固體廢物處理與資源化利用-課后作業(yè)答案第五章

好氧堆肥化的基本原理、好氧堆肥化的微生物生化過程分別是什么？如何評價(jià)堆肥的腐熟程度？（1）基本原理：好氧堆肥是利用好氧微生物代謝使生物質(zhì)廢物降解穩(wěn)定，不再易腐發(fā)臭，成為相容于植物生長的土壤調(diào)理劑的過程。（2）過程：潛伏階段：部分微生物產(chǎn)生適應(yīng)酶，其細(xì)胞物質(zhì)開始增加，但微生物總數(shù)尚未增加；而另一些微生物因不適應(yīng)新環(huán)境而死亡。此階段微生物會(huì)大量分泌水解酶，部分固體廢物會(huì)被水解成可溶性物質(zhì)。升溫階段：已適應(yīng)特定環(huán)境的微生物，利用物料中的易降解有機(jī)物，旺盛繁殖，在轉(zhuǎn)換和利用生化能的過程中，多余的生化能以熱能的形式釋放，使堆置環(huán)境溫度不斷上升。高溫階段：當(dāng)堆層溫度升高到45℃以上，嗜溫性微生物受到抑制甚至死亡，嗜熱性微生物逐漸替代了嗜溫性微生物的活動(dòng)，無聊中殘留的和新形成的可溶性有機(jī)物急需分解轉(zhuǎn)化，復(fù)雜的有機(jī)化合物也開始被劇烈分解。微生物對易降解有機(jī)物的高速降解，必然使其代謝逐步受到有機(jī)物可利用性的限制，代謝和生長速率下降，因代謝而產(chǎn)生的熱量減少。當(dāng)產(chǎn)生的熱量低于散失的熱量時(shí)，堆層溫度開始下降。降溫階段：當(dāng)堆體溫度下降到45℃以下時(shí)，嗜溫性微生物又重新占據(jù)優(yōu)勢。嗜溫性微生物對剩下的較難降解的有機(jī)物做進(jìn)一步分解，并逐漸形成腐殖質(zhì)。腐熟階段：經(jīng)過以上四個(gè)階段，物料中剩下的是難降解有機(jī)物。此階段為嗜溫性的，細(xì)菌和放線菌數(shù)目有所下降，真菌會(huì)大量繁殖，難降解有機(jī)物會(huì)被緩慢分解，腐殖質(zhì)不斷增多、聚合度和芳構(gòu)化程度不斷提高。（3）評價(jià)方式：腐熟程度的評價(jià)指標(biāo)有物理學(xué)指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)和生物學(xué)指標(biāo)。物理學(xué)指標(biāo)包括表觀指標(biāo)和堆層溫度?；瘜W(xué)指標(biāo)包括易降解有機(jī)物和難降解有機(jī)物、有機(jī)物含量、氮試驗(yàn)法、碳氮比和腐殖類物質(zhì)的變化。生物指標(biāo)包括植物分析法、好氧速率法、厭氧產(chǎn)氣法和綜合評定法。何謂厭氧消化？簡述厭氧消化的生物化學(xué)過程。厭氧消化工藝有哪些類型？試比較它們的優(yōu)缺點(diǎn)。固體廢物厭氧消化反應(yīng)器攪拌的主要作用是什么？（1）厭氧消化是有機(jī)物在厭氧條件下通過微生物的代謝活動(dòng)而被穩(wěn)定，同時(shí)伴有甲烷和二氧化碳等氣體產(chǎn)生的過程。（2）過程：厭氧消化一般可以分為水解、酸化、乙酸化和甲烷化四個(gè)階段：水解：水解是一個(gè)胞外酶促反應(yīng)過程，主要是將顆粒態(tài)碳?xì)浠衔铩⒌鞍踪|(zhì)和脂肪分解為可以被微生物直接利用的葡萄糖、氨基酸和長鏈脂肪酸（LCFA）的胞外水解過程。酸化：酸化是溶解性基質(zhì)葡萄糖、氨基酸和LCFA在微生物作用下被降解為各類有機(jī)酸、氫、二氧化碳和氨的過程。乙酸化：乙酸化過程是酸化產(chǎn)物利用氫離子或碳酸鹽作為外部電子受體轉(zhuǎn)化乙酸的降解過程。甲烷化：甲烷化過程是厭氧微生物利用乙酸、H2/CO2，或利用甲醇、甲胺和二甲基硫化物等含甲基的底物生成甲烷的過程。（3）工藝類型：厭氧消化按照含固率不同分為干式消化、濕式消化和半干式消化。按照溫度不同分為常溫消化（自然消化）、中溫消化和高溫消化。干式消化：指處理的固體廢物的含固率在20%以上，大多數(shù)介于20%~40%，一般很少采取稀釋操作。干式消化有更高的有機(jī)負(fù)荷，反應(yīng)容器體積更小對化學(xué)添加劑的需求量要小于濕式消化，其終產(chǎn)物是固態(tài)的易于作為肥料或動(dòng)物飼料，由于廢物含固率高，因此單位物料可以產(chǎn)生更多熱量，有利于系統(tǒng)能量的平衡。一般在高溫下運(yùn)行，可達(dá)到衛(wèi)生無害化。但反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物空間密度較高，容易導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸、氨氮等代謝物或其他抑制物的積累，需要大比例的微生物接種。濕式消化：指廢物含固率在20%以下，常規(guī)濕式消化的含固率在12%左右。污泥消化的還顧慮一般為5%。濕式消化的終產(chǎn)物是液態(tài)的，需要進(jìn)行固液分離處理。半干式消化：指處理廢物的含固率在15%~20%。（4）攪拌的作用有兩方面：一是可以使反應(yīng)器內(nèi)溫度和濃度分布均勻，防止局部酸積累，使生化反應(yīng)生成的硫化氫、氫氣等對厭氧菌活動(dòng)有害的氣體迅速排出，使反應(yīng)器控制在一個(gè)良好的微生物生存環(huán)境之中；二是可以使加入的原料與反應(yīng)器內(nèi)富集厭氧降解微生物的物料混合，使產(chǎn)生的浮渣破碎，即讓原料中的有機(jī)質(zhì)與厭氧微生物密切接觸，在反應(yīng)器內(nèi)造成一個(gè)良好的傳質(zhì)環(huán)境。如果固體廢物厭氧消化反應(yīng)器中物料出現(xiàn)酸化跡象，應(yīng)采取何種調(diào)控措施？可通過投加石灰或含氮物料的辦法進(jìn)行調(diào)節(jié)堿度試討論有機(jī)廢物堆肥化與厭氧消化過程中微生物接種的必要性，及適宜的接種方式。(1)必要性：是否要進(jìn)行微生物接種的主要依據(jù)是從工程角度看，微生物接種的代價(jià)與有機(jī)物分解速率提高之間的價(jià)值比是否有利。例如，城市生活垃圾本身就含有很豐富的微生物，不加菌種，只要其他工藝條件控制適宜，生活垃圾也能很快地被微生物利用轉(zhuǎn)化。有些固體廢物，如飯店餐廚垃圾、高溫處理過的工業(yè)有機(jī)廢渣，其中所含有的微生物較少，可以考慮人工添加菌種。（2）接種方式：接種的菌種可以使有人工專門培養(yǎng)的，也可以將堆肥產(chǎn)品部分回流以達(dá)到接種的目的脫水污泥含水率80%，為在堆肥前將原料含水率調(diào)整至65%，采用含水率為15%的稻草調(diào)理，試計(jì)算加入的稻草質(zhì)量占污泥量的百分比。設(shè)污泥質(zhì)量為M1,稻草質(zhì)量M2.可得：(M1+M2)*65%=M1*80%+M2*15%解得：M2/M1=30%則加入稻草質(zhì)量占污泥質(zhì)量的30%。某固體廢物堆肥倉，處理廢物100t，出料60t；廢物和出料的含水率分別為65%與45%，有機(jī)物含量（干基）分別為70%與50%。試計(jì)算經(jīng)該倉處理后的廢物生物轉(zhuǎn)化率。生物轉(zhuǎn)化率=1-60用一種成分為C31H50NO26的堆肥物料，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室規(guī)模的好氧堆肥試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果，每1000kg堆料在完成堆肥后僅剩200kg，測定產(chǎn)品的成分為C11H14NO4。試求每1000kg物料的計(jì)量化學(xué)理論需氧量。1000kg物料中，其物質(zhì)的量為：100012單位摩爾物料消耗氧氣物質(zhì)的量為：31×1+50200kg產(chǎn)品中，其物質(zhì)的量為：20012單位摩爾產(chǎn)品消耗氧氣物質(zhì)的量為：11則每1000kg物料的計(jì)量化學(xué)理論需氧量為：1轉(zhuǎn)換成質(zhì)量有24試計(jì)算廢物混合最適宜的C/N比：樹葉的C/N比為50，與來自污水處理廠的活性污泥混合，活性污泥的C/N比為6.3。為使混合C/N比達(dá)到25:1，分別計(jì)算各組份的比例。假定條件如下：污泥含水率為75%；樹葉含水率為50%；污泥含氮率為5.6%；樹葉含氮率為0.7%。1kg樹葉，干物質(zhì)質(zhì)量為：1×含N的質(zhì)量為：0.5×0.7%=3.5g含C的質(zhì)量為：3.5×50=175g1kg污泥，干物質(zhì)質(zhì)量為：1含N的質(zhì)量為：0含C的質(zhì)量為：14×6.3=88.2g設(shè)樹葉質(zhì)量為M千克，污泥質(zhì)量為m千克有：CN=M×175+有M/m=2.99假設(shè)一個(gè)養(yǎng)雞農(nóng)場需要利用雞糞進(jìn)行堆肥，用鋸末作為調(diào)理劑。試計(jì)算添加多少鋸末和水，才能組成一個(gè)比較合適的堆肥混合物？已知參數(shù)如表5-27所示（注意：若為數(shù)值范圍，在沒有給出說明的情況下可取平均值）。表5-27

已知參數(shù)物料干基氮含量（%）C/N（干基）含水率（%）濕基容積密度（kg/m3）農(nóng)場雞糞3.601046470鋸末0.06~0.80200~75019~65207~267鋸末0.4347542237假設(shè)堆肥混合物的C/N比為25：1，含水率為50%1m3的雞糞，干物質(zhì)的質(zhì)量為：1×470含N質(zhì)量為：253含C的質(zhì)量為：9.14×10=91.4kg1m3的鋸末，干物質(zhì)的質(zhì)量為：1含N的質(zhì)量為：137.5×0.43%=0.591kg含C的質(zhì)量為：01m3的水，含水的質(zhì)量為：1000kg設(shè)混合前雞糞的體積為M1，鋸末體積為M2，水體積為M3CN=M1×91.4有M1/M2=1.94含水率=M1×470×有M3/M2=0.11所以混合前雞糞，鋸末，水的體積比為：1．94：1：0.11生物濾床典型設(shè)計(jì)參數(shù)如表5-28所示。試設(shè)計(jì)一生物濾床，用于處理堆肥過程的尾氣。已知（1）進(jìn)氣流量Q（5100m3/h）；（2）進(jìn)氣污染物濃度C（10g/m3）；（3）生物濾床氧化惡臭物質(zhì)的速率R（100g污染物/（m3·h）；（4）吸附矯正因子k（0.2）；（5）孔隙率e（0.7）。表5-28

典型設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)單位推薦值停留時(shí)間s30~60進(jìn)氣表面負(fù)荷m3

/m2·h50~300濾床高度m0.6~1.0孔隙率

0.7~0.8容重kg/m3400~800含水率%40~60溫度℃2~40pH

6.0~8.5惡臭物質(zhì)降解率g/m3·hr10~140進(jìn)氣VOC最高濃度負(fù)荷mg/m33000~5000能耗kWh/m30.0018~0.0025吸附矯正因子

0.2~0.3選用設(shè)計(jì)參數(shù)：停留時(shí)間45s考慮吸附矯正因子為0.2，實(shí)際停留時(shí)間為：45/0.2=225s計(jì)算過程：濾床的容積為：5100×225÷則濾床的總體積為：318.75÷0.7=455.4m3取456m3濾床高度取3m,濾床截面積為：456÷3=152m校核表面負(fù)荷，QA=5100÷152=33.5m3/m2·h<300m符合要求13．欲建一座厭氧消化廠處理某地區(qū)產(chǎn)生的有機(jī)生活垃圾，工程處理能力300t/d。有機(jī)生活垃圾含VS質(zhì)量百分比25%，VS中碳水化合物、蛋白質(zhì)和脂肪分別占70%、20%和5%，請利用本章提供的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算采用半干式中溫處理工藝時(shí)所需的厭氧反應(yīng)器容積、沼氣產(chǎn)量和能量產(chǎn)出。選取工藝為半干式中溫處理，選取設(shè)計(jì)參數(shù)為：OLR=6kgVS/(m3·d)有機(jī)物進(jìn)料量為：Q=厭氧反應(yīng)器的有效容積為：V=QOLR校核操作條件：HRT=VQ'取有機(jī)物降解速率：60%設(shè)糖類、蛋白質(zhì)和脂肪的甲烷產(chǎn)量分別為0.38、0.52和0.8m3/kg，二氧化碳的產(chǎn)量分別為0.45、0.56和0.4m3/kg甲烷產(chǎn)量為：Q二氧化碳產(chǎn)量為：Q沼氣產(chǎn)量：Q=18450+20115=38565m能量產(chǎn)出Q14.某固體廢物的厭氧消化過程遵循一級反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程，已知其降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)和生物可降解性系數(shù)。若要確保降解率達(dá)到80%，則在間歇式反應(yīng)器和連續(xù)式反應(yīng)器中的停留時(shí)間至少分別需要多少天？(1)間歇式反應(yīng)器,由題可知：y=當(dāng)降解率達(dá)到80%時(shí)，的停留時(shí)間：t=ln?(2)連續(xù)式反應(yīng)器的停留時(shí)間：t=x0-某堆肥廠進(jìn)場生活垃圾來源于生活小區(qū)、商業(yè)服務(wù)區(qū)和街道保潔垃圾。其中，主要重金屬在各來源垃圾中的含量見表5-30，試計(jì)算進(jìn)場垃圾的重金屬含量。若經(jīng)堆肥化處理后，有機(jī)物降解率為50%，水分去除率為70%，試計(jì)算堆肥產(chǎn)品的重金屬含量。該廠如果欲確保其堆肥產(chǎn)品能滿足農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)要求，可采取什么措施來降低其重金屬含量？表5-29

重金屬在各來源生活垃圾中的含量mg/kg清運(yùn)量（103t）含水率AsCdCrCuHgNiPbZn餐廚垃圾0.60.90.0~2.00.05~0.50.0~6.81.1~100.0~0.30.3~8.90.0~4.314~32無機(jī)垃圾0.40.212~240.9~2.2113~226114~3130.2~1.127~5090~165178~291街道粉塵0.050.1

1~5228~853(167)20~1070(95)0.11~5.2(0.64)44~56(50)29~3060(230)80~2110(421)標(biāo)準(zhǔn)

303300

5

單位kg餐廚垃圾中:干垃圾重量為：1×重金屬質(zhì)量為：0.1×(1.0+0.275+3.4+5.55+0.15+4.6+2.15+23)=4.01mg單位kg無機(jī)垃圾中：干垃圾重量為：1×重金屬質(zhì)量為：0.8×(18+1.55+169.5+213.5+0.65+38.5+127.5+