第六章-有机固体废物堆肥与厌氧发酵

第六章有机固体废物堆肥和厌氧发酵6.1堆肥原理及影响因素6.2有机废物堆肥工艺6.3好氧堆肥设备6.4有机固体废物的厌氧发酵原理6.5厌氧发酵设备与工艺6.6沼气与沼渣的综合利用目录6.1堆肥原理与影响因素是常用的生物转换技术是稳定化、无害化、资源化的重要方式1、堆肥化（Composting）定义在人工控制的条件下，利用自然界中广泛分布的细菌、放线菌真菌等微生物的新陈代谢作用，在中高温好氧条件下，把固体废物中可降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。这个定义强调：作为堆肥化的原料是可生物降解的固体废物；堆肥过程是在人工控制条件下进行，不同于卫生填埋、废物的自然腐烂与腐化；堆肥化的实质是生物化学过程，堆肥产品对环境无害，即废物达到相对稳定。堆肥化的产物称为堆肥（compost）它是一种深褐色、质地疏松、有泥土气味的物质，类似于腐殖质土壤，故也称为“腐殖土”。是一种具有一定肥效的土壤改良剂和调节剂。预处理方法：破碎、混合、分选提高有机物含量、调整物料粒度调整水分和C/N比预处理四大目的适合堆肥和厌氧发酵的有机废物禽畜粪便城市垃圾污泥泔脚等食品废物农林废物堆肥的作用使土质松软，多孔隙，易耕作，增加保水性、透气性及渗水性，改善土壤的物理性能。阳离子交换容量大，N、K、NH4+以阳离子形式存在腐殖质中某种成分有鳌合作用，降低重金属的危害蛋白质氮的形式，缓效肥料增加土壤中微生物，是昼夜有效的废料是CO2的供给源使用堆肥的注意事项堆肥内富含微生物，最好用于土壤表面。新鲜堆肥适用于底肥。粗堆肥最好用于粘质、淤泥和板结的土壤，细堆肥用于干燥、疏散及多沙的土壤。城市垃圾堆肥一般含氮量低，最好和氮肥联合使用，以免出现土壤的“氮饥饿”现象。不宜装在密封袋中搬运和保存。根据堆制过程的需氧程度，可以把堆肥化分成：–好氧堆肥：通常好氧堆肥堆温高，一般在55℃～60℃，极限可达80～90℃，堆制周期短，所以也称为高温快速堆肥–厌氧堆肥：通气条件差、氧气不足的条件下借助厌氧微生物的发酵堆肥。周期长，3～12个月。2.好氧堆废原理细胞物质（微生物繁殖）有机物（C、H、O、N、P、S）合成同化作用分解异化作用排入环境＋CO2,H2O,NH3,PO43-,SO42-能量释放、转化为热微生物氧气有机物的好氧堆肥分解1）有机物氧化不含氮有机物：含氮有机物CsHtNuOv∙aH2O+bO2→CwHxNyOz·cH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+热量能量OHyxCOOzyOHCzyx2222)221(堆肥1）中温阶段初期，堆层呈中温（15～45℃），嗜温性微生物活跃，温度不断上升。嗜温性微生物包括：–细菌：以水溶性糖类为食–真菌和放线菌：可分解纤维素和半纤维素物质好氧堆肥过程2）高温阶段堆温升至45℃以上，嗜热微生物可溶性有机物质继续分解，复杂有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。温度升到70℃以上时，大多数嗜热性微生物已不适应，死亡或进入休眠。好氧堆肥过程表6-1几种常见病菌与寄生虫的死亡温度名称死亡情况沙门氏伤寒菌46℃以上不生长；55~60℃，30分钟内死亡沙门氏菌属56℃，1小时内死亡；60℃，15~20分钟死亡志贺氏杆菌55℃，1小时内死亡大肠杆菌55℃，1小时内死亡；60℃，15~20分钟内死亡阿米巴属68℃死亡无钩涤虫71℃，5分钟内死亡美洲钩虫45℃，50分钟内死亡流产布鲁士菌61℃，3分钟内死亡化脓性细球菌50℃，10分钟内死亡酿浓链球菌54℃，10分钟内死亡结核分枝杆菌66℃，15~20分钟内死亡，有时在67℃死亡牛结核杆菌55℃，45分钟内死亡3）腐熟阶段（降温阶段）内源呼吸后期，较难分解有机物。微生物活性下降，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物又占优腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。好氧堆肥过程3.影响好氧堆肥的主要因素化学因素:C/N、O2、有机物含量，C/P、pH也有影响物理因素：温度、颗粒物尺寸、含水率生物因素：微生物种群1）通风供氧目的：–微生物分解有机物–带走水气，干化物料方式：自然通风、通风管通风、斗式装载机及翻推机、风机强制通风。2）含水率水分是微生物生命活动的介质，影响物料孔隙度和透气性适宜水分50%～60%太低时，可配以粪水或污泥调节3）温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素一般认为最佳温度在50～60℃之间考虑杀灭病菌和虫卵，温度大于55℃并保持几天4）其它影响因素有机质含量温度和供氧20％～80％粒度表面积大小和供氧适宜12～60mmC/N比（4～30）:1C/P比（75～150）:1pH7.5～8.54.堆肥的腐熟度及其判定（1）堆肥腐熟度定义指成品堆肥的稳定程度通过微生物的作用，堆肥产品要达到稳定化、无害化；在使用期间，不能影响作物的生长和土壤的耕作能力。工程上衡量堆肥反应完成的信号农业上是堆肥质量的指标（2）判定方法直观经验法：茶褐色或黑褐色，无恶臭，质地松散，具有泥土芳香气味淀粉测试法：高氯酸+碘耗氧速率法：O2/CO2测定仪来自动显示堆层O2和CO2浓度在单位时间内的变化值物理方法化学方法生物活性植物毒性分析（一）好氧堆肥基本工艺1.堆肥分类1）按温度范围：中温堆肥：15~45℃，不能有效杀灭病原菌，目前较少采用。高温堆肥:一般在50~65℃，极限可达80~90℃，杀灭病菌，减少臭气产生，采用较多。6.2有机废物堆肥工艺2）按堆肥中物料运动形式间歇式堆肥：一批一批地堆制连续式堆肥：机械连续进料、出料，周期短（3~7d），杀灭病原微生物，防异味，成品质量高等特点。3）按堆肥堆制方式露天式堆肥：装置式堆肥：机械化程度高，堆肥时间短，占地面积小，环境条件好，堆肥质量可控可调2.好氧堆肥工艺传统采用厌氧露天堆积法，占地大，时间长。现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺。堆肥的基本工序通常都由前处理、主发酵（一次发酵）、后发酵（二次发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。固体废物有机固体废物预处理无机物搅拌机机械发酵池风机后处理后发酵贮藏出售工厂化机械堆肥工艺流程1）前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时，前处理通常包括破碎、分选、筛分等工序。除去杂物，调整含水率，增大表面积。在以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂。2）主发酵（一次发酵）在发酵仓内进行，通过翻堆搅拌或强制通风供氧。中温阶段→高温阶段，嗜温菌→嗜热菌。大部分有机物被降解，病原菌被杀灭，堆层温度开始下降。通常，将温度升高到开始降低为止的阶段为主发酵阶段。以生活垃圾为主体的城市垃圾好氧堆肥化的主发酵期约为10～12d。3）后发酵（二次发酵）将主发酵尚未分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。通常，把物料堆积到1～2m高的堆层，通过自然通风和间歇性翻堆，进行后发酵，并应防止雨水流入。时间较长，通常在20～40d。4）后处理经二次发酵，变细碎和变形，数量也有所减少（体积减少到50-70％），已成为粗堆肥。分选工序去除杂物，并根据需要，如生产精制堆肥等，则应进行再破碎过程。也可在散装堆肥中加入N、P、K添加剂生产复合肥，做成袋装产品。有时还需要固化造粒以利贮存。5）脱臭堆肥过程中，物料局部或某段时间内的厌氧会导致氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等臭气产生。去除臭气的方法：化学除臭剂除臭；水、酸、碱溶液吸收法；熟堆肥、活性炭或沸石等吸附剂吸附法；臭氧氧化法；土壤脱臭过滤器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，或装入袋中。贮存的要求：是干燥而透气的室内环境。典型好氧堆肥工艺静态好氧堆肥工艺通常采用露天的静态强制通风剁形式，或在密闭的发酵池、发酵箱、静态发酵仓内进行。一批原料堆积成条垛或置于发酵装置内后，不再添加新料和翻倒，直到堆肥腐熟后运出。缺点：有机物和微生物分布不均匀，容易造成厌氧状态。间歇式发酵工艺间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵，一批原料堆积之后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖质运出。由于该工艺的一次发酵周期只需10天左右，故可加快发酵池的周转，建池数量可比周期30天的一次发酵方式减少2/3，还由于第一次发酵后将非堆腐物排除，可使堆肥体积减少1/2，此外，因堆肥由一次发酵转入二次发酵时，经过机械翻倒，故加快了腐熟化进程，缩短了发酵周期。连续发酵工艺连续发酵工艺采取连续进料和连续出料方式发酵，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。这种系统除具有发酵时间短，能杀灭病源微生物外，还能防止异味，成品质量比较高，已在美国、日本、欧洲广为采用。计量板式给料机初选（人工）发酵仓出仓二次发酵垃圾入场磁选滚筒筛堆肥污水粪便计量废铁填埋回收物粪便入场武汉市城市垃圾堆肥发酵系统粪便输送垃圾发酵仓熟料振动筛细料通风磁选农肥粗料分拣利用浸滤液集水井冲洗水调节池初沉池污泥曝气池竖流池污泥回用池上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程城市生活垃圾贮料池抓吊废铁滚筒筛人工分选粗大无机物去填埋混合滚筒污水池风机出料机二次发酵出料机风机一次发酵振动给料机散装堆肥装袋机填埋出售滚筒筛杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图脱臭戽斗式翻堆机贮槽定量给料器一次发酵仓家畜尿回转振动筛二次发酵仓杂质污水池土壤脱臭装置干净气体日本长野县堆肥化系统流程图手选锤式破碎机振动传输带废纸捆包机非堆肥物收集箱轻质物：纸及塑料磁选机罐头盒双螺旋混合机空气发酵仓（4座）粉碎机（3台）旋风分离器气体燃料空气加热器旋风分离器污泥水：到下水道搅拌机布料机浓缩污泥槽离心机高温空气空气旋转干燥器堆肥德克萨斯州休斯敦日处理360吨垃圾堆肥厂流程6.3好氧堆肥设备立式堆肥发酵塔筒仓式堆肥发酵仓卧式堆肥发酵滚筒箱式堆肥发酵池堆集式计量设备→进料供料设备→预处理设备→一次发酵设备→二次发酵设备→后处理设备→产品精加工设备等计量设备：地磅称供料设备：贮料仓、进料斗、起重机等。预处理设备：破包机、撕碎机、分选机、混合搅拌机等。发酵设备：一次发酵设备、二次发酵设备等。后处理设备：筛选机、烘干造粒机、配肥、包装机等。其它设备：脱臭装置、污水导排与处理装置、配电与控制装置；1.立式堆肥发酵塔驱动装置进料口池体出料口观察窗犁风机进气管立式多层圆筒式堆肥发酵塔（1）立式多层圆筒式呈多层圆筒形，密闭结构强制通风温度从上到下逐渐升高一次发酵时间：3~7天发酵小池下料门风机风机驱动装置旋转臂立式多层板闭合门式堆肥发酵塔（2）立式多层闭合门式呈多层条形，每层堆高不超过1米。在每一层床都有闭合门，在反复切断输送的同时，利用打开闭合门来顺序向下输送原料。一次发酵时间：5~10天立式堆肥发酵塔：优点、缺点立式多层圆筒式发酵塔占地面积小；除臭设备体积小。堆积低，容积有效利用率低；装置运行所需的动力大；在堆肥过程中物料容易呈压实块状化，通气性能差；多层结构，整个装置很高.优点立式多层板闭合门式发酵塔占地面积小；除臭设备体积小。物料在输送过程中是利用自由下落而进行重复切断的，没有破碎作用，通气性能差；必须配备原料供给装置；多层结构，装置很高。缺点（3）立式多层桨叶刮板式呈多层圆筒形，每层堆高1~1.5米。利用各段内旋转的刮板同时进行原料的反复切断及输送。原料落在与刮板相反方向的叶片上，按顺序向下输送。一次发酵时间：3~7天立式多层桨叶刮板式堆肥发酵塔风机可动驱动装置立式多层移动床式堆肥发酵塔进料排气管排料出料机活动板刮落装置（4）立式多层移动床式该装置呈多层条形，每层堆高为2.5米。各层床构成整体的移动床。由水平运动将原料推出，顺序输送到下层。一次发酵时间：8~10天3）后发酵（二次发酵）立式堆肥发酵塔：优点、缺点立式多层桨叶刮板式发酵塔利用旋转刮板重复切断，无压实块状化；通