《固體廢棄物的處理與處置》第九章可生化降解固體廢物的處理與利用《固體廢棄物的處理與處置》第九章1第一節(jié)好氧生物降解制堆肥堆肥化概述好氧堆肥程序、工藝、裝置和影響因素堆肥質量堆肥的農(nóng)業(yè)效用第二節(jié)厭氧發(fā)酵制沼氣有機物的厭氧發(fā)酵過程發(fā)酵原料發(fā)酵工藝和影響發(fā)酵的因素第一節(jié)好氧生物降解制堆肥2第一節(jié)好氧生物降解制堆肥一、堆肥化概述(一)堆肥化概念和分類堆肥化是在控制條件下，使來源于生物的有機廢物，發(fā)生生物穩(wěn)定作用的過程。這一定義強調(diào)，堆肥原料來自生物界；堆制過程需在人工控制下進行，不同于衛(wèi)生填埋、廢物的自然腐爛與腐化；堆制過程的實質是生物化學過程。廢物經(jīng)過堆肥化處理，制得的成品叫做堆肥。它是一類腐殖質含量很高的疏松物質，故也稱為“腐殖土”。廢物經(jīng)過堆制，體積一般只有原體積的50-70％。

第一節(jié)好氧生物降解制堆肥一、堆肥化概述3

堆肥化系統(tǒng)分類方法有多種：按堆制方式可分為間歇堆積法和連續(xù)堆積法；按原料發(fā)酵所處狀態(tài)可分為靜態(tài)發(fā)酵法和動態(tài)發(fā)酵法；按堆制過程的需氧程度可分為好氧法和厭氧法?，F(xiàn)代化堆肥工藝，特別是城市垃圾堆肥工藝，大都是好氧堆肥。好氧堆肥系統(tǒng)溫度一般為50－65℃，最高可達70－80℃，堆制周期短，故也稱為高溫快速堆肥。厭氧法堆肥系統(tǒng)，空氣與發(fā)酵原料隔絕，堆制溫度低，工藝比較簡單，成品堆肥中氮素保留比較多，但堆制周期過長，需3－12個月，異味濃烈，分解不夠充分。堆肥化系統(tǒng)分類方法有多種：按堆制方式可分為間歇堆積法和4

(二)好氧法堆肥原理

好氧法制堆肥是以好氧菌為主對廢物進行吸收、氧化、分解。微生物通過自身的生命活動，把一部分被吸收的有機物氧化成簡單的無機物，并放出生物生長活動所需要的能量，把另一部分有機物轉化合成為新的細胞物質，使微生物生長繁殖，產(chǎn)生更多的生物體，可用反應式分別表示為：(二)好氧法堆肥原理好氧法制堆肥是以好5南開大學固體廢物處理與處置課件6南開大學固體廢物處理與處置課件7(三)堆肥原料與堆肥微生物1．堆肥原料生活垃圾、有機污泥、人和禽畜糞便以及農(nóng)林廢物等都含有堆肥微生物所需要的各種基質——碳水化合物、脂類、蛋白質，因而是常用的堆肥原料。2．堆肥微生物好氧法制堆肥，參與有機物生化降解的微生物包括兩類:嗜溫菌和嗜熱菌。

(三)堆肥原料與堆肥微生物1．堆肥原料8

固體廢物好氧微生物降解過程，依據(jù)溫度變化，大致分成三個階段，每一階段各有其獨特的微生物類群。(1)中溫階段：堆制初期，堆層呈中溫(15－45℃)。此時，嗜溫性微生物活躍，利用可溶性物質糖類、淀粉不斷增殖，在轉換和利用化學能的過程中產(chǎn)生的能量超過細胞合成所需的能量，加上物料的保溫作用，溫度不斷上升，以細菌、真菌、放線菌為主的微生物迅速繁殖。固體廢物好氧微生物降解過程，依據(jù)溫度變化，大9

(2)高溫階段：堆層溫度上升到45℃以上，便進入高溫階段。從廢物堆積發(fā)酵開始，不到1周的時間，堆溫一般可達到65－70℃，或者更高。此時，嗜溫性微生物受到抑制，甚至死亡，而嗜熱性微生物逐漸替代嗜溫性微生物的活動。除前一階段殘留的和新形成的可溶性有機物繼續(xù)分解轉化外，半纖維素、纖維素、蛋白質等復雜有機物也開始強烈分解。在50℃左右活動的主要是嗜熱性真菌和放線菌；60℃時，僅有嗜熱性放線菌與細菌活動，70℃以上，微生物大量死亡或進入休限狀態(tài)。(2)高溫階段：堆層溫度上升到45℃以上，10

在高溫階段，嗜熱性微生物按其活性，又可分為三個時期：對數(shù)增長期、減速增長期和內(nèi)源呼吸期。微生物經(jīng)歷三個時期變化以后，堆層便開始發(fā)生與有機物分解相對立的腐殖質形成過程，堆肥物科逐步進入穩(wěn)定狀態(tài)。在高溫階段，嗜熱性微生物按其活性，又可11

(3)降溫階段：在內(nèi)源呼吸期，微生物活性下降，發(fā)熱量減少,溫度下降，嗜溫性微生物再占優(yōu)勢，使殘留難降解的有機物進一步分解，腐殖質不斷增多且趨于“穩(wěn)定”，堆肥便進入腐熟階段。(3)降溫階段：在內(nèi)源呼吸期，微生物活性下降，發(fā)熱12南開大學固體廢物處理與處置課件13二、好氧堆肥程序、工藝、裝置和影響因素（一）典型的靜態(tài)好氧發(fā)酵制堆肥程序1原料預處理包括分選、破碎以及含水率和碳氮比調(diào)整。2原料發(fā)酵(1)一次發(fā)酵：好氧堆肥的中溫與高溫兩個階段的微生物代謝過程稱為一次發(fā)酵或主發(fā)酵。它是指從發(fā)酵初期開始，經(jīng)中溫、高溫然后到達溫度開始下降的整個過程，一般需10-12天，以高溫階段持續(xù)時間較長。

二、好氧堆肥程序、工藝、裝置和影響因素（一）典型的靜態(tài)好氧發(fā)14(2)二次發(fā)酵：物料經(jīng)過一次發(fā)酵，還有一部分易分解和大量難分解的有機物存在，需將其送到后發(fā)酵室，堆成1-2米高的堆垛進行二次發(fā)酵，使之腐熟。此時溫度持續(xù)下降，當溫度穩(wěn)定在40℃左右時即達腐熟，一般需20-30天。3后處理：后處理包括去除雜質和進行必要的破碎處理。(2)二次發(fā)酵：物料經(jīng)過一次發(fā)酵，還有一部分易分解和大量難15堆肥產(chǎn)品質量及衛(wèi)生要求堆肥產(chǎn)品質量（以干基計）粒度：農(nóng)用堆肥產(chǎn)品粒度不大于12mm，山林果園用堆肥產(chǎn)品粒度不大于50mm；含水率：≤35%；pH值：6.5~8.5；全氮（以N計）：≥0.5%；全磷（以P2O5計）：≥0.3%；堆肥產(chǎn)品質量及衛(wèi)生要求16全鉀（以K2O計）：≥1.0%；有機質（以C計）：≥10%；重金屬含量：總鎘（以Cd計）≤3mg/kg；總汞（以Hg計）≤5mg/kg；總鉛（以Pb計）≤100mg/kg；總鉻（以Cr計）≤300mg/kg；總砷（以As計）≤30mg/kg；無害化衛(wèi)生要求堆肥溫度（靜態(tài)堆肥工藝）：>55℃持續(xù)5d以上?；紫x卵死亡率：95%~100%；糞大腸菌值：10–1~10–2；全鉀（以K2O計）：≥1.0%；17討論固體廢物好氧微生物降解過程，依據(jù)溫度變化，大致分成三個階段,各個階段的變化特點?一次發(fā)酵和二次發(fā)酵的不同點,一次發(fā)酵和二次發(fā)酵分別對應各個溫度變化的階段是什么？討論固體廢物好氧微生物降解過程，依據(jù)溫度變化，大致分成三個階18(二)發(fā)酵工藝與裝置1、條剁式系統(tǒng)：條剁堆肥是將前處理后的堆料堆成高1~2m，寬2~3m的條剁，上面用塑料布或簡易棚擋雨，定期使用機械或人工翻堆方法進行自然通風供氧，使物料在好氧條件下分解。在條剁堆肥系統(tǒng)中，翻堆是一個很重要的操作環(huán)節(jié)，翻堆必須保證整體物料相對位置的轉變。(二)發(fā)酵工藝與裝置1、條剁式系統(tǒng)：19強制通風靜態(tài)垛系統(tǒng)：強制通風靜態(tài)垛系統(tǒng)是通過風機和埋在地下的通風管道進行強制通風供氧的系統(tǒng)。對于強制通風靜態(tài)垛系統(tǒng)，通風系統(tǒng)決定其能否正常運行，也是溫度控制的主要手段。在堆肥過程中，通風不僅為微生物分解有機物供氧，同時也去除二氧化碳和氨氣等氣體，并蒸發(fā)水分使堆體散熱，保持適宜的溫度。

強制通風靜態(tài)垛系統(tǒng)：20南開大學固體廢物處理與處置課件21

2間歇式發(fā)酵工藝與裝置（1）間歇式發(fā)酵工藝間歇式發(fā)酵工藝是將原料一批一批地發(fā)酵，一批原料堆積之后不再添加新料，待完成發(fā)酵成為腐殖土運出。第一次發(fā)酵采用機械強制通風，發(fā)酵期10天，60℃高溫保持5天以上，達到無害化。然后將第一次發(fā)酵堆肥通過機械分選，去除非堆腐物，送去二次發(fā)酵倉，進行第二次發(fā)酵，一般10天左右即達到腐熟。

2間歇式發(fā)酵工藝與裝置22（2）間歇式發(fā)酵裝置有長方形池式發(fā)酵倉、傾斜床式發(fā)酵倉、立式圓筒形發(fā)酵倉等，并各配設通風管，有的還配設攪拌裝置。（2）間歇式發(fā)酵裝置23一種圓筒形發(fā)酵倉示意圖，宜徑5米，高4米，底部呈錐狀。在圓筒的底部用8.3厘米的鋼管沿池壁裝設一圈通風管，通風管上均勻開出8個出氣口。通風管與鼓風機相接，強制鼓入空氣，日處理垃圾50噸。一種圓筒形發(fā)酵倉示意圖，宜徑5米，高4米，底部呈錐狀。在圓筒24南開大學固體廢物處理與處置課件25南開大學固體廢物處理與處置課件262．連續(xù)發(fā)酵工藝與裝置

連續(xù)發(fā)酵工藝采取連續(xù)進料和連續(xù)出料方式發(fā)酵，原料在一個專設的發(fā)酵裝置內(nèi)完成中溫和高溫發(fā)酵過程。這種系統(tǒng)除具有發(fā)酵時間短，能殺滅病源微生物外，還能防止異味，成品質最比較高，已在美國、日本、歐洲廣為采用。2．連續(xù)發(fā)酵工藝與裝置連續(xù)發(fā)酵工藝采取連續(xù)27南開大學固體廢物處理與處置課件28南開大學固體廢物處理與處置課件29

(2)漿葉式發(fā)酵塔：槳葉式發(fā)酵塔(圖9—5)外觀類似多段焚燒爐。外壁由隔熱材料做成，是一種可保溫的具有多段發(fā)酵槽的圓筒，一般有5個發(fā)酵槽，各由混凝土或鋼板做成。(2)漿葉式發(fā)酵塔：槳葉式發(fā)酵塔(圖9—5)外觀類似多30南開大學固體廢物處理與處置課件31南開大學固體廢物處理與處置課件32螺旋攪拌式發(fā)酵倉的示意圖如下圖所示。這也是動態(tài)式筒式發(fā)酵倉的一種形式。經(jīng)預處理工序分選破碎的廢物被運輸機送到倉中心上方，靠設在發(fā)酵倉上部與天橋一起旋轉的輸送帶向倉壁內(nèi)側均勻地加料，用吊裝在天橋下部的多個螺絲鉆頭來旋轉攪拌，使原料邊混和邊摻入到正在發(fā)酵的物料層內(nèi)。螺旋攪拌式發(fā)酵倉的示意圖如下圖所示。這也是動態(tài)式筒式發(fā)酵倉的33南開大學固體廢物處理與處置課件34（三）影響因素1有機物的含量：堆肥物料適宜的有機物含量為20－80%。2含水率：在用生活垃圾制堆肥時，一般以含水率55%為最佳。（三）影響因素1有機物的含量：堆肥物料適宜的有機物含量為2353通風和耗氧速率：微生物的耗氧速率一般在發(fā)酵反應的60－80小時達到峰值；在200小時左右時進入初步穩(wěn)定階段，耗氧速率變化緩慢。堆肥過程適宜的氧濃度為14－17%，最低不應低于10%。好氧堆肥供氧方式有翻堆通風、風機供風、插入風管通風等。3通風和耗氧速率：364碳氮比：微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的碳氮比為30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26：1-35：1之間。成品堆肥的適宜碳氮比為10：1-20：1之間。各堆肥原料的C/N比如下：鋸末屑300~1000，秸桿70~100，垃圾50~80，人糞6~10，牛糞8~26，豬糞7~15，雞糞5~10，下水生污泥5~15，活性污泥5~8。因此，當用秸桿，垃圾進行堆肥時，需添加低C/N比廢物或加入氮肥，以使C/N比調(diào)整到30以下。4碳氮比：微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的375溫度：整個堆肥過程的較佳溫度是35-55攝氏度。6pH：好氧堆肥初期，pH值一般可下降為5－6，爾后又開始上升，發(fā)酵完成前可達8.5－9.0，最終成品達到7.0－8.0。

堆把過程對上述各影響因素，特別是耗氧速率、水分和有機物含量三項理論參數(shù)的控制特別重要。5溫度：整個堆肥過程的較佳溫度是35-55攝氏度。38三、堆肥質量(一)堆肥的成分和養(yǎng)分堆肥質量包括適于農(nóng)用的成分和養(yǎng)分，符合衛(wèi)生要求的無害化和腐熟度。堆肥的成分和養(yǎng)分依其所用原料、工藝和堆制周期不同而有差異。三、堆肥質量(一)堆肥的成分和養(yǎng)分39(二)堆肥的無害化

堆肥的無害化質量應從其中重金屬含量和致病微生物的數(shù)量上進行考察。近年來，我國曾先后頒布了《農(nóng)用污泥中污染物控制標準》(GB4284)、《城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準》(GB8172—87)以及包括《高溫堆肥的衛(wèi)生標淮》在內(nèi)的《糞便無害化衛(wèi)生標準》(GB7959—87)。(二)堆肥的無害化堆肥的無害化質量應從其中重金屬40(三)堆肥的腐熟度1腐熟度概念堆肥的腐熟度是指成品堆肥的穩(wěn)定程度。2腐熟度評定方法(1)直觀經(jīng)驗法：成品堆肥顯棕色或暗灰色，并具有霉臭的土壤氣味，無明顯的纖維。

(三)堆肥的腐熟度1腐熟度概念41(2)淀粉測試法：淀粉測試法的理論依據(jù)是在正常的發(fā)酵過程中，堆肥的淀粉量隨時間增加而減少，一般當發(fā)酵到達第4-5周時，淀粉絕大部分分解，在最終成品堆肥中，淀粉應全部消失。測定方法是將堆肥樣品加入高氯酸溶液，攪拌、過濾，用碘液檢驗濾液，如果變黃、略有沉淀物，表明堆肥已經(jīng)穩(wěn)定；如果呈現(xiàn)藍色，表明堆肥未腐熟。此法簡便，適于現(xiàn)場檢測用。(2)淀粉測試法：淀粉測試法的理論依據(jù)是在正常的發(fā)酵過程中，42

(3)耗氧速率法：測定方法采用氣體采集槍和微型吸氣泵將堆層中的氣體抽吸到O2／CO2測定儀，通過儀器自動顯示堆層O2或CO2濃度在單位時間內(nèi)的變化值，以評定堆肥發(fā)酵程度和腐熟情況。用氧速率作為堆肥腐熟程度的評定依據(jù)，符合衛(wèi)生學原理，具有良好的穩(wěn)定性、專一性和可靠性，不受原料組分的影響，易于在工程上應用。(3)耗氧速率法：測定方法采用氣體采集槍和微型吸氣泵43四、堆肥的農(nóng)業(yè)效用(一)堆肥的改土作用1．增加土壤有機質2．改善土壤結構3．提高土壤功能4．促進植物根系增長(二)堆肥的增產(chǎn)作用四、堆肥的農(nóng)業(yè)效用(一)堆肥的改土作用44(三)堆肥農(nóng)用的不利因素堆肥中N、P、K混合含量一般不高，很少有達到3％的。因此，不應將其等同于傳統(tǒng)的農(nóng)家肥，而只能將其作為“土壤改良劑”或“土壤調(diào)節(jié)劑”對待。農(nóng)田大量施用堆肥，土壤中可能富集有害元素。堆肥設備投資大，成品的成本偏高，其競爭力敵不過商品化肥，因而影響到堆肥方法的普及推廣。(三)堆肥農(nóng)用的不利因素45討論堆肥工藝的影響因素有那些,各個因素的一般要求有哪些?討論堆肥工藝的影響因素有那些,各個因素的一般要求有哪些?46作業(yè)：1）某固體廢物含可燃物63%，水分20%，灰分17%。固體廢物的元素分析數(shù)據(jù)為C30%，H5%，O23%，N4%，S1%，水分20%，灰分17%，假設（1）固體廢物的粗熱值為12640kJ/kg；（2）爐內(nèi)殘渣含碳量為5%，殘渣離開爐子的溫度為660℃，室外溫度25℃，殘渣的比熱為0.325KJ/（Kg?℃）；（3）水的汽化潛熱為2420kJ/kg；（4）輻射熱損失占了0.5%；（5）碳的熱值為32566kJ/kg，試計算這種廢物熱值可利用效率。作業(yè)：1）某固體廢物含可燃物63%，水分20%，灰分17%。472）人糞80kg，含總固體量18％；豬糞100kg，含總固體量25％；稻草95kg，含總固體量88%。將其配制成總固體含量為5%的發(fā)酵料漿，需加多少水？2）人糞80kg，含總固體量18％；豬糞100kg，含總固483）假設在一溫度為225℃的管式焚燒爐中分解純二乙基過氧化物，進入焚燒爐的流速為13.5L/s，在225℃的速度常數(shù)為38.3s－1，欲使二乙基過氧化物的分解率達到99.99％，爐的內(nèi)徑為7.0cm，求爐長為多少？3）假設在一溫度為225℃的管式焚燒爐中分解純二乙基過氧化物49第二節(jié)厭氧發(fā)酵制沼氣一、有機物的厭氧發(fā)酵過程厭氧發(fā)酵也稱沼氣發(fā)酵或甲烷發(fā)酵，是指有機物在厭氧細菌作用下轉化為甲烷（或稱沼氣）的過程。有機物厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段，每一階段各有其獨特的微生物類群起作用。第二節(jié)厭氧發(fā)酵制沼氣一、有機物的厭氧發(fā)酵過程50南開大學固體廢物處理與處置課件51二、發(fā)酵原料

堆肥原料都可以作沼氣發(fā)酵原料。(一)常見沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量計算沼氣發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量?？上确謩e測定每種發(fā)酵原料中碳水化合物、蛋白質、脂類化合物的含量，然后依據(jù)下式計算甲烷的產(chǎn)量(E)：二、發(fā)酵原料堆肥原料都可以作沼氣發(fā)酵原料。52南開大學固體廢物處理與處置課件53(二)原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量

沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)生率是指單位重量的原料在發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣量。我國通常用原料所含總固體（TS）的量作原料單位表示原料的產(chǎn)氣量。（三）原料的總固體百分含量和總固體量(二)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54

原料總固體包括揮發(fā)性固體和灰分。在揮發(fā)性固體中，含有原料可轉化成甲烷的有機物。因此，用原料的揮發(fā)性固體的重量作原料計量單位所表示的原料產(chǎn)氣率更為準確。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。它們可按下列各式計算：原料總固體包括揮發(fā)性固體和灰分。在揮發(fā)性固體55南開大學固體廢物處理與處置課件56南開大學固體廢物處理與處置課件57（四）原料的碳氮比

厭氧發(fā)酵原料的適宜碳氮比為20：1~30：1，碳氮比達到35：1時，產(chǎn)氣量明顯下降。（四）原料的碳氮比厭氧發(fā)酵原料的適宜碳氮比為20：158南開大學固體廢物處理與處置課件59三、發(fā)酵工藝和影響發(fā)酵的因素（一）發(fā)酵工藝1自然溫度半批量投料發(fā)酵工藝這種工藝的發(fā)酵溫度隨自然溫度變化而變化。所用原料主要是秸稈和糞便，采用半批量方式投料。三、發(fā)酵工藝和影響發(fā)酵的因素（一）發(fā)酵工藝602自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝這種工藝是在自然溫度條件下，定時定量投料和出料。大中型沼氣工程均采用這種發(fā)酵工藝。工藝控制的基本參數(shù)包括進料濃度、水力滯留時間、發(fā)酵溫度。2自然溫度連續(xù)投料發(fā)酵工藝61（二）影響發(fā)酵的因素1溫度

低溫發(fā)酵：溫度隨氣候變化，大多處于20℃以下，產(chǎn)氣量不高，不易達到殺滅病原微生物的目的。

中溫發(fā)