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1、第五章 固体废物的生物处理 资源环境学院 2012年6月 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建立降 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、概述 （一）堆肥化的定义与分类 n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
2、发酵过程。 n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5560时比较好，有时可高达8090， 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，但堆制周期过长，需312个月，异味浓烈，分 解不够充分。 （二）堆肥技
3、术的发展历史 （三）堆肥产品的用途 1、改善土壤的物理性能 2、肥料的养分比较全面 3、肥效期长 4、微生物的作用强 5、但堆肥与化肥相比，堆肥的肥效较低， 且体积大，运输和施用不方便。 合成合成 ( (同化作用同化作用) ) 氧化氧化 堆肥有机物堆肥有机物 ( (含含C C、HH、OO、N N 、S S 、P)P)， 氧，微生物氧，微生物 细胞物质细胞物质 ( (微生物繁殖微生物繁殖) ) COCO 2 2 ，HH 2 2 OO， NHNH 3 3 ，POPO 4 4 2-2-， ， SOSO 4 4 2-2- 能量能量 随水或气随水或气 体排入环境体排入环境 释放能量释放能量 转化为热转化
4、为热 供生物合成用供生物合成用 ( (异化作用异化作用) ) + 腐殖物腐殖物 质质 + 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肥有机物分解过程图 堆制初期，1545，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，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）升温阶段（潜伏阶段、驯化阶段） （2）中温阶段（产热或起始阶段） 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
5、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4565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。 （3）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
6、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 。 （4）腐熟阶段 (降温阶段 ) 2、好氧堆肥化反应机理 有机物的氧化 n 不含氮的有机物（CxHyOz） CxHyOz +(x+1/4y-1/2z)O2 xCO2+1/2yH2O+能量 n 含氮的有机物(CsHtNuOvaH2O) CsHtNuOvaH2O+bO2 CwHxNyOzcH2O(堆肥 )+dH2O(气)+eH2O(液)+f CO2+gNH3+能量 n由于氧化分解减量化所以堆肥成品 (CwHxNyOzcH2O)与堆肥原料(CsHtNuOvaH2O )
7、 之比为0.30.5。通常可取如下数值范围： w=510， x=717， y=1 ，z=28。 细胞质的合成（包括有机物的氧化以NH3为氮源） 。 n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5)O2 C5H7NO2(细 胞质)+(nx-5) CO2+1/2(ny-4)H2O+能量 细胞质的氧化 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，以活性型存在的酶将明显降低，大部 分将呈变性(灭活
8、)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。 (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：细菌：形体最小、数量最多，分解大部分的有机物 并产生热量；放线菌：分解纤维素、
9、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； 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；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 C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1 较好，最佳为25:135:1; C/P 比在75150为宜。为保证成品肥料中的C/N比为1020:1，初始原料 的一般C/N比都高于最佳值，多为35:1。 氧浓度:适宜的氧浓度为18%,最低不应小于8%
10、。 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。 pH值:堆肥微生物最佳的pH=7.58.5。 （2）物理因素 温度:一般认为最佳温度在50 65之间。 颗粒尺寸:适宜的粒径范围是1260mm。纸张、纸版最佳粒经为 3.85.0cm；材质比较坚硬的废物最佳粒经为0.51.0cm。 含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%60%。 有机物含量：堆料最合适的有机物含量为2080。 三、 堆肥的基本工艺 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
11、促 进发酵过程正常或快速进行。 降低水分、增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加 有机调理剂和膨胀剂。 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412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2030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：
12、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 。 系统固体流向供气方式或 反应器类型 反应器床层、 形
13、状或固体流态 开放式 系统 搅拌固体床 （条垛式） 自然通风式 强制通风式 静态固体床强制通风静态垛式 自然通风式 反应器 系统 垂直固体流 搅拌固体床多床式 多层式 筒仓式反应器气固逆流式 气固错流式 水平和倾斜固体流 滚动固体床 （转筒或转鼓） 分散流式 蜂窝式 完全混合式 搅拌固体床 （搅拌箱或开放槽） 圆形 长方形 静态固体床（管状）推进式 输送带式 静止式（堆肥箱） 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13个月。该堆肥过程由预处
14、 理、建堆、翻堆和储存4个工序组成。主要技术环节有以 下几点： 这里主要介绍常用的这里主要介绍常用的条垛式、强制通风静态垛 系统和重要的反应器系统的主要技术环节。的主要技术环节。 （1）场地 空间：应足够大。 场地表面：必须坚固和有坡度。当采用坚硬的 材料(如道路沥青和混凝土)时，场地表面坡度 不小于1%；当采用不够坚硬的材料(如砾石和炉 渣)时，其坡度应不小于2%。 渗滤液收集和排除系统：至少包括排水沟和贮 水池。面积大于20,000m2的场地或雨量多的地区 都必须建贮水池，用以收集堆肥渗滤液和雨水 。 其它设施：屋顶、挡风墙。 （2）建堆 建堆方法：无添加物，直接建堆；有添加物，根 据掺入
15、和混合方式有：采用一层垃圾一层添加物 的方法建堆，其混合靠翻堆来完成；垃圾和添加 物从公共出口排出，边混合边建堆。 建堆的形状：主要取决于气候条件和翻堆设备的 类型，圆锥形或采用平顶长堆。 建堆的尺寸：条剁系统适宜规模参数为：底宽2 6m，高13m，长度不限，最常见的尺寸为 底宽35m，高23m，其断面大多为三角形。 最佳尺寸根据气候条件、翻堆使用设备、堆肥原 料的性质而定。 （3）翻堆 翻堆方式：人工或机械方法进行物料的翻转和重堆。 翻堆次数：取决于堆体中的耗氧量，在初期应高于后期；并 根据腐熟程度、翻堆设备类型、防臭味产生、占地空间的需 求及经济因素等变化；有时通过翻堆来促进水分蒸发和物料
16、 松散。设计和配置翻堆设备时，应保证一天一次的翻堆能力 。 翻堆设备：最初是推土机（摊开和重堆）和装载机（装入料 斗，在行进中倾倒下来），因使物料受到一定程度的压实而 被逐渐淘汰。目前，国外常用的是带齿滚筒翻堆设备，通过 带齿滚筒就地搅混完成物料翻堆，或在翻转、搅混物料的同 时将物料移至附近重堆。 （4）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
