北京大学环境工程概论 第七章 固体废物-2

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7.2 有机固体废物堆肥处理 有机固体废物堆肥处理 7.2.1 生物处理的基本概念
原始森林经过漫长的岁月仍保持着繁荣茂盛,这是动物 和植物的遗体、排泄物被微生物分解为腐植质,形成植 物生长发育必需的食物链进行着物质循环的结果。这也 这也 是保持生态系统相对稳定的基础。 是保持生态系统相对稳定的基础。在自然界到处都存在 这种物质循环,即使在与人们息息相关的农田里也重复 着这种物质循环现象。 在自然界中存在着大量依靠有机物生活的微生物,它们 有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大功能(生 物能)。而且具有分布广,繁殖快,容易发生变异等特 性。正是这些微生物(分解者),作为生态系统组成的 重要环节,不断进行着有机物的分解与无机化(矿化), 促进了上述循环的正常进行。
这种生物转换技术应用的重要意义在于: a) 对城市固体废物进行处理消纳,实现稳定化、 无害化,可以避免或者减轻城市垃圾的大量堆 积,影响市容及城市垃圾自然腐败,散发臭气, 传播疾病,从而对环境造成的恶劣影响。 b) 可促进上述自然界物质循环与人类社会化物 质循环的统一,可以把固体废物中的适用组分 尽快地重新纳入自然循环(例如生产堆肥用以 施肥、改造土壤,可回归农田生态系统中去); c) 可以将大量有机固体废物通过各种工艺转换 成有用的物质和能源(例如产生沼气、生产葡 萄糖、微生物蛋白质等)。
另一方面,人们生产和生活过程中不断 产生各种各样的固体废物,对整个社会 形成了一个生产––– 消费––– 废物 而言,形成了一个生产 –––消费 –––废物 的一个不断的循环系统。 的一个不断的循环系统 人类通过各种手段,借助于上述微生物 的生物能,对固体废物进行生物处理, 实现固体废物( 主要是有机固体废物) 实现固体废物 ( 主要是有机固体废物 ) 的稳定化、 的稳定化 、 无害化与资源化的技术就统 称为固体废物的生物转换技术。 称为固体废物的生物转换技术
7.2.3 堆肥化原理及过程
1、好氧堆肥基本原理 好氧堆肥化是在有氧条件下,依靠好氧微生物(主要是 好氧细菌)的作用来进行的。在堆肥化过程中,有机废 物中的可容性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜 被微生物直接吸收,而不溶的胶体有机物质,先被吸附 在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性 物质,再渗入细胞。
(2)沼气化
有机固体废物沼气化是另一种成熟的生物转换技术。 沼气亦称生物气,是有机物质在隔绝空气和保持一 定的水分、温度、酸碱度条件下,经过多种微生物 的发酵分解作用产生的以甲烷为主的气体混合物。 污泥厌氧消化过程产生的消化气体。城市固体废物 填埋场生物降解过程中产生的生物气以及广大农村 用农业废物厌氧发酵收集的气体都是沼气。因此, 沼气化技术应用面十分广泛。 沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料,固体 废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环 境卫生都有重要作用,因而是一种经济而理想的生 物转换技术。
⑤ 堆肥是缓效性肥料。和硫铵,尿素等化肥中氮 不同,堆肥中氮肥几乎都以蛋白质氮形态存在,当 施到田里时,蛋白质经氮微生物分解成氨氮。在旱 地里部分变成硝酸盐氮。两者都是能被吸收的氮。 施用堆肥不会出现施化肥那样短暂有效或施肥过头 的情况,由于经过上述过程缓慢持久地起作用,不 致对农作物产生损害。 ⑥ 腐植化的有机物具有调节植物生长的作用,也 有助于根系发育和伸长,即有助于扩大根部范围; ⑦ 将富有微生物的堆肥施于土中可增加土壤中微 生物数量。微生物分泌的各种有效成分能直接或间 接地被植物根吸收而起到有益作用,故堆肥是昼夜 均有效的肥料。
(b)厌氧生物处理法
这是在没有游离氧的情况下,以厌氧微生物为主 对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。在 这种厌氧生物处理过程中,复杂的有机化合物被 降解、转化为简单、稳定的化合物,同时释放能 量。其中,大部分能量以CH4 形式出现,这是一 种可燃气体,可回收利用。同时,仅少量有机物 被转化、合成为新的细胞组成部分。
⑧ 堆肥是CO2的供给源。如与外界空气隔绝的密封 罩内CO2气浓度低,当大量施用堆肥后,罩内较高 的温度可促使堆肥分解放出CO2。 总之,腐植质能改Leabharlann Baidu土壤物理的,化学的,生物的 性质,使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态。 腐植质又有增进化肥肥效的作用。 (3)堆肥产品质量及卫生要求 ① 堆肥产品质量(以干基计) 堆肥产品质量(以干基计)
固体废物生物转化技术的应用
生物处理法是最主要的污水处理方法之一,且已 取得成熟的经验。被定为常规处理手段。生物转 生物转 换技术在固体废物处理方面也开展了深入的研究, 换技术在固体废物处理方面也开展了深入的研究 , 得到了广泛应用。 且不断地在开发新的应用技术 。 得到了广泛应用 。 且不断地在开发新的应用技术。
合成 同化作用 堆肥有机物 (含C, H, O, N, S, Cl) 、 氧 和 微生物 氧化分解 异化作用 CO2, H2O, NH3, PO43-, SO42+ 能量 细胞物质( 细胞物质 ( 微 生物繁殖) 生物繁殖)
排入环境
释放、 释放、转化为热
微生物通过自身的生命代谢活动,进行分解代谢 (氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程), 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 机物转化合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖, 产生更多的生物体。 可用下列关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解 关系。
堆肥化依靠自然界广泛分布的细菌、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 的腐植质生化转化的微生物学过程叫做堆肥化。堆 肥化的产物称作堆肥。
(2)堆肥作用
堆肥化是可降解的有机废物人为地发酵成为腐植质 的过程,也可以说堆肥即人工腐植质。但其中常常 残留一部分可降解的有机物。 使用堆肥后,能够增加土壤中稳定的腐植质,形成 土壤的团粒结构,并有一系列作用: ① 使土质松软,多孔隙易耕作,增加保水性、透 气性及渗水性,改善土壤的物理性能; ② 肥料成分中氮、钾、铵等都是以阳离子形态存 在。由于腐植质带阴电荷,有吸附阳离子作用,有 助于粘土保住阳离子,即能保住养分提高保肥能力。 腐植质阳离子交换容量是普通粘土的几倍到几十倍;
CSHtNUOV·aH2O+bO2→CWHXNYOZ·CH2O+dH2O( 气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量
由于堆温较高,部分水以蒸气形式排出。堆肥成品 CWHXNYOZ·CH2O 与堆肥原料之比为0.3~0.5(这是氧 化分解减量化的结果)。通常可取如下数值范围: w=5~10, x=7~17, y=1, z=2~8。
2. 好氧堆肥化过程
好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比 较复杂,但大致可分为三个阶段: 中温阶段( 亦称产热阶段 ) 中温阶段 ( 亦称产热阶段) 。 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。它们在转换和利用化学能的过 程中,有一部分变成热能,由于堆料有良好的保温 作用,温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧 型为主,通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段 微生物种类极多,其中最主要是细菌、真菌和放线 菌,细菌特别适应水溶性单糖类,放线菌和真菌对 于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能;
由于城市固体废物和农业废物数量大,其中可 生物转换利用的成份多,在当前世界上普遍存 在的自然资源与能源紧张的情况下,这种回收 和利用技术的开发更有着深远的意义。 (1)微生物的代谢作用 微生物同所有生物一样,在生命活动过程中从 周围环境吸取养料,并在体内不断进行物质转 化和交换作用,这种过程称之为新陈代谢,简 称代谢。代谢作用大体上分二大类:物质分解 及提供能量的代谢称为分解代谢;消耗能量合 成生物体的代谢,称为合成代谢,两种代谢是 不可分割,互为依存的。
③腐植质中某种成分有螯合作用(某种有机化合物 和金属起特殊的结合,把金属维持在液化状态)。 有这种作用的物质和酸性土壤中含量较多的活性铝 结合后,使其半数变成非活性物质,因而能抑制活 性铝和磷酸结合的有害作用。施用堆肥时,由于其 中螯合剂能和铝、铁等金属结合,使稳定状态变成 易分解状态。所以能促进有机物分解,促进氮肥和 其他养分的供应。另外,对于作物有害的铜、铝、 镉等重金属也可与腐植质相反应而降低其危害程度, 有利于植物生长; ④腐植质有缓冲作用。当土壤中腐植质多时;即使 肥料施得过多或过少,也不易受到损害;即使气象 条件恶化也可减轻其影响;即使其他条件稍微恶化, 也能减少冲击和缓和影响。例如水分不足时,可防 止植物枯萎,起到似类于缓冲器的作用;
(1)堆肥化
利用有机固体废物生产堆肥,已有几千年历史。 随着生产力发展和科技进步,堆肥化技术已得到 不断改进。一方面 , 人工堆肥是有机肥,对改善 一方面, 土壤性能与提高肥力维持农作物长期的优质高产 另 方面都是有益的,是农业、林业生产需要的。另 一方面,各国有机固体废物数量逐年增加,需要 一方面 对其处理的卫生要求也日益严格,从节省资源与 能源角度出发,有必要把实现有机固体废物资源 化作为固体废物无害化处理、处置的重要手段, 有机固体废物的堆肥化能同时满足上述两方面要 求,所以得到各国应有的重视。
(3)其它生物转换技术
世界各国固体废物产生量不断递增,其中各类纤维 素世界年产量可达到以Gt计的天文数字,因而废纤 维素数量十分惊人。如何充分利用这种有机物纤维 素做资源,使之转化为能源、食物以及其他化学物 质是急待开发的技术,针对当前世界性能源枯竭的 状况,这也是一项十分重要的课题。
7.2.2 堆肥化的基本概念 (1)堆肥化定义
粒度:农用堆肥产品粒度不大于12mm,山林果园用堆 肥产品粒度不大于50mm; 含水率:≤35%; pH值: 6.5~8.5; 全氮(以N计):≥0.5%;
全磷(以P2O5计):≥0.3%; 全钾(以K2O计):≥1.0%; 有机质(以C计):≥10%; 重金属含量:总镉(以Cd计)≤3mg/kg;总汞 ( 以 Hg 计 ) ≤ 5mg/kg ; 总 铅 ( 以 Pb 计 ) ≤100mg/kg;总铬(以Cr计)≤300mg/kg;总砷 (以As计)≤30mg/kg; ② 无害化卫生要求 堆肥温度(静态堆肥工艺):>55℃持续5d以上。 蛔虫卵死亡率:95%~100%; 粪大肠菌值:10–1~10–2。
(3)生物处理方法 根据在处理过程中起作用的微生物对氧气要求 的不同,生物处理可分为好氧生物处理和厌氧 生物处理两类。 (a)好氧生物处理法 这是一种在提供游离氧的条件下,以好氧微生 物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。 固体废物存在的各种有机物(分子量大、能位 高)作为微生物的营养源,经过一种生化反应, 逐级释放能量,最终转化成分子量小,能位低 物质而稳定下来,达到无害化的要求,以便利 用或进一步妥善处理,使其回到自然环境中去。
(2)堆肥过程中微生物的种类 在固体废物生物处理过程中,有各种微生物与 发挥作用。微生物种类繁多,大致可以作如下 分类: 细菌
原核细胞类型 蓝绿藻 微生物 真核细胞类型 直菌 藻类 原生动物 霉菌 酵母菌
对于所有微生物来说,凡是生活时需要氧气的 好氧微生物,只有在无氧环境中才 都可以称为好氧微生物 能生长的称为厌氧微生物 厌氧微生物,在无氧和有氧的环 境中都能生活的统称为兼氧性微生物。
当肥堆温度升到45℃以上时,即进入高温阶段 即进入高温阶段。在这阶段, 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡,嗜热性微生物逐渐代替 了嗜温性微生物的活动,堆肥中残留的和新形成的可溶性 有机物质继续分解转化,复杂的有机化合物如半纤维素、 纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。通常,在50℃左右进 行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌;温度上升到60℃时, 真菌几乎完全停止活动,仅有嗜热性放线菌与细菌在活动; 温度升到70℃以上时,对大多数嗜热性微生物已不适宜, 微生物大量死亡或休眠状态。 与细菌的生长繁殖规律一样,可将微生物在高温阶段生长 过程分为四个时期,即加速生长期,对数生长期,静止期 即加速生长期,对数生长期, 和内源呼吸期。 和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了四个时期变 化后,堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程, 即腐植质的形成过程 腐植质的形成过程,堆肥物质逐步进入稳定化状态。
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