第八章 固體廢物的生物處理

1、固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置 第八章第八章 固體廢物固體廢物 的生物處理的生物處理 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置厭氧發(fā)酵制沼氣2好氧生物降解制堆肥1第八章 固體廢物的生物處理固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1 好氧生物降解制堆肥8.1.1 8.1.1 堆肥的概念堆肥的概念8.1.2 8.1.2 堆肥的原理堆肥的原理8.1.3 8.1.3 堆肥過程影響因素堆肥過程影響因素8.1.4 8.1.4 堆肥工藝分類堆肥工藝分類8.1.5 8.1.5 堆肥的基本程序堆肥的基本程序8.1.6 8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置堆肥發(fā)酵裝置8.1.7 8.1

2、.7 堆肥質(zhì)量堆肥質(zhì)量固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1 好氧生物降解制堆肥現(xiàn)如今堆肥發(fā)酵已實現(xiàn)機械化和自動化，并且已發(fā)展到以城市生活垃圾、污水處理廠的污泥、人畜糞便、農(nóng)業(yè)廢物及食品工業(yè)廢物等為原料。表表8.1 8.1 常見可生物降解處理的固體廢物種類和來源常見可生物降解處理的固體廢物種類和來源固體廢物種類 主要來源城市固體廢物 主要有污水處理廠剩余污泥和有機生活垃圾工業(yè)固體廢物 主要包括含纖維素類固體廢物、高濃度有機廢水、發(fā)酵工業(yè)殘渣（菌體及廢原料）畜牧業(yè)固體廢物主要指禽畜糞便農(nóng)林業(yè)固體廢物主要是農(nóng)作物秸稈、殼、蔗渣、棉桿、棉殼、向日葵殼、玉米芯、油茶殼等水產(chǎn)業(yè)固體廢物主要指海藻、魚

3、、蝦、蟹類加工后的廢物泥炭類包括褐煤和泥炭固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.1 堆肥的概念堆肥（composting）的基本概念包括兩方面的含義，即堆肥化和堆肥產(chǎn)物。堆肥化是在控制條件下，在不同階段，通過不同微生物群落的交替作用，使有機廢物逐步實現(xiàn)生物降解，最終形成穩(wěn)定的、對環(huán)境無害的類腐殖質(zhì)復(fù)合物的過程。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.1 堆肥的概念堆肥的作用包括：使土質(zhì)松軟，多孔隙易耕作，增加保水性、透氣性及滲水性，改善土壤的物理性狀；增加土壤有機質(zhì)，提高帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)含量，促進陽離子養(yǎng)分的吸附，提高土壤保肥能力；堆肥腐殖質(zhì)中某些組分具有螯合能力，能抑制對作物生長不

4、利的活性鋁與磷酸結(jié)合；固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.1 堆肥的概念堆肥是緩效性肥料，不對農(nóng)作物產(chǎn)生損害；堆肥的腐殖質(zhì)成分能夠促進植物根系的伸長和增長；將富含微生物的堆肥施于土壤之中可增加土壤中微生物數(shù)量，改善作物根系微生物條件，促進作物生長和對養(yǎng)分的吸收。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理好氧堆肥原理好氧堆肥原理現(xiàn)代化堆肥工藝，特別是城市生活垃圾堆肥工藝，大都是好氧堆肥。圖圖8.1 8.1 堆肥反應(yīng)過程原理示意圖堆肥反應(yīng)過程原理示意圖固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理此過程原理可用反應(yīng)式分別表示：有機物的氧化有機物的氧化不含氮有機物

5、（CxHyOz）的氧化 （8-1）含氮有機物（CsHtNuOvaH2O）的氧化 （8-2）xyz222111xyzxy222C H OOCOH O 能量stuv22wxyz22223ab+de+fgC H N OH OOC H N O cH OH OH OCONH 堆肥氣水能量固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理細(xì)胞質(zhì)的合成細(xì)胞質(zhì)的合成（包括有機物的氧化，并以NH3做氮源） （8-3）細(xì)胞質(zhì)的氧化細(xì)胞質(zhì)的氧化 （8-4）xy3257222nynznx5x421+ nx5ny42fn C H ONHOC H NOCOH O 細(xì)胞質(zhì)能量5722223+552C H NOOCO

6、H ONH 細(xì)胞質(zhì)能量固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理堆肥過程中主要經(jīng)歷兩次升溫，將其分為三個階段：起始階段、高溫階段和熟化階段。每一階段各有其獨特的微生物類群。起始階段起始階段堆制初期，堆層呈中溫（1545），故也稱為中溫階段。此時，嗜溫菌活躍，并利用可溶性小分子物質(zhì)（糖類、淀粉等）不斷增殖。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理高溫階段高溫階段堆層溫度上升至45以上，進入高溫階段。此時，嗜溫菌活性受到抑制，甚至死亡，而嗜熱菌逐漸替代嗜溫菌，并迅速繁殖。圖圖8.2 8.2 微生物活性示意圖微生物活性示意圖a a微生物活性曲線；微生物活性曲線；b

7、bO2O2利用率利用率固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理熟化階段熟化階段冷卻后的堆肥中，新的嗜溫菌再占有優(yōu)勢，借助殘余有機物（包括死掉的細(xì)菌殘體）而生長，堆肥進入腐熟階段，堆肥過程最終完成。因此，堆肥過程既是微生物生長、死亡過程，也是堆肥物料溫度上升和下降的動態(tài)過程。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.2 堆肥的原理厭氧堆肥原理厭氧堆肥原理厭氧堆肥是在缺氧條件下利用厭氧微生物進行的一種腐敗發(fā)酵分解。第一階段是產(chǎn)酸階段，以乳酸菌分解有機物為例：第二階段為產(chǎn)甲烷階段。甲烷菌把有機酸繼續(xù)分解為甲烷氣體。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.3 堆肥過程影響因素

8、有機物含量有機物含量對生活垃圾進行預(yù)處理，通過破碎、篩分等工藝去掉原料中的部分無機成分，使城市垃圾中有機物含量提高到50%以上。堆肥前可向垃圾原料中摻入一定比例的稀糞、城市污水、畜糞等。在這些摻進物中，以摻稀糞者為最多，最主要的理由是既可增加堆肥原料中的有機物含量，又可調(diào)節(jié)原料的含水率，同時又解決了現(xiàn)代城市糞便處理或下水污泥處理的出路問題。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.3 堆肥過程影響因素 供氧量供氧量對于好氧堆肥，氧氣是微生物生存的必需條件，供氧不足會造成大量微生物死亡，使分解速度減慢，如果提供冷空氣量過大又會使溫度降低，不利于嗜熱菌的活動。 含水率含水率在堆肥工藝中，堆肥原料

9、的含水率對發(fā)酵過程影響很大，水的主要作用為：一是溶解有機物，參與微生物的代謝活動，二是可以調(diào)節(jié)堆肥溫度，當(dāng)溫度過高時，可以通過水分的蒸發(fā)，帶走一部分熱量。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.3 堆肥過程影響因素 碳氮比（碳氮比（C/NC/N）在微生物所需營養(yǎng)物中，以碳、氮最多。碳主要為微生物生命活動提供能源，氮則用于合成細(xì)胞原生質(zhì)。由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故應(yīng)加入氮肥水溶液、糞便、污泥等調(diào)節(jié)劑，使之調(diào)到30以下。當(dāng)有機原料的碳氮比為已知時（可通過分析測出），可按下式計算所需添加的氮源物質(zhì)的數(shù)量： (8-5)1212CCKNN固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.

10、3 堆肥過程影響因素 溫度溫度溫度是影響堆肥中微生物種類和數(shù)量的最重要因素，實質(zhì)是影響微生物的生長。表表8.2 8.2 微生物最佳生長溫度范圍微生物最佳生長溫度范圍微生物溫度范圍/嗜冷微生物025嗜溫微生物2545嗜熱微生物45固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.3 堆肥過程影響因素 pHpH在堆肥化過程中，pH隨著時間和溫度的變化而變化，其規(guī)律如圖8.3所示。圖圖8.3 8.3 堆肥過程中堆肥過程中pHpH隨時間和溫度的變化規(guī)律隨時間和溫度的變化規(guī)律固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.3 堆肥過程影響因素 粒度粒度堆肥前需要對粗大垃圾進行破碎，并分選出不可堆肥化物質(zhì)，并使堆肥

11、物料粒度達(dá)到一定程度的均勻化。顆粒變小，物料比表面積增加，便于微生物繁殖，可以促進發(fā)酵過程。 C/PC/P比比除了C、N之外，P也是微生物必需的營養(yǎng)物質(zhì)之一。例如垃圾堆肥時添加污泥，就是利用污泥中豐富的P來調(diào)整堆肥原料的C/P比。堆肥化適宜的C/P比為75150。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.4 堆肥工藝分類 按堆制過程中需氧程度分好氧堆肥和厭氧堆肥按堆制過程中需氧程度分好氧堆肥和厭氧堆肥好氧堆肥是依靠專性和兼性好氧細(xì)菌的作用使有機物得以降解的生化過程。 按溫度要求分中溫堆肥和高溫堆肥按溫度要求分中溫堆肥和高溫堆肥中溫堆肥是指中溫好氧堆肥，所需溫度為1545。由于溫度不高，不能有

12、效地殺滅病原菌，因此目前中溫堆肥較少采用。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.4 堆肥工藝分類 按發(fā)酵歷程分為一次發(fā)酵和二次發(fā)酵按發(fā)酵歷程分為一次發(fā)酵和二次發(fā)酵一次發(fā)酵指從發(fā)酵初期開始，溫度上升，進入高溫階段，然后到溫度開始下降的整個過程，一般需1012天，其中高溫階段持續(xù)時間較長。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.4 堆肥工藝分類 按堆制方式分為間歇式堆肥和連續(xù)式堆肥按堆制方式分為間歇式堆肥和連續(xù)式堆肥間歇式堆肥法是我國長期以來沿用的一種方法。圖圖8.4 100 t/d8.4 100 t/d垃圾處理實驗廠工藝流程垃圾處理實驗廠工藝流程固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.

13、1.4 堆肥工藝分類 按原料發(fā)酵所處狀態(tài)可分為靜態(tài)和動態(tài)堆肥按原料發(fā)酵所處狀態(tài)可分為靜態(tài)和動態(tài)堆肥靜態(tài)堆肥設(shè)施投資成本很低，但供氧不均勻，物料結(jié)塊比較嚴(yán)重，容易產(chǎn)生厭氧環(huán)境，好氧微生物難以迅速均勻地繁衍，發(fā)酵周期長，堆肥質(zhì)量差。 按堆制方式分露天式堆肥和裝置式堆肥按堆制方式分露天式堆肥和裝置式堆肥露天式堆肥，即露天堆積，物料在開放的場地上堆成條垛或條堆進行發(fā)酵。通過自然通風(fēng)、翻堆或強制通風(fēng)方式，以供給有機物降解所需的氧氣。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序 原料預(yù)處理原料預(yù)處理包括通過破碎、分選等去除粗大垃圾和不能用于堆肥化的物質(zhì)，并通過破碎可使堆肥原料和含水率達(dá)到

14、一定程度的均勻化。 主發(fā)酵（一次發(fā)酵）主發(fā)酵（一次發(fā)酵）主發(fā)酵可在露天或發(fā)酵裝置內(nèi)進行，通過翻堆或強制通風(fēng)向堆層或發(fā)酵裝置內(nèi)堆肥物料供給氧氣。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序 后發(fā)酵（二次發(fā)酵）后發(fā)酵（二次發(fā)酵）經(jīng)過主發(fā)酵的半成品堆肥被送到后發(fā)酵室，將主發(fā)酵階段未徹底分解的易分解和較難分解的有機物進一步分解，使之變成腐殖酸、氨基酸等比較穩(wěn)定的有機物，得到完全成熟的堆肥制品。 后處理后處理經(jīng)過二次發(fā)酵后的物料中，幾乎所有的有機物都已細(xì)碎和變形，數(shù)量也有所減少，已成為粗堆肥。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序 惡臭控制惡臭控制生物過濾（a

15、a）開放式；（）開放式；（b b）封閉式）封閉式圖圖8.5 8.5 典型的生物濾池典型的生物濾池1 1擬處理空氣；擬處理空氣；2 2填料；填料；3 3處理后空氣；處理后空氣；4 4噴灑系統(tǒng)；噴灑系統(tǒng)；5 5水；水；6 6多孔管；多孔管；7 7礫石層；礫石層；8 8蒸汽注入器；蒸汽注入器；9 9換熱器；換熱器；1010多孔填料托板；多孔填料托板；1111排水排水固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序生物滴濾池與生物濾池基本相同，不同之處在于前者持續(xù)地向填料上噴灑水，而后者間歇地向填料上噴灑水。圖圖8.6 8.6 典型的生物滴濾池典型的生物滴濾池1 1旋轉(zhuǎn)式或固定式廢水配水

16、系統(tǒng)；旋轉(zhuǎn)式或固定式廢水配水系統(tǒng)；2 2處理后氣體收集系統(tǒng)；處理后氣體收集系統(tǒng)；3 3穹蓋；穹蓋；4 4濕潤填料用水；濕潤填料用水；5 5塑料填料；塑料填料；6 6填料多孔托板；填料多孔托板；7 7布?xì)庀到y(tǒng)；布?xì)庀到y(tǒng)；8 8出水；出水；9 9由頭部工程及一級處理排出的擬處理空氣由頭部工程及一級處理排出的擬處理空氣固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序脫臭設(shè)施的選擇和設(shè)計脫臭設(shè)施的選擇和設(shè)計1. 確定擬處理臭氣的性質(zhì)和體積；2. 明確處理后氣體的排放要求；3. 評價氣候和大氣條件；4. 選出擬評價的一種或多種控制和處理氣體的技術(shù)；5. 進行中間試驗，以求出設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)和性能

17、；6. 進行生命周期評價和經(jīng)濟分析。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序生物濾池的設(shè)計生物濾池的設(shè)計1.1. 填料性質(zhì)：填料性質(zhì)：生物濾池所用的填料必須滿足以下條件。一是足夠的空隙率和近似均勻的粒徑；二是顆粒表面積大，支撐大量微生物群體；三是較強的pH緩沖能力。2.2. 填料最佳物理性質(zhì)：填料最佳物理性質(zhì)：pH78，空隙率40%80%，有機物含量35%55%。3.3. 氣體分布：氣體分布：如何將擬處理氣體引入系統(tǒng)是生物濾池設(shè)計的關(guān)鍵要求。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序（a a）開口濾床；（）開口濾床；（b b）溝式）溝式圖圖8.7 8.

18、7 開放式生物濾池示意圖開放式生物濾池示意圖1 1水；水；2 2噴灑系統(tǒng)；噴灑系統(tǒng)；3 3臭氣；臭氣；4 4多孔布?xì)饧?；多孔布?xì)饧埽? 5堆肥或合成填料（有適當(dāng)濕度）；堆肥或合成填料（有適當(dāng)濕度）；6 6氣流；氣流；7 7粗礫石；粗礫石；8 8多孔管（一般多孔管（一般100 mm100 mm）固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序表表8.3 8.3 用于散裝填料濾池的設(shè)計和分析參數(shù)用于散裝填料濾池的設(shè)計和分析參數(shù)固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序堆肥氣體在生物濾池內(nèi)的停留時間一般在1540 s之間；在H2S濃度達(dá)20 mg/L時，表面負(fù)荷

19、可達(dá)120 m3/（m2min）。圖圖8.8 8.8 相對于施加負(fù)荷的去除能力典型曲線相對于施加負(fù)荷的去除能力典型曲線固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.5 堆肥的基本程序表表8.4 8.4 生物除臭系統(tǒng)的典型參數(shù)設(shè)計范圍生物除臭系統(tǒng)的典型參數(shù)設(shè)計范圍項目單位類型生物濾池生物滴濾池氧濃度氧份數(shù)/臭氣份數(shù)100100堆肥%50655065合成介質(zhì)%55655565最佳溫度15351535pH量綱為16868空隙率%35503550臭氣停留時間s30603060填料厚度m11.2511.25臭氣進氣濃度g/m30.010.50.010.5表面負(fù)荷率m3/（m3h）1010010100容積負(fù)

20、荷率m3/（m3h）1010010100液體投配率m3/（m2d）0.751.25H2Sg/（m3h）8013080130其他臭氣g/（m3h）2010020100最大背壓mmH2O5010050100固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置 立式堆肥發(fā)酵塔立式堆肥發(fā)酵塔立式堆肥發(fā)酵塔通常有58層。12345678 ab 910177固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置a a立式多層圓筒式堆肥發(fā)酵塔；立式多層圓筒式堆肥發(fā)酵塔；b b立式多層板閉合門式堆肥發(fā)酵塔；立式多層板閉合門式堆肥發(fā)酵塔；c c發(fā)酵系統(tǒng)流程發(fā)酵系統(tǒng)流程圖圖8.9 8.9 立式多層發(fā)

21、酵塔及發(fā)酵系統(tǒng)流程立式多層發(fā)酵塔及發(fā)酵系統(tǒng)流程1 1驅(qū)動裝置；驅(qū)動裝置；2 2池體；池體；3 3犁；犁；4 4進料口；進料口；5 5觀察窗；觀察窗；6 6進氣管；進氣管；7 7風(fēng)機；風(fēng)機；8 8進料口；進料口；9 9發(fā)酵小池；發(fā)酵小池；1010下料門；下料門；1111脫水機；脫水機；1212混合機；混合機；1313抽風(fēng)機；抽風(fēng)機；1414脫臭裝置；脫臭裝置；1515發(fā)酵倉；發(fā)酵倉；1616熱風(fēng)風(fēng)機；熱風(fēng)風(fēng)機；1717旋轉(zhuǎn)臂；旋轉(zhuǎn)臂；1818分配器；分配器；1919干燥器干燥器固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置 臥式回轉(zhuǎn)窯式發(fā)酵倉臥式回轉(zhuǎn)窯式發(fā)酵倉臥式回轉(zhuǎn)窯式發(fā)酵倉又稱

22、達(dá)諾式（Dano）發(fā)酵倉。在該發(fā)酵裝置中，廢物靠與筒體之間的摩擦沿旋轉(zhuǎn)方向向上提升，上升到一定高度，由自身重力作用而落下。圖圖8.10 8.10 DanoDano臥式回轉(zhuǎn)窯垃圾堆肥系統(tǒng)流程臥式回轉(zhuǎn)窯垃圾堆肥系統(tǒng)流程1 1加料斗；加料斗；2 2磁選機；磁選機；3 3給料機；給料機；4 4達(dá)諾式回轉(zhuǎn)窯發(fā)達(dá)諾式回轉(zhuǎn)窯發(fā)酵倉；酵倉；5 5振動篩；振動篩；6 6皮帶運輸機；皮帶運輸機；7 7玻璃選出機；玻璃選出機；8 8堆肥；堆肥；9 9玻璃片；玻璃片；1010驅(qū)動裝置；驅(qū)動裝置；1111鐵屑鐵屑固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置 箱式堆肥發(fā)酵池箱式堆肥發(fā)酵池箱式堆肥發(fā)酵池種類

23、很多，應(yīng)用也十分廣泛。其主要分為矩形固定式犁翻倒發(fā)酵池和斗翻倒式發(fā)酵池。 臥式槳葉發(fā)酵池臥式槳葉發(fā)酵池該發(fā)酵裝置的顯著特點是攪拌裝置能夠橫向和縱向移動，操作時攪拌裝置縱向反復(fù)移動攪拌物料并同時橫向傳送物料。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.6 堆肥發(fā)酵裝置 臥式刮板發(fā)酵池臥式刮板發(fā)酵池這種發(fā)酵池的主要部件是一個呈片狀的刮板，由齒輪齒條驅(qū)動，刮板由左向右擺動攪拌廢物，從右向左空載返回，然后再從左向右擺動推入一定量的物料。 筒倉式堆肥發(fā)酵倉筒倉式堆肥發(fā)酵倉該裝置為單層圓筒狀（或矩形），發(fā)酵倉深度一般為45 m，大多采用鋼筋混凝土筑成。發(fā)酵倉內(nèi)采用高壓離心風(fēng)機強制供氧，以維持倉內(nèi)堆肥好氧發(fā)

24、酵。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.7 堆肥質(zhì)量 堆肥產(chǎn)品的成分和養(yǎng)分堆肥產(chǎn)品的成分和養(yǎng)分表表8.5 8.5 堆肥養(yǎng)分含量堆肥養(yǎng)分含量分析項目平均值（干基）平均值（鮮基）分析項目平均值（干基）平均值（鮮基）水分/%-45.062有機碳/%11.1425.811粗有機物26.10314.175全氮/%0.6950.347C/N比18.83218.832全磷/%0.2400.111全鉀/%1.0660.399pH-7.744灰分/%69.02937.077鈣/%3.0231.611鎂/%0.7360.338鈉/%10.1260.295銅（mg/kg）28.33616.914鋅（mg/k

25、g） 77.70457.398固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.7 堆肥質(zhì)量續(xù)上表續(xù)上表分析項目平均值（干基）平均值（鮮基）分析項目平均值（干基）平均值（鮮基）鐵（mg/kg）1.511048.45103錳（mg/kg） 5.861053.34105硼（mg/kg）14.60211.552鉬（mg/kg） 0.7070.276硫/%0.1270.047硅/%26.48512.630銨態(tài)氮（mg/kg）-64.2速效氮（mg/kg）-266.3固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.1.7 堆肥質(zhì)量 含水率 pH和全鹽含量 全碳含量 養(yǎng)分含量 重金屬含量 雜質(zhì)固體廢物處理與處置固體廢物

26、處理與處置8.1.7 堆肥質(zhì)量 堆肥的衛(wèi)生安全性質(zhì)堆肥的衛(wèi)生安全性質(zhì)堆肥的衛(wèi)生安全性應(yīng)從其重金屬含量和致病微生物的數(shù)量上進行考察。 堆肥的穩(wěn)定性堆肥的穩(wěn)定性堆肥的穩(wěn)定性是指堆肥產(chǎn)品的穩(wěn)定程度，也稱為腐熟度。在工程上，它是衡量堆肥反應(yīng)完成的信號；在農(nóng)業(yè)上，它是堆肥質(zhì)量的指標(biāo)。最常用的腐熟度評定方法包括：直觀經(jīng)驗法、淀粉測試法和耗氧速率法。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2 厭氧發(fā)酵制沼氣8.2.1 8.2.1 厭氧發(fā)酵原理厭氧發(fā)酵原理8.2.2 8.2.2 厭氧發(fā)酵原料厭氧發(fā)酵原料8.2.3 8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素厭氧發(fā)酵影響因素8.2.4 8.2.4 沼氣發(fā)酵設(shè)備沼氣發(fā)酵設(shè)備8.

27、2.5 8.2.5 厭氧發(fā)酵工藝厭氧發(fā)酵工藝固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.1 厭氧發(fā)酵原理厭氧發(fā)酵是一個復(fù)雜的生物化學(xué)過程。國外學(xué)者研究表明，厭氧發(fā)酵主要依靠四大主要類群的細(xì)菌，即水解發(fā)酵細(xì)菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌群、產(chǎn)甲烷細(xì)菌群和同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌群的聯(lián)合作用共同完成厭氧發(fā)酵制沼氣的過程。圖圖8.11 8.11 固體廢物厭氧發(fā)酵制沼氣過程固體廢物厭氧發(fā)酵制沼氣過程（a a）水解發(fā)酵細(xì)菌；（）水解發(fā)酵細(xì)菌；（b b）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌；）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌；（c c）同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌；（）同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌；（d d）產(chǎn)甲烷細(xì)菌）產(chǎn)甲烷細(xì)菌固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.1 厭氧發(fā)酵原理

28、水解酸化階段（液化階段） 產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段（產(chǎn)酸階段） 產(chǎn)甲烷階段 （8-6） （8-7） （8-8） （8-9） （8-10） （8-11）342CH COOHCHCO 224242HCOCHH O 422432HCOOHCHCOH O 3422432CH OHCHCOH O 32423346934CHNH OCHCONH 242423COH OCHCO 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.1 厭氧發(fā)酵原理與好氧生物處理相比，厭氧生物處理的主要特征為：能量需求少，并可產(chǎn)生能量。厭氧微生物可降解（或部分降解）好氧微生物不能降解的某些有機物；厭氧菌的生物量增長緩慢。對溫度、pH等環(huán)境因素更

29、為敏感；厭氧處理效果不如好氧處理效果；處理過程的反應(yīng)較復(fù)雜，周期較長。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料 常見沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量常見沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量有機物厭氧分解的總反應(yīng)可用下式表示： （8-12）該公式中CaHbOcNd和C5H7O2N分別表示固體廢物中有機降解物的經(jīng)驗化學(xué)式和微生物的化學(xué)組成。假如反應(yīng)系統(tǒng)中停留時間無限長，轉(zhuǎn)化為生物量的有機物大約為4%，因而轉(zhuǎn)化為生物量的部分可忽略不計，公式（8-12）變?yōu)椋?（8-13） abcd2572423C H O NnH OnC H O NxCHyCOwNH abcd240.25 4230.125 423C

30、 H O Nabcd H Oabcd CH 230.125 423abcd COdNH 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料表表8.6 8.6 典型城市垃圾中可降解部分的元素組成（典型城市垃圾中可降解部分的元素組成（% %）組分濕度干重元素組成CHONSAsh食物11.44.64.74.74.413.010.04.0紙42.855.050.853.061.318.560.055.2紙板7.59.89.29.411.13.710.08.0塑料8.811.915.113.86.819.8織物0.60.91.41.41.91.4橡膠0.60.70.90.80.27.41.1皮

31、革23.311.211.410.810.840.720.08.3木材2.52.82.92.83.00.6其他2.53.13.63.32.414.81.4總計100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0 100.0固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料由公式（8-13）可知，1 mol有機碳可轉(zhuǎn)化成1 mol氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1 mol氣體的體積為22.4 L，因此有機物中含有1 g有機碳，則理論上可以產(chǎn)生1.867 L氣體（CH4+CO2），即： （8-14）根據(jù)有機物完全氧化所消耗的氧，城市垃圾降解產(chǎn)生的甲烷氣體產(chǎn)量也可以通過CO

32、D來表示。 氧化1 mol CH4需要2 mol O2： （8-15） （8-16）4211.867gCLCHCO有機物氣體422222CHOCOH O 41mol2molCHCOD 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料假設(shè)對COD有貢獻的所有碳都轉(zhuǎn)化為甲烷： （8-17）甲烷產(chǎn)量為： 2 mol COD 2 mol COD有機物有機物1 mol CH4 1 mol CH4 （8-18）以重量表示為： 1 g COD 1 g COD有機物有機物0.25 g CH4 0.25 g CH4 （8-19）以氣體體積表示為： 1 g COD 1 g COD有機物有機物0.35

33、L CH4 0.35 L CH4 （8-20）CODCOD甲烷有機物固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料由于以下幾個原因，在任何情況下，通過公式（8-13）計算出的CO2的量并不是在垃圾填埋場測得的產(chǎn)量：滲濾液溶解的CO2（相反，CH4在滲濾液中溶解度很?。慌c碳酸根離子或碳酸氫根離子平衡的二氧化碳（沉淀為碳酸鹽）；在好氧發(fā)酵中二氧化碳的產(chǎn)生；由于以上原因，垃圾填埋場CH4的最大理論氣體產(chǎn)量主要根據(jù)公式（8-14）計算，一般假設(shè) 420.550.6CHCO固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料 原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量沼氣發(fā)酵原

34、料產(chǎn)生率是指單位質(zhì)量的原料在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣量。表表8.7 8.7 常見發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣率常見發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣率原料名稱每噸干物質(zhì)產(chǎn)生的沼氣量（m3）甲烷含量（%）產(chǎn)氣持續(xù)時間（d）牲畜廄肥2602805060豬糞5616560牛糞2805990馬糞2003006090人糞2405030青草6307060亞麻梗3595990固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料續(xù)上表續(xù)上表原料名稱每噸干物質(zhì)產(chǎn)生的沼氣量（m3）甲烷含量（%）產(chǎn)氣持續(xù)時間（d）玉米稈2505390麥秸34259松樹葉3106965雜樹葉21029458馬鈴薯梗葉2602806060谷殼6516290向日

35、葵梗30058廢物污泥64050酒廠廢水30060058碳水化合物75049類脂化合物140072蛋白質(zhì)98050固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料 發(fā)酵原料的總固體百分含量和總固體質(zhì)量發(fā)酵原料的總固體百分含量和總固體質(zhì)量原料的總固體（TS）百分含量和總固體量可按下式計算： （8-21） （8-22）揮發(fā)性固體的含量可用發(fā)酵原料總固體中揮發(fā)性固體的百分含量或者發(fā)酵原料中的揮發(fā)性固體含量表示。 （8-23） （8-24） （8-25）或者 （8-26）2TS1100%WMWTSTSWW M23VS2100%WWMW23VS1100%WWMWVSTSVSWWMVSVSWW

36、 M固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.2 厭氧發(fā)酵原料 原料的碳氮比原料的碳氮比表表8.8 8.8 常用厭氧發(fā)酵原料的碳氮比常用厭氧發(fā)酵原料的碳氮比原料原料中碳素含量（%）原料中氮素含量（%）碳氮比（CN）干麥秸460.5387:1干稻草420.6367:1玉米稈400.7553:1落葉411.0041:1大豆莖411.3032:1野草140.5426:1花生莖110.5919:1鮮羊糞160.5529:1鮮牛糞7.30.2925:1鮮馬糞100.4224:1鮮豬糞7.80.6013:1鮮人糞2.50.853:1鮮人尿0.40.930.43:1固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.

37、2.2 厭氧發(fā)酵原料混合原料碳氮比的計算混合原料碳氮比的計算根據(jù)各種原料中碳氮比，由以下公式可以計算混合后原料的碳氮比，或者根據(jù)要求的碳氮比計算搭配原料的組合方式。 （8-27）發(fā)酵料漿的配制計算發(fā)酵料漿的配制計算原料配制成料漿，可根據(jù)料漿中所要求的總固體百分含量，計算加水量。 （8-28）112233ii112233ii.CXC XC XC XC XKN XN XN XN XNXTS100%XMMX固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素 厭氧環(huán)境厭氧環(huán)境厭氧發(fā)酵是厭氧菌分解有機固體廢物的過程，而厭氧菌的生存環(huán)境要求無氧條件，微量氧也會對各個階段的厭氧菌產(chǎn)生毒害作用，

38、而影響厭氧發(fā)酵的效率。 溫度溫度溫度是影響產(chǎn)氣量的關(guān)鍵因素。在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量越高。因為溫度高時，原料中的細(xì)菌活躍，分解速度快，使得產(chǎn)氣量增加。 pHpH 原料配比原料配比固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素 有毒物質(zhì)有毒物質(zhì)重金屬離子（重金屬離子（Me+Me+）的抑制作用）的抑制作用第一，與酶結(jié)合產(chǎn)生變性物質(zhì)，使酶的作用消失。如與酶中的巰基（SH）及氨基、羧基、含氮化合物結(jié)合時，使酶系統(tǒng)失去作用： （8-29）第二，重金屬離子及氫氧化物的絮凝作用，使酶沉淀。固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素陰離子的毒害作用陰離子的毒害

39、作用主要表現(xiàn)在S2-的毒害作用，其來源有兩種。第一，由無機硫酸鹽還原而來： （8-30） （8-31）第二，重金屬離子及氫氧化物的絮凝作用，使酶沉淀。224284SOHSH O 223263SOHSH O 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素陰離子的毒害作用陰離子的毒害作用主要表現(xiàn)在S2-的毒害作用，其來源有兩種。第一，由無機硫酸鹽還原而來： （8-30） （8-31）第二，由蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。224284SOHSH O 223263SOHSH O 固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素氨的毒害作用氨的毒害作用氨存在形式有游離氨（NH

40、3）和離子胺（NH4+），兩者的平衡濃度決定于發(fā)酵環(huán)境的pH： （8-32） （35） （8-33） （35） （8-34）由上可得： （8-35）324NHH ONHOH45131.85 10NHOHKNH14222.09 10HOHKH O4931.13 10NHNHH固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.3 厭氧發(fā)酵影響因素 攪拌攪拌攪拌可以使發(fā)酵原料分布均勻，增加微生物與發(fā)酵基質(zhì)的接觸，也使發(fā)酵的產(chǎn)物及時分離，并保證有較高的池容產(chǎn)氣率（見表8.9）和防止局部酸積累等。攪拌方式有機械攪拌，充氣攪拌和充液攪拌。表表8.9 8.9 立式沼氣池、臥式沼氣池攪拌與不攪拌的比較試驗立式沼氣池

41、、臥式沼氣池攪拌與不攪拌的比較試驗組別平均日產(chǎn)氣（L）臥式攪拌組比其他各組提高（%）池容產(chǎn)氣率（m3/m3d）氣體成分（%）CH4CO2臥式攪拌11200.7059.031.5臥式不攪拌104.57.180.6659.832.3立式攪拌100.511.140.6360.827.2立式不攪拌7745.450.4662.728.5固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.4 沼氣發(fā)酵設(shè)備 傳統(tǒng)發(fā)酵系統(tǒng)傳統(tǒng)發(fā)酵系統(tǒng)傳統(tǒng)的發(fā)酵系統(tǒng)主要用于間歇性、低容量、小型的農(nóng)業(yè)或半工業(yè)化人工制取沼氣最基本設(shè)備，一般稱為沼氣發(fā)酵池、沼氣發(fā)生器或厭氧發(fā)酵器。圖圖8.12 8.12 沼氣發(fā)酵罐工作原理圖沼氣發(fā)酵罐工作原

42、理圖1 1污水或污泥；污水或污泥；2 2沼氣；沼氣；3 3出水；出水；4 4排泥排泥固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.4 沼氣發(fā)酵設(shè)備立式圓形水壓式沼氣池立式圓形水壓式沼氣池圖圖8.13 8.13 水壓式沼氣池工作原理示意圖水壓式沼氣池工作原理示意圖（a a）1 1加料管；加料管；2 2發(fā)酵間（貯氣部分）；發(fā)酵間（貯氣部分）；3 3池內(nèi)液面池內(nèi)液面O OO O；4 4出料間液面出料間液面（b b）1 1加料管；加料管；2 2發(fā)酵間（貯氣部分）；發(fā)酵間（貯氣部分）；3 3池內(nèi)料液液面池內(nèi)料液液面A AA A；4 4出料間出料間液面液面B BB B（c c）1 1加料管；加料管；2 2發(fā)

43、酵間（貯氣部分）；發(fā)酵間（貯氣部分）；3 3池內(nèi)料液液面池內(nèi)料液液面A AA A；4 4出料間出料間液面液面B BB B；5 5導(dǎo)氣管；導(dǎo)氣管；6 6沼氣輸氣管；沼氣輸氣管；7 7控制閥控制閥固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.4 沼氣發(fā)酵設(shè)備圖8.13（a）是沼氣池啟動前的狀態(tài)，池內(nèi)初加新料，處于尚未產(chǎn)生沼氣階段。圖8.13（b）是啟動后狀態(tài)，此時發(fā)酵間內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)氣，發(fā)酵間的氣壓隨產(chǎn)氣量增加而增大，造成水壓間液面高于發(fā)酵間液面。極限工作狀態(tài)時，兩液面的高度差最大，稱為極限沼氣壓強，其值可用下式表示： （8-36）圖8.13（c）表示使用沼氣時，發(fā)酵間壓力減小，水壓間液體被壓回發(fā)酵間。1

44、2HHH固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.4 沼氣發(fā)酵設(shè)備立式圓形浮罩式沼氣池立式圓形浮罩式沼氣池圖圖8.14 8.14 浮罩式沼氣池示意圖浮罩式沼氣池示意圖（a a）頂浮罩式：）頂浮罩式：1 1進料口；進料口；2 2進料管；進料管；3 3發(fā)酵間；發(fā)酵間；4 4浮罩；浮罩；5 5出料聯(lián)通管；出料聯(lián)通管；6 6出料間；出料間；7 7導(dǎo)向軌；導(dǎo)向軌；8 8導(dǎo)氣管；導(dǎo)氣管；9 9導(dǎo)向槽；導(dǎo)向槽；1010隔墻；隔墻；1111地面地面（b b）側(cè)浮罩式：）側(cè)浮罩式：1 1進料口；進料口；2 2進料管；進料管；3 3發(fā)酵間；發(fā)酵間；4 4地面；地面；5 5出料聯(lián)通管；出料聯(lián)通管；6 6出料間；出料間；7 7活動蓋；活動蓋；8 8導(dǎo)氣管；導(dǎo)氣管；9 9輸氣管；輸氣管；1010導(dǎo)向柱；導(dǎo)向柱；1111卡具；卡具；1212進氣管；進氣管；1313開關(guān)；開關(guān)；1414浮罩；浮罩；1515排氣管；排氣管；1616水池水池固體廢物處理與處置固體廢物處理與處置8.2.4 沼