清大固體廢物的處理與處置課件第9章 固體廢物的生物處理

第九章固體廢物的生物處理

直接或者間接利用生物體的機(jī)能，對(duì)固體廢物的某些組分進(jìn)行轉(zhuǎn)化以建立減低和消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者高效凈化環(huán)境污染，同時(shí)生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術(shù)。微生物：細(xì)菌，放線菌，真菌動(dòng)物：蚯蚓植物：獲得能源（沼氣），生物產(chǎn)品（蛋白等）第一節(jié)好氧生物降解制堆肥自然界中的微生物早期的堆肥：手工操作，自然堆積發(fā)酵，自發(fā)生物轉(zhuǎn)化。一、堆肥化概述（一）堆肥化概念和分類堆肥化（Composting）是在控制條件下，使來源于生物的有機(jī)廢物，發(fā)生生物穩(wěn)定作用（Biostablization）的過程。堆肥原料來自生物界；人工控制下進(jìn)行，不同于衛(wèi)生填埋、廢物腐爛生物化學(xué)過程。

堆肥化分類：按堆制方法：間歇堆積法和連續(xù)堆積法按原料發(fā)酵所處的狀態(tài)：靜態(tài)發(fā)酵法和動(dòng)態(tài)發(fā)酵法

按堆制過程的需氧程度：好氧法（高溫快速堆肥）和厭氧法好氧堆肥，溫度50~65，最高80~90，周期短，也稱“高溫快速堆肥”厭氧堆肥，隔絕空氣，溫度低，工藝簡(jiǎn)單周期長(zhǎng)，3~12月，分解不充分能量堆肥有機(jī)物，氧，微生物同化作用異化作用

細(xì)胞物質(zhì)（微生物繁殖）CO2,H2O,NH3,PO4,SO4+進(jìn)入環(huán)境釋放（二）好氧法堆肥原理好氧菌----進(jìn)行吸收、氧化、分解。涉及的化學(xué)反應(yīng)式見p128（三）堆肥原料與堆肥微生物1．堆肥原料富含碳水化合物，脂類，蛋白質(zhì)的原料生活垃圾：預(yù)處理去除不可堆肥的人禽畜糞便，有機(jī)污泥：低分子有機(jī)物農(nóng)林廢物：纖維素，果膠，木質(zhì)素等，預(yù)處理2．堆肥微生物嗜溫菌和嗜熱菌，適宜溫度不同。3，固體廢物好氧微生物降解過程（1）潛伏階段（馴化階段）

(2)中溫階段微生物：嗜溫細(xì)菌，酵母菌，放線菌堆肥初期，嗜溫微生物活躍，利用可溶性糖，淀粉，產(chǎn)能放熱溫度15~45。；細(xì)胞合成， （3）高溫階段微生物：嗜熱微生物發(fā)酵開始1周時(shí)間達(dá)到65~70。纖維素蛋白質(zhì)等復(fù)雜有機(jī)物分解。

50度：嗜熱真菌，放線菌；60度嗜熱放線菌，細(xì)菌?！?0度，微生物死亡。（4）降溫階段（腐熟階段）易分解的有機(jī)物包括纖維素大部分分解，剩下為難分解有機(jī)物，腐殖質(zhì)。微生物活性減低，發(fā)熱量減少，溫度下降。嗜溫性微生物優(yōu)勢(shì)，繼續(xù)分解殘留有機(jī)物。腐殖質(zhì)增多趨向穩(wěn)定。堆肥成熟。（四）影響因素1供氧量有機(jī)物降解，微生物生長(zhǎng)必須物質(zhì)排出堆層內(nèi)的水分來調(diào)節(jié)堆溫和水分量，防止溫度過高在堆肥通風(fēng)時(shí)需要考慮防止物料干化。含水率微生物生長(zhǎng)的基本因素，影響發(fā)酵速率，腐熟程度。最佳含水量為50~60%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）。低于40~50%,微生物活性降低，堆溫減低超過70%，堆溫難以上升，水分有礙通風(fēng)，造成局部厭氧狀態(tài)

溫度堆肥過程中，溫度不斷變化，隨著溫度升高，加速分解消化，可以殺死蟲卵，致病菌等，使堆肥可以用于農(nóng)田。有機(jī)物含量有機(jī)物含量不足，分解熱量不足以維持堆溫。有機(jī)物含量過高，可能產(chǎn)生厭氧狀態(tài)C/N,C/PC,N,P都是生物生長(zhǎng)必須的營(yíng)養(yǎng)分。C/N過高：雜菌污染，生物量少，浪費(fèi)碳源。堆肥產(chǎn)品進(jìn)入農(nóng)田會(huì)真的氮素，影響作物生長(zhǎng)。C/N過低：菌體易衰老，自溶。氮素浪費(fèi)。pH堆肥中，pH一般有足夠的緩沖作用，維持在好氧分解的酸堿度水平通常7.5~8.5可得到最佳堆肥效果二、好氧堆肥程序、工藝、裝置（一）堆肥程序

1．原料預(yù)處理分選、破碎，篩分：通過破碎及分選，除去非堆肥化物質(zhì)和調(diào)整垃圾的粒度.含水率和碳氮比調(diào)整

粒度不能太小，一般2~60mm

原料含水率過高時(shí)，預(yù)處理主要是調(diào)節(jié)水分,C/N2．原料發(fā)酵主發(fā)酵場(chǎng)所：發(fā)酵倉，露天堆積，強(qiáng)制通風(fēng)供氧

從發(fā)酵初期，好氧堆肥經(jīng)歷中溫，高溫兩個(gè)階段到達(dá)溫度開始下降的微生物代謝過程。

一般4~12d后發(fā)酵（20~30天）主發(fā)酵殘余：部分易分解，大量難分解有機(jī)物。場(chǎng)所：封閉反應(yīng)器或者敞開的料倉。堆成垛1-2m。后發(fā)酵。此時(shí)，溫度持續(xù)下降，穩(wěn)定在40左右即腐熟，得到腐殖酸，氨基酸等穩(wěn)定有機(jī)物組成的腐熟堆肥。3．后處理包括去除雜質(zhì)和進(jìn)行必要的破碎處理.添加N,P,K等制成復(fù)合肥脫臭微生物分解形成臭味：氨，H2S等化學(xué)藥劑除臭，堿水過濾，吸附等貯存夏，冬的堆肥需要貯存6個(gè)月產(chǎn)量的貯存設(shè)備。要求：干燥透氣（二）發(fā)酵工藝與裝置1．間歇式發(fā)酵工藝與裝置（1）間歇式發(fā)酵工藝

主發(fā)酵周期只需10天左右；主發(fā)酵后排出了不宜堆肥的物料，堆肥體積減少1/2：發(fā)酵周期短：主發(fā)酵轉(zhuǎn)入后發(fā)酵時(shí)，經(jīng)過機(jī)械翻倒，故加快了腐熟化進(jìn)程.2．連續(xù)發(fā)酵工藝與裝置連續(xù)進(jìn)料和連續(xù)出料方式，原料在一個(gè)專設(shè)的發(fā)酵裝置內(nèi)完成中溫和高溫發(fā)酵過程

特點(diǎn)：發(fā)酵時(shí)間短，能殺滅病源微生物，還能防止異味，成品質(zhì)量比較高。三、堆肥質(zhì)量

（一）堆肥的成分和養(yǎng)分堆肥的成分和養(yǎng)分依其所用原料、工藝和堆制周期不同而有所差異。（二）堆肥的無害化指從其中的重金屬含量和致病微生物的數(shù)量上進(jìn)行考察。（三）堆肥的腐熟度堆肥的腐熟度是指成品堆肥的穩(wěn)定程度。在工程上，它是衡量堆肥反應(yīng)完成的信號(hào)；在農(nóng)業(yè)上，它是堆肥質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。指標(biāo)：氣味，粒度，色度等物理指標(biāo)；pH，C/N,腐植酸含量，COD等化學(xué)指標(biāo)四、堆肥的農(nóng)業(yè)效用良好的堆肥，具有改土、培肥、促進(jìn)作物生長(zhǎng)和增加生產(chǎn)的效用。（一）堆肥的改土作用1．增加土壤有機(jī)質(zhì)2．改善土壤結(jié)構(gòu)3．提高土壤功能4．促進(jìn)植物根系生長(zhǎng)（二）堆肥的增產(chǎn)作用（三）堆肥農(nóng)用的不利因素

第二節(jié)厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧發(fā)酵也稱沼氣發(fā)酵或甲烷發(fā)酵有機(jī)物在厭氧細(xì)菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷（或稱沼氣）的過程。自然過程。厭氧發(fā)酵工藝：采用人工方法，創(chuàng)造厭氧細(xì)菌所需的營(yíng)養(yǎng)條件，使其在一定設(shè)備內(nèi)具有很高的濃度，厭氧發(fā)酵過程則可大大加快。厭氧消化的特點(diǎn)：生產(chǎn)過程全封閉，可控性好，降解快資源化效果好易操作，不需供氧產(chǎn)物可用作化肥，飼料，堆肥原料可殺死傳染病菌厭氧生物生長(zhǎng)率低，效率低，會(huì)產(chǎn)生惡臭氣體。一厭氧消化原理2大類微生物相繼起作用混合發(fā)酵細(xì)菌有機(jī)物水解---有機(jī)酸等中間產(chǎn)物2.產(chǎn)甲烷細(xì)菌絕對(duì)厭氧，對(duì)溫度，抑制劑，pH非常敏感。有機(jī)物微生物細(xì)胞物質(zhì)有機(jī)酸，醇類CO2,NH3,H2S等，能量+微生物細(xì)胞物質(zhì)CO2,CH4等，能量（一）厭氧消化三段理論依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個(gè)階段

1，液化(水解)階段圖5-4

發(fā)酵細(xì)菌：纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質(zhì)水解菌-------利用胞外酶對(duì)有機(jī)物分解為溶與水的物質(zhì)，吸收入體內(nèi)，酵解為不同產(chǎn)物。

水解影響因素：物料，微生物濃度，溫度，pH等

2，產(chǎn)酸階段

產(chǎn)氫，產(chǎn)酸細(xì)菌把液化階段的中間產(chǎn)物分解為揮發(fā)性脂肪酸：丙酸，丁酸，脂肪酸，乳酸，醛，酮，醇，氫等

3，產(chǎn)甲烷階段

甲烷菌第二階段產(chǎn)物降解成甲烷，CO2,利用氫產(chǎn)甲烷。

甲烷生成途徑

CH4COOH--------------CH4+CO2H2+CO2----------------CH4+2H2O4HCOOH--------------CH4+3CO2+2H2O4CH3OH------------3CH4+CO2+2H2O4CO+2H2O----------CH4+3CO2

研究表明，72%的甲烷來自醋酸(二)兩段理論酸性發(fā)酵階段堿性發(fā)酵階段有機(jī)酸分解形成甲烷，生產(chǎn)氨導(dǎo)致堿性環(huán)境二影響發(fā)酵的因素1．厭氧條件產(chǎn)酸階段多為厭氧菌，產(chǎn)氣階段為專性厭氧氧化還原點(diǎn)位Eh：-300mV2．原料配比碳氮比發(fā)酵最適宜的碳氮比：20~30：1

過小，過剩的氮轉(zhuǎn)變?yōu)橛坞x氨氣，抑制產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)；過高，反應(yīng)速率低，產(chǎn)氣量下降

磷：含量1/1000有機(jī)物3．?dāng)嚢钄嚢璞苊饩植克岱e累。：機(jī)械，充氣，充液攪拌。攪拌對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響表9-10

3．溫度低溫發(fā)酵：<20度，隨自然溫度變化，產(chǎn)氣低，不能滅病原菌。中溫發(fā)酵：37度，甲烷菌最佳活性溫度區(qū)。高溫發(fā)酵：53度，甲烷菌最佳活性溫度區(qū)。產(chǎn)氣最高，但是需要加熱保溫，管理復(fù)雜。4．pH值甲烷菌要求pH很窄，一般發(fā)酵在6.8~7.5。最佳7.0~7.2添加新料時(shí)候容易破壞pH,需要一定的堿度。---------------用石灰調(diào)節(jié)5．?dāng)嚢钄U(kuò)大微生物與有機(jī)物的接觸攪拌避免局部酸積累。

----機(jī)械，充氣，充液攪拌。

添加物和抑制物添加磷礦粉等促進(jìn)厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣量。添加微生物生長(zhǎng)需要的微量元素，鉀，納，鎂等調(diào)整C/N比加入的碳源，氮源避免重金屬，有毒物質(zhì)的混入接種物細(xì)菌種群，數(shù)量影響甲烷的生成。開始發(fā)酵時(shí)，一般菌種量打到料液量的5%以上。三、發(fā)酵工藝

預(yù)處理，厭氧消化器，氣體凈化貯存，消化液與污泥分離，處理，利用按照消化溫度分類高溫消化工藝

47~55度，有機(jī)物分解旺盛，消化快，適合處理城市垃圾，糞便，有機(jī)污泥等高溫硝化菌的培養(yǎng)：污水池菌種擴(kuò)大培養(yǎng)高溫：蒸汽加熱連續(xù)投料攪拌：溫度均勻2自然溫度消化自然溫度影響下消化溫度隨之變化。原料多位秸稈，糞便，半定期補(bǔ)充新鮮原料出料工作量大結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，施工方便易推廣。根據(jù)投料運(yùn)轉(zhuǎn)方式連續(xù)消化工藝圖5-7連續(xù)投料，連續(xù)出料易于控制，有機(jī)物消化，產(chǎn)氣率穩(wěn)定半連續(xù)消化工藝圖5-8

固體有機(jī)原理沼氣消化最常用工藝啟動(dòng)時(shí)一次投入大量原料。產(chǎn)氣量下降，添加新料，排出舊料兩步消化工藝第一反應(yīng)器：酸化，第二反應(yīng)器：嚴(yán)格厭氧，產(chǎn)甲烷大幅度提高了產(chǎn)氣率，效率高四、厭氧消化裝置1水壓式沼氣池

水壓式沼氣池在我國(guó)有60多年運(yùn)行歷史，主要池型。結(jié)構(gòu)與工作原理圖5-9

埋設(shè)與地下，立式圓筒形發(fā)酵池。主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、水壓間、導(dǎo)氣管等。

特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，施工方便。產(chǎn)氣不穩(wěn)定，原料利用率低極限工作狀態(tài)甲烷消化池圖5-10結(jié)構(gòu)：消化室，氣體貯存室，貯水庫，進(jìn)料口，出料口，攪拌器，導(dǎo)氣喇叭口氣體貯藏室與消化池相通。用貯水庫調(diào)節(jié)沼氣氣壓，使之穩(wěn)定室內(nèi)氣壓過高，消化液通過進(jìn)料間的通水穴壓入貯水庫室內(nèi)氣壓不足，貯水庫液體流入消化池紅泥塑料沼氣池

干濕交替消化沼氣池上消化室：批量投料干消化半連續(xù)進(jìn)料，濕消化現(xiàn)代工業(yè)化消化設(shè)備自學(xué)第三節(jié)固體廢物的微生物浸出微生物能把礦物中的硫，鐵等變成可溶鹽，浸出。例如：硫桿菌，鐵桿菌細(xì)菌浸出工業(yè)發(fā)展30多年，發(fā)展很快。細(xì)菌浸出：Zn,Mn,As,Ni,Co,Cu等，Cu的浸出每年40萬t規(guī)模。二細(xì)菌浸出的機(jī)理細(xì)菌自養(yǎng)菌表5-2常見浸礦細(xì)菌生理特性浸出機(jī)理化學(xué)反應(yīng)說p147