固體廢物處理與資源化利用-課后作業(yè)答案第五章

好氧堆肥化的基本原理、好氧堆肥化的微生物生化過程分別是什么？如何評價堆肥的腐熟程度？（1）基本原理：好氧堆肥是利用好氧微生物代謝使生物質廢物降解穩(wěn)定，不再易腐發(fā)臭，成為相容于植物生長的土壤調理劑的過程。（2）過程：潛伏階段：部分微生物產生適應酶，其細胞物質開始增加，但微生物總數(shù)尚未增加；而另一些微生物因不適應新環(huán)境而死亡。此階段微生物會大量分泌水解酶，部分固體廢物會被水解成可溶性物質。升溫階段：已適應特定環(huán)境的微生物，利用物料中的易降解有機物，旺盛繁殖，在轉換和利用生化能的過程中，多余的生化能以熱能的形式釋放，使堆置環(huán)境溫度不斷上升。高溫階段：當堆層溫度升高到45℃以上，嗜溫性微生物受到抑制甚至死亡，嗜熱性微生物逐漸替代了嗜溫性微生物的活動，無聊中殘留的和新形成的可溶性有機物急需分解轉化，復雜的有機化合物也開始被劇烈分解。微生物對易降解有機物的高速降解，必然使其代謝逐步受到有機物可利用性的限制，代謝和生長速率下降，因代謝而產生的熱量減少。當產生的熱量低于散失的熱量時，堆層溫度開始下降。降溫階段：當堆體溫度下降到45℃以下時，嗜溫性微生物又重新占據優(yōu)勢。嗜溫性微生物對剩下的較難降解的有機物做進一步分解，并逐漸形成腐殖質。腐熟階段：經過以上四個階段，物料中剩下的是難降解有機物。此階段為嗜溫性的，細菌和放線菌數(shù)目有所下降，真菌會大量繁殖，難降解有機物會被緩慢分解，腐殖質不斷增多、聚合度和芳構化程度不斷提高。（3）評價方式：腐熟程度的評價指標有物理學指標、化學指標和生物學指標。物理學指標包括表觀指標和堆層溫度。化學指標包括易降解有機物和難降解有機物、有機物含量、氮試驗法、碳氮比和腐殖類物質的變化。生物指標包括植物分析法、好氧速率法、厭氧產氣法和綜合評定法。何謂厭氧消化？簡述厭氧消化的生物化學過程。厭氧消化工藝有哪些類型？試比較它們的優(yōu)缺點。固體廢物厭氧消化反應器攪拌的主要作用是什么？（1）厭氧消化是有機物在厭氧條件下通過微生物的代謝活動而被穩(wěn)定，同時伴有甲烷和二氧化碳等氣體產生的過程。（2）過程：厭氧消化一般可以分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化四個階段：水解：水解是一個胞外酶促反應過程，主要是將顆粒態(tài)碳氫化合物、蛋白質和脂肪分解為可以被微生物直接利用的葡萄糖、氨基酸和長鏈脂肪酸（LCFA）的胞外水解過程。酸化：酸化是溶解性基質葡萄糖、氨基酸和LCFA在微生物作用下被降解為各類有機酸、氫、二氧化碳和氨的過程。乙酸化：乙酸化過程是酸化產物利用氫離子或碳酸鹽作為外部電子受體轉化乙酸的降解過程。甲烷化：甲烷化過程是厭氧微生物利用乙酸、H2/CO2，或利用甲醇、甲胺和二甲基硫化物等含甲基的底物生成甲烷的過程。（3）工藝類型：厭氧消化按照含固率不同分為干式消化、濕式消化和半干式消化。按照溫度不同分為常溫消化（自然消化）、中溫消化和高溫消化。干式消化：指處理的固體廢物的含固率在20%以上，大多數(shù)介于20%~40%，一般很少采取稀釋操作。干式消化有更高的有機負荷，反應容器體積更小對化學添加劑的需求量要小于濕式消化，其終產物是固態(tài)的易于作為肥料或動物飼料，由于廢物含固率高，因此單位物料可以產生更多熱量，有利于系統(tǒng)能量的平衡。一般在高溫下運行，可達到衛(wèi)生無害化。但反應器內有機物空間密度較高，容易導致?lián)]發(fā)性脂肪酸、氨氮等代謝物或其他抑制物的積累，需要大比例的微生物接種。濕式消化：指廢物含固率在20%以下，常規(guī)濕式消化的含固率在12%左右。污泥消化的還顧慮一般為5%。濕式消化的終產物是液態(tài)的，需要進行固液分離處理。半干式消化：指處理廢物的含固率在15%~20%。（4）攪拌的作用有兩方面：一是可以使反應器內溫度和濃度分布均勻，防止局部酸積累，使生化反應生成的硫化氫、氫氣等對厭氧菌活動有害的氣體迅速排出，使反應器控制在一個良好的微生物生存環(huán)境之中；二是可以使加入的原料與反應器內富集厭氧降解微生物的物料混合，使產生的浮渣破碎，即讓原料中的有機質與厭氧微生物密切接觸，在反應器內造成一個良好的傳質環(huán)境。如果固體廢物厭氧消化反應器中物料出現(xiàn)酸化跡象，應采取何種調控措施？可通過投加石灰或含氮物料的辦法進行調節(jié)堿度試討論有機廢物堆肥化與厭氧消化過程中微生物接種的必要性，及適宜的接種方式。(1)必要性：是否要進行微生物接種的主要依據是從工程角度看，微生物接種的代價與有機物分解速率提高之間的價值比是否有利。例如，城市生活垃圾本身就含有很豐富的微生物，不加菌種，只要其他工藝條件控制適宜，生活垃圾也能很快地被微生物利用轉化。有些固體廢物，如飯店餐廚垃圾、高溫處理過的工業(yè)有機廢渣，其中所含有的微生物較少，可以考慮人工添加菌種。（2）接種方式：接種的菌種可以使有人工專門培養(yǎng)的，也可以將堆肥產品部分回流以達到接種的目的脫水污泥含水率80%，為在堆肥前將原料含水率調整至65%，采用含水率為15%的稻草調理，試計算加入的稻草質量占污泥量的百分比。設污泥質量為M1,稻草質量M2.可得：(M1+M2)*65%=M1*80%+M2*15%解得：M2/M1=30%則加入稻草質量占污泥質量的30%。某固體廢物堆肥倉，處理廢物100t，出料60t；廢物和出料的含水率分別為65%與45%，有機物含量（干基）分別為70%與50%。試計算經該倉處理后的廢物生物轉化率。生物轉化率=1-60用一種成分為C31H50NO26的堆肥物料，進行實驗室規(guī)模的好氧堆肥試驗。試驗結果，每1000kg堆料在完成堆肥后僅剩200kg，測定產品的成分為C11H14NO4。試求每1000kg物料的計量化學理論需氧量。1000kg物料中，其物質的量為：100012單位摩爾物料消耗氧氣物質的量為：31×1+50200kg產品中，其物質的量為：20012單位摩爾產品消耗氧氣物質的量為：11則每1000kg物料的計量化學理論需氧量為：1轉換成質量有24試計算廢物混合最適宜的C/N比：樹葉的C/N比為50，與來自污水處理廠的活性污泥混合，活性污泥的C/N比為6.3。為使混合C/N比達到25:1，分別計算各組份的比例。假定條件如下：污泥含水率為75%；樹葉含水率為50%；污泥含氮率為5.6%；樹葉含氮率為0.7%。1kg樹葉，干物質質量為：1×含N的質量為：0.5×0.7%=3.5g含C的質量為：3.5×50=175g1kg污泥，干物質質量為：1含N的質量為：0含C的質量為：14×6.3=88.2g設樹葉質量為M千克，污泥質量為m千克有：CN=M×175+有M/m=2.99假設一個養(yǎng)雞農場需要利用雞糞進行堆肥，用鋸末作為調理劑。試計算添加多少鋸末和水，才能組成一個比較合適的堆肥混合物？已知參數(shù)如表5-27所示（注意：若為數(shù)值范圍，在沒有給出說明的情況下可取平均值）。表5-27

已知參數(shù)物料干基氮含量（%）C/N（干基）含水率（%）濕基容積密度（kg/m3）農場雞糞3.601046470鋸末0.06~0.80200~75019~65207~267鋸末0.4347542237假設堆肥混合物的C/N比為25：1，含水率為50%1m3的雞糞，干物質的質量為：1×470含N質量為：253含C的質量為：9.14×10=91.4kg1m3的鋸末，干物質的質量為：1含N的質量為：137.5×0.43%=0.591kg含C的質量為：01m3的水，含水的質量為：1000kg設混合前雞糞的體積為M1，鋸末體積為M2，水體積為M3CN=M1×91.4有M1/M2=1.94含水率=M1×470×有M3/M2=0.11所以混合前雞糞，鋸末，水的體積比為：1．94：1：0.11生物濾床典型設計參數(shù)如表5-28所示。試設計一生物濾床，用于處理堆肥過程的尾氣。已知（1）進氣流量Q（5100m3/h）；（2）進氣污染物濃度C（10g/m3）；（3）生物濾床氧化惡臭物質的速率R（100g污染物/（m3·h）；（4）吸附矯正因子k（0.2）；（5）孔隙率e（0.7）。表5-28

典型設計參數(shù)關鍵設計參數(shù)單位推薦值停留時間s30~60進氣表面負荷m3

/m2·h50~300濾床高度m0.6~1.0孔隙率

0.7~0.8容重kg/m3400~800含水率%40~60溫度℃2~40pH

6.0~8.5惡臭物質降解率g/m3·hr10~140進氣VOC最高濃度負荷mg/m33000~5000能耗kWh/m30.0018~0.0025吸附矯正因子

0.2~0.3選用設計參數(shù)：停留時間45s考慮吸附矯正因子為0.2，實際停留時間為：45/0.2=225s計算過程：濾床的容積為：5100×225÷則濾床的總體積為：318.75÷0.7=455.4m3取456m3濾床高度取3m,濾床截面積為：456÷3=152m校核表面負荷，QA=5100÷152=33.5m3/m2·h<300m符合要求13．欲建一座厭氧消化廠處理某地區(qū)產生的有機生活垃圾，工程處理能力300t/d。有機生活垃圾含VS質量百分比25%，VS中碳水化合物、蛋白質和脂肪分別占70%、20%和5%，請利用本章提供的相關參數(shù)，計算采用半干式中溫處理工藝時所需的厭氧反應器容積、沼氣產量和能量產出。選取工藝為半干式中溫處理，選取設計參數(shù)為：OLR=6kgVS/(m3·d)有機物進料量為：Q=厭氧反應器的有效容積為：V=QOLR校核操作條件：HRT=VQ'取有機物降解速率：60%設糖類、蛋白質和脂肪的甲烷產量分別為0.38、0.52和0.8m3/kg，二氧化碳的產量分別為0.45、0.56和0.4m3/kg甲烷產量為：Q二氧化碳產量為：Q沼氣產量：Q=18450+20115=38565m能量產出Q14.某固體廢物的厭氧消化過程遵循一級反應動力學方程，已知其降解動力學常數(shù)和生物可降解性系數(shù)。若要確保降解率達到80%，則在間歇式反應器和連續(xù)式反應器中的停留時間至少分別需要多少天？(1)間歇式反應器,由題可知：y=當降解率達到80%時，的停留時間：t=ln?(2)連續(xù)式反應器的停留時間：t=x0-某堆肥廠進場生活垃圾來源于生活小區(qū)、商業(yè)服務區(qū)和街道保潔垃圾。其中，主要重金屬在各來源垃圾中的含量見表5-30，試計算進場垃圾的重金屬含量。若經堆肥化處理后，有機物降解率為50%，水分去除率為70%，試計算堆肥產品的重金屬含量。該廠如果欲確保其堆肥產品能滿足農用標準要求，可采取什么措施來降低其重金屬含量？表5-29

重金屬在各來源生活垃圾中的含量mg/kg清運量（103t）含水率AsCdCrCuHgNiPbZn餐廚垃圾0.60.90.0~2.00.05~0.50.0~6.81.1~100.0~0.30.3~8.90.0~4.314~32無機垃圾0.40.212~240.9~2.2113~226114~3130.2~1.127~5090~165178~291街道粉塵0.050.1

1~5228~853(167)20~1070(95)0.11~5.2(0.64)44~56(50)29~3060(230)80~2110(421)標準

303300

5

單位kg餐廚垃圾中:干垃圾重量為：1×重金屬質量為：0.1×(1.0+0.275+3.4+5.55+0.15+4.6+2.15+23)=4.01mg單位kg無機垃圾中：干垃圾重量為：1×重金屬質量為：0.8×(18+1.55+169.5+213.5+0.65+38.5+127.5+