第八章固体废物的生物处理.

固体废物处理与处置第八章固体废物的生物处理固体废物处理与处置固体废物处理与处置厌氧发酵制沼气2好氧生物降解制堆肥1第八章固体废物的生物处理固体废物处理与处置8.1好氧生物降解制堆肥8.1.1堆肥的概念8.1.2堆肥的原理8.1.3堆肥过程影响因素8.1.4堆肥工艺分类8.1.5堆肥的基本程序8.1.6堆肥发酵装置8.1.7堆肥质量固体废物处理与处置8.1好氧生物降解制堆肥现如今堆肥发酵已实现机械化和自动化，并且已发展到以城市生活垃圾、污水处理厂的污泥、人畜粪便、农业废物及食品工业废物等为原料。表8.1常见可生物降解处理的固体废物种类和来源固体废物种类主要来源城市固体废物主要有污水处理厂剩余污泥和有机生活垃圾工业固体废物主要包括含纤维素类固体废物、高浓度有机废水、发酵工业残渣（菌体及废原料）畜牧业固体废物主要指禽畜粪便农林业固体废物主要是农作物秸秆、壳、蔗渣、棉杆、棉壳、向日葵壳、玉米芯、油茶壳等水产业固体废物主要指海藻、鱼、虾、蟹类加工后的废物泥炭类包括褐煤和泥炭固体废物处理与处置8.1.1堆肥的概念堆肥（composting）的基本概念包括两方面的含义，即堆肥化和堆肥产物。堆肥化是在控制条件下，在不同阶段，通过不同微生物群落的交替作用，使有机废物逐步实现生物降解，最终形成稳定的、对环境无害的类腐殖质复合物的过程。固体废物处理与处置8.1.1堆肥的概念堆肥的作用包括：①使土质松软，多孔隙易耕作，增加保水性、透气性及渗水性，改善土壤的物理性状；②增加土壤有机质，提高带负电荷的腐殖质含量，促进阳离子养分的吸附，提高土壤保肥能力；③堆肥腐殖质中某些组分具有螯合能力，能抑制对作物生长不利的活性铝与磷酸结合；固体废物处理与处置8.1.1堆肥的概念④堆肥是缓效性肥料，不对农作物产生损害；⑤堆肥的腐殖质成分能够促进植物根系的伸长和增长；⑥将富含微生物的堆肥施于土壤之中可增加土壤中微生物数量，改善作物根系微生物条件，促进作物生长和对养分的吸收。固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理⑴好氧堆肥原理现代化堆肥工艺，特别是城市生活垃圾堆肥工艺，大都是好氧堆肥。底物大分子（蛋白质、纤维等）可溶性小分子（氨基酸、糖类等）CO2、H2O、NH3可溶性小分子（糖类、淀粉等）O2CO2、H2O胞外酶呼吸作用内源呼吸细胞合成作用NH3、O2H2OO2NO3-CO2NH4HCO3图8.1堆肥反应过程原理示意图固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理此过程原理可用反应式分别表示：①有机物的氧化不含氮有机物（CxHyOz）的氧化（8-1）含氮有机物（CsHtNuOv·aH2O）的氧化（8-2）xyz222111xyzxy222CHOOCOHO能量stuv22wxyz22223ab+de+fgCHNOHOOCHNOcHOHOHOCONH堆肥气水能量固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理②细胞质的合成（包括有机物的氧化，并以NH3做氮源）（8-3）③细胞质的氧化（8-4）xy3257222nynznx5x421+nx5ny42fnCHONHOCHNOCOHO细胞质能量5722223+552CHNOOCOHONH细胞质能量固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理堆肥过程中主要经历两次升温，将其分为三个阶段：起始阶段、高温阶段和熟化阶段。每一阶段各有其独特的微生物类群。①起始阶段堆制初期，堆层呈中温（15～45℃），故也称为中温阶段。此时，嗜温菌活跃，并利用可溶性小分子物质（糖类、淀粉等）不断增殖。固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理②高温阶段堆层温度上升至45℃以上，进入高温阶段。此时，嗜温菌活性受到抑制，甚至死亡，而嗜热菌逐渐替代嗜温菌，并迅速繁殖。内源呼吸期0对数增长期减速增长期时间ab图8.2微生物活性示意图a－微生物活性曲线；b－O2利用率固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理③熟化阶段冷却后的堆肥中，新的嗜温菌再占有优势，借助残余有机物（包括死掉的细菌残体）而生长，堆肥进入腐熟阶段，堆肥过程最终完成。因此，堆肥过程既是微生物生长、死亡过程，也是堆肥物料温度上升和下降的动态过程。固体废物处理与处置8.1.2堆肥的原理⑵厌氧堆肥原理厌氧堆肥是在缺氧条件下利用厌氧微生物进行的一种腐败发酵分解。第一阶段是产酸阶段，以乳酸菌分解有机物为例：第二阶段为产甲烷阶段。甲烷菌把有机酸继续分解为甲烷气体。固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒈有机物含量①对生活垃圾进行预处理，通过破碎、筛分等工艺去掉原料中的部分无机成分，使城市垃圾中有机物含量提高到50%以上。②堆肥前可向垃圾原料中掺入一定比例的稀粪、城市污水、畜粪等。在这些掺进物中，以掺稀粪者为最多，最主要的理由是既可增加堆肥原料中的有机物含量，又可调节原料的含水率，同时又解决了现代城市粪便处理或下水污泥处理的出路问题。固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒉供氧量对于好氧堆肥，氧气是微生物生存的必需条件，供氧不足会造成大量微生物死亡，使分解速度减慢，如果提供冷空气量过大又会使温度降低，不利于嗜热菌的活动。⒊含水率在堆肥工艺中，堆肥原料的含水率对发酵过程影响很大，水的主要作用为：一是溶解有机物，参与微生物的代谢活动，二是可以调节堆肥温度，当温度过高时，可以通过水分的蒸发，带走一部分热量。固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒋碳氮比（C/N）在微生物所需营养物中，以碳、氮最多。碳主要为微生物生命活动提供能源，氮则用于合成细胞原生质。由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。当有机原料的碳氮比为已知时（可通过分析测出），可按下式计算所需添加的氮源物质的数量：(8-5)1212CCKNN固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒌温度温度是影响堆肥中微生物种类和数量的最重要因素，实质是影响微生物的生长。表8.2微生物最佳生长温度范围微生物温度范围/℃嗜冷微生物0～25嗜温微生物25～45嗜热微生物＞45固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒍pH在堆肥化过程中，pH随着时间和温度的变化而变化，其规律如图8.3所示。图8.3堆肥过程中pH随时间和温度的变化规律25456585105987610234567b时间/周5温度/℃pHa固体废物处理与处置8.1.3堆肥过程影响因素⒎粒度堆肥前需要对粗大垃圾进行破碎，并分选出不可堆肥化物质，并使堆肥物料粒度达到一定程度的均匀化。颗粒变小，物料比表面积增加，便于微生物繁殖，可以促进发酵过程。⒏C/P比除了C、N之外，P也是微生物必需的营养物质之一。例如垃圾堆肥时添加污泥，就是利用污泥中丰富的P来调整堆肥原料的C/P比。堆肥化适宜的C/P比为75～150。固体废物处理与处置8.1.4堆肥工艺分类⒈按堆制过程中需氧程度分好氧堆肥和厌氧堆肥好氧堆肥是依靠专性和兼性好氧细菌的作用使有机物得以降解的生化过程。⒉按温度要求分中温堆肥和高温堆肥中温堆肥是指中温好氧堆肥，所需温度为15～45℃。由于温度不高，不能有效地杀灭病原菌，因此目前中温堆肥较少采用。固体废物处理与处置8.1.4堆肥工艺分类⒊按发酵历程分为一次发酵和二次发酵一次发酵指从发酵初期开始，温度上升，进入高温阶段，然后到温度开始下降的整个过程，一般需10～12天，其中高温阶段持续时间较长。固体废物处理与处置8.1.4堆肥工艺分类⒋按堆制方式分为间歇式堆肥和连续式堆肥间歇式堆肥法是我国长期以来沿用的一种方法。生活垃圾磁选手选振动格筛一次发酵（调节水分和碳氮比，通风）磁选双层滚筒筛锤式破碎二次发酵100t/d100t/d螺杆出料大于12mm，小于40mm物料腐熟堆肥产品引风、除臭小于12mm可直接堆肥筛选粗大物、回收金属大于100mm的粗杂物填埋或焚烧回收金属大于40mm的物料填埋或焚烧图8.4100t/d垃圾处理实验厂工艺流程固体废物处理与处置8.1.4堆肥工艺分类⒌按原料发酵所处状态可分为静态和动态堆肥静态堆肥设施投资成本很低，但供氧不均匀，物料结块比较严重，容易产生厌氧环境，好氧微生物难以迅速均匀地繁衍，发酵周期长，堆肥质量差。⒍按堆制方式分露天式堆肥和装置式堆肥露天式堆肥，即露天堆积，物料在开放的场地上堆成条垛或条堆进行发酵。通过自然通风、翻堆或强制通风方式，以供给有机物降解所需的氧气。固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序⒈原料预处理包括通过破碎、分选等去除粗大垃圾和不能用于堆肥化的物质，并通过破碎可使堆肥原料和含水率达到一定程度的均匀化。⒉主发酵（一次发酵）主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风向堆层或发酵装置内堆肥物料供给氧气。固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序⒊后发酵（二次发酵）经过主发酵的半成品堆肥被送到后发酵室，将主发酵阶段未彻底分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。⒋后处理经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都已细碎和变形，数量也有所减少，已成为粗堆肥。固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序⒌恶臭控制①生物过滤1234567(a)3218941011(b)（a）开放式；（b）封闭式图8.5典型的生物滤池1－拟处理空气；2－填料；3－处理后空气；4－喷洒系统；5－水；6－多孔管；7－砾石层；8－蒸汽注入器；9－换热器；10－多孔填料托板；11－排水固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序生物滴滤池与生物滤池基本相同，不同之处在于前者持续地向填料上喷洒水，而后者间歇地向填料上喷洒水。图8.6典型的生物滴滤池1－旋转式或固定式废水配水系统；2－处理后气体收集系统；3－穹盖；4－湿润填料用水；5－塑料填料；6－填料多孔托板；7－布气系统；8－出水；9－由头部工程及一级处理排出的拟处理空气23456781去洗涤塔循环气流9固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序②脱臭设施的选择和设计1.确定拟处理臭气的性质和体积；2.明确处理后气体的排放要求；3.评价气候和大气条件；4.选出拟评价的一种或多种控制和处理气体的技术；5.进行中间试验，以求出设计的标准和性能；6.进行生命周期评价和经济分析。固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序③生物滤池的设计1.填料性质：生物滤池所用的填料必须满足以下条件。一是足够的空隙率和近似均匀的粒径；二是颗粒表面积大，支撑大量微生物群体；三是较强的pH缓冲能力。2.填料最佳物理性质：pH7～8，空隙率40%～80%，有机物含量35%～55%。3.气体分布：如何将拟处理气体引入系统是生物滤池设计的关键要求。固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序（a）开口滤床；（b）沟式图8.7开放式生物滤池示意图1－水；2－喷洒系统；3－臭气；4－多孔布气集管；5－堆肥或合成填料（有适当湿度）；6－气流；7－粗砾石；8－多孔管（一般100mm）(a)0.75~1.25m150~200mm(b)12345678固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序表8.3用于散装填料滤池的设计和分析参数固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序堆肥气体在生物滤池内的停留时间一般在15～40s之间；在H2S浓度达20mg/L时，表面负荷可达120m3/（m2·min）。图8.8相对于施加负荷的去除能力典型曲线临界消除能力，低于此值消除能力等于质量负荷最大消除能力去除效率＝100%质量负荷/[g/(m3·h)]消除能力/[g/(m3·h)]固体废物处理与处置8.1.5堆肥的基本程序表8.4生物除臭系统的典型参数设计范围项目单位类型生物滤池生物滴滤池氧浓度氧份数/臭气份数100100堆肥%50～6550～65合成介质%55～6555～65最佳温度℃15～3515～35pH量纲为16～86～8空隙率%35～5035～50臭气停留时间s30～6030～60填料厚度m1～1.251～1.25臭气进气浓度g/m30.01～0.5