第五章固体废物生物处理.

第五章固体废物生物处理5.1概述2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18同济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2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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、有机质循环农业/生活垃圾处理受污染土壤处理2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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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222CHOOCOHO422xyxyzyxx能量151842(4-3-2)-67-3-15CHON[]OCHON(-15)CO()HO(-1)NH42tuwv223mutvwmumvmmtmv32572221CHONH5OCHON5CO4HO422xyxnynznnxnxny能量5722223CHON5O5CO2HONH能量2019/12/18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0.0224m32019/12/18同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化原理解：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：23325722225115CHONHOCHON5COHO4211kg60%0.06kg60g10生物质生成量==212+31+116=43含碳有机物分子量512+71+114+216=113生物质分子量=60=543114g113消耗含碳有机物602532106g1134耗氧量2019/12/18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2322293CHOO2COHO4231kg60%0.1140.336kg336g4其余含碳有机物降解量3369=32563g434耗氧量2019/12/18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2623Nm3150=2032118g3270耗氧量121661518423CHON20OCHON21CO12HO2NH22312701kg60%0.15kg150g4含氮有机物分子量，降解量7871=22.42623L320.21折算空气（标态）体积2019/12/18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2019/12/18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、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2019/12/18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：胞外酶非溶解性有机物无机物+细胞质+热量溶解性基质好氧代谢原生动物细胞质生物体+残余物+无机物胞外酶非溶解性有机物无机物+细胞质+热量溶解性基质好氧代谢原生动物细胞质生物体+残余物+无机物422NHONO/NO硝化菌特征微生态替换型代谢2019/12/18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40~60%空隙率传质40%C/N生物代谢20~352019/12/18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55℃×5d60%蒸发潜热--干化初含水率55%终含水率45%165%141%113%90%50%110%170%20%30%40%50%原料有机物含量能量满足----率有机物热值18MJ/kg原料有机物含量30%可满足2方面的要求2019/12/18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率相当新鲜垃圾田间含水率55~70%腐熟堆肥田间含水率30~40%优化初始含水率40-60%，空隙率40%2019/12/18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氧化产能堆体升温合成能量细胞原料细胞合成降解产能氨释放N细胞原料合成能量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2019/12/18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45~65℃堆制时间生物代谢、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2019/12/18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、orgC/orgC0、NO2--N、腐殖质、水淬C/N比2019/12/18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2019/12/18同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺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2019/12/18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2019/12/18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/条垛式通风层强制通风翻堆2019/12/18同济大学固体废物处理与资源化研究所堆肥化工艺仓式——静态2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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2019/12/18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每日处理量发酵周期实用容积物料密度22COCO112VHHQ出进堆物料平衡+理论气量热量平衡理论气量两者之中取大物料平衡空气量8实际理论2019/12/18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2019/12/18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t3/4t总t≥3/4t总2[O]5%65CT55CT/通风翻堆通风2019/12/18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2019/12/18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5%5~15%15%消化流程一阶段——二阶段代谢环境中温——高温35~45℃50℃2019/12/18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24+2572439CHON2HOCH2048+-COCHONNHHCO58202020nabcsddedencbsddesdsdsdnccc24+2572439CHON2HOCH2048+-COCHONNHHCO58202020nabcsddedencbsddesdsdsdnccc10.21ccfsaef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的部分，且s+e=1s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2019/12/18同济大学固体废