固体废物污染控制工程固体废物堆肥化处理技术.ppt
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1、关于固体废物污染控制工程固体废物的堆肥化处理技术第一张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月内容内容一、概述二、堆肥化的基本原理三、好氧堆肥化的基本工艺过程四、堆肥化处理过程的几种组合形式五、影响固体废物堆肥化的主要因素六、堆肥化设备及工艺系统七、堆肥腐熟度的评价指标第二张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月一、概述一、概述1.定义 堆肥化堆肥化堆肥化堆肥化是在人工控制下,在一定的水分水分、C/N比比和通风条件下,通过微生物的发酵作用,将有机物有机物有机物有机物转变为肥料肥料肥料肥料的过程。更科学一点讲:堆肥化是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物,人为地将促进可生物降
2、解的有有机物机物向稳定的腐殖质腐殖质腐殖质腐殖质生化转化的微生物过程。堆肥化的产物称为堆肥堆肥。有机固体废物的堆肥化技术是进行稳定化稳定化、无害化无害化无害化无害化处理的重要方式之一,也是实现固体废物资源化资源化、能源化能源化能源化能源化的技术之一。第三张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2.固体废物堆肥化的意义u对城市固体废物(MSW)进行处理消纳,实现稳定化、无害化,可以避免或减轻垃圾大面积堆积,影响市容及城市垃圾自然腐败、散发臭气、传播疾病,从而对人体和环境造成危害;u可以将固体废物中的适用组份尽快地纳入自然循环(如堆肥可回归农田生态系统中)系统,促进自然界物质循环与人类社会化
3、物质循环的统一;u可以将大量有机固体废物通过某种工艺转换成有用的物质和能源(如产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质等)。u堆肥化可减重、减容均为50%。第四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2.固体废物堆肥化的意义由于城市固体废物和农业废物数量巨大,其中可生物转换利用的成分多,在当前世界上普遍存在自然资源短缺及能源紧张的情况下,堆肥化回收和利用技术的开发具有深远的意义。农业生物质资源(秸杆、稻壳、甘蔗渣、花生壳等)年产6亿吨左右。第五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月3.堆肥的作用 堆肥堆肥是一种人工腐殖质,堆肥施用后,可增加土壤中稳定的腐殖质,形成土壤的团粒结构,其作用
4、如下:u1)改善土壤的物理性能:使土壤松软、多孔隙、易耕作,增加保水性、透气性和渗水性,进而改善土壤的物理性能;u2)保肥作用:肥料成分中的氮、钾、铵等都是以阳离子形态存在,而腐殖质带负电荷,可以吸附阳离子。即堆肥可以有助于土壤保住养分,提高保肥能力;第六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 u3)螯合作用:腐殖质中某种成分有螯合作用。它能和土壤中含量较多的活性Al结合,使其变成非活性物质,抑制活性铝和磷酸结合造成的危害。同样对作物有害的铜、铝、镉等重金属也可与腐殖质反应降低其危害性;u4)缓冲作用:腐殖质具有缓冲作用。其它条件恶化时,能起到减少冲击、缓和影响的作用,如水分不足时,可
5、防止植物枯萎,起到缓冲器的作用;u5)缓效作用:堆肥具有缓效作用(缓慢持久起作用,不会损害农作物)。与硫铵、尿素等化肥中的氮不同,堆肥中的氮几乎都是以蛋白质氮形态存在。3.堆肥的作用第七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月3.堆肥的作用u6)微生物对植物根部的作用:因为堆肥中富含大量微生物,施用后,增加土壤中的微生物数量,微生物分泌的各种有效成分易被根部吸收,有利于根系发育和伸长。u总之,腐殖质能改善土壤的物理的、化学的和生物的性质,使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态,腐殖质还具有增进化肥肥效的作用。第八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月4.堆肥的原料 (1)城市生活
6、垃圾;(2)纸浆厂、食品厂等排水处理设施排出的污泥;(3)下水污泥;(4)粪便消化污泥、家畜粪尿;(5)树皮、锯末、糖壳、秸秆等。在我国:堆肥的主要原料为:(1)生活垃圾与粪便的混合物;(2)城市生活垃圾与生活污水的混合物。第九张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月4.堆肥的原料注意:注意:生活垃圾作为堆肥原料时,其可堆肥物的数量、C/N、水分等常常不能满足堆肥的要求,需要进行适当的预处理。配入粪便或某些污泥可有效地调整C/N比和水分,从而得到N、P、K含量较高的有机肥。第十张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月5.堆肥化原料特性的评价指标 我国新近颁布的城市生活垃圾堆肥处理厂
7、技术评价指标中规定:n密度:适于堆肥的垃圾密度应为 350650 kgm-3;n组成成分(湿重)%:其中有机物含量不得少于20%;n含水率:适于堆肥的垃圾其含水量为40-60%;nC/n比:垃圾的C/N为:20:130:1。第十一张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月6.肥堆产品质量及卫生要求u(1)堆肥产品质量要求(以干基计)粒度粒度:农用堆肥产品粒度12mm,山林果园用堆肥产品粒度50mm;含水率含水率:35mm;pH值值:6.58.5;全氮全氮(以N计):0.5%;全磷全磷(以P2O5计):0.3%;全钾全钾(以K2O计):1.0%;有机质有机质(以C计):10%;重金属含量重金
8、属含量:总隔(以Cd计):3mgkg-1;总汞(以Hg计):mgkg-1;总铅(以Pb计):100mgkg-1;总铬(以Cr计):300mgkg-1;总砷(以As计):30mgkg-1。第十二张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月u(2)卫生要求n n堆肥温度堆肥温度:(静态堆肥工艺)55持续d以上;n n蛔虫卵死亡率蛔虫卵死亡率:95100;n粪大肠菌值粪大肠菌值:1010;第十三张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月二、堆肥化的基本原理(一)好氧堆肥化过程的基本原理 uu1.堆肥化过程描述 同水处理一样,好氧堆肥是在通气条件下,借好氧微生物使有机物得以降解好氧堆肥温度一般在
9、5065,最高可达8090。故好氧堆肥也叫高温堆肥。第十四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月M 好氧堆肥的基本过程(1)在堆肥堆肥过程中,生活垃圾中的溶解性溶解性的有机物有机物可透过微生物的细胞壁细胞壁和细胞膜细胞膜被微生物微生物直接吸收吸收;(2)对于不溶胶体不溶胶体和固体有机物固体有机物,先附着在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶胞外酶分解为可溶性物质可溶性物质,再渗入细胞再渗入细胞。第十五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月微生物通过自身的生命活动,进行分解代谢(主要是氧化还原过程)和合成代谢(生命合成过程)将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
10、动所需要的能量;将另一部分有机物转化为生物体必须的营养物质,进而合成为新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更多的生物体,这个过程用图可表示为:分解代谢:物质分解和提供能量的代谢;合成代谢:消耗能量并合成生物体的代谢。第十六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月堆肥有机物(C,H,O,N,S,P)+O2+微生物CO2,H2O,NH3,SO42_,PO43-+能量氧化分解异化作用细胞物质(微生物生长繁殖)+腐殖物质同化作用合成释放转化为热第十七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月n堆肥过程中有机物氧化分解总的关系可用下式表示:n通常情况,堆肥成品 与堆肥原料 之比为0.30.5。
11、即 这是由于氧化分解后减量化减量化减量化减量化的结果。n一般情况,w、x、y、z可取值范围为:w=510,x=717,y=1,z=28.第十八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2 2.堆肥化过程中有机物氧化和合成的方程式堆肥化过程中有机物氧化和合成的方程式(1)氧化 A不含氮有机物(CxHyOz)B.含氮有机物()氧化(同前式)第十九张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2 2.堆肥化过程中有机物氧化和合成的方程式堆肥化过程中有机物氧化和合成的方程式 (2)细胞物质的合成 (3)细胞质的氧化第二十张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2 2.堆肥化过程中有机物氧化和
12、合成的方程式堆肥化过程中有机物氧化和合成的方程式以纤维素为例,好氧堆肥中纤维素的分解反应为:第二十一张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月3 3.好氧堆肥化过程的三个阶段(好氧堆肥化过程的三个阶段(231231233233)(1)中温阶段(3040,13天)(2)高温阶段(4565,38天)(3)降温阶段(4)腐熟阶段 通常,利用堆肥温度温度的变化变化作为堆肥过程(阶段)的评价指标。(2030天)第二十二张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月高温阶段降温阶段府熟阶段升温阶段产酸过程水溶物降解腐殖酸形成聚合物降解高温阶段,微生物按其活性又可分为:对数增长期、减速增长期和内源呼吸期
13、NH3的形成第二十三张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(二)厌氧堆肥化过程的原理 1.堆肥过程中厌氧发酵的堆肥过程中厌氧发酵的两个阶段两个阶段两个阶段两个阶段厌氧堆肥化是在无氧无氧无氧无氧条件下,借厌氧微生物厌氧微生物厌氧微生物厌氧微生物的作用来进行的。下面用图来说明有机物的厌氧发酵分解过程:堆肥有机物+微生物细胞物质有机酸、醇+微生物CO2,NH3,H2S,PH3等+Q细胞物质CO2,CH4,+Q产酸阶段(在产酸菌作用下)酸性发酵阶段。产气阶段(在甲烷菌作用下),碱性发酵阶段。第二十四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2 2.堆肥化的厌氧分解反应式(堆肥化的厌氧分解反
14、应式(堆肥化的厌氧分解反应式(堆肥化的厌氧分解反应式(以纤维素为例):):总反应式为:第二十五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(三)堆肥过程的动力学原理 1 1.酶促(催化)反应动力学酶促(催化)反应动力学酶促(催化)反应动力学酶促(催化)反应动力学 作为生化转化过程的堆肥化技术,酶在其中起着十分重要的作用。因此,有机废物的堆肥化过程,可近似地看作是酶催化反应过程。酶酶与与底物底物的反应机理可表示为的反应机理可表示为:S底物,E游离酶,ES中间产物(复合物),P产物。第二十六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(1)平衡态法该法认为,S与E生成中间复合物一步为可逆反应,
15、可很快达到平衡;生成产物一步的速率较慢,是速率控制步骤。据此假设,有:第二十七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月因为:所以:式中,Ce游离酶的浓度,moll-1;Cs底物的浓度,moll-1;Ks离解常数,moll-1第二十八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月又酶的总浓度所以 式(6)代入式(2),得 P的最大生成速率,moll-1s-1;酶的总浓度,或酶的初始浓度,moll-1第二十九张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(2)“拟稳态法”该法认为,底物浓度Cs比酶的 高得多,复合物ES分解时所得到的酶又立即与底物相结合,即CES基本维持不变,即据此假设,有:
16、底物的消耗速率:第三十张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月中间复合物的生成速率 式(11)与式(10)比较,可得:又因为酶的总浓度 将Ce代入式(11),整理,得第三十一张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月故(15)此即为著名的米氏方程。Km米氏常数,molL-1Km 与KS的关系:讨论:从式(15)可知:当底浓度很大时,即CsKm时,即 与酶的初始浓度 成正比,而与Cs无关,故呈0级反应,此种情况,只有 才可 ;第三十二张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 当Cs Km时,则 即基质降解 为一级反应,Cs可 ;当Km=Cs时,则 ,它表示酶被底 物饱和时,达到最
17、大反应速率一半时,所需的底 物浓度。在堆肥化过程中,可以 或Km度量有机废物在不同工艺条件下的发酵速率,从而可借以比较和优化工艺条件。这几种情况用图表示如下:第三十三张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月零级反应区混合反应区(0n1)一级反应区(n=1)0CS第三十四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 和和K Kmm的求法的求法的求法的求法:我们利用Lineweaver-Burk的双倒数作图法,先将米氏议程变为:由此可见,与 成线性关系,因此,实验时,测定不同Cs下的 ,以 对 作图,得到直线:第三十五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月则可求出 和km。则可求出
18、 和Km。第三十六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月在堆肥中堆肥中,的求法:在堆肥化实验中,采用微分法求出 ,即在不同时间内分析样品中的含C量,根据 的变化曲线,求曲线上任一点切线的斜率,即为该浓度时的 ,以 对 作图,求得km和 。要找出堆肥化过程的最佳条件,必须从动力学方面去分析,使堆肥工艺过程真正纳入科学化的轨道,逐步由定性向定量方向发展。第三十七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月2.微生物反应动力学微生物反应动力学(1)细胞生长动力学A对数生长期对数生长期阶段,细胞生长不受基质浓度限制,即 所以第三十八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月uB减速期:(
19、3)l 受基质浓度限制。uC静止期:(4)l 细胞死亡速率常数。l 最大细胞浓度 第三十九张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月uD衰亡期:l 细胞死亡速率:l 式中,Cx细胞浓度;Cs基质浓度;Co氧浓度;Cp产物浓度。第四十张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月Monod(现代细胞生长动力学的奠基人)方程(1942年):S-1 (6)与米氏方程形式一致。但米氏方程自反应机理推导而来,而Monod方程自经验得出,叫唯象方程或形式动力学。第四十一张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(2)底物(基质)消耗动力学u比速率 (7)l 最大比基质消耗速率;l =细胞得率;第四
20、十二张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(3)代谢产物生成动力学u (8)分二种情况:胞内代谢产物生成速率 (9)l 细胞内代谢产物的含量l比生成速率:(10)胞外代谢产物生成速率 (11)la、b、c均为常数第四十三张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月例题题葡萄糖在葡萄糖异构酶存在时转化为果糖的反应机理式为:试分别采用:(1)平衡态法;(2)拟稳态法,求其速率方程式。第四十四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月解(1)平衡态法 (1)因为 (2)所以 (3)又据平衡假设有:(4)(5)第四十五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 即:故:(6)式(6)
21、代入(3),得:(7)第四十六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(2)拟稳态法接18页的公式第四十七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 题8 有一酶催化反应,Km=2*10-3 mol.L-1,当底物的初始浓度为1.0*10-5 mol.L-1时,若反应进行1min,则有2%的底物转化为产物。试求出:(1)当反应进行3min,底物转化为产物的%是多少?此时底物和产物的浓度分别是多少?(2)当Cs0=1*10-6 mol.L-1时,也反应了3min,Cs=?Cp=?(3)最大反应速率值为多少?第四十八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月 解 (1)Xs=6%,C
22、s=0.94*10-5 mol.L-1,Cp=6*10-7 mol.L-1 (2)Xs=6%,Cs=0.94*10-5 mol.L-1,Cp=6*10-8 mol.L-1 (3)rmax=4.04*10-5 mol.L-1 min-1第四十九张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月(1).因为Cs050就可称为高温阶段 随着堆温的升高,最适宜温度4565的嗜热菌,取代了嗜温菌,可将堆肥中残留的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化,一些复杂的有机物也开始被强烈地分解。需时:38天。此后,将进入堆肥化的降温阶段。通常将温度高到开始降低为止的阶段,称为主发酵期。城市垃圾好氧堆肥的主发酵期约为4
23、12天。第五十四张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月uu3 3后发酵后发酵后发酵后发酵(二次发酵或降温阶段):2030天。后发酵也可设在专设仓内进行。经高温阶段的主发酵过程,大部分易于分解和较易分解的有机物(如纤维素等)已得到分解,剩下的是木质素等较难分解的有机物及形成的腐殖质。这时,微生物活动减弱,产热量减少,温度逐渐下降,嗜温或中温性微生物成为优势菌种,残余物进一步分解,腐殖质继续积累,堆肥进入腐熟阶段。需时:2030天。uu4 4后处理后处理后处理后处理 后处理主要去除在前处理工序中还未完全去掉的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物。去除设备主要为回转式振动筛、磁选机、风选机等
24、。第五十五张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月uu5脱臭脱臭 堆肥过程的每道工序均有臭气产生,主要有NH3、H2S、甲基硫醇、胺类等。方法主要有:化学除臭剂除臭;水、酸、碱溶液吸收法;臭氧氧化法;活性炭、沸石、熟堆肥吸附法。u 6 6贮存贮存贮存贮存 堆肥厂:至少容纳6个月产量的贮藏设备。第五十六张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月四、堆肥化处理过程的几种组合形式根据城市垃圾堆肥化系统有无预系统及其组合形式可分为以下几种形式:分选破碎破碎分选分选破碎分选分选破碎(半湿式)发酵设备第五十七张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月各种组合形式均根据垃圾的成分、尺寸大小、资
25、源化要求等,采用不同的发酵设备。例如:无锡机械化堆肥化处理技术采用第三种形式,天津大港机械化堆肥化处理技术采用第二种形式,武汉、上海则采用第五种形式。第五十八张,PPT共一百一十五页,创作于2022年6月五、影响固体废物堆肥化的主要因素 影响的主要因素有:通风供氧(需氧量),堆料的含水率,温度(最主要的发酵条件),其它尚有有机物含量、颗粒度、C/N、C/P、pH值等。u(一)通风的作用及其控制 1 1.理论需氧量和理论空气量理论需氧量和理论空气量理论需氧量和理论空气量理论需氧量和理论空气量(微生物氧化分解有机物需要氧气)需氧量主要取决于:堆肥原料中的有机物含量、挥发度(%)、可降解系数(分解效
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