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1、第四部分：固体废物的生物转化技术及其工程应用,环境工程专业硕士研究生课程,重庆大学城市建设与环境工程学院,讲授人：彭绪亚 教授,主要内容,固体废物的生物转化 好氧堆肥技术原理及工程应用 厌氧消化技术原理及工程应用 卫生填埋技术原理及工程应用,固体废物的生物转化,固体废物生物转化技术的处理对象生活垃圾中易腐部分（厨余等）、人畜粪便、城镇污泥、农副产品加工残余物等。 特点：含水率高、热值低，污染严重。 处理技术路线：生物转化（Bio-conversion）,有机垃圾处理技术路线,城镇有机垃圾,餐厨垃圾,有机生活垃圾,畜禽粪便,城市污泥,卫生填埋,生物处理,焚烧,无害化、资源化,好氧堆肥,厌氧消化,
2、农副产品 加工废物,生物转化,固体废物生物转化方法,从原理上可分为：好氧生物转化、厌氧生物转化好氧堆肥从技术体系： 厌氧消化 （生物气化）厌氧填埋卫生填埋 好氧填埋（场地堆肥）准好氧填埋,好氧堆肥技术原理及工程应用,堆肥概念及原理 堆肥是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖转化的生物化学过程，最终形成可作为肥料或土壤改良剂的类似腐殖质物质。 堆制处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质，故称为堆肥(Compost)。 堆肥技术是实现城市垃圾资源化、无害化的一条重要途径。它不仅可以杀死垃圾中的病原菌，有效处理垃圾中的有机物，而且可生产有
3、机肥料或土壤改良剂，增加土壤中的有机成份，特别适用以农业为主的国家。,好氧堆肥定义的含义,原料为可生物降解废物，固体或半固体； 人工控制下进行 （控制通风量、温度、含水率、ph、添加微生物等）； 多种微生物联合作用实现，不同阶段，不同的微生物起主导作用。 堆制过程好氧、放热，为稳定化过程 ； 能杀死病原菌和寄生虫和害虫卵，达到无害化、安全性；,好氧堆肥的微生物学过程,微生物学过程及特点 根据温度变化和微生物生长情况，分为潜育期、中温期、高温期、腐熟期四个时期,潜育期(latent phase) 物料中带入的微生物刚进入一个新环境后的一段调整适应时期。在该时期，微生物基本上不生长繁殖，堆温基本上
4、没变化。,中温期(mesophilic phase),中温型好氧微生物为主，大量生长繁殖，最常见的是无芽孢细菌、芽孢细菌和霉菌等； 分解易降解的有机物(如简单糖类、淀粉、蛋白质等)，产生大量热能，堆温不断升高，直至达到50左右，这一过程也称升温期，或称发热阶段。,高温期(thermophilic phase),中温期后期，温度上升至6570甚至更高，即进入高温期。是有机质的分解和有害生物的杀灭最有效的时期。,腐殖化过程 ； 高温型好氧微生物成为优势种。主要是好热性细菌、放线菌和真菌的一些种群 ； 杀灭病原生物，5060持续67d，可有效杀灭虫卵和病原菌。,腐熟期(maturation phas
5、e, curing phase),腐熟期内，中温型微生物又成为优势微生物类型。残余有机物被分解，腐殖质不断积累，堆制处理进入。 有机质的分解量较小，过程较缓慢，有利于腐殖化。一些复杂的有机质与铁、钙、氮等物质相结合形成腐殖质胶体(humic colloids)，完成了有机质的分解和再合成过程。 堆温回复到40左右时，表示物料已基本达到稳定，基本达到腐熟的程度，可以便用或用于配制复合肥料的原料。,腐熟堆肥的特征,表面呈白色或灰白色，内部呈黑褐色或棕黑色： 秸秆和粪块等完全腐熟，质地松软，无粪臭，散发出泥土气味，不招引蚊蝇； pH8-9，呈弱碱性。,堆制过程中的生物及其演替,参与的主要是微生物，包
6、括： 细菌(含放线菌) 真菌 原生动物等类群 一些无脊椎动物如线虫、蚯蚓、螨类等。,微生物群落的变化规律,50左右，高温菌出现，嗜热性真菌和细菌(放线菌)为主。堆温60时，真菌几乎完全停止活动，嗜热性放线菌与细菌继续活动。 高温细菌主要是芽孢细菌属、高温放线菌属。,中温型细菌(含放线菌)和真菌首先起作用，,6570时，大多数嗜热性微生物也无法生活，或死亡，或休眠。 最后，温度下降，放线菌重新定殖成为优势菌群，堆肥表面呈现白色或灰色。 蛋白质分解产生的氨转化为硝酸盐的过程主要在腐熟期进行。,嗜热脂肪芽孢杆菌,Streptomyces and Thermomonospora isolated fr
7、om compost,Thermomonospora form osensis type strain,烟曲霉 Aspergillus fumigatus,白地霉 Geotrichum candidum,A dissolving cellulose fibre - Clostridium thermocellum bacteria barely visible,影响堆肥过程的因素,影响堆制过程的因素有物料的有机质含量、营养平衡、通气量、水分、温度和粒径等。,1、有机质含量 静态发酵工艺，物料含2040有机质为宜 有机成分60，采用动态发酵工艺；,2、水 分 含水量在5070，以60为宜。 若有
8、机质含量高，含水量应高一些；有机质含量低，含水量应低一些。,3、营养平衡,碳氮比(C/N)是营养平衡最重要的参数之一。 物料最佳的C/N为2535之间为宜， 物料C/N35，会延长堆制的时间。 原料C/N5，氮素会转化为氨逸出，特别是在高温、高pH值和强制通气的情况下氮的逸失更为严重。 碳磷比(C/P)也很重要。 适宜的C/P为75l00。原污泥的C/P低，需和其它原料配合。,4、通气量,通氧的作用 充氧，调节堆温和排除过多的水分的作用。 通氧方式： 人工或机械进行间隙或连续翻料； 在堆肥中作通气孔道； 最有效的供氧方式是强制性机械通风，即用泵将空气压入或抽出肥堆。 通气量：可以根据废物氧化反
9、应式简单计算理论通气量。,理论需氧量的计算,如：已知合流污水污泥的化学成分C10H19O3N，其完全氧化的 计量化学方程为：C10H19O3N + 12.5O2 = 10CO2 + 8H2O + 4NH3(201) (400)1g的C10H19O3N 完全氧化约需要2g的O2。,实际供氧量为理论供应量的两倍。 不同时期供氧量也不一样，高温期是中温期和熟化期的好几倍。 在机械化连续生产系统可通过测定排气中氧和CO2的含量来衡量堆体中氧气情况。排气中氧的体积浓度为14%17，CO2的体积浓度为3%6为宜。若氧浓度降低到10以下，好氧发酵会停止。,5、温度,两个主要作用： 提高有机物分解速度、杀死物
10、料中病原体。 堆制过程的适宜温度较宽，约为3555。35以下发酵速度不高，4555发酵速度增加较快，超过55，发酵速率减缓，超过6577发酵作用微弱。 对大部分病原体来说，超过50就会失活。一般温度控制在55。,6、粒 径,颗粒空隙可为堆制过程提供充足的氧气。间隙大小取决于颗粒的结构强度： 麦类秸秆等硬质原料的粒径应小一些，一般为12cm； 蔬菜等质软原料的粒径应大一些； 人粪尿、动物粪尿、污泥等颗粒细的物质，应添加锯末、稻草、稻壳等膨松剂，既减少容重，又增加物料的空隙率，还调整了C/N。,工程应用：堆肥工艺,固体废物堆肥处理的工艺类型很多：,操作是否连续,间歇式堆制,连续式堆制,反应器特点,
11、非反应器型：静态堆制工艺,反应器型：机械搅拌式、立仓式堆制工艺、滚筒式堆制工艺等,好氧堆肥技术分类,条垛堆肥系统Dano滚筒堆肥系统密闭仓式堆肥系统 模块化堆肥系统 其它堆肥系统,条垛堆肥系统 料堆的截面为梯形状,高度一 般为2米左右,宽度4米左右； 通过机械翻堆来促进料堆与空气接触； 翻堆的机械可以是装载机,也有专用的堆肥翻堆机。,Dano滚筒式堆肥系统,也称卧式旋转法，由丹麦人首先研制和使用的一种连续推制法。 关键设备：长2030m、直径34m、倾角23的可回旋转动的金属圆筒，转速0.51转/Min，机械送风。 一次发酵时间可缩短至72小时，温度可达70以上。,垃圾经预处理后的可堆腐物进入
12、专门的发酵车间 采用专用联合翻堆设备翻倒垃圾 一次发酵后的垃圾经二次发酵后再根据需要进行筛分处理,密闭式机械化翻堆堆肥,模块式堆肥系统 在料堆底部沿着长度方向设置通风管或通风槽,强制通风 能够对堆体的需氧量和含水量实现一定程度的控制 一次发酵的时间可缩短至1020天,Engineered Modular Composting System,接种剂在堆肥处理中的应用,添加剂有三种：天然接种剂(inoculant)、微生物接种剂和起爆剂。 天然接种剂有粪肥、腐熟堆肥、耕层土壤等。 微生物接种剂由从堆肥中分离的或其它来源的细菌、放线菌、霉菌等组成，具有分解蛋白质、脂肪、糖类、纤维素、木质素、蟹壳和除
13、臭等功能，中温型与高温型微生物组合使用。 起爆剂(starter)不含有微生物接种体，是一些微生物容易分解的有机质如糖蜜、蔗糖和蛋白质等，其作用是为了缩短潜育期。,重庆大学开发的垃圾堆肥技术（国家发明专利技术）,垃圾渗出液微生物循环培养强化堆肥工艺,有机垃圾的厌氧消化,厌氧消化是将复杂有机物在无氧情况下首先降解成游离糖、乙醇、挥发性脂肪酸(VFA)、H2及C02，而后乙醇和挥发性脂肪酸被氧化成乙酸和H2，最后乙酸和H2被转化成CH4。 厌氧消化法处理有机垃圾与其他技术相比具有如下优点：厌氧消化后产生的沼气是清洁能源；固体物质被消化以后可以得到高质量的有机肥料和土壤 改良剂；在有机物质转变成甲烷
14、的过程中实现了垃圾的减量化；与好氧过程相比，厌氧消化过程不需要氧气，降低动力消耗，因而使用成本降低；厌氧消化减少了温室效应气体的排放量。,厌氧消化技术的分类,15,15,“干式”与“湿式”厌氧消化技术,Wet digestion (15% or less total solids) generally used with co-digestion of organic materials and liquid substrate such as manures/biosolids. Dry digestion (15% to 35% total solids) generally used f
15、or digestion of the organic fraction of the municipal solid waste stream (OFMSW).,厌氧消化技术的应用,130 large AD plants operating worldwide that use organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) or organic industrial wastes (OIW) (e.g. over 95% located in Europe) Total capacity estimated at 6.6 million
16、tons in 2001 with approximately 25% used for digestion of OFMSW, OIW, and sludge and the remaining for manures Start-up of most AD facilities taken place primarily over the last decade,与好氧堆肥相比,改变了占地大、处理时间长,管理复杂和有恶臭气味等问题。 与传统的卫生填埋相比,将厌氧消化过程由几年缩短到30天以内。 厌氧消化处理具有过程可控制、易操作、降解快、生产过程全封闭、能源化效果好等，产物可计量和再利用等特点。,BTA厌氧消化工艺流程,现代卫生填埋是在传统的“堆、填、埋”基础上发展而来，根据现代土木工程与环境污染控制理论，对垃圾填埋产生的二次污染进行有效控制的一种工程系统。,
