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1、固体废物处理固体废物处理 使学生了解和掌握常见使学生了解和掌握常见固体废弃物资源化和处理的固体废弃物资源化和处理的常用技术和方法常用技术和方法 第九章第九章 固体废物的生物处理固体废物的生物处理 n教学目标教学目标: : n1.掌握堆肥化概念和好氧堆肥原理；n2.了解并掌握堆肥化过程；n3.熟悉好氧堆肥程序、工艺、装置并掌握好氧堆肥的影响因素；n4.掌握有机物的厌氧发酵过程；n5.理解并掌握厌氧发酵的影响因素及其控制；n教学重点：教学重点：好氧堆肥的影响因素；厌氧发酵的影响因素及其控制 n教学难点：教学难点：厌氧发酵的影响因素及其控制第九章第九章 固体废物的生物处理固体废物的生物处理 n9.1
2、生物处理理论基础生物处理理论基础n9.2好氧生物降解制堆肥好氧生物降解制堆肥n9.3厌氧发酵处理制沼气厌氧发酵处理制沼气n 微生物同所有生物一样，在生命活动过程中从周围环境吸取养料，并在体内不断进行物质转化和交换作用，这种过程称之为新陈代谢，简称代谢。n 物质分解及提供能量的代谢称为分解代谢。n 消耗能量合成生物体的代谢称为合成代谢。n 两种代谢是不可分割、互为依存的。9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础n微生物的种类n对于所有微生物来说，凡是生活时需要氧气的都可以称为好氧微生物。n在无氧环境中能生长的称为厌氧微生物。n在无氧和有氧的环境中都能生活的统称为兼氧性微生物。9.19.1生物
3、处理理论基础生物处理理论基础n生物处理方法：生物处理方法：n好氧生物处理法好氧生物处理法n厌氧生物处理法厌氧生物处理法9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础n 好氧生物处理法是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。n 堆肥化利用有机固体废物生产堆肥，已有几千年历史。随着生产力发展和科技进步，堆肥化技术已得到不断改进。9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础n堆肥化满足以下两方面要求n人工堆肥是有机肥，对改善土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产都是有益的，是农业、林业生产需要的；n各国有机固体废物数量逐年增加，需要对其处理的卫生要求也日益严
4、格，从节省资源与能源角度出发，有必要把实现有机固体废物资源化作为固体废物无害化处理、处置的重要手段。9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础n 厌氧生物处理法，是在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。n 厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分能量以甲烷形式出现，仅少量有机物被转化、合成为新的细胞组成部分。 9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础n 有机固体废物沼气化是一种成熟的厌氧生物处理法。沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料。n 固体废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环境卫
5、生都有重要作用，因而是一种经济而理想的生物转换技术。 9.19.1生物处理理论基础生物处理理论基础9.29.2好氧生物降解制堆肥好氧生物降解制堆肥n9.2.1堆肥化概念n9.2.2堆肥化原理n9.2.3堆肥化过程n9.2.4堆肥化程序n9.2.5堆肥化影响因素n9.2.6堆肥化工艺与装置n9.2.7堆肥质量与效用n9.2.8堆肥质量与效用9.2.1堆肥化概念堆肥化概念n 堆肥化(composting)：是在控制条件下，使来源于生物的有机废物，发生生物稳定作用的过程。n 堆肥(compost)：废物经过堆肥化处理，制得的成品。它是一类腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。n 废物经过堆制
6、，体积一般只有原体积的5070。按照堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧法。9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。n可溶性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收；n不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n 微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程)，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的
7、生物体。9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n有机物的氧化：n不含氮有机物（CxHyOz）的氧化9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n有机物的氧化：n含氮有机物（CsHtNuOvaH2O）的氧化9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n细胞质的合成9.2.2堆肥化原理堆肥化原理n细胞质的氧化9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比较复杂，依据温度变化，分为三个阶段。中温阶段(产热阶段) 腐熟阶段高温阶段9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n中温阶段(产热阶段) n 堆肥初期，堆层呈中温，嗜温性微生物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。n 此阶段微生物以中温、需氧型为主，通常是一
8、些无芽胞细菌。适合于中温阶段的微生物种类极多，最主要是细菌、真菌和放线菌。细菌特别适应水溶性单糖类，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能。9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n高温阶段高温阶段 ：n 通常在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60时，真菌等嗜温性微生物几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度升到70以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。 n 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动。9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n高温阶段高温阶段n 堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转
9、化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。9.2.3堆肥化过程堆肥化过程高温阶段：高温阶段： 微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期：对数生长期减速生长期内源呼吸期9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n高温阶段高温阶段n 在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程，即腐殖质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态9.2.3堆肥化过程堆肥化过程n腐熟阶段腐熟阶段n 嗜温微生物占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。n 降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，
10、此时只须自然通风。9.2.4堆肥化程序堆肥化程序n前处理：破碎分选出不可降解物，使得堆肥原料水分、粒度达到要求。调整水分和碳氮比。n主发酵：温度升高到开始下降为止的阶段。4-12天。发酵仓，通风搅拌，中温高温阶段持续4-12d。n后发酵：少量通风，搅拌，20-30dn后处理：分选除杂质。分选破碎n脱臭：每个工序均需要除臭n贮存：集中贮存，统一销售9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n 对于快速高温二次发酵堆肥工艺来说，通风供氧、堆料含水率、温度是最主要的发酵条件，其他尚有有机质含量、碳氮比、碳磷比、pH值等。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n通风：微生物氧化分解有机物需要氧气，搅拌。n
11、含水率：微生物需要水分维持生长代谢，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质。n有机物的含量：原料适宜的有机物含量为2080。n碳氮比：初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26：135：1之间。n温度：整个堆肥过程的较佳温度是3555。npH：好氧堆肥初期，pH值一般可下降为56，尔后又开始上升，发酵完成前可达8.59.0，最终成品达到7.08.0n碳磷比：堆肥适宜的碳磷比为75150。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n通风：微生物的耗氧速率在堆肥化60-80小时达到峰值，适宜的氧浓度为14-17%。n供氧方式：翻堆通风、风机供风、风管通风。9.2.5堆肥化影响因素堆肥
12、化影响因素n通风量通风量：决定于堆肥原料有机物含量、挥发度，可降解系数等。可用下式推算出理论上氧化分解需要的氧气量，再折算成理论空气量。nr=0.5b-nx-3(c-ny)；ns=a-nw；n为降解效率(摩尔转化率1)；nCaHbNcOd和CwHxHyOx分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n用一种成分为用一种成分为C31H50NO26C31H50NO26的堆肥物料进行实验室规模的的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥化试验。试验结果，每好氧堆肥化试验。试验结果，每1000kg1000kg堆料在完成堆肥化堆料在完成堆肥化后仅剩下后仅剩下200kg200kg，测定
13、产品成分为，测定产品成分为CllHl4NO4CllHl4NO4，试求每，试求每1000kg1000kg物料的化学计算理论需氧量。物料的化学计算理论需氧量。n解解 n(1)计算出堆肥物料C31H50NO26千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=(1000/852)kmol=1.173kmol；n(2)堆肥产品CllHl4NO4的千摩尔质量为224kg，可算出每摩尔参加过程的残余有机物摩尔数即n=200/(1.173224)=0.76；n(3)由已知条件：a=31，b=50，c=1，d=26，w=11，x=14，z=1，y=4，则 r=0.550-0.7614-3(1-0.761)=1
14、9.32n S=31-0.7611=22.64n (4)所需的氧量为：n W=0.5(0.764+222.64+19.32-26) 1.17332kg=781.5kg9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n含水率含水率：用生活垃圾制堆肥时，含水率55%适宜。生活垃圾加污泥或粪便调节含水率。添加的调节剂与垃圾的重量比，可根据下式求出：nM调节剂与垃圾的重量(湿重)比；nWm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率，调节剂含水率。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n堆肥物料的水分调节可根据采用回流堆肥工艺的物料平衡进行。nXc城市垃圾原料的湿重；nXp堆肥产物的湿重；nXr回流堆肥产物的湿
15、重；nXm进入发酵混合物料的总湿重；nSc原料中固体含量(质量分数)，；nSp=Sr堆肥产物和回流堆肥的固体含量(质量分数)，；nSm进入发酵仓混合物料的固体含量(质量分数)，。 9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n湿物料平衡式 Xc+Xr=Xm (1)n干物料平衡式 ScXc+SrXr=SmXm (2)n 由(1) (2) 得 ScXc+SrXr=Sm(Xc+Xr) (3)n令Rw为回流产物湿重与垃圾原料湿重之比，称为回流比率，则n Rw=Xr/Xc (4)n由式(3)变形得 Xr(Sr-Sm)=Xc(Sm-Sc)n故 Rw=Xr/Xc=(Sm-Sc)/(Sr-Sm)Rw=Xr/Xc=(
16、Sm-Sc)/(Sr-Sm) (5)n如令Rd为回流产物的干重与垃圾原料干重之比，则n Rd=SrXr/(ScXc) (6)n将式(3)变形整理得n Rd=(Sm/Sc-1)/(1-Sm/Sr)Rd=(Sm/Sc-1)/(1-Sm/Sr) (7)n (5)(7)计算以干重或湿重为条件的回流比率。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n (2) 湿基回流比率： n拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量Sc为30，每天处理量为10t(以干物料基计算)，采用回流堆肥(其Sr为70)起干化物料作用，要求混合物Sm为40，试用两种基准计算回流比率，并求出每天需要处理的物料总量为多少吨?n解解 n(1) 干基回流比率：n (3)可根据Rd或Rw算出每天需处理物料的总量(湿)。n总量污泥饼量+回流堆肥量n由Rd：总量=(100.30)+(100.777)0.30t/d=44.4t/dn由Rw：总量=(100.30)+(100.333)0.33t/d=44.4t/dn可见两种方法算出物料总量是一致的。9.2.5堆肥化影响因素堆肥化影响因素n有机物的含量：原料适宜的有机物含量为2080。含量过低，
