第五章-固体废物生物处理.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,*,同济大学固体废物处理与资源化研究所,第五章 固体废物生物处理,5.1,概 述,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 对 象,以生物源物质为主要组分的各种固体废物,易腐生活垃圾,农业废弃物,食品加工废物,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 对 象,生物源物质的化学分析,生物质组成,可溶性糖、纤维素、半纤维素、木质素,蛋白质（水溶、非水溶）、脂肪,营养元素,N,、,P,、,K,、,Ca,、,Mg,、,Fe,其他,盐度、有害元素、有害化合物,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 途 径,好氧,/,兼性,废物,水溶性有机物,非水溶性有机物,水解,微生物代谢,热量,CO,2,+,H,2,O+N,2,+,NH,3,+,腐殖质,NO,x,-,O,2,生物量,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 途 径,厌氧,废物,水溶性,非水溶性,水解,糖类,蛋白质,脂肪酸,酸化,/,发酵,VFA,氨基酸,乳酸,醇类,乙酸化,乙酸,CO,2,H,2,NH,4,+,H,2,O,甲烷化,CH,4,+,CO,2,NH,4,+,生物塑料,PHA,聚乳酸,氢回收,腐殖质,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 途 径,其他,Vemicomposting,废物,初腐化,蚯蚓代谢,蚓粪,蚓体,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 途 径,基质化利用,废物,水解,营养液,微生物体,酶,其他微生物蛋白质,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 应 用,堆肥,无害化、稳定化、有机质循环,农业,/,生活垃圾处理,受污染土壤处理,同济大学固体废物处理与资源化研究所,生 物 处 理 的 应 用,厌氧消化,稳定化、能源利用、有机质循环,农业,/,生活垃圾,/,食品工业废物,/,污泥处理,其他高附加值利用,生物可降解聚合物、,H,2,、电能、酶制剂,5.2,固体废物堆肥化,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆肥工艺的定义与分类,定义,在受控条件下，通过微生物对有机物的代谢过程，使生物源废物转化为稳定的有机残余物，堆肥产物应具有在堆存和运输过程中不腐败发臭、相容于植物生长的特性,分类,进,出料,间歇,/,连续,物料运动,静态,/,动态,代谢环境,高温,/,中温,好氧,/,厌氧,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,计量方程,不含氮有机物的氧化,含氮有机物的氧化,细胞质的合成,细胞质的氧化,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,例题,某堆肥化原料中含氮与不含氮有机物的重量比为,1,：,3,，含氮有机物计量分子式为：,C,12,H,16,O,6,N,不含氮有机物计量分子式为：,C,2,H,3,O;,若堆肥过程中有机物的降解率均为,60%,其中转化为生物质的重量占,1/10,，生物质的计量分子式为：,C,5,H,7,O,2,N,；腐熟堆肥分子式为：,C,15,H,18,O,4,N,，不考虑生物质的进一步降解时，计算每吨该种废物（含干有机物,30%,）堆肥化所需的理论空气量（,m,3,）。空气中含氧,21%,（体积比），每,mol,氧体积为,0.0224 m,3,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,解：,以,1kg,为计算单位,1,）转化为生物质的含碳有机物量及其耗氧量,取,n=5,，配平前式：,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,2,）其余含碳有机物降解耗氧量,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,3,）含氮有机物降解耗氧量,取,m=3,配平,4,）总耗氧量,=106+563+118=787g,换算为每吨原料，即需空气,2623Nm,3,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,堆肥化微生物,细菌：化能异养型细菌,化能自养型细菌,放线菌,真菌：霉菌,酵母菌,原生动物,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,堆肥过程与微生态,启动阶段,主导微生物：真菌、放线菌,代 谢：,升温阶段,主导微生物：细菌、放线菌,代 谢：,高温阶段,主导微生物：细菌、（放线菌）,代 谢：,胞外酶,生物质细胞,溶解性基质,好氧代谢,溶解性基质,无机物,+,细胞质,+,热量,好氧代谢,溶解性基质,无机物,+,细胞质,+,热量,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,降温阶段,主导微生物：放线菌、真菌、原生动物,代 谢：,腐熟阶段,主导微生物：放线菌、真菌、原生动物、自养型细菌,代 谢：,胞外酶,非溶解性有机物,无机物,+,细胞质,+,热量,溶解性基质,好氧代谢,原生动物,细胞质,生物体,+,残余物,+,无机物,胞外酶,非溶解性有机物,无机物,+,细胞质,+,热量,溶解性基质,好氧代谢,原生动物,细胞质,生物体,+,残余物,+,无机物,特征微生态替换型代谢,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,堆肥过程的影响因素,物 料,指 标,影 响,适宜值,有机物含量与组成生物代谢,30%,含水率生物代谢、传质,4060%,空隙率传质,40%,C/N,生物代谢,2035,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,原料有机物含量对堆肥过程的影响,成品质量,-,要求有机物含量,10%,，堆肥过程有机物降解率,45%,原料有机物含量应,19.8%,达到升温与干化要求,-,升温,55,5d,60%,蒸发潜热,-,干化初含水率,55%,终含水率,45%,有机物热值,18MJ/kg,原料有机物含量,30,%,可满足,2,方面的要求,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,原料含水率与空隙率对堆肥过程的影响,生物过程,含水率下限,23%,，无上限,孔隙氧传递过程,堆体应保持一定的空隙率,含水率与空隙率相关,-,物料达到田间含水率,物料内孔隙为水分饱和,堆肥过程的物料含水率应基本与田间含水率相当,新鲜垃圾田间含水率,5570%,腐熟堆肥田间含水率,3040%,优化初始含水率,40-60,%,，空隙率,40,%,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,原料,C/N,比对堆肥过程的影响,堆肥过程中碳氮的消费模式,为保持肥分、控制环境影响，,N,应主要用于细胞原料,原料中可堆肥有机物的碳、氮质量之比,C,氧化产能,堆体升温,合成能量,细胞原料,细胞合成,降解产能,氨 释 放,N,细胞原料,合成能量,C/N,过低，过量氨散失，也不宜升温（,N,能量代谢的低效性）,C/N,过高，细胞合成滞后，降解不完全；成品进入土壤后出现,“,氮饥饿,”,争夺土壤养分,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,堆肥过程的影响因素,过 程,指 标,影 响,适宜值,堆体氧浓度生物代谢,5%v/v,堆 温生物代谢、无害化,4565,堆制时间生物代谢、植物相容性一次发酵,3-15d,二次发酵,30d,pH,值生物代谢中性,接 种,一般对升温与启动阶段影响较为明显,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 原 理,堆肥评价,卫生无害化：致病菌、寄生虫卵、有害昆虫卵,植物相容性：发芽率试验、植物生长试验,臭气,稳定化：淀粉、,org C/org C,0,、,NO,2,-,-N,、腐殖质、水淬,C/N,比,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,工艺调控方法,原料,有机物含量,寻找和应用于适用的废物,含水率,木屑、谷糠、秸秆,粪便、污泥,空隙率,木屑、谷糠、秸秆、惰性填充物,C/N,粪便、污泥,/,秸秆、园林垃圾,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,过程,堆体氧浓度强制通风、翻倒、搅动,堆温通风、翻倒、搅动频率、原料组分,堆制时间优化原料与环境条件,pH,值氧浓度、空隙率,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,工艺过程,原料预处理,调质,一次发酵,中间处理,二次发酵,分选含水,/,空隙率分选,破碎,C/N,破碎,接种均质,成品精制,臭气控制,污水控制,控制,分选 密闭空间 贮存 温度,磨细 气流处理 回喷 时间,加富肥分 氧浓度,反馈通风,/,翻倒,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,一次发酵工艺,要素：通风、翻倒、环境控制（保温、防雨）,野积式,/,条垛式,通风层,强制通风,翻堆,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,仓式,静态,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,仓式,间歇动态,立式塔,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,翻倒槽,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,仓式,连续动态,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,二次发酵工艺,要素：环境控制,野积式,翻倒槽,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,工艺计算,装置容积,通风量,实际,理论,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,通风控制,按耗氧速率的演化、比例分配,同济大学固体废物处理与资源化研究所,堆 肥 化 工 艺,按,O,2,、,T,、,t,反馈控制,t,50,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,厌氧消化计量方程,式中,d,=4,n,+,a,-2,b,-3,c,s,=,合成或转化成细胞的那部分废物的化学需氧量（,COD,）,e,=,废物的,COD,转化成作为能量的甲烷气的部分，且,s,+,e,=1,s,的数值随废物的组成成分、固体物质在系统内的平均停留时间（,c,）及细胞衰变率（,f,）的变化而变动,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,厌氧消化微生物,兼性水解菌：霉菌、酵母、大肠菌群,厌氧乙酸化菌,厌氧甲烷化菌：乙酸依赖型,氢依赖型,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,厌氧消化过程与微生态,厌氧消化过程,生态依存关系,水解产物积累,甲烷化抑制,乙酸化产氢抑制,非离子化,VFA,必须在相对稳定的微生态条件下进行消化,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,厌氧消化过程的影响因素,物料,指 标,影 响,适宜值,有机物含量与组成生物代谢,50%,，分布均衡,含水率生物代谢、传质,60%,C/N,生物代谢,35,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,与堆肥过程相比 厌氧过程没有氧传递要求，不需限制空隙率,原料的有机物含量更高,单位投资更大对设施技术经济性的要求,原料含水率没有上限,不限制空隙率,原料含水率低限更高,一段式发酵：搅拌的要求,微生物生态和代谢产物均质化，,H,2,的释放,二段式发酵：有限的固液相际传质,C/N,比更高,细胞得率低、氮源需求少,过量,NH,4,+,积累易引起毒性效应,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,过程,指 标,影 响,适宜值,温度生物代谢,3240,，,5055,中温菌群,高温菌群,中温与高温厌氧菌群的代谢活力,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,过程,指 标,影 响,适宜值,pH,值生物代谢,6.87.6,H+,浓度影响甲烷化菌群活力、毒性物非离子化,VFA,和氨的浓度，以及系统的热力学条件,反应自由能大小,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,过程,指 标,影 响,适宜值,含水率生物代谢、传质与搅拌方式相关，但,60%,停留时间生物代谢,25d,，,15d,氢分压生物代谢,10,-2,atm,）和丙酸（,10,-5,atm,）的乙酸化代谢反应自由能的正负性,P,H2,难以控制于极低值,厌氧发酵在丙酸积累的主要因素,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,接种,通常是必须的，尤其当固体含量和有机物含量高时,抑制物,NH,4,+,、盐、各种金属离子,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 原 理,过程评价,产气率,以理论产气率为依据评价,*,其他与堆肥化类似,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,工艺调控方法,物料,物料含水率,寻找适用废物,含水率,沼 渣,/,粪便、污泥、沼液,C/N,沼 液,/,秸秆、园林废物,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,过程,温度,/,进料流率,/,加热水流率,pH,值,酸,/,碱,微生态,接种,P,H,2,搅拌 污泥颗粒化,毒害物,原料控制、搅拌,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,混合收集垃圾,预分选,混合接种,发酵反应器,固液分离,1,回收,/,填埋,/,焚烧,分类收集垃圾,易腐有机废物,渣,液,固液分离,2,液,处理利用,堆肥化,/,直接利用,泥,厌氧消化工艺过程,同济大学固体废物处理与资源化研究所,同济大学固体废物处理与资源化研究所,消化工艺条件,温度,354050,55,停留时间,25,30d1218d,含固率,8,15,25,35,35,（二段法）,接种,回流液,/,泥回流渣液流循环,1:2,1,1:0.3,0.5,厌 氧 消 化 工 艺,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,工艺关键,搅拌,Biogas/,液体脉冲气流液流循环,接种,甲烷化甲烷化酸化,物料输送,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,消化工艺与设备,消化工艺,Dranco,Kompogas,Valorga,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Kompogas,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Dranco,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Valorga,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde,-BRV,同济大学固体废物处理与资源化研究所,Linde,-KCA,同济大学固体废物处理与资源化研究所,消化工艺与设备,其他设备,混合接种,浆式搅拌破碎机（,w15,）,双螺杆混合机 （,w20,）,固液分离,螺杆式挤压,螺距递减挤压,卧螺式离心脱水,厌 氧 消 化 工 艺,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,产生物利用与处理,沼气,发电,内燃机,/,外燃机,沼渣,堆肥,农用,焚烧,填埋,沼液,脱氮处理,灌溉利用,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,工艺计算,产气量计算,元素组成,测定原料、固体残余的有机元素组成,换算计量化学分子式,配平计量化学方程后演算,物理组成,G,=,C,i,g,i,i,生物质组成,G=,h,i,g,i,G,单位产气量,（,Nm,3,/kg,）,C,i,各物理组分的质量比,（,kg/kg,）,G,i,各物理组分经验产气率,（,Nm,3,/kg,）,i,各物理组分经验消化率（,-,）,h,i,各物理组分的质量比,（,kg/kg,）,g,i,各生物质组分的经验产气率,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,消化率,45,60,反应器容积,发酵周期,t,日处理垃圾,F,接种物重量比,I,混合进料容重,W,反应器容积,V,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,厌氧消化的能源平衡,能源产生,产气,150,250L CH,4,/kgBVS,发电热效率,30,工艺用能,物料加热能量,(120150%),搅拌装机功率,开机时间率,同济大学固体废物处理与资源化研究所,厌 氧 消 化 工 艺,沼液处置,B/C0.1,NH,3,-N1500mg/L,COD2000mg/L,适宜土地处理,沼渣处理,植物养份好氧堆肥,含水量,60%,无害化水平与消化温度有关,