固体废物的生物处理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

固体废物生物处理第1页基本概念F什么是生化降解？依靠自然界广泛分布微生物作用，经过生物转化，将固体废物中易于生物降解有机组分转化为腐殖肥料、沼气或其它化学转化品，如饲料蛋白、乙醇或糖类，从而到达固体废物无害化一个处理方法。第2页生物降解意义F对城市固体废物进行处理，实现稳定化、无害化减轻城市垃圾大量堆积，影响市容F促进自然界物质循环与人类社会化物质循环统一生产堆肥来施肥、改造土壤，回归农田生态系统F将大量有机固体废物经过各种工艺转换成有用物质和能源产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质第3页生物处理分类F好氧生物处理在提供游离氧条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定无害化处理F厌氧生物处理没有游离氧情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定无害化处理第4页生物处理应用F堆肥化固体废物堆肥处理，可生产有机肥，改进土壤性能和提升肥力，维持农作物高效高产。F沼气在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度条件下，经过各种微生发酵作用产生以甲烷为主气体混合物。污泥厌氧消化、填埋场生物降解产生沼气第5页微生物对固体废物转化F纤维素生物转化F半纤维素转化F果胶质转化F淀粉生物转化F脂肪类物质生物转化F蛋白质生物转化F木质素生物降解第6页纤维素生物转化F分子式(C6H10O5)140010000,有机固体废物主要成份。F分解微生物：细菌、放线菌、真菌F降解过程纤维素纤维二糖葡萄糖CO2+H2O丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2纤维素酶纤维二糖酶氧化酶丙酮-丁醇发酵丁酸发酵第7页半纤维素生物转化F存在于植物细胞壁中，含量很高F普通由聚戊糖、聚已糖和聚糖醛酸等组成F也有由木聚糖、半乳糖或粮醛等组成F分解速度比纤维素快半纤维素单糖+糖醛酸CO2+H2O发酵种产物+H2O聚糖酶好氧分解厌氧分解第8页果胶质转化F天然不溶性物质，高等植物主要成份F主要由D-半乳糖醛经过-1,4-糖苷键连接而成直链高分子化合物F分解微生物有好氧菌(枯草杆菌、多粘芽孢杆菌)、厌氧菌(蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭菌)、真菌(青霉、曲霉、木霉)和放线菌原果胶+H2O可溶性果胶+聚戊糖原果胶酶可溶性果胶+H2O果胶酸+甲醇果胶酸+H2O半乳糖醛酸果胶甲脂酶聚半乳糖酶第9页淀粉生物转化F一个多糖，分子式(C6H10O5)1200F异养微生物能源和碳源淀粉糊精麦牙糖葡萄糖CO2+H2O乙醇+CO2丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2丁酸+乙酸+CO2+H2糊精酶 麦牙糖苷酶葡萄糖苷酶好氧分解厌氧分解丙酮-丁醇发酵丁酸发酵第10页脂肪类物质生物转化脂肪甘油+高级脂肪酸类脂质甘油或其它醇类+高级脂肪酸蜡质高级醇+高级脂肪酸+H2O脂肪酶类+H2O磷脂酶类+H2O酯酶类第11页蛋白质生物转化F生物体一个主要组成物质和营养物质F存在工业废水、生活污水和城市生活垃圾F分解有两个阶段：胞外水解和胞内分解F分解微生物主要有：好氧细菌、兼性厌氧菌、厌氧菌、真菌和放线菌蛋白质蛋白胨多肽氨基酸蛋白酶(内肽酶)蛋白酶(内肽酶)肽酶(内肽酶)第12页木质素生物降解F高分子芳香族聚合物，存于植物组织细胞壁中F结构十分复杂，最难分解F由木质素降解菌先降解为芳香族化合物，再由各种微生物继续分解。第13页固体废物堆肥化F堆肥化(Composting)在控制条件下，利用自然界广泛分布细菌、放线菌、真菌等微生物，促进起源于生物有机废物发生生物稳定作用，使可被生物降解有机物转化为稳定腐殖质生物化学过程。F堆肥废物经过堆肥化处理，制得成品叫做堆肥。它是一类腐殖质含量很高疏松物质，也称腐殖土。废物经过堆制，体积普通只有原体积5070%。第14页堆肥产品质量要求F粒度农用堆肥产品粒度 12mm 山林果园用堆肥产品粒度 50mmF含水率 35%FpH值6.58.5F全氮以N计，0.5%第15页堆肥产品质量要求F全磷以P2O5计，1.0%F全钾以K2O计，10%F有机质以C计，10%F重金属含量总镉3mg/kg总汞5mg/kg总铅100mg/kg总铬300mg/kg总砷30mg/kg第16页堆肥作用F土质松软，多孔隙，易耕作，增加保水性、透气性及渗水性，改进土壤物理性能。F保住土壤养分提升保肥能力。F螯合作用F缓冲作用F调整植物生长作用，有利于根系发育和伸长F增加土壤中微生物数量F作为CO2供给源第17页堆肥化系统分类F按堆制方式间歇堆积法连续堆积F按发酵所处状态静态发酵法动态发酵法F按堆制过程氧程度好氧法厌氧法第18页好氧堆肥F什么是好氧堆肥？在有氧条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物经过本身生命活动，把一部分被吸收有机物氧化成简单无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需能量，而另一部分有机则被合成新细胞质，使微生物不停生长繁殖，产生出更多生物体过程。堆肥有机物(含C、N、H、P、S)氧、微生物CO2、H2O、NH3、PO43-、SO42-细胞物质(微生物繁殖)能量分解随水或气体排入环境释放或转换为热合成+(异化作用)(同化作用)提供生物合成用第19页好氧堆肥原理F有机物氧化不含氮有机物(CxHyOz)氧化含氮有机物(CsHtNuOvaH2O)氧化F细胞质合成(有机物氧化、并以NH3作为氮源)F细胞质氧化第20页好氧堆肥过程F中温阶段(起始阶段)不耐高温细菌分解有机物中易降解葡萄糖、脂肪和碳水化合物等，同时释放出热量使温度上升。温度可达1540。F高温阶段耐高温菌快速繁殖，在供氧条件下，大部分较难降解有面物(蛋白质、纤维等)继续氧化分解，同时释放出大量热能，使温度上升至6070。F降温阶段(熟化阶段)冷却后堆肥，一些新微生物借助残余有机物而生长，将堆肥过程最终完成。第21页堆肥原料F生活垃圾不可堆腐物质较多，需经过预处理，适当排除，才能作堆能原料。F有机垃圾已经经过胃肠系统充分消化，普通颗粒较小，含有大量低分子化合物-人和动物未吸收消化中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。F人和禽畜粪便富含微生物生活系列所需营养成份，是堆肥好原料。F农林废物富含碳素，需作预处理，才能作堆肥使用。第22页堆肥微生物F嗜温菌F嗜热菌细菌最低适宜最高嗜温菌1525254043嗜热菌2545405085第23页堆肥基本工序F野外人工堆肥操作简单，费用低廉垃圾、污泥或粪便按一定配比调配，在野外空地堆成平行条堆人工定时翻动(12次/周)F工厂化机械堆肥第24页堆肥程序F原料预处理包含分选、破碎以及含水率和碳氮比调整F原料发酵一次发酵周期长达30天以上二次发酵周期普通为20天F后处理包含去除杂质和进行必要破碎处理第25页间歇式发酵工艺与装置(露天堆肥法)F需先预处理依据含水率和碳氮比、确定原料配比。F废物堆积后不再添加新料，让其中微生物参加生物化学反应，使废物转变为腐殖土产物，然后运出。F前期一次发酵大约需5周，1周要翻动12次，经过510周熟化稳定二次发酵，全部过程需要3090天。F该法要求场地坚实、不渗水。第26页100t/d垃圾试验厂处理工艺流程生活垃圾磁选手选振动格筛一次发酵磁选双层滚筒筛锤式破碎二次发酵腐熟堆肥100t/d粗大物质去除部分有用物质回收大于100mm去除送填埋或焚烧调整水分、通风碳氮比回收金属大于40mm填埋或焚烧1240mm小于12mm第27页立式圆筒发酵仓第28页连续发酵工艺与装置(工厂化机械堆肥)F采取成套密闭式机械连续堆制使原料在一个专门设计发酵器中完成温和高温发酵过程，然后将物料运往发酵室堆成堆体，再熟化。该法含有发酵快、堆肥质量高、能防臭、能杀列全部细菌，成品质量高。连续堆肥法采取发酵器，普通分为立式发酵器和卧式发酵器。第29页立式多层圆筒堆肥发酵塔第30页堆肥过程影响原因(1)F有机物含量适宜有机物含量为2080%，有机物含量过低，不能提供足够热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程。有机含量大于80%时，堆制过程要求大量供氧，实践常因供氧不足而发生部分厌氧过程。第31页堆肥过程影响原因(2)F供氧量供氧不足，大量微生物死亡，分解速度慢冷空气过量使温度降低，不利于耐高温菌氧化分解实际供氧量为理论空气量210倍供氧方式靠强制通风和翻堆搅拌完成第32页堆肥过程影响原因(3)F含水量水作用溶解有机物，参加微生物新陈代谢调整堆肥温度第33页堆肥过程影响原因(4)F碳氮比微生物分解速度随碳氮比而变，微生物本身碳氮比约为430。碳氮比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。适宜碳氮比应在2035之间。第34页堆肥过程影响原因(5)F碳磷比磷对微生物影响也很大，适宜碳磷比为75150。垃圾发酵时添加污泥就是利其中丰富磷来调整堆肥碳磷比。FpH值微生物生长主要条件堆肥早期，酸性细菌作用，pH值降到5.56.0，堆肥物料呈酸性因为以酸性物为养料细菌生长和繁殖，造成pH上升，堆肥结束后，物料pH值上升到8.59.0。用有机污泥作堆肥原料时，需作pH值调整，因为污泥经压滤成饼后，pH值较高。第35页堆肥过程影响原因(6)F颗粒度空隙率及空隙大小取决于颗粒大小及结构强度颗粒间空隙小，不利于通风供氧。物料颗粒平均适宜粒度为1260mm，最正确粒径随垃圾物理特征而改变。第36页堆肥过程影响原因(7)F温度堆肥过程适宜温度为3555有机物含量对堆肥温度有一定影响有机物含量由20%上升到50%时，对应地初堆时间由原来60小时缩短到44小时，55以上稳定时间可由56小时延长到72小时。第37页堆肥腐熟度及其测定F腐熟度反应堆肥过程进行程度堆肥腐熟大致标准是不再进行激烈分解，成品温度低，呈茶褐色或黑色，不产生恶臭。F判定标准物理方法化学方法生物活性植物毒性第38页物理方法F 温度前期发酵终点温度是微生物活动尺度F 气味刺鼻性气味在堆肥过程中逐步减弱，堆肥结束后消失。F色度淡灰逐步变成发黑，腐熟后堆肥产品呈黑褐色或黑色。F残余浊度和水电导率堆肥时间为714天堆肥产物在改进土壤残余浊度和水电导率方面含有最适宜影响F光学性质堆肥在波长665nm下吸光度改变，可反应堆肥腐熟度第39页化学方法F挥发挥性固体(vs)检测专一性和灵敏度较差F化学需氧量(COD)含有与Vs一样不足F淀粉和纤维素堆肥中两类特殊物质F碳氮比(CN)受原料C/N影响太大C测定比较困难第40页生物活性F呼吸作用CO2生成速率与耗氧速率含有很好相关性。标志有机物分解程度和堆肥反应进行程度F微生物种群及数量微生物数量及种群改变，反应堆肥代谢情况。堆肥不一样时期，堆肥温度不一样，微生物种群和数量也随之对应改变F酶学分析水解酶较高活性阶段可反应堆肥降解代谢过程而在较低活性时则反应堆肥到达腐熟。第41页植物毒性F发芽试验植物在未腐熟堆肥中生长受到抑制，在腐熟堆肥中生长得到促进堆肥腐熟水平可由植物生长生物量来表示植物毒性可用发芽指数测定第42页植物毒性F植物生长未腐熟堆肥含合植物毒性物质，对植物生长产生抑制作用用堆肥和土壤混合物中植物生氏情况来评价堆肥腐熟度考虑堆肥腐熟度实用意义，植物生长试验应是评价堆肥腐熟度最终和最具说服力方法：一些农作物包含黑麦草、黄瓜、大白菜、胡萝卜、向日葵和番茄可用来测试堆肥腐热性。第43页检测方法F淀粉测试法淀粉与碘络合物利用这种络合物颜色改变来判断堆肥降解程度深蓝浅蓝灰线黄F氮素试验法 完全腐熟堆肥含有硝酸盐、亚硝酸盐和少许氯末腐熟堆肥则含大量氨而不含硝酸盐。碘化钾溶液遇痕量氨呈黄色，遇过量氨呈棕褐色Grless试剂与亚硝酸盐反应呈红色F耗氧速率法好氧微生物分解有机物使堆肥物质逐步稳定腐熟O2消耗速率和CO2生成速率反应堆肥腐熟程度。第44页测氧枪结构第45页有机物厌氧发酵F什么是厌氧发酵？指有机物在特定厌氧条件下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳过程。F厌氧发酵特点分解有机物产生大部分能量转化储存在甲烷中小部分有机碳化物氧化成二氧化碳氧化过程释放能量作为微生物生长能量第46页有机物分解代谢过程F碳水化合物分解纤维素分解纤维在酶作用用水解成葡萄糖葡萄糖在细菌作用降解成丁酸、乙酸，最终生成CH4和CO2糖类分解分解成单糖，然后是葡萄糖发酵分解F类脂化合分解水解产物为脂肪酸和甘油甘油转变为磷酸甘油脂，深入生成丙酮酸CH4和CO2F蛋白质分解水解成多肽和氨基酸氨基酸分解成有机酸、醇，最终生成CH4和CO2第47页厌氧发酵微生物F不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养为产甲烷菌创造适宜氧化还原条件为产甲烷菌消除部分有毒物质和产甲烷菌一起，共同维持发酵pH值F产甲烷菌严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感要求中性偏碱环境条件菌体倍增时间较长，有45天才系列繁殖1代只能利用少数简单化合物作为营养，全部产甲烷菌都能利用分子氢代谢主要终产物是CH4和CO2。第48页厌氧发酵理论F两阶段理论F三阶段理论F四阶段理论第49页两阶段理论F按细菌引发生物化学过程，将代谢细菌群分为不产甲烷发酵性细菌和产甲烷细菌F发酵阶段分为产酸和产气两个阶段F理论形成较早，对甲烷菌怎样利甲醇以上醇及乙酸以上有机酸难以解释。产酸阶段 产甲烷阶段 第50页三阶段理论液化阶段产酸阶段产甲烷阶段第51页四阶段理论第52页影响厌氧发酵原因F原料配比F厌氧条件F温度FpH值F搅拌F添加剂和有毒物质第53页原料配比F充分发酵原料是产生沼气物质基础F不一样微生物所需营养物质不一样产甲烷细菌只能利用简单有机酸和醇类作为碳源，形成甲烷大部分产甲烷细菌可利用CO2作为碳源氮源只能利氨态氮，不能利用复杂有机氮化合物，如蛋白质F碳氮比为(1530):1即可正常发酵第54页厌氧条件F产酸阶段不产甲烷微生物大多数是厌氧菌，需在厌氧条件下，把复杂有机物分解成简单有机酸。F产气阶段产甲烷菌是专性厌氧菌，氧对其有毒害作用。在有氧环境中，甲烷菌不增加而受到抑制，但并不死亡。F必须创造厌氧环境条件第55页温度F影响产气关键原因一定温度范围内，温度越高，产气越多温度高时，细菌活跃，分解速度快F池内发酵液温度10以上，就能够开始发酵产气F甲烷菌对温度急剧改变非常敏感只降低2度，就马上产生不良影响，产气下降温度上升过快，出现很大温差时对产气量产生不良影响F厌气发酵要求温度相对稳定，一天内改变范围在2度以内第56页pH值F厌氧发酵微生物细胞内细胞质pH值普通呈中性反应F细胞含有保持中性环境、进行自我调整能力FpH值在510均可发酵，78之间最适合F过酸或过碱开始产气时间来得迟缓，产气量小FpH值低，CO2增加，水溶性有机酸和硫化氢产生，硫化物含量增加，抑制甲烷菌生长。F可用石灰调整，最好是调整原料碳氮比第57页搅拌F使发酵原料分布均匀，增加微生物与发酵基质接触F使发酵产物及时分离，提升产气量F预防底产物料出现酸积累F预防发酵浆料分层活性污泥或浆料上附着所产生沼气，因为缺乏搅拌力量，气泡不易脱离，造成部分活性污泥或浆料上漂，给工艺控制造成困难。第58页添加剂和有毒物质F可在发酵液中添加少许化学物质促进厌氧发酵，提升产气量和原料利用率。钾、钠、钙、镁、磷等促进沼气发酵菌生长，增加酶活性，促进纤维素分解纤维素酶可促进纤维素分解F有毒物质抑制发酵微生物生命活力化学物质氯化钠、氟化钠、丁酸、铜性化合物等第59页发酵工艺F发酵温度分自然发酵(常温发酵)中温发酵高温发酵F进料方式批量发酵半连续发酵连续进料两步发酵F发酵方式单级发酵两级发酵多级发酵第60页高温发酵工艺F高温发酵菌培养菌种起源于污水池或下水道有气泡产生中性偏碱污泥加备好培养基上逐层扩大培养，发酵稳定后作为接种用菌种F高温维持在发酵池内布设高盘，通入蒸气加热料浆F原料投入与排出机械加料机出料自流进料和出料F发酵物料搅拌机械搅拌充气搅拌充液搅拌第61页自然发酵工艺F发酵池结构简单、成本低廉、施工轻易、便于推广原料选择原料预处理加活性污泥定时出料送农田配料入池发酵产气定时加料大出料第62页半连续常规沼气发酵工艺备料拌料接种入池堆沤加水封池发酵产气大换料肥料池底污泥或发酵料液活性污泥或其它接种物定时或不定时加料定时或不定时出料第63页连续发酵工艺流程有机固体废物备料池厌氧消化反应池沉淀池肥料贮气柜用户回流搅拌回流备料第64页厌氧发酵池F按发酵间结构分圆形池长方形池F按贮气方式分气袋式水压式浮罩式第65页立式圆形水压沼气池F我国农村大多采取这种沼气池F发酵间为圆形，两侧带有进出料口F池顶有活动盖板，便于开池检修以防中毒第66页立式圆形浮罩式沼气池F发酵间和贮气间分开，压力低、发酵好、产气多F气罩直接安装在沼气池顶或沼气发酵池侧第67页立式圆形半埋式沼气发酵池组F我国城市粪便沼气多采取这种发酵池组F工艺操作简便，造价低廉F气源不足时，可从投料孔添加一些发酵辅助物提升产气量第68页长方形(方形)发酵池F发酵室、气体贮藏室、贮水库、进料口、搅拌器等组成。F发酵室贮藏发酵废料。F气体贮藏室贮藏气体，与发酵室相通。F贮水库调整气体贮藏压力。F搅拌器使发酵物不沉淀，加速发酵第69页