5 固体废物的生物处理2

5固体废物的生物处理（课本188页）概述堆肥化厌氧发酵制沼气5.1概述概念作用与特点(1)概念利用微生物氧化（好氧堆肥）、分解（厌氧发酵）有机固体废物的能力处理可降解的有机固体废物，使其达到无害化和资源化的过程。生物处理(biologictreatment)是处理和利用有机固废的一条重要的途径。生物处理有机固废的方法有多种，如，堆肥化，厌氧消化，纤维素水解，垃圾养蚯蚓等。其中最主要的并且能大规模地处理有机固体废物的方法是好氧堆肥法和厌氧消化法，本章将重点介绍。其它的生物处理技术虽不能大规模处理，但能从废物中回收高附加值生物制品，因此也得到了较多的研究，例如纤维素水解生产化工原料及生物制品，养殖蚯蚓生产生物蛋白等。(2)作用与特点生物处理的作用和特点有以下四个方面：稳定化和杀菌、消毒作用减量化有机废物经生物处理后，可减量30～50％，减量效果明显。回收能源回收有用物质a.稳定化和杀菌作用有机固体废物经生物氧化分解后转化为H2O，CO2，CH4，NH3，H2S等气体，和性质稳定的难降解有机物(抗性有机物)从而达到稳定化的效果，其产品不会对环境造成污染。有机物分解过程中的厌氧环境以及反应热形成的高温可以杀灭废物中绝大多数病原体而达到无害化。回收能源人类生活中大量使用的各种生物物质是重要的太阳能储存体，蕴藏着巨大的潜在能源，利用生物技术可使其转化为可直接利用的能源，开发生物能已经成为一种时代的潮流。例如，污泥和生活垃圾的厌氧消化处理可使其中的有机物转化为具有较高能源价值的沼气，井可进一步转化为热能或电能。回收有用物质用生物处理技术从固体废物中回收有用物质的方法除好氧堆肥和厌氧发酵制取沼气外，还可利用纤维素水解生产化工原料及其他生物制品。5.2堆肥化(composting)•概述•好氧堆肥原理•堆肥原料及堆肥微生物•堆肥化过程•好氧堆肥工艺•堆肥化的影响因素•堆肥质量•堆肥农业效用5.2.1概述人类在长期的生产实践中早已懂得利用秸杆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵以制取肥料，但都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，依靠自发的生物转化作用，所以存在发酵周期长，处理能力低，有机物分解不完全，所得的肥料质量差等等问题。到20世纪20年代，出现了机械化堆肥技术，并逐渐发展成为处理生活垃圾、污水污泥、人禽畜粪便以及农业固体废物的重要方法之一。定义分类（1）定义•堆肥化是利用自然界广泛存在的微生物，在控制条件下使来自生物的有机废物降解转化为稳定腐殖质的生物化学过程。堆肥化得到的产品称为堆肥，由于它是一种腐殖质含量很高的呈疏松状态的物质，故也称为腐殖土，有机固体废物经堆肥化后，体积只有原体积的50～70％。（2）分类堆肥化系统的分类方法有多种按堆制方式分类：间歇堆积法(Intermittentstacking)连续堆积法(Doubletowercirculatingreactor)按原料发酵状态：静态发酵法(Staticfermentation)动态发酵法(Dynamicfermentation)按微生物的生长环境：好氧堆肥(aerobiccomposting)厌氧堆肥(anaerobiccomposting)a.好氧堆肥(aerobiccomposting)•在有氧状态下，好氧微生物对有机废物进行分解转化的过程。•最终产物主要是H2O、CO2、热量和腐殖质。•好氧堆肥主要用于处理城市垃圾，堆肥系统的温度一般为50～65℃，最高可达80～90℃，堆肥周期短，能连续操作，因此，也称为高温快速堆肥；•好氧堆肥的肥料质量好，可以制作有机颗粒肥料。•不足之处：需要对原料进行比较严格的分选,需要强制通风和机械搅拌,对设备要求高，运行能耗大，投资大等。b.厌氧堆肥(anaerobiccomposting)•在无氧条件下，厌氧微生物对有机物进行分解转化的过程。•厌氧堆肥的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。•厌氧堆肥过程中，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，工艺较简单，成本低，对原料的适应性强，成品肥中氮素保留较多，但工艺条件较难控制，堆肥周期长，有机物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，有机物分解不完全，产品质量低，肥效差。•实际上，堆肥化的好氧和厌氧是相对的，在好氧过程中，由于原料颗粒较大且不均匀，不可避免存在厌氧发酵过程；反之，由于密封不严，厌氧过程中也会有好氧菌的作用。本节主要介绍好氧堆肥。5.2.2好氧堆肥原理概述有机物的生物化学反应（1）概述好氧堆肥是以好氧菌为主的微生物对有机废物进行吸收、氧化、分解的复杂生物化学反应过程。在堆肥过程中，好氧菌通过自身的生命活动，以废物中的有机物为养料，将其一部分氧化分解成简单的无机物并释放出微生物生长所需的能量，将其另一部分合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖。（2）有机物的生物化学反应根据微生物在降解有机物过程中的行为，有机物的生物化学反应有以下三种：•有机物的氧化反应(oxidizingreaction)•细胞质的合成反应(syntheticreaction)•细胞质的分解反应(decompositionreaction)a.有机物的氧化反应(oxidizingreaction)以CxHyOz表示固体废物中的不含氮的有机物，则好氧分解反应可表示为：能量OyHxCOOzyxOHCzyx222212141以CsHtNuOv·aH2O表示固体废物中的含氮有机物，则好氧分解反应可表示为：能量水气＋堆肥3222222)()()(gNHfCOOeHOdHOCHONHCbOOaHONHCzyxwvutsb.细胞质的合成反应(syntheticreaction)细胞质的同化作用是以NH3作为氮源，细胞质的合成作用包括有机物的氧化过程。能量＋（（细胞质）OHnyCOnNHCOxnznynxNHOHnCzyx222752324)50)524(c.细胞质的分解反应(decompositionreaction)细胞质的分解反应是细胞质内源呼吸所引起的反应：能量3222275255NHOHCOONOHC5.2.3堆肥原料及堆肥微生物堆肥原料堆肥微生物(microorganism)(1)堆肥原料生活垃圾、有机污泥、人畜禽粪便以及农林废物等都含有堆肥微生物所需要的碳水化合物、脂肪、蛋白质等各种基质，因此这些有机废物是常用的堆肥原料。•生活垃圾•含有较多的不可堆腐的惰性物质，因此必须进行预处理，去除这些惰性物后才能作为堆肥原料。•有机污泥•通常富含有微生物生活繁殖所需的营养成分，是堆肥的良好原料。•人、畜、禽粪便•一般颗粒较小，含有大量的低分子化合物，即人和动物未能吸收消化的中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。•农林废物•均富含碳素•但有的农林废物因含有难于分解的纤维素、半纤维素、果胶、木质素和植物腊等物质，难以被微生物分解。•有的农林废物因表面布有众多疏水性毛孔，使微生物的分解作用十分缓慢。•因此这些农林废物均需进行预处理后才能用于生产堆肥。（2）堆肥微生物•好氧堆肥过程中，参与有机生化降解的微生物有嗜温菌和嗜热菌两种。他们的生活繁殖温度范围是不同的。最低℃适宜℃最高℃嗜温菌(mesophilicbacteria)15—2515—4043嗜热菌(thermophilicbacteria)25—4540—5085•在堆肥化过程中起重要作用的微生物是细菌和真菌。•细菌是目前已知的最小的活的生物，在自然界中呈多种不同的形状，但都为单细胞。细菌一般只有0.5～lOμm大小。其比表面积大，容易让难降解的有机物进入细胞并进行代谢活动。细菌的含水率约为80％，有机物约占其总固体成分的90％。•真菌是有机营养型生物，结构比细菌复杂，可分为霉菌和酵母。•霉菌属好氧菌,而酵母在代谢活动中表现出好氧和厌氧两种特性。•真菌能在低水分条件下生长，能从具有高渗透压的介质中提取水分。第8讲。5.2.4堆肥化过程(compostingprocess)堆肥化过程中发生的生物化学反应是极其复杂的，目前尚难进行精确的描述。在实际设计和操作过程中，通常根据温度的变化情况分为以下四个阶段(见右图)。潜伏阶段中温阶段高温阶段熟化阶段（1）潜伏阶段(温度在内25℃以下)•此阶段为堆肥化的初期阶段；•是微生物适应新环境的过程，也叫驯化过程。（2）中温阶段(温度25～45℃)•此阶段嗜温菌最活跃，他们主要利用物料中可溶解性的有机物，如糖类、淀粉，大量繁殖，在转换和利用化学能的过程中释放出细胞合成所需的多余能量，加上物料的保温作用，使温度不断上升。•以细菌、真菌和放线菌为主的微生物在此阶段迅速繁殖。（3）高温阶段(温度45℃)•从废物堆积开始发酵，不到一周的时间，堆温一般可达到65～70℃，或者更高。此时，嗜温菌受到抑制或死亡，嗜热菌大量繁殖，逐渐替代嗜温菌的活动。•高温阶段最有利于有机物的降解，除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续得到分解外，其它的固体有机物(纤维素、半纤维素、本质素、蛋白质等)也开始强烈分解。50℃左右时，嗜热性真菌和放线菌都很活跃。60℃时，真菌不再适于生存，只有嗜热性放线菌和细菌仍在活动。70℃以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到抑制，并大量死亡或进入休眠状态。（4）熟化阶段(温度为40—20℃)•在高温持续阶段，易分解的有机物大部分分解，只剩下较难分解的有机物和新形成的腐殖质，微生物活性下降，发热量减少，温度逐渐下降至中温,并最后过渡到环境温度，剩余有机物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。•在温度下降的过程中，嗜温菌又重新开始活动，进一步分解残留有机物，腐质不断增多，且趋于“稳定”，堆肥便进入腐熟阶段。5.2.5好氧堆肥工艺好氧堆肥工艺发酵工艺及装置（1）好氧堆肥工艺典型的静态好氧发酵堆肥工序包括三个部分：•原料预处理(preliminarytreatment)：分选、破碎、含水率和C／N比调整。•原料发酵(ferment)：目前推广二次发酵方式。•一次发酵：好氧堆肥的中温和高温两个阶段中的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。•二次发酵：物料经一次发酵后，尚存在有一部分易分解和大量难分解的有机物，需将其送入后发酵室进行二次发酵，使之腐熟。•后处理(aftertreatment)：去除杂质，进行必要的破碎等处理。（2）发酵工艺及装置•间歇式发酵(batchfermentation)工艺及设备•连续式发酵(continuousfermentation)工艺及设备间歇式发酵(batchfermentation)工艺及设备•原料一批一批地发酵，一批原料堆积完后不再添加新料，待完成发酵后成为腐殖土运出。•采用该发酵工艺可露天进行，故又称为野积式堆肥或露天堆肥，也有建堆肥仓以进行全天候生产的，武汉100t/d垃圾处理实验厂即采用该工艺，并建有堆肥仓）.•间歇式发酵工艺一般采用二次发酵方式•第一次发酵采用机械强制通风，发酵10天，60℃高温保持5天以上，使肥料达到无害化，然后进行机械分选，去除非堆腐殖质。•二次发酵一般在发酵仓进行，10天左右，可达到腐熟化。•发酵仓有长方形池式、倾斜床式、立式圆筒式，并配有通风管、搅拌装置立式圆筒静态发酵仓连续式发酵(continuousfermentation)工艺及设备•连续进料、连续出料。•原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。•该工艺发酵时间短，能杀灭病原体，防止异味,成品肥质量好。•常用设备有立式多段发酵塔(浆叶式发酵塔)立式多层移动床式发酵塔丹诺发酵器（卧式回转筒式发酵器）筒仓式动态发酵仓立式桨叶式发酵塔•原料从顶部给入，中间的竖轴由底部电机驱动缓慢转动，并带动固定在竖轴上的桨叶对原料起搅拌作用，发酵塔一般有5层，经一定的机械作用，沿各层相向位置的开口逐层向下移动，到达底部后经螺旋输送机排出；•发酵所需的空气由风机向各层输送；•物料停留的时间一般5～8天；•塔内温度分布由上至下逐步升高，即底部最高。立式多层移动床式发酵塔卧式回转筒