有机固体废物堆肥与厌氧发酵[1]

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,固体废物生物处理,第一节 概述,有机物是固体废物污染的重要来源,1、生活垃圾中50-60%是有机物，会腐烂变质，释放臭气，污染环境；会孳生蚊蝇，危害健康。,2、粪便、污水处理厂污泥大部分是有机物，堆放过程中会释放污染物，污染环境。,3、农业废弃物基本上全是有机物，倾倒水体中会释放污染物；焚烧会污染大气。,一、生物处理定义,生物处理就是以固体废物中的,可降解有机物或其他组分,为对象，利用,生物,对其作用，转化为稳定产物、能源和其他有用物质的一种处理技术。,二、生物处理方法,好氧生物处理法,在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。固体废物存在的各种有机物(相对分子质量大、能位高)作为微生物的营养源，经过一种生化反应，逐级释放能量，最终转化成相对分子质量小、能位低物质而稳定下来，达到无害化的要求，以便利用或进一步妥善处理，使其回到自然环境中去。,厌氧生物处理化,在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。在这种厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被降解，转化为简单、稳定的化合物，同时释放能量。其中，大部分能量以甲烷形式出现，这是一种可燃气体，可回收利用。同时，仅少量有机物被转化、合成为新的细胞组成部分。,三、主要生物处理技术,堆肥化技术,厌氧消化,废物养殖蚯蚓,微生物浸出回收金属,第二节 沤肥技术,一、沤肥技术原理,利用需氧性微生物的活动，快速分解有机物，并产生大量的热能使堆体内的温度不断上升，一般可达到50-70，并维持一定时间，从而将堆料的病菌、蠕虫卵、蝇蛆等杀死，达到无害化的目的，并进行有机物的降解。,二、简易沤肥方法,污水坑沤肥法,平地沤肥法,半坑式沤肥法,三、简易沤肥的影响因素及其控制,1、原料有机成分含量,控制有机物含量25%以上，C/N比例约为25：1。,2、微生物量,为了加速沤肥的腐熟，可加入一些富含高温纤维分解菌的骡、马粪或几经腐熟的堆肥体，加入量一般为堆体的10%,20%。,3、含水率,含水率需根据原料质量、性质、季节而定，一般以30%-50%为适宜。,4、pH值,沤肥过程微生物一般适于在中性和弱碱性的环境中生长繁殖。,5、空气供给,沤肥中需氧菌的活动需要有良好的通风，一般在温度上升期通风量要大些，温度下降期应限制通风量；冬季为保温，通风量要小些。,6、封泥,泥的厚度一般以5-6cm为宜，冬季可适当加大厚度。,四、简易沤肥的无害化处理,加生石灰法,加农药处理法,加尿素法,第三节 有机固体废物堆肥化处理技术,一、基本概念,二、原料来源及质量控制,三、堆肥化原理,四、堆肥化工艺,五、堆肥化设备,六、堆肥化过程技术参数及控制,七、堆肥腐熟度及其质量标准,八、堆肥肥效与利用,一、基本概念,1、堆肥化定义,在,人工控制,的条件下，利用自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等,微生物,的新陈代谢作用，在中高温好氧条件下，把固体废物中可降解的有机物转化为稳定的,腐殖质,的过程。,深褐色、质地松散、有泥土味的物质。这种物质的养料价值不高，但却是一种极好的土壤调节剂和改良剂，其主要成分是腐殖质。,根据微生物生长的环境可将堆肥化分为：,好氧堆肥化,厌氧堆肥化,2、堆肥化发展过程,厌氧堆肥化,农业废弃物、落叶、杂草、粪便,城市生活垃圾,好氧堆肥化、机械化堆肥,堆肥厂停产倒闭,堆肥化技术又开始回升,垃圾成分动植物残余、灰渣,垃圾产生速度快、产量大,工业革命，工业制成品及有,害物混入垃圾中,填埋、焚烧等缺陷,分类、分选技术发展,二、原料来源及质量控制,1、原料来源,生活垃圾,矿业,工业,林业,农业,来源,2、质量控制,密度（容重）：,适于堆肥的垃圾密度为350-650kg/m,3,；,组分（湿质）%：,有机物20%，并按照易腐物（动物性+植物性）、灰渣（15mm称渣砾，15mm为灰土）和废品（纸类、布类、塑料、金属、玻璃）分别统计用于堆肥化处理的城市生活垃圾组成成分。,含水率：,适合堆肥的垃圾含水率为40-60%；,碳/氮比（C/N）：,适合堆肥的C/N比为20：130：1；,粒度：,适合堆肥的物料粒度为12-60mm，蔬菜类易腐废物尺寸可略大一些。,三、堆肥化原理,好氧堆肥是以好氧菌为主对废物中的有机物进行吸收、氧化、分解及转化，微生物把一部分有机物氧化成简单的无机物，并释放出能量，把另一部分有机物转化成为新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。,1、总的反应方程式,有机SW+O,2,CO,2,+H,2,O+细胞体+腐殖质+ 杂质+Q,好氧微生物,生物化学转化,2、理论方程,式中,r=0.5b-nx-3(c-ny),；,s=a-nw,；,n,为降解效率,(,摩尔转化率,1),；,C,a,H,b,N,c,O,d,和,C,w,H,x,N,y,O,z,分别代表堆肥原料和 堆肥产物的成分。,例题,用一种成分为C,31,H,50,NO,26,的堆肥物料进行实验室规模的好氧堆肥化试验。试验结果，每1000kg堆料在完成堆肥化后仅剩下200kg，测定产品成分为C,11,H,14,NO,4,，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。,解 (1)计算出堆肥物料C,31,H,50,NO,26,千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物摩尔数=(1000/852)kmol=1.173kmol；,(2)堆肥产品C,11,H,14,NO,4,的千摩尔质量为224kg，可算出每摩尔参加过程的残余有机物摩尔数即n=200/(1.173224)=0.76；,(3)由已知条件：a=31，b=50，c=1，d=26，w=11，x=14，y=1，z=4。可以算出,r=0.550-0.7614-3(1-0.761)=19.32,S=31-0.7611=22.64,(4)所需的氧量为：,W=0.5(0.764+222.64+19.32-26) 1.17332kg=781.5kg,3、生物化学转化过程,驯化阶段,中温发酵阶段,高温发酵阶段,腐熟化阶段,温度的变化来表征有氧呼吸的强度,3.1 驯化阶段,堆层温度没有变化，温度维持在20,，生物化学作用主要表现为菌群替代，适者生存的微生物开始繁殖，并逐渐占主导地位；不适应堆肥环境的微生物衰退死亡。,3.2 中温发酵阶段,堆层温度从室温急剧升高到45，表明生物化学作用剧烈进行，嗜温菌（细菌、真菌和放线菌）开始大量吞噬易降解有机质，使其转化生成大量有机酸（氨基酸、脂肪酸），并在热力、压力作用下脱水缩合，生成腐殖酸。,3.3 高温发酵阶段,当肥堆温度升到45以上时，即进入高温阶段。在这阶段，嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。,通常在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动；温度升到70以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。,与细菌的生长繁殖规律一样，可将微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期，即对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程，即腐殖质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态。,3.4 腐熟化阶段,在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。在此阶段嗜温微生物又占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风。,四、堆肥化工艺,野外人工堆肥,固体废物,有机固体废物,预处理,无机物,搅拌机,机械发酵池,风机,后处理,后发酵,贮藏,出售,工厂化机械堆肥工艺流程,工厂机械化堆肥,预处理,包括破碎、分选等，主要是除去堆肥原料中大块和非堆肥化物质。但不同的堆肥原料，预处理过程有所不同。如,家畜粪便、污泥,、,城市生活垃圾。,一般，粒径,，有机物,分解速度,，但,物料间的空隙率,，通气效果,。,适宜的粒径范围是1260mm,。如果堆肥物质结构坚固，不易挤压，粒径应小些，否则粒径应大些。此外，决定垃圾粒径大小时，还应考虑它的经济性，因为粒度,，动力消耗,，处理垃圾的费用,。,主发酵（一次发酵）,通常将,堆肥开始到堆肥温度升高到开始降低,为止的阶段，称为主发酵阶段。主发酵阶段是堆肥生物化学反应的基本阶段，在发酵池内进行。,后发酵,经过主发酵的半成品被送去后发酵。在主发酵工序尚未分解的易分解及较难分解的有机物可能全部分解变成腐植酸、氨基酸等比较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥成品。一般，把物料堆积到12米高度进行后发酵，此时，需要防止雨水的装设，有些场合还需进行翻堆和通风。有时即使不进行通风，也需要每周左右进行一次翻堆。,后处理,经过二次发酵后的物料中，几乎所有的有机物都,变细碎和变了形,，数量也减少了。然而，在城市固体废物发酵堆肥时，在前处理工序中还没有完全去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物依然存在，因此，还要经过一道分选工序以去除杂物，可以用回转式振动筛、振动式回转筛、磁选机、风选机、惯性分离机、硬度差分离机等预处理设备分离去除上述杂质，并根据需要（如生产精制堆肥）进行再破碎。,脱臭,在堆肥化工艺过程中，每个工序系统有臭气产生，主要有氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等，必须进行脱臭处理。去除臭气的方法主要有化学除臭剂除臭；水、酸、碱水溶液等吸收剂吸收法；臭氧氧化法；活性炭、沸石、熟堆肥等吸附剂吸附法等。其中，经济而实用的方法是堆肥氧化吸附除臭法。,将源于堆肥产品的腐熟堆肥置入脱臭器，堆高约0.81.2m，将臭气通入系统，使之与生物分解和吸附及时作用，氨、硫化氢的去除效率均可达到98以上。也可用特种土壤(如鹿沼土、白垩土等)代替堆肥，此种设备称土壤脱臭过滤器。,贮存,堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天(中间隔半年)。因此,一般的堆肥化工厂有必要设置至少能容纳6个月产量的贮藏设备。堆肥成品可以在室外堆放，但此时必须有不透雨水的覆盖物。,贮存方式可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装后存放。加工、造粒、包装可在贮藏前也可在贮存后销售前进行。要求包装袋干燥而透气，如果密闭和受潮会影响堆肥产品的质量。,好氧静态堆肥工艺,通常采用露天的静态强制通风剁形式，或在密闭的发酵池、发酵箱、静态发酵仓内进行。一批原料堆积成条垛或置于发酵装置内后，不再添加新料和翻倒，直到堆肥腐熟后运出。,缺点：有机物和微生物分布不均匀，容易造成厌氧状态。,间歇式发酵工艺,间歇式发酵工艺是将原料一批一批地发酵，一批原料堆积之后不再添加新料，待完成发酵成为腐殖质运出。由于该工艺的一次发酵周期只需10天左右，故可加快发酵池的周转，建池数量可比周期30天的一次发酵方式减少2/3，还由于第一次发酵后将非堆腐物排除，可使堆肥体积减少1/2，此外，因堆肥由一次发酵转入二次发酵时，经过机械翻倒，故加快了腐熟化进程，缩短了发酵周期。,连续发酵工艺,连续发酵工艺采取连续进料和连续出料方式发酵，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。这种系统除具有发酵时间短，能杀灭病源微生物外，还能防止异味，成品质量比较高，已在美国、日本、欧洲广为采用。,计量,板式给料机,初选（人工）,发酵仓,出仓,二次发酵,垃圾入场,磁选,滚筒筛,堆肥,污水粪便,计量,废铁,填埋,回收物,粪便入场,武汉市城市垃圾堆肥发酵系统,粪便,输送,垃圾,发酵仓,熟料,振动筛,细料,通风,磁选,农肥,粗料,分拣,利用,浸滤液,集水井,冲洗水,调节池,初沉池,污泥,曝气池,竖流池,污泥,回用池,上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程,城市生活垃圾,贮料池,抓吊,废铁,滚筒筛,人工分选,粗大无机物去填埋,混合滚筒,污,水,池,风机,出料机,二次发酵,出料机,风机,一次,发酵,振动给料机,散装堆肥,装袋机,填埋,出售,滚筒筛,杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图,脱臭,戽斗式翻堆机,贮槽,定量给料器,一次发酵仓,家畜尿,回转振动筛,二次发酵仓,杂质,污水池,土壤脱臭装置,干净气体,长野县堆肥化系统流程图,手选,锤式破碎机,振动传输带,废纸捆包机,非堆肥物收集箱,轻质物：纸及塑料,磁选机,罐头盒,双螺旋混合机,空气,发酵仓（4座）,粉碎机（3台）,旋风,分离器,气体燃料,空气加热器,旋风分离器,污泥,水：到下水道,搅拌机,布料机,浓缩污泥槽,离心机,高温空气,空气,旋转干燥器,堆肥,德克萨斯州休斯敦日处理360吨垃圾堆肥厂流程,五、堆肥化设备,计量设备进料供料设备预处理设备一次发酵设备二次发酵设备后处理设备产品精加工设备等,计量设备：,地磅称,供料设备：,贮料仓、进料斗、起重机等。,预处理设备：,破包机、撕碎机、分选机、混合搅拌机等。,发酵设备：,一次发酵设备、二次发酵设备等。,后处理设备：,筛选机、烘干造粒机、配肥、包装机等。,其它设备：,脱臭装置、污水导排与处理装置、配电与控制装置；,卧式堆肥发酵滚筒,箱式堆肥发酵池,六、堆肥化过程技术参数及控制,通风作用及其控制,含水率及其控制,仓内温度及其控制,有机质含量,颗粒度,碳氮比（C/N）,碳磷比,pH值,1、通风作用及其控制,通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，在机械堆肥生产系统里，要求至少有50的氧渗入到堆料各部分，以满足微生物氧化分解有机物的需要。,通风的作用：,（1）提供氧气，以促进微生物的发酵过程,（2）通过供气量的控制，调节最适合的温度,（3）在维持最适温度的条件下，加大通风量可以去除水分,从理论上讲，堆肥过程的需氧量取决于被氧化的碳量，但由于有机物在此过程中分解的不确定性，难以根据垃圾的含碳量变化精确确定需氧量。,堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活动的强弱和有机物的分解程度。,通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度()，可降解系数(分解效率)等 。,常用的通风方式有：,自然通风供氧；,向肥堆内插入通风管(主要用在人工土法堆肥工艺)；,利用斗式装载机及各种专用翻推机横翻堆通风；,用风机强制通风供氧。,后两者是现代化堆肥厂主要采用方式。,强制通风控制方式：,通风速率恒定的时间控制,通风速率变化的时间控制,温度反馈控制,通风速率变化的时间-温度控制,微电脑控制,O,2,和CO,2,的控制,在堆肥实际运行过程中，可根据以下空气量近似估计的方法来评价堆肥发酵情况,最佳排气O,2,浓度为14%17%,排气中O,2,分压大于14%，则表示空气中氧的消耗不到1/3,如排气中O,2,体积分数降至10%，则表示好氧发酵停止,如用排气中CO,2,体积分数来代替O,2,体积分数作为监测参数，则最佳CO,2,的体积分数应为3%6%,2、含水率及其控制,微生物需要从周围环境中不断吸收水分以维持其生长代谢活动，微生物体内水及流动状态水是进行生化反应的介质，微生物只能摄取溶解性养料，水分是否适量直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度，所以含水率是好氧堆肥化的关键因素之一。下图是垃圾含水率与细菌生长和氧摄人量的关系曲线，其中微生物的生长和对氧的要求均在含水率为5060时达到峰值。故在用生活垃圾制堆肥时，一般以含水率55为最佳。,通常，生活垃圾的含水率均低于此值，可添加粪便或污水污泥等进行调节。添加的调节剂与垃圾的重量比，可根据下式求出：,式中： M调节剂与垃圾的重量(湿重)比；,Wm、Wc、Wb分别为混合原料含水率、垃圾含水率、调节剂含水率。,3、仓内温度及其控制,在堆肥过程中，随着物料中微生物活动的加剧，微生物分解有机物所释放出来的热量大于堆肥的热耗时，堆肥温度上升。因此，升温直接反映了微生物活动的剧烈程度。,温度决定着微生物活性大小和堆肥化进程快慢，同样是好氧堆肥化重要工艺技术参数之一。温度太低，不仅不利于有机质氧化分解和微生物新陈代谢，而且也达不到热灭活（即高温杀灭虫卵、病原菌和寄生虫等）的无害化要求，故一般采用好氧高温堆肥。但是，当温度超过70时，堆肥中的放线菌等有益细菌（存活于植物根部周围使植物茁壮成长）将被杀灭，孢子量不活动状态，分解速度减慢。故,堆肥化适宜温度为55-60 ,。,4、有机质含量,堆肥化原料中的有机质含量高低对堆层温度和通风量均有影响，有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌生长，难以维持高温发酵过程。有机物含量大于80时，堆制过程要求大量供氧，实践中常因供氧不足而发生部分厌氧过程。,适宜的有机质含量为20-80%。,5、,颗粒度,颗粒度影响堆层空隙率和透气性。,物料颗粒的平均适宜粒度为12-60mm,，并随垃圾物性变化而变化，纸类（含纸板）的破碎粒度为,3.8-5.0cm,，材质较硬者的粒度要求小一些（,0.5-1.0cm,），厨房食品垃圾为主的废物破碎尺寸可大一些，以免破碎成浆状影响透气性。,6、,碳氮比（C/N）,微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的碳氮比为30：1合乎堆肥需要，其最佳值在26：135：1之间。成品堆肥的适宜碳氮比为10：120：1之间。由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。当有机原料的碳氮比为已知时(可通过分析测出)，可按下式计算所需添加的氮源物质的数量：,式中：K混合原料的碳氮比，通常取最佳范围值， 配合后为35：1；,C1、C2、N1、N2分别为有机原料和添加物料的碳、氮含量,7、碳磷比,碳和氮对营养微生物的繁殖是必要的。此外，磷也是非常必要的元素，磷的含量对发酵起很大的影响。有时在垃圾发酵时，添加污泥的原因之一就是污泥含有丰富的磷。堆肥适宜的C/P为75150。,8、,pH值,pH值是一项能对细菌环境做出估价的参数。在堆肥的生物降解和发酵过程中，堆层pH值随时间和温度变化而变化，pH值是揭示堆肥化分解过程的一个极好标志。最初阶段由于有机酸产生，pH值回降低到4.55；随后，随着有机酸被逐渐分解，pH值逐渐上升到8左右，,一般认为pH=7.5,8.5时堆肥化效率最高,。,七、堆肥腐熟度及其质量标准,定义：,指堆肥中有机质因氧化分解而稳定化程度称作堆肥腐熟度。,基本含义：,堆肥产品达到稳定化，无害化程度，即对环境不产生不良影响；,堆肥产品使用不影响农作物的生长和土壤的耕作能力。,堆肥腐熟度的检测方法,1、直观经验法,温度下降至接近常温,外观呈茶褐色或者暗灰色,无恶臭而有土壤的霉味，不吸引蚊蝇,呈疏松团粒结构,堆肥腐熟度的检测方法,2、淀粉测试法,最终堆肥成品中，淀粉应全部消失。测定原理是根据淀粉遇碘变蓝，如果碘液检测出现黄色，表明堆肥已稳定，如果呈蓝色，表明堆肥未腐熟。,但当堆肥原料淀粉含量很低时，不能采用此方法判断是否腐熟。,堆肥腐熟度的检测方法,3、耗氧速率法,耗氧速率标志着堆肥反应的进行程度。堆肥腐熟时，耗氧速率很低。认为当耗氧速率降为0.020.1O,2,mol/min时，堆肥已腐熟。耗氧速率一般采用测氧仪测定。,八、堆肥肥效与利用,1、垃圾堆肥肥效,垃圾堆肥产品中含有丰富的有机质、氮、磷等养分，所以不仅可用于改善土壤，作为土壤的改良剂，而且可作为有机肥用于粮食、蔬菜、花卉、林木等方面的生产。,垃圾堆肥主要通过三个方面来改善土壤,改善土壤结构,增加土壤养分,提高土壤生物活性,有机垃圾堆肥肥效影响因素,微生物：微生物通过直接和间接作用（加固氮、解磷、解钾和根际促生作用）影响到有机肥的肥效。,有机物质：C/N比、有机物中的硫代氨基酸等。,养分：不同有机肥的组成，其养分含量和有效性不同，如含动物性废渣、禽粪等的有机肥，其肥效高于含畜粪、秸秆高的肥效。,钙：含钙量高的有机肥比含钙量低的有机肥具有更强的抗病作用，进而肥效较高。,有机肥的腐熟度：未完全腐熟的有机肥对土壤微生物的影响大，特别是对微生物量、区系、密度、拮抗菌等影响大，进而导致肥效降低。,2、堆肥产品的精制,混合,造粒,筛分,低温干燥,堆肥,破碎,混合,包装,精制农肥,混合,短期发酵,化肥,功能微生物,其他配料,有机无机复合肥、营养基质、生物菌肥,第四节 有机固体废物厌氧发酵技术,一、基本概念,二、原料来源,三、厌氧发酵原理,四、厌氧发酵工艺,五、厌氧发酵设备,六、厌氧发酵过程技术参数及控制,七、沼气与沼渣的综合利用,一、基本概念,固体废物厌氧消化,在人工控制,厌氧,条件下，利用,厌氧微生物,将废物中可降解有机质分解转化成,甲烷,、二氧化碳和其它稳定物质的生物化学处理过程。,二、原料来源,堆肥原料都可以作厌氧发酵原料,三、厌氧发酵原理,1、总生化反应式,2、理论方程,3、厌氧发酵过程,有机物厌氧发酵依次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。液化阶段起作用的细菌称为发酵细菌，包括纤维素分解菌，脂肪分解菌，蛋白质水解菌。产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解菌。这两个阶段起作用的细菌统称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷细菌。,在液化阶段，发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶于水的物质，然后，细菌再吸收可溶于水的物质，并将其酵解成为不同产物。,在产酸阶段，产氢、产醋酸细菌把前一阶段产生的一些中间产物丙酸、丁酸、乳酸，长链脂肪酸、醇类等进一步分解成醋酸和氢。,在产甲烷阶段，甲烷菌利用H,2,/CO,2,醋酸以及甲醇、甲酸、甲胺等C,1,类化合物为基质，将其转化成甲烷。其中，H,2,/CO,2,和醋酸是主要基质。一般认为，甲烷的形成主要来自H,2,还原CO,2,和醋酸的分解。根据对中间产物转化成甲烷的过程所作的研究发现醋酸是厌氧发酵中最重要的中间产物。,不产甲烷菌：,指厌氧消化过程中不直接参与甲烷生成反应的微生物统称，包括水解性细菌和产酸细菌等。,其作用是：,为产甲烷菌提供养分；,为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件；,为产甲烷菌消除部分有毒物质；,和产甲烷菌一起，共同维持发酵的pH值。,产甲烷菌：,隶属于原核生物。其主要生态特征有：,严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感；,宜于中性偏碱性环境条件下繁殖；,菌体倍增时间长，4-5天才系列增殖1代；,只能利用少数简单化合物作营养，但却都能利用分子氢作代谢能量；,代谢最终产物是CH,4,和CO,2,。,四、厌氧发酵工艺,主要包括原料预处理，接种物的选择和富集，沼气发酵装置形状的选择、启动和日常运行管理，副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。,1、传统沼气发酵工艺类型,按温度分类,高温发酵：发酵温度维持在5060之间。其特点是微生物特别活跃，有机物分解消化快，产气率高【一般在2m,3,/（m,3,料液d）以上】，滞留时间短。主要适用于处理温度较高的有机废物。对于有特殊要求的有机物，例如杀灭人粪中寄生虫卵和病菌，可采用该工艺。,中温发酵：发酵温度维持在3035之间。此发酵工艺有机物消化速度较快，产气率较高【一般在1m,3,/（m,3,料液d）以上】，在实际中应用较多。,常温发酵：指在自然温度下进行沼气发酵。该工艺的发酵温度不受人为控制，基本上是随气温变化而不断变化，通常夏季产率较高，冬季产期率较低。这种工艺的优点是沼气池结构相对简单，造价较低。一般固体废物处理很少采用常温厌氧发酵。,按发酵级数分类,单级发酵：混合发酵只有一个沼气池，其沼气发酵过程只在一个发酵池内进行。设备简单，但条件控制较困难。,两级和多级发酵：原料先在第一个发酵池滞留一定时间进行分解、产气，然后料液从第一个发酵池进入第二个或其余的发酵池继续发酵产气。该发酵工艺滞留时间长，有机物分解彻底，但投资较高。,按投料运转方式分类,连续发酵,半连续发酵,批量发酵,两步发酵,2、现代大型工业化沼气发酵工艺流程,主要特点：,（1）能大量消纳有机物，适用于城市垃圾和污水处理厂污泥的处理和处置,（2）发酵周期比较短,（3）产生的沼气量大、质量高、用途广泛。,（4）整个系统在运行过程中不会产生二次污染，不会对周围的环境造成危害,（5）整个系统的运行完全是自动化管理,五、厌氧发酵设备,厌氧发酵装置：厌氧发酵池，亦称厌氧消化器,现代大型工业化沼气发酵设备,常用的发酵池,立式圆形水压式沼气池,立式圆形浮罩式沼气池,长方形（或方形）发酵池,加料管,发酵间（贮气部分）,出料间液面,水压式沼气池工作原理示意图,多用于我国农村,大多采用地下埋设和水压式贮气,发酵间为圆形，两侧带有进出料口,容积：6m,3,、8m,3,、10m,3,、12m,3,等,优点：,池顶有活动盖板，便于检修。,结构简单，造价低，施工方便。,缺点：,气压不稳定，池温低、原料利用率低（仅1020%）、产气率低（平均0.10.15m,3,(m,3,d)）,进料口,进料管,发酵间,浮罩,出料联通管,出料间,隔墙,导气管,(a)顶浮罩式,进料管,发酵间,出料联通管,出料间,活动盖,输气管,卡具,排气管,水池,导向柱,进料口,(b)侧浮罩式,浮罩式沼气池示意图,粪水溢水管,进料口,搅拌器,出料门洞,出料口,发酵室,木板盖,导气喇叭口,长方形发酵池,（b）古典型,（a）欧美型,（c）蛋型,（d）欧洲平底型,常用的大型发酵罐结构类型,六、厌氧发酵过程技术参数及控制,1、厌氧条件：,确保厌氧消化系统厌氧条件对于固体废物厌氧消化处理来说，至关重要；,2、温度：,在35-38或50-65范围内为佳；,3、pH值：,最佳pH值范围是7-8；,4、营养素或养分：,C/N=15-30：1、C/P=150：1、N/NH,3,适宜；,5、搅拌：,一般情况下需要安装搅拌设备；,6、添加剂与毒害物：,添加剂有硫酸锌、磷矿粉、钢渣、碳酸钙、炉灰等；但超过发酵菌耐受度即成为毒害物；,7、生物固体停留时间与负荷。,影响甲烷形成的因子,ATP,ATP是生物体能代谢的重要因子。研究表明，在甲烷菌和甲烷八叠球菌中，已检测过的全部反应系统都需要ATP，才能由各种甲烷供体形成甲烷。,辅酶M,辅酶F,420,其他载体：维生素B,12,及其衍生物参与了甲烷形成中的甲烷转移,七、沼气与沼渣的综合利用,一、沼气的利用,据研究，沼气的发热量为37660kJ/m,3,，当含有CO,2,时，其发热量为2092025100kJ/m,3,。平均1kg有机物的纯沼气量为200 300L，而1000m,3,的沼气发热量相当于600m,3,的天然气。,沼气的利用,沼气作生活燃料,沼气作运输工具的动力燃料,沼气用来发电,沼气作化工原料,沼气孵化禽类,沼气用于蔬菜种植，增产效果显著,用沼气贮粮防虫,二、沼液与沼渣的利用,在厌氧条件下，有机物经过沼气发酵后，除碳、氢组成沼气外，其他有利于农作物的元素氮、磷、钾几乎没有损失。这种发酵余物是一种优质的有机肥，通常称为沼气肥。其中，沼液称为沼气水肥，沼渣称为沼气渣肥。,1、沼液利用,沼液是一种速效肥料，适于菜田或有灌溉条件的旱田作追肥使用。长期施用可促进土壤团粒结构的形成，使突然疏松，增强土壤保肥保水能力，改善土壤理化性状，使土壤有机质、全氮、全磷及有效磷等养分均有不同程度的提高，因此对农作物有明显的增肥效果。每亩用量约为10001500kg。,2、沼渣利用,沼渣含有较全面的养分和丰富的有机物，是一种缓速并具有改良土壤功效的优质肥料。连年使用渣肥，土壤中有机质与氮磷含量比未施渣肥的土壤均有所增加，而土壤密度下降，孔隙度增加，土壤的理化性状得到改善，保水保肥能力增强。,第五节 蚯蚓处理有机固体废物,基本原理,蚯蚓在垃圾处理中的作用,处理工艺流程,主要影响因素,处理垃圾后产生的蚓粪和蚯蚓的主要用途,工程实例,一、基本原理,利用蚯蚓和微生物共同处理废物的过程，构成了以蚯蚓为主导的蚯蚓-微生物处理系统。一方面，蚯蚓直接吞食废物，经消化后形成蚓粪颗粒，蚓粪颗粒是微生物生长的理想基质；另一方面，经微生物分解的有机物是蚯蚓的优质食物。二者相互依存，促进有机废物分解。,二、蚯蚓在垃圾处理中的作用,1、蚯蚓通过沙囊和消化道，研磨和破碎有机物,2、垃圾中的有机物经消化道作用后，以颗粒状排出，利于与其他物质分离,3、蚯蚓的活动可改善垃圾中的水气循环,4、蚯蚓自身通过同化和异化作用使有机物降解，并释放出N、P、K等营养元素,5、可对垃圾处理过程及其产品进行毒理监察,三、处理工艺流程,收集垃圾,机械分选,有机碎块,待处理料分堆,蚯蚓转化,筛选,蚯蚓,蚓粪,金属,玻璃,塑料,橡胶,放置蚯蚓,四、主要影响因素,1、有机质含量,2、碳氮比,3、温度,4、含水率,5、pH,6、投加密度,7、有毒有害物质,8、蚯蚓品种,1、有机质含量,蚯蚓以垃圾中的腐烂有机质为食，要求垃圾中有机质含量要高，垃圾中有机质含量小于40%，会影响蚯蚓生长繁殖。,2、碳氮比,有机废弃物中的有机质是蚯蚓生存的主要条件,但有机质的营养搭配是限制蚯蚓生长和繁殖的关键。过去认为主要决定于蛋白质和脂肪的含量,实际上食料C/N才是反映蚯蚓堆肥适宜性的综合指标。,研究表明C/N较高时蚯蚓数量增长多,繁殖快,更有利于提高蚯蚓堆肥处理效果。多年研究结果表明,当目标C/N=(2540)1时蚯蚓堆肥处理效果最佳。,3、温度,不同种蚯蚓的生存域值范围各不相同,一般的试验条件将温度控制在2025的范围。以夏、秋季节处理效果较好,特别是深秋季节,环境温度在20左右时,特别适合蚯蚓生长繁殖,此时蚯蚓的增殖率接近80%,温度过高或过低都对蚯蚓产生负面影响。,4、含水率,蚯蚓的呼吸和其他生命活动跟环境湿度密切相关。湿度过小,蚯蚓会降低新陈代谢速率,降低水分消耗,出现逃逸、脱水而极度萎缩呈半休眠状态;湿度过高则溶解氧不足,出现逃逸或窒息死亡。蚯蚓能够适应的湿度范围为30%80%,最适宜的湿度范围为60%80%。,5、pH,6、投加密度,在大规模的工程应用中,增大蚯蚓投加密度可提高单位容积的处理效率,但投加密度过高使种群内发生生存空间和食物的争夺,影响有机废弃物处理效率。Pius MNdegwa等研究得出蚯蚓投加密度为1.6kgm,-2,时生物转化效率最高。,7、有毒有害物质,新鲜的有机废弃物来源广泛,成分复杂,常含有对蚯蚓生长不利的因素。因此,一般投加蚯蚓前必须对其进行预堆肥,以杀死大量病原菌和其他有害的微生物。堆肥过程中发生厌氧发酵时产生甲烷、CO,2,等气体,对蚯蚓的存活率造成极大的威胁。同时，重金属对蚯蚓也会产生影响。,8、蚯蚓品种,在利用蚯蚓处理城市垃圾时,首先要优选出适当的喜欢有机质和能忍受较高温度的蚯蚓品种。目前世界上生存的蚯蚓有6000多种，适宜人工大规模养殖的蚯蚓一般应具有3个生物学特点:种群呈集中分布,能高密度地生长并保持旺盛的活力,有高的繁殖率和适应环境能力。试验表明,适于养殖且能吃生垃圾的是爱胜蚓属的大平2号、美国红蚓等。,五、处理垃圾后产生的蚓粪和蚯蚓的主要用途,1、蚓粪是优质生物肥,可改良土壤、提高植物产量,用蚯蚓处理垃圾,不仅环保,而且可生产出高品质绿色肥料蚓粪。蚯蚓粪是一种氮、磷、钾含量齐全,并含有大量有机质、腐植酸的黑色颗粒肥料。与其他肥料相比,蚯蚓粪具有卫生、无异味、颗粒状、吸水、保水、透气性能强等特点。,2、蚓粪是优质饲料,蚓粪中含有甘氨酸等17种氨基酸,富含蛋白质,无异味,是配合饲料的组成原料之一,与其他饲料搭配饲喂畜禽,有助于解决蛋白质饲料不足的问题。,3、蚓粪对植物病虫害有抑制作用,研究发现,蚯蚓对农业有机废弃物进行生物降解的产物蚓粪,在一定程度上能够控制蔬菜类植物黄瓜苗期土传病害的发生,并表现出明显的促进植物生长的效应;并从新鲜蚯蚓粪中成功分离到拮抗活性强、抗菌性广的拮抗微生物。,4、蚓粪还可用于修复重金属、农药等污染的土壤,由于蚓粪具有强大的表面积,可吸附重金属,减少植物对重金属的吸收,从而遏制重金属进入食物链,是一种有效的重金属钝化剂。,5、蚓粪中含激素类物质,可促进植物生长,近来有研究发现,蚓粪中含有IAA、GA等激素类物质,这些激素类物质可调节植物生长,促进植物细胞分裂、根系伸长。,6、蚓粪是天然脱臭器,除以上种种用途外,蚓粪还可作为天然脱臭器。蚓粪是具有很高孔隙率和比表面积的颗粒状物质,是臭气的高效吸附剂;蚓粪中含有大量微生物,对臭气物质具有良好的吸收净化功能。垃圾堆肥主发酵时,如果在垃圾表面覆盖23 cm厚的蚓粪,可以很好地保温除臭。从蚓粪堆积的特殊形状,及其富含丰富的微生物的角度看,蚓粪是一种良好的生态除臭器。,7、蚯蚓的作用,处理垃圾后的蚯蚓体可以用作优质蛋白饲料喂养家畜,或用作化工原料。蚯蚓本身可入药，但是由于垃圾中有毒、有害物质较多,蚯蚓体内会有相应累积，所以不建议使用蚓体作为药品原材料。,工程实例,美国从治理环境出发,首先想到了蚯蚓处理城市生活垃圾,在全国推行“后院蚯蚓堆肥法”。由于措施得力,受到了公众的支持,有效地从源头遏制了生活垃圾日积月累堆积的趋势。后来,洛杉矶蚯蚓养殖场饲养蚯蚓100万条,每月处理垃圾7.5万t;加利福尼亚州一个公司养蚯蚓5亿条,占地面积3万m,2,，每天处理废弃物200t。,