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1、固体废物的生物处理n堆肥化n厌氧发酵制沼气概念概念n利用微生物氧化（好氧堆肥）、分解（厌氧发酵）有机固体废物的能力处理可降解的有机固体废物，使其达到减量化、无害化和资源化的过程。n生物处理有机固废的方法有多种，如堆堆肥肥化化，厌厌氧氧消消化化，纤纤维维素素水水解解，垃垃圾圾养养蚯蚯蚓蚓等。其中最主要的并且能大规模地处理有机固体废物的方法是好氧堆肥法和厌氧消化法。作用与特点作用与特点n稳定化和杀菌、消毒作用稳定化和杀菌、消毒作用 有机固体废物经生物氧化分解转化为H2O，CO2，CH4，NH3，H2S等气体，和性质稳定的难降解有机物从而达到稳定化的效果，其产品不会对环境造成污染。有机物分解过程中的
2、厌氧环境以及反应热形成的高温可以杀灭废物中绝大多数病原体而达到无害化。n减量化减量化 有机废物经生物处理后，可减量3050，减量效果明显n回收能源回收能源 污泥和生活垃圾的厌氧消化处理可使其中的有机物转化为具有较高能源价值的沼气，并可进一步转化为热能或电能。n回收有用物质回收有用物质 好氧堆肥和厌氧发酵制取沼气，利用纤维素水解生产化工原料及其他生物制品堆肥化堆肥化n人类在长期的生产实践中早已懂得利用秸杆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵以制取肥料，但都是采用传统的手工操作和自然堆积方式，依靠自发的生物转化作用，所以存在发酵周期长，处理能力低，有机物分解不完全，所得的肥料质量差等等问题。n到20世纪
3、20年代，出现了机械化堆肥技术，并逐渐发展成为处理生活垃圾、污水污泥、人禽畜粪便以及农业固体废物的重要方法之一。（1）定义堆肥化是在人工控制条件下，使某些有机的固体废物在微生物的作用下，发生生物化学反应，分解转化为较稳定的腐殖肥料的过程堆肥化得到的产品称为堆肥，由于它是一种腐殖质含量很高的呈疏松状态的物质，故也称为腐殖土，有机固体废物经堆肥化后，体积只有原体积的5070（2）分类堆肥化系统的分类方法有多种按堆制方式分类：间歇堆积法连续堆积法按原料发酵状态：静态发酵法动态发酵法按微生物的生长环境：好氧堆肥厌氧堆肥a.好氧堆肥在有氧状态下，好氧微生物对有机废物进行分解转化的过程最终产物主要是H2O
4、、CO2、热量和腐殖质。好氧堆肥主要用于处理城市垃圾，堆肥系统的温度一般为5065，最高可达8090，堆肥周期短，能连续操作，因此，也称为高温快速堆肥；好氧堆肥的肥料质量好，可以制作有机颗粒肥料。不足之处：需要对原料进行比较严格的分选,需要强制通风和机械搅拌,对设备要求高，运行能耗大，投资大等 b.厌氧堆肥在无氧条件下，厌氧微生物对有机物进行分解转化的过程。厌氧堆肥的最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。厌氧堆肥过程中，空气与发酵原料隔绝，堆制温度低，工艺较简单，成本低，对原料的适应性强，成品肥中氮素保留较多，但工艺条件较难控制，堆肥周期长，有机物分解速度缓慢，处理效率低，容易产生恶臭，有机
5、物分解不完全，产品质量低，肥效差。实际上，堆肥化的好氧和厌氧是相对的，在好氧过程中，由于原料颗粒较大且不均匀，不可避免存在厌氧发酵过程；反之，由于密封不严，厌氧过程中也会有好氧菌的作用。主要介绍好氧堆肥。好氧堆肥是以好氧菌为主的微生物对有机废物进行吸收、氧化、分解的复杂生物化学反应过程。在堆肥过程中，好氧菌通过自身的生命活动，以废物中的有机物为养料，将其一部分氧化分解成简单的无机物并释放出微生物生长所需的能量，将其另一部分合成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖。好氧堆肥原理有机物的生物化学反应根据微生物在降解有机物过程中的行为，有机物的生物化学反应有以下三种：有机物的氧化反应细胞质的合成反应细胞
6、质的分解反应P272堆肥微生物堆肥微生物 在堆肥化过程中起重要作用的微生物是 细菌、放线菌、真菌和微型生物等。好氧堆肥工艺好氧堆肥工艺典型的静态好氧发酵堆肥工序包括三个部分：原原料料预预处处理理：破碎、分选，去除粗大物料，回收有用物质，调整含水率和CN比。原料发酵原料发酵：目前推广二次发酵方式。一次发酵：采用机械通风，发酵期为10d，60度高温保持5d以上二次发酵：物料经一次发酵后，尚存在有一部分易分解和大量难分解的有机物，需将其送入后发酵室进行二次发酵，使之腐熟后处理后处理：去除杂质，进行必要的破碎等处理。发酵工艺及装置间歇式发酵工艺及设备连续式发酵工艺及设备间歇式发酵工艺及设备原料一批一批
7、地发酵，一批原料堆积完后不再添加新料，待完成发酵后成为腐殖土运出。采用该发酵工艺可露天进行，故又称为野积式堆肥或露天堆肥，也有建堆肥仓以进行全天候生产的，武汉100t/d垃圾处理实验厂即采用该工艺，并建有堆肥仓。间歇式发酵工艺一般采用二次发酵方式第一次发酵采用机械强制通风，发酵10天，60高温保持5天以上，使肥料达到无害化，然后进行机械分选，去除非堆腐殖质。二次发酵一般在发酵仓进行，10天左右，可达到腐熟化。发酵仓有长方形池式、倾斜床式、立式圆筒式，并配有通风管、搅拌装置立式圆筒静态发酵仓连续式发酵工艺及设备连续进料、连续出料。原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。该工艺发酵时间短
8、，能杀灭病原体，防止异味,成品肥质量好。常用设备有立式多段发酵塔(浆叶式发酵塔)立式多层移动床式发酵塔 丹诺发酵器（卧式回转筒式发酵器）筒仓式动态发酵仓立式桨叶式发酵塔原料从顶部给入，中间的竖轴由底部电机驱动缓慢转动，并带动固定在竖轴上的桨叶对原料起搅拌作用，发酵塔一般有5层，经一定的机械作用，沿各层相向位置的开口逐层向下移动，到达底部后经螺旋输送机排出发酵所需的空气由风机向各层输送物料停留的时间一般58天塔内温度分布由上至下逐步升高，即底部最高卧式回转筒发酵器（丹诺发酵器）n形状类似回转窑，废物从一端给入，靠内壁的摩擦提升，再靠重力下落，起到搅拌作用，空气由沿圆筒长度方向分布的风嘴供给，温度
9、可维持6070。n该发酵器一般作为一次发酵器，出料送二次发酵。堆肥化的影响因素影响堆肥化效果的因素很多，为了创造更好的微生物生长繁殖和有机物分解的条件，在堆肥化过程中必须控制以下主要因素。n粒度n有机物含量n含水率n碳氮比（C/N）n通风和耗氧速率n温度npH值n碳磷比（C/P）（1）粒度在堆肥化过程中，物料的粒度影响气体密度、内部摩擦力和流动性。足够小的粒度可以增加废物与微生物及空间的接触面积，加快生物化学反应速率；理想的粒度是2575mm。对静态堆肥，粒度可适当增大，以起到支撑结构的作用，增加空隙率，有利于通风。(2)有机物含量有机物含量太低不能提供足够的能量，影响嗜热菌增殖，难以维持高温
10、发酵过程。有机物含量太高则堆肥过程中要求大量供氧，实际生产过程中常因供氧不足而发生部分厌氧过程，影响堆肥的腐熟度，即堆肥质量。适宜的有机物含量为2080。(3)含水率由于水是溶解废物中有机物和营养物质以及合成微生物细胞质必不可少的物质，因此，要求堆肥物料中含有足够的水分；若含水率过高，水会阻碍空气流通，造成缺氧；若水分过少，会使分解速率降低。当含水率2时，微生物将停止繁殖。最佳含水率范围为5070，用生活垃圾制堆肥时含水率以55为宜。(4)碳氮比(CN)CN是影响微生物生长的最重要的营养因素之一。微生物每利用30份碳，就需要1份氮，因此初始物料的CN比为30：1时适合堆肥的需要，其最佳值在26
11、1351之间。成品堆肥的适宜CN在101201之间。CN过低，余氮就会以氨的形式逸散，并可能污染环境；CN过高，则氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限制，导致有机物分解速率降低，堆肥过程延长。由于初始原料的CN比一般都高于261351，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，调节到301以下。(5)通风和耗氧速率堆层中氧的浓度和耗氧速率反应了堆肥过程中微生物活动的强弱和有机物的分解程度。堆肥过程适宜的氧体积浓度为1417，最低不得10，一旦低于此限，好氧发酵将会停止。由于氧气转变为当量的CO2，因此，也可用CO2的生成速率来表征堆肥的耗氧速率;适宜的CO2体积浓度为36。(6)温度实践表明
12、，堆肥过程的最佳温度为3555。低于35时堆肥效率不高，在55左右时，微生物活性最高，有机物的分解效率也最高。高于55时，微生物的活性开始下降，堆肥效率也下降。另外，大多数病原菌的灭活温度高于50，因此，堆肥温度控制在55左右，并维持一定长的时间，对于提高堆肥化效率和堆肥产品质量是适宜的。我国防预医学科学院研究指出，用粪便堆肥，最高温度必须达到5055，并在该温度下维持57天，可以杀灭大肠杆菌和蛔虫卵。美国环保局指出,用露天条垛式堆肥,最高温度必须达到55以上并至少维持15天，在密闭堆肥系统中，在同样的温度下，需要维持至少3天，就可以杀灭病原体。(7)pH值在堆肥化过程中，pH值随着温度及时间
13、的变化而变化,其变化情况和温度的变化是一样的，也反映了有机物分解的进程。在堆肥初期，由于有机酸的产生，pH值可降至5以下。随着有机酸的逐步分解，pH值逐渐上升，发酵完成前可达到8.59.0;最终成品的pH=78。(8)CP(碳磷比)堆肥过程中CP的变化是微生物分解有机物的重要标志，堆肥原料的CP应控制在75150。a.有适合农作物生长所需的营养成分。b.符合卫生要求，无害化，要求堆肥中的重金属含量和致病微生物的数量必须低于一定的数量范围。c.堆肥应达到稳定的腐熟度。堆肥质量我国堆肥产品的质量标准堆肥化产品应满足下列基本要求。a.堆肥产品中的CN应20 土壤中的微生物在分解有机物的同时，还要从氨
14、或硝酸盐中吸收氮作为自身的营养刑，以维持繁殖增生，若CN比过高，则可利用的N量少而使得微生物处于“氮饥饿”状态，最终影响肥效。因此，要求堆肥产品中的CN比应低于20(CN351时，N不足，产气量会明显下降。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(榍、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。（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
15、(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。高温发酵(5055)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。图9-4甲烷产气量随温度的变化厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加，但在45左右有一个间断点，这是由于中温发酵和高温发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用。在45左右的温度条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此，产气量突然下降。（4
16、）pH值的影响产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH值为5.8，产酸阶段也称酸性发酵。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。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,对环境要求荷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。pH值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长。如此恶性循环，将导致消化过程停止。为了提高系统对pH值降低缓冲的能力，需
17、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。（4）抑制物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。系统中O2的存在就会抑制产甲烷菌的形成。其他抑制物抑制物质抑制浓度(mg/L)抑制物质抑制浓度(mg/L)抑制性脂肪酸氨氮溶解性硫化物CaMgKNaCU200020001500-30002002500-4500100015002500-45003500-5500 CdFe Cr+6 Cr+3Ni015017103500（5）搅拌搅拌的作用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
18、使产生的气体迅速排出。搅抖方式有机械搅拌、充气搅抖和充液搅拌三种。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。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搅拌方式，而达到搅拌的效果。发酵工艺沼气发酵工艺有多种方式，各地可因地制宜地采用不同的工艺。我国农村常采用自然温度间断投料和连续投料发酵工艺。自然温度半批量投料发酵工艺连续投料发酵工艺原料选择原料预处理配料入池发酵产气大出料加活性污泥定期出料送农田 （1）自然温度半批量投料发酵工艺该工艺的发酵温度随自然温度而变化；主要原料为：秸杆、粪便、青草；投料方式为半批量投料工艺流程如下：该工艺的发酵期因季节和农业用肥情况而定，一般为5个月左右，运行中要定期补充新鲜原料，以免造成产气量下降。该工艺的缺点是出料操作劳动量大。（2）自然温度连续投料发酵工艺自然温度条件下发酵投料方式：定时定量投料和出料。大中型沼气工程均采用这种发酵工艺。工艺控制的基本参数有：投料负荷，进料浓度，水力滞留时间，发酵温度。n城市垃圾的厌氧消化处理P275n投资大，占地多，运行费用高，许多环境问题n我国城市垃圾中可腐化成分含量低，一般不适用厌氧发酵处理