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1、第8章固体废物的堆肥化处理技术一、基本要求了解可生化降解固体废弃物的好氧生物处理和厌氧生物处理；掌握好氧堆肥和厌氧发酵的原理、工艺过程和影响因素。二、教学重点与难点重点：好氧堆肥的原理、工艺过程和影响因素三、教学内容（一）固体废物的堆肥化处理堆肥化是指在人工控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌和真菌等微生物将固体废物中可生物降解的有机组分分解，向比较稳定的腐殖质进行生化转化的微生物过程。1、好氧堆肥过程的基本原理（1）好氧堆肥原理有机废物好氧堆肥化过程实际上就是基质的微生物发酵过程,其基本的生物化学反应过程与污水生物处理相似，但堆肥处理只进行到腐熟阶段，并不需有机物的彻底氧化，这一点与
2、污水处理是不同的。一般认为堆料中易降解有机物基本上被降解即达到腐熟。有机废弃物的种类多，组成复杂，大体上可分成可溶性有机物和不溶性有机物和处于二者之间的有机物。在好氧堆肥过程中，有机废物中的可溶性小分子有机物透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收利用，固体的和胶体的有机物则先附着在微生物体外，由微生物所分泌的胞外酶分解为可溶性小分子物质，再输送入细胞内为微生物所利用。微生物通过自身的生命活动一新陈代谢过程，把一部分被吸收的有机物氧化分解成简单的无机物，并提供生命活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物增殖，可用以下反应式表示：有机物的分解反应：不含氮有机物（CHyO
3、z）+O2I.简单无机物（CO2+H2O）+能量（8-1）CsHtNuOvH2O+O2W!的CWHXNyOZcH2O+CO2+H2O+NH3+能量（8-2）（含氮有机物）（堆肥）微生物细胞质的合成反应（包括有机物的氧化分解，并以NE作为氮源）：w（CHyOf）NH3+O2C5H7NO2（细胞质）+CO2+H2O+能量（8-3）微生物细胞质的氧化分解：C5H7NO2（细胞质）+5025C（h+2H2+NH3+能量（8-4）好氧堆肥过程可以简单地用图8-1说明。提供生物合成随水或气体排入环境释放或转化为热图8-1有机固体物的好氧堆肥过程好氧堆肥过程根据堆肥的升温过程，可将一个完整的堆肥过程大致分成
4、三个阶段。中温阶段这是堆肥化过程的起始阶段，堆层基本呈1545C的中温，嗜温细菌、真菌和放线菌等嗜温性微生物较为活跃并利用堆肥中最容易分解的可溶性物质进行旺盛的生命活动而迅速增殖，释放出能量，使堆肥温度不断升高。这些嗜温性微生物主要以糖类和淀粉类为基质。高温阶段当堆温升至45以上时即进入高温阶段，在这一阶段，堆肥起始阶段的嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，取而代之的是一系列嗜热性微生物。它们的生长所产生的热量使堆肥温度进一步上升。堆肥中除残留的和新形成的可溶性有机物继续被氧化分解外,堆肥中复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质也开始被强烈分解。高温对于堆肥的快速腐熟起着重要作用。在此阶段，堆肥开始
5、形成腐殖质，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物。高温对于杀死大多数病原菌和寄生虫也是极其重要的。根据长期的经验，一般认为，堆温在5060、持续67天，可达到较好的杀灭虫卵和病原菌的效果。降温阶段亦称腐熟阶段，在内源呼吸后期，剩下的是木质素等较难分解的有机物和新形成的腐殖质。此时微生物的活性下降，发热量减少，温度逐渐下降，嗜温性微生物又逐渐占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断积累且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量大大减少，含水率也降低。2、厌氧堆肥过程基本原理厌氧堆肥的原理与废水厌氧消化原理相同，是在缺氧条件下利用兼性厌氧微生物和专性厌氧微生物进行的一种腐败发酵分解，将大分子有机物
6、降解为小分子的有机酸、腐殖质和CO2HANH3、MS、CO等,其中NH3、LS、小分子的有机酸及其它还原性产物有令人讨厌的异臭。厌氧堆肥的堆制温度低（一般为常温），分解不够充分，成品肥中氮素保留较多，但堆制周期长，完全腐熟往往需要几个月的时间。传统的农家堆肥就是厌氧堆肥。厌氧堆肥主要分成两个阶段，如图所示。第一阶段是产酸阶段。产酸菌将大分子有机物降解为小分子的有机酸和醇类等物质，并提供部分能量因子ATP。在此阶段，由于有机酸大量积累，pH值随之下降，所以也叫酸性发酵阶段，参与的细菌统称为产酸细菌。第二阶段为产气阶段。在分解后期，由于所产生的氨的中和作用，PH值逐渐上升；同时产甲烷菌开始分解有机
7、酸和醇，产物主要是CHhCo2气体。随着甲烷菌的繁殖，有机酸被迅速分解，pH值迅速上升，因此这一阶段也称为碱性发酵阶段。酸性发酵阶段（产酸阶段）一一碱性发酵阶段（产气阶段）.图8-2有机固体物的有机施应分解以纤维素为例，堆肥的厌氧分解过程为：微生物（CeH12。6）11FiCgH12。6（葡萄糖）微生物IiC6Hi2O62nC2H5OH+2nCO2+能量2nC2H5OH+nCO2”2nCH3COOH+nCH4微生物、2nCH3COOH2nCH4+2nCO2微生物总反应：（C6H12O6）n3nCH4+3nCo2+能量3、好氧堆肥基本工艺堆肥工艺不论如何分类，好氧堆肥工艺过程通常由前处理、主发酵
8、（一次发酵）、后发酵（二次发酵）、后处理、脱臭及贮藏等工序组成。（1）前处理；（2）主发酵（一次发酵）；（3）后发酵（二次发酵）（4）后处理；（5）脱臭；（6）贮藏4、堆肥过程控制（1）有机物含量大量研究的结果表明：在高温好氧堆肥中，有机物含量变化的最适合范围为20%80%（2）碳氮比（C/N）为保证成品堆肥中一定的碳氮比（一般为1020:1）和在堆肥过程中使分解速度比较理想，必须调整好堆肥原料中的碳氮比。初始原料的碳氮比一般都高于最佳值，调整的方法是加入人粪尿、畜粪以及城市污泥等调节剂，使碳氮比调到30以下。(3)含水率用生活垃圾堆肥时，一般以含水率按质量计50%60%为最佳。水分过多时，会
9、把空气从原料空隙中挤出，降低游离空隙率，影响空气扩散，从而易造成厌氧状态，而且会产生渗滤液的处理问题。当水分低于40%时，微生物活性降低，堆肥温度随之下降，进而又导致生物活性进一步降低。(4)温度在堆肥过程中，堆体温度应控制在5065之间，且在5560时比较好，不宜超过60Co温度超过60,微生物的生长活动即开始受到抑制。而且，温度过高会过度消耗有机质，并降低堆肥产品质量。(5)通风供氧堆肥过程中合适的氧浓度应大于18%,最低氧浓度不能小于8%,氧浓度一旦低于8%,氧就成为好氧堆肥中微生物生命活动的限制因素，并易使堆肥产生恶臭。在不同组分和不同物料的堆肥作业中，耗氧速度差异很大，因此，不同的堆
10、肥方式对供氧的要求也是不同的。根据不同堆肥对供氧要求的差异和堆肥反应器结构及工艺过程的不同，好氧堆肥的通风供氧方式有以下几种：自然扩散：翻堆；强制通风；被动通风。(6)PH值好氧堆肥的在好氧堆肥初期，堆肥物产生有机酸，它有利于微生物生存繁殖，此时PH值可下降到4.55.0,随后逐渐上升，最高可达到8.08.5。PH值在5.57.5时，是大多数微生物活动的最佳范围，真菌活动的最佳PH值为5.58.0。二次发酵可除去大部分氨,最终的堆肥产品PH值基本在7.5左右而成为一种中性肥料。由此可见，在堆肥过程中，尽管PH值在不断变化，但能够通过自身得到调节。如果没有特殊情况，一般不必调整PH值。(7)粒度
11、考虑到保持一定程度的孔隙率与透气性能，以便均匀充分地通风供氧，适宜的粒径范围是12-60mm,具体的粒度可根据堆肥工艺和产品的性能要求而定。(8)C/P比除了C、N之外，P也是微生物必需的营养物质之一。如垃圾堆肥时添加污泥，就是利用污泥中丰富的磷来调整堆肥原料的CPo堆肥化适宜的C/P为75-150o(9)发酵周期发酵周期需要23个月，有时甚至长达半年以上。而目前一些高效快速动态堆肥技术，可使堆肥发酵周期控制在7天以内，有的一次发酵时间仅需23天。(二)生物厌氧发酵制沼气1、厌氧发酵的基本原理厌氧发酵或称沼气发酵是指在无分子氧存在的条件下,通过厌氧微生物(或兼氧微生物)的作用，将有机物分解转化
12、为沼气(主要是甲烷)的过程。厌氧发酵是一种在自然界普遍存在的微生物过程，一般最常发生的地方有：沼泽淤泥、海底、湖底和江湾的沉积物、污泥和粪坑、污泥及有机固体废弃物的厌氧发酵构筑物。厌氧发酵是一个复杂的生物化学过程,根据有机物在厌氧发酵过程中所要求达到的分解程度不同，可将厌氧发酵工艺分为酸发酵和甲烷发酵两大类型，前者以有机酸为主要发酵产物，后者以甲烷为主要发酵产物。1979年，布赖恩特（Bryant）的研究表明，厌氧发酵主要依靠四大主要类群的细菌，即水解发酵细菌群、产氢产乙酸细菌群、产甲烷细菌群和同型产乙酸细菌群的联合作用完成。因而将厌氧发酵过程划分为四个连续的阶段,即水解酸化阶段、产氢产乙酸阶
13、段、产甲烷阶段和同型产乙酸阶段。有时也把同型产乙酸细菌群的作用步骤并入产氢产乙酸过程，此时厌氧发酵则常被分为三个阶段（三段说或三菌群说）。厌氧发酵的四个阶段如图8-3所示。复杂有机物（碳水化合物、蛋白质、脂类）简单有机物（单糖、氨基酸、脂肪酸等）酸性发碎阶段（1）水解IMkHsl（I）水解发酵细菌，（2）产氢产乙酸细菌，（3）同型产乙酸细菌，（4）产甲烷细菌图8-3固体废弃物厌氧发酵总反应图有机酸（丙酸、丁酸等）醇类（乙醇、丙醇等）产甲烷阶段，|（1）发醉水解酸化阶段（液化阶段）复杂大分子、不溶性有机物（如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等）先在细菌胞外酶的作用下水解为小分子、溶解性有机物（如氨基酸
14、、脂肪酸、葡萄糖、甘油等），然后这些小分子有机物被发酵细菌摄入到细胞内，经过一系列生化反应，转化成有机酸（主要是甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等）、醇（甲醇、乙醇、丁醇等）、醛、Co2、HzS、NH3、上等代谢产物排除体外，由于发酵细菌种群不一，代谢途径各异，故代谢产物也各不相同。众多的代谢产物中，仅无机的C02和压及有机的甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等简单物质可直接被产甲烷细菌吸收利用，转化为甲烷和二氧化碳。产氢产乙酸阶段（产酸阶段）在产氢、产乙酸细菌群的作用下，将第一个阶段所产生的各种不能为产甲烷细菌直接利用的代谢产物进一步分解转化为乙酸和H2等简单物质。（3）产甲烷阶段产甲烷细菌利用无机的
15、CO2ZHz及有机的“三甲一乙”（甲酸、甲醇、甲胺、乙酸)化合物产生甲烷。CH3COOH-CH4+CO2(6-9)4H2+CO2-*CH4+2H2O(6-10)4HCOOH-CH4+3CO2+2H2O(6-11)4CH3OH13CH4+CO22H2O(6-12)4(CH3)N+6H2O-*9CH4+3CO2+4NH3(6-13)4C0+2H2OfCH43CO2(6-14)（4）同型产乙酸阶段是指同型产乙酸细菌群将产甲烷细菌的一组基质（Co/Hz）横向转化为另一种基质（CHQOOH）的过程。也有人将厌氧发酵过程分为两个阶段，用图83简单说明有机物的厌氧分解时，主要经历了酸性发酵和碱性发酵（产甲烷）两个阶段。分解初期，微生物活动中的分解产物是有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等等，在这一阶段中，有机酸大量积累，PH值随着下降，所以叫做酸性发酵阶段,参与的细菌统称为产酸细菌。在分解后期，由于所产生的氨的中和作用，PH值逐渐上升；同时，另一群统称为甲烷细菌的微生物开始分解有机酸和醇，产物主要是甲烷和二氧化碳。随着甲烷细菌的繁殖，有机酸迅速分解，PH值迅速上升，这一阶段叫碱性发酵阶段或产甲烷阶段。2、厌氧发酵工艺类型及设备（1）厌氧发酵工
