固体废物处理方法和处置

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第二节 固体废物堆肥化技术
一、基本概念 二、原料来源及质量控制 三、堆肥化原理 四、堆肥化工艺 五、堆肥化设备 六、堆肥化过程技术参数及控制 七、堆肥腐熟度及其质量标准
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一、堆肥化（composting）定义
（毕振明、娄性义）：
是在人工控制的条件下，使来源于生物 的有机固体废物进行生物稳定作用 （Biostablization）的过程。
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堆肥化过程
通常都是根据堆层温度变化为主要标志，将堆肥化过 程分为下列若干段： A、潜伏阶段，又称驯化阶段，是堆肥中的微生物适应新 环境，在优胜劣汰中驯化，形成优势菌群的过程。 B、中温阶段，堆肥初期，堆层基本呈中温，嗜温性微生 物较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。 C、高温阶段，当肥堆温度上升到45℃以上时，即进入高 温阶段。 D、腐熟阶段，在内源呼吸后期，只剩下部分难分解的有 机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热 量减少，温度下降。
☆新鲜堆肥宜用作底肥。粗堆肥最好用于粘质、淤泥和 结板的土壤；细堆肥用于干燥、疏散及多沙的土壤。
☆城市垃圾堆肥C/N比大，即含氮量低，最好和氮肥配合 使用，以免出现土壤的“氮饥饿”现象。
☆堆肥不应装在密封的袋里搬运或保存，必要时，在袋 上开空气流通口。
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二 、原料来源及质量控制
来源：可用作堆肥化处理的废物种类很多，来源广泛， 如城市生活垃圾、农业秸杆、锯末、树皮、污泥及厌 氧发酵残渣等。
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★好氧生物处理法： 在供氧条件下，利用好氧微生物新陈代谢，使固体有机 物降解、转化成相对低能位、低分子量物质而稳定下来， 同时放出热量，减量化和无害化效果明显。
★厌氧生物处理法： 是在没有游离氧情况下，利用厌氧微生物新陈代谢
作用使固体有机质降解、转化成简单、稳定的化合物， 同时放出能量（其中大部分能量以CH4的形式出现），仅 少部分有机物转化成新的细胞质组分，减量化和资源化 效果明显。
★临界水分：是指堆肥化过程中既考虑微生物活性需要， 又考虑到保持物料孔隙率和透气性需要的综合指标。当 含水率＞65%时，水分将充满物粒间隙，堆层内空气量降 低，由好氧状态向厌氧转化，温度剧降，并产生恶臭气 25
含水率调节与控制
★回流物料平衡法 湿料平衡Xc+Xr=Xm（料仓内混合物料总湿重） 干料平衡ScXc+SrXr=SmXm（Sm料仓内混合物料含固量） 湿重回流比Rw=Xr/Xc=（Sm-Sc）/（Sr-Sm） 干重回流比Rd=SrXr/（ScXc）=（Sm/Sc-1）/（1-Sm/Sr）
CaHbNcOd+0.5（Nz+2s+r-d） O2 →nCwHxNyOz+s C O2 +r H2O +（c-ny）NH3
（其中n为降解效率，其摩尔转化率＜1），即堆肥需氧量 V= 0.5（Nz+2s+r-d）*32kmol
r=0.5[b-nx-3（c-ny）]，s=a-nw n=堆肥化产品重量/堆肥产品千摩尔质量（kg） ★经验法 ：通常为理论空气量二倍以上，静态堆肥中取0.050.2M3/（min•m3），在动态堆肥化中则需做生产性试验确定24 。
目前，我国堆肥化原料主要是两类： ☆生活垃圾+粪便或生活垃圾+生活污泥 ☆农业秸杆+粪便
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质量控制
A、密度（容重）：适于堆肥的垃圾密度为350-650kg/m3； B、组分（湿质）%：有机物≥20%，并按照易腐物（动
物性+植物性）、灰渣（≥15mm称渣砾，＜15mm为 灰土）和废品（纸类、布类、塑料、金属、玻璃）分 别统计用于堆肥化处理的城市生活垃圾组成成分。 C、含水率：适合堆肥的垃圾含水率为40-60%； D、碳/氮比（C/N）：适合堆肥的C/N比为20：1~30：1； E、粒度：适合堆肥的物料粒度为12-60mm，蔬菜类易腐 废物尺寸可略大一些。
☆堆肥中的氮肥几乎都是以蛋白质的形式存在，要经过氮微 生物分解或硝酸盐氮后方能被植物吸收，故可保持土壤长 期肥力而不对农作物产生损害。
☆有助于促进植物根系发育及生长，并可提供CO2。
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使用堆肥应注意事项
☆成熟的堆肥富有活的微生物，其耗氧量虽然比未成熟 堆肥要少，仍易成为厌氧状态，所以在使用时需要充 分注意。用于农田施肥时，不要将堆肥埋起来，最好 让其在土壤表面暴露于空气中。
重 点：好氧中高温堆肥化工艺原理与过程控制 技术和方法、厌氧消化处理的技术原理、 生物化学机理。
难 点：生物转化（或生物代谢）动力学和厌氧 消化器结构设计参数选择与计算。
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第一节 概述
定义：固体废物生物处理技术的实质是生物转 化技术，它是指人类通过各种手段，利用微生 物所具有的巨大的氧化分解有机物并使之转化 为无机物的生物能，实现可降解固体有机物的 稳定化、资源化和减量化。
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（聂永丰）：依靠自然界中广泛分布的细菌、放线 菌、真菌等微生物，人为地促进可生物 降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化 的微生物学过程。
（欧、美）：在有控制的条件下，微生物对固体、 半固体有机物的好氧中温或高温分解， 并产生稳定的腐殖质的过程（区别于简 易好氧或厌氧堆肥）。
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堆肥化包含四层含义：
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意义：对固体废物进行消纳处理，实现可降解有机固 废的三化；促进人类社会与自然界物质循环， 改良土壤，保护农田；回收沼气、生产堆肥， 合成微生物蛋白质和葡萄糖等。
前景：城市生活垃圾、淤泥、人畜粪便和农业秸杆等 固体废物中含有丰富的生物固体有机物，来源 广泛，数量庞大，在当前世界性自然资源和能 源严重短缺情况下，开发固体废物生物处理技 术，回收和利用固体废物中所蕴含的大量有用 物质及能源意义深远，前景广阔。
★掺加调理剂（干调理剂锯末，湿调理剂污泥或粪便等）
适宜的含水率范围是45-60%，以55%为最佳，因为临界 水分与物料有机质含量有关，当有机质含量＜50%时， 临界水分45-50%；当有机物含量达到60%时，临界水分 为60%。
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含水率与干化关系
在混合进料时，单位质量可降解有机物中的水分质 量为w，当w＜10时，堆肥化过程中所产生的能量（热） 足以提供堆肥化或全部干化所需，当w＞10时，则堆肥温 度较低而减弱预期干化条件。这时，必须限制干化程度 以减轻蒸发负荷，使堆肥化过程得以正常进行。
主要方式：自然通风、堆层内置通风管、机械翻堆通风、强 制通风等
控制方法：☆利用需氧量与堆肥物料水分和堆层温度密切相 关性；通常用堆层温度变化来控制通风量；
☆利用耗氧速率（或氧的吸收率）可作为衡量堆 层内生物氧化作用及有机质分解程度指示剂的特 点，在机械化连续堆肥中，利用排气中氧的含量 或CO2含量变化（与发酵仓内氧的浓度和吸收率 有相关性）控制通风量。排气中适宜的体积浓度 控制标准为14-17%。
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五、堆肥设备
堆肥化设备按照堆肥化工艺流程包括： 进料供料设备→预处理设备→一次发酵设备→二次发酵 设备→后处理设备→产品精加工设备等。
供料设备：地磅称、贮料仓、进料斗、起重机等。 预处理设备：破包机、撕碎机、分选机、混合搅拌机等。 发酵设备：一次发酵设备、二次发酵设备等。 后处理设备：筛选机、烘干造粒机、配肥、包装机等。 其它设备：脱臭装置、污水导排与处理装置、配电与控
制装置；
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六、堆肥化过程技术参数及控制
1、通风作用及其控制 2、含水率及其控制 3、仓内温度及其控制 4、有机质含量 5、颗粒度 6、碳氮比（C/N） 7、碳磷比 8、pH值
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通风作用及其控制
作用：☆维持好氧微生物的生物活性；☆带走水蒸气，干化
物料；☆调节发酵仓内堆层的温度等。
A、堆肥化过程需氧量计算（见下一页） B、通风方法及控制
D、后处理：包括分选除杂志、除臭和精制过程等。
E、精制：根据用途和需要破碎，添加N、P、K等添加剂 生产复合肥，或固化造粒等。
F、贮存：净化后的散装堆肥产品可以直接销售给客户，
或者进行贮存。
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堆肥化技术分类
根据堆肥化工艺技术发展演化历史及工艺特点分类如下： ★厌氧堆肥化→好氧堆肥化 ★露天（敞开）式堆肥化→封闭式堆肥化 ★无发酵袋置堆肥化→有发酵袋置堆肥化 ★人工土法堆肥化→机械化堆肥化 ★静态发酵堆肥化→动态（机械化）发酵化
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仓内温度及其控制
温度决定着微生物活性大小和堆肥化进程快慢，同 样是好氧堆肥化重要工艺技术参数之一。温度太低，不 仅不利于有机质氧化分解和微生物新陈代谢，而且也达 不到热灭活（即高温杀灭虫卵、病原菌和寄生虫等）的 无害化要求，故一般采用好氧高温堆肥。但是，当温度 超过70℃时，堆肥中的放线菌等有益细菌（存活于植物 根部周围使植物茁壮成长）将被杀灭，孢子量不活动状 态，分解速度减慢。故堆肥化适宜温度为55-60 ℃。
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☆使土质松软、多孔，增加保水性、透气性及渗水性，改善 土壤的物性；
☆由于腐殖质带阳电荷，有助于吸附和粘住化肥中氮、钾、 铵等阳离子，保持土壤养分，提高肥力；
☆腐殖质与酸性土壤中的活性铝等结合（或螯合）后能抑制 活性铝与磷酸结合，并促进有机质分解和氮肥等养分供应。
☆减轻施肥过程，以及气候等条件恶化对农作物的影响，起 缓冲作用；
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根据堆肥化过程中通风方式可进一步分为：
★搅拌翻堆条垛式堆肥工艺 特点：物料以条垛状堆置并排成多条平行垛；通风方式通过翻动
垛来实现，生产效率高，成本低，但占地面积大。 周期：一次发酵周期约3-4周； ★强制通风式固定垛发酵工艺 特点：物料堆肥化过程不进行翻堆，氧气的供给是通过机械抽风
使空气渗透到料堆内部来实现。其主要优点是占地面积小， 生产效率高、周围环境好，操作管理方便，但堆肥成本相 对较高。 周期：一次发酵停存周期一般为三周。
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三、好氧堆肥化机理
好氧堆肥是在通风条件下和有游离氧存在情况下， 依靠好氧微生物（即好氧细菌）的分解发酵作用下进行 的。
如果将废物中的有机物用CaHbOcNd表示，堆肥产品 （难降解抗性有机物）的有机质用CwHxOyNz表示，则 好氧分解代谢过程可表示为：
CaHbOcNd+0.5[ny+2s+r-c]O2→n CwHxOyNz•d H2O（气） + f H2O（液）+s CO2+（d-nx）NH3
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堆肥化过程需氧量计算
★根据堆肥化过程有机物氧化分解下列反应式推算理论氧化分 解需氧量，进而折算出理论空气量：
CsHtNuOi•a H2O+b O2→CwHxNyOz •c H2O+d H2O(气) +e H2O(液)+f CO2+g NH3+Q
（其中w=5-10；x=7-17；y=1；z=2-8） ★根据下列化学计算式推算理论需氧量（考虑降解效率n时）：
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四、堆肥化工艺流程
前处理
主发酵 后发酵
原处理
贮存
A、前处理：分选、破碎、调质、配料、菌种驯化、投放 及投加酶制剂、有机调理剂及膨胀剂等，以利于发酵 过程正常进行。
B、主发酵：是由温度升高到开始降低为止的发酵过程。
C、后发酵：是指将经主发酵的半成品中尚未分解的有机 质分解变为腐殖质、氨基酸等比较稳定的有机物和完 全腐熟的堆肥产品过程。
含水率及其控制
微生物只能摄取溶解性养料，微生物体内的水（80%） 和流动状态的水是微生物生化反应的介质，并影响堆肥 发酵速度和腐熟程度，有资料显示，当物料中含水率＜ 12%时，微生物将停止繁殖。因此含水率也是好氧堆肥化 关键工艺条件之一，并对通风等其它工艺技术参数产生 影响。
★极限含水量：又称最大含水量，是指从透气性角度出 发，将固体粒子内部细孔被水填满时的含水率称之。城 市垃圾最大含水率65%。其中煤渣45.1%、菜皮92.0%、 厚纸板65.5%、报纸74.4%、破布74.3%、碎砖瓦15.9%、 玻璃1.1%、塑料5.7%、金属1.1%
☆ 堆肥化的原料是来自生物的固体有机物（Biomass）；
☆ 堆肥化过程是在人工控制条件下进行； ☆ 作用的主体是微生物，作用的过程是生物化学过
程； ☆ 产物是稳定的腐殖。
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堆肥的效能与作用
★堆肥：是有机固体废物经过堆肥化处理得到的成品（或产 品），主要由疏松多孔的腐殖质组成。 堆肥中的腐殖质可改善土壤的物理、化学和生物特性， 增进化肥肥效，保持土壤环境适于农作物的良好状态。
固体废物的处理与处置
Trentment and Disposal of solid waste
化学与环境科学学院 College of chemistery and environmental science
第八章 生物处理技术
第一节 概述 第二节 固体废物堆肥化技术 第三节 固体废物厌氧消化
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知识点：固体废物的生物处理技术基本方法及一 般原理、堆肥化处理技术的生物机理、 工艺流程原理、堆肥产品质量控制标准 与平定方法、厌氧消化技术原理、厌氧 消化器选型及结构设计、厌氧消化产物 与利用。