第七章固废的生物处理-zgh2

时代背景我国能源消费状况：煤炭：世界第一消费大国石油：世界第二消费大国我国能源资源状况：石油：人均剩余可采储量只有2.6吨天然气：人均剩余可采储量1000M3左右煤炭：人均煤炭剩余可采储量90吨。我国煤炭人均资源是全世界平均人均的50％，而石油只有10％；我国人年均能源消耗是1000公斤标准煤，而美国是11000公斤10594.682.712489.59013830.6755.6150053673.215733.44536.9160006483.3163009748.516395.99118.216681.7996416931.912969.6020004000600080001000012000140001600018000万吨1980198519901995199619992000200120022003中国石油平衡图原油产量增速放慢石油进口量大幅上涨2004年进口低纯度石油达1.5亿吨。进口依存度达36%，2020年中国需进口5亿t原油，全球石油增长的1/3来自中国。进口依存度也将达到55%以上。生物质生物质生长来自太阳的光有机废弃物加工能源有机肥回归土壤二、解决能源问题的重要出路：开发生物能1、符合人类所使用能源的发展趋势——脱碳木柴：2个碳原子对1个氢原子煤：1个或2个碳原子比1个氢原子石油：1个碳原子比2个氢原子天然气：1个碳原子比4个氢原子氢气：完全脱碳开发利用生物能的意义：2、符合供电模式多元化的发展趋势——分布式发电分布式发电：指靠近最终用户或者就在终端用户的集成的或单独的小型发电装置。分布式发电的优点：较中央式发电供电成本低；分布式发电可利用的技术种类多；发电规模可大可小，设备容易安装，适应性强；能够满足不同的需求等现在，组成不断发展的分布式发电革命的一个个燃料电池在计算机软件技术和因特网接入技术的支持下，正互相联结起来，逐步拉开分布式发电网的序幕。不久的将来，最终用户不仅能够用上他们自己生产的电，而且能和他人共享电力，从而从根本上挑战现在世界上自上而下的单向能源系统。3、符合生态农业发展的需要——循环再生开发目标•我国《可再生能源十一五发展规划》制定的目标：2010年生物质能发电和供气共计1.8千万吨标准煤。折算到原料为9千多万吨秸秆可开发资源•我国秸秆总资源量6亿多吨；可利用量8～9千万吨，约相当于4千万吨标准煤BiologicalTreatmentofSolidWaste【概念】堆肥化、堆肥、高温好氧快速堆肥、一次发酵、二次发酵、腐熟度、厌氧发酵工艺【方法原理】好氧堆肥的原理、程序、工艺、装置、影响因素厌氧发酵的原理、工艺、方法、设备及影响因素厌氧发酵沼气池的工作原理、过程和设计计算城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理细菌浸出机理蚯蚓床技术本章重点固体废物的生物处理以固废中可降解有机物为对象，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其意义在于：（1）对固体废物进行处理消纳，实现稳定化、减量化、无害化；（2）促进固体废物的适用组分重新纳入自然循环（如堆肥用于改土，重新回归农田生态系统）；（3）将大量有机固体废物转化为有用物质和能源，实现固体废物的资源化（如沼气、生物蛋白、乙醇）处理方法好氧堆肥处理厌氧消化处理微生物浸出其它生物处理方法堆肥化（composting）:在人工控制的环境下,依靠自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。厌氧消化:也称厌氧发酵，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程。微生物浸出:利用微生物新陈代谢过程或代谢产物将废物中目的元素转变为易溶状态并得以分离的过程蚯蚓床技术废物生产单细胞蛋白等1423第一节固体废物的好氧堆肥处理第二节固体废物的厌氧消化处理第三节固体废物的微生物浸出第四节固体废物的其他生物处理技术一、堆肥化基本概念与发展过程二、堆肥化的基本原理三、好氧堆肥的影响因素与调控四、好氧堆肥的工艺流程五、堆肥工艺与堆肥装置六、堆肥的环境保护七、堆肥面临的问题与对策第一节固体废物的好氧堆肥处理1、概念堆肥化（composting）就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，以及由人工培养的工程菌等，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质就是一种生物代谢过程。堆肥化的产物叫堆肥(compost）有机物质微生物热量能量物质分解产物CO2、H2O或CH4O2H2O新的微生物死亡腐殖质或堆肥堆肥过程一、基本概念和发展过程2、堆肥化工艺的分类⑴好氧堆肥⑵厌氧堆肥⑶兼氧堆肥堆肥化的好氧或厌氧是相对的。由于堆肥材料的颗粒较大且不均匀，好氧堆肥的过程不可避免地存在一定程度的厌氧发酵现象一、基本概念和发展过程3、堆肥原料(1)可用于堆肥的废物种类一、基本概念和发展过程堆肥的本质是生化降解过程，凡是富含微生物所需的碳水化合物、脂肪、蛋白质的固体废物均可作堆肥原料废物种类主要来源备注城市废物污水处理污泥和城市有机生活垃圾重金属和虫卵病菌工业废物纤维素类废物、高浓度有机废水、发酵工业残渣（菌体及废原料）、粉煤灰畜牧业废物畜禽粪便恶臭和病菌林农业废物植物秸秆，如稻麦等的秸秆、壳、蔗渣、棉杆、向日葵壳、玉米芯、油茶壳、花生壳等水产废物海藻、鱼、虾、蟹类加工废物泥炭类包括褐煤和泥炭纤维素结构示意图木质素结构示意图3、堆肥原料一、基本概念和发展过程HCHCHCHCOHHCOHOMeOOOHOMeHCOMeH2COHCH2H2COHH2COHMeOOMeOOMeHCMeOOOCOMeOHOCH2OMeH2COHCHHCHCOHCOHH2COHHCCOOMeHoHCH2OHCH2OHoHoHCH2OHHHooHHHoHoHHHoHHoCH2OHoHoHHoHHoHHoHooH纤维素（cellulose）是由葡萄糖组成的大分子多糖。不溶于水及一般有机溶剂。是植物细胞壁的主要成分。纤维素是自然界中分布最广、含量最多的一种多糖，占植物界碳含量的50%以上木质素是由聚合的芳香醇构成的一类物质，存在于木质组织中，主要作用是通过形成交织网来硬化细胞壁。木质素主要位于纤维素纤维之间，起抗压作用。在木本植物中，木质素占25%，是世界上第二位最丰富的有机物(纤维素是第一位)。4、堆肥功效堆肥实质就是人工腐殖质，一般含水率30%；pH7-8.5；全碳含量11％；N（0.5-1.5%）、P（国外0.4-0.8%）、K（0.3-1.0%）；重金属含量符合标准；杂质粒度5mm。①增加稳定的腐殖质，改善土壤的物理性能。②提高保肥能力。③增强磷酸盐被植物吸收利用。④能使土壤对肥料、气象条件的变化有一定的缓冲能力。⑤含有许多微量元素。⑥堆肥是缓效性肥料。⑦具有调节植物生长的作用。⑧可增加土壤中微生物数量。⑨使粘重土变轻，改变含沙少的土壤结构，提高土壤的蓄水能力。一是作有机肥料；二是作土壤调节剂一、基本概念和发展过程但与化肥相比，堆肥的肥效较低，且体积大，运输和施用不方便1、好氧堆肥化的基本原理好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。在堆肥过程中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动——氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量，把一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。二、堆肥化的基本原理处理对象：生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便及农林废物1、好氧堆肥化的基本原理堆肥有机物（含C、N、O、P、S）氧气，微生物细胞物质（微生物繁殖）CO2、H2O、NH3、PO43－、SO42－能量合成氧化排入环境释放、转换为热或提供生物合成用＋有机物的好氧堆肥分解过程提供生物合成（同化）（异化）二、堆肥化的基本原理2、好氧堆肥化过程二、堆肥化的基本原理按其在不同温度下的生物活性大小，又可分为：嗜温菌、嗜热菌好氧堆肥过程包括驯化阶段、升温阶段（堆肥初期，15-45℃）、高温阶段（45℃以上，有机物降解强烈，嗜热微生物为主）、降温阶段（嗜温微生物为主，腐熟阶段）适应新环境嗜温性细菌、酵母菌、放线菌分解最易分解的可溶性物质，淀粉、糖类增多，温度↗45℃嗜热性微生物、细菌；残留可溶性物质，纤维素、半纤维素、蛋白质，温度↗45~70℃嗜温性微生物、多为难分解物质，温度↘二、堆肥化的基本原理二、堆肥化的基本原理固体废物中有机物的微生物分解过程二、堆肥化的基本原理三、好氧堆肥的影响因素与调控①有机物含量：要求在20~80%之间；②含水率：要求有较高的含水率，一般在50~60%，在此条件下，微生物生长对氧的需求量最高；③通风和耗氧速率由图可知，在发酵反应60~80h，微生物耗氧达到高峰，其耗氧速率与有机物浓度成正比：即有机物浓度↑→耗氧速率↑。三、好氧堆肥的影响因素与调控适宜的氧浓度为14~17%，≮10%，实际运行中的耗氧速率用等当量的CO2来表征。具体供氧方式有：翻堆通风，风机供风，插入风管通风。④碳氮比在初始堆肥的中温阶段，C:N=30:1；在二次堆肥（成品堆肥）阶段，C:N=10:1~20:1。通过在垃圾中加入人粪尿、畜粪以及城市污泥等调节剂，使碳氮比调到30以下。成品为10-20较好，对植物的生长有利三、好氧堆肥的影响因素与调控名称C/N值名称C/N值锯末屑秸秆垃圾人粪牛粪300～100070～10050～806～108～26猪粪鸡粪活性污泥生污泥7～155～105～85～15各种物料碳氮比值另外，由于磷也是微生物必需的营养元素之一，它是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是ATP的重要组成部分碳磷比适宜的碳磷比为75－150。污泥中含有丰富的P三、好氧堆肥的影响因素与调控⑤温度最佳温度为55~60℃。在此温度段，CO2生成速率较高，亦即微生物耗氧速率较快。可通过通风来降低堆体温度，若无通风系统，则通过定期翻堆来实现通风控温。三、好氧堆肥的影响因素与调控⑥颗粒度颗粒度的大小对通风供氧有重要影响。堆肥前通过破碎、分选方法去除不可堆肥化物质，使堆肥物料粒度为12-60mm为宜⑦堆肥pH控制pH表征微生物生活环境，同时也是揭示堆肥分解过程的一个标志。pH在7.5-8.5时，可获得最大堆肥速率。pH一般能通过堆肥过程自身得到调节，没必要添加中和剂，若pH过低，可通过通风来补救当堆肥中有机物含量高时→温度上升↑，例如，当有机物含量为20~50%时，堆肥温度升至55℃所需时间为44h→60h。三、好氧堆肥的影响因素与调控温度影响曲线堆肥温度与微生物生长的相关性温度（℃）温度对微生物生长的影响嗜温菌嗜热菌常温～38激发态不适应38～45抑制状态可开始生长45～55不适应（菌群衰退）激发态55～60毁灭期抑制状态（轻微度）60～70－抑制状态（明显）70－毁灭期三、好氧堆肥的影响因素与调控四、堆肥质量指标堆肥质量指标包括：养份指标、无害化卫生指标及堆肥的腐熟度。（1）养份指标：主要指水分、pH、TC、TN、TP等。目前我国尚无统一的养份质量指标，表9-4列出了我国城市垃圾堆肥成分分析。(2)卫生指标：指堆肥中重金属和致病微生物的数量指标。已制定的相关标准有：《农用污泥中污染物控制标准》，GB4284；《城镇垃圾农用控制标准》，GB8172-87；《粪便无害化卫生标准》GB7959-87。(3)腐熟度：腐熟度是指堆肥的好氧降解程度。腐熟度的评定方法：①直观经验法。成品堆肥呈棕色或暗灰色。②淀粉测试法：是一种测定堆肥中淀粉含量降低程度的方法。③耗氧速率法。用O2/CO2测定仪，测出的是CO2的生成速率，转换成耗氧速率。此法量化，实用。三、堆肥质量指标堆肥的结果是废弃物中有机物向稳定化程度较高的腐殖质方向转化,腐殖质的形成十分复杂，其生物学过程示意如下：五、好氧堆肥的工艺流程现代化堆肥生产，通常由前处理、主发酵（