第八章 农业废弃物处理工程工艺

1. 第八章 农业废弃物处理工程工艺

2. 主要内容 畜禽粪便环境危害与特性 粪污处理利用工程工艺与设施 农作物秸秆再利用工程工艺与设备 有机污水处理新技术

3. 8-1 畜牧生产废弃物及其对环境危害 主要污染项目： 臭气 污水 粪便 SH2NH3 集约化畜禽养殖高强度排污，超过周围环境系统纳污能力，使环境系统自净能力丧失，生态系统失衡进入恶性循环状态。

4. 8.1.1 污染物质与环境危害 • 可降解有机污染物 • 动植物性废弃物，几乎所有的非人工合成有机物，主要为碳水化合物，蛋白质、脂肪和木质素等。可在微生物作用下最终分解为简单的无机物。 • 难降解物质 • 指那些人工合成的、难于被微生物分解的废弃物。比如化学农药、抗生素等

5. 3 .植物营养物（富营养物） 主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包括钾、硫等植物生长所必需的元素。 水体生态的严重失衡 污泥积累、湖水退化。 蓝细菌的蛋白类毒素富集 食物链中毒 供水质量下降、成本升高 化合态氮毒害作用

6. 有毒物质 • 汞、镉、铬、砷、铅都是毒性较大的重金属，还有铜、钴、锡、锌也有一定的毒性。闻名于世的水俣病是受汞污染的水体通过藻类、浮游生物、贝类、鱼类食物链不断富集放大后最终进入人体的典型的生物放大事例。隔取代骨中的钙引起骨痛病；氟可因起软骨病；长期饮用含铬水可致口角糜烂、腹泻和消化道机能紊乱。 污泥积累 长期危害 某些生物同化作用后毒性增加。 有毒重金属 食物链的生物富集放大 此外常见的有毒物质还有工业污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多环芳烃等等。

7. 甲基化 短鏈烷基汞較易滲入細胞中 烷基汞與-SH基之親和力使其毒性比可溶性的無機型態汞高了10～100倍 汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。 甲基汞(Methyl MercuryCH3Hg) 食物链富集 汞被水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内，再经过“浮游生物——小鱼——大鱼”食物链的富集，使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的几万倍 正常人即使在生活和工作中从未接触过汞，其体内及尿中仍可检出少量汞存在。据估计，自然界的汞循环量每年可达25至150万吨。

8. 5.酸碱及无机盐类 冶金、加工业的酸洗废水，冶金、矿山的硫化物氧化产生的酸性废水，二氧化硫形成的酸雨，造纸、纺织、纤维、制革、洗涤剂、染料、制碱等工业排水。直接污染土壤、表面水体、地下水体，一旦污染影响长久，不易治理。 6.色度 破坏景观、影响水质。 7. 病原微生物 生活、畜禽、养殖、食品、屠宰等。

9. 8.1.2 环境系的自净化作用与纳污容量 污染物在物系循环流动过程中发生演变，自然地减少消失或无害化，称为物系的自净。 污染物浓度自然降低的能力称为自净能力 自然地理因素等原因 自然污染 污染 环境系每年允许的最大纳污量称为该环境系的纳污容量 环境容量 人为污染 人类活动原因 稀释，沉淀，挥发，凝聚，吸附，过滤 物理作用 自净 分解与化合，氧化与还原，酸碱反应等使污染物浓度降低或毒性丧失。 化学作用 生物作用 微生物代谢活动使污染物分解转化成无害物质 污染物分类 物理污染 来源特性 点源：主要指工业废水与都市生活排水，均有固定的排放口 化学污染 面源：主要指来源于流域广大面积上的降雨径流污染，如农药化肥 生物污染

10. 有机物被各种微生物菌群分解代谢 细菌群载体 氧气 生物作用下的水体自净化过程举例 有机物污染水 水底固形物 水体透明度下降 氧气 细菌浓度升高 水中有机物污染被细菌系分解净化 水底固形物 微生物菌群被微小动物消耗，水体透明度好转 虫 细菌群载体 有机物污染水 水底固形物

11. 水质净化良性循环与生化处理方法原理 特别加以处理 有毒重金属、难降解物质

12. 8.1.3 畜禽粪便特性 详细讨论请参考《废水工程处理及回顾》p31 一 物理学特性 1、颗粒尺寸 新收集畜禽粪便颗粒尺寸分布见表6-1（p274） 0.003 0.3 直径μm μm 溶解固体 胶质体 悬浮体 细菌 砂 氯离子，乙酸、乙醇 病毒 0.5－10 μm 20－1000 μm 沉降分离 超滤分子筛 离心 膜过滤 生物、化学方法

13. 2、TS、VS、灰分 水 VS（挥发性固体） 总固体 悬浮液 灰分 24小时 600℃ 2小时 105℃， 105℃， 600℃， TS TS 悬浮固体物与TS的区别？ 3、含水率、容重 （鸡粪除外）一般鲜粪含水率高于80%，实际收集到的粪便含水率与收集方式有关。

14. 更详细的讨论请参考《废水工程处理及回顾》p56更详细的讨论请参考《废水工程处理及回顾》p56 二 生物化学特性 生物化学需氧量（BOD) BOD是指1L污水中的有机物在耗氧微生物的作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量(mg/L)。废水中有机物数量繁多，但大多数有机物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有机物数量同耗氧量成正比。 实际测定时常采用BOD5，即水样在20 ℃的条件下培养5天的生化需氧量。 30℃ BOD5=NBOD+CBOD NBOD是还原态氮氧化成硝态氮或亚硝态氮的需氧量，通常较CBOD小得多。 实验研究表明：第一阶段中有机物在各个时刻的好氧速度与该时刻的污水中有机物浓度成正比关系。 300 第二阶段 BOD(mg/L) 20℃ 200 9℃ 100 第一阶段 50 5 10 20 30 40 50 day 污水的有机物浓度指标和可生化性指标

15. 第一阶段 好氧菌 有机物 ＋ O2能量 CO2 + H2O + NH3 第一阶段常温下一般需要20天接近完成 第二阶段 亚硝化菌 NH3＋ 3O2 2HNO2 + 2H2O 硝化菌 2HNO2＋ O2 2HNO3 第二阶段常温下一般需要近百天才能完成

16. 第一阶段的三部分BOD 微生物 （1）降解： 有机物 ＋ O2 CO2 + H2O + NH3 （2）合成： 有机物 ＋ O2＋ 能量 新细胞 （3）内源呼吸：老细胞＋ O2 CO2 + H2O + NH3 BOD表示有机污染物参数时存在明显的缺陷，即使衡量耗氧量时也是如此。因为内源呼吸耗氧量与硝化耗氧量可能引起很大误差。 当进口BOD200mg/L,出口BOD无硝化时20mg/L，有硝化时40mg/L，则去除率分别为90%、80%，实际上有机物去除率应该是一样的。

17. 一般污水的BOD5=NBOD+CBOD≈CBOD5，与含氮量无关。假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。一般污水的BOD5=NBOD+CBOD≈CBOD5，与含氮量无关。假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。 出口 BOD=NBOD+CBOD =0+20mg/L =20mg/L 进口 BOD=200mg/L BOD去除率=90% 污水含氮极低 去除BOD系统 进口 BOD=200mg/L 出口 BOD=NBOD+CBOD =20+20mg/L =40mg/L BOD去除率=80% 污水含氮很高 去除BOD系统

18. 化学需氧量（COD) COD是指在酸性条件下，用强氧化剂使1L被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量(mg/L)。 COD越高表明废水的有机物越多，目前常用的氧化剂为重铬酸甲（K2Cr2O7)和高锰酸钾（KMnO4)。 KMnO4氧化力较弱，文献中COD未加注明时，大多是指重铬酸甲法的CODcr。COD一般较BOD为高，其差值表示不能被微生物降解的有机物含量。 据Ademoroti(1986)研究认为，COD与BOD常有一定的相关关系，大多为线性关系。 COD = a BOD5 + b BOD5 0.3 COD 适宜生物处理 废水生物处理，上海环保局，同济大学出版社，1999，P21

19. 三 化学特性 肥料元素：N、P、K 金属元素：Cu、Zn、Fe、B、As 酸碱度: 鸡粪偏酸pH=6-7,其他自猪、羊、牛、马粪为弱碱性pH=7.3-8.6。 鸡粪、猪粪、牛粪相比较，鸡消化道很短未经彻底消化残留于粪中的营养物最多，含有大量的粗蛋白等，猪粪次之，牛粪有较高的粗纤维，含营养物最少，鸡粪还含较高的磷与硫。不同畜禽粪便沼气发酵等生物处理时，应注意C、N、P、S比例与含水率等特点。 牛粪：C/N/P比是否过高，某些微量元素是否欠缺 猪粪：氨氮是否过高，抑制微生物发酵、BOD5误差问题等 鸡粪：氨氮是否过高，是否含硫过高，腐蚀、臭气、抑制、硫酸盐还原菌竞争等问题

20. 酸雨 是自然污染吗 SO42- NO3- 酸雨 1、请举例说出水系的自净能力、纳污容量点源与面源污染。 2、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源 3、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气体污染物吗？ 4、“最优方法”这种概念起码在理论上几乎没有价值。更应该关注的是特征，而不是一味追求理论上的普遍性。你同意以上观点吗？请发表你的观点。 5、BOD5作为有机物参数有那些不足

21. 8-2 粪污处理利用工程工艺与设施 8.2.1 粪便收集与运输方式 分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水冲式清粪为主 清粪方法与设备 刮板式: 自落积存式 自流式 水冲式

22. 鸡笼 鸡笼 环流风机 排气风机 鸡粪 鸡粪 自落积存式 1.7~2.0m 更换鸡群时一次性清理

23. 自流式清粪 缝隙地板

24. 水冲式清粪 表6-4 每日最少冲洗量 最小用水量主要根据经验资料得到

25. 畜禽粪便产量 （p274 表6-2） 可参考《设施农业工程工艺及建筑设计》教材p216的计算公式以及表8-1~8-4。 注意： 养殖畜禽工艺设计-----小 粪污处理工艺设计-----大 思考问题： 工艺设计中常见到的取值偏差现象的背后原因

26. 粪便输送方式 固态： 低于70% 车 半固态 ： 70%-80% 输送带、螺旋输送机械 半液态： 80%-90% 管道、污泥泵 液态： 高于90%

27. 8.2.2 畜禽粪便处理工艺与设施 1、物理处理 超滤 格栅 一级处理 大尺寸固形物，砂泥 二沉池 污泥

28. 物理处理 主要用于一级处理 沉降分离 固液分离 机械分离（离心、压滤、筛分） 干燥（常温干燥、高温干燥、微波干燥） 工艺与设备设计（专业课程：化工原理或单元操作过程）

29. 2、 化学处理 主要用于预处理或后期处理 氧化法 （臭氧氧化；次氯酸、氯气消毒等等） 絮凝沉淀法 （明矾、硫酸铝、硫酸亚铁等絮凝剂） 酸碱中和法

30. 二级处理的主体。 成本低，应用广泛，技术成熟 3、生物化学处理 好氧（微生物）法 兼氧（微生物）法 厌氧（微生物）法 微生物适宜的环境特点分类 好氧 兼氧 厌氧 生物塘、反应器 比如实践常见的

31. 　　废水微生物处理方法很多，若根据起主要作用的微生物的呼吸类型，可分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。稳定塘是一种藻类-细菌互生系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：　　废水微生物处理方法很多，若根据起主要作用的微生物的呼吸类型，可分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。稳定塘是一种藻类-细菌互生系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：

32. 粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几种：粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几种： 第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿分离分别进行处理。 第二种方式是猪粪尿直接进行厌氧发酵处理后排放或利用。 第三种方式是将猪粪尿通过自然沉淀而分离为浓稠物和稀液分别进行处理。 第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，然后分别处理。

34. “能源生态型”工艺（ Process of “energy ecological” disposing and using） 畜禽养殖场污水经厌氧消化处理后作为农田水肥利用的处理利用工艺。 沼气 沼渣、沼液作为肥料利用 厌氧处理 “能源环保型”工艺 （Process of “energy environment” disposing and using） 畜禽养殖场的畜禽污水处理后达标排放或以回用为最终目标的处理工艺。 沼气 厌氧处理 好氧处理等 达标排放 “能源环保型”处理利用工艺一般在厌氧处理后需再经好氧工艺处理以使排水达到国家标准。

35. cs μ = μmax ks + cs cs qs qmax = ks + cs Monod方程 该方程描述了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，是由现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年提出的经验方程。 μ 为细胞比生长速率(1/s)；μmax为最大细胞比生长速率； cs为限制性基质浓度（g/L）； ks为饱和常数（g/L） ，其值等于比生长速率恰等于最大比生长速率的一半时的限制性基质浓度。 qmax称为基质最大比消耗速率。

36. 沼气池高产出率（小型高速产气）指标 反应器设计无法同时获得高指标。 沼气池排水高净化（高度降解率）指标

37. 污染物 +水 气体产物 + 生物污泥 + 水 气体产物（CO2，N2，H2S等） 净化水 污物+水 沉降分离 剩余污泥 处理净化系统 沉降分离性能必须给以足够的重视！

38. 污水 净化水 格栅 二沉池 初沉池 生物降解 污泥 一级处理 大尺寸固形物，砂泥 二级处理 悬浮物、胶质体、溶解有机物

39. 有机废水生物处理特点 好氧处理 厌氧处理 废水浓度 高浓度 低浓度 BOD除去率 80-95% 80-99% 动力 低 高出十倍 主要副产物 高质燃料 待处理污泥 滞留時間 3-10時間 5-20日 厌氧处理能量产出多少与原水温度、COD浓度、发酵温度有关。 为了达到排放标准往往需要好氧处理工艺等进一步处理

40. 以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能 ① 耗氧菌呼吸 CH3COONa＋2O2→NaHCO3＋H2O＋CO2 △ Go＝-848.08 KJ/mol ② 反硝化菌呼吸 5CH3COONa＋8NaNO3→4N2＋7NaHCO3＋3Na2CO3＋4H2O △ Go＝-782.78 KJ/mol ③ 硫酸塩还原菌呼吸 CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS △ Go＝-46.88 KJ/mol ④ 产甲烷菌呼吸 CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3 △ Go＝-29.30 KJ/mol

41. 以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能 硫酸还原菌 好氧菌 反硝化菌 甲烷菌 能量收支衡算表明：20 ℃原水，30 ℃发酵，100m3/d，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常规参数，1270CODmg/L时厌氧与好氧处理能量投入相同。COD小于1270mg/L时，厌氧处理更消耗能量。

42. 8.2.3 畜禽粪便沼气工程

43. 1、沼气发酵原理 （1）厌氧消化三阶段 按降解机理分段： 按物性变化分段： 复杂有机物 碳水化合物，蛋白质，脂类 水解发酵阶段 液化阶段 1 水解 简单溶解性有机物 1 发酵 1 1 产酸产氢阶段 脂肪酸、醇类 酸化阶段 产氢产乙酸菌 2 2 H2，CO2 CH3COOH 3 同型产乙酸菌 产甲烷菌4 5 产甲烷菌 气化阶段 产甲烷阶段 甲烷产量的70% 甲烷产量的30% CH4+ CO2

44. （2）产酸菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌和甲烷菌的生态关系（2）产酸菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌和甲烷菌的生态关系 水系中产酸、产氢菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌、甲烷菌等菌群间形成了食物链似的生态关系。比如各水层或者说各种菌落活动空间的适宜氧化还原电位及Ph值，是各类微生物创造的；又比如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很低的水平，醋酸、H2生成菌无法生存，因为象丙酸分解成醋酸、氢气的反应,只有在氢气分压低于10-4atm时，自由能变化才小于零，反应才可能进行。这种必须与其它菌共存的关系，叫共生关系（syntrophic association). 硝酸还原 硫酸还原 产甲烷

45. 反应器中菌群协作关系：适宜氧化还原电位形成反应器中菌群协作关系：适宜氧化还原电位形成 O2 空气 好氧菌类 氧化还原电位降低 NO3- 硝酸还原菌 SO4-2 硫酸还原菌 CO2，H2，C2O2H4 产甲烷菌

46. 菌群的协作、共生、竞争关系

47. 降解，液化 水解 协作 产酸产氢菌 H2 共生 醋酸、H2生成菌的生存要求极低的H2分压 硫酸还原菌 竞争 CO2，H2，C2O2H4 产甲烷菌

48. 产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中 十分重要。 如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很 小，醋酸、H2生成菌无法生存， 甲烷菌的共生菌与硫酸还原菌的共生菌相比较，产乙酸产 氢速度较慢，这是因为通过共生系可获得的自由能较少。 ③ 硫酸塩还原菌呼吸 CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS △ Go＝-46.88 KJ/mol ④ 产甲烷菌呼吸 CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3 △ Go＝-29.30 KJ/mol

49. （3）厌氧消化微生物 参考（徐亚同、史家梁、张明，污染控制微生物工程，化工出版社，2001，pp41-47；永井史朗、嫌気性微生物、1993）修改 主要发酵细菌 羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物， 产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。 似杆菌属（Bacteroides） 降解纤维素或半纤维素。 丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白质等 真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解 双歧杆菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。 主要功能 固形有机物 水解 胞外酶作用 溶解有机物 发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。

50. 主要功能 主要产氢产乙酸菌 互营单细胞菌属（Syntrophomonas） 互营杆菌属（Syntrophobacter） 羧菌属（Clostridium） 暗杆菌属（Pelobacter）等。 挥发性脂肪酸 降解 胞内酶作用 乙酸和H2 这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。 2CH3CH2COOH + 2H2O 3CH3COOH + 2 H2