固体废弃物处理与处置课程教案.pdf

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1、固体废弃物处理与处置课程教案第九章 可生化降解固体废物的处理与利用第一节好氧生物降解制堆肥单位：地理科学与环境科学系姓名：张海东第九章 可生化降解固体废物的处理与利用教学目的和要求：1使学生对生化法处理有机固体废物的理论和实践知识有一定的了解。2理解下列名词的含义：堆肥化、堆肥、一次发酵。3了解堆肥化系统分类方法，好氧法制堆肥原理、熟悉堆肥原料与堆肥微生物，好氧堆肥程序，影响好氧发酵过程的主要因素。本章重点：好氧堆肥原理，堆肥微生物，影响好氧发酵过程的主要因素本章难点：好氧堆肥工艺与装置，特别是丹诺法和浆叶式发酵塔教学时数：2 学时教学方法：讲授教学手段：多媒体引入人类在长期的生产实践中，早已

2、懂得利用秸秆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵制作肥料。但都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生物转化作用，发酵周期长，处理量小。上世纪 20 年代，出现了机械堆制技术，并逐渐发展成为处理生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便以及农林废物等的重要方法之一。第一节 好氧生物降解制堆肥一、堆肥化的概念以及发展历史1 1 堆肥化（composting）是在控制条件下，使来源于生物的有机废物，发生是在控制条件下，使来源于生物的有机废物，发生生物稳定作用生物稳定作用（biostablization）的过程的过程。实质上是利用污泥中的好氧微生物进行好氧发酵的过程。将污泥按一定比例与各种秸秆、稻草、锯末

3、、树叶等植物残体，或者与草炭、粉煤灰、生活垃圾等混合，借助于混合微生物群落，在潮湿环境中对多种有机物进行氧化分解，使有机物转化为类腐殖质。这一定义强调强调：（1）堆肥原料来自生物界；（2）堆制过程需在人工的控制下进行，；（3）堆制过程的实质是生物化学过程。堆肥堆肥 经过堆肥化处理，制得的成品。又称为“腐殖土”。2堆肥化的发展历史现代的堆肥方法是在上世纪初发展起来的，主要分为四个过程，每个过程以一种典型的装置为代表，做如下划分：班加罗法(1925)：爱德华.霍华德首先进行。固定式固定床：Schweinfurt 和 Biel丹诺装置(Dano)：立流移动式搅拌发酵仓：Earp-Thomas 法3

4、3 堆肥的工艺类型按堆制堆制方式分为：间歇间歇堆积法和连续连续堆积法按原料发酵状态原料发酵状态分为：静态静态发酵和动态动态发酵按需氧程度需氧程度分为：好氧好氧堆肥和厌氧厌氧堆肥二、堆肥的基本原理自然界有很多微生物具有氧化、分解氧化、分解有机物的能力，因此，利用微生物在一定温度、湿度和 pH 值条件下，使有机物发生生物化学降解，形成一种类似腐殖质的物质，用作肥料和改良土壤。1 好氧堆肥的基本原理好氧堆肥是在有氧有氧的条件下、借好氧微生物好氧微生物（主要是好氧菌好氧菌）的作用来进行的。生活垃圾中的溶解性有机质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，由于生

5、物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量能量，把另一部分有机物转化为生物体所必须的营养物质，合成合成新的细胞物质。下图可以简单说明这个过程。合成合成堆肥有机堆肥有机 物物2 2细胞物质腐殖物质细胞物质腐殖物质氧化氧化COCO2 2、H H2 2O O、NHNH3 3、POPO4 42-2-、SOSO4 42-2-+好氧堆肥原理图好氧堆肥原理图（1）有机物的氧化不含氮有机物的氧化CxHyOz+(x+y/2z/2)O2xCO2+y/2H2O+能量(9-1)含氮有机物的氧

6、化CsHtNuOvaH2O+bO2CwHxNyOzcH2O(堆肥)+dH2O（气）+eH2O（水）+fCO2+gNH3+能量(9-2)（2）细胞质的合成n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5x)O2C5H7NO2(细胞质)(nx-5)CO2+(ny-4)/2 H2O+能量(9-3)（3）细胞质的氧化C5H7NO2(细胞质)5O25CO2+2 H2O/2+NH3+能量(9-4)2 厌氧堆肥的基本原理厌氧堆肥是在无氧无氧的条件下，借厌氧微生物厌氧微生物（主要是厌氧菌厌氧菌）的作用来进行的。当有机物厌氧分解时，主要经历了两个阶段：酸性发酵阶段酸性发酵阶段和碱性发酵阶碱性发酵阶段段

7、。分解初期，微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢、磷化氢等。在这一阶段，有机酸大量积累，pH 值逐渐下降；第二阶段在产甲烷细菌 作用下，有机酸和醇开始分解，产物主要是甲烷和二氧化碳。下图可以简单说明这个过程。细胞物质细胞物质堆堆肥有肥有 机物机物 2 2细胞物质细胞物质COCO2 2、H H2 2O O、NHNH3 3、COCO2 2、CHCH4 4+能量能量产酸阶段产酸阶段产气阶段产气阶段厌氧堆肥原理图厌氧堆肥原理图三、堆肥原料与堆肥微生物1 原料堆肥的原料有以下几种：城市生活垃圾、污泥、禽畜粪便、植物秸秆和其它农林废物、高浓度有机废液、厨余和食品废物。2 堆肥微生物好氧

8、法堆肥过程中，参与有机物生化降解的微生物包括两类：嗜温菌嗜温菌和嗜热嗜热菌菌。两类微生物生活、繁殖的温度范围见下表。温度常温38嗜温菌激发态嗜热菌不适用384545555560607070抑制态毁灭期不适用可开始生长激发态抑制状态抑制状态毁灭期微生物生活、繁殖的温度范围微生物生活、繁殖的温度范围固体废物好氧微生物降解过程，依据温度变化，大致分为三个阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群：（1）中温阶段中温阶段：嗜温菌活跃；（2）高温阶段高温阶段：嗜温菌活动受到抑制，嗜热菌活跃；（3）降温阶段降温阶段：嗜热菌活动受到抑制，嗜温菌活跃；四、堆肥程序、工艺和装置1 堆肥工艺程序现代化的堆肥生产一般采用

9、好气堆肥工艺，它通常由预处理预处理、发酵发酵（一次发酵和二次发酵）、后处理后处理、脱臭脱臭和贮藏贮藏五个工序组成。（1）预处理：包括破碎、分选以及添加水分、调节碳氮比等；（2）发酵：分为一次发酵和二次发酵一次发酵：好氧堆肥的中温和高温两个阶段的微生物代谢过程成为一次发酵或主发酵。一般需要 1020 天。二次发酵：物料经过一次发酵，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，将其进行二次发酵，使之腐熟。一般需要 2030 天。（3）后处理：指出去质物和进行必要的破碎处理等；（4）脱臭：部分堆肥工艺和堆肥在堆制过程中和结束后，会产生臭味，必须进行脱臭处理。（5）贮藏：堆肥一般在春秋两季使用，在夏冬就

10、必须积存。方式有直接堆放在发酵池中或袋装，在干燥通风的环境下保存。2 发酵工艺和装置（1）间歇式发酵工艺与装置间歇式发酵工艺是将原料分批发酵，一批原料堆积后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖土后运出。该工艺的一次发酵周期只需 10 天左右，故可以加快发酵池的周转，还由于第一次发酵后将非堆腐物排出，可使堆肥体积减少 1/2。发酵装置示意图见 P234 图 93（2）连续发酵工艺与装置连续发酵工艺采取连续进料和连续出料方式发酵，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。该工艺装置类型众多，下面以丹诺发酵器和浆叶式发酵塔为代表作介绍：a 丹诺发酵器丹诺发酵器：丹诺法是一种比较古老的但是至今仍然

11、在普遍使用的好氧堆肥技术。丹诺发酵器是其关键的核心设备（见 P235 图 94）。B 浆叶式发酵塔浆叶式发酵塔：（见 P236 图 95）五、影响好氧发酵过程的主要因素影响好氧发酵过程的主要因素有以下几种：1有机物含量有机质高低的影响：温度，氧，微生物的生长。我国的处理方法：（1）对堆肥原料进行预处理；（2）在发酵前加入一定是的调节剂（物料平衡方程式）；（3）城市生活垃圾与污泥混合堆肥。2含水率从 P237 图 96 垃圾含水率与细菌生长和氧摄入量的关系曲线可以看出，微生物的生长和对氧的要求均在含水率为 5060时达到峰值。所以一般以含水率 55为最佳值。含水率可以通过添加粪稀或污水污泥等进行

12、调节，所添加的调节剂与垃圾的重量比，可以通过 P237 式 95 求出：M (WmWc)/(WbWm)（95）式中：M调节剂与垃圾的重量比Wm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率、调节剂含水率3.通风和耗氧速率通风可以提供氧气以参与微生物的发酵过程；通过供气量的控制，调节最适温度；在维持最适温度的条件下，加大通风量可以去除水分。（1 1）供氧方式）供氧方式：翻堆通风、自然扩散、被动通风、强制通风（2 2）通风情况评估：）通风情况评估：排气中 O2分压大于 14，则表示空气中氧的消耗不到 1/3；最佳排气 O2浓度为 1417；如排所中 O2体积浓度降至 10，则表示好氧发酵停止；如用排

13、气中 CO2浓度来代替 O2浓度作为监测参数，则最佳 CO2的体积浓度应为 36。（3 3）强制通风控制方式：）强制通风控制方式：通风速率恒定的时间控制；通风速率变化的时间控制；温度反馈控制；通风速率变化的时间温度控制；微电脑控制；O2和 CO2含量反馈控制。4碳氮比堆肥物料最佳碳氮比：2535：1；堆肥成品中一般为 1020：1；过低：能量不足，分解缓慢不彻底；过高：“氮饥饿”；碳氮比的可以通过式（96）计算所需添加的氮源物质的数量KC1C2N1N2（96）式中：K混合原料的碳氮比，通常取最佳范围值，配合后为 35：1；C1、C2、N1、N2分别为有机原料和添加物料的碳、氮含量。一些主要有机

14、废物的碳氮比（均值）物质大便小便家禽肥料屠宰场废物活性污泥马齿苋嫩草杂草马厩肥5.56.515186.3710564.542.42.3610:10.8:12:16:18:112:119:125:1物质厨房垃圾羊厩肥猪厩肥混合垃圾农家庭院垃圾牛厩肥干麦秸干稻草玉米秸2.158.753.751.052.151.70.530.630.7525:134:114:118:187:167:153:15温度从 P240 图 98 堆肥温度与二氧化碳生成速度的关系曲线，以中可以看出整个堆肥过程的较佳温度是 3555。在堆肥的过程中，温度的调节可以通过通风来控制。6pH 值好氧堆肥初期，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 7.08.0。重要内容提示1.堆肥化、堆肥、一次发酵的定义2.堆肥的基本原理3.丹诺发酵器和浆叶式发酵塔的比较4.好氧速度、水分、和有机质含量是如何影响堆肥过程的思考题与焚烧法相比较，堆肥化处理有机固体废物的优缺点是什么？参考资料固体废物处理与资源化（李国学主编，中国环境科学出版社）城市垃圾堆肥原理与工艺（陈世和，张所明.复旦大学出版社）