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第6章固体废物生物处理——固体废弃物处理与资源化22主要内容：一、生物处理技术概述二、好氧堆肥三、厌氧消化教学目标:掌握堆肥化概念和好氧堆肥原理；熟悉好氧堆肥程序、工艺、装置并掌握好氧堆肥的影响因素；掌握厌氧发酵过程；理解并掌握厌氧发酵的影响因素及其控制。3一、生物处理技术概述固体废物生物处理技术利用生物体的机能，以固废中可降解有机物为对象，使之转化为稳定产物、能源和其他有用物质的处理技术。根据利用目的的不同，生物处理技术可分为：降解利用产物利用营养基质化利用3→多氯联苯、多环芳烃、杀虫剂等的生物降解→获得生物代谢过程中产生的代谢产物，甲烷、乙醇、氢→以固体废物为营养基质，获得新生物体或制取酶制剂书P1414书P138微生物的分类根据微生物对各种碳素营养物同化能力的不同无机营养型（自养型微生物）有机营养型（异养型微生物）光能自养型化能自养型光能异养型化能异养型5根据电子受体的不同，微生物的呼吸类型分为有氧呼吸无氧呼吸以分子氧O2为最终电子受体含氧无机物（NO2-,CO32-,CO2等）发酵以自己的中间代谢产物为电子受体6根据最适宜生长的温度不同嗜寒微生物（低温菌）嗜温微生物（中温菌）嗜热微生物（高温菌）7固体废物中的生物质降解糖类的代谢•淀粉、纤维素→葡萄糖→丙酮酸蛋白质分解及氨基酸的代谢•蛋白质→多肽→氨基酸脂类代谢•脂肪→甘油和脂肪酸脱氨基作用→a-酮酸和氨脱羧基作用→胺和CO2淀粉酶、纤维素酶脂肪酶8生物处理方法堆肥化处理厌氧消化处理微生物浸出其它生物处理方法堆肥化（composting）:在人工控制的环境下,依靠自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。厌氧消化:也称厌氧发酵，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程。微生物浸出:利用微生物新陈代谢过程或代谢产物将废物中目的元素转变为易溶状态并得以分离的过程蚯蚓床技术废物生产单细胞蛋白等ADBC9生物质生物质生长来自太阳的光有机废弃物加工能源有机肥回归土壤秸秆禽畜粪便厌氧发酵好氧堆肥10沼气池11二、好氧堆肥1.堆肥化和堆肥2.好氧堆肥的过程3.好氧堆肥的原理4.影响好氧堆肥的因素5.好氧堆肥装置和工艺过程6.好氧堆肥产品的评估7.堆肥的发展现状121.堆肥化和堆肥堆肥化（composting）：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。堆肥：废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(Compost)它是一类棕色的腐殖质含量很高的疏松物质，也称为“腐殖土”。1213腐殖质是土壤有机质的主要组成部分，是一系列有机化合物的混合物，以胡敏酸和富里酸为主。主要组成元素为C、H、O、S、N、P等。腐殖质能改善土壤的物理、化学和生物性质，使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态，腐殖质还具有增进化肥肥效的作用。14堆肥的原料：堆肥的本质是生化降解过程，凡是富含微生物所需的碳水化合物、糖类、脂肪、蛋白质的固体废物均可作堆肥原料：•城市生活垃圾（废纸、厨余、果皮）•树皮、落叶、秸秆等•纸浆厂、食品厂等排水处理设施排出的污泥•粪便消化污泥、家畜粪尿15中国拥有世界上最大的畜禽养殖量：商品猪、商品牛、家禽，年产生畜禽粪便数量43亿吨中国农作物秸秆数量巨大，年秸秆产量达6~7亿吨，秸秆过剩、焚烧秸秆现象在东部地区非常普遍16Ⅰ.好氧堆肥在通气条件好，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：堆肥温度一般在55～60℃，有时可高达80～90℃；堆制周期短；好氧堆肥也称为高温堆肥或高温快速堆肥。Ⅱ.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。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：17书P1432.好氧堆肥的过程潜伏阶段升温阶段高温阶段降温阶段腐熟阶段18好氧堆肥化过程五阶段降温阶段升温阶段腐熟阶段温度达到45℃以上，嗜热性微生物代替嗜温微生物，物料中残留的可溶性有机物继续分解，难降解的纤维素等也开始分解。所有易降解和大部分难降解有机物已基被分解，逐渐形成腐殖质；病原微生物被高温杀灭，物料已基本达到稳定适应新环境（驯化）嗜温微生物(细菌、放线菌、酵母菌等）利用易降解的可溶性有机物（淀粉、蛋白质）快速繁殖，同时释放热能，使堆层温度上升19次发酵实现固体废物的稳定化和无害化实现固体废物的腐熟化，获得腐熟的堆肥产品两阶段20在堆肥过程中，固体废物中的溶解性的有机物可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；不溶胶体和固体有机物，先附着在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶，分解为可溶性物质，再渗入细胞。3.好氧堆肥的原理21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+好氧堆肥基本原理示意图1-分解代谢：物质分解和提供能量2-合成代谢：消耗能量并合成生物体22书P1484.影响好氧堆肥的因素①颗粒尺寸:适宜的粒径范围是12~60mm。②温度:一般认为最佳温度在50~65℃之间。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%。④氧浓度:适宜的氧浓度为18%,最低不应小于8%。⑤pH值:堆肥微生物最佳的pH=5.5~8.5。细菌-中性环境真菌-微酸性环境放线菌-微碱性环境当pH过高或过低，可以投加过磷酸钙或Ca(OH)223⑥C/N比:•微生物新陈代谢过程中，碳是微生物的能源，氮用于合成细胞。•一般微生物每利用1份氮，要消耗30份碳。最佳C/N在25:1~30:1•C/N比太低（20:1）时，可供利用的碳素少，微生物活性降低，同时氮素相对过剩，会以NH3形式释放，导致氮损失而降低肥效；•C/N太高（40:1）时，可供消耗的碳元素多，氮源相对不足，微生物活性下降，发酵过程加长C/N堆肥所需天数209~1230~5010~1980堆肥化不能进行24名称C/N值名称C/N值锯末屑秸秆垃圾人粪牛粪300～100070～10050～806～108～26猪粪鸡粪活性污泥7～155～105～8各种物料碳氮比值因此，当用秸杆、垃圾堆肥时，需添加C/N比低的废物或氮肥，以使C/N调到较低水平。25P212第8题树叶与来自污水处理厂的活性污泥混合树叶含水率=50%；树叶含氮率=0.7%；树叶C/N为50污泥含水率=75%；污泥含氮率=5.6%；污泥C/N为6.3为使混合后C/N比达到25，计算1kg树叶中需添加多少污泥。265.好氧堆肥装置和工艺过程5.1堆肥装置（1）翻堆条垛式（2）静态通风条垛式（3）发酵仓式27(1)翻堆条垛式将堆肥物料以条垛式条堆状堆置，在好氧条件下进行发酵。垛的断面可以是梯形、不规则四边形或三角形。最常见的断面大多为三角形；尺寸为底宽3～5m，高2～3m，长度不限28翻堆条垛式堆肥是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。翻推机29翻堆条垛式的特点：•优点：所需设备简单，投资相对较低；翻堆使堆肥易于干燥；产品的稳定性相对较好。•缺点：占地面积大；堆腐周期长；需要大量的翻堆机械和人力；需要更频繁的监测，才能保证通气和温度要求；翻堆会造成臭味的散发，影响周围环境；运行操作受气候影响大，雨季会破坏堆体结构，冬季则使堆体热量大量散失、温度降低。3031（2）静态通风条垛式在条垛式堆肥系统上增加通风系统，可以是自然通风或与风机相连进行强制通风。a.自然通风：•在堆肥场地开有通气沟，并在垂直方向坚有通气管32b.强制通风：•堆肥场地表面或地沟内铺设穿孔通风管道，管道上铺一层木屑等多孔填充料，使布气均匀。填充料上堆放堆肥物料，最外层覆盖堆肥产品进行隔热保湿。33•通风的控制方式：一般常用温度或时间控制。•在堆体中安装温度反馈系统，堆体内部温度超过60℃时，鼓风机自动开始工作，排出堆料热量和水蒸汽，使堆体冷却下来。•也可每隔15min~20min(具体时间根据实际情况确定)通风供氧34（3）发酵仓式（反应器系统）发酵仓式堆肥化，是在封闭或半封闭的空间内进行，通过控制通风和水分，使物料进行生物降解和转化。发酵仓的形式：结构：有进料口、布料装置、出料口、布气管、翻倒装置。立式、卧式筒式、槽式回转圆筒式35立式(b)36长槽式37卧式回转滚筒38发酵仓式的特点•优点：设备占地面积小；能进行很好的过程控制；堆肥过程不受气候条件的影响；可对废气进行统一收集处理，防止环境的二次污染；可对热量进行回收利用。•缺点：堆肥的投资和运行、维护费用很高；堆肥周期较短，堆肥产品会有潜在的不稳定性，堆肥的后熟期相对延长；由于机械化程度高，一旦设备出现问题，堆肥过程即受影响。39优点缺点条垛式①设备简单，费用低；②堆肥产品的稳定性好①占地面积大；②需要翻堆机械和人力通风；需要频繁监测，保证通气和温度要求；③翻堆会造成臭味的散发，二次污染影响周围环境；④操作受气候影响大发酵仓式①占地面积小；②能进行很好的过程控制；③可对废气进行统一收集处理，防止二次污染④不受气候条件的影响；①费用高；②堆肥产品稳定性不好405.2堆肥工艺工艺组成单元进料供料单元（地磅秤、贮料仓、进料仓）预处理单元（分选、破碎、调节含水率、C/N）生物转化单元（主发酵、次发酵）中间处理单元（同预处理）后处理单元（堆肥产生精制、粒度调整）过程控制单元（温度、水分、通风）二次污染控制单元（水、气：渗沥液、脱臭）41堆肥工艺流程固体废物有机固体废物a.前处理无机物b.主发酵机械发酵仓风机f.后处理c.后发酵g贮存出售d.过程控制单元e.二次污染控制（脱臭）42a.前处理•破碎、分选：去除不可生物处理物，调整粒径•调节物料养分（C/N比）、水分；•添加菌种和酶。43b.主发酵（一次发酵，4～12d）•在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风供氧c.后发酵（二次发酵，20～30d）•采用条堆或静态堆肥的方式，将主发酵中尚未分解的有机物进一步分解，得到腐熟的堆肥制品。44d.过程控制单元•温度控制•供氧控制（自然通风、翻堆或强制通风）•湿度控制e.脱臭•对臭气进行有效的收集；处理方法：•生物法：设置生物滤床处理设施进行除臭•化学法：化学除臭剂；碱水或水溶液过滤；•物理法：吸附•其他方法：在露天堆肥时，可在堆肥表面覆盖熟堆肥，恶臭成分被堆肥（熟化后的）吸附，被其中的好氧微生物分解。45f.后处理•去除杂物：粒度大于5mm的石块比例不超过5%；粒度大于2mm的塑料金属等杂物不超过0.5%；•颗粒度控制：农用堆肥产品粒度不大于12mm,山林果园用堆肥产品粒度不大于50mm；•堆肥产品精制：按需要加入N、P和K等添加剂46g.贮存•堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就必须积存，所以要建立储存六个月生产量的设备；•储存方式可直接堆存在发酵池中或袋装；•要求干燥而透气，闭气和受潮会影响制品的质量47堆肥工艺类型分类依据工艺类型分段一次性发酵堆肥（连续式）二次性发酵堆肥（间歇式）物料运动方式静态堆肥动态堆肥供氧方式强制通风、自然通风、翻堆通风发酵设备反应器形式条垛式（野积式）；发酵仓式（槽仓式、立式、滚筒式）48书P1656.好氧堆肥产品的评估堆肥的腐熟度：成品堆肥的稳定程度。工程上是衡量堆肥反应完成的信号；农业上是堆肥质量的指标。腐熟度的基本含义：①通过微生物的作用，堆肥的产品达到稳定化、无害化，不对环境产生不良影响；②堆肥产品的使用不影响作物的成长和土壤耕作能力。49腐熟度的评价方法方法参数或项目物理方法温度；颜色；气味；质地化学方法碳氮比（C/N）；氮化合物（总氮、NH4-N、NO3-N、NO2-N）；阳离子交换量（CEC）有机化合物（水溶性或可浸提有机碳、还原糖、脂类等化合物、纤维素、半