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•第八章固体废物生物处理技术•第一节概述•一、固体废物的生物处理1、生物处理——就是以固体废物中的可降解有机物为对象，通过生物的好氧或厌氧作用，使之转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。几乎所有生物处理过程中均伴随着能源和物质的再生与回用。•2、生物处理方法——堆肥化、厌氧消化、纤维素水解、生物制氢技术等。其中．堆肥化可大规模处理固体废物，已得到广泛应用并取得较成熟的经验。•3、生物处理作用•⑴稳定化和杀菌消毒作用•生物处理过程中，有机物转化为H20和C02、CH4、NH3、H2S等气体，实现腐殖化达到稳定化的效果，并利用反应热导致的高温过程，杀灭病原菌，实现无害化。•⑵废物减量化•废物经过生物处理后，有机物可以减少30％～50％。•⑶回收能源•⑷回收物质•除了生产堆肥化产品外，还有纤维素水解生产化工原料和其他生物制品，养殖蚯蚓生产生物蛋白，以及生物制氢回收利用氢气等技术。•二、生物处理过程的基本生物原理•1、微生物生长所需营养条件•⑴能源和碳源•两种最常见碳源——有机碳和CO2。•异养微生物——利用有机碳合成细胞物质的微生物;•自养微生物——利用C02合成细胞物质的微生物。其合成转化是还原反应，需要吸收能量，比异养微生物消耗更多的能量，故自养微生物生长率往往较低。•能源——太阳光、化学反应能量。利用太阳光作为能源的生物叫做光能营养微生物。利用化学反应来获得能量的叫做化能营养微生物。•⑵无机盐和生长因子•无机盐也是微生物生长的限制因素。微生物所需的主要无机盐元素包括：•N、S、P、K、Mg、Ca、Fe、Na和C1，以及一些微量元素，如Zn、Mn、Mo、Se、Co、Cu、Ni和W。•生长因子——一些微生物在生长过程中还需要某些不能自身合成的，同时又是生长所必需的须由外界所供给的营养物质，把这类物质叫做生长因子。•生长因子可分为3类：氨基酸类、嘌呤和嘧啶类、维生素类。嘌呤——C5H4N4嘧啶——C4H4N2•2、微生物代谢类型•据代谢类型和对分子氧的需求，化能异养微生物可分为：好氧呼吸作用、厌氧呼吸利用、兼性呼吸作用等。•3、微生物种类•细菌，霉菌，酵母菌，放线菌。•4、环境条件•温度、pH值范围、水分条件，抑制剂，如重金属、氨、硫离子以及其他有毒物质。•第二节堆肥化处理技术•一、概念和术语•1、堆肥化（composting）——是利用自然界广泛存在的微生物在人为控制条件下，使生物有机废物发生生物稳定化（biostabilization）的过程。•定义3要点：•⑴堆肥原料——来自生物界，是由多种不同组分构成的有机物料。包括：垃圾中的厨余物、污水厂污泥、人畜粪便、农业废弃物、食品加工、酿造废弃物等。欧洲一些国家已经对堆肥化的概念进行了统一，定义堆肥化就是：“在有控制的条件下，微生物对固体和半固体有机废物的好氧中温或高温分解，并产生稳定的腐殖质的过程”。•⑵堆制过程——人工控制下，以保存发酵过程中产生的热量，保持温暖湿润和好气条件以利于多种微生物共同作用。可见，堆制过程的实质是卫生工程意义上的生物化学过程。•⑶堆制目的——生物稳定化。即使物料中可降解的有机物质在自然细菌、放线菌和真菌等作用下转化为稳定的腐殖质类物质，不再产生还原性异味物质（如H2S、NH3等）。•★《城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程》（CJJ/T52-93）中3.0.1条规定：“堆肥原料应是城市生活垃圾和其它可作为堆肥原料的垃圾。”•2、堆肥历史•“土坑堆肥”→1920年英国科学家“印多尔”法→1933年丹麦“达诺”法→1958年日本垃圾堆肥。•“印多尔”法——1.5m堆高，隔月倒堆，6个月厌氧发酵；•“达诺”法→好氧装置→3～4d高温消化→二次消化。•3、堆肥——堆肥化制得的成品叫做堆肥。其腐殖质含量很高，结构疏松，体积约为原来的50%～70%。•4、堆肥化系统分类方法•⑴按堆制方式——野积式堆肥；装置式堆肥•⑵按物料移动形式——静态堆肥；动态堆肥；•⑶按需氧程度——好氧堆肥；厌氧堆肥。•目前，国内最常用的是采用好氧发酵工艺。与堆肥化定义有矛盾？ADP——二磷酸腺苷，能量载体。有机固废C、HO、N、P、S微生物新细胞＋微生物＋OCO2、NH3H2O、PO43-SO42-、NO2-NO3-PiADPATP热量热量Pi位能升高80千卡／克分子＋二、好氧堆肥技术（一）好氧堆肥原理1、好氧堆肥过程简示图合成ATP氧化Pi—H3PO43-ATP——三磷酸腺苷，能量转移中心，在发酵、好氧及无氧呼吸中生成，含高能磷酸键，能量库。微生物产能分配热释放，堆肥升温合成反应、生命活动贮存在三磷酸腺苷ATP中•2、有机物氧化、合成反应•⑴有机物氧化•ⅰ、不含氮有机物（CxHyOz）•ⅱ、含氮有机物（CsHtNuOv·aH2O）•⑵细胞质合成•⑶细胞质氧化•3、好氧堆肥阶段划分•一般情况下，利用堆肥温度变化来作为堆肥过程（阶段）的评价指标。一个完整的堆肥过程由三个阶段组成:•起始阶段（升温段）——40～50℃，40h左右；•高温阶段——50～70℃，堆肥后40～80h；•熟化阶段（冷却段）——堆肥80h以后。微生物低温菌：-10～30℃，最适15℃中温菌：20～50℃，最适35℃高温菌：45～75℃，最适55℃温度低于最适温度下，每升10℃，微生物生长速率增加至2倍。•特点：•ⅰ、每个阶段利用不同的细菌、放线菌（丝状微生物）、真菌和原生动物（最原始的单细胞动物，体形小于0.5mm）。60℃～70℃可杀死病原细菌；•ⅱ、PH变化与温度变化的相关性•初期，微生物繁殖快，有机酸产生多，PH→下降；随着温度的升高，乙酸、丁酸挥发，含氮有机物产NH3使PH→回升，最后随温度下降，酸性细菌重又复活，PH又略呈缓降趋势至稳定水平。•ⅲ、有机物降解规律•先是可溶易分解糖类→蛋白质→纤维素等，一个堆肥系统中，糖类降解率可在95%以上。h堆肥过程PH与温度变化关系曲线（二）堆肥化控制参数堆肥过程的关键是如何更好地满足微生物生长和繁殖所必需的条件，即控制参数。pHT℃604020T℃pH•1、有机质含量•合适的有机物含量为20%～80%。•堆肥化首要问题——热量和温度的平衡问题。•挥发性物质含量小于20%时，无法提高堆层温度而达无害化，也无法提高微生物活性；•当含量大于80%时，供氧很难满足要求，往往达不到完全好氧而产生恶臭。《城市生活垃圾好氧静态堆肥处理技术规程》（CJJ93）规定的进仓原料有机物含量为20%～60%；堆肥挥发性物质——指将堆肥或其他有机物料在550℃的马福炉中灼烧完全后损失的部分。•2、供氧量•⑴理论上讲，需氧量取决于碳被氧化的量。据研究结论：30℃时，需氧量1mg/g挥发性物质；45℃时，13.6mg/g；63℃时，5mg/g。•⑵实际操作时，氧气供应浓度应大于18%，最低不能小于8%；氧在空气中的含量20.94%。•⑶影响供氧因素——物料尺寸、结构强度及含水量；尺寸小，空隙率大，易压缩，有效供氧空间减少；尺寸大，空隙率小，强度高，不易压缩。•实际经验值：含纸较多的物料，推荐尺寸3.8～5.0cm；含结构强度好的物料，尺寸为0.5～1.0cm。•3、含水量•取决于物料的空隙体积和微生物活性。•水份太低，微生物活性受到抑制，国外研究最低40%；•水份太高（70%），有碍于通分供氧，温度难以上升；•据研究，允许含水量的上限值为：含纸高的城市垃圾55～60%；木屑、谷壳、干叶类为85%。•一般讲，最有利于微生物分解的含水量按重量计为50%～60%。•《技术规程》中规定：含水率宜为40%～60%。•4、温度•温度的作用——影响微生物的生长。•一般认为高温菌对有机物的降解效率高于中温菌。现在的快速、高温、好氧堆肥正是利用了这一点。堆肥高温菌的理想温度50～65℃，此温度下，一般堆肥只要5～6d即可达到无害化。•温度过低延长腐熟时间；过高＞70℃有害于微生物活性。•高温堆肥温度最好在55～60℃左右。•《建设标准》规定必须保证堆温在55℃以上保持5～7d。•5、碳氮比（C/N）•C/N比标志有机物质营养条件。微生物自身的C/N为4～30，因此堆料C/N比也最好处于该范围中。城市垃圾C/N值20～35；锯木屑300～1000；活性污泥5～8。•发酵过程中，C→CO2释放减少，N→合成细胞原生质；故堆肥C/N值将减少6%～14%，最高达27%以上。•C/N为10～25时，有机物的降解速度最大。•C/N高→N缺乏，微生物繁殖受限制，发酵时间长，导致堆肥C/N比过高，引起土壤“氮饥饿”•C/N＜20，造成N→NH4+→NH3↑而大量损失。•《堆肥技术规程》中C/N比为20～30；•6、碳磷比（C/P）•P是磷酸和细胞核的重要组成元素，也是生物能ATP的重要组成，一般堆料的C/P比在75～150为宜。•7、PH值堆肥过程：•PH→4.5～5.0→8.0～8.5→8.0～7.5•（有机酸）（产NH3）（NH3→NO3-，二次氧化）•一般微生物最适宜的是中性或弱碱性。•(三)堆肥腐熟度评价指标•腐熟度——就是堆肥腐熟的程度即堆肥中的有机质经过矿化（无机化，CO2、NH3、H2S等）、腐殖化过程最后达到稳定的程度（产品不对环境产生有害影响）。•1、物理评价指标•⑴后期温度自然降低；•⑵不再吸引蚊蝇，无令人讨厌的臭味；•⑶呈棕灰色或深褐色，有白色或灰白色菌丝；•⑷呈现疏松团粒结构。•2、化学评价指标——传统、常用、简单易行方法•⑴PH值——腐熟堆肥，一般PH值8～9。•⑵挥发性固体（有机质或全碳）含量•美国要求腐熟后的挥发性固体必须降解38%以上。即产品中挥发性固体含量小于原含量的62%。•⑶C/N比——评价腐熟度的传统、经典参数。•如木材类废物，从35～40降到18～20，即为腐熟。•⑷阳离子交换容量（CEC）•CEC与C/N比之间有很高的负相关性：•lnCEC＝7.02－1.02ln（C/N）r＝-0.903•CEC——反映有机质降低、腐殖化程度增高的重要指标，腐殖化率（HR）随堆肥过程呈增加趋势。3、光谱分析法研究有机质结构变化来判断腐熟度。堆肥处理的种子发芽率×种子根长对照的种子发芽率×种子根长当GI达80%～90%时，可认为堆肥已腐熟无毒性。⑵利用微生物评价——微生物种群随堆肥进程而变化，有内在的对应关系。GI（%）＝4、生物评价指标⑴植物毒性法——最精确和最有效的方法用发芽指数（GI）来评价堆肥的毒性—腐熟度：×100%•(四)堆肥方法（按堆制方式划分）•1、野积式堆肥——又叫露天堆积法•发酵过程垃圾处于堆放状态,故属静态堆肥。•典型静态堆肥——主要是条形堆肥。•特点：•露天静态堆肥，人工翻动，物料混合不均，周期长，占地较大，但投资和成本较低；•场地防渗水分靠热蒸及排水沟排出；•废物混合分批堆积，一批过程可分为前期和熟化稳定阶段。露天堆积法配料比：•我国：垃圾与粪稀比一般为70%～80%与20%～30%。•国外有三种：⑴纯垃圾堆肥；•⑵垃圾—粪便（7∶3）混合堆肥；•⑶垃圾—污泥（7∶3）混合堆肥。•若掺入适量粉煤灰对增加孔隙、通风大有好处。大连市生活垃圾堆肥厂实例简介是1990年由市政府支持、个人筹办的中型垃圾堆肥及生产颗粒复混肥的企业。年产有机、无机复混肥10000t，垃圾堆肥采用高温好氧堆肥工艺。工艺特点及主要参数：⑴主要工艺特点ⅰ.采用快速高温堆肥和后熟两次（各10d）发酵技术，周期短，占地少，投资省；ⅱ.进口了美国WildCat牌翻堆机等成套设备，进行翻堆过筛等；属于机械翻堆条形堆肥形式。ⅲ.设置排水系统（渗液和雨水）。⑵主要参数ⅰ.日处理规模——100t生活垃圾；ⅱ.一次发酵参数：含水率55%～60%，C/N比25∶1，周期10d，温度50～75℃/10d。ⅲ.二次发酵参数：最终指标：充分腐熟，含水率≤20%，C/N20，PH7.5～8.5，周期10d，温度回落至小于40℃；ⅳ.场地参数：一次场地5000m2（开放式，3次翻/周）；二次场地2000m2（覆盖塑料布，1次翻/周）；发酵垛长×宽×高/60×2.5×1.5m3。•2、装置式堆肥（连续或间歇，动态或静