固體廢物的生物處理

固體廢物的生物處理第1頁/共81頁第2頁/共81頁基本概念和原理固體廢物的生物處理：直接或間接利用生物體的機能，對固體廢物的某些組成進行轉(zhuǎn)化以建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染，同時又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù)。原理：采用生物處理技術(shù)，利用微生物（細菌、放線菌、真菌）、動物（蚯蚓等）或植物的新陳代謝作用，固體廢物可通過各種工藝轉(zhuǎn)換成有用的物質(zhì)和能源（如提取各種有價金屬、生產(chǎn)肥料、產(chǎn)生沼氣、生產(chǎn)單細胞蛋白等），既能實現(xiàn)減量化、資源化和無害化，又能解決環(huán)境污染問題。第3頁/共81頁第4頁/共81頁第5頁/共81頁a.好氧堆肥(aerobiccomposting)在有氧狀態(tài)下，好氧微生物對有機廢物進行分解轉(zhuǎn)化的過程。最終產(chǎn)物主要是H2O、CO2、熱量和腐殖質(zhì)。好氧堆肥主要用于處理城市垃圾，堆肥系統(tǒng)的溫度一般為50～65℃，最高可達80～90℃，堆肥周期短，能連續(xù)操作，因此，也稱為高溫快速堆肥；好氧堆肥的肥料質(zhì)量好，可以制作有機顆粒肥料。不足之處：需要對原料進行比較嚴(yán)格的分選,需要強制通風(fēng)和機械攪拌,對設(shè)備要求高，運行能耗大，投資大等。

第6頁/共81頁b.厭氧堆肥(anaerobiccomposting)在無氧條件下，厭氧微生物對有機物進行分解轉(zhuǎn)化的過程。厭氧堆肥的最終產(chǎn)物是CH4、CO2、熱量和腐殖質(zhì)。厭氧堆肥過程中，空氣與發(fā)酵原料隔絕，堆制溫度低，工藝較簡單，成本低，對原料的適應(yīng)性強，成品肥中氮素保留較多，但工藝條件較難控制，堆肥周期長，有機物分解速度緩慢，處理效率低，容易產(chǎn)生惡臭，有機物分解不完全，產(chǎn)品質(zhì)量低，肥效差。實際上，堆肥化的好氧和厭氧是相對的，在好氧過程中，由于原料顆粒較大且不均勻，不可避免存在厭氧發(fā)酵過程；反之，由于密封不嚴(yán)，厭氧過程中也會有好氧菌的作用。

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好氧堆肥是以好氧菌為主的微生物對有機廢物進行吸收、氧化、分解的復(fù)雜生物化學(xué)反應(yīng)過程。在堆肥過程中，好氧菌通過自身的生命活動，以廢物中的有機物為養(yǎng)料，將其一部分氧化分解成簡單的無機物并釋放出微生物生長所需的能量，將其另一部分合成為新的細胞物質(zhì)，使微生物生長繁殖。 有機廢物的好氧分解過程很復(fù)雜，可以下列通式表示：好氧堆肥原理第9頁/共81頁好氧堆肥有機物的生物化學(xué)反應(yīng)

根據(jù)微生物在降解有機物過程中的行為，有機物的生物化學(xué)反應(yīng)有以下三種：有機物的氧化反應(yīng)(oxidizingreaction)細胞質(zhì)的合成反應(yīng)(syntheticreaction)細胞質(zhì)的分解反應(yīng)(decompositionreaction)第10頁/共81頁a.有機物的氧化反應(yīng)(oxidizingreaction)按反應(yīng)物表示的反應(yīng)按生成物表示的反應(yīng)

第11頁/共81頁按反應(yīng)物表示的反應(yīng)

以CxHyOz表示固體廢物中的不含氮的有機物，則好氧分解反應(yīng)可表示為：

以CsHtNuOv·aH2O表示固體廢物中的含氮有機物，則好氧分解反應(yīng)可表示為：第12頁/共81頁按生成物表示的反應(yīng)

以CaHbOcNd表示固體廢物中的有機物，以CwHxOyNz表示存在堆肥產(chǎn)品中的抗性有機物(穩(wěn)定的難降解的有機物)，則好氧分解反應(yīng)可表示為：

若有機物完全分解，則反應(yīng)式表示為： 有機物的氧化反應(yīng)表示細菌的異化作用，即將有機物轉(zhuǎn)化為其它物質(zhì)的反應(yīng)，根據(jù)上述兩個化學(xué)反應(yīng)式可以求出堆肥化生物分解過程的理論需氧量。第13頁/共81頁b.細胞質(zhì)的合成反應(yīng)(syntheticreaction)

細胞質(zhì)的同化作用是以NH3作為氮源，細胞質(zhì)的合成作用包括有機物的氧化過程。第14頁/共81頁c.細胞質(zhì)的分解反應(yīng)(decompositionreaction)細胞質(zhì)的分解反應(yīng)是細胞質(zhì)內(nèi)源呼吸所引起的反應(yīng)：第15頁/共81頁好氧堆肥過程微生物進入一個新環(huán)境，微生物適應(yīng)環(huán)境過程，溫度不升高。嗜溫性細菌、酵母菌、放線菌為主，分解最易分解的可溶性物質(zhì)——淀粉、單糖、蛋白質(zhì)等，產(chǎn)生大量熱能，溫度↗45℃嗜熱性微生物（細菌、放線菌和真菌的一些群落）；分解殘留可溶性物質(zhì)，纖維素、半纖維素、蛋白質(zhì)，溫度↗45~70℃，可有效殺滅蟲卵和病原菌嗜溫性微生物為主，殘余有機物被分解，腐殖質(zhì)不斷積累，溫度↘40℃左右第16頁/共81頁堆肥化過程(compostingprocess)堆肥化過程中發(fā)生的生物化學(xué)反應(yīng)是極其復(fù)雜的，目前尚難進行精確的描述。在實際設(shè)計和操作過程中，通常根據(jù)溫度的變化情況分為以下四個階段(見下圖)。潛伏階段中溫階段高溫階段熟化階段第17頁/共81頁（1）潛伏階段(溫度在內(nèi)25℃以下)此階段為堆肥化的初期階段；是微生物適應(yīng)新環(huán)境的過程，也叫馴化過程。

第18頁/共81頁（2）中溫階段(溫度25～45℃)此階段嗜溫菌最活躍，他們主要利用物料中可溶解性的有機物，如糖類、淀粉，大量繁殖，在轉(zhuǎn)換和利用化學(xué)能的過程中釋放出細胞合成所需的多余能量，加上物料的保溫作用，使溫度不斷上升。以細菌、真菌和放線菌為主的微生物在此階段迅速繁殖。第19頁/共81頁（3）高溫階段(溫度>45℃)堆溫一般可達到65～70℃，或者更高。此時，嗜溫菌受到抑制或死亡，嗜熱菌大量繁殖，逐漸替代嗜溫菌的活動。高溫階段最有利于有機物的降解，除前一階段殘留的和新形成的可溶性有機物繼續(xù)得到分解外，其它的固體有機物(纖維素、半纖維素、本質(zhì)素、蛋白質(zhì)等)也開始強烈分解。

50℃左右時，嗜熱性真菌和放線菌都很活躍。

60℃時，真菌不再適于生存，只有嗜熱性放線菌和細菌仍在活動。

70℃以上時，大多數(shù)微生物均不適應(yīng)，其代謝活動受到抑制，并大量死亡或進入休眠狀態(tài)。在高溫階段，按嗜熱性微生物的活性，可細分為對數(shù)增長期、減速增長期和內(nèi)源呼吸期三個亞階段，即三個時期。高溫階段，微生物經(jīng)歷三個時期的變化后，堆肥開始形成腐殖質(zhì)，逐步進入穩(wěn)定狀態(tài)。第20頁/共81頁圖7-1微生物活性示意圖第21頁/共81頁（4）熟化階段(溫度為40—20℃)在內(nèi)源呼吸期，微生物活性下降，發(fā)熱量減少，溫度逐漸下降至中溫,并最后過渡到環(huán)境溫度，剩余有機物大部分為難降解物質(zhì)，腐殖質(zhì)大量形成。在溫度下降的過程中，嗜溫菌又重新開始活動，進一步分解殘留有機物，腐質(zhì)不斷增多，且趨于“穩(wěn)定”，堆肥便進入腐熟階段。生物分解過程中產(chǎn)生的氨在這一階段通過硝化細菌的作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，其反應(yīng)式為：由于硝化細菌生長緩慢，只有在低于40℃的溫度下才有活性，所以硝化反應(yīng)通常是在有機物分解完成后才開始進行。氮在轉(zhuǎn)化為硝酸鹽后才能被植物吸收。因此熟化階段對于生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)堆肥是一個很重要的過程。第22頁/共81頁第23頁/共81頁7.2.6堆肥化的影響因素

影響堆肥化效果的因素很多，為了創(chuàng)造更好的微生物生長繁殖和有機物分解的條件，在堆肥化過程中必須控制以下主要因素。粒度(granularity)有機物含量(organiccontent)含水率(watercontent)碳氮比（C/N）(carbonnitrogenratio)通風(fēng)和耗氧速率(aerationandoxygenconsumptionrate)溫度(termperature)pH值碳磷比（C/P）(c:pratio)第24頁/共81頁（1）粒度(granularity)在堆肥化過程中，物料的粒度影響其體密度、內(nèi)部摩擦力和流動性。足夠小的粒度可以增加廢物與微生物及空間的接觸面積，加快生物化學(xué)反應(yīng)速率；理想的粒度是25～75mm。對靜態(tài)堆肥，粒度可適當(dāng)增大，以起到支撐結(jié)構(gòu)的作用，增加空隙率，有利于通風(fēng)。第25頁/共81頁(2)有機物含量(organiccontent)有機物含量太低不能提供足夠的能量，影響嗜熱菌增殖，難以維持高溫發(fā)酵過程。有機物含量太高則堆肥過程中要求大量供氧，實際生產(chǎn)過程中常因供氧不足而發(fā)生部分厭氧過程，影響堆肥的腐熟度，即堆肥質(zhì)量。適宜的有機物含量為20～80％。第26頁/共81頁(3)含水率(watercontent)作用：溶解有機物并參與微生物新陳代謝；通過水分蒸發(fā)帶走熱量，以調(diào)節(jié)堆肥的溫度。若含水率過高，水會阻礙空氣流通，造成缺氧；若水分過少，會使分解速率降低。當(dāng)含水率<2％時，微生物將停止繁殖。最佳含水率范圍為50～70％，用生活垃圾制堆肥時含水率以55％為宜。第27頁/共81頁(4)碳氮比(C／N)(carbonnitrogenratio)C／N是影響微生物生長的最重要的營養(yǎng)因素之一。微生物每利用30份碳，就需要1份氮，因此初始物料的C／N比為30：1時適合堆肥的需要，其最佳值在26／1～35／1之間。成品堆肥的適宜C／N在10／1～20／1之間。C／N過低，余氮就會以氨的形式逸散，并可能污染環(huán)境；C／N過高，則氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限制，導(dǎo)致有機物分解速率降低，堆肥過程延長。由于初始原料的C／N比一般都高于26／1～35／1，故應(yīng)加入氮肥水溶液、糞便、污泥等調(diào)節(jié)劑，調(diào)節(jié)到30／1以下。隨著堆肥發(fā)酵的進行，其C/N比呈逐漸下降狀態(tài)。第28頁/共81頁(5)溫度(temperature)實踐表明，堆肥過程的最佳溫度為35～55℃。低于35℃時堆肥效率不高，在55℃左右時，微生物活性最高，有機物的分解效率也最高。高于55℃時，微生物的活性開始下降，堆肥效率也下降。另外，大多數(shù)病原菌的滅活溫度高于50℃，因此，堆肥溫度控制在55℃左右，并維持一定長的時間，對于提高堆肥化效率和堆肥產(chǎn)品質(zhì)量是適宜的。我國防預(yù)醫(yī)學(xué)科學(xué)院研究指出，糞便堆肥，最高溫度必須達50～55℃，并在該溫度下維持5～7天，可以殺滅大腸桿菌和蛔蟲卵。美國環(huán)保局指出,用露天條垛式堆肥,最高溫度必須達到55℃以上并至少維持15天，在密閉堆肥系統(tǒng)中，在同樣溫度下，需要維持至少3天，就可以殺滅病原體。第29頁/共81頁第30頁/共81頁(6)通風(fēng)和耗氧速率

(aerationandoxygenconsumptionrate)通風(fēng)作用：提供氧氣，以促進微生物的繁殖及分解有機物所用；通過供氧量的控制，調(diào)節(jié)最適溫度。在維持最適溫度的基礎(chǔ)上，加大通風(fēng)量可以去除水分。通風(fēng)供氧的方式：自然擴撒、翻堆法、強制通氣法、翻堆與強制通氣結(jié)合法等。第31頁/共81頁堆層中氧的濃度和耗氧速率反應(yīng)了堆肥過程中微生物活動的強弱和有機物的分解程度。堆肥過程適宜的氧體積濃度為14～17％，最低不得<10％，一旦低于此限，好氧發(fā)酵將會停止。由于氧氣轉(zhuǎn)變?yōu)楫?dāng)量的CO2，因此，也可用CO2的生成速率來表征堆肥的耗氧速率;適宜的CO2體積濃度為3～6％。第32頁/共81頁第33頁/共81頁(7)pH值在堆肥化過程中，pH值隨著溫度及時間的變化而變化,其變化情況和溫度的變化是一樣的，也反映了有機物分解的進程。在堆肥初期，由于有機酸的產(chǎn)生，pH值可降至4.5-5;隨著有機酸的逐步分解，pH值逐漸上升，主發(fā)酵完成前可達到8-8.5;二次發(fā)酵后的最終成品的pH=6.5左右。pH5.5-6.5是微生物活動的最佳范圍一般認為，pH6.5-8.5，堆肥化效率最高。第34頁/共81頁第35頁/共81頁第36頁/共81頁7.2.7堆肥質(zhì)量堆肥質(zhì)量的含義我國堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)堆肥的腐熟度(rottendegree)第37頁/共81頁(1)堆肥質(zhì)量的含意a.有適合農(nóng)作物生長所需的營養(yǎng)成分。b.符合衛(wèi)生要求，無害化，要求堆肥中的重金屬含量和致病微生物的數(shù)量必須低于一定的數(shù)量范圍。c.堆肥應(yīng)達到穩(wěn)定的腐熟度。第38頁/共81頁(2)我國堆肥產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)隨其所用原料、工藝及堆制周期不同而有差異。（P181,表7-8）此外，堆肥化產(chǎn)品還應(yīng)滿足下列基本要求。a.堆肥產(chǎn)品中的C／N應(yīng)<20％土壤中的微生物在分解有機物的同時，還要從氨或硝酸鹽中吸收氮作為自身的營養(yǎng)刑，以維持繁殖增生，若C／N比過高，則可利用的N量少而使得微生物處于“氮饑餓”狀態(tài)，最終影響肥效。因此，要求堆肥產(chǎn)品中的C／N比應(yīng)低于20(C／N<20)。b.堆肥產(chǎn)品應(yīng)達到完全腐熱的程度才能施用。大量施用未完成腐熟的堆肥，由于有機質(zhì)在土壤中的繼續(xù)分解，會造成植物根部缺氧而枯死，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。c.便于運輸、貯存和施用。故要求水分在40％以下,袋裝堆肥的含水率應(yīng)低于20％，最好加工成顆粒肥。第39頁/共81頁(3)堆肥的腐熟度腐熟度的概念堆肥腐熟度是指堆肥的穩(wěn)定化程度，它既是反映堆肥化反應(yīng)完成的標(biāo)志，又是堆肥質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。堆肥穩(wěn)定和腐熟的基本含義：達到穩(wěn)定化、無害化堆肥產(chǎn)品使用期間不能影響作物的生長和土壤的耕作能力。堆肥腐熟度的測定方法有多種：物理方法、化學(xué)方法、生物活性、植物毒性分析、安全測試分析等。第40頁/共81頁第41頁/共81頁堆肥產(chǎn)品腐熟度評價方法物理方法溫度下降至常溫左右；外觀茶褐色或暗灰色，無惡臭而有土壤的霉味；疏松團粒結(jié)構(gòu)；產(chǎn)品出現(xiàn)白色或灰白色真菌絲。第42頁/共81頁化學(xué)方法C/N比：（25-30）：1將至（15-20）:1以下；氮化合物：氨態(tài)氮—硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮；CEC：反映有機質(zhì)降低的程度，是堆肥腐殖質(zhì)化程度和新形成的有機質(zhì)的重要指標(biāo)。與C/N比呈現(xiàn)很高的負相關(guān)性。有機化合物：糖類-淀粉-纖維素腐殖質(zhì)（HS）：胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及未腐殖質(zhì)化的物質(zhì)（NHF）腐殖化指數(shù)HI=HA/FA腐殖化率HR=HA/(FA+NHF)胡敏酸含量HP=HA*100/HS第43頁/共81頁生物活性法呼吸作用：耗氧速率法、CO2產(chǎn)生速率法堆層中氧的濃度和耗氧速率或CO2生成速率反映了微生物的活性和有機物的分解程度。耗氧速率表示單位時間內(nèi)O2濃度的變化，以ΔO2／min表示，當(dāng)耗氧速率變化平衡或無明顯變化時說明堆肥已趨于成熟。用氣體采集槍和微型吸氣泵抽取堆層中的氣體，然后用O2／CO2測定儀測定堆層中O2或CO2濃度在單位時間內(nèi)的變化值就可以評定堆肥的發(fā)酵程度和腐熱情況。當(dāng)單位時間內(nèi)O2或CO2的濃度沒有明顯變化則表明堆肥成熟。第44頁/共81頁微生物種群及數(shù)量嗜溫菌-蛋白質(zhì)分解細菌、產(chǎn)氨細菌30天左右嗜熱菌-分解纖維素的細菌和真菌60天左右硝化細菌80天左右放線菌腐熟期第45頁/共81頁第46頁/共81頁第47頁/共81頁

厭氧發(fā)酵制沼氣（methane）概述厭氧發(fā)酵的生物化學(xué)過程厭氧發(fā)酵的影響因素發(fā)酵工藝

發(fā)酵裝置第48頁/共81頁一、厭氧發(fā)酵概述定義主要特點第49頁/共81頁(1)厭氧發(fā)酵（anaerobicfermentationm）厭氧發(fā)酵（或厭氧消化）是指厭氧微生物的作用下，有控制地使廢物中可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學(xué)過程。由于厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物是以CH4為主要成分的沼氣，故又稱為甲烷發(fā)酵(firedampfermentation)。厭氧發(fā)酵技術(shù)最初的工業(yè)化應(yīng)用是作為糞便和污泥的減量化和穩(wěn)定化的手段得以實施的。厭氧消化處理可以去除廢物中10～50％的有機物，并使之穩(wěn)定化。70年代初，由于能源危機和石油價格上漲，許多國家開始尋找新的能源，這時厭氧發(fā)酵技術(shù)顯示出其優(yōu)勢，普遍受到人們關(guān)注。近20年來，我國許多城市相繼建成了大型厭氧發(fā)酵設(shè)施，用來處理城市污泥和糞便。第50頁/共81頁(2)厭氧發(fā)酵技術(shù)的主要特點可將潛在于有機廢物中的低品位生物能轉(zhuǎn)化為可直接利用的高品位；與好氧處理相比，厭氧消化不需要通風(fēng)動力，設(shè)施簡單，運行成本低，屬于節(jié)能型處理方法；適用于處理高濃度有機廢水和廢物；經(jīng)厭氧處理后的廢物基本上是穩(wěn)定的，可以用作農(nóng)肥、飼料和堆肥化原料；厭氧微生物生長速度慢，處理效率低，設(shè)備體積大；厭氧處理過程中易產(chǎn)生H2S等惡臭氣體。第51頁/共81頁二、厭氧發(fā)酵的生物化學(xué)過程/原理概述生物化學(xué)反應(yīng)(biochemicalreaction)厭氧分解(anaerobicdecomposition)過程第52頁/共81頁（1）概述參與厭氧分解的微生物有產(chǎn)酸菌(水解菌）和產(chǎn)甲烷菌兩大類產(chǎn)酸菌能將復(fù)雜的有機物水解，井進一步分解為以有機酸為主的簡單產(chǎn)物，產(chǎn)酸菌屬于兼性厭氧菌。產(chǎn)甲烷菌是絕對厭氧菌，其功能是將有機酸轉(zhuǎn)變?yōu)榧淄?。甲烷菌的繁殖速度相?dāng)緩慢，且對于溫度、抑制物的存在等外界條件的變化相當(dāng)敏感。有機物厭氧消化的生物化學(xué)反應(yīng)是非常復(fù)雜的過程，中間反應(yīng)和中間產(chǎn)物有數(shù)百種，并且每種反應(yīng)都是在酶或其它物質(zhì)的催化作用下進行的。第53頁/共81頁二（2）生物化學(xué)反應(yīng)第54頁/共81頁（3）厭氧分解(anaerobicdecomposition)過程根據(jù)慶氧分解過程中產(chǎn)物和微生物的特點，厭氧分解過程可分為二個階段、三個階段、四個階段。三段理論：水解階段(Liquefactionstage)產(chǎn)酸階段(Acid-producingstage)產(chǎn)甲烷階段(Methane-producingstage)第55頁/共81頁圖7-3有機物的沼氣發(fā)酵過程/水解階段/發(fā)酵細菌/醋酸分解菌產(chǎn)氫菌CO2第56頁/共81頁a.液化階段(Liquefactionstage)在這一階段中復(fù)雜的有機高分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等在水解細菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下進行體外酶分解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的簡單有機物。高分子有機物的水解速度很慢，主要受物料的性質(zhì)、微生物的濃度、溫度和pH等條件的制約。主要有機物的水解反應(yīng)：蛋白質(zhì)+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S第57頁/共81頁b.產(chǎn)酸階段(Acid-producingstage)液化階段產(chǎn)生的簡單的可溶性有機物，在產(chǎn)氫菌、產(chǎn)醋酸菌的作用下，進一步分解成揮發(fā)性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、