第三章有机固废资源化.

有机质固体废物资源化技术第三章固体废物资源化工程•厌氧消化是指在厌氧状态下，利用厌氧微生物，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。•由于厌氧消化可以产生以CH4为主要成分的沼气，故又称之为甲烷发酵。二、有机固体废物的厌氧消化处理1.厌氧消化定义=固体废物资源化工程3.1来自生物的有机固体废物的利用继续厌氧消化特点优点：缺点：厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大会产生H2S等恶臭气体可将废弃物中低品位生物能转化为高品位沼气适于处理高浓度有机废水和废物生产过程全封闭，不需要通风动力，设施简单，运行成本低=固体废物资源化工程有机物各种有机酸水解、发酵菌各种有机酸乙酸、氢气、CO2产氢、产乙酸菌两组生理不同甲烷菌的作用一组把H、CO2CH44H2+CO2CH4+2H2O另一组对乙酸脱羧CH4CH3COOHCH4+CO2水解发酵阶段产氢、产乙酸阶段产甲烷阶段2.厌氧消化原理——三阶段理论固体废物资源化工程1kg可降解有机物产生0.63~1.0m3的沼气，其中甲烷含量50~60%。=（1)根据消化温度划分工艺类型高（中）温消化工艺自然温度消化工艺高温范围是50~55℃中温35℃左右有机物分解旺盛，消化快，物料在厌氧池内停留时间短，适用于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理。目前我国农村都采用这种消化类型。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广，但受季节影响明显，夏季产气量高，冬季产气量低。3.厌氧消化工艺固体废物资源化工程=(2)根据投料运转方式划分工艺类型连续消化工艺半连续消化工艺两步消化工艺投料启动后，经一段时间的消化产气，连续定量的添加消化原料和排出旧料；其消化时间能够长期连续进行。工艺易于控制，能保持稳定的有机物消化速率和产气率，但该工艺要求较低的原料固形物浓度启动时一次性投入较多的消化原料，当产气量趋于下降时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。农村较适用两个反应器；根据两段理论设计继续固体废物资源化工程连续消化工艺特点：投料启动后，经过一段时间消化产气，开始连续投料、连续排出旧料，维持运行。有机物消化速率、产气率稳定，但固体浓度低工艺流程有机固体废物用户贮气柜肥料沉淀池厌氧消化反应池备料池回流搅拌回流备料=返回固体废物资源化工程半连续消化工艺特点：启动时投入较多原料，当产气量下降时，开始定期投料、定期排料，来维持产气率稳定。适合农村采用，原料、施肥有季节性工艺流程=固体废物资源化工程原料选择送农田定期出料加入菌种大出料入池发酵产气配料原料预处理定期加料主要工艺步骤：封池后2~3d，即可比较稳定产气。沼气池启动30d左右，产气量明显下降时，应添加新料，5~6d加一次，加料量为发酵液的3~5%。大换料：发酵周期完成以后，除去旧料，重新开始。北方地区一般在春季大换料一次；南方地区可在4月和11月大换料两次。这一工艺条件下产气量：北方0.10~0.15m3/m3池容.d南方0.15~0.25m3/m3池容.d=返回固体废物资源化工程两步消化工艺特点：将沼气消化过程分成产酸、产甲烷两个阶段，在两个反应器中进行。提高产气率，实现渣、液分离主要工艺步骤：——第一个反应器：水解、液化有机物为有机酸；反应速率受纤维素水解速率限制。pH值5.8——第二个反应器：保持严格厌氧和pH值8左右，利于产甲烷菌生长，消化、降解有机酸生成沼气。反应速率受产甲烷菌生长繁殖速率限制=返回固体废物资源化工程=(3)根据反应器中固体浓度划分工艺类型低固体消化工艺高固体消化工艺固体浓度低（4~8%），容易混合均匀，进出物料泵简单，可稀释有毒物质。但废物中须加水，导致消化污泥须脱水，成本较高固体浓度高（≥22%），不需要加水，反应器单位体积需水量低，产气量高。但进出物料泵复杂，有毒物质（盐和重金属）易使微生物中毒固体废物资源化工程=厌氧消化的影响因素搅拌有机物组分抑制物温度原料C/N比其它因素pH接种物4.厌氧消化影响因素固体废物资源化工程(1)有机物组分与产气量不同有机物成分，产气量有差异有机物种类产气量/(L/kg)气体组成/%热值(标准状态)/(kJ/m3)碳水化合物80050(CH4)+50(CO2)17765脂肪120070(CH4)+30(CO2)24871蛋白质70067(CH4)+33(CO2)23617=沼气产量有机物去除率正比有机物含量正比提高有机物含量可增加沼气产量固体废物资源化工程(2)原料C/N比——最佳C/N比控制在20~30：1C/N比过小，过剩的氮会变成氨气，抑制产甲烷菌活动通过富氮物质与贫氮物质合理搭配，改善物料C/NC/N比大于35，反应速率降低，产气量明显下降==11221122nnnnCXCXCXNXNXNXKX—各原料重量C、N—各原料中C、N含量固体废物资源化工程比较理想温度范围35~38℃和50~65℃在45℃有一个间断点，由于中温发酵和高温发酵分别由不同微生物种群起作用，在该温度，对中温和高温菌都不利。当消化温度低于10℃时，产气量明显下降=(3)温度固体废物资源化工程(4)pH值产酸菌适于在酸性条件下生长，最佳pH值5.8在产酸菌和产甲烷菌共存时，系统pH值控制在6.5~7.5产甲烷菌需要在严格的碱性条件下生长，pH值低于6.2时会失去活性=固体废物资源化工程(5)搅拌有效搅拌可增加物料与微生物接触机会，使物料和温度分布均匀，防止局部出现酸积累，还可使反应产生的气体迅速排出，产气量↑30%左右。对于流态、半流态物料采用对于固态物料采用循环浸出液方式=气体搅拌（充沼气）机械搅拌泵循环（充液）固体废物资源化工程=固体废物资源化工程（6）投配率p(对于连续操作系统)每日投加新料体积占消化池有效容积的百分数。P是消化池的重要参数。过大，消化池内可能形成酸积累、PH↓消化不完全；过小，消化池负荷低，要求容积大。中温消化适宜p=3%~5%，相应T为33d~20d。高温消化适宜p=7%~10%，相应T为15d~10d。(7)接种物——添加接种物可加快有机物分解速率，提高产气量，还使产气时间提前接种物量达到料液量的5%以上=酒厂、屠宰场、城市污水污泥、发酵液等，含大量厌氧微生物，可直接作为接种物。注意：高温发酵必须用高温发酵的发酵液作接种物；中温发酵必须用中温发酵的发酵液作接种物；固体废物资源化工程(8)抑制物主要是挥发性脂肪酸和氨气累积，还有一些重金属抑制物质抑制浓度/(mg/L)抑制物质抑制浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸2000Cu5氨氮1500~3000Cd150溶解性硫化物200Fe1710Ca2500~4500Cr6+3Mg1000~1500Cr3+500K2500~4500Ni2Na3500~5500=返回固体废物资源化工程按消化池形状圆柱形、椭圆形（蛋形）和龟甲形等几种形式按其池顶结构形式固定盖式和浮动盖式的消化池按用途大型工业消化设备和民用沼气发酵设施5.厌氧消化装置固体废物资源化工程动画继续（b）古典型（a）欧美型（c）蛋型（d）欧洲平底型常用的大型发酵罐结构类型=现代化大型工业消化设备固体废物资源化工程=返回固体废物资源化工程①消化池构造出泥上清液固体废物资源化工程（1）大型工业消化设备②消化池的设计计算一般按投配率来计算所需的消化池容积，即：式中：V——消化池的有效容积，m3；V’——每天需要处理的新料量，m3/d；p——投配率，%消化池的容积设计一般小型：V=2500m3中型：V=5000m3大型：V=10000m3考虑检修，消化池座数不得少于2座。固体废物资源化工程消化池的结构尺寸在确定了所需的消化池的有效容积后，就可计算消化池各部的结构尺寸，其一般要求如下：①池总高与直径之比为0.8~1.0；②池底坡度一般为8%；③池顶部的集气罩，高度一般为2.0m④池顶至少设两个直径为0.7m的人孔。固体废物资源化工程消化池的工艺管道在消化池中还需要设置多种工艺管道，其中主要包括：①污泥管：进泥管、出泥管；②上清液排放管；③溢流管；④沼气管；取样管；循环搅拌管；固体废物资源化工程搅拌设备①螺旋桨搅拌②充气搅拌（沼气搅拌）5-7m³/min.1000m³池容，气流速度7-15m/s③泵加水射器加热方法直接通入热水及低压蒸气增加含水率，局部污泥温度高池内盘管间接加热，盘管内通以70℃热水池外加热：池外热交换器池内加热搅拌不宜连续，2h一次，每次搅拌20min左右为宜。固体废物资源化工程③维护与管理a.防止在空气中的CH4占空气5-16%，避免爆炸。b.高温甲烷菌不能用中温条件下的甲烷菌直接接种,但可驯化，驯化时升温速度为1℃/h，最佳达到53℃。c.温度高于38℃，中温甲烷菌大量死亡，污泥易变质。d.人工加碱控制PH6.5-7.5。固体废物资源化工程=消化器浮罩式沼气池水压式沼气池水压式沼气池具有结构简单、造价低、施工方便；但由于温度不稳定，产气量不稳定，因此原料的利用率低。暗河式产沼技术返回固体废物资源化工程（2）民用沼气发酵设施加料管发酵间（贮气部分）水压间液面=①水压式沼气池构造：加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管等固体废物资源化工程=产生的沼气将料液压向水压间，水压间内液面升高使用时发酵间压力减小，水压间液体被压回发酵间平衡发酵间与水压间的液面处在同一水平，发酵间内尚存的空间为死气箱容积。链接动画固体废物资源化工程进料口进料管发酵间浮罩出料联通管出料间隔墙导气管=固体废物资源化工程②浮罩式沼气池=固体废物资源化工程=固体废物资源化工程净化塔储气罐固液混合发酵料具有流动性，从进料口加入，依靠重力流入暗河式沼气罐，并向下游缓慢蠕动。经厌氧发酵后产生沼气，沼气从密封的暗河式沼气罐上部溢出。产沼后的沼渣依靠重力，流向厌氧发酵反应器的末端出料系统，然后抽出。③暗河式产沼技术固体废物资源化工程湖北宜城暗河式沼气示范工程体积：20m3沼气产量：200m3/t发酵料甲烷含量＞60％固体消化率＞65％固体废物资源化工程暗河式产沼技术特点特点一：将传统立式沼气反应器改为卧式结构，同时解决了原料流态化连续进料出料的关键技术，解决了地坑式产沼排渣困难的问题。特点二：暗河式沼气池的大小不受限制，小到几个立方米，大可十万、甚至百万立方米，十分适合大型的沼气生产。特点三：暗河式厌氧反应器大部分被埋在地下，有利于减少投资，而且还有利于冬季保温。返回固体废物资源化工程在中温(500～600℃)、隔绝氧气的条件下将生物质(木材、秸秆等)颗粒物迅速加热,从而引发了大分子的分解，产生了小分子气体和可凝性挥发分以及少量焦炭产物。可凝性挥发分被快速冷却成可流动的液体，称之为生物油或焦油。生物油为深棕色或深黑色，并具有刺激性的焦味。固体废物资源化工程热解原理三、生物质热解技术-----制取生物油生物油的元素组成及性质为：C54％～58％(质量分数，下同)，H5.5％～7.0％，O35％～40％，N0～0.2％，灰分0～0.2％，水分15％～30％，高位热值16～19MJ／kg，pH值2.5，固体质量分数0.2％～l％。固体废物资源化工程生物油具有一些共同的性质，如水分含量高、含颗粒杂质、黏度大、稳定性差、有腐蚀性等，这与传统石化燃料(柴油、汽油)有很大不同，需进一步改进加工。固体废物资源化工程继续热解原理热解定义：将有机物在无氧或缺氧状态下加热，使之分解成为气态、液态及固态可燃物质的化学分解过程。有机废物天然:生物质（橡胶、木材、蛋白质、淀粉、纤维素、废油脂、污泥等）人工合成：塑料、合成橡胶、合成纤维等均可热解固体废物资源化工程有机固体废物＋热量→气体(H2、CH4、CO、CO2)＋有机液体(有机酸、芳烃、焦油)＋固体(炭黑、灰渣)热解反应通式：通过热解将有机物转化为可储存性能源。有机废物热解示意图热解釜固体废物资源化工程热解与焚烧比较需氧放热二氧化碳、水就地利用二次污染大无氧或缺氧吸热气、油、炭黑贮存或远距离运输二次污染较小热解焚烧氧需求热量产物利用污染生物质、塑料类、橡胶等固体