8固体废弃物生物处理技术

1第八章生物处理技术第一节概述一、基本概念1、定义：堆肥化（Composting）是在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物（主要为细菌）作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用（向稳定的腐殖质方向转化）的过程。堆肥化后的产物称之为堆肥（Compost）。2、堆肥的优点1)废物的物理性质得到改善:如结构蓬松、体积和水分减少2)卫生无害化:无臭味、病原物大幅度灭活、不孳生苍蝇3)可充分发挥培肥改土和促进植物生长的作用堆肥化处理后，物料腐殖化程度提高，施用后不会烧根烧苗改良土壤物理性能：促进土壤团粒结构形成、降低土壤容重、提高土壤保肥能力提高土壤有机质水平和提供作物养分（具有缓释的特点）提高土壤的缓冲作用活化土壤养分：腐殖酸具有螯合作用具有生理调节作用：具有生理活性物质提高土壤生物活性堆肥是CO2供给源3、堆肥的原料1）纤维木质素类废弃物：农业秸秆、林业废弃物（树皮、锯末、树叶）、糠壳、甘蔗渣、芦苇渣、野草等2）厨余物与畜禽粪便3）市政废弃物：生活垃圾、下水污泥等注意：以第一类为主体原料的堆肥，常要配合低C/N比的材料，如畜禽粪便或城市污泥或豆科绿肥或N肥4、堆肥的类型好氧堆肥化是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程。好氧堆肥堆温高，一般在55℃以上，可维持7-11天，极限可达80℃以上，亦称高温堆肥法。由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等优点，在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。目前国内外两类主要的好氧堆肥系统：21)无发酵装置系统物料通常均堆制成条垛式（windrow），依据堆料供氧方式，无发酵装置系统又可分为搅拌式堆肥床和固定堆式堆肥床两种堆肥方式。搅拌式堆肥床式堆肥又称传统式或强制通气条垛发酵固定堆式堆肥基本不进行翻堆，其供氧方式主要有两种，一是采用自然通气方式进行堆肥，在堆肥场地开有通气沟，并在垂直方向树有通气管（也可用各种秸秆捆绑成束作为通气之用），生物发酵所需要的氧气完全靠自然通风。自然通风堆肥腐熟时间通常较长。二是采用强制通风供氧方式进行堆肥，也称固定堆强制通风堆肥法肥堆的供氧利用鼓风机或空气压缩机强行鼓风进行，也可采用抽风方式进行。吹风或抽风可用定时器或在肥堆内安置的温度或氧气浓度自动反馈装置来间断性供氧。自然通风堆肥腐熟时间通常较长，而固定堆强制通风堆肥法则比较快，在3～5周内能完成堆肥周期。无发酵装置系统堆肥的特点是基建投资少；工艺简单；操作简便易行；处理容量大。缺点是由于是敞开式堆肥，在冬季低温条件下，肥堆不易升温和保温；通常占地较大；堆肥时间比发酵仓式堆肥要长。2）发酵仓式堆肥系统堆肥在发酵装置内进行。发酵仓系统可分为立式发酵塔和卧式或槽式发酵装置两种。立式堆肥发酵塔(多段竖炉式发酵塔)：通常由5～8层组成。堆肥物料由塔顶进入塔内，在塔内堆肥物通过不同形式的机械运动，由塔顶一层层地向塔底移动。一般经过5～8天的好氧发酵，堆肥物即由塔顶移动至塔底而完成一次发酵。立式堆肥发酵塔通常为密闭结构，塔内温度分布从上层到下层逐渐升高，塔式装置的供氧通常以风机强制通风。卧式堆肥发酵滚筒（达诺式Dano）：该发酵滚筒在水平方向上呈倾斜放置，直径为2.5-4.5m，长20-40m，强制供气。在该装置中废弃物靠与筒体内表面的摩擦沿旋转方向提升（转速为0.1-3rpm），同时借助自身重量落下。通过如此反复升落，废物被均匀地翻倒与供入的空气接触，并通过微生物的作用进行发酵。经1-5天发酵后排出，条垛放置熟化。常温24h连续操作,通风量为0.1m3/(m3.min)。若一次发酵，时间36-48h；全程发酵则2-5d。筒填充率应小于80%筒仓式堆肥发酵仓筒仓式堆肥发酵仓为单层圆筒状，发酵仓深度一般为4-5米，大多采用钢筋混凝土构成。发酵仓内供氧均采用高压离心风机强制供气，以维持仓内堆肥好氧发酵。空气从仓底进入发酵仓，堆肥原料由仓顶加入，经过6-12天的好氧发酵，初步腐熟的堆肥从仓底通过出料机出料。3其他：发酵仓式堆肥系统的特点：不受气候影响能有效控制二次污染发酵时间快，占地面积少。缺点：是基建投资大，运行成本较高，批量生产量相对较小。第二节好氧堆肥的原理及微生物学过程一、基本原理1、基本原理好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程，将一部分有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量，同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程。1）有机物的氧化CsHtNuOv.aH2O+O2—CwHxNyOz.cH2O（堆肥）+dH2O(气)+eH2O(水)+fCO2+gNH3+能量堆肥成品CwHxNyOz.cH2O与堆肥原料CsHtNuOv.aH2O之比为0.3~0.5(这是氧化分解减量化的结果)。通常可取如下数值范围：w=5~10,x=7~17,y=1,z=2~8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：2、微生物学过程嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围细菌最低适宜最高嗜温性15-2525-4043嗜热性25-4540-5085好氧堆肥的微生物学过程可大致分为三个阶段，每个阶段都有其独特的微生物类群：1）产热阶段（中温阶段，升温阶段）：堆肥初期（通常在1-3天），肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源，迅速增殖，并释放出热能，使肥堆温度不断上升。此阶段温度在室温至45℃范围内，微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。4微生物类型较多，主要是细菌、真菌和放线菌。其中细菌主要利用水溶性单糖等，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊的功能。2）高温阶段：①当肥堆温度上升到45℃以上时，即进入高温阶段。通常从堆积发酵开始，只须2-3天时间肥堆温度便能迅速地升高到55℃，1周内堆温可达到最高值（最高温可达80℃）。②嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐取而代之。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌活动；温度上升到70℃以上时，大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。③此时，产生的热量减少，堆温自动下降。当堆温降至70℃以下时，处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动，继续分解难分解的有机物，热量又增加，堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。④高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。C/N比明显下降，肥堆高度随之降低。通过高温能有效杀灭有机废弃物中病原物，按我国高温堆肥卫生标准（GB7959-87），要求堆肥最高温度达50℃～55℃以上，持续5-7d。3）、腐熟阶段：在高温阶段末期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。此时嗜温性微生物再占优势，对残留较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定化，此时堆肥进入腐熟阶段。降温后，需氧量大量减少，肥堆空隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风。在强制通风堆肥中常见的后熟处理，即是将通气堆翻堆一次后，停止通气，让其腐熟。还可取到保氮的作用二、工艺流程与装置（一）堆肥程序1、原料的预处理包括分选、破碎、以及含水率和碳氮比的调整2、原料发酵可采用一次发酵方式、周期一般在30天左右。目前普通推广二次发酵方式，周期一般需要20天。5（1）一次发酵：好氧堆肥中的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。它是指从发酵初期开始，经中温、高温然后达到温度开始下降的整个过程，一般需10-12天。（2）二次发酵：物料经过一次发酵，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1-2m高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。此时温度持续下降，当温度稳定在35-40℃左右时即达腐熟，一般需20-30天。3、后处理后处理包括去除杂质和进行必要的破碎处理。（二）工艺1、乡村简易堆肥法（一次发酵方式）乡村堆肥的目的是利用其农业废弃物制备优质有机肥源。堆肥材料可分成三类。第一类是禾谷类的秸秆及其根茬、杂草和落叶等，它们是堆肥的主体。其特点是含氮较少，C/N比宽，木质素含量较高，不易分解。第二类是促进分解的材料包括调节C/N比和酸度的材料。前者指含氮较多的物质，如人、畜粪尿、新鲜豆科绿肥和化学氮肥，后者指石灰。在农村进行简易高温堆肥时，还加入适量的骡、马粪或其培养液，以接种高温纤维分解菌。第三类是吸附能力强的材料，如泥土和泥炭等。堆制前酌情进行预处理。如粗大的玉米秆等应切碎至10–15cm；垃圾要进行分选，去除不可堆肥物；老熟的野草切短后用石灰水浸泡或堆积；含水过多的杂草需晒一下除去部分水分。堆制技术一般堆宽和堆高各2.0m，长度视材料而定。堆前夯实地面，铺9-10cm厚的干细土或泥炭，以吸收肥液。开始先铺第一类材料，厚约20cm，然后加适量水和第二类材料，如此反复，堆积至所需高度，上用泥肥封顶。加堆积物的原则为：第一类材料的厚度，由下而上逐层变薄；第二类材料的用量，由下而上逐层增多，以利腐熟均匀。材料的配方因地而异，一般高温堆肥的配方为：植物性秸秆100份，人、畜粪尿10-20份，石灰或草木灰2-5份，水100-200份，骡、马粪适量。2、搅拌翻堆条垛式发酵工艺（一次或二次发酵）6物料以垛状堆置，可以排列成多条平行的条垛，条垛的断面形状通常为三角形或梯形，高度1.5-2.0m,宽4-6米。物料的成垛堆放可以用铲车进行操作（见图）。在大规模的条垛系统中，物料的翻动可通过移动式翻堆设备进行，如下图所示融翻堆、粉碎、测温、测氧于一体的可移动的堆肥翻堆设备。对于湿度较高的有机物，例如，城市污泥，畜禽粪便等等在堆置前必须与干燥的蓬松剂或调理剂混合，使其混合后堆料的含水率为55-65%。蓬松剂可采用各种农业秸秆、稻壳、木屑、树皮、甘蔗渣和干燥的回流堆肥产物等。其发酵工艺流程如：对于垃圾堆肥，堆肥前必须进行预处理，主要是对垃圾分选，去除粗大的无机物，回收各种金属，玻璃，塑料等，提高物料中可堆肥物质的比例。在前处理中有时需要对垃圾进行破碎处理，调整垃圾的粒度，适宜的粒度范围是12～60mm。破碎与筛分可使原料的表面积增大，便于微生物繁殖，提高发酵速度。垃圾堆肥通常不需要加调理剂和蓬松剂，只有水分含量适宜，有机物含量达20%以上，通常便可以单独堆肥。通常在堆置后每4-7天可翻堆一次，1个月后可停止翻堆，让其后熟。3、强制通风式固定垛发酵工艺该工艺与前者不同之处就在于物料在堆肥过程中不需要翻堆，氧气的供应是通过机械鼓风或抽风方式来提供，该工艺在污泥堆肥中应用非常普遍。具体做法为：①将脱水污泥与蓬松剂混合，体积比可为1:1,1:2,1:3；②在堆肥场地上铺设小木块或蓬松剂约20cm；③在上述基础上，将污泥与蓬松剂混合物堆成高1.5～2M的垛；④将垛的表面覆盖一层过筛后的堆肥产物(厚约20cm)或覆盖一层塑料薄膜；⑤将鼓风机或抽风机与通风管道连接，肥堆堆积3-4天后开始通风，通风方式可以采用肥堆温度或氧气反馈装置自动调节。例如，在温度低于45℃时，风机开始工作，提供氧气，促进微生物的活动；当温度处于45～70℃时，风机停止工作；当温度高于70℃时，风机再度工作，以降低肥堆的温度。也可以通过定时器控制风机的工作，例如，可每隔3小时通风15～30分钟。⑥若采用抽风方式，风机出来的气体通常先通过腐熟后的堆肥过滤脱臭，再排入大气。⑦通常堆肥4周后，肥堆翻堆一次，并停止通风，让其后熟，若需要得到高度腐熟的堆肥，后熟时间最好为30天以上。7⑧堆腐后的物料通常需要干燥，可以采用自然露天晾干的方法，也可以重新将鼓风机开启，保持大风量来驱逐水分。⑨若堆肥中的蓬松剂（例如小木块）需要循环利用，还必须对堆肥进行筛分。工艺流程4、发