现代固体废物处理处置技术-5-堆肥

4.2生物处理技术5.固体废物堆肥生物转化技术就是利用微生物的分解、转化将固体废物中易于生物降解的有机组分转化为腐殖肥料、沼气或其他化学转化品，从而达到固体废物无害化的一种处理方法。（一）堆肥化的定义与分类堆肥化(Composting)是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。具体讲就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，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，其实质是一种发酵过程。废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(Compost)。它是一类棕色的、泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。4.2生物处理技术分类：根据堆肥化过程中氧气的供应情况可以把堆肥化过程分成两种。1、好氧堆肥（高温堆肥）：在通气条件好，氧气充足的条件下通过好氧微生物的代谢活动降解有机物。特点：一般在55～60℃时比较好，有时可高达80～90℃，堆制周期短，也称为高温堆肥或高温快速堆肥。2、厌氧堆肥：是在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。特点：堆制温度低，工艺较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，但堆制周期过长，需3～12个月，异味浓烈，分解不够充分。4.2生物处理技术合成(同化作用)氧化堆肥有机物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物细胞物质(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3，PO42-，SO42-能量随水或气体排入环境释放能量转化为热供生物合成用(异化作用)+腐殖物质+1、好氧堆肥过程堆肥有机物分解过程图5.2.1好氧堆肥原理4.2生物处理技术堆制初期，15～45℃，嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升，此阶段以中温、需氧型微生物为主，一些无芽孢细菌，真菌和放线菌。在目前的堆肥化设备中，此阶段一般在12小时以内。（1）中温阶段（产热或起始阶段）4.2生物处理技术45℃以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。50℃左右主要是嗜热性真菌和放线菌；60℃时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动；70℃以上大多数嗜热性微生物不适应，大批死亡、休眠。大多数微生物在45～65℃范围内最活跃，所以最佳温度一般为55℃，最易分解有机物，病原菌和寄生虫大多数可被杀死。（2）高温阶段4.2生物处理技术1.微生物活性2.O2利用率时间对数增长期减速增长期内源呼吸期微生物在高温阶段的生长过程细分为：对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。此后，堆积层内开始发生腐殖质的形成过程。微生物活性示意图4.2生物处理技术在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物的活性下降，发热量减少，温度下降。嗜温性微生物又占优势，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水量降低。降温后，需氧量大大减少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。（3）降温阶段(腐熟阶段)4.2生物处理技术好氧堆肥化反应机理①有机物的氧化不含氮的有机物（CxHyOz）CxHyOz+(x+1/2y-1/2z)O2→xCO2+1/2yH2O+能量含氮的有机物(CsHtNuOv•aH2O)CsHtNuOv•aH2O+bO2→CwHxNyOz•cH2O(堆肥)+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量由于氧化分解减量化所以堆肥成品(CwHxNyOz•cH2O)与堆肥原料(CsHtNuOv•aH2O)之比为0.3~0.5。通常可取如下数值范围：w=5~10，x=7~17，y=1，z=2~8。4.2生物处理技术②细胞质的合成（包括有机物的氧化以NH3为氮源）。n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5x)O2→C5H7NO2(细胞质)+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量③细胞质的氧化C5H7NO2(细胞质)+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量4.2生物处理技术(1)来源和作用：有机废物里面固有的；人工加入的特殊菌种。在一定条件下对某些有机物废物具有较强的分解能力，活性强、繁殖快、分解力强，能加速反应进程，缩短反应时间。(2)种类：①细菌：形体最小、数量最多，分解大部分的有机物并产生热量；②放线菌：分解纤维素、木质素、角质素和蛋白质等复杂有机物，散发泥土气息，如树皮报纸等硬物；③真菌：在堆肥后期与细菌竞争食物，更耐低温，部分真菌需氮比细菌低，能够分解木质素，细菌则不能；④微型生物：如轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓，在堆肥中移动和吞食，消纳部分有机废物，增大表面积，并促进微生物的生命活动。堆肥微生物4.2生物处理技术堆肥处理的优点①有机废物分解并达到稳定化易腐败的有机废物和有毒废物被转化为比较稳定的物质，体积大大缩小(40％~60％干有机质被分解)，便于处置和运输。有毒化学品(如农药)形成腐殖质，消除毒性。②干化作用人粪尿、动物粪便和污泥含水达80％~95％，经过堆制处理，大大降低其含水率。4.2生物处理技术③杀灭有害生物堆肥过程释放大量热能，堆温较高。据测定，60~70℃维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。堆温50~60℃，持续6~7d，即可杀灭病原和虫卵。④堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂堆肥处理的优点4.2生物处理技术堆肥处理存在的问题①堆肥质量不易稳定；②原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难；③物料温度不均匀；④受社会、文化、经济因素的影响；4.2生物处理技术5.2.2固体有机废物的堆肥处理厌氧堆肥在无氧条件下，借厌氧微生物的作用，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。特点：1）堆置方式与好氧堆肥法相同2）堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长3）简便、省工4）封堆后1个月左右翻堆1次4.2生物处理技术一、好氧堆肥5.3好氧堆肥处理技术通气条件下借好氧性微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化。特点：高温堆肥（一般在50-60℃，极限可达80-90℃）4.2生物处理技术堆肥的基本工序1、前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时,包括破碎、分选、筛分等工序；以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常或快速进行。降低水分、增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。2、主发酵（一次发酵）将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵阶段（或主发酵期）。堆肥过程的中温阶段和高温阶段，时间约4～12天。4.2生物处理技术3、后发酵（二次发酵）将主发酵尚未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、氨基酸等较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。也称为熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段，发酵时间通常在20～30天以上。4、后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。5、脱臭化学除臭剂除臭、碱水和水溶液过滤、熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤。例：土壤过滤器。6、贮存堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产量的库房。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓中或袋装，要求干燥而透气。4.2生物处理技术特点：高温堆肥（一般在50-60℃，极限可达80-90℃）堆制升温高温降温腐熟1-2d50-60℃中温菌嗜热菌中温菌寄生虫和病原菌被杀死30-40℃一次发酵二次发酵4.2生物处理技术（1）化学因素①C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1较好，最佳为25:1~35:1;C/P比在75~150为宜。为保证成品肥料中的C/N比为10～20:1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多为35:1。②氧浓度:适宜的氧浓度为18%,最低不应小于8%。③营养元素:足够的K和微量元素对于微生物的新陈代谢是必须的，一般它们不是限制条件。④pH值:堆肥微生物最佳的pH=5.5~8.5。（2）物理因素①温度:一般认为最佳温度在50~65℃之间。②颗粒尺寸:适宜的粒径范围是12~60mm。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%。2121NNCCK5.3.2影响堆肥化的因素4.2生物处理技术堆肥的过程控制1、关于堆肥中的有机物问题（1）有机物含量：最适为20%~80%，过低产热不足，过高则供氧不足。（2）调整堆肥原料的有机物组分的方法①对堆肥原料进行预处理，将有机物含量提高至50%以上(含污泥的堆料的挥发性固体含量应大于50%)。②发酵前在堆肥原料中掺入一定比例的稀粪、城市污水、污泥、畜粪等。城市垃圾→粪稀，农业秸秆→畜禽，城市污泥→草炭或锯末。③城市生活垃圾和污泥混合堆肥。通常污泥作调理剂，一般原污泥中含有较高的挥发性物质（指单位干重固体在马福炉中550℃灼烧损失的部分），直接堆肥较好。4.2生物处理技术2、堆肥过程的C/N比控制作用：保证成品堆肥中一定的碳氮比(一般为10～20:1)和堆肥中使分解速度有序地进行。（1）适宜的C/N比范围：25~35:1时发酵过程最快。过低(＜20:1)，微生物的繁殖会因能量不足受到抑制，导致分解缓慢且不彻底；另外，由于可供消耗的碳素少，氮素相对过剩，将变成氨气挥发，降低肥效。过高(＞40:1)，则堆肥施入土壤后，将会发生夺取土壤中氮素的现象，产生“氮饥饿”状态，对作物生长产生不良影响。（2）堆肥原料C/N比调整的方法：（3）堆肥中全氮、全碳的测定方法全氮的测定用凯氏法，全碳用重铬酸钾法。2121NNCCK4.2生物处理技术一般pH值在7.5~8.5时，可获得最大堆肥速率。最终的堆肥产品pH值基本在7.5左右。可通过添加中和剂如石灰、磷酸盐、钾盐等来改变pH值。但通常堆肥可通过自身调节，如无特殊情况，一般不必调整pH值。若pH值降低，可通过逐步增强通风来补救。3、堆肥过程的pH值控制4.2生物处理技术（1）堆肥中水分的作用：溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；调解堆肥温度。（2）水分的调整方法：最佳含水率为50~60%(按质量计)。水分过多，易造成厌氧状态，并会产生渗滤液的处理问题。水分低于40％时，微生物活性降低，堆肥温度随之下降。条垛式系统和反应器系统，≤65%；强制通风静态垛系统，≤60%。所有系统水分均应≥40%。水分较低时，可加水或含水率高的添加剂；过高时，则可摊开晾干或添加松散吸水物。（3）测定水分的方法105℃±5℃下，2~6h，测定物料的失重。4、堆肥过程的水分（含水率）控制4.2生物处理技术（1）通风的作用：供氧；调温；去水分。（2）通风供氧方式：自然扩散；翻堆；强制通风；翻堆和强制通风结合的方式；被动通风（3）控制方式：①理论方式：时间控制；温度反馈控制(静态垛60℃)；O2和CO2含量反馈控制(反应器堆料O2体积分数为15%~20%)。②实际运行时的评价方法：排气中O2和CO2含量控制。最佳排气O2浓度为14%~17%；CO2的体积浓度应为3%~6%。5、通风的过程控制4.2生物处理技术理论需氧量的计算可以根据废物氧化反应式简单计算理论通气量已知合流污水污泥的化学成分C10H19O3N，其完全氧化的计量化学方程为C10H19O3N+12.5O2=10CO2+8H2O+4NH3(201)(400)1g的C10H19O3N完全氧化约需要2g的O2。4.2生物处理技术4.2生物处理技术6、堆肥过程的温度控制温升是微生物活动剧烈程度的最好参数。（1）温度的作用：①影响微生物的生长，高温菌的理想温度为50~65℃，堆肥的最佳温度为55~60℃；②无害化的要求：反应器和强制通风静态垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间必须达3天；对于条垛系统，堆体内部温度大于55℃的时间至少为15天。（2）控制方法：温度-供气反馈系统；定期翻堆。4.2生物处理技术4.2生物处理技术4.2生物处理技术实际供氧量为理论供应量的两倍。不同时期供氧量也不一样，高温期是中温期和熟化期的好几倍。在机械化