可生化降解固体废物的处理与利用

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农田大量施用堆肥,土壤中可能富集 有害元素。
堆肥设备投资大,成品的成本偏高, 其竞争力敌不过商品化肥,因而影响到 堆肥方法的普及推广。
讨论
堆肥工艺的影响因素有那些?
第二节 厌氧发酵制沼气
一、有机物的厌氧发酵过程
厌氧发酵也称沼气发酵或甲烷发酵, 是指有机物在厌氧细菌作用下转 化为甲烷(或称沼气)的过程。 有机物厌氧发酵依次分为液化、 产酸、产甲烷三个阶段,每一阶 段各有其独特的微生物类群起作 用。
堆肥化系统分类方法有多种:按堆制方式可 分为间歇堆积法和连续堆积法;按原料发酵 所处状态可分为静态发酵法和动态发酵法; 按堆制过程的需氧程度可分为好氧法和厌氧 法。
现代化堆肥工艺,特别是城市垃圾堆肥工艺, 大都是好氧堆肥。好氧堆肥系统温度一般为 50-65℃,最高可达80-90℃,堆制周期 短,故也称为高温快速堆肥。
(二)影响发酵的因素
1 温度 低温发酵:温度随气候变化,大多处于20℃
以下,产气量不高,不易达到杀灭病原微生 物的目的。
中温发酵:发酵液温度控制在37℃左右,这 是甲烷菌的第一个最佳活性温区。
高温发酵:发酵液温度控制在53℃左右,此 时是甲烷菌的第二个最佳活性温区。
2 pH值
甲烷菌要求的pH值范围很窄,pH为7.0左右,故 一般都使发酵过程维持在6.8~7.5之间。
厌氧发酵原料的适宜碳氮比为20:1~30:1, 碳氮比达到35:1时,产气量明显下降。
三、发酵工艺和影响发酵的因素
(一)发酵工艺 1 自然温度半批量投料发酵工艺
这种工艺的发酵温度随自然温度变化而变化。所 用原料主要是秸秆和粪便,采用半批量方式投料。
2 自然温度连续投料发酵工艺
这种工艺是在自然温度条件下,定时定 量投料和出料。大中型沼气工程均采用这 种发酵工艺。工艺控制的基本参数包括进 料浓度、水力滞留时间、发酵温度。
堆把过程对上述各影响因素,特别是耗氧速
率、水分和有机物含量三项理论参数的控制特 别重要。
三、堆肥质量
(一)堆肥的成分和养分 堆肥质量包括适于农用的成分和养分,符合卫
生要求的无害化和腐熟度。堆肥的成分和养分 依其所用原料、工艺和堆制周期不同而有差异。
(二)堆肥的无害化
堆肥的无害化质量应从其中重金属含量和致 病微生物的数量上进行考察。近年来,我国曾 先后颁布了《农用污泥中污染物控制标准》 (GB4284)、《城镇垃圾农用控制标准》 (GB8172—87)以及包括《高温堆肥的卫生标 淮》在内的《粪便无害化卫生标准》 (GB7959—87)。
《固体废弃物的处理与处置》
第九章 可生化降解固体废物的处理与利用
第一节 好氧生物降解制堆肥 1. 堆肥化概述 2. 好氧堆肥程序、工艺、装置和影响因素 3. 堆肥质量 4. 堆肥的农业效用 第二节 厌氧发酵制沼气 1. 有机物的厌氧发酵过程 2. 发酵原料 3. 发酵工艺和影响发酵的因素
第一节 好氧生物降解制堆肥
在高温阶段,嗜热性 微生物按其活性,又可 分为三个时期:对数增 长期、减速增长期和内 源呼吸期。微生物经历 三个时期变化以后,堆 层便开始发生与有机物 分解相对立的腐殖质形 成过程,堆肥物科逐步 进入稳定状态。
(3)降温阶段:在内源呼吸期,微生物 活性下降,发热量减少,温度下降,嗜 温性微生物再占优势,使残留难降解 的有机物进一步分解,腐殖质不断增 多且趋于“稳定”,堆肥便进入腐熟 阶段。
(1)中温阶段:堆制初期,堆层呈中温(15-45℃)。 此时,嗜温性微生物活跃,利用可溶性物质糖类、淀粉 不断增殖,在转换和利用化学能的过程中产生的能量超 过细胞合成所需的能量,加上物料的保温作用,温度不 断上升,以细菌、真菌、放线菌为主的微生物迅速繁殖。
(2)高温阶段:堆层温度上升到45℃以上,便 进入高温阶段。从废物堆积发酵开始,不到1周 的时间,堆温一般可达到65-70℃,或者更高。 此时,嗜温性微生物受到抑制,甚至死亡,而嗜 热性微生物逐渐替代嗜温性微生物的活动。除前 一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解 转化外,半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机 物也开始强烈分解。在50℃左右活动的主要是 嗜热性真菌和放线菌;60℃时,仅有嗜热性放 线菌与细菌活动,70℃以上,微生物大量死亡 或进入休限状态。
(三)影响因素
1 有机物的含量:堆肥物料适宜的有机物含量 为20-80%。
2 含水率: 在用生活垃圾制堆肥时,一般以含 水率55%为最佳。
3 通风和耗氧速率:
微生物的耗氧速率一般在发酵反应的60- 80小时达到峰值;在200小时左右时进入初步 稳定阶段,耗氧速率变化缓慢。
堆肥过程适宜的氧浓度为14-17%,最低 不应低于10%。
一次发酵和二次发酵的不同点.
(二)发酵工艺与装置
1 间歇式发酵工艺与装置 (1)间歇式发酵工艺
间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵,一 批原料堆积之后不再添加新料,待完成发酵成为
腐殖土运出。第一次发酵采用机械强制通风, 发酵期10天,60℃高温保持5天以上,达到 无害化。然后将第一次发酵堆肥通过机械分 选,去除非堆腐物,送去二次发酵仓,进行 第二次发酵,—般10天左右即达到腐熟。
(三)堆肥原料与堆肥微生物
1.堆肥原料 生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及农林废 物等都含有堆肥微生物所需要的各种基质——碳 水化合物、脂类、蛋白质,因而是常用的堆肥原 料。
2.堆肥微生物 好氧法制堆肥,参与有机物生化降解的微生物包括 两类:嗜温菌和嗜热菌。
固体废物好氧微生物降解过程,依据温度变化,大致 分成三个阶段,每一阶段各有其独特的微生物类群。
(3)耗氧速率法:此法理论根据已在本章第 二节的“堆肥影响因素”中作了阐述。测 定方法可用同济大学和杭州市环境卫生科 学研究所研制的气体采集枪和微型吸气泵 将堆层中的气体抽吸到O2/CO2测定仪, 通过仪器自动显示堆层O2或CO2浓度在单 位时间内的变化值,以评定堆肥发酵程度 和腐熟情况。用氧速率作为堆肥腐熟程度 的评定依据,符合卫生学原理,具有良好 的稳定性、专一性和可靠性,不受原料组 分的影响,易于在工程上应用。
一、堆肥化概述 (一) 堆肥化概念和分类
堆肥化是在控制条件下,使来源于生物的有 机废物,发生生物稳定作用的过程。这 一定义强调,堆肥原料来自生物界;堆
制过程需在人工控制下进行,不同于卫生填 埋、废物的自然腐烂与腐化;堆制过程 的实质是生物化学过程。 废物经过堆 肥化处理,制得的成品叫做堆肥。它是 一类腐殖质含量很高的疏松物质,故也 称为“腐殖土”。废物经过堆制,体积 一般只有原体积的50一70%。
(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稳定
程度。 2 腐熟度评定方法
(1)直观经验法:成品堆肥显棕色或 暗灰色,并具有霉臭的土壤气味,无 明显的纤维。
(2)淀粉测试法:淀粉测试法的理论依据是在正 常的发酵过程中,堆肥的淀粉量随时间增加而 减少,一般当发酵到达第4-5周时,淀粉绝大 部分分解,在最终成品堆肥中,淀粉应全部消 失。测定方法是将堆肥样品加入高氯酸溶液, 搅拌、过滤,用碘液检验滤液,如果变黄、略 有沉淀物,表明堆肥已经稳定;如果呈现蓝色, 表明堆肥未腐熟。此法简便,适于现场检测用。
(2)间歇式发酵装置
有长方形池式发酵仓、倾斜 床式发酵仓、立式圆筒形发酵仓 等,并各配设通风管,有的还配 设搅拌装置。
一种圆筒形发酵仓示 意图,宜径5米,高 4米,底部呈锥状。 在圆筒的底部用 8.3厘米的钢管沿 池壁装设一圈通风管, 通风管上均匀开出8 个出气口。通风管与 鼓风机相接,强制鼓 人空气,日处理垃圾 50吨。
3 搅拌
高温发酵要求对物料搅拌,以保证发酵装置有较 高的池容产气率和不致出现局部酸积累。搅拌方式 有机械搅拌、充气搅拌和充液搅拌三种。
四、发酵装置——水压式沼气池
二、好氧堆肥程序、工艺、装置和影响因 素
(一)典型的静态好氧发酵制堆肥程序
1 原料预处理 包括分选、破碎以及含水率和碳氮比调整。
2 原料发酵 (1)一次发酵:好氧堆肥的中温与高温两个 阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发 酵。它是指从发酵初期开始,经中温、高温 然后到达温度开始下降的整个过程,一般需 10一12天,以高温阶段持续时间较长。
好氧堆肥供氧方式有翻堆通风、风机供风、 插入风管通风等。
4 碳氮比: 微生物每利用30份碳就需要1份氮, 故初始物料的碳氮比为30 :1合乎堆肥需要, 其最佳值在26:1-35:1之间。成品堆肥的 适宜碳氮比为10:1-20:1之间。
5 温度:整个堆肥过程的较佳温度是35—55摄氏 度。
6 pH: 好氧堆肥初期,pH值一般可下降为5-6, 尔后又开始上升,发酵完成前可达8.5-9.0, 最终成品达到7.0-8.0。
四、堆肥的农业效用
(一)堆肥的改土作用 1.增加土壤有机质 2.改善土壤结构 3.提高土壤功能 4.促进植物根系增长 (二)堆肥的增产作用
(三)堆肥农用的不利因素
堆肥中N、P、K混合含量一般不高, 很少有达到3%的。因此,不应将其等同 于传统的农家肥,而只能将其作为“土 壤改良剂”或“土壤调节剂”对待。
(2) 二次发酵:物料经过一次发酵,还有 一部分易分解和大量难分解的有机物存 在,需将其送到后发酵室,堆成1—2米 高的堆垛进行二次发酵,使之腐熟。此 时温度持续下降,当温度稳定在40℃左 右时即达腐熟,一般需20一30天。
3 后处理:后处理包括去除杂质和进行必 要的破碎处理。
讨论
固体废物好氧微生物降解过程,依据温 度变化,大致分成三个阶段,各个阶段的 变化特点?
二、发酵原料
堆肥原料都可以作沼气发酵原料。 (一)常见沼气发酵原料的理论产气量
计算沼气发酵原料的理论产气量。可先分别测 定每种发酵原料中碳水化合物、蛋白质、 脂类化合物的含量,然后依据下式计算甲 烷的产量(E):
(二)原料的产气率和甲烷含量
沼气发酵原料产生率是指单位重量的原料在发酵过 程中产生的沼气量。我国通常用原料所含总固体 (TS)的量作原料单位表示原料的产气量。 (三)原料的总固体百分含量和总固体量
原料总固体包括挥发性固体和灰分。在挥发性固体中, 含有原料可转化成甲烷的有机物。因此,用原料的挥发 性固体的重量作原料计量单位所表示的原料产气率更为 准确。挥发性固体的含量可用发酵原料总固体中挥发性 固体的百分含量或者发酵原料中的挥发性固体含量表示。 它们可按下列各式计算:
(四)原料的碳氮比
厌氧法堆肥系统,空气与发酵原料隔绝,堆 制温度低,工艺比较简单,成品堆肥中氮素 保留比较多,但堆制周期过长,需3-12个 月,异味浓烈,分解不够充分。
(二)好氧法堆肥原理
好氧法制堆肥是以好氧菌为主对废物进行吸收、 氧化、分解。微生物通过自身的生命活动,把一部 分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并放出生 物生长活动所需要的能量,把另一部分有机物转化 合成为新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更 多的生物体,可用反应式分别表示为:
2.连续发酵工艺与装置
连续发酵工艺采取连续进料和连 续出料方式发酵,原料在一个专设 的发酵装置内完成中温和高温发酵 过程。这种系统除具有发酵时间短, 能杀灭病源微生物外,还能防止异 味,成品质最比较高,已在美国、 日本、欧洲广为采用。
(2) 浆叶式发酵塔: 桨 做成,是一种可保温 的具有多段发酵槽的 圆筒,一殷有5个发 酵槽,各由混凝土或 钢板做成。
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