固體廢物的生物處理市公開課獲獎?wù)n件

1、固體廢物生物處理第1頁第1頁基本概念什么是生化降解？依托自然界廣泛分布微生物作用，通過生物轉(zhuǎn)化，將固體廢物中易于生物降解有機組分轉(zhuǎn)化為腐殖肥料、沼氣或其它化學(xué)轉(zhuǎn)化品，如飼料蛋白、乙醇或糖類，從而達到固體廢物無害化一個處理辦法。第2頁第2頁生物降解意義對都市固體廢物進行處理，實現(xiàn)穩(wěn)定化、無害化減輕都市垃圾大量堆積，影響市容增進自然界物質(zhì)循環(huán)與人類社會化物質(zhì)循環(huán)統(tǒng)一生產(chǎn)堆肥來施肥、改造土壤，回歸農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)將大量有機固體廢物通過各種工藝轉(zhuǎn)換成有用物質(zhì)和能源產(chǎn)生沼氣、生產(chǎn)葡萄糖、微生物蛋白質(zhì)第3頁第3頁生物處理分類好氧生物處理在提供游離氧條件下，以好氧微生物為主使有機物降解、穩(wěn)定無害化處理厭氧生物處

2、理沒有游離氧情況下，以厭氧微生物為主對有機物進行降解、穩(wěn)定無害化處理第4頁第4頁生物處理應(yīng)用堆肥化固體廢物堆肥處理，可生產(chǎn)有機肥，改進土壤性能和提升肥力，維持農(nóng)作物高效高產(chǎn)。沼氣在隔絕空氣和保持一定水分、溫度、酸堿度條件下，通過各種微生發(fā)酵作用產(chǎn)生以甲烷為主氣體混合物。污泥厭氧消化、填埋場生物降解產(chǎn)生沼氣第5頁第5頁微生物對固體廢物轉(zhuǎn)化纖維素生物轉(zhuǎn)化半纖維素轉(zhuǎn)化果膠質(zhì)轉(zhuǎn)化淀粉生物轉(zhuǎn)化脂肪類物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化蛋白質(zhì)生物轉(zhuǎn)化木質(zhì)素生物降解第6頁第6頁纖維素生物轉(zhuǎn)化分子式(C6H10O5)140010000,有機固體廢物主要成份。分解微生物：細菌、放線菌、真菌降解過程纖維素纖維二糖葡萄糖CO2+H2O丙酮

3、+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2纖維素酶纖維二糖酶氧化酶丙酮-丁醇發(fā)酵丁酸發(fā)酵第7頁第7頁半纖維素生物轉(zhuǎn)化存在于植物細胞壁中，含量很高普通由聚戊糖、聚已糖和聚糖醛酸等構(gòu)成也有由木聚糖、半乳糖或糧醛等構(gòu)成分解速度比纖維素快半纖維素單糖+糖醛酸CO2+H2O發(fā)酵種產(chǎn)物+H2O聚糖酶好氧分解厭氧分解第8頁第8頁果膠質(zhì)轉(zhuǎn)化天然不溶性物質(zhì)，高等植物主要成份主要由D-半乳糖醛通過-1,4-糖苷鍵連接而成直鏈高分子化合物分解微生物有好氧菌(枯草桿菌、多粘芽孢桿菌)、厭氧菌(蝕果膠梭菌、費新尼亞浸麻梭菌)、真菌(青霉、曲霉、木霉)和放線菌原果膠+H2O可溶性果膠+聚戊糖原果膠酶可溶性果膠+H

4、2O果膠酸+甲醇果膠酸+H2O半乳糖醛酸果膠甲脂酶聚半乳糖酶第9頁第9頁淀粉生物轉(zhuǎn)化一個多糖，分子式(C6H10O5)1200異養(yǎng)微生物能源和碳源淀粉糊精麥牙糖葡萄糖CO2+H2O乙醇+CO2丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2糊精酶麥牙糖苷酶葡萄糖苷酶好氧分解厭氧分解丙酮-丁醇發(fā)酵丁酸發(fā)酵第10頁第10頁脂肪類物質(zhì)生物轉(zhuǎn)化脂肪甘油+高級脂肪酸類脂質(zhì)甘油或其它醇類+高級脂肪酸蠟質(zhì)高級醇+高級脂肪酸+H2O脂肪酶類+H2O磷脂酶類+H2O酯酶類第11頁第11頁蛋白質(zhì)生物轉(zhuǎn)化生物體一個主要構(gòu)成物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)存在工業(yè)廢水、生活污水和都市生活垃圾分解有兩個階段：胞外水解和胞內(nèi)分解分解

5、微生物主要有：好氧細菌、兼性厭氧菌、厭氧菌、真菌和放線菌蛋白質(zhì)蛋白胨多肽氨基酸蛋白酶(內(nèi)肽酶)蛋白酶(內(nèi)肽酶)肽酶(內(nèi)肽酶)第12頁第12頁木質(zhì)素生物降解高分子芳香族聚合物，存于植物組織細胞壁中結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，最難分解由木質(zhì)素降解菌先降解為芳香族化合物，再由各種微生物繼續(xù)分解。第13頁第13頁固體廢物堆肥化堆肥化(Composting)在控制條件下，利用自然界廣泛分布細菌、放線菌、真菌等微生物，增進起源于生物有機廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用，使可被生物降解有機物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定腐殖質(zhì)生物化學(xué)過程。堆肥廢物通過堆肥化處理，制得成品叫做堆肥。它是一類腐殖質(zhì)含量很高疏松物質(zhì)，也稱腐殖土。廢物通過堆制，體積普通只有原

6、體積5070%。第14頁第14頁堆肥產(chǎn)品質(zhì)量要求粒度農(nóng)用堆肥產(chǎn)品粒度 12mm 山林果園用堆肥產(chǎn)品粒度 50mm含水率 35%pH值6.58.5全氮以N計，0.5%第15頁第15頁堆肥產(chǎn)品質(zhì)量要求全磷以P2O5計，1.0%全鉀以K2O計，10%有機質(zhì)以C計，10%重金屬含量總鎘3mg/kg總汞5mg/kg總鉛100mg/kg總鉻300mg/kg總砷30mg/kg第16頁第16頁堆肥作用土質(zhì)松軟，多孔隙，易耕作，增長保水性、透氣性及滲水性，改進土壤物理性能。保住土壤養(yǎng)分提升保肥能力。螯合作用緩沖作用調(diào)整植物生長作用，有助于根系發(fā)育和伸長增長土壤中微生物數(shù)量作為CO2供應(yīng)源第17頁第17頁堆肥化系

7、統(tǒng)分類按堆制方式間歇堆積法連續(xù)堆積按發(fā)酵所處狀態(tài)靜態(tài)發(fā)酵法動態(tài)發(fā)酵法按堆制過程氧程度好氧法厭氧法第18頁第18頁好氧堆肥什么是好氧堆肥？在有氧條件下，好氧菌對廢物進行吸取、氧化、分解。微生物通過本身生命活動，把一部分被吸取有機物氧化成簡樸無機物，同時釋放出可供微生物生長活動所需能量，而另一部分有機則被合成新細胞質(zhì)，使微生物不斷生長繁殖，產(chǎn)生出更多生物體過程。堆肥有機物(含C、N、H、P、S)氧、微生物CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-細胞物質(zhì)(微生物繁殖)能量分解隨水或氣體排入環(huán)境釋放或轉(zhuǎn)換為熱合成+(異化作用)(同化作用)提供生物合成用第19頁第19頁好氧堆肥原理有機物氧化不含氮

8、有機物(CxHyOz)氧化含氮有機物(CsHtNuOvaH2O)氧化細胞質(zhì)合成(有機物氧化、并以NH3作為氮源)細胞質(zhì)氧化第20頁第20頁好氧堆肥過程中溫階段 (起始階段)不耐高溫細菌分解有機物中易降解葡萄糖、脂肪和碳水化合物等，同時釋放出熱量使溫度上升。溫度可達1540。高溫階段耐高溫菌快速繁殖，在供氧條件下，大部分較難降解有面物(蛋白質(zhì)、纖維等)繼續(xù)氧化分解，同時釋放出大量熱能，使溫度上升至6070。降溫階段(熟化階段)冷卻后堆肥，一些新微生物借助殘余有機物而生長，將堆肥過程最后完畢。第21頁第21頁堆肥原料生活垃圾不可堆腐物質(zhì)較多，需通過預(yù)處理，適當排除，才干作堆能原料。有機垃圾已經(jīng)通過

9、胃腸系統(tǒng)充足消化，普通顆粒較小，含有大量低分子化合物-人和動物未吸取消化中間產(chǎn)物，含水量較高，可直接用作堆肥原料。人和禽畜糞便富含微生物生活系列所需營養(yǎng)成份，是堆肥好原料。農(nóng)林廢物富含碳素，需作預(yù)處理，才干作堆肥使用。第22頁第22頁堆肥微生物嗜溫菌嗜熱菌細菌最低適宜最高嗜溫菌1525254043嗜熱菌2545405085第23頁第23頁堆肥基本工序野外人工堆肥操作簡樸，費用低廉垃圾、污泥或糞便按一定配比調(diào)配，在野外空地堆成平行條堆人工定期翻動(12次/周)工廠化機械堆肥第24頁第24頁堆肥程序原料預(yù)處理包括分選、破碎以及含水率和碳氮比調(diào)整原料發(fā)酵一次發(fā)酵周期長達30天以上二次發(fā)酵周期普通為2

10、0天后處理包括清除雜質(zhì)和進行必要破碎處理第25頁第25頁間歇式發(fā)酵工藝與裝置(露天堆肥法)需先預(yù)處理依據(jù)含水率和碳氮比、擬定原料配比。廢物堆積后不再添加新料，讓其中微生物參與生物化學(xué)反應(yīng)，使廢物轉(zhuǎn)變?yōu)楦惩廉a(chǎn)物，然后運出。前期一次發(fā)酵大約需5周，1周要翻動12次，通過510周熟化穩(wěn)定二次發(fā)酵，所有過程需要3090天。該法要求場地堅實、不滲水。第26頁第26頁100t/d垃圾試驗廠處理工藝流程生活垃圾磁選手選振動格篩一次發(fā)酵磁選雙層滾筒篩錘式破碎二次發(fā)酵腐熟堆肥100t/d粗大物質(zhì)清除部分有用物質(zhì)回收不小于100mm清除送填埋或焚燒調(diào)整水分、通風(fēng)碳氮比回收金屬不小于40mm填埋或焚燒1240mm

11、小于12mm第27頁第27頁立式圓筒發(fā)酵倉第28頁第28頁連續(xù)發(fā)酵工藝與裝置(工廠化機械堆肥)采用成套密閉式機械連續(xù)堆制使原料在一個專門設(shè)計發(fā)酵器中完畢溫和高溫發(fā)酵過程，然后將物料運往發(fā)酵室堆成堆體，再熟化。該法含有發(fā)酵快、堆肥質(zhì)量高、能防臭、能殺列所有細菌，成品質(zhì)量高。連續(xù)堆肥法采用發(fā)酵器，普通分為立式發(fā)酵器和臥式發(fā)酵器。第29頁第29頁立式多層圓筒堆肥發(fā)酵塔第30頁第30頁堆肥過程影響原因( 1 )有機物含量適宜有機物含量為2080%，有機物含量過低，不能提供足夠熱能，影響嗜熱菌增殖，難以維持高溫發(fā)酵過程。有機含量不小于80%時，堆制過程要求大量供氧，實踐常因供氧不足而發(fā)生部分厭氧過程。第

12、31頁第31頁堆肥過程影響原因( 2 )供氧量供氧不足，大量微生物死亡，分解速度慢冷空氣過量使溫度減少，不利于耐高溫菌氧化分解實際供氧量為理論空氣量210倍供氧方式靠強制通風(fēng)和翻堆攪拌完畢第32頁第32頁堆肥過程影響原因( 3 )含水量水作用溶解有機物，參與微生物新陳代謝調(diào)整堆肥溫度第33頁第33頁堆肥過程影響原因( 4 )碳氮比微生物分解速度隨碳氮比而變，微生物本身碳氮比約為430。碳氮比在10左右時，有機物被微生物分解速度最大。適宜碳氮比應(yīng)在2035之間。第34頁第34頁堆肥過程影響原因( 5 )碳磷比磷對微生物影響也很大，適宜碳磷比為75150。垃圾發(fā)酵時添加污泥就是利其中豐富磷來調(diào)整堆

13、肥碳磷比。pH值微生物生長主要條件堆肥早期，酸性細菌作用，pH值降到5.56.0，堆肥物料呈酸性由于以酸性物為養(yǎng)料細菌生長和繁殖，造成pH上升，堆肥結(jié)束后，物料pH值上升到8.59.0。用有機污泥作堆肥原料時，需作pH值調(diào)整，由于污泥經(jīng)壓濾成餅后，pH值較高。第35頁第35頁堆肥過程影響原因( 6 )顆粒度空隙率及空隙大小取決于顆粒大小及結(jié)構(gòu)強度顆粒間空隙小，不利于通風(fēng)供氧。物料顆粒平均適宜粒度為1260mm，最佳粒徑隨垃圾物理特性而改變。第36頁第36頁堆肥過程影響原因( 7 )溫度堆肥過程適宜溫度為3555有機物含量對堆肥溫度有一定影響有機物含量由20%上升到50%時，相應(yīng)地初堆時間由本來

14、60小時縮短到44小時，55以上穩(wěn)定期間可由56小時延長到72小時。第37頁第37頁堆肥腐熟度及其測定腐熟度反應(yīng)堆肥過程進行程度堆肥腐熟大體原則是不再進行激烈分解，成品溫度低，呈茶褐色或黑色，不產(chǎn)生惡臭。鑒定原則物理辦法化學(xué)辦法生物活性植物毒性第38頁第38頁物理辦法 溫度前期發(fā)酵終點溫度是微生物活動尺度 氣味刺鼻性氣味在堆肥過程中逐步削弱，堆肥結(jié)束后消失。色度淡灰逐步變成發(fā)黑，腐熟后堆肥產(chǎn)品呈黑褐色或黑色。殘余濁度和水電導(dǎo)率堆肥時間為714天堆肥產(chǎn)物在改進土壤殘余濁度和水電導(dǎo)率方面含有最適宜影響光學(xué)性質(zhì)堆肥在波長665nm下吸光度改變，可反應(yīng)堆肥腐熟度第39頁第39頁化學(xué)辦法揮發(fā)揮性固體(v

15、s)檢測專一性和靈敏度較差化學(xué)需氧量(COD)含有與Vs同樣不足淀粉和纖維素堆肥中兩類特殊物質(zhì)碳氮比(CN)受原料C/N影響太大C測定比較困難第40頁第40頁生物活性呼吸作用CO2生成速率與耗氧速率含有很好相關(guān)性。標志有機物分解程度和堆肥反應(yīng)進行程度微生物種群及數(shù)量微生物數(shù)量及種群改變，反應(yīng)堆肥代謝情況。堆肥不同時期，堆肥溫度不同，微生物種群和數(shù)量也隨之對應(yīng)改變酶學(xué)分析水解酶較高活性階段可反應(yīng)堆肥降解代謝過程而在較低活性時則反應(yīng)堆肥達到腐熟。第41頁第41頁植物毒性發(fā)芽試驗植物在未腐熟堆肥中生長受到克制，在腐熟堆肥中生長得到增進堆肥腐熟水平可由植物生長生物量來表示植物毒性可用發(fā)芽指數(shù)測定第42

16、頁第42頁植物毒性植物生長未腐熟堆肥含合植物毒性物質(zhì)，對植物生長產(chǎn)生克制作用用堆肥和土壤混合物中植物生氏情況來評價堆肥腐熟度考慮堆肥腐熟度實用意義，植物生長試驗應(yīng)是評價堆肥腐熟度最后和最具說服力辦法：一些農(nóng)作物包括黑麥草、黃瓜、大白菜、胡蘿卜、向日葵和番茄可用來測試堆肥腐熱性。第43頁第43頁檢測辦法淀粉測試法淀粉與碘絡(luò)合物利用這種絡(luò)合物顏色改變來判斷堆肥降解程度深藍淺藍灰線黃氮素試驗法 完全腐熟堆肥含有硝酸鹽、亞硝酸鹽和少許氯末腐熟堆肥則含大量氨而不含硝酸鹽。碘化鉀溶液遇痕量氨呈黃色，遇過量氨呈棕褐色Grless試劑與亞硝酸鹽反應(yīng)呈紅色耗氧速率法好氧微生物分解有機物使堆肥物質(zhì)逐步穩(wěn)定腐熟O2

17、消耗速率和CO2生成速率反應(yīng)堆肥腐熟程度。第44頁第44頁測氧槍結(jié)構(gòu)第45頁第45頁有機物厭氧發(fā)酵什么是厭氧發(fā)酵？指有機物在特定厭氧條件下，微生物將有機質(zhì)進行分解，其中一部分碳素物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳過程。厭氧發(fā)酵特點分解有機物產(chǎn)生大部分能量轉(zhuǎn)化儲存在甲烷中小部分有機碳化物氧化成二氧化碳氧化過程釋放能量作為微生物生長能量第46頁第46頁有機物分解代謝過程碳水化合物分解纖維素分解纖維在酶作用用水解成葡萄糖葡萄糖在細菌作用降解成丁酸、乙酸，最后身成CH4和CO2糖類分解分解成單糖，然后是葡萄糖發(fā)酵分解類脂化合分解水解產(chǎn)物為脂肪酸和甘油甘油轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视椭M一步生成丙酮酸CH4和CO2蛋白質(zhì)分解

18、水解成多肽和氨基酸氨基酸分解成有機酸、醇，最后身成CH4和CO2第47頁第47頁厭氧發(fā)酵微生物不產(chǎn)甲烷菌為產(chǎn)甲烷菌提供營養(yǎng)為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜氧化還原條件為產(chǎn)甲烷菌消除部分有毒物質(zhì)和產(chǎn)甲烷菌一起，共同維持發(fā)酵pH值產(chǎn)甲烷菌嚴格厭氧，對氧和氧化劑非常敏感要求中性偏堿環(huán)境條件菌體倍增時間較長，有45天才系列繁殖1代只能利用少數(shù)簡樸化合物作為營養(yǎng)，所有產(chǎn)甲烷菌都能利用分子氫代謝主要終產(chǎn)物是CH4和CO2。第48頁第48頁厭氧發(fā)酵理論兩階段理論三階段理論四階段理論第49頁第49頁兩階段理論按細菌引起生物化學(xué)過程，將代謝細菌群分為不產(chǎn)甲烷發(fā)酵性細菌和產(chǎn)甲烷細菌發(fā)酵階段分為產(chǎn)酸和產(chǎn)氣兩個階段理論形成較早，對

19、甲烷菌如何利甲醇以上醇及乙酸以上有機酸難以解釋。 產(chǎn)酸階段 產(chǎn)甲烷階段 第50頁第50頁三階段理論液化階段產(chǎn)酸階段產(chǎn)甲烷階段第51頁第51頁四階段理論第52頁第52頁影響厭氧發(fā)酵原因原料配比厭氧條件溫度pH值攪拌添加劑和有毒物質(zhì)第53頁第53頁原料配比充分發(fā)酵原料是產(chǎn)生沼氣物質(zhì)基礎(chǔ)不同微生物所需營養(yǎng)物質(zhì)不同產(chǎn)甲烷細菌只能利用簡樸有機酸和醇類作為碳源，形成甲烷大部分產(chǎn)甲烷細菌可利用CO2作為碳源氮源只能利氨態(tài)氮，不能利用復(fù)雜有機氮化合物，如蛋白質(zhì)碳氮比為(1530):1即可正常發(fā)酵第54頁第54頁厭氧條件產(chǎn)酸階段不產(chǎn)甲烷微生物大多數(shù)是厭氧菌，需在厭氧條件下，把復(fù)雜有機物分解成簡樸有機酸。產(chǎn)氣階段

20、產(chǎn)甲烷菌是專性厭氧菌，氧對其有毒害作用。在有氧環(huán)境中，甲烷菌不增長而受到克制，但并不死亡。必須創(chuàng)造厭氧環(huán)境條件第55頁第55頁溫度影響產(chǎn)氣關(guān)鍵原因一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣越多溫度高時，細菌活躍，分解速度快池內(nèi)發(fā)酵液溫度10以上，就能夠開始發(fā)酵產(chǎn)氣甲烷菌對溫度急劇改變非常敏感只減少2度，就馬上產(chǎn)生不良影響，產(chǎn)氣下降溫度上升過快，出現(xiàn)很大溫差時對產(chǎn)氣量產(chǎn)生不良影響厭氣發(fā)酵要求溫度相對穩(wěn)定，一天內(nèi)改變范圍在2度以內(nèi)第56頁第56頁pH值厭氧發(fā)酵微生物細胞內(nèi)細胞質(zhì)pH值普通呈中性反應(yīng)細胞含有保持中性環(huán)境、進行自我調(diào)整能力pH值在510均可發(fā)酵，78之間最適合過酸或過堿開始產(chǎn)氣時間來得緩慢，產(chǎn)氣量

21、小pH值低，CO2增長，水溶性有機酸和硫化氫產(chǎn)生，硫化物含量增長，克制甲烷菌生長?？捎檬艺{(diào)整，最好是調(diào)整原料碳氮比第57頁第57頁攪拌使發(fā)酵原料分布均勻，增長微生物與發(fā)酵基質(zhì)接觸使發(fā)酵產(chǎn)物及時分離，提升產(chǎn)氣量預(yù)防底產(chǎn)物料出現(xiàn)酸積累預(yù)防發(fā)酵漿料分層活性污泥或漿料上附著所產(chǎn)生沼氣，由于缺乏攪拌力量，氣泡不易脫離，造成部分活性污泥或漿料上漂，給工藝控制造成困難。第58頁第58頁添加劑和有毒物質(zhì)可在發(fā)酵液中添加少許化學(xué)物質(zhì)增進厭氧發(fā)酵，提升產(chǎn)氣量和原料利用率。鉀、鈉、鈣、鎂、磷等增進沼氣發(fā)酵菌生長，增長酶活性，增進纖維素分解纖維素酶可增進纖維素分解有毒物質(zhì)克制發(fā)酵微生物生命活力化學(xué)物質(zhì)氯化鈉、氟化鈉、丁酸、銅性化合物等第59頁第59頁發(fā)酵工藝發(fā)酵溫度分自然發(fā)酵(常溫發(fā)酵)中溫發(fā)酵高溫發(fā)酵進料方