程模型综合应用_固废生物处理-环境生态

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1、教师教师：钱 智：钱 智 单位单位：资源与环境学院：资源与环境学院 办公室办公室：教学楼：教学楼 216 邮箱邮箱： 2011年年5月月 2011年度春季学期年度春季学期 第五章 环境工程数学模型综合应用第五章 环境工程数学模型综合应用 5.1 污染物输移模型污染物输移模型(环境质量基本模型环境质量基本模型) 5.2 气液传质模型气液传质模型 5.3 大气扩散模型大气扩散模型 5.4 固体废弃物处理模型固体废弃物处理模型 5.5 环境生态学数学模型环境生态学数学模型 5.4.1 绪论绪论 固体废物的产生有其必然性。这一方面是由 于人们在索取的利用自然资源从事生产和活动 时，限于实际需要和技术条

2、件，总要将其中一 部分为废物丢弃；另一个方面是由于各种产品 本身有其使用寿命，超过了一定期限，就会成 为废物。 固体废物的产生有其必然性。这一方面是由 于人们在索取的利用自然资源从事生产和活动 时，限于实际需要和技术条件，总要将其中一 部分为废物丢弃；另一个方面是由于各种产品 本身有其使用寿命，超过了一定期限，就会成 为废物。 固体废物(简称废物)是指在社 会的生产、流通、消费等一系 列活动中产生的一般不再具有 原使用价值而被丢弃的以固态 和泥状赋存在物质。 固体废物(简称废物)是指在社 会的生产、流通、消费等一系 列活动中产生的一般不再具有 原使用价值而被丢弃的以固态 和泥状赋存在物质。 固

3、体废物的分类固体废物的分类 (Solid Waste Classification) 按化学性质按化学性质可分为有机废物和无机废物；可分为有机废物和无机废物； 按形状按形状可分为固体和泥状的；可分为固体和泥状的； 按危害状况按危害状况可分为有害废物和一般废物；可分为有害废物和一般废物； 按来源按来源可分为矿业固体废物、工业固体废物、城 市垃圾 可分为矿业固体废物、工业固体废物、城 市垃圾(包括下水道污泥包括下水道污泥)、农业废物和放射性固体废 物等。在固体废物中对环境影响最大的是工业有害 固体废物和城市垃圾。 、农业废物和放射性固体废 物等。在固体废物中对环境影响最大的是工业有害 固体废物和城

4、市垃圾。 固体废物固体废物处理处理方法方法 固体废物处理是指将固体废物转变成适于运输，利用、 贮存或最终处置的过程。 固体废物处理是指将固体废物转变成适于运输，利用、 贮存或最终处置的过程。 物理处理物理处理 化学处理化学处理 生物处理生物处理 热处理热处理 固化处理固化处理 物理处理物理处理：通过浓缩或相 变化改变固体废物的结构， 使之成为便于运输、贮存、 利用或处置的形态。 ：通过浓缩或相 变化改变固体废物的结构， 使之成为便于运输、贮存、 利用或处置的形态。 化学处理化学处理：采用化学方法 破坏固体废物中的有害成 分从而达到无害化，或将 其转变成为适于进一步处 理、处置的形态 ：采用化学

5、方法 破坏固体废物中的有害成 分从而达到无害化，或将 其转变成为适于进一步处 理、处置的形态。 生物处理生物处理：利用微生物分解 固体废物中可降解的有机 物，从而达到无害化或综合 利用。 ：利用微生物分解 固体废物中可降解的有机 物，从而达到无害化或综合 利用。 热处理热处理：通过高温破坏 和改变固体废物组成和结 构，同时达到减容、无害 化或综合利用的目的。热 处理方法包括焚化、热 解、湿式氧化以及焙烧、 烧结等。 ：通过高温破坏 和改变固体废物组成和结 构，同时达到减容、无害 化或综合利用的目的。热 处理方法包括焚化、热 解、湿式氧化以及焙烧、 烧结等。 固化处理固化处理：采用固化基材 将废

6、物固定或包覆起来以降 低其对环境的危害，因而能 较安全地运输和处置的一种 处理过程 ：采用固化基材 将废物固定或包覆起来以降 低其对环境的危害，因而能 较安全地运输和处置的一种 处理过程。 固体废物固体废物处置处置方法方法 固体废物处置是指最终处置或安全处置， 是固体废物污染控制的末端环节，是解决固 体废物的归宿问题。 固体废物处置是指最终处置或安全处置， 是固体废物污染控制的末端环节，是解决固 体废物的归宿问题。 海洋处置海洋处置：深海投弃、海上焚烧：深海投弃、海上焚烧 陆地处置陆地处置：土地耕作、工程库或贮留池 贮存、土地填埋、深井灌注 ：土地耕作、工程库或贮留池 贮存、土地填埋、深井灌注

7、 控制固体废物污染的控制固体废物污染的技术政策技术政策 1 我国控制固体废物污染技术政策的产生 2 1 我国控制固体废物污染技术政策的产生 2 “无害化无害化” 3 3 “减量化减量化” 4 4 “资源化资源化” 3R原则：原则：reduce、reuse、recycle 1 我国控制固体废物污染技术政策的产生1 我国控制固体废物污染技术政策的产生 我国固体废物污染控制工作起步较晚， 开始于80年代初期。由于技术力量和经济力 有限，近期内还不可能在较大的范围内实现 “资源化”。我国于80年代中期提出了以 我国固体废物污染控制工作起步较晚， 开始于80年代初期。由于技术力量和经济力 有限，近期内还

8、不可能在较大的范围内实现 “资源化”。我国于80年代中期提出了以 “资源化”、“无害化”、“减量化”“资源化”、“无害化”、“减量化”作为 控制固体废物污染的技术政策，并确定今后 较长一段时间内应以“无害化”为主。我国 固体废物处理利用的发展趋势必然是从“无 害化”走向“资源化”，“资源化”是以 “无害化”为前提的，“无害化”和“减量 化”则应以“资源化”为条件 作为 控制固体废物污染的技术政策，并确定今后 较长一段时间内应以“无害化”为主。我国 固体废物处理利用的发展趋势必然是从“无 害化”走向“资源化”，“资源化”是以 “无害化”为前提的，“无害化”和“减量 化”则应以“资源化”为条件。

9、2 2 “无害化无害化” 基本任务：将固体废物通过工程处理， 达到不损害人体健康，不污染周围的自然 环境(包括原生环境与次生环境)。 基本任务：将固体废物通过工程处理， 达到不损害人体健康，不污染周围的自然 环境(包括原生环境与次生环境)。 处理工程 ：垃圾的焚烧、卫生填埋、堆 肥、粪便的厌氧发酵，有害废物的热处理 和解毒处理等。 处理工程 ：垃圾的焚烧、卫生填埋、堆 肥、粪便的厌氧发酵，有害废物的热处理 和解毒处理等。 3 “减量化减量化” 基本任务：通过适宜的手段减少和减 小固体废物的数量和容积。 基本任务：通过适宜的手段减少和减 小固体废物的数量和容积。 实现战略实现战略 固体废物进 行

10、处理利用 固体废物进 行处理利用 减少固体废 物的产生 减少固体废 物的产生 4 “资源化资源化” 基本任务:采取工艺措施从固体废物中回收有 用的物质和能源 基本任务:采取工艺措施从固体废物中回收有 用的物质和能源 特点:保护和延长原生资源寿命，保证资源永 续，节省投资，降低成本，减少环境污染，保 持生态平衡 特点:保护和延长原生资源寿命，保证资源永 续，节省投资，降低成本，减少环境污染，保 持生态平衡 原则：技术是可行的；经济效益比较好，有较 强的生命力，废物在排放源就近利用可以节省 贮放、运输等过程的投资， 原则：技术是可行的；经济效益比较好，有较 强的生命力，废物在排放源就近利用可以节省

11、 贮放、运输等过程的投资，“资源化资源化”产品应当 符合国家相应产品的质量标准。 产品应当 符合国家相应产品的质量标准。 5.4.2 厌氧分解产气模型厌氧分解产气模型 生活垃圾进入填埋场填埋几周后，填埋场内部的氧气 消耗殆尽，为厌氧发酵提供了厌氧条件，于是生活垃 圾中的有机可降解垃圾便开始了厌氧发酵过程，这一 过程可简单地归纳为两个基本阶段，如图所示： 生活垃圾进入填埋场填埋几周后，填埋场内部的氧气 消耗殆尽，为厌氧发酵提供了厌氧条件，于是生活垃 圾中的有机可降解垃圾便开始了厌氧发酵过程，这一 过程可简单地归纳为两个基本阶段，如图所示： 填埋场气体的产量受到许多因素的影响，除了废物的 有机组成

12、是气体产量的主要决定因素外， 填埋场气体的产量受到许多因素的影响，除了废物的 有机组成是气体产量的主要决定因素外，含水量含水量、 、 温度温度和和湿度湿度也是影响填埋场气体产量的最重要因素也是影响填埋场气体产量的最重要因素 温度：温度：微生物生长需要一定的温度。较高的温度有 利于甲烷的产生，产气最佳温度是40,40时的 产气速率是30时的3倍，是18.7时的7.8倍，当 温度升至55时，甲烷生产又停止了。有的研究认 为，42时甲烷的生产速率最高，但甲烷产生的总 量并不高， 微生物生长需要一定的温度。较高的温度有 利于甲烷的产生，产气最佳温度是40,40时的 产气速率是30时的3倍，是18.7时

13、的7.8倍，当 温度升至55时，甲烷生产又停止了。有的研究认 为，42时甲烷的生产速率最高，但甲烷产生的总 量并不高，最佳产气温度应在3438之间最佳产气温度应在3438之间。 含水率含水率: 水是影响填埋场内部细菌新陈代谢的中心 环节，当含水量高时，微生物、营养物和被降解废 物之间接触程度大，促进了微生物的代谢，填埋场 气体的产量提高。 水是影响填埋场内部细菌新陈代谢的中心 环节，当含水量高时，微生物、营养物和被降解废 物之间接触程度大，促进了微生物的代谢，填埋场 气体的产量提高。当湿度大于当湿度大于50%时，才能满足甲 烷生成的需要 时，才能满足甲 烷生成的需要。 养分：养分：当垃圾中有机

14、质浓度增高时，甲烷的产量会升 高。垃圾厌氧分解过程中担负废物分解的细菌，需要 适当的养分( 当垃圾中有机质浓度增高时，甲烷的产量会升 高。垃圾厌氧分解过程中担负废物分解的细菌，需要 适当的养分(氮、磷、钾氮、磷、钾和其他物质)才能良好生长。和其他物质)才能良好生长。 毒性物质的含量：毒性物质的含量：许多毒素(如部分无机盐和有毒的 有机化合物)对微生物的生长不利，因而会降低填埋 场的产气量。 许多毒素(如部分无机盐和有毒的 有机化合物)对微生物的生长不利，因而会降低填埋 场的产气量。 pH值值: pH值的高低也影响甲烷的产生量，最宜于城 市生活垃圾发酵的 值的高低也影响甲烷的产生量，最宜于城 市

15、生活垃圾发酵的pH 值介于值介于6. 57. 2 之间，或在微 酸性情况下。 之间，或在微 酸性情况下。 动力学模型动力学模型 动力学模型多用来预测填埋气的产气率，比较典型的 模型如下 动力学模型多用来预测填埋气的产气率，比较典型的 模型如下: 1 Scholl Canyon模型模型 kL dt dL 该模型该模型(EMCON Associates，1976)是一种基质限制 型生物反应模型。模型假设经过很短的一段时间 是一种基质限制 型生物反应模型。模型假设经过很短的一段时间(可 以忽略不计 可 以忽略不计)，填埋垃圾内部的微生物环境充分形 成， ，填埋垃圾内部的微生物环境充分形 成，填埋气的

16、产气率迅速达到最大值填埋气的产气率迅速达到最大值。此后，随着 有机物 此后，随着 有机物(反应基质反应基质) 的减少，产气率开始下降的减少，产气率开始下降。其与 时间的关系符合一级反应的规律。 。其与 时间的关系符合一级反应的规律。该模型的产气率 变化只有一个阶段 该模型的产气率 变化只有一个阶段，用下面的公式表示。，用下面的公式表示。 kL dt dL )exp( 0 ktLL )exp(1 00 ktLLLG 式中，式中，t为时间，为时间，a；L为时间为时间t 之后填埋气的产生潜力，之后填埋气的产生潜力，L, 或剩余的有机物存量，或剩余的有机物存量，kg；k为填埋气产气率常数，或有 机物的分解速率常数， 为填埋气产气率常数，或有 机物的分解速率常数，a-1。 对上式积分得到 式中， 。 对上式积分得到 式中，L0 为最终可产生的填埋气的总量为最终可产生的填埋气的总量。 所以已产生的填埋气的量为 式中， 。 所以已产生的填埋气的量为 式