固體廢物處理與處置固體廢物的生物處理

固體廢物處理與處置固體廢物的生物處理第1頁(yè)/共75頁(yè)8.1好氧生物降解制堆肥8.1.1堆肥的概念8.1.2堆肥的原理8.1.3堆肥過(guò)程影響因素8.1.4堆肥工藝分類8.1.5堆肥的基本程序8.1.6堆肥發(fā)酵裝置8.1.7堆肥質(zhì)量第2頁(yè)/共75頁(yè)8.1好氧生物降解制堆肥現(xiàn)如今堆肥發(fā)酵已實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)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8.1常見(jiàn)可生物降解處理的固體廢物種類和來(lái)源固體廢物種類主要來(lái)源城市固體廢物主要有污水處理廠剩余污泥和有機(jī)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(jī)廢水、發(fā)酵工業(yè)殘?jiān)ňw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(yú)、蝦、蟹類加工后的廢物泥炭類包括褐煤和泥炭第3頁(yè)/共75頁(yè)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(guò)不同微生物群落的交替作用，使有機(jī)廢物逐步實(shí)現(xiàn)生物降解，最終形成穩(wěn)定的、對(duì)環(huán)境無(wú)害的類腐殖質(zhì)復(fù)合物的過(guò)程。第4頁(yè)/共75頁(yè)8.1.1堆肥的概念堆肥的作用包括：①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；②增加土壤有機(jī)質(zhì)，提高帶負(fù)電荷的腐殖質(zhì)含量，促進(jìn)陽(yáng)離子養(yǎng)分的吸附，提高土壤保肥能力；③堆肥腐殖質(zhì)中某些組分具有螯合能力，能抑制對(duì)作物生長(zhǎng)不利的活性鋁與磷酸結(jié)合；第5頁(yè)/共75頁(yè)8.1.1堆肥的概念④堆肥是緩效性肥料，不對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)生損害；⑤堆肥的腐殖質(zhì)成分能夠促進(jìn)植物根系的伸長(zhǎng)和增長(zhǎng)；⑥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(jìn)作物生長(zhǎng)和對(duì)養(yǎng)分的吸收。第6頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理⑴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8.1堆肥反應(yīng)過(guò)程原理示意圖第7頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理此過(guò)程原理可用反應(yīng)式分別表示：①有機(jī)物的氧化不含氮有機(jī)物（CxHyOz）的氧化（8-1）含氮有機(jī)物（CsHtNuOv·aH2O）的氧化

（8-2）第8頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理②細(xì)胞質(zhì)的合成（包括有機(jī)物的氧化，并以NH3做氮源）

（8-3）③細(xì)胞質(zhì)的氧化

（8-4）第9頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理堆肥過(guò)程中主要經(jīng)歷兩次升溫，將其分為三個(gè)階段：起始階段、高溫階段和熟化階段。每一階段各有其獨(dú)特的微生物類群。①起始階段堆制初期，堆層呈中溫（15～45℃），故也稱為中溫階段。此時(shí)，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。第10頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理②高溫階段堆層溫度上升至45℃以上，進(jìn)入高溫階段。此時(shí)，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8.2微生物活性示意圖a－微生物活性曲線；b－O2利用率第11頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理③熟化階段冷卻后的堆肥中，新的嗜溫菌再占有優(yōu)勢(shì)，借助殘余有機(jī)物（包括死掉的細(xì)菌殘?bào)w）而生長(zhǎng)，堆肥進(jìn)入腐熟階段，堆肥過(guò)程最終完成。因此，堆肥過(guò)程既是微生物生長(zhǎng)、死亡過(guò)程，也是堆肥物料溫度上升和下降的動(dòng)態(tài)過(guò)程。第12頁(yè)/共75頁(yè)8.1.2堆肥的原理⑵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(jìn)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(jī)物為例：第二階段為產(chǎn)甲烷階段。甲烷菌把有機(jī)酸繼續(xù)分解為甲烷氣體。第13頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒈有機(jī)物含量①對(duì)生活垃圾進(jìn)行預(yù)處理，通過(guò)破碎、篩分等工藝去掉原料中的部分無(wú)機(jī)成分，使城市垃圾中有機(jī)物含量提高到50%以上。②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(jìn)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(jī)物含量，又可調(diào)節(jié)原料的含水率，同時(shí)又解決了現(xiàn)代城市糞便處理或下水污泥處理的出路問(wèn)題。第14頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒉供氧量對(duì)于好氧堆肥，氧氣是微生物生存的必需條件，供氧不足會(huì)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(guò)大又會(huì)使溫度降低，不利于嗜熱菌的活動(dòng)。⒊含水率在堆肥工藝中，堆肥原料的含水率對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響很大，水的主要作用為：一是溶解有機(jī)物，參與微生物的代謝活動(dòng)，二是可以調(diào)節(jié)堆肥溫度，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，可以通過(guò)水分的蒸發(fā)，帶走一部分熱量。第15頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒋碳氮比（C/N）在微生物所需營(yíng)養(yǎng)物中，以碳、氮最多。碳主要為微生物生命活動(dòng)提供能源，氮?jiǎng)t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(jī)原料的碳氮比為已知時(shí)（可通過(guò)分析測(cè)出），可按下式計(jì)算所需添加的氮源物質(zhì)的數(shù)量：

(8-5)第16頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒌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(shí)質(zhì)是影響微生物的生長(zhǎng)。表8.2微生物最佳生長(zhǎng)溫度范圍微生物溫度范圍/℃嗜冷微生物0～25嗜溫微生物25～45嗜熱微生物＞45第17頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒍pH在堆肥化過(guò)程中，pH隨著時(shí)間和溫度的變化而變化，其規(guī)律如圖8.3所示。圖8.3堆肥過(guò)程中pH隨時(shí)間和溫度的變化規(guī)律第18頁(yè)/共75頁(yè)8.1.3堆肥過(guò)程影響因素 ⒎粒度堆肥前需要對(duì)粗大垃圾進(jìn)行破碎，并分選出不可堆肥化物質(zhì)，并使堆肥物料粒度達(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(jìn)發(fā)酵過(guò)程。⒏C/P比除了C、N之外，P也是微生物必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)之一。例如垃圾堆肥時(shí)添加污泥，就是利用污泥中豐富的P來(lái)調(diào)整堆肥原料的C/P比。堆肥化適宜的C/P比為75～150。第19頁(yè)/共75頁(yè)8.1.4堆肥工藝分類 ⒈按堆制過(guò)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(jī)物得以降解的生化過(guò)程。⒉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15～45℃。由于溫度不高，不能有效地殺滅病原菌，因此目前中溫堆肥較少采用。第20頁(yè)/共75頁(yè)8.1.4堆肥工藝分類 ⒊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(kāi)始，溫度上升，進(jìn)入高溫階段，然后到溫度開(kāi)始下降的整個(gè)過(guò)程，一般需10～12天，其中高溫階段持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。第21頁(yè)/共75頁(yè)8.1.4堆肥工藝分類 ⒋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(guó)長(zhǎng)期以來(lái)沿用的一種方法。圖8.4100t/d垃圾處理實(shí)驗(yàn)廠工藝流程第22頁(yè)/共75頁(yè)8.1.4堆肥工藝分類 ⒌按原料發(fā)酵所處狀態(tài)可分為靜態(tài)和動(dòng)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(zhǎng)，堆肥質(zhì)量差。⒍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(kāi)放的場(chǎng)地上堆成條垛或條堆進(jìn)行發(fā)酵。通過(guò)自然通風(fēng)、翻堆或強(qiáng)制通風(fēng)方式，以供給有機(jī)物降解所需的氧氣。第23頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序⒈原料預(yù)處理包括通過(guò)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(guò)破碎可使堆肥原料和含水率達(dá)到一定程度的均勻化。⒉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(jìn)行，通過(guò)翻堆或強(qiáng)制通風(fēng)向堆層或發(fā)酵裝置內(nèi)堆肥物料供給氧氣。第24頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序⒊后發(fā)酵（二次發(fā)酵）經(jīng)過(guò)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(jī)物進(jìn)一步分解，使之變成腐殖酸、氨基酸等比較穩(wěn)定的有機(jī)物，得到完全成熟的堆肥制品。⒋后處理經(jīng)過(guò)二次發(fā)酵后的物料中，幾乎所有的有機(jī)物都已細(xì)碎和變形，數(shù)量也有所減少，已成為粗堆肥。第25頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序⒌惡臭控制①生物過(guò)濾（a）開(kāi)放式；（b）封閉式圖8.5典型的生物濾池1－擬處理空氣；2－填料；3－處理后空氣；4－噴灑系統(tǒng)；5－水；6－多孔管；7－礫石層；8－蒸汽注入器；9－換熱器；10－多孔填料托板；11－排水第26頁(yè)/共75頁(yè)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8.6典型的生物滴濾池1－旋轉(zhuǎn)式或固定式廢水配水系統(tǒng)；2－處理后氣體收集系統(tǒng)；3－穹蓋；4－濕潤(rùn)填料用水；5－塑料填料；6－填料多孔托板；7－布?xì)庀到y(tǒng)；8－出水；9－由頭部工程及一級(jí)處理排出的擬處理空氣第27頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序②脫臭設(shè)施的選擇和設(shè)計(jì)確定擬處理臭氣的性質(zhì)和體積；明確處理后氣體的排放要求；評(píng)價(jià)氣候和大氣條件；選出擬評(píng)價(jià)的一種或多種控制和處理氣體的技術(shù)；進(jìn)行中間試驗(yàn)，以求出設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和性能；進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)和經(jīng)濟(jì)分析。第28頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序③生物濾池的設(shè)計(jì)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(qiáng)的pH緩沖能力。填料最佳物理性質(zhì)：pH7～8，空隙率40%～80%，有機(jī)物含量35%～55%。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(jì)的關(guān)鍵要求。第29頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序（a）開(kāi)口濾床；（b）溝式圖8.7開(kāi)放式生物濾池示意圖1－水；2－噴灑系統(tǒng)；3－臭氣；4－多孔布?xì)饧埽?－堆肥或合成填料（有適當(dāng)濕度）；6－氣流；7－粗礫石；8－多孔管（一般100mm）第30頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序表8.3用于散裝填料濾池的設(shè)計(jì)和分析參數(shù)第31頁(yè)/共75頁(yè)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(shí)間一般在15～40s之間；在H2S濃度達(dá)20mg/L時(shí)，表面負(fù)荷可達(dá)120m3/（m2·min）。圖8.8相對(duì)于施加負(fù)荷的去除能力典型曲線第32頁(yè)/共75頁(yè)8.1.5堆肥的基本程序表8.4生物除臭系統(tǒng)的典型參數(shù)設(shè)計(jì)范圍項(xiàng)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%50～6550～65合成介質(zhì)%55～6555～65最佳溫度℃15～3515～35pH量綱為16～86～8空隙率%35～5035～50臭氣停留時(shí)間s30～6030～60填料厚度m1～1.251～1.25臭氣進(jìn)氣濃度g/m30.01～0.50.01～0.5表面負(fù)荷率m3/（m3·h）10～10010～100容積負(fù)荷率m3/（m3·h）10～10010～100液體投配率m3/（m2·d）－0.75～1.25H2Sg/（m3·h）80～13080～130其他臭氣g/（m3·h）20～10020～100最大背壓mmH2O50～10050～100第33頁(yè)/共75頁(yè)8.1.6堆肥發(fā)酵裝置⒈立式堆肥發(fā)酵塔立式堆肥發(fā)酵塔通常有5～8層。第34頁(yè)/共75頁(yè)8.1.6堆肥發(fā)酵裝置a立式多層圓筒式堆肥發(fā)酵塔；b立式多層板閉合門(mén)式堆肥發(fā)酵塔；c發(fā)酵系統(tǒng)流程圖8.9立式多層發(fā)酵塔及發(fā)酵系統(tǒng)流程1－驅(qū)動(dòng)裝置；2－池體；3－犁；4－進(jìn)料口；5－觀察窗；6－進(jìn)氣管；7－風(fēng)機(jī)；8－進(jìn)料口；9－發(fā)酵小池；10－下料門(mén)；11－脫水機(jī)；12－混合機(jī)；13－抽風(fēng)機(jī)；14－脫臭裝置；15－發(fā)酵倉(cāng)；16－熱風(fēng)風(fēng)機(jī)；17－旋轉(zhuǎn)臂；18－分配器；19干燥器第35頁(yè)/共75頁(yè)8.1.6堆肥發(fā)酵裝置⒉臥式回轉(zhuǎn)窯式發(fā)酵倉(cāng)臥式回轉(zhuǎn)窯式發(fā)酵倉(cāng)又稱達(dá)諾式（Dano）發(fā)酵倉(cāng)。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8.10Dano臥式回轉(zhuǎn)窯垃圾堆肥系統(tǒng)流程1－加料斗；2－磁選機(jī)；3－給料機(jī)；4－達(dá)諾式回轉(zhuǎn)窯發(fā)酵倉(cāng)；5－振動(dòng)篩；6－皮帶運(yùn)輸機(jī)；7－玻璃選出機(jī)；8－堆肥；9－玻璃片；10－驅(qū)動(dòng)裝置；11－鐵屑第36頁(yè)/共75頁(yè)8.1.6堆肥發(fā)酵裝置⒊箱式堆肥發(fā)酵池箱式堆肥發(fā)酵池種類很多，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。⒋臥式槳葉發(fā)酵池該發(fā)酵裝置的顯著特點(diǎn)是攪拌裝置能夠橫向和縱向移動(dòng)，操作時(shí)攪拌裝置縱向反復(fù)移動(dòng)攪拌物料并同時(shí)橫向傳送物料。第37頁(yè)/共75頁(yè)8.1.6堆肥發(fā)酵裝置⒌臥式刮板發(fā)酵池這種發(fā)酵池的主要部件是一個(gè)呈片狀的刮板，由齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，刮板由左向右擺動(dòng)攪拌廢物，從右向左空載返回，然后再?gòu)淖笙蛴覕[動(dòng)推入一定量的物料。⒍筒倉(cāng)式堆肥發(fā)酵倉(cāng)該裝置為單層圓筒狀（或矩形），發(fā)酵倉(cāng)深度一般為4～5m，大多采用鋼筋混凝土筑成。發(fā)酵倉(cāng)內(nèi)采用高壓離心風(fēng)機(jī)強(qiáng)制供氧，以維持倉(cāng)內(nèi)堆肥好氧發(fā)酵。第38頁(yè)/共75頁(yè)8.1.7堆肥質(zhì)量⒈堆肥產(chǎn)品的成分和養(yǎng)分表8.5堆肥養(yǎng)分含量分析項(xiàng)目平均值（干基）平均值（鮮基）分析項(xiàng)目平均值（干基）平均值（鮮基）水分/%-45.062有機(jī)碳/%11.1425.811粗有機(jī)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/kg）77.70457.398第39頁(yè)/共75頁(yè)8.1.7堆肥質(zhì)量續(xù)上表分析項(xiàng)目平均值（干基）平均值（鮮基）分析項(xiàng)目平均值（干基）平均值（鮮基）鐵（mg/kg）1.51×1048.45×103錳（mg/kg）5.86×1053.34×105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第40頁(yè)/共75頁(yè)8.1.7堆肥質(zhì)量①含水率②pH和全鹽含量③全碳含量④養(yǎng)分含量⑤重金屬含量⑥雜質(zhì)第41頁(yè)/共75頁(yè)8.1.7堆肥質(zhì)量⒉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(jìn)行考察。⒊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(hào)；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(píng)定方法包括：直觀經(jīng)驗(yàn)法、淀粉測(cè)試法和耗氧速率法。第42頁(yè)/共75頁(yè)8.2厭氧發(fā)酵制沼氣8.2.1厭氧發(fā)酵原理8.2.2厭氧發(fā)酵原料8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素8.2.4沼氣發(fā)酵設(shè)備8.2.5厭氧發(fā)酵工藝第43頁(yè)/共75頁(yè)8.2.1厭氧發(fā)酵原理厭氧發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物化學(xué)過(guò)程。國(guó)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(guò)程。圖8.11固體廢物厭氧發(fā)酵制沼氣過(guò)程（a）－水解發(fā)酵細(xì)菌；（b）－產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌；（c）－同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌；（d）－產(chǎn)甲烷細(xì)菌第44頁(yè)/共75頁(yè)8.2.1厭氧發(fā)酵原理⒈水解酸化階段（液化階段）⒉產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段（產(chǎn)酸階段）⒊產(chǎn)甲烷階段（8-6）（8-7）（8-8）（8-9）（8-10）（8-11）第45頁(yè)/共75頁(yè)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：①能量需求少，并可產(chǎn)生能量。②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(jī)物；③厭氧菌的生物量增長(zhǎng)緩慢。④對(duì)溫度、pH等環(huán)境因素更為敏感；⑤厭氧處理效果不如好氧處理效果；⑥處理過(guò)程的反應(yīng)較復(fù)雜，周期較長(zhǎng)。第46頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料⒈常見(jiàn)沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量有機(jī)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(jī)降解物的經(jīng)驗(yàn)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(shí)間無(wú)限長(zhǎng)，轉(zhuǎn)化為生物量的有機(jī)物大約為4%，因而轉(zhuǎn)化為生物量的部分可忽略不計(jì)，公式（8-12）變?yōu)椋?/p>

（8-13）第47頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料表8.6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8.811.915.113.86.8－－19.8織物0.60.91.41.4－1.9－1.4橡膠0.60.70.90.80.27.4－1.1皮革23.311.211.410.810.840.720.08.3木材2.52.82.92.83.0－－0.6其他2.53.13.63.32.414.8－1.4總計(jì)100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0100.0第48頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料由公式（8-13）可知，1mol有機(jī)碳可轉(zhuǎn)化成1mol氣體，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，1mol氣體的體積為22.4L，因此有機(jī)物中含有1g有機(jī)碳，則理論上可以產(chǎn)生1.867L氣體（CH4+CO2），即：（8-14）根據(jù)有機(jī)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(guò)COD來(lái)表示。氧化1molCH4需要2molO2：（8-15）（8-16）第49頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料假設(shè)對(duì)COD有貢獻(xiàn)的所有碳都轉(zhuǎn)化為甲烷：（8-17）甲烷產(chǎn)量為：2molCOD有機(jī)物＝1molCH4（8-18）以重量表示為：1gCOD有機(jī)物＝0.25gCH4（8-19）以氣體體積表示為：1gCOD有機(jī)物＝0.35LCH4（8-20）第50頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料由于以下幾個(gè)原因，在任何情況下，通過(guò)公式（8-13）計(jì)算出的CO2的量并不是在垃圾填埋場(chǎng)測(cè)得的產(chǎn)量：①滲濾液溶解的CO2（相反，CH4在滲濾液中溶解度很?。虎谂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）；③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(chǎng)CH4的最大理論氣體產(chǎn)量主要根據(jù)公式（8-14）計(jì)算，一般假設(shè)第51頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料⒉原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)生率是指單位質(zhì)量的原料在發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的沼氣量。表8.7常見(jiàn)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(shí)間（d）牲畜廄肥260～28050～60－豬糞5616560牛糞2805990馬糞200～3006090人糞2405030青草6307060亞麻梗3595990第52頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料續(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(shí)間（d）玉米稈2505390麥秸34259－松樹(shù)葉3106965雜樹(shù)葉210～29458－馬鈴薯梗葉260～2806060谷殼6516290向日葵梗30058－廢物污泥64050－酒廠廢水300～60058－碳水化合物75049－類脂化合物140072－蛋白質(zhì)98050－第53頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料⒊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(jì)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）第54頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料⒋原料的碳氮比表8.8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（C︰N）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第55頁(yè)/共75頁(yè)8.2.2厭氧發(fā)酵原料①混合原料碳氮比的計(jì)算根據(jù)各種原料中碳氮比，由以下公式可以計(jì)算混合后原料的碳氮比，或者根據(jù)要求的碳氮比計(jì)算搭配原料的組合方式。（8-27）②發(fā)酵料漿的配制計(jì)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(jì)算加水量。（8-28）第56頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素⒈厭氧環(huán)境厭氧發(fā)酵是厭氧菌分解有機(jī)固體廢物的過(guò)程，而厭氧菌的生存環(huán)境要求無(wú)氧條件，微量氧也會(huì)對(duì)各個(gè)階段的厭氧菌產(chǎn)生毒害作用，而影響厭氧發(fā)酵的效率。⒉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?yàn)闇囟雀邥r(shí)，原料中的細(xì)菌活躍，分解速度快，使得產(chǎn)氣量增加。⒊pH⒋原料配比第57頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素⒌有毒物質(zhì)①重金屬離子（Me+）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(shí)，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。第58頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素②陰離子的毒害作用主要表現(xiàn)在S2-的毒害作用，其來(lái)源有兩種。第一，由無(wú)機(jī)硫酸鹽還原而來(lái)：（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。第59頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素②陰離子的毒害作用主要表現(xiàn)在S2-的毒害作用，其來(lái)源有兩種。第一，由無(wú)機(jī)硫酸鹽還原而來(lái)：（8-30）

（8-31）第二，由蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。第60頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素③氨的毒害作用氨存在形式有游離氨（NH3）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）第61頁(yè)/共75頁(yè)8.2.3厭氧發(fā)酵影響因素⒍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(shí)分離，并保證有較高的池容產(chǎn)氣率（見(jiàn)表8.9）和防止局部酸積累等。攪拌方式有機(jī)械攪拌，充氣攪拌和充液攪拌。表8.9立式沼氣池、臥式沼氣池?cái)嚢枧c不攪拌的比較試驗(yàn)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/m3·d）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第62頁(yè)/共75頁(yè)8.2.4沼氣發(fā)酵設(shè)備⒈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8.12沼氣發(fā)酵罐工作原理圖1－污水或污泥；2－沼氣；3－出水；4－排泥第63頁(yè)/共75頁(yè)8.2.4沼氣發(fā)酵設(shè)備①立式圓形水壓式沼氣池圖8.13水壓式沼氣池工作原理示意圖（a）1－加料管；2－發(fā)酵間（貯氣部分）；3－池內(nèi)液面O－O；4－出料間液面（b）1－加料管；2－發(fā)酵間（貯氣部分）；3－池內(nèi)料液液面A－A；4－出料間液面B－B（c）1－加料管；2－發(fā)酵間（貯氣部分）；3－池內(nèi)料液液面A－A；4－出料間液面B－B；5－導(dǎo)氣管；6－沼氣輸氣管；7－控制閥第64頁(yè)/共75頁(yè)8.2.4沼氣發(fā)酵設(shè)備圖8.13（a）是沼氣池啟動(dòng)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(dòng)后狀態(tài)，此時(shí)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(shí)，兩液面的高度差最大，稱為極限沼氣壓強(qiáng)，其值可用下式表示：

（8-36）圖8.13（c）表示使用沼氣時(shí)，發(fā)酵間壓力減小，水壓間液體被壓回發(fā)酵間。第65頁(yè)/共75頁(yè)8.2.4沼氣發(fā)酵設(shè)備②立式圓形浮罩式沼氣池圖8.14浮罩式沼氣池示意圖