城市垃圾处理第5章 生活垃圾生物处理

材料员岗位知识与专业技能主编城市垃圾处理•吕凡第五章生活垃圾生物处理同济大学目录第一节生物处理途径与方法第二节生活垃圾的堆肥处理好氧堆肥化原理好氧堆肥化工艺堆肥化装置堆肥产物的评估堆肥化过程的相关规范和设计堆肥过程的设计计算第三节生活垃圾的厌氧消化处理厌氧消化原理厌氧消化工艺厌氧消化过程控制与规范厌氧消化过程的设计计算5.1生物处理途径与方法定义生活垃圾生物处理技术利用自然生物（主要是微生物）的代谢功能达到处理生活垃圾的目的降解城市垃圾中的有机物获得代谢产物产生新的生物体降解利用产物利用营养物基质化利用5.1生物处理途径与方法(cont.)目的降解利用产物利用营养物基质化利用收获新生物体或酶培养功能微生物制取酶制剂获得生物体新陈代谢过程中产生的各种代谢产物降解宏量或微量污染物制取生物乙醇5.1生物处理途径与方法(cont.)生活垃圾中的有机物分类不可生物降解相对难生物降解易生物降解易腐有机物厨余、果皮餐厨垃圾纤维素/半纤维素木质素果胶/腊废纸、竹木园林废物棉麻织物淀粉/蛋白质/脂肪塑料橡胶化纤织物生物质组成物理组成5.1生物处理途径与方法(cont.)生物处理技术分类新兴技术衍生技术主流技术−好氧堆肥−厌氧消化−机械生物处理−生物干化−生物稳定化−制造生物燃料生物乙醇/生物柴油/氢−制造生物化学品乳酸/醇/酮5.2生活垃圾的堆肥处理定义5.2.1好氧堆肥化原理好氧堆肥化混合有机物在受控的有氧和固体状态下被好氧微生物利用从而被降解，并形成稳定产物的过程堆肥经好氧堆肥化过程形成的稳定产物，包含活的和死的微生物细胞体、未降解的原料、原料经生物降解后转化形成的类似土壤腐殖质的产物土壤改良剂生物接种剂/生物滤床/生物覆盖层5.2.1好氧堆肥化原理(cont.)堆肥化过程常温潜伏阶段升温阶段高温阶段降温阶段常温腐熟阶段堆置时间(天)堆体温度(oC)704520主发酵(一次发酵)次发酵(二次发酵)5.2.1好氧堆肥化原理(cont.)生物演替–细菌：有机物降解，堆肥化全过程–放线菌亚门：分泌抗生素，堆制中后期–真菌：木质纤维素降解，堆制后期–原生动物、微型后生动物：腐殖化，堆制后期–自养型细菌：硝化细菌，堆制后期5.2.1好氧堆肥化原理(cont.)物质转化–碳(30%-50%)2220.5(2()0.50.5)()(0.50.5)[]abcwxyCHOnyanwbnxcOnCHOanwCObnxHO热量5.2.1好氧堆肥化原理(cont.)物质转化–氮(3%-5%)5.2.1好氧堆肥化原理(cont.)物质转化–硫(0.5%)•微生物的半胱氨酸和蛋氨酸•生物素、维生素B1、硫辛酸•恶臭物质–H2S–硫醇类：甲硫醇、乙硫醇、丙硫醇、丁硫醇、戊硫醇、己硫醇、二异丙硫醇、十二碳硫醇–硫醚类：甲硫醚、二甲二硫、二乙硫、二丙硫、二丁硫5.2.2好氧堆肥化工艺工艺影响因素和操作控制微生物活性环境参数堆肥物料−有机物含量−生物可降解性−C/N质量比−温度−氧气浓度−含水率−空隙率−pH−微生物量−代谢活性物料混合调配通风翻堆物料混配接种5.2.2好氧堆肥化工艺(cont.)工艺构成5.2.3堆肥化装置封闭式开放式−翻堆条垛式−静态通风垛/堆式−槽仓式−滚筒式5.2.3堆肥化装置(cont.)图5-5翻堆条垛式堆肥系统5.2.3堆肥化装置(cont.)图5-6静态通风垛式堆肥系统5.2.3堆肥化装置(cont.)图5-7槽仓式堆肥系统5.2.3堆肥化装置(cont.)图5-8滚筒式堆肥系统5.2.4堆肥产物的评估堆肥产物的消纳方式–有机肥（土壤改良剂）•农用、园林绿化用、林用、土地改良–废物衍生燃料RDF材料–填埋场日覆盖土–填埋场甲烷氧化生物活性覆土–受污染土壤修复用的生物活性土–生物滤床填料、VOCs/恶臭防控材料–水土侵蚀控制材料、草坪修复材料–人工造林材料、湿地恢复材料、栖息地复兴材料5.2.4堆肥产物的评估(cont.)堆肥产物的评估指标理化和表观指标营养指标土壤改良相关指标有机物稳定性指标生物学指标卫生指标污染物浓度限值−含水率、含杂率−pH、电导率(盐度)−颜色、气味−粒径、容重−总养分−氮/磷/钾/Mg−NH4-N/NO3-N−有机质含量−碱度−易降解有机物(淀粉)−难降解有机物(纤维素\木质素)−腐殖质−中间代谢物(有机酸)−水淬性有机物的含量−生物稳定性指标(耗氧速率、产甲烷潜力、自热潜力)−植物效应(种子发芽率)−可发芽种子及植物的繁殖体含量−粪大肠菌群−蛔虫卵−沙门氏菌−大肠杆菌−根腐病菌−Na、盐份−油脂、矿物油−Cd、Hg、Pb、Cr、As、Ni、Zn、Cu等重金属−苯并(a)芘、PAH、PCB、PCDD/PCDF、PFC、AOX、LAS、NPE、DEHP等微量有机污染物5.2.5堆肥化过程的相关规范生物有机质堆肥污染控制标准(国家标准,制订中)生活垃圾堆肥处理技术规范(CJJ51-2014)生活垃圾堆肥处理工程项目建设标准(建标141-2010)城市生活垃圾堆肥处理厂运行、维护及其安全技术规程(CJJ/T86-2000)城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标(CJJ/T3059-1996)餐厨垃圾处理技术规范（CJJ184-2012）城镇垃圾农用控制标准(GB8172-87)粪便无害化卫生要求(GB7959-2012)城镇污水处理厂污泥处置-园林绿化用泥质(GB/T23486-2009)城镇污水处理厂污泥处置-林地用泥质(CJT362-2011)湿垃圾处理残余物的稳定性评价方法(上海市地方标准,制订中)有机肥料(NY525)生物有机肥(NY884)5.2.5堆肥化过程的相关规范(cont.)选址建设规模建设项目构成工艺和生产线机械设备和建（构）筑物总体要求垃圾进厂或进入发酵单元条件产物去向发酵工艺环境保护、环境监测和安全生产日常检测、记录和报告5.2.6堆肥化过程的设计计算原料参数设计参数：主发酵、次级发酵计算调理剂和调节水添加量计算主发酵仓尺寸计算主发酵仓强制通风风量计算主发酵仓强制通风分压计算次级发酵堆体尺寸5.3生活垃圾的厌氧消化处理定义5.3.1厌氧消化原理厌氧消化有机物在无氧条件下被厌氧微生物降解生成甲烷和二氧化碳的过程产物-沼气-沼液-沼渣能源气体肥料、土壤改良剂5.3.1厌氧消化原理(cont.)厌氧消化过程蛋白质碳水化合物脂肪单糖醇类（C1~C2）VFAs（C2~C6)LCFA甘油氨基酸HCO3-/CO2NH4+H2乙酸CH4HCO3-/CO2H2HCO3-/CO2水解胞外酶酸化水解酸化菌甲烷化产甲烷菌乙酸化产氢产乙酸菌NH4+CH4CO25.3.1厌氧消化原理(cont.)微生物生态环境参数水解酸化菌产氢产乙酸菌产甲烷菌溶解O2兼性或专性厌氧严格厌氧严格厌氧温度10~70oC20~60oC中温段:30~43oC高温段:50~60oCpH5~106~86~8H2分压基本没限制最高可耐受25%~40%10-4atm氢营养型产甲烷菌要求H2分压10-6atm有机酸EC50抑制浓度(pH6~8)6000~15000mg/L1000~2500mg/L1000~2500mg/L氨EC50抑制浓度(pH6~8)4000~6000mg/L300~1500mg/L300~1500mg/L碱离子EC50抑制浓度(pH6~8)30~43g/L2500~5500mg/L2500~5500mg/L其它抑制物的抑制阈值高低低5.3.1厌氧消化原理(cont.)物质转化厌氧步骤生物化学反应ΔGo(kJ)水解(C6H10O5)n+n·H2O→n·C6H12O60酸化C6H12O6+4H2O→2CH3COO-+2HCO3-+4H++4H23C6H12O6→4CH3CH2COOH+2CH3COOH+2CO2+2H2-206-165乙酸化CH3CH2COO-+3H2O→CH3COO-+HCO3-+H++3H276.1甲烷化CH3COOH→CH4+CO2-31CO2+4H2→CH4+2H2O-135.64CH3OH→3CH4+CO2+2H2O-104.9同型乙酸化4H2+2CO2→CH3COOH+2H2O-130.7共生乙酸氧化CH3COOH+2H2O→4H2+2CO2104.6242()()()42284284nababnabnabCHOnHOCHCO5.3.1厌氧消化原理(cont.)物质转化40()22.42841216CHnabYnab40.2080.0280.7120.0340.1380.767CHY+-蛋白质脂肪木质素半纤维素纤维素5.3.2厌氧消化工艺工艺影响因素温度−微生物生存−黏度−扩散强度−酸碱电离平衡−气液平衡−固态有机物的可利用性抑制物−氨/铵盐−有机酸−氢离子−其它生物量−接种比−接种方式混合条件−机械搅拌−液体搅拌−气体搅拌5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–厌氧处理工艺的单元构成5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–厌氧消化生物转化单元5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–典型的厌氧消化工艺•单段干式消化5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–典型的厌氧消化工艺•单段干式消化5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–典型的厌氧消化工艺•单段干式消化5.3.2厌氧消化工艺(cont.)工艺类型–典型的厌氧消化工艺•两段湿式消化5.3.3厌氧消化过程控制与规范工艺与设施、设备沼气的安全使用沼气的储存与利用工艺厌氧消化后处理工艺消化残余物性质和利用要求5.3.4厌氧消化过程的设计计算原料信息设计参数计算厌氧消化反应器的有效容积计算厌氧消化反应器的尺寸计算沼气产量计算沼渣产量计算沼液产量计算沼气发电机的选型参数计算加热管参数Thanks特此感谢周琪、彭伟、王静文和蒋宁羚为本章制图。联系方式:[e-mail]