第五章 固體廢物生物處理

第五章

固體廢物生物處理5.1概述生物處理的對象以生物源物質(zhì)為主要組分的各種固體廢物易腐生活垃圾農(nóng)業(yè)廢棄物食品加工廢物同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的對象生物源物質(zhì)的化學(xué)分析生物質(zhì)組成

可溶性糖、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素 蛋白質(zhì)（水溶、非水溶）、脂肪營養(yǎng)元素

N、P、K、Ca、Mg、Fe其他

鹽度、有害元素、有害化合物同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的途徑好氧/兼性廢物水溶性有機(jī)物非水溶性有機(jī)物水解微生物代謝熱量CO2+H2O+N2+NH3+腐殖質(zhì)NOx-O2生物量同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的途徑厭氧廢物水溶性非水溶性水解糖類蛋白質(zhì)脂肪酸酸化/發(fā)酵VFA氨基酸乳酸醇類乙酸化乙酸CO2H2NH4+H2O甲烷化CH4+CO2NH4+生物塑料PHA聚乳酸氫回收腐殖質(zhì)同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的途徑其他Vemicomposting廢物初腐化蚯蚓代謝蚓糞蚓體同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的途徑基質(zhì)化利用廢物水解營養(yǎng)液微生物體酶其他微生物蛋白質(zhì)同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的應(yīng)用堆肥無害化、穩(wěn)定化、有機(jī)質(zhì)循環(huán)農(nóng)業(yè)/生活垃圾處理受污染土壤處理同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所生物處理的應(yīng)用厭氧消化穩(wěn)定化、能源利用、有機(jī)質(zhì)循環(huán)農(nóng)業(yè)/生活垃圾/食品工業(yè)廢物/污泥處理其他高附加值利用生物可降解聚合物、H2、電能、酶制劑同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所5.2固體廢物堆肥化堆肥工藝的定義與分類定義在受控條件下，通過微生物對有機(jī)物的代謝過程，使生物源廢物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的有機(jī)殘余物，堆肥產(chǎn)物應(yīng)具有在堆存和運(yùn)輸過程中不腐敗發(fā)臭、相容于植物生長的特性分類進(jìn)—出料 間歇/連續(xù)物料運(yùn)動 靜態(tài)/動態(tài)代謝環(huán)境 高溫/中溫好氧/厭氧同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理計量方程不含氮有機(jī)物的氧化含氮有機(jī)物的氧化細(xì)胞質(zhì)的合成細(xì)胞質(zhì)的氧化同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理例題

某堆肥化原料中含氮與不含氮有機(jī)物的重量比為1：3，含氮有機(jī)物計量分子式為：C12H16O6N,不含氮有機(jī)物計量分子式為：C2H3O;若堆肥過程中有機(jī)物的降解率均為60%,其中轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的重量占1/10，生物質(zhì)的計量分子式為：C5H7O2N；腐熟堆肥分子式為：C15H18O4N，不考慮生物質(zhì)的進(jìn)一步降解時，計算每噸該種廢物（含干有機(jī)物30%）堆肥化所需的理論空氣量（m3）?？諝庵泻?1%（體積比），每mol氧體積為0.0224m3同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理解： 以1kg為計算單位1）轉(zhuǎn)化為生物質(zhì)的含碳有機(jī)物量及其耗氧量 取n=5，配平前式：同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理2）其余含碳有機(jī)物降解耗氧量同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理3）含氮有機(jī)物降解耗氧量 取m=3配平4）總耗氧量=106+563+118=787g

換算為每噸原料，即需空氣2623Nm3同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理堆肥化微生物細(xì)菌：化能異養(yǎng)型細(xì)菌

化能自養(yǎng)型細(xì)菌放線菌真菌：霉菌 酵母菌原生動物同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理堆肥過程與微生態(tài)啟動階段主導(dǎo)微生物：真菌、放線菌

代謝：升溫階段主導(dǎo)微生物：細(xì)菌、放線菌代謝：高溫階段主導(dǎo)微生物：細(xì)菌、（放線菌）代謝：胞外酶生物質(zhì)細(xì)胞溶解性基質(zhì)好氧代謝溶解性基質(zhì)無機(jī)物+細(xì)胞質(zhì)+熱量好氧代謝溶解性基質(zhì)無機(jī)物+細(xì)胞質(zhì)+熱量同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理降溫階段主導(dǎo)微生物：放線菌、真菌、原生動物代謝：腐熟階段主導(dǎo)微生物：放線菌、真菌、原生動物、自養(yǎng)型細(xì)菌代謝：胞外酶非溶解性有機(jī)物無機(jī)物+細(xì)胞質(zhì)+熱量溶解性基質(zhì)好氧代謝原生動物細(xì)胞質(zhì)生物體+殘余物+無機(jī)物胞外酶非溶解性有機(jī)物無機(jī)物+細(xì)胞質(zhì)+熱量溶解性基質(zhì)好氧代謝原生動物細(xì)胞質(zhì)生物體+殘余物+無機(jī)物特征微生態(tài)替換型代謝同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理堆肥過程的影響因素 物料

指標(biāo)

影響

適宜值有機(jī)物含量與組成 生物代謝 >30%含水率 生物代謝、傳質(zhì) 40~60%空隙率 傳質(zhì) >40%C/N 生物代謝 20~35同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理原料有機(jī)物含量對堆肥過程的影響成品質(zhì)量--要求有機(jī)物含量>10%，堆肥過程有機(jī)物降解率45%

原料有機(jī)物含量應(yīng)>19.8%達(dá)到升溫與干化要求--升溫 >55℃×5d60%蒸發(fā)潛熱--干化 初含水率55%終含水率45%有機(jī)物熱值18MJ/kg原料有機(jī)物含量>30%可滿足2方面的要求同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理原料含水率與空隙率對堆肥過程的影響生物過程 含水率下限23%，無上限孔隙氧傳遞過程

堆體應(yīng)保持一定的空隙率 含水率與空隙率相關(guān)--物料達(dá)到田間含水率物料內(nèi)孔隙為水分飽和堆肥過程的物料含水率應(yīng)基本與田間含水率相當(dāng)

新鮮垃圾田間含水率 55~70%

腐熟堆肥田間含水率 30~40%優(yōu)化初始含水率40-60%，空隙率>40%同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理原料C/N比對堆肥過程的影響堆肥過程中碳氮的消費(fèi)模式為保持肥分、控制環(huán)境影響，N應(yīng)主要用于細(xì)胞原料原料中可堆肥有機(jī)物的碳、氮質(zhì)量之比C氧化產(chǎn)能堆體升溫合成能量細(xì)胞原料細(xì)胞合成降解產(chǎn)能氨釋放N細(xì)胞原料合成能量C/N過低，過量氨散失，也不宜升溫（N能量代謝的低效性）C/N過高，細(xì)胞合成滯后，降解不完全；成品進(jìn)入土壤后出現(xiàn) “氮饑餓”爭奪土壤養(yǎng)分同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理堆肥過程的影響因素 過程

指標(biāo)

影響

適宜值堆體氧濃度 生物代謝 >5%v/v堆溫 生物代謝、無害化 45~65℃

堆制時間 生物代謝、植物相容性 一次發(fā)酵3-15d

二次發(fā)酵>30dpH值 生物代謝 中性

接種一般對升溫與啟動階段影響較為明顯同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化原理堆肥評價衛(wèi)生無害化：致病菌、寄生蟲卵、有害昆蟲卵植物相容性：發(fā)芽率試驗、植物生長試驗臭氣穩(wěn)定化： 淀粉、orgC/orgC0、NO2--N、腐殖質(zhì)、 水淬C/N比同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝工藝調(diào)控方法原料有機(jī)物含量 尋找和應(yīng)用于適用的廢物含水率 木屑、谷糠、秸稈 糞便、污泥空隙率 木屑、谷糠、秸稈、惰性填充物C/N 糞便、污泥

/

秸稈、園林垃圾同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝過程堆體氧濃度 強(qiáng)制通風(fēng)、翻倒、攪動堆溫 通風(fēng)、翻倒、攪動頻率、原料組分堆制時間 優(yōu)化原料與環(huán)境條件pH值 氧濃度、空隙率同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝工藝過程原料預(yù)處理

調(diào)質(zhì)一次發(fā)酵中間處理二次發(fā)酵

分選 含水/空隙率 分選破碎 C/N 破碎 接種 均質(zhì)成品精制

臭氣控制

污水控制

控制

分選密閉空間貯存溫度磨細(xì) 氣流處理回噴時間加富肥分 氧濃度反饋通風(fēng)/翻倒同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝一次發(fā)酵工藝要素：通風(fēng)、翻倒、環(huán)境控制（保溫、防雨）野積式/條垛式通風(fēng)層強(qiáng)制通風(fēng)翻堆同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝倉式——靜態(tài)同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝倉式——間歇動態(tài)立式塔同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝翻倒槽

同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝倉式——連續(xù)動態(tài)同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝二次發(fā)酵工藝要素：環(huán)境控制野積式翻倒槽同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝工藝計算裝置容積通風(fēng)量實際理論同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝通風(fēng)控制按耗氧速率的演化、比例分配同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥化工藝按[O2]、T、t反饋控制t<3/4t總t≥3/4t總同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所堆肥精制雜物分揀（選）顆?？刂茽I養(yǎng)分加富微生物接種同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所5.3固體廢物厭氧消化厭氧消化的定義與分類定義在受控的無氧環(huán)境中，通過厭氧微生物菌群的代謝，使生物源廢物轉(zhuǎn)化為沼氣（CO2+CH4）、穩(wěn)定的有機(jī)物的過程分類物料含水率 液態(tài) ——半固態(tài)——固態(tài)含固率<5%5~15%>15%

消化流程 一階段 ——二階段代謝環(huán)境 中溫 ——高溫

35~45℃>50℃

同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理厭氧消化計量方程式中

d=4n+a-2b-3c

s=合成或轉(zhuǎn)化成細(xì)胞的那部分廢物的化學(xué)需氧量（COD）

e=廢物的COD轉(zhuǎn)化成作為能量的甲烷氣的部分，且s+e=1s的數(shù)值隨廢物的組成成分、固體物質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時間（c）及細(xì)胞衰變率（f）的變化而變動同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理厭氧消化微生物兼性水解菌：霉菌、酵母、大腸菌群厭氧乙酸化菌厭氧甲烷化菌：乙酸依賴型氫依賴型同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理厭氧消化過程與微生態(tài)厭氧消化過程生態(tài)依存關(guān)系水解產(chǎn)物積累甲烷化抑制乙酸化產(chǎn)氫抑制非離子化VFA必須在相對穩(wěn)定的微生態(tài)條件下進(jìn)行消化同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理厭氧消化過程的影響因素物料指標(biāo)

影響

適宜值有機(jī)物含量與組成 生物代謝 >50%，分布均衡含水率 生物代謝、傳質(zhì) >60%C/N 生物代謝 ~35同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理與堆肥過程相比

厭氧過程沒有氧傳遞要求，不需限制空隙率原料的有機(jī)物含量更高單位投資更大對設(shè)施技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的要求原料含水率沒有上限不限制空隙率原料含水率低限更高一段式發(fā)酵：攪拌的要求——微生物生態(tài)和代謝產(chǎn)物均質(zhì)化，H2的釋放二段式發(fā)酵：有限的固液相際傳質(zhì)C/N比更高細(xì)胞得率低、氮源需求少過量NH4+積累易引起毒性效應(yīng)同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理過程指標(biāo)

影響

適宜值溫度 生物代謝 32~40℃，50~55℃中溫菌群高溫菌群

中溫與高溫厭氧菌群的代謝活力同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理過程

指標(biāo)

影響

適宜值

pH值 生物代謝 6.8~7.6H+濃度影響甲烷化菌群活力、毒性物非離子化VFA和氨的濃度，以及系統(tǒng)的熱力學(xué)條件——反應(yīng)自由能大小同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理過程指標(biāo)

影響

適宜值含水率

生物代謝、傳質(zhì) 與攪拌方式相關(guān)，但≮

60%停留時間 生物代謝 ~25d，~15d

氫分壓 生物代謝 <10-5atmPH2影響丁酸（>10-2atm）和丙酸（>10-5atm）的乙酸化代謝反應(yīng)自由能的正負(fù)性PH2難以控制于極低值——厭氧發(fā)酵在丙酸積累的主要因素同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理接種通常是必須的，尤其當(dāng)固體含量和有機(jī)物含量高時抑制物NH4+、鹽、各種金屬離子同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化原理過程評價產(chǎn)氣率以理論產(chǎn)氣率為依據(jù)評價*其他與堆肥化類似同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化工藝工藝調(diào)控方法物料物料含水率 尋找適用廢物含水率

沼渣/

糞便、污泥、沼液C/N

沼液/

秸稈、園林廢物同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化工藝過程溫度 /

進(jìn)料流率/

加熱水流率pH值

酸/

堿微生態(tài) 接種PH2

攪拌污泥顆?；竞ξ? 原料控制、攪拌同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化工藝混合收集垃圾預(yù)分選混合接種發(fā)酵反應(yīng)器固液分離1回收/填埋/焚燒分類收集垃圾易腐有機(jī)廢物渣液固液分離2液處理利用堆肥化/直接利用泥厭氧消化工藝過程同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所消化工藝條件溫度

35~40℃ 50～55℃停留時間

25～30d 12~18d含固率

8～15％ 25～35％ ≥35％（二段法）接種 回流液/泥 回流渣 液流循環(huán)

1:2～1 1:0.3～0.5 ——厭氧消化工藝同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化工藝工藝關(guān)鍵攪拌

Biogas/液體 脈沖氣流 液流循環(huán)接種 甲烷化 甲烷化 酸化物料輸送

—— 同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所厭氧消化工藝消化工藝與設(shè)備消化工藝DrancoKompogasValorga同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所Kompogas同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所Dranco同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所Valorga同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所Linde-BRV同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所Linde-KCA同濟(jì)大學(xué)固體廢物處理與資源化研究所消化工藝與設(shè)備其他設(shè)備混合接種漿式攪拌破碎機(jī)（w≤15％）雙螺桿混合機(jī)（w≥20％）固液分離螺桿式擠壓螺距遞減