1、6 固体废物生物处理技术,6.1 概述从固体废物中回收资源和能源，减少最终处置的废物量，从而减轻其对环境污染的负荷，已成为当今世界所共同关注的课题。固体废物的生物处理技术恰好适应了这一时代需求。这是因为在几乎所有生物处理过程中均伴随着能源和物质的再生与回用。固体废物中含有各种有害的污染物，有机物是其中主要的一种。对于城市生活垃圾来说尤其如此。,固体废物的生物处理方法有多种，例如堆肥化、厌氧消化、纤维素水解、垃圾养殖蚯蚓等。其中: 堆肥化作为大规模处理固体废物的常用方法得到了广泛的应用，并已经取得较成熟的经验。 厌氧消化也是一种古老的生物处理技术，早期主要用于粪便和污泥的稳定化处理，近年来随着对
2、固体废物资源化的重视，在城市生活垃圾的处理方面也得到开发和应用。 其它的生物处理技术虽然不能解决大规模固体废物减量化的问题，但是作为从废物中回收高附加值生物制品的重要手段，也有多方面的研究。,固体废物生物处理的作用可以归纳为以下四个方面： 稳定化和杀菌消毒作用 废物减量化 回收能源 和回收物质本章重点介绍应用较为广泛的固体废物堆肥化和厌氧消化处理技术。,6 固体废物生物处理技术,6.2 堆肥化 Composting 6.2.1 堆肥化的定义和发展过程,（1）堆肥化的定义 堆肥化（composting）是利用自然界广泛存在的微生物，有控制地促进固体废物中可降解有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过
3、程。堆肥化制得的产品成为堆肥（compost）。,堆肥处理是将城市生活垃圾中的有机可腐物转化为土壤可接受且迫切需要的有机营养土或腐殖质。这种腐殖质与黏土结合就形成了稳定的黏土腐殖质复合体，不仅能有效地解决城市生活垃圾的出路，解决环境污染和垃圾无害化问题，同时也为农业生产提供了适用的腐殖土，从而维持了自然界的良性物质循环。研究表明，如果将我国每年产生的近1.5亿吨的城市垃圾中的有机质用来堆肥，加入粪便、秸秆和菌种，每年可生产约5亿吨有机肥，这样每年可以创造约700亿元的产值。,6.2 堆肥化,堆肥化系统分类方法有多种： 按堆制过程的需氧量可分为好氧法和厌氧法等； 按堆肥方式可分为间歇堆积法和连续
4、堆积法； 按原料发酵所处状态可分为静态发酵法和动态发酵法； 按技术分，有露天堆肥和机械密封堆肥。,6.2 堆肥化,6.2 堆肥化, 厌氧堆肥化 厌氧堆肥是利用厌氧微生物完成分解转化的过程，空气与堆肥相隔绝，温度低（自然温度），最终产物是CH4、CO2、热量和腐殖质。工艺比较简单，产品中氮保存量比较多。 缺点：占地大、时间长。厌氧微生物对有机物的分解速度缓慢，产品中杂有分解不充分的物质。处理效率低，异味浓烈、容易产生恶臭，其工艺条件也比较难控制。,6.2 堆肥化, 好氧堆肥化 好氧堆肥化是指在有氧存在的状态下，好氧微生物对废物中的有机物进行分解转化的过程，最终的产物主要是CO2、H2O、热量和腐
5、殖质。 在欧洲的一些国家已经对堆肥化的感念进行了统一，定义堆肥化就是“在有控制的条件下，微生物对固体和半固体有机废物的好氧中温或高温分解，并产生稳定的腐殖质的过程”。 现代化的堆肥生产一般采用好氧堆肥工艺。这是因为好氧堆肥具有温度高、基质分解比较彻底、堆制周期短、异味小、可以大规模采用机械处理等优点。,6.2 堆肥化,（2）堆肥化技术的发展过程,传统的堆肥化技术是厌氧的野外堆积法，是古老的原始的农业生产技术。应用厌氧堆肥化处理有机废物的历史十分悠久。早在几千年前，人类就开始在农业生产中使用这项技术。将秸秆、落叶、杂草、人畜粪便等混合堆积，经过一段时间的发酵后作为肥料使用。这种古老的方式至今还在
6、世界上不少地区使用。,进入本世纪后，随着人口的增加和城市化的进程，城市生活垃圾的产生量急剧增加，在一些发达国家开始研究将堆肥化技术用于城市生活垃圾的大规模处理，并不断提高其机械化程度。,第一, 强调作为原料是来自生物的固体废物； 第二，强调这一过程是在人工控制条件下进行，即是采取有效措施促进生物分解，说明它不同于卫生填埋、废物的自然腐烂与腐化等形式的分解； 第三，强调这一过程发生“生物稳定”（Biostabilization）作用，既堆肥化的实质是生物化学过程.,堆肥化技术:,6.2 堆肥化,6.2 堆肥化,6.2.2 堆肥化原理及 其生物动力学基础,好氧堆肥是在有氧的条件下，借助好氧微生物（
7、主要是好氧细菌）的作用来进行的。在堆肥过程中，有机废物中的可溶性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物所吸引；固体的和胶体的有机物先附着在微生物体外，然后在微生物所分泌的胞外酶的作用下分解为可溶性物质，再渗入细胞内部。,（1）堆肥化过程中的微生物,6.2 堆肥化,6.2.2 堆肥化原理及 其生物动力学基础,微生物通过自身的生命活动氧化还原和生物合成过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放出微生物生长、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。,6.2.2.1堆肥化过程中的微生物,堆肥微生物的来源主要有两个方面: 一方面是来自有
8、机废物里面固有的大量的微生物种群，如在城市垃圾中一般的细菌数量在1014-1016个/kg； 另一方面是人工加入的特殊菌种。这些菌在一定条件下对某些有机废物具有较强的分解能力，具有活性强、繁殖快、分解有机物迅速等特点，能加速堆肥反应的进程，缩短堆肥反应的时间。,6.2.2.1 堆肥化过程中的微生物,在堆肥化过程中起重要作用的微生物是真菌和细菌、放线菌和原生动物等。这些微生物以废物中的有机物为养料,通过生物化学作用,使之分解为简单的无机物,并释放出微生物生长所需的能量。其中,一部分有机物转化为新的细胞物质,即微生物的繁殖。,6.2.2.1 堆肥化过程中的微生物,6.2.2.2 有机物的好氧生物分
9、解,（2）有机物的好氧生物分解,有机物的好氧生物分解十分复杂，可以用下列通式来表示：,如果将固体废物中的有机物表示为CaHbOcNd的形式，而难以进一步降解的抗性有机物（最终存在于堆肥产品中）表示为CwHxOyNz，则好氧分解反应可以表示为,如果有机物完全分解，则反应式表示为：,以上两式表示的都是细胞的异化作用，即将有机物转化为其他物质的反应。根据上述化学计算式可以求出堆肥化生物分解过程的理论需氧量。 在生物代谢活动中，除上述异化作用外，还包括细胞物质的合成，即同化作用，其反应式可以表示为：,细胞质的分解，即内源呼吸可以表示为：,6.2.2.2 有机物的好氧生物分解,6.2.2.2 有机物的好
10、氧生物分解,（1）潜伏阶段 这一阶段是指堆肥化开始时微生物适应新环境的过程，即驯化过程。,好氧堆肥过程可大致分为4个阶段:,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,6.2.2 堆肥化原理及其生物动力学基础,（2）中温增长阶段 中温增长阶段指堆肥化过程的初期，这一阶段嗜温性微生物最为活跃，主要利用物料中的溶解性有机物大量繁殖，并释放出热量，使温度从15-45不断上升。这些嗜温性微生物包括真菌、细菌和放线菌，主要以糖类和淀粉类为基质。,（3）高温阶段 当温度上升至45以上时称为高温阶段。这时，嗜热性微生物大量繁殖，嗜温性微生物则受到抑制或死亡。高温阶段对有机物的分解最有效，除了溶解性有机物继续得到
11、分解外，固体有机物（如:纤维素、半纤维素、木质素等）也开始被强烈分解。当温度达到50左右时，各类嗜热性细菌、放线菌和真菌都很活跃。60时，真菌不再适于生存，仅为嗜热性放线菌和细菌的活动；,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,（3）高温阶段 70以上时，大多数微生物均不适应，其代谢活动受到抑制并大量死亡或呈休眠状态。在该阶段的后期，由于可降解有机物已大部分耗尽，微生物的内源呼吸起主导作用。 现代化堆肥生产的最佳温度一般为55，这是因为大多数微生物在45-89范围内最活跃，最易分解有机物，其中的病原菌和寄生虫大多数可被杀死。,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,（4）熟化阶段 在这一阶段温
12、度逐渐下降至中温，并最终过渡到环境温度。剩余有机物大部分为难降解物质，腐殖质大量形成。在温度下降的过程中，微生物的活性下降，发热量减少，一些嗜温性微生物重新开始活动，并又占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质更趋于稳定化。堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,22NH4+37O2+4CO2+HCO-3 21NO-3 + C5H7NO2+20H2O+42H+,由于硝化细菌生长缓慢，且只有在40以下时才活动，所以硝化反应通常是在有机物分解完成后才开始进行。氮在转化为硝酸盐以后才容易被植物吸收，因此熟化阶段对于生产优质堆肥是一个很重要的
13、过程。,（4）熟化阶段 在这一阶段，生物分解过程中产生的氨通过硝化细菌转变为硝酸盐，其反应式可表示为：,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律, 连续进料工艺堆肥温度变化 若采用连续进料工艺，堆肥温度变化与发酵仓气固相接触方式有关。,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,a 气、固相同向接触 表示固、气两相以相同方向进入发酵装置，此时二者的进口温差小而出口的温差大，这样对水分蒸发有利，但仓内温差范围较广，适宜温度不易控制；, 连续进料工艺堆肥温度变化 若采用连续进料工艺，堆肥温度变化与发酵仓气固相接触方式有关。,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,b 气、固相逆相接触 两相逆相接触，在装
14、置的进口初反应速度快，固体物料升温高，热效率好，但出口处二者的温度皆低，带走的水分少；仓内适宜温度也不易控制；, 连续进料工艺堆肥温度变化 若采用连续进料工艺，堆肥温度变化与发酵仓气固相接触方式有关。,6.2.2.3 堆肥化过程温度变化规律,c 气、固相错向接触 两相错向流动，仓内各部位的风量可通过阀门进行调整，从而易于控制，其热效率高且能带走水分，对实现适宜温度最为有利。, 强制通风静态垛系统通风方式在强制通风静态垛系统中，通风方式有正压鼓风和负压抽风之分。对于无通风系统的条垛式堆肥，一般系统采用定期翻堆以实现通风控制的要求。若运行正常，而堆温却持续下降，即可判定堆肥已进入结束前的温降阶段。
15、,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,6.2 堆肥化,在堆肥过程中，微生物的生长乃至细菌种群的繁殖和生物的活性（即分解有机物的速度）与堆体的温度有重要的相关性。随着物料中微生物活动的加剧,其分解有机物所释放的热量增大,当所释放出的热量大于堆肥的热耗时,堆肥温度将明显升高,反之亦然。因此,微生物的生长速率和有机物的分解速率(营养基质的消耗速率)对于研究和了解堆肥过程非常重要,有许多数学模型用来描述这一速率,其中最著名的有1942年Monod提出的抛物线模型.,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,式中： 为基质的消耗速率，质量/(体积时间）；X 为微生物浓度，质量/体积；S 为基质浓度，质量/
16、体积；km 为最大比增长率，高浓度营养物中最大基质消耗速率，细胞质量/（基质质量时间）；KS 为半值系数，也称为Michaelis-Menten系数，质量/体积，即比增长率达到最大比增长率一半时的基质浓度。,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,使用该模型时，假设基质进入细胞没有速度的限制。在高浓度基质中，细胞酶系统和基质处于饱和状态，物料的转化非常迅速，增加基质浓度不会再引起基质消耗速率的增加，即SKs，上式可以简化为：,这是关于基质浓度的零级反应方程式。反之，在低浓度基质中，基质的供给成为控制步骤，假设SKs，则Monod模型可以简化为：,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,这是关于基质
17、浓度的一级反应方程式。当S=Ks时，Monod模型可以简化为：,因此，半值系数对应于图中单位微生物质量的基质消耗速率等于最大基质消耗速率一半时的基质浓度。 基质的消耗与微生物的增殖有关，有关系可以用下式表示：,式中， 为微生物的增殖速率，质量/（体积时间）；Ym为增殖系数，微生物质量/基质质量；ke为内源呼吸系数，时间-1。,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,将Monod模式代入上式，可以微生物的增殖方程：,或,式中， 为微生物的有效增殖速率，用 表示；Ymkm为最大有效增值速率，用 max表示。,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,式中， 为微生物的有效增殖速率，用 表示；Ymkm为最
18、大有效增值速率，用 max表示。将 和 max代入上式可得：,这就是最常见的表示微生物增殖速率的Monod抛物线模型。使用该式描述微生物的动力学特性时，需要根据基质性质、微生物种类和生长条件等，确定四个动力学常数，即Ym、km、Ks和ke。这四个常数均需要用试验的方法求得。,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,但在一般情况下可以给出这些参数的数值范围： Ym：对于好氧微生物Ym=0.250.5gcell/gCOD;对于厌氧微生物Ym = 0.040.2gcell/gCOD. km: 在温度25时，km=12mol/gcelld=816gCOD/(gcelld) Ks: 对于好氧微生物Ks=420mgCOD/L;对于厌氧微生物Ks=20005000mgCOD/L. ke: 对于间歇式料仓约为0.02-0.15gcell/(gcelld).,6.2.2.4 堆肥化生物动力学基础,上述的Monod动力学方程式是对均相体系开发的模型，其中一个重要假设是基质向细胞的质量传递是没有速度限制的。但对于堆肥化这样的多相体系，则不能忽视基质传递速度的限制。所以，为进一步提高模拟的准确度，将堆肥过程看做是在多相体系中进行，考虑固液界面上的液膜扩散，对其传质速度用分子扩散的Fick定律来表示。,
