，还能防止异味，成品质量比较高，已在美国、日本、欧洲广为采用。固体废弃物的生化处理学Unmixed vertical and horizontal reactor固体废弃物的生化处理学Mixed(dynamic) vertical and horizontal reactor固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学七、腐熟

17、度概念堆肥的腐熟度是指成品堆肥的稳定程度。在工程上，它是的衡量堆肥反应完成的信号；在农业上，它是堆肥质量的指标。 (I) 直观经验法：成品氓肥显棕色或陪灰色，并具有霉臭酌土壤气味，无明显的纤维。(2)淀粉测试法：淀粉测试法的理论依据是在正常的发酵过程中，堆肥的淀粉量随时间增加而减少，一般当发酵到达第45周时，淀粉绝大部分分解，最终成品堆肥中，淀粉应全部消失。测定方法是将堆肥样品加入高氯酸溶液，搅拌、过滤，用碘液检验滤液，如果变黄、略有沉淀物，表明堆肥已经稳定；如果呈现蓝色，表明堆肥未腐熟。测试方法固体废弃物的生化处理学 (3)耗氧速率法通过仪器自动显示堆层O或CO浓度在单位时间内的变化值，以评

18、定堆肥发酵程度和腐熟情况。耗氧速率标志着堆肥反应的进行程度。堆肥腐熟时，耗氧速率很低。认为当耗氧速率降为0.020.1 mol/min时，堆肥已腐熟。耗氧速率一般采用测氧仪测定固体废弃物的生化处理学八、堆肥的农业效用1、堆肥的改良土壤作用增加土壤有机质改善土壤结构：使粘质土壤松散、砂质土壤结团、增加空隙率提高土壤功能：提高保水能力、防止肥分流失促进植物根系增长2、 堆肥的增产作用增加土壤养分提高农作物产量：1030%。固体废弃物的生化处理学3、堆肥农用的不利因素 、含量低 易富集有害元素 投资大，成本偏高固体废弃物的生化处理学堆肥产品的精制堆肥化肥其他配料功能微生物精制农肥混合破碎包装混合造粒

19、低温干燥筛分短期发酵混合有机无机复合肥、营养基质、生物菌肥固体废弃物的生化处理学南宫堆肥厂南宫堆肥厂位于北京市大兴县赢海乡南宫村,总建筑面积2.16万平方米，其中厂房1.5万平方米。 南宫堆肥厂日处理15-60mm的生活垃圾400吨，年处理量12.4万吨。年产12mm以下及12-25mm堆肥4万吨。南宫堆肥厂采用先进的强制通风隧道式发酵技术，处理由转运站送入的15-60mm的生活垃圾，生产0-12mm和12-25mm两种粒径分别适用于农业及园林的堆肥产品。本项目整套生产设备及工艺控制技术全部由德国提供，与国内同类产品相比，其体积小，技术含量高，全部采用自动控制技术，即在中央控制室可以直接对设备

20、及工艺过程进行实时监控，完成信息采集、综合处理等工作。固体废弃物的生化处理学南宫堆肥厂为防止生产过程中散发出氨气（NH3）、硫化氢（H2S）等有害气体及臭味，堆肥厂建设了生物过滤池，能有效地过滤，抑制有害气体。堆肥厂生产废水在工艺中循环使用，不外排，而且厂区生产地面全部采用水泥地面，可防止垃圾渗沥液对地下水的污染；生活废水经污水处理系统处理后排放。堆肥厂设有化验室，定期测定垃圾成分和堆肥腐熟度，以确保堆肥产品质量。固体废弃物的生化处理学南宫堆肥厂工艺流程图固体废弃物的生化处理学3-2 厌氧发酵制沼气 Anaerobic Biological Transformations固体废弃物的生化处理学

21、一、 厌氧消化概念及发展过程1、厌氧消化定义厌氧消化是指在厌氧状态下，利用厌氧微生物，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固体废弃物的生化处理学、厌氧消化发展过程农业废弃物、农村人畜粪便厌氧发酵粪便、污泥厌氧消化技术受到重视能源危机、石油价格上涨可生物降解有机垃圾正处于研究和应用阶段沼气家庭取暖、照明、做饭减量化、稳定化(有机物减量3050%)沼气替代能源固体废弃物的生化处理学3、厌氧消化特点优点：缺点：厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大会产生H2S等恶臭气体可将废弃物中低品位生物能转化为高品位沼气厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低

22、适于处理高浓度有机废水和废物厌氧消化后的残渣已基本稳定，可做农肥、饲料或堆肥化原料生产过程全封闭固体废弃物的生化处理学二、厌氧消化原理三阶段理论1、厌氧发酵的原理整个发酵过程分为液化、产酸和产甲烷三个阶段；不同菌群固体废弃物的生化处理学 （低级挥发性脂肪醇类、中性化合物、H2、CO2）（不产甲烷菌、产甲烷菌）c（CO2、H2、甲醇、甲酸、乙酸、CH4）A.液化阶段 a（碳水化合物、蛋白质、脂肪） b（单糖或二糖、酞、氨基酸等） B. 产酸阶段： b C. 产甲烷阶段： c CH4固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学三阶段厌氧消化模式厌氧消化产气中甲烷含量5060%；1kg可降解有机物产

23、生0.631.0m3的沼气固体废弃物的生化处理学2. 影响发酵的因素A. 温度：常用的有三种发酵温度 a. 低温发酵：大多处于20以下，产气不高； b. 中温发酵：在37左右，这是甲烷菌第一个最佳活性区； c. 高温发酵：在53左右，这是甲烷菌第二活性区。 固体废弃物的生化处理学 B. pH 甲烷菌对pH要求很窄，为7.0左右，一般应控制在6.8-7.5之间。一般情况下，发酵过程可以自身调解，但新进料时易降低，可少加石灰进行调解。 固体废弃物的生化处理学 C. 搅拌 一般高温时要求搅拌，以增强产气率和防止局部酸化。方式有： a. 机械搅拌； b. 充气搅拌； c. 泵循环。固体废弃物的生化处理

24、学1、低固体消化工艺特点：固体浓度低（ 48% ） ，容易混合均匀，进出物料泵简单，可稀释有毒物质。但废物中须加水，导致消化污泥处置之前须脱水，成本较高工艺步骤-分三步第一步：有机成分的准备。涉及废物接收、粉碎和分选第二步：增加水分和养分，混合器内混合、调节pH值到6.8、加热物料到5560 ，进入消化器进行厌氧消化第三步：沼气收集、贮存及沼气分离，消化污泥的脱水和处置三、根据反应器中固体浓度划分固体废弃物的生化处理学2、高固体消化工艺特点：固体浓度高（ 22%），不需要加水，反应器单位体积需水量低，产气量高。但进出物料泵复杂，有毒物质（盐和重金属）易使微生物中毒工艺步骤-分三步第一步：有机成

25、分的准备。涉及废物接收、粉碎和分选第二步：增加养分，混合器内混合、调节pH值到6.8、加热物料到5560 ，进入消化器进行厌氧消化第三步：沼气收集、贮存以及沼气分离，消化污泥的简单脱水和处置固体废弃物的生化处理学四、厌氧消化装置固体废弃物的生化处理学水压式沼气池（一）结构与工作原理1、启动前状态 ：平衡2、启动后状态 ：产生的沼气将料液压向水压箱，箱内液面升高3、使用沼气状态：料液压挤压沼气供气固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学（二）设计1、设计参数（1）气压：7480pa（即80cm水柱）为宜。（2）池容产气率：池容产气率系指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m3沼气/（m3

26、池容d）。我国通常采用的池容产气率包括0.15、0.2、0.25和0.3几种。（3）贮气量：贮气量系指气箱内的最大沼气贮存量。农村家用水压式沼气池的最大贮气量以12小时产气量为宜，其值与有效水压间的容积相等。（4）池容：池容系指发酵间的容积。农村家用水压式沼气池的池容积有4、6、8、10m3等几种。（5）投料率：投料率系指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85-95%之间为宜。固体废弃物的生化处理学2、发酵间的设计（1）确定池容 （2）确定贮气量 贮气量=池容产气率池容1/2固体废弃物的生化处理学（3）计算圆筒形发酵间容积 （4）确定进出料管安装位置 圆筒形发酵间由池盖、池身、池

27、底组成 水压式沼气池进出料管的水平位置，一般确定在发酵间直径的两端固体废弃物的生化处理学3、水压间的设计（1）水压间的底面标高：此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位置O-O水平（2）水压间的高度（H）：此高度应等于发酵间最大液位下降值（H1）与水压间液面最大上升值（H2）之和，即H=H1+H2（3）水压间容积：此容积等于池内最大贮气量固体废弃物的生化处理学化粪池 （1）它兼有污水沉淀和污泥发酵双重作用。粪水流入化粪池后，速度减慢。在一个标准化粪池中，粪水停留时间为12-24小时，比重大的悬浮固体下沉到池底。化粪池大约可将70%的悬浮固体截留下来（2）被截留的悬浮固体受厌氧菌的分解作用，产

28、生气体上浮，将分解后的疏松物质牵引到液面，形成一层浮渣皮。浮渣中的气体逸散后，悬浮固体再次下沉成为污泥。如此反复分解、消化，浮渣和污泥逐渐液化、降解掉（一）工作原理固体废弃物的生化处理学（二）化粪池容积及其计算公式 E服务人口，人；Q每人每天污水量，L； Tq污水在池内停留时间，一般取0.5-1.0d； S每人每天污泥量，一般取0.8-1.0L； Ts清泥周期，一般按100-360d； C污泥消化体积减小系数，一般为0.7，(D/2)/ (1/1) PW生污泥含水率，一般为95%； PW池内污泥含水率，上部下部平均取95%。 固体废弃物的生化处理学（三）. 化粪池结构改进 一格二格三格 一般： 一格：分离沉淀，厌氧发酵； 二格：充气搅拌，好氧发酵； 三格：再次沉淀，上清液排入下水道。固体废弃物的生化处理学固体废弃物的生化处理学粪便厌氧发酵池分常温、中温、高温发酵。a.常温：不加料情况下，经35天，大肠杆