固體廢物的反應(yīng)堆處理

關(guān)于固體廢物的反應(yīng)堆處理第1頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物的穩(wěn)定化過程一.固體廢物填埋場內(nèi)部微生物作用過程（一）微生物及其營養(yǎng)需求

1.微生物生長所需的主要營養(yǎng)物質(zhì)包括C、H、O、N、S、P等元素，其中C、N、P三種化學(xué)元素控制著微生物的生長，對微生物至關(guān)重要。2.微生物的生長、繁殖還必須有適宜的水份、pH和鹽濃度等條件。（二）填埋場內(nèi)部微生物作用1.水解階段廢物中的水解菌在胞外酶的作用下將纖維素、蛋白質(zhì)等復(fù)雜的有機(jī)物分別水解成纖維二糖、葡萄糖和短肽、氨基酸等可溶性小分子有機(jī)物。纖維素等大分子有機(jī)物結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其水解過程通常比較緩慢。因此，這一階段是有機(jī)廢物厭氧降解的限速階段。2.發(fā)酵階段水解產(chǎn)生的溶解性小分子有機(jī)物進(jìn)入發(fā)酵菌細(xì)胞內(nèi)，在胞內(nèi)酶作用下分解為短鏈脂肪酸、二氧化碳、氨、硫化氫和氫氣等，同時合成細(xì)胞物質(zhì)，在此過程中有機(jī)物既可作為電子受體也作為電子供體。溶解性有機(jī)物主要被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性有機(jī)酸，因此這一過程也稱為酸化階段。在這一階段起作用的主要是專性厭氧菌。第2頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程復(fù)雜有機(jī)物(纖維素、多糖、蛋白質(zhì))簡單有機(jī)物（氨基酸、葡萄糖、甘油、長鏈脂肪酸）H2＋CO2＋NH3乙酸丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等H2＋CO2乙酸水解階段產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段發(fā)酵階段產(chǎn)甲烷階段同型產(chǎn)乙酸菌產(chǎn)甲烷菌(分解乙酸菌)產(chǎn)甲烷菌（利用H2和CO2)發(fā)酵菌發(fā)酵菌水解菌CH4圖9-1填埋場中有機(jī)物的厭氧分解過程第3頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程3.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段酸化階段的產(chǎn)物，如丙酸、丁酸、乙醇等，在產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌的作用下轉(zhuǎn)化為乙酸、氫氣和二氧化碳。主要反應(yīng)如下:4.產(chǎn)甲烷階段產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段產(chǎn)生的乙酸、氫氣和二氧化碳等轉(zhuǎn)化為甲烷。產(chǎn)甲烷細(xì)菌能利用的基質(zhì)十分有限，常見的有H2、C02、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等，主要反應(yīng)如下：CH3COOH→CH4+CO2

CO2+4H2→CH4+2H2O第4頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程二.城市固體廢物穩(wěn)定化過程這一階段主要是微生物利用夾帶在廢物當(dāng)中的氧氣對有機(jī)組分進(jìn)行好氧分解，生成CO2和水，同時釋放熱量，廢物填埋層的溫度逐漸升高。這一階段的長短主要取決于廢物特性、廢物中微生物數(shù)量和廢物的初始含水率等。反應(yīng)如下：碳水化合物：CxHyOz+(x+0.5y-0.5z)O2→xCO2+0.5yH2O+熱量含氮化合物：CxHyOzNv·aH2O+bO2→CsHtOu+mNH3＋nCO2＋熱量①調(diào)整階段填埋廢物的含水量達(dá)到田間含水量，開始產(chǎn)生滲濾液，此時填埋場內(nèi)的氧氣已被逐漸消耗盡轉(zhuǎn)變?yōu)閰捬醐h(huán)境，廢物由好氧降解過渡到厭氧降解，主要起作用的微生物是兼性厭氧菌和真菌，ORP不斷下降，NO3-和SO42-在ORP為-50～-100mv時被還原生成N2和H2S氣體，在-150～-300mv時CH4氣體開始產(chǎn)生生成，pH開始下降。隨著ORP和pH的進(jìn)一步降低，開始進(jìn)入第三階段。②過渡階段填埋場氣體中H2含量上升標(biāo)志著產(chǎn)酸階段開始。在此階段，兼性和專性厭氧菌將復(fù)雜有機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)酸和其它中間產(chǎn)物，如甲酸、富里酸等，同時產(chǎn)生大量CO2和少量H2；重金屬離子含量上升至中期達(dá)到最大，隨后逐漸下降；pH繼續(xù)下降至中期達(dá)到最低，可降到5或更低，之后逐漸升高；BOD5、COD、揮發(fā)性脂肪酸和電導(dǎo)率也顯著上升。反應(yīng)如下：

可降解廢物+O2

→CO2+H2O+

熱量+生物量+乙酸+殘余物CO2+H2O→H2CO3③產(chǎn)酸階段第5頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程又稱成熟階段，廢物中的可降解有機(jī)物基本被降解完后，填埋場進(jìn)入穩(wěn)定階段。此時，填埋場只有少量的微生物分解廢物中難降解的物質(zhì)，產(chǎn)氣率明顯下降，填埋場氣體的組成還是以H4和CO2為主，也可能含有少量氮?dú)夂脱鯕?；滲濾液中大部分是難生物降解或不可生物降解的腐殖酸和富里酸等。⑤穩(wěn)定階段④產(chǎn)甲烷階段當(dāng)H2含量降到很低時，固體廢物就進(jìn)入產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將上一階段產(chǎn)生的有機(jī)酸和H2轉(zhuǎn)化為CH4和CO2氣體，主要反應(yīng)為：

CH3OOH→CH2O＋CH4＋CO2＋熱量在產(chǎn)甲烷階段前期，當(dāng)CH4含量達(dá)到50％左右時，pH值升高至6.8～8.0并保持穩(wěn)定，而BOD5、COD、VFA、重金屬離子和電導(dǎo)率急劇下降；此后CH4含量穩(wěn)定在55％左右，此時BOD5、COD、VFA、重金屬離子和電導(dǎo)率緩慢下降。在理論上，如果填埋廢物有足夠的含水率和營養(yǎng)物質(zhì)，且不存在毒性抑制物質(zhì)時，這五個階段隨時間依次在各個填埋單元同時進(jìn)行。但實(shí)際上廢物填埋是分區(qū)、分批進(jìn)行的，填埋環(huán)境和廢物組分也存在一定的差異，填埋廢物在時空范圍內(nèi)存在異質(zhì)性。因此，廢物穩(wěn)定化的五個階段經(jīng)常出現(xiàn)重疊。即使在同一填埋單元內(nèi)，廢物層的物理、化學(xué)特性和生物環(huán)境也存在差異，廢物的穩(wěn)定化速率也有差異，所以填埋場實(shí)際是由不同穩(wěn)定化階段組成的混合體。第6頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程VFApHN2CODCO2VFAFe,ZnH2調(diào)整過渡產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷穩(wěn)定圖9－2固體廢物穩(wěn)定化過程及物質(zhì)變化特點(diǎn)第7頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程三.影響填埋場垃圾穩(wěn)定化的因素

影響填埋場垃圾生物降解的因素較多，主要包括垃圾組成、垃圾的含水率（濕度）、溫度、粒徑、pH、營養(yǎng)物質(zhì)、抑制物質(zhì)等，現(xiàn)分別介紹如下：1.固體廢物的特性微生物對不同的垃圾組分的降解速度不同；垃圾的粒徑對垃圾的降解速度有明顯影響；垃圾破碎可以改善壓實(shí)效果、增加填埋場垃圾的納入量，有利于填埋垃圾均勻降解；同時，破碎增大了垃圾的比表面積，擴(kuò)大了固液接觸面積，加快了垃圾中有機(jī)物的溶出速度，促進(jìn)胞外酶對有機(jī)物的分解，加快垃圾降解速度。2.濕度若填埋垃圾含水率太低，會使微生物失活，延緩填埋垃圾的降解；若含水率太高，雖然有利于可溶性物質(zhì)和營養(yǎng)物溶解，促進(jìn)填埋場內(nèi)物質(zhì)傳遞和營養(yǎng)均衡，有利于微生物的生長繁殖，加快垃圾降解速度，但過高的發(fā)酵微生物活性，將造成填埋場內(nèi)有機(jī)酸的積累和低pH環(huán)境，抑制垃圾降解進(jìn)程的發(fā)展.

第8頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)城市固體廢物穩(wěn)定化過程3.溫度溫度對生物降解起重要的作用，溫度太高或太低都不利于微生物的降解。在生物降解過程中，每一種細(xì)菌都有一個最佳生長溫度范圍。4.pH

pH對微生物生長的影響主要有：首先，pH的變化會引起細(xì)胞膜電荷的變化，從而影響微生物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和酶的活性；其次，pH能夠改變環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)的有效性和有害物質(zhì)的毒性。pH過高或過低都會抑制微生物的生長。5.營養(yǎng)微生物生長所需的主要元素有C、H、O、N、P、S等，占細(xì)胞干重的97％；所需微量元素有Zn、Mn、Na、Cl、Cu、等。一般認(rèn)為厭氧生物處理系統(tǒng)中物料的C:N:P比應(yīng)為100:5:1。6.毒性物質(zhì)垃圾中的毒性物質(zhì)主要有有機(jī)酸、氨氮、硫化物和重金屬等，它們對垃圾的降解速度都有不同程度的影響。第9頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場一.生物反應(yīng)堆（一）生物反應(yīng)堆的概念生物反應(yīng)堆(Bioreactor)填埋場是一種可控制的填埋場，通過提高固體廢物的濕度、增加空氣濃度等措施優(yōu)化微生物的生長環(huán)境來加速或強(qiáng)化微生物對固體廢物的轉(zhuǎn)化（如圖9-2）。生物反應(yīng)堆填埋場填埋時，首先進(jìn)行廢物預(yù)處理，主要考慮廢物的均勻性、粒度、透氣性等因素，必要時進(jìn)行破碎和分選。另外，為加速微生物降解速度，一般需補(bǔ)充水份、調(diào)節(jié)pH、增加營養(yǎng)元素等，反應(yīng)堆填埋場的核心技術(shù)是滲濾液循環(huán)。（二）反應(yīng)堆的微生物學(xué)結(jié)構(gòu)1.內(nèi)部處于厭氧分解狀態(tài)的壓縮城市垃圾；2.表層。填埋場上部能與空氣接觸的部分，處于好氧狀態(tài)；3.滲濾液。是一種潛在的微生物活動流體，它可以被好氧或厭氧處理，也可以循環(huán)分解。第10頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場圖9-2(a)

生物反應(yīng)堆示意圖第11頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場圖9-2(b)生物反應(yīng)堆示意圖第12頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場二.生物反應(yīng)堆理論主要解決的問題1.如何加快固體廢物填埋場內(nèi)有機(jī)污染物的分解速度，以縮短“反應(yīng)堆”的反應(yīng)時間；2.如何確定固體廢物填埋場內(nèi)部以生物作用為主的過程向以地球化學(xué)作用（非生物過程）為主過程的轉(zhuǎn)變；3.為了縮短反應(yīng)時間，減少污染物質(zhì)向環(huán)境的釋放和避免二次污染物的生成，什么樣的固體廢物不應(yīng)該進(jìn)入反應(yīng)堆型填埋場；4.填埋場內(nèi)部設(shè)備的使用壽命和防護(hù)層的壽命；5.采用何種方法和參數(shù)來研究填埋場地中廢物的演化和狀態(tài)。三.生物反應(yīng)堆的特點(diǎn)1.穩(wěn)定化速度快

滲濾液循環(huán)提高了填埋場內(nèi)填埋層的含水率，增加了微生物數(shù)量，提高了營養(yǎng)物質(zhì)、能量和水分等的均勻性，促進(jìn)了微生物的生長，從而加速了固體廢物的穩(wěn)定化速度；另外，滲濾液循環(huán)使VFA和重金屬的濃度很快降低，減少了其對微生物的毒害抑制作用。第13頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場2.提高了填埋氣體的產(chǎn)生速度和產(chǎn)量滲濾液循環(huán)有利于在生物反應(yīng)堆內(nèi)形成產(chǎn)甲烷的環(huán)境(濕度增大、ORP降低、重金屬離子濃度下降)，提高產(chǎn)甲烷速率；同時，又補(bǔ)充了大量的有機(jī)物和微生物，增加了填埋場的甲烷產(chǎn)量。3.增大填埋場的沉降隨著垃圾的降解，填埋垃圾的體積會不斷減少，而且垃圾降解量越大，填埋垃圾體積減少也就越多，沉降越大。因此，生物反應(yīng)堆填埋場較高的沉降增大了填埋場實(shí)際可容納的垃圾量，提高了填埋場的使用效率。4.縮短填埋場封場后的維護(hù)期

生物反應(yīng)堆填埋場由于加速了垃圾的降解，所以大大縮短了垃圾的穩(wěn)定化時間。另外，生物反應(yīng)堆填埋場對垃圾滲濾液進(jìn)行了原位處理，改善了滲濾液的水質(zhì)，而且在滲濾液循環(huán)過程中的蒸發(fā)作用使得滲濾液的量大大減少，從而降低了滲濾液的處理成本，節(jié)省運(yùn)行管理和維護(hù)費(fèi)用。

第14頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場四.生物反應(yīng)堆的類型1.好氧生物反應(yīng)堆（AerobicBioreactor)（圖9-4）利用好氧微生物在有氧條件下的代謝作用將廢物中復(fù)雜的有機(jī)物分解成CO2和水，其主要條件是保證充足的O2、穩(wěn)定的溫度和濕度。圖9-4好氧生物反應(yīng)堆示意圖第15頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場2.厭養(yǎng)生物反應(yīng)堆(AnaerobicBioreactor)（圖9-4）

利用在無氧條件下生長的厭養(yǎng)或兼性菌的代謝作用處理廢物，其主要降解產(chǎn)物是CH4和CO2。一般需保證溫度、無氧或低溶解氧濃度。圖9-4厭氧生物反應(yīng)堆示意圖第16頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場3.準(zhǔn)好氧反應(yīng)堆(FacultativeBioreactor)（圖9-5）

是使?jié)B濾液集水溝水位低于滲濾液集水干管管底高程，大氣可以通過集水干管上部空間和排氣通道，使填埋場具有一定的好氧條件。圖9-5準(zhǔn)好氧生物反應(yīng)堆示意圖第17頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)生物反應(yīng)堆填埋場4.混合生物反應(yīng)堆(HybridBioreactor)是既有好氧又有厭氧的生物處理方法，在填埋下一層廢物之前好氧處理30~60天，目的是讓廢物盡快經(jīng)過產(chǎn)酸階段為進(jìn)入?yún)捬醍a(chǎn)甲烷階段作準(zhǔn)備。第18頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月

生物反應(yīng)器填埋場示意圖厭氧填埋示意圖集氣管滲濾液處理表面防滲膜+粘土底部防滲膜+粘土滲濾液收集井粘土層基礎(chǔ)層

準(zhǔn)好氧填埋示意圖最終處置設(shè)施填埋場防滲膜降雨空氣排水管水處理調(diào)節(jié)池地基第19頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)生物反應(yīng)堆處理的強(qiáng)化一.生物反應(yīng)堆強(qiáng)化的理論依據(jù)

根據(jù)微生物反應(yīng)的基本原理，固體廢物的厭氧分解主要包括產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段。傳統(tǒng)的填埋處理實(shí)際上是這兩個階段同時存在的組合處理，如果不加任何調(diào)節(jié)，在固體廢物穩(wěn)定化的初期階段產(chǎn)生的有機(jī)酸不斷積累，對甲烷的產(chǎn)生起一定的抑制作用，延長了固體廢物穩(wěn)定化的時間。如果能夠有效解決固體廢物穩(wěn)定化過程中有機(jī)酸的積累對產(chǎn)甲烷的抑制問題或使產(chǎn)酸階段和產(chǎn)甲烷階段有效分離而分別進(jìn)行，就可以加快固體廢物的穩(wěn)定化速度，這就是生物反應(yīng)堆的強(qiáng)化。二.生物反應(yīng)堆強(qiáng)化的措施生物反應(yīng)堆的強(qiáng)化措施有：滲濾液循環(huán)、調(diào)節(jié)pH、強(qiáng)制通風(fēng)、增加微生物量、分段（兩段法）等措施來實(shí)現(xiàn)。（一）滲濾液循環(huán)

填埋場滲濾液循環(huán)處理就是把垃圾填埋場產(chǎn)生的滲濾液直接回灌、噴灑到填埋場，利用垃圾層和覆蓋土層的凈化作用來處理固體廢物和滲濾液的一種方法。第20頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)生物反應(yīng)堆處理的強(qiáng)化將滲濾液回灌到垃圾填埋層內(nèi)，使得更大范圍的微生物都能利用滲濾液中的有機(jī)污染物，在微生物大量繁殖的同時，滲濾液中的污染物也得到了降解。經(jīng)回灌處理后的垃圾填埋層，空隙多并且發(fā)育良好，各類微生物明顯增多，同時出現(xiàn)一定數(shù)量的原生動物及大量菌膠團(tuán)，垃圾填埋層相當(dāng)于一個生物濾池。由于作為“填料”的垃圾自身不斷被降解，提供了比普通濾池還要大的空隙率，而且，填埋場中的微生物一般會對滲濾液中的污染物具有很強(qiáng)的適應(yīng)性和降解能力，不需要長期馴化培養(yǎng)。通過適量的表面噴灑、回灌，可充分利用潛在的土地蒸發(fā)量，有效減少滲濾液的處理水量。滲濾液循環(huán)可以提高營養(yǎng)物質(zhì)、能量和水分等的均勻性，為微生物的生長提供適宜的生長環(huán)境

第21頁，課件共25頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)生物反應(yīng)堆處理的強(qiáng)化（二）pH調(diào)節(jié)

通過添加粉煤灰、HCO3-、OH-、CO32-等具有堿性性質(zhì)的物質(zhì)來改善產(chǎn)生的有機(jī)酸和碳酸對產(chǎn)甲烷菌的抑制作用。（三）強(qiáng)制通風(fēng)好氧通風(fēng)能使好氧菌、兼性菌和厭氧菌等不同的微生物種群在同一填埋場中同時發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢生長。通風(fēng)時，部分有機(jī)酸直接轉(zhuǎn)化為CO2和H2O釋放，使pH升高，緩解了pH對微生物生長的抑制，加快了固體廢物的穩(wěn)定進(jìn)程。通風(fēng)過程中，CO2和部分有機(jī)酸被吹脫出來，對pH的降低有一定的緩解作用。間歇好氧通過對pH的影響有利于產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩階段的分離，優(yōu)化了微生物的生長環(huán)境，提高了微生物對固體廢物的降解效率；（四)增加生物量可通過添加活性污泥等增加填埋場的生物量。（