固体废物的生物处理 (2).ppt

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1、固体废物的生物处理基本概念F 什么是生化降解？依 靠 自 然 界 广 泛 分 布 的 微 生 物 的 作 用，通 过 生物 转 化，将 固 体 废 物 中 易 于 生 物 降 解 的 有 机 组分 转 化 为 腐 殖 肥 料、沼 气 或 其 他 化 学 转 化 品，如 饲 料 蛋 白、乙 醇 或 糖 类，从 而 达 到 固 体 废 物无害化的一种处理方法。生物降解的意义F 对城市固体废物进行处理，实现稳定化、无害化 减轻城市垃圾的大量堆积，影响市容F 促进自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一 生产堆肥来施肥、改造土壤，回归农田生态系统F 将 大 量 有 机 固 体 废 物 通 过 各 种

2、工 艺 转 换 成 有 用 的 物质和能源 产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质生物处理的分类F 好氧生物处理 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F 厌氧生物处理 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、稳定的无害化处理生物处理的应用F 堆肥化 固 体 废 物 堆 肥 处 理，可 生 产 有 机 肥，改 善 土 壤性能和提高肥力，维持农作物高效高产。F 沼气 在 隔 绝 空 气 和 保 持 一 定 水 分、温 度、酸 碱 度 条件 下，经 过 多 种 微 生 的 发 酵 作 用 产

3、 生 的 以 甲 烷为主的气体混合物。污泥厌氧消化、填埋场生物降解产生沼气微生物对固体废物的转化F 纤维素的生物转化F 半纤维素的转化F 果胶质的转化F 淀粉的生物转化F 脂肪类物质的生物转化F 蛋白质的生物转化F 木质素的生物降解纤维素的生物转化F 分子式(C6H10O5)140010000,有机固体废物的重要成分。F 分解微生物：细菌、放线菌、真菌F 降解过程纤维素 纤维二糖 葡萄糖CO2+H2O丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2纤维素酶 纤维二糖酶 氧化酶丙酮-丁醇发酵丁酸发酵半纤维素的生物转化F 存在于植物细胞壁中，含量很高F 一般由聚戊糖、聚已糖和聚糖醛酸等组成F

4、 也有由木聚糖、半乳糖或粮醛等组成F 分解速度比纤维素快半纤维素单糖+糖醛酸CO2+H2O发酵的种产物+H2O聚糖酶好氧分解厌氧分解果胶质的转化F 天然不溶性物质，高等植物的主要成分F 主 要 由D-半 乳 糖 醛 通 过-1,4-糖 苷 键 连 接 而 成 的 直 链 高 分子化合物F 分 解 微 生 物 有 好 氧 菌(枯 草 杆 菌、多 粘 芽 孢 杆 菌)、厌 氧 菌(蚀 果 胶 梭 菌、费 新 尼 亚 浸 麻 梭 菌)、真 菌(青 霉、曲 霉、木霉)和放线菌原果胶+H2O 可溶性果胶+聚戊糖原果胶酶可溶性果胶+H2O 果胶酸+甲醇果胶酸+H2O半乳糖醛酸果胶甲脂酶聚半乳糖酶淀粉的生物

5、转化F 一种多糖，分子式(C6H10O5)1200F 异养微生物的能源和碳源淀粉 糊精 麦牙糖 葡萄糖CO2+H2O乙醇+CO2丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2糊精酶 麦牙糖苷酶 葡萄糖苷酶好氧分解厌氧分解丙酮-丁醇发酵丁酸发酵脂肪类物质的生物转化脂肪甘油+高级脂肪酸类脂质 甘油或其他醇类+高级脂肪酸蜡质高级醇+高级脂肪酸+H2O脂肪酶类+H2O磷脂酶类+H2O酯酶类蛋白质的生物转化F 生物体的一种主要组成物质和营养物质F 存在工业废水、生活污水和城市生活垃圾F 分解有两个阶段：胞外水解和胞内分解F 分 解 微 生 物 主 要 有：好 氧 细 菌、兼 性 厌 氧 菌、厌

6、氧菌、真菌和放线菌蛋白质 蛋白胨 多肽 氨基酸蛋白酶(内肽酶)蛋白酶(内肽酶)肽酶(内肽酶)木质素的生物降解F 高分子芳香族聚合物，存于植物组织细胞壁中F 结构十分复杂，最难分解F 由 木 质 素 降 解 菌 先 降 解 为 芳 香 族 化 合 物，再 由 多种微生物继续分解。固体废物的堆肥化F 堆肥化(Composting)在 控 制 条 件 下，利 用 自 然 界 广 泛 分 布 的 细 菌、放 线 菌、真 菌 等 微 生 物，促 进 来 源 于 生 物 的 有机 废 物 发 生 生 物 稳 定 作 用，使 可 被 生 物 降 解 的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。F 堆肥 废物经

7、过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥。它 是 一 类 腐 殖 质 含 量 很 高 疏 松 物 质，也 称 腐 殖土。废 物 经 过 堆 制，体 积 一 般 只 有 原 体 积 的5070%。堆肥产品质量要求F 粒度 农用堆肥产品粒度 12mm 山林果园用堆肥产品粒度 50mmF 含水率 35%FpH 值 6.58.5F 全氮 以N 计，0.5%堆肥产品质量要求F 全磷 以P2O5计，1.0%F 全钾 以K2O 计，10%F 有机质 以C 计，10%F 重金属含量 总镉3mg/kg 总汞5mg/kg 总铅100mg/kg 总铬300mg/kg 总砷30mg/kg堆肥作用F 土 质 松 软，多 孔 隙

8、，易 耕 作，增 加 保 水 性、透 气 性及渗水性，改善土壤的物理性能。F 保住土壤养分提高保肥能力。F 螯合作用F 缓冲作用F 调节植物生长的作用，有助于根系发育和伸长F 增加土壤中微生物数量F 作为CO2 的供给源堆肥化系统分类F 按堆制方式 间歇堆积法 连续堆积F 按发酵所处状态 静态发酵法 动态发酵法F 按堆制过程的氧程度 好氧法 厌氧法好氧堆肥F 什么是好氧堆肥？在 有 氧 条 件 下，好 氧 菌 对 废 物 进 行 吸 收、氧 化、分 解。微 生 物 通 过 自 身 的 生 命 活 动，把 一 部 分 被 吸 收 的 有 机 物氧 化 成 简 单 的 无 机 物，同 时 释 放

9、出 可 供 微 生 物 生 长 活 动所 需 的 能 量，而 另 一 部 分 有 机 则 被 合 成 新 的 细 胞 质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多的生物体的过程。堆肥有机物(含C、N、H、P、S)氧、微生物CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-细胞物质(微生物繁殖)能量分解随水或气体排入环境释放或转换为热合成+(异化作用)(同化作用)提供生物合成用好氧堆肥原理F 有机物氧化 不含氮的有机物(CxHyOz)的氧化 含氮有机物(CsHtNuOv aH2O)氧化F 细胞质的合成(有机物的氧化、并以NH3作为氮源)F 细胞质的氧化好氧堆肥过程F 中温阶段(起始阶段)不 耐 高 温 的

10、细 菌 分 解 有 机 物 中 易 降 解 的 葡 萄 糖、脂肪 和 碳 水 化 合 物 等，同 时 释 放 出 热 量 使 温 度 上 升。温度可达1540。F 高温阶段 耐 高 温 菌 迅 速 繁 殖，在 供 氧 条 件 下，大 部 分 较 难 降解 的 有 面 物(蛋 白 质、纤 维 等)继 续 氧 化 分 解，同 时释放出大量热能，使温度上升至6070。F 降温阶段(熟化阶段)冷 却 后 的 堆 肥，一 些 新 的 微 生 物 借 助 残 余 有 机 物 而生长，将堆肥过程最终完成。堆肥原料F 生活垃圾 不 可 堆 腐 的 物 质 较 多，需 通 过 预 处 理，适 当 排 除，才能作

11、堆能原料。F 有机垃圾 已 经 经 过 胃 肠 系 统 的 充 分 消 化，一 般 颗 粒 较 小，含 有 大 量 低 分 子 化 合 物-人 和 动 物 未 吸 收 消 化 的中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。F 人和禽畜粪便 富 含 微 生 物 生 活 系 列 所 需 的 营 养 成 分，是 堆 肥 的好原料。F 农林废物 富含碳素，需作预处理，才能作堆肥使用。堆肥微生物F 嗜温菌F 嗜热菌细菌 最低 适宜 最高嗜温菌1525 2540 43嗜热菌2545 4050 85堆肥基本工序F 野外人工堆肥 操作简单，费用低廉 垃 圾、污 泥 或 粪 便 按 一 定 配 比 调 配，在 野

12、 外 空 地 堆 成 平 行 条堆 人工定期翻动(12 次/周)F 工厂化机械堆肥堆肥程序F 原料预处理 包括分选、破碎以及含水率和碳氮比调整F 原料发酵 一次发酵 周期长达30 天以上 二次发酵 周期一般为20 天F 后处理 包括去除杂质和进行必要的破碎处理间歇式发酵工艺与装置(露天堆肥法)F 需先预处理 根据含水率和碳氮比、确定原料配比。F 废 物 堆 积 后 不 再 添 加 新 料，让 其 中 的 微 生物 参 与 生 物 化 学 反 应，使 废 物 转 变 为 腐 殖 土的产物，然后运出。F 前 期 一 次 发 酵 大 约 需5 周，1 周 要 翻 动12 次，经 过510 周 熟 化

13、 稳 定 二 次 发 酵，全 部 过 程需要3090 天。F 该法要求场地坚实、不渗水。100t/d 垃圾实验厂处理工艺流程生活垃圾 磁选手选 振动格筛一次发酵磁选双层滚筒筛锤式破碎 二次发酵 腐熟堆肥100t/d粗大物质去除部分有用物质回收大于100mm 去除送填埋或焚烧调节水分、通风碳氮比回收金属大于40mm 填埋或焚烧1240mm小于12mm立式圆筒发酵仓连续发酵工艺与装置(工厂化机械堆肥)F 采用成套密闭式机械连续堆制 使 原 料 在 一 个 专 门 设 计 的 发 酵 器 中 完 成 温 和 高温 发 酵 过 程，然 后 将 物 料 运 往 发 酵 室 堆 成 堆 体，再熟化。该 法

14、 具 有 发 酵 快、堆 肥 质 量 高、能 防 臭、能 杀列全部细菌，成品质量高。连 续 堆 肥 法 采 用 的 发 酵 器，一 般 分 为 立 式 发 酵器和卧式发酵器。立式多层圆筒堆肥发酵塔堆肥过程影响因素(1)F 有机物含量 适 宜 的 有 机 物 含 量 为2080%，有 机 物 含 量 过 低，不 能 提 供 足 够 的 热 能，影 响 嗜 热 菌 增 殖，难 以 维持高温发酵过程。有 机 含 量 大 于80%时，堆 制 过 程 要 求 大 量 供 氧，实践常因供氧不足而发生部分厌氧过程。堆肥过程影响因素(2)F 供氧量 供氧不足，大量微生物死亡，分解速度慢 冷 空 气 过 量 使

15、 温 度 降 低，不 利 于 耐 高 温 菌 的 氧 化 分解 实际供氧量为理论空气量210 倍 供氧方式靠强制通风和翻堆搅拌完成堆肥过程影响因素(3)F 含水量 水的作用 溶解有机物，参与微生物的新陈代谢 调节堆肥温度堆肥过程影响因素(4)F 碳氮比 微 生 物 分 解 的 速 度 随 碳 氮 比 而 变，微 生 物 自身的碳氮比约为430。碳 氮 比 在10 左 右 时，有 机 物 被 微 生 物 分 解 速度最大。适宜的碳氮比应在2035 之间。堆肥过程影响因素(5)F 碳磷比 磷对微生物的影响也很大，适宜的碳磷比为75150。垃 圾 发 酵 时 添 加 污 泥 就 是 利 其 中 丰

16、富 的 磷 来 调 整 堆 肥 的碳磷比。F pH 值 微生物生长的重要条件 堆 肥 初 期，酸 性 细 菌 作 用，pH 值 降 到5.56.0，堆 肥 物料呈酸性 由 于 以 酸 性 物 为 养 料 细 菌 的 生 长 和 繁 殖，导 致pH 上 升，堆肥结束后，物料pH 值上升到8.59.0。用 有 机 污 泥 作 堆 肥 原 料 时，需 作pH 值 调 整，因 为 污 泥 经压滤成饼后，pH 值较高。堆肥过程影响因素(6)F 颗粒度 空 隙 率 及 空 隙 的 大 小 取 决 于 颗 粒 大 小 及 结 构 强度 颗粒间空隙小，不利于通风供氧。物 料 颗 粒 的 平 均 适 宜 粒 度

17、 为1260mm，最 佳 粒径随垃圾物理特性而变化。堆肥过程影响因素(7)F 温度 堆肥过程的适宜的温度为3555 有机物含量对堆肥温度有一定影响 有 机 物 含 量 由20%上 升 到50%时，相 应 地 初 堆 时 间 由原 来 的60 小 时 缩 短 到44 小 时，55 以 上 的 稳 定 时 间 可由56 小时延长到72 小时。堆肥的腐熟度及其测定F 腐熟度 反应堆肥过程进行的程度 堆 肥 腐 熟 的 大 致 标 准 是 不 再 进 行 激 烈 的 分 解，成品温度低，呈茶褐色或黑色，不产生恶臭。F 判定标准 物理方法 化学方法 生物活性 植物毒性物理方法F 温度 前期发酵的终点温度

18、是微生物活动的尺度F 气味 刺鼻性气味在堆肥过程中逐渐减弱，堆肥结束后消失。F 色度 淡灰逐渐变成发黑，腐熟后堆肥产品呈黑褐色或黑色。F 残余浊度和水电导率 堆 肥 时 间 为714 天 的 堆 肥 产 物 在 改 进 土 壤 残 余 浊 度 和 水电导率方面具有最适宜的影响F 光学性质 堆肥在波长665nm 下吸光度的变化，可反映堆肥腐熟度化学方法F 挥发挥性固体(vs)检测的专一性和灵敏度较差F 化学需氧量(COD)具有与Vs 同样的局限性F 淀粉和纤维素 堆肥中两类特殊物质F 碳氮比(CN)受原料C/N 影响太大C 的测定比较困难生物活性F 呼吸作用CO2生成速率与耗氧速率具有很好的相关

19、性。标志有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度F 微生物种群及数量 微生物数量及种群的变化，反映堆肥代谢情况。堆 肥 的 不 同 时 期，堆 肥 的 温 度 不 同，微 生 物 的 种 群和数量也随之相应变化F 酶学分析 水 解 酶 的 较 高 活 性 阶 段 可 反 映 堆 肥 的 降 解 代 谢 过 程而在较低活性时则反映堆肥达到腐熟。植物毒性F 发芽实验 植 物 在 未 腐 熟 的 堆 肥 中 生 长 受 到 抑 制，在 腐 熟的堆肥中生长得到促进 堆肥的腐熟水平可由植物生长的生物量来表示 植物毒性可用发芽指数测定植物毒性F 植物生长 未 腐 熟 的 堆 肥 含 合 植 物 毒 性 物 质

20、，对 植 物 的 生长产生抑制作用 用 堆 肥 和 土 壤 混 合 物 中 植 物 的 生 氏 状 况 来 评 价堆肥腐熟度 考 虑 堆 肥 腐 熟 度 的 实 用 意 义，植 物 生 长 试 验 应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法：一 些 农 作 物 包 括 黑 麦 草、黄 瓜、大 白 菜、胡 萝卜、向日葵和番茄可用来测试堆肥的腐热性。检测方法F 淀粉测试法 淀 粉 与 碘 络 合 物 利 用 这 种 络 合 物 的 颜 色 变 化 来 判 断 堆 肥的降解程度 深蓝浅蓝灰线黄F 氮素试验法 完全腐熟的堆肥含有硝酸盐、亚硝酸盐和少量氯 末腐熟的堆肥则含大量氨而不含硝酸盐。碘化钾溶液遇

21、痕量氨呈黄色，遇过量氨呈棕褐色 Grless 试剂与亚硝酸盐反应呈红色F 耗氧速率法 好氧微生物分解有机物使堆肥物质逐渐稳定腐熟 O2的消耗速率和CO2的生成速率反映堆肥的腐熟程度。测氧枪构造有机物的厌氧发酵F 什么是厌氧发酵？指 有 机 物 在 特 定 的 厌 氧 条 件 下，微 生 物 将 有 机质 进 行 分 解，其 中 一 部 分 碳 素 物 质 转 化 为 甲 烷和二氧化碳的过程。F 厌氧发酵的特点 分 解 有 机 物 产 生 的 大 部 分 能 量 转 化 储 存 在 甲 烷中 小部分有机碳化物氧化成二氧化碳 氧化过程释放的能量作为微生物生长的能量有机物的分解代谢过程F 碳水化合物

22、的分解 纤维素分解 纤维在酶的作用用水解成葡萄糖 葡萄糖在细菌的作用降解成丁酸、乙酸，最后生成CH4和CO2 糖类分解 分解成单糖，然后是葡萄糖的发酵分解F 类脂化合的分解 水解产物为脂肪酸和甘油 甘油转变为磷酸甘油脂，进一步生成丙酮酸CH4和CO2F 蛋白质分解 水解成多肽和氨基酸 氨基酸分解成有机酸、醇，最后生成CH4和CO2厌氧发酵微生物F 不产甲烷菌 为产甲烷菌提供营养 为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件 为产甲烷菌消除部分有毒物质 和产甲烷菌一起，共同维持发酵的pH 值F 产甲烷菌 严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感 要求中性偏碱环境条件 菌体倍增时间较长，有的45 天才系列繁殖1 代 只

23、 能 利 用 少 数 简 单 化 合 物 作 为 营 养，所 有 产 甲 烷 菌 都 能利用分子氢 代谢的主要终产物是CH4和CO2。厌氧发酵的理论F 两阶段理论F 三阶段理论F 四阶段理论两阶段理论F 按 细 菌 引 起 的 生 物 化 学 过 程，将 代 谢 细 菌 群 分 为不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷细菌F 发酵阶段分为产酸和产气两个阶段F 理 论 形 成 较 早，对 甲 烷 菌 如 何 利 甲 醇 以 上 的 醇 及乙酸以上有机酸难以解释。产酸阶段 产甲烷阶段 三阶段理论液化阶段 产酸阶段 产甲烷阶段四阶段理论影响厌氧发酵的因素F 原料配比F 厌氧条件F 温度FpH 值F 搅拌F 添

24、加剂和有毒物质原料配比F 充足的发酵原料是产生沼气的物质基础F 不同的微生物所需的营养物质不一样 产 甲 烷 细 菌 只 能 利 用 简 单 的 有 机 酸 和 醇 类 作 为碳源，形成甲烷 大部分产甲烷细菌可利用CO2 作为碳源 氮 源 只 能 利 氨 态 氮，不 能 利 用 复 杂 的 有 机 氮 化合物，如蛋白质F 碳氮比为(1530):1 即可正常发酵厌氧条件F 产 酸 阶 段 的 不 产 甲 烷 微 生 物 大 多 数 是 厌 氧菌，需 在 厌 氧 的 条 件 下，把 复 杂 的 有 机 物 分解成简单的有机酸。F 产 气 阶 段 的 产 甲 烷 菌 是 专 性 厌 氧 菌，氧 对其

25、有毒害作用。在 有 氧 环 境 中，甲 烷 菌 不 增 长 而 受 到 抑 制，但并不死亡。F 必须创造厌氧的环境条件温度F 影响产气的关键因素 一定温度范围内，温度越高，产气越多 温度高时，细菌活跃，分解速度快F 池内发酵液温度10 以上，就可以开始发酵产气F 甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感 只降低2 度，就立即产生不良影响，产气下降 温 度 上 升 过 快，出 现 很 大 温 差 时 对 产 气 量 产 生 不良影响F 厌 气 发 酵 要 求 温 度 相 对 稳 定，一 天 内 变 化 范 围 在2度以内pH 值F 厌 氧 发 酵 微 生 物 细 胞 内 细 胞 质 的pH 值 一 般 呈

26、 中 性 反应F 细胞具有保持中性环境、进行自我调节能力FpH 值在510 均可发酵，78 之间最适合F 过酸或过碱开始产气的时间来得缓慢，产气量小FpH 值 低，CO2 增 加，水 溶 性 有 机 酸 和 硫 化 氢 产 生，硫化物含量增加，抑制甲烷菌生长。F 可用石灰调节，最好是调整原料的碳氮比搅拌F 使 发 酵 原 料 分 布 均 匀，增 加 微 生 物 与 发 酵基质的接触F 使发酵的产物及时分离，提高产气量F 防止底产物料出现酸积累F 防止发酵浆料分层 活 性 污 泥 或 浆 料 上 附 着 所 产 生 的 沼 气，由 于 缺乏 搅 拌 力 量，气 泡 不 易 脱 离，造 成 部 分

27、 活 性 污泥或浆料上漂，给工艺控制造成困难。添加剂和有毒物质F 可在发酵液中添加少量化学物质 促进厌氧发酵，提高产气量和原料利用率。钾、钠、钙、镁、磷 等 促 进 沼 气 发 酵 菌 的 生 长，增加酶的活性，促进纤维素的分解 纤维素酶可促进纤维素的分解F 有毒物质 抑制发酵微生物的生命活力的化学物质 氯化钠、氟化钠、丁酸、铜性化合物等发酵工艺F 发酵温度分 自然发酵(常温发酵)中温发酵 高温发酵F 进料方式 批量发酵 半连续发酵 连续进料 两步发酵F 发酵方式 单级发酵 两级发酵 多级发酵高温发酵的工艺F 高温发酵菌的培养 菌 种 来 源 于 污 水 池 或 下 水 道 有 气 泡 产 生

28、 的 中 性 偏 碱 的 污泥加备好的培养基上 逐级扩大培养，发酵稳定后作为接种用的菌种F 高温的维持 在发酵池内布设高盘，通入蒸气加热料浆F 原料投入与排出 机械加料机出料 自流进料和出料F 发酵物料的搅拌 机械搅拌 充气搅拌 充液搅拌自然发酵工艺F 发 酵 池 结 构 简 单、成 本 低 廉、施 工 容 易、便于推广原料选择原料预处理加活性污泥 定期出料 送农田配料 入池发酵产气定期加料大出料半连续常规沼气发酵工艺备料拌料接种 入池堆沤 加水封池 发酵产气 大换料 肥料池底污泥或发酵料液活性污泥或其他接种物 定期或不定期加料定期或不定期出料连续发酵工艺流程有机固体废物备料池 厌氧消化反应池

29、 沉淀池 肥料贮气柜 用户回流搅拌回流备料厌氧发酵池F 按发酵间的结构分 圆形池 长方形池F 按贮气方式分 气袋式 水压式 浮罩式立式圆形水压沼气池F 我国农村大多采用这种沼气池F 发酵间为圆形，两侧带有进出料口F 池顶有活动盖板，便于开池检修以防中毒立式圆形浮罩式沼气池F 发酵间和贮气间分开，压力低、发酵好、产气多F 气罩直接安装在沼气池顶或沼气发酵池侧立式圆形半埋式沼气发酵池组F 我国城市粪便沼气多采用这种发酵池组F 工艺操作简便，造价低廉F 气 源 不 足 时，可 从 投 料 孔 添 加 一 些 发 酵 辅 助 物 提 高 产气量长方形(方形)发酵池F 发酵室、气体贮藏室、贮水库、进料口、搅拌器等组成。F 发酵室贮藏发酵的废料。F 气体贮藏室贮藏气体，与发酵室相通。F 贮水库调节气体贮藏的压力。F 搅拌器使发酵物不沉淀，加速发酵