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1、第五章第五章 固体废物的生物处理固体废物的生物处理本章重点n【概念概念】堆肥化、好氧堆肥堆肥化、好氧堆肥 、厌氧消化。、厌氧消化。n【阐述阐述】好氧堆肥过程、好氧堆肥的影好氧堆肥过程、好氧堆肥的影响因素、厌氧消化的三段理论、厌氧消响因素、厌氧消化的三段理论、厌氧消化的影响因素、蚯蚓处理技术。化的影响因素、蚯蚓处理技术。第五章第五章 固体废物的生物处理固体废物的生物处理n5.1 概述n5.2 固体废物的好氧堆肥化处理n5.3 固体废物的厌氧消化处理n5.4 固体废物的微生物浸出n5.5 固体废物的其它生物处理技术第二节 固体废物的厌氧消化处理n什么是厌氧消化？n厌氧消化就是指在厌氧状态下利用厌氧
2、微生物使固体废物中的有机物转化为CH4和CO2的过程。n厌氧发酵技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化和稳定化的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中1050的有机物，并使之稳定化。5.2 固体废物的厌氧消化处理n70年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻找新的能源，这时厌氧发酵技术显示出其优势，普遍受到人们的关注。n近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用来处理城市污泥和粪便。5.2 固体废物的厌氧消化处理n厌氧消化的特点？n1）过程可控制、降解快、生产过程全封闭n2）资源化效果好，可将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气n3）易
3、操作，与好氧处理相比，其不需要通风动力，设施简单，运行成本低5.2 固体废物的厌氧消化处理n厌氧消化的特点？ n4）产物可再利用n5）可杀死传染性病原菌n6）厌氧过程会产生H2S恶臭气体n7）厌氧微生物的生长速率低，常规方法的处理效率低，设备体积大5.2 固体废物的厌氧消化处理n5.3.1厌氧消化原理n5.3.2厌氧消化的影响因素n5.3.3厌氧消化工艺n5.3.4厌氧消化装置5.2.1厌氧消化原理n5.2.1.1 三段理论n5.2.1.2 两段理论n5.2.1.3 总反应式5.3.1.1 三段理论糖类糖类蛋白质蛋白质脂肪脂肪水解阶段水解阶段产酸阶段产酸阶段产甲烷阶段产甲烷阶段不产甲烷细菌不产
4、甲烷细菌不产甲烷细菌不产甲烷细菌和产甲烷细菌和产甲烷细菌产甲烷细菌产甲烷细菌(或有不或有不产甲烷细菌参加产甲烷细菌参加)单糖或二糖单糖或二糖酞和氨基酸酞和氨基酸脂肪酸和甘油脂肪酸和甘油挥发性挥发性脂肪酸类脂肪酸类中性化合物中性化合物H2,CO2H2,CO2甲醇甲醇甲酸甲酸CH4CO2CH4水解阶段n在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。n高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生物的浓度、温度和pH等条件的制约。n主要有机物的水解反应：蛋白质+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S
5、 产酸阶段n水解阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。n反应式产甲烷阶段n产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2同时把产酸阶段所产生的H2和CO2转化成CH4。n产CH4阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的主要反应有：三个阶段的主次地位n在产甲烷反应中，乙酸(醋酸)是产生CH4的主要物质，大约70的CH4来自乙酸的降解。nCO2和H2的反应也能产生一部分CH4。少量CH4是由其它一些物质转化而来。例如有机胺必须转化成NH3后才能被产甲烷菌所吸收。n产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重
6、要的环节。n甲烷菌除了产生CH4外，还有分解脂肪酸调节pH值的作用。同时，通过将H2转化成CH4，减少氢的分压,也有利于产酸菌的活动。三个阶段的主次地位n三个阶段的主次地位三个阶段的主次地位n对于以不溶性高分子有机物为主的污泥、垃圾等废物，水解阶段是整个厌氧消化过程的控制步骤。n对于以可溶性有机物为主的有机废水来说，由于产甲烷菌生长速度慢,对环境和基质要求苛刻,产甲烷阶段是整个厌氧消化过程的控制步骤。5.3.1.2 两段理论堆肥有机物(C、N、O、H、P、S等)细胞物质有机酸,醇类, CO2, NH3, H2S等,能量CO2,CH4等,能量细胞物质碱性发酵阶段酸性发酵阶段5.3.1.3 总反应
7、式n总反应式n有机物分子中含S，且以CaHbOeNaSe表示，则上述反应可表示为n有机物分子不含S，且以CaHbOcNd表示时，反应式为5.3.2厌氧消化的影响因素n为了保证厌氧消化的最佳运行状态，除了应保持反应系统的厌氧状态外，还必须控制以下几个因素。发酵原料(raw material)温度(temperature)pH值添加物和抑制物质(stayer)接种物搅拌(mix round)（1）发酵原料n用作堆肥的原料都可以用作厌氧发酵，即沼气发酵原料。n厌氧消化过程中的产气量是厌氧消化处理效率的重要指标。n一般来说,产气量的大小主要取决于物料的组分特性（表）n不同原料的有机组分不同，其理论产气
8、量也不同n配制发酵原料时要进行理论产气量和总固体量等的计算。n理论产气量的计算n常用原料的产气率及其甲烷含量n总固体量的计算n营养物质(nutrient matter)有机组分的产气量及气体组成有机物种类有机物种类产气量产气量(L(Lkgkg分解物分解物) )气体组成气体组成( () )热值热值(Kcal(KcalNmNm3 3) )碳水化合物碳水化合物80080050(CH50(CH4 4)+50(C0)+50(C02 2) )42504250脂肪脂肪1200120070(CH70(CH4 4)+30(C0)+30(C02 2) )59505950蛋白质蛋白质70070067(CH67(CH
9、4 4)+33(C0)+33(C02 2) )56505650a. 理论产气量的计算n在计算沼气发酵原料的理论产气量时，必须首先分别测定各种发酵原料中碳水化合物(A)、蛋白质(B)和脂肪(C)的含量，然后用下式计算出每克发酵原料的CH4和CO2的理论产量。 CH4产量E（L）0.37A+0.49B+1.04C CO2产量D（L）0.37A+0.49B+0.36C 式中的A、B、C可在表中查到。n例，以稻草为原料，其A、B、C值分别为：0.6026，0.0316，0.0321。则： E=0.370.6026+0.490.0316+1.040.0321=0.2718(L/g) D=0.370.60
10、26+0.490.0316+0.360.0321=0.2500(L/g)常见沼气发酵原料的组分和理论产气量发酵原料每克干重物的组分（g）理论产气量（L/g）碳水化合物蛋白质脂肪CH4CO2水葫芦0.60730.11670.03860.32200.2958水花生0.59630.09720.02710.29640.2780玉米秸0.62630.06330.04630.31090.2794麦草0.63690.02980.02340.27560.2597稻草0.60260.03160.03210.27180.2500人粪0.41570.17530.08140.32440.2690猪粪0.42040.1
11、1480.06030.27450.2335鸡粪0.47030.08820.04550.26450.2332马粪0.45360.09460.02830.24360.2244牛粪0.27040.10460.05280.20620.1703b.原料的产气率和甲烷的含量n沼气发酵原料的产气率n指单位重量的原料在发酵过程中产生的沼气量，通常用每吨干物料产生的沼气量(m3)表示，即m3(沼气)吨(干物质)。n常用沼气发酵原料的沼气产率、甲烷含量()和产气持续时间(d)列于表中，可以查用。常用发酵原料的产沼气率原料名称每吨干物质产生的沼气量(m3)甲烷含量(%)产气持续时间(d)牲畜厩肥260-28050-
12、60-猪粪5616560牛粪2805990马粪200-3006090人粪2405030青草6307060亚麻梗3595990玉米秆2505390麦秸34259-松树叶3106965常用发酵原料的产沼气率原料名称每吨干物质产生的沼气量(m3)甲烷含量(%)产气持续时间(d)杂树叶210-29458-马铃薯梗叶260-2806060谷壳6516290向日葵梗30058-废物污泥64050-酒厂废水300-60058-碳水化合物75049-类脂化合物140072-蛋白质98050-与好氧微生物一样，厌氧微生物对原料的CN比也有一定要求。由于厌氧微生物摄取碳的速率约为氮的2530倍，因此，厌氧发酵原料
13、的最佳CN应控制在201301。当CN351时，N不足，产气量会明显下降。各物质中C和N的含量有很大差异。为了满足厌氧微生物对营养物质的需要,可以通过富N物质(粪便、下水污泥等)与贫N物质(木屑、农作物秸杆等)的合理调配、改善发酵原料的CN比。同时，也应该对其它微量营养元素(P、Na、K、Ca等)加以适当的调整和控制。混合原料C/N比的计算发酵原料料浆配制的计算（2）原料配比根据表的数据用下式可以粗略地计算出混合原料的CN比。或按要求的CN比计算出搭配原料的数量。 式中：C、N一分别为原料中C、N的百分含量() X一原料的重量(kg)发酵原料料浆的配制计算n将所需的各种发酵原料配制成料浆，可根
14、据料浆中所要求的总固体百分含量计算出加水量。 式中：MTS一发酵料浆中总固体Wt； M 一各种原料的总固体Wt； X一各种原料的重量(kg)； W一需加入的水量(kg)（3）温度温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。沼气发酵通常采用低温、中温和高温三种发酵温度。低温发酵(20)温度随气候变化，产气率不高，病原微生物难于杀灭。中温发酵(3039) 最佳温度为37，这是甲烷菌的第一个最佳活性温区，产气量中等。中温发酵过程要求1530天的停留时间，由于易于管理因此普遍采用中温发酵。 （3）温度高温发酵(4565) 适宜温度为53左右,这是甲烷菌的第二个最佳活性温区，产气率最高。高温发
15、酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施，管理复杂。但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高，发酵过程的停留时间只需1215天。甲烷产气量随温度的变化 厌氧消化过程中，甲烷厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的的产生量通常随温度的升高而增加，但在升高而增加，但在45左右有一个间断点，这左右有一个间断点，这是由于中温发酵和高温是由于中温发酵和高温发酵分别是由两个不同发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用。的微生物种群在起作用。在在45左右的温度条件左右的温度条件下对中温菌和高温的生下对中温菌和高温的生长都不利，因此，产气长都不利，因此，产气量突然下降。量突然下降。35-38；50-65 各有一个高峰各
16、有一个高峰 （4）pH值的影响（3）pH值的影响l产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH值为5.8，所以产酸阶段也称为酸性发酵。l产甲烷菌需碱性条件下生长，称为碱性发酵。当pH6.2时，产甲烷菌就会失活性。因此，在产酸菌和产CH4菌共存的厌氧消化过程中，系统的pH值应控制在657.5之间，最佳值为7.07.2。（3）pH值的影响l在正常发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值。但在突然增加进料量或改变原料时，有机物负荷过高，或消化系统中存在某些抑制物质时,对环境要求苛刻的产甲烷菌首先受到影响，从而造成系统中挥发性脂肪酸积累，pH值下降。lpH值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长。如此恶
17、性循环，将导致消化过程停止。l为了提高系统对pH值降低缓冲的能力，需要维持一定的碱度。可以通过投加石灰或含氮的物料加以调节。一般情况下，pH值控制在6.57.5时，可获得较好缓冲能力。（5） 添加物和抑制物n在发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、碳酸钙、炉灰等，有助于促进厌氧发酵，提高产气率和原料利用率，其中以添加磷矿粉的效果最佳。n同时添加少量钾、钠、镁、锌、磷等元素也能提高产气率。（5） 添加物和抑制物l有些物质会抑制发酵微生物的活性。l当发酵原料中的含氮化合物过多，如蛋白质、氨基酸、尿素等分解成铵盐，甲烷菌的生长受到抑制，厌氧过程中挥发性脂肪酸和H2气就会积累。另外，系统中O2的存
18、在也会抑制产甲烷菌的形成。此外，还有一些抑制物，当其浓度超过一定浓度时，也会不同程度地抑制氧微生物的繁殖生长。l对厌氧消化有抑制作用的物质见表。对厌氧消化有抑制作用的物质抑制物质抑制物质抑制浓度抑制浓度(mg/L)抑制物质抑制物质抑制浓度抑制浓度(mg/L)抑制性脂肪酸抑制性脂肪酸氨氮氨氮溶解性硫化物溶解性硫化物CaMgKNaCu200020001500-30002002500-45001000-15002500-45003500-5500 CdFe Cr6+ Cr3+Ni015017103500（6）接种物n厌氧消化中细菌数量和种群会直接影响甲烷的生成，不同来源的厌氧发酵接种物对产气量的不同
19、的影响。n添加接种物可有效提高消化液中微生物的种类和数量，从而提高反应器的消化处理能力，加快有机物的分解速率，提高产气量，还可以使开始产气的时间提前。n用添加接种物的方法，开始发酵时，一般要求菌种量达到料液量的5%以上。（7）搅拌n搅拌的作用n有效的搅拌可以增加物料微生物接触的机会，使系统内物料和温度分布均匀，以保证发酵装置有较高的池容产气率，且不致出现局部酸积累，还可以使产生的气体迅速排出。n搅抖方式n有机械搅拌、充气搅抖和充液搅拌三种。n对于流体或半流体状的污泥可以采用机械搅拌、气体搅拌、泵循环搅拌等方法。n对于固体状态的物料，用一般的搅拌方法难以奏效，可以通过使浸出液循环流动的方式来替代
20、搅拌方式，而达到搅拌的效果。5.3.3厌氧消化工艺n根据消化温度划分的工艺类型高温消化工艺自然消化工艺最佳温度范围是最佳温度范围是4755 ，此时有机物分解旺盛，消，此时有机物分解旺盛，消化快，物料在厌氧池内停留化快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适用于城市垃时间短，非常适用于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理圾、粪便和有机污泥的处理 。程序：培养高温消化菌、程序：培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅维持高温、投料和排料、搅拌消化物料。拌消化物料。目前我国农村都采用这目前我国农村都采用这 种消化类型。这种工艺的消种消化类型。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、化池结构简单、成本低廉、施工容易、
21、便于推广，但受施工容易、便于推广，但受季节影响明显。季节影响明显。 消化周期须视季节和地区消化周期须视季节和地区的不同加以控制。的不同加以控制。自然消化工艺原料选择原料预处理大出料入池消化产气配料加活性污泥定期出料定期加料送农田5.3.3厌氧消化工艺n根据投料运转方式划分的工艺类型连续消化工艺连续消化工艺半连续消化工艺半连续消化工艺两步消化工艺两步消化工艺投料启动后，经一段时投料启动后，经一段时间的消化产气，间的消化产气，连续定连续定量量的添加消化原料和排的添加消化原料和排出旧料；其消化时间能出旧料；其消化时间能够长期连续进行。工艺够长期连续进行。工艺易于控制，能保持稳定易于控制，能保持稳定的
22、有机物消化速率和产的有机物消化速率和产气率，但该工艺气率，但该工艺要求较要求较低的原料固形物浓度低的原料固形物浓度 启动时一次性投启动时一次性投入较多的消化原料，入较多的消化原料，当产气量趋于下降当产气量趋于下降时，开始定期添加时，开始定期添加新料和排出旧料，新料和排出旧料，以维持比较稳定的以维持比较稳定的产气率。产气率。 农村较适用农村较适用两个反应器（产两个反应器（产酸、产甲烷）；酸、产甲烷）；根据两段理论设根据两段理论设计计 连续消化工艺备料池贮气柜沉淀池厌氧消化反应池用户用户回流搅拌回流搅拌有机固体废物有机固体废物肥料肥料回流备料回流备料半连续消化工艺拌料接种入池堆沤大出料消化产气加水
23、封池池底污泥或消化原料定期或不定期出料定期或不定期出料定期或不定期加料定期或不定期加料备备料料肥料肥料活性污泥或活性污泥或其他接种物其他接种物两步消化工艺n第一个反应器的功能：水解和液化固态有机物为有机酸；缓冲和稀释负荷冲击与有害物质，并截留难降解的固体物质。n第二个反应器的功能：保持严格的厌氧条件和pH值，以利于产甲烷细菌的生长；消化、降解来自前段反应器的产物，把它们转化成甲烷含量较高的消化气，并截留悬浮固体、改善出料性质。5.3.4厌氧消化装置n5.3.4.1 水压式沼气池n5.3.4.2 长方形沼气池n5.3.4.3 红泥塑料沼气池5.3.4.1 水压式沼气池n（1）结构与工作原理n（2
24、）水压式沼气池的设计（1）结构与工作原理n结构n水压式沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池,池盖、池底具有一定的曲率半径，呈弧形。主要结构有：进料管，发酵间，出料管，水压间，出料间，导气管等几部分。（1）结构与工作原理n工作原理n启动前状态（a）：发酵间与水压间（出料间）液面处在同一水平（O-O）；此时发酵间剩余的空间为死气箱容积；n启动后状态（b）：发酵间产生的气体造成水压间液面高于发酵间，当产生的气体量最大时，发酵间的液面下降到最低位置（A-A）；n使用沼气状态（c）：发酵间压力减小，水压间液面下降，停用沼气时，继续发酵产生的沼气又使水压间液面上升，反复进行。n极限工作压强：水压间液面上升到极限位置时与发酵间的最大液面差。结构与工作原理水水压压式式沼沼气气池池1-加料管；2-发酵间；3-初始液面；4-水压间（出料间）； 7-导气管；8-沼气输送管；9-控制阀5.3.4.2 长方形沼气池长方形沼气池长方形沼气池5.3.4.3 红泥塑料沼气池半塑式沼气池半塑式沼气池5.3.4.3 红泥塑料沼气池两膜全塑式沼气池两膜全塑式沼气池5.3.4.3 红泥塑料沼气池袋式全塑沼气池袋式全塑沼气池5.3.4.3 红泥塑料沼气池干湿交替消化沼气池干湿交替消化沼气池
