固体废物的生物处理

固体废物的生物处理第1页/共81页第2页/共81页基本概念和原理固体废物的生物处理：直接或间接利用生物体的机能，对固体废物的某些组成进行转化以建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。原理：采用生物处理技术，利用微生物（细菌、放线菌、真菌）、动物（蚯蚓等）或植物的新陈代谢作用，固体废物可通过各种工艺转换成有用的物质和能源（如提取各种有价金属、生产肥料、产生沼气、生产单细胞蛋白等），既能实现减量化、资源化和无害化，又能解决环境污染问题。第3页/共81页第4页/共81页第5页/共81页a.好氧堆肥(aerobiccomposting)在有氧状态下，好氧微生物对有机废物进行分解转化的过程。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50～65℃，最高可达80～90℃，堆肥周期短，能连续操作，因此，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，投资大等。

第6页/共81页b.厌氧堆肥(anaerobiccomposting)在无氧条件下，厌氧微生物对有机物进行分解转化的过程。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。

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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：好氧堆肥原理第9页/共81页好氧堆肥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(oxidizingreaction)细胞质的合成反应(syntheticreaction)细胞质的分解反应(decompositionreaction)第10页/共81页a.有机物的氧化反应(oxidizingreaction)按反应物表示的反应按生成物表示的反应

第11页/共81页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CsHtNuOv·aH2O表示固体废物中的含氮有机物，则好氧分解反应可表示为：第12页/共81页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：

若有机物完全分解，则反应式表示为： 有机物的氧化反应表示细菌的异化作用，即将有机物转化为其它物质的反应，根据上述两个化学反应式可以求出堆肥化生物分解过程的理论需氧量。第13页/共81页b.细胞质的合成反应(syntheticreaction)

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。第14页/共81页c.细胞质的分解反应(decompositionreaction)细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所引起的反应：第15页/共81页好氧堆肥过程微生物进入一个新环境，微生物适应环境过程，温度不升高。嗜温性细菌、酵母菌、放线菌为主，分解最易分解的可溶性物质——淀粉、单糖、蛋白质等，产生大量热能，温度↗45℃嗜热性微生物（细菌、放线菌和真菌的一些群落）；分解残留可溶性物质，纤维素、半纤维素、蛋白质，温度↗45~70℃，可有效杀灭虫卵和病原菌嗜温性微生物为主，残余有机物被分解，腐殖质不断积累，温度↘40℃左右第16页/共81页堆肥化过程(compostingprocess)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(见下图)。潜伏阶段中温阶段高温阶段熟化阶段第17页/共81页（1）潜伏阶段(温度在内25℃以下)此阶段为堆肥化的初期阶段；是微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。

第18页/共81页（2）中温阶段(温度25～45℃)此阶段嗜温菌最活跃，他们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。第19页/共81页（3）高温阶段(温度>45℃)堆温一般可达到65～70℃，或者更高。此时，嗜温菌受到抑制或死亡，嗜热菌大量繁殖，逐渐替代嗜温菌的活动。高温阶段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得到分解外，其它的固体有机物(纤维素、半纤维素、本质素、蛋白质等)也开始强烈分解。

50℃左右时，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。

60℃时，真菌不再适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍在活动。

70℃以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到抑制，并大量死亡或进入休眠状态。在高温阶段，按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。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。第20页/共81页图7-1微生物活性示意图第21页/共81页（4）熟化阶段(温度为40—20℃)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。生物分解过程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。第22页/共81页第23页/共81页7.2.6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。粒度(granularity)有机物含量(organiccontent)含水率(watercontent)碳氮比（C/N）(carbonnitrogenratio)通风和耗氧速率(aerationandoxygenconsumptionrate)温度(termperature)pH值碳磷比（C/P）(c:pratio)第24页/共81页（1）粒度(granularity)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；理想的粒度是25～75mm。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。第25页/共81页(2)有机物含量(organiccontent)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20～80％。第26页/共81页(3)含水率(watercontent)作用：溶解有机物并参与微生物新陈代谢；通过水分蒸发带走热量，以调节堆肥的温度。若含水率过高，水会阻碍空气流通，造成缺氧；若水分过少，会使分解速率降低。当含水率<2％时，微生物将停止繁殖。最佳含水率范围为50～70％，用生活垃圾制堆肥时含水率以55％为宜。第27页/共81页(4)碳氮比(C／N)(carbonnitrogenratio)C／N是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。微生物每利用30份碳，就需要1份氮，因此初始物料的C／N比为30：1时适合堆肥的需要，其最佳值在26／1～35／1之间。成品堆肥的适宜C／N在10／1～20／1之间。C／N过低，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境；C／N过高，则氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限制，导致有机物分解速率降低，堆肥过程延长。由于初始原料的C／N比一般都高于26／1～35／1，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，调节到30／1以下。随着堆肥发酵的进行，其C/N比呈逐渐下降状态。第28页/共81页(5)温度(temperature)实践表明，堆肥过程的最佳温度为35～55℃。低于35℃时堆肥效率不高，在55℃左右时，微生物活性最高，有机物的分解效率也最高。高于55℃时，微生物的活性开始下降，堆肥效率也下降。另外，大多数病原菌的灭活温度高于50℃，因此，堆肥温度控制在55℃左右，并维持一定长的时间，对于提高堆肥化效率和堆肥产品质量是适宜的。我国防预医学科学院研究指出，粪便堆肥，最高温度必须达50～55℃，并在该温度下维持5～7天，可以杀灭大肠杆菌和蛔虫卵。美国环保局指出,用露天条垛式堆肥,最高温度必须达到55℃以上并至少维持15天，在密闭堆肥系统中，在同样温度下，需要维持至少3天，就可以杀灭病原体。第29页/共81页第30页/共81页(6)通风和耗氧速率

(aerationandoxygenconsumptionrate)通风作用：提供氧气，以促进微生物的繁殖及分解有机物所用；通过供氧量的控制，调节最适温度。在维持最适温度的基础上，加大通风量可以去除水分。通风供氧的方式：自然扩撒、翻堆法、强制通气法、翻堆与强制通气结合法等。第31页/共81页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14～17％，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3～6％。第32页/共81页第33页/共81页(7)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4.5-5;随着有机酸的逐步分解，pH值逐渐上升，主发酵完成前可达到8-8.5;二次发酵后的最终成品的pH=6.5左右。pH5.5-6.5是微生物活动的最佳范围一般认为，pH6.5-8.5，堆肥化效率最高。第34页/共81页第35页/共81页第36页/共81页7.2.7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(rottendegree)第37页/共81页(1)堆肥质量的含意a.有适合农作物生长所需的营养成分。b.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数量范围。c.堆肥应达到稳定的腐熟度。第38页/共81页(2)我国堆肥产品的质量标准随其所用原料、工艺及堆制周期不同而有差异。（P181,表7-8）此外，堆肥化产品还应满足下列基本要求。a.堆肥产品中的C／N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刑，以维持繁殖增生，若C／N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。因此，要求堆肥产品中的C／N比应低于20(C／N<20)。b.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。c.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。第39页/共81页(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，它既是反映堆肥化反应完成的标志，又是堆肥质量标准。堆肥稳定和腐熟的基本含义：达到稳定化、无害化堆肥产品使用期间不能影响作物的生长和土壤的耕作能力。堆肥腐熟度的测定方法有多种：物理方法、化学方法、生物活性、植物毒性分析、安全测试分析等。第40页/共81页第41页/共81页堆肥产品腐熟度评价方法物理方法温度下降至常温左右；外观茶褐色或暗灰色，无恶臭而有土壤的霉味；疏松团粒结构；产品出现白色或灰白色真菌丝。第42页/共81页化学方法C/N比：（25-30）：1将至（15-20）:1以下；氮化合物：氨态氮—硝态氮和亚硝态氮；CEC：反映有机质降低的程度，是堆肥腐殖质化程度和新形成的有机质的重要指标。与C/N比呈现很高的负相关性。有机化合物：糖类-淀粉-纤维素腐殖质（HS）：胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及未腐殖质化的物质（NHF）腐殖化指数HI=HA/FA腐殖化率HR=HA/(FA+NHF)胡敏酸含量HP=HA*100/HS第43页/共81页生物活性法呼吸作用：耗氧速率法、CO2产生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ΔO2／min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O2／CO2测定仪测定堆层中O2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。第44页/共81页微生物种群及数量嗜温菌-蛋白质分解细菌、产氨细菌30天左右嗜热菌-分解纤维素的细菌和真菌60天左右硝化细菌80天左右放线菌腐熟期第45页/共81页第46页/共81页第47页/共81页

厌氧发酵制沼气（methane）概述厌氧发酵的生物化学过程厌氧发酵的影响因素发酵工艺

发酵装置第48页/共81页一、厌氧发酵概述定义主要特点第49页/共81页(1)厌氧发酵（anaerobicfermentationm）厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用下，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。由于厌氧发酵的产物是以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵(firedampfermentation)。厌氧发酵技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化和稳定化的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中10～50％的有机物，并使之稳定化。70年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻找新的能源，这时厌氧发酵技术显示出其优势，普遍受到人们关注。近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用来处理城市污泥和粪便。第50页/共81页(2)厌氧发酵技术的主要特点可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可直接利用的高品位；与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；适用于处理高浓度有机废水和废物；经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农肥、饲料和堆肥化原料；厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大；厌氧处理过程中易产生H2S等恶臭气体。第51页/共81页二、厌氧发酵的生物化学过程/原理概述生物化学反应(biochemicalreaction)厌氧分解(anaerobicdecomposition)过程第52页/共81页（1）概述参与厌氧分解的微生物有产酸菌(水解菌）和产甲烷菌两大类产酸菌能将复杂的有机物水解，井进一步分解为以有机酸为主的简单产物，产酸菌属于兼性厌氧菌。产甲烷菌是绝对厌氧菌，其功能是将有机酸转变为甲烷。甲烷菌的繁殖速度相当缓慢，且对于温度、抑制物的存在等外界条件的变化相当敏感。有机物厌氧消化的生物化学反应是非常复杂的过程，中间反应和中间产物有数百种，并且每种反应都是在酶或其它物质的催化作用下进行的。第53页/共81页二（2）生物化学反应第54页/共81页（3）厌氧分解(anaerobicdecomposition)过程根据庆氧分解过程中产物和微生物的特点，厌氧分解过程可分为二个阶段、三个阶段、四个阶段。三段理论：水解阶段(Liquefactionstage)产酸阶段(Acid-producingstage)产甲烷阶段(Methane-producingstage)第55页/共81页图7-3有机物的沼气发酵过程/水解阶段/发酵细菌/醋酸分解菌产氢菌CO2第56页/共81页a.液化阶段(Liquefactionstage)在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生物的浓度、温度和pH等条件的制约。主要有机物的水解反应：蛋白质+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S第57页/共81页b.产酸阶段(Acid-producingstage)液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、