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第五章固体废物的生物处理固体废物的生物处理是指直接或间接利用生物体的机能，对固体废物的某些组成进行转化以降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。第一节固体废物的好氧堆肥处理（一）堆肥化的定义与分类堆肥化(Composting)是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。具体讲就是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，其实质是一种发酵过程。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、泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。分类：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。1、好氧堆肥（高温堆肥）：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：一般在55～60℃时比较好，有时可高达80～90℃，堆制周期短，也称为高温堆肥或高温快速堆肥。2、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，但堆制周期较长，需3～12个月，异味浓烈，分解不够充分。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+（二）好氧堆肥原理1、好氧堆肥过程堆肥有机物分解过程图堆制初期，15～45℃，嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升，此阶段以中温、需氧型微生物为主，如一些无芽孢细菌，真菌和放线菌。在目前的堆肥化设备中，此阶段一般在12小时以内。（1）潜伏阶段（2）中温阶段（产热或起始阶段）指堆肥开始微生物适应新环境的过程，也即驯化过程。45℃以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。50℃左右主要是嗜热性真菌和放线菌；60℃时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动；70℃以上大多数嗜热性微生物不适应，大批死亡、休眠。大多数微生物在45～65℃范围内最活跃，所以最佳温度一般为55℃，最易分解有机物，病原菌和寄生虫大多数可被杀死。（2）高温阶段微生物活性示意图1.微生物活性2.O2利用率0时间对数增长期减速增长期内源呼吸期微生物在高温阶段的生长过程细分为：对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。此后，堆积层内开始发生腐殖质的形成过程。在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物的活性下降，发热量减少，温度下降。嗜温性微生物又占优势，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水量降低。降温后，需氧量大大减少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。（3）腐熟阶段（降温阶段）2、好氧堆肥化反应机理①有机物的氧化不含氮的有机物（CxHyOz）CxHyOz+(x+1/2y-1/2z)O2→xCO2+1/2yH2O+能量含氮的有机物(CsHtNuOv•aH2O)CsHtNuOv•aH2O+bO2→CwHxNyOz•cH2O(堆肥)+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量由于氧化分解减量化所以堆肥成品(CwHxNyOz•cH2O)与堆肥原料(CsHtNuOv•aH2O)之比为0.3~0.5。通常可取如下数值范围：w=5~10，x=7~17，y=1，z=2~8。②细胞物质的合成（包括有机物的氧化以NH3为氮源）。n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5x)O2→C5H7NO2(细胞质)+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量③细胞物质的氧化C5H7NO2(细胞质)+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量好氧堆肥化能提供杀灭病原体所需要的热量，（病原体）细胞的热死主要是由于酶的热灭活所致。其依据的理论主要是热灭活理论。热灭活有关理论指出：(1)温度超过一定范围时，酶的活性将明显降低，大部分将呈变性（灭活）型。细胞会失去功能而死亡。(2)热灭活作用是温度与时间两者的函数，即经历高温短时间或者低温长时间同样有效，如下表所示。(3)在低温下，灭活是可逆的；而在高温下，则是不可逆的。实际因素会限制热灭活效率，所以实际操作时，堆肥无害化温度—时间条件要比理论上更高一些。即在较高的温度维持较长时间，才能达到无害化要求。3、堆肥无害化的机理——热灭活理论(1)来源和作用：有机废物里面固有的；人工加入的特殊菌种。在一定条件下对某些有机物废物具有较强的分解能力，活性强、繁殖快、分解力强，能加速反应进程，缩短反应时间。(2)种类：①细菌：形体最小、数量最多，分解大部分的有机物并产生热量；②放线菌：分解纤维素、木质素、角质素和蛋白质等复杂有机物，散发泥土气息，如树皮报纸等硬物；③真菌：在堆肥后期与细菌竞争食物，更耐低温，部分真菌需氮比细菌低，能够分解木质素，细菌则不能；④微型生物：如轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓，在堆肥中移动和吞食，消纳部分有机废物，增大表面积，并促进微生物的生命活动。4、堆肥微生物5、影响堆肥化的因素（1）化学因素①C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1较好，最佳为25:1~35:1;C/P比在75~150为宜。为保证成品肥料中的C/N比为10～20:1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多为35:1。②氧浓度:适宜的氧浓度为18%,最低不应小于8%。③营养元素:足够的K和微量元素对于微生物的新陈代谢是必须的，一般它们不是限制条件。④pH值:堆肥微生物最佳的pH=5.5~8.5。（2）物理因素①温度:一般认为最佳温度在50~65℃之间。②颗粒尺寸:适宜的粒径范围是12~60mm。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%。（三）堆肥的基本工序1、前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时，包括破碎、分选、筛分等工序；以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常或快速进行。2、主发酵（一次发酵）将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵阶段（或主发酵期）。堆肥过程的中温阶段和高温阶段，时间约4～12天。3、后发酵（二次发酵）将主发酵尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。也称为熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段，发酵时间通常在20～30天以上。4、后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。5、脱臭化学除臭剂除臭、碱水和水溶液过滤、熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂过滤。例：土壤过滤器。6、贮存堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产量的库房。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓中或袋装，要求干燥而透气。（四）堆肥系统及主要技术环节不同堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段的不同。堆肥化系统有多种分类方法。按堆制方式可分为间歇堆积法和连续堆积法；按需氧程度分为有好氧堆肥和厌氧堆肥；按温度分为有中温堆肥和高温堆肥；按技术分为有露天堆肥（野积式堆肥）和机械密封堆肥（工厂化机械堆肥）；按原料发酵所处状态分为静态发酵法和动态发酵法。1、条垛式系统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。条垛式堆肥的特点是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。条垛式堆肥一次发酵周期为1～3个月。该堆肥过程由预处理、建堆、翻堆和储存4个工序组成。常见的堆肥系统有条垛式、强制通风静态垛系统和反应器系统。优缺点优点：所需设备简单，投资相对较低；翻堆使堆肥易于干燥，填充剂易于筛分和回用；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。2、强制通风静态垛系统（1）在条垛式堆肥系统上增加通风系统，就成为强制通风静态垛系统。它能更有效地确保高温和病原菌灭活。（2）场地：场地的表面应结实、能迅速排走积水和渗滤液。（3）通风系统：包括鼓风机和通风管路。①通风管路：固定式通风系统的管路放于水泥沟槽中或平铺在水泥地面上，上铺木屑、刨花等空隙率较大的填充料，以便均匀布气；或完全靠水泥沟槽充当通风管路。移动式通风系统主要由简单的管道直接放在地面上构成，成本低，设计灵活，易于调整。②通风方式：正压鼓风机或负压抽气，也可用二者组成的混合通风。③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。（3）堆肥物料的特性①形状：物料呈粒状，松散状；②尺寸：应均匀，一般为1.25cm左右；③含水率：物料含水率应控制在55%左右，以避免物料空隙容积减少甚至压实。（4）优缺点设备投资相对较低；与条跺式堆肥系统相比，温度及通风条件得到更好的控制；堆腐时间相对较短，一般为2~3周；产品稳定性好，能更有效的杀灭病原菌及控制臭味；占地也较少；受寒冷气候的影响较小。反应器堆肥系统是使堆肥物料在部分或全部密闭的反应器即发酵装置(如发酵仓、发酵塔等)内，控制通风和水分条件，使物料进行生物降解和转化。特点：在一个或几个容器内进行，机械化和自动化程度较高。堆肥基本步骤与其他两类系统相同。3、反应器系统（1）主要类型①立式发酵塔：由多层平面构成。进料口在反应器的上部，物料先进入第一层，然后一层层被向下推移。在各层之间可以有不同的时间停留，通过搅拌使堆料均匀，最后堆料进入最底层，从出料口运走。整个堆腐过程中进料和出料是连续的。通气管道位于反应器的下部，由许多支管组成，外连鼓风机。在反应器的上部设有一废气口，产生的臭气可以统一收集处理。常见的立式发酵塔结构示意图②包裹仓式混匀的物料从发酵仓顶部进入并充满反应器，占据整个发酵仓。具有分支管路的通气管道在发酵仓底部，废气由反应器上部的废气管道排出，出口略低于混合物的上表面，通过抽气的方式把废气收集处理。进料和出料可以是间歇的或连续式的。产品由反应器的下部出口运走，物料在反应器的移动以推流式方式进行。③旋转仓式根据物料在反应器内的移动方式又分为：a、推流式：物料从仓体的进料口进入，沿仓体移动到反应器末端的出料口，物料通过发酵仓的旋转翻滚而达到混合。空气可以采用正压和负压方式通过流程中的一系列喷口进行分配，通过对温度的监测来调节堆肥过程中的通气量。这是迄今为止最普遍被采用的发酵仓系统。b、分割式：沿物料流动方向，反应器被分为一个个小室，在不同的室内，物料可以进行不同时间、不同堆腐条件的堆腐，物料从一室移入另一个室，最后进入出料口被移走。物料的移动通过一条条传送带进行。在每个小室中，物料通过旋转破碎机械设备而破碎混合。（2）反应器系统的优缺点优点：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。（五）堆肥的过程控制1、关于堆肥中的有机物问题（1）有机物含量：最适为20%~80%，过低产热不足，过高则供氧不足。（2）调整堆肥原料的有机物组分的方法①对堆肥原料进行预处理，将有机物含量提高至50%以上(含污泥的堆料的挥发性固体含量应大于50%)。②发酵前在堆肥原料中掺入一定比例的稀粪、城市污水、污泥、畜粪等。城市垃圾→粪稀，农业秸秆→畜禽，城市污泥→草炭或锯末。③城市生活