固體廢物的生物處理

1、基本概念和原理 固體廢物的生物處理：固體廢物的生物處理：直接或間接利用生物體的機能，對固體廢物的某些組成進行轉化轉化以建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染，同時同時又生產(chǎn)有用物質的工程技術。 原理：原理：采用生物處理技術，利用微生物（細菌、放線菌、真菌）、動物（蚯蚓等）或植物的新陳代謝作用，固體廢物可通過各種工藝轉換成有用的物質和能源（如提取各種有價金屬、生產(chǎn)肥料、產(chǎn)生沼氣、生產(chǎn)單細胞蛋白等），既能實現(xiàn)減量化、資源化和無害化，又能解決環(huán)境污染問題。a.a.好氧堆肥(aerobic composting)(aerobic composting) 在有氧狀態(tài)下，好氧微生物對

2、有機廢物進行分解轉化的過程。 最終產(chǎn)物主要是H2O、CO2、熱量和腐殖質。 好氧堆肥主要用于處理城市垃圾，堆肥系統(tǒng)的溫度一般為5065，最高可達8090，堆肥周期短，能連續(xù)操作，因此，也稱為高溫快速堆肥； 好氧堆肥的肥料質量好，可以制作有機顆粒肥料。 不足之處：需要對原料進行比較嚴格的分選,需要強制通風和機械攪拌,對設備要求高，運行能耗大，投資大等。 b.b.厭氧堆肥(anaerobic composting)(anaerobic composting) 在無氧條件下，厭氧微生物對有機物進行分解轉化在無氧條件下，厭氧微生物對有機物進行分解轉化的過程。的過程。 厭氧堆肥的最終產(chǎn)物是CH4、CO2

3、、熱量和腐殖質。 厭氧堆肥過程中，空氣與發(fā)酵原料隔絕，堆制溫度低，工藝較簡單，成本低，對原料的適應性強，成品肥中氮素保留較多，但工藝條件較難控制，堆肥周期長，有機物分解速度緩慢，處理效率低，容易產(chǎn)生惡臭，有機物分解不完全，產(chǎn)品質量低，肥效差。 實際上，堆肥化的好氧和厭氧是相對的，在好氧過程中，由于原料顆粒較大且不均勻，不可避免存在厭氧發(fā)酵過程；反之，由于密封不嚴，厭氧過程中也會有好氧菌的作用。 好氧堆肥是以好氧菌為主的微生物對有機廢物進行吸收、氧化、分解的復雜生物化學反應過程。在堆肥過程中，好氧菌通過自身的生命活動，以廢物中的有機物為養(yǎng)料，將其一部分氧化分解成簡單的無機物并釋放出微生物生長所需

4、的能量，將其另一部分合成為新的細胞物質，使微生物生長繁殖。有機廢物的好氧分解過程很復雜，可以下列通式表示：抗性有機物熱量細胞質有機物微生物 243222SONHOHCOO 好氧堆肥原理好氧堆肥有機物的生物化學反應根據(jù)微生物在降解有機物過程中的行為，有機物的生物化學反應有以下三種： 有機物的氧化反應(oxidizing reaction) 細胞質的合成反應(synthetic reaction) 細胞質的分解反應(decomposition reaction)a. 有機物的氧化反應( (oxidizing reaction) ) 按反應物表示的反應 按生成物表示的反應 按反應物表示的反應以CxH

5、yOz表示固體廢物中的不含氮的有機物，則好氧分解反應可表示為：能量OyHxCOOzyxOHCzyx222212121 以CsHtNuOvaH2O表示固體廢物中的含氮有機物，則好氧分解反應可表示為：能量水氣堆肥3222222)( )( )(gNHfCOOeHOdHOCHONHCbOOaHONHCzyxwvuts按生成物表示的反應以CaHbOcNd表示固體廢物中的有機物，以CwHxOyNz表示存在堆肥產(chǎn)品中的抗性有機物(穩(wěn)定的難降解的有機物)，則好氧分解反應可表示為：若有機物完全分解，則反應式表示為：有機物的氧化反應表示細菌的異化作用，即將有機物轉化為其它物質的反應，根據(jù)上述兩個化學反應式可以求出

6、堆肥化生物分解過程的理論需氧量。)(35 . 0)(223222nxdnxbrnwaSHNnxdOrHsCONOHnCOcrSnyNOHCzyxwdcba式中：能量能量322223243dHNOHdbaCOOCdbaNOHCdcbab. 細胞質的合成反應( (synthetic reaction) )細胞質的同化作用是以NH3作為氮源，細胞質的合成作用包括有機物的氧化過程。能量（細胞質）OHnyCOnNHCOxnznynxNHOHnCzyx222752324 )50)524(c. 細胞質的分解反應(decomposition reaction) 細胞質的分解反應是細胞質內源呼吸所引起的反應：能

7、量3222275255NHOHCOONOHC好好氧氧堆堆肥肥過過程程堆肥化過程(composting process) 堆肥化過程中發(fā)生的生物化學反應是極其復雜的，目前尚難進行精確的描述。在實際設計和操作過程中，通常根據(jù)溫度的變化情況分為以下四個階段(見下圖)。 潛伏階段 中溫階段 高溫階段 熟化階段（1 1）潛伏階段( (溫度在內2525以下) ) 此階段為堆肥化的初期階段；此階段為堆肥化的初期階段； 是微生物適應新環(huán)境的過程，也叫馴化過程。是微生物適應新環(huán)境的過程，也叫馴化過程。 （2）中溫階段( (溫度252545)45) 此階段嗜溫菌最活躍，他們主要利用物料中可溶解性的有機物，如糖類、

8、淀粉，大量繁殖，在轉換和利用化學能的過程中釋放出細胞合成所需的多余能量，加上物料的保溫作用，使溫度不斷上升。 以細菌、真菌和放線菌為主的微生物在此階段迅速繁殖。（3 3）高溫階段( (溫度45)45) 堆溫一般可達到6570，或者更高。此時，嗜溫菌受到抑制或死亡，嗜熱菌大量繁殖，逐漸替代嗜溫菌的活動。 高溫階段最有利于有機物的降解，除前一階段殘留的和新形成的可溶性有機物繼續(xù)得到分解外，其它的固體有機物(纖維素、半纖維素、本質素、蛋白質等)也開始強烈分解。 50左右時，嗜熱性真菌和放線菌都很活躍。 60時，真菌不再適于生存，只有嗜熱性放線菌和細菌仍在活動。 70以上時，大多數(shù)微生物均不適應，其代

9、謝活動受到抑制，并大量死亡或進入休眠狀態(tài)。 在高溫階段，按嗜熱性微生物的活性，可細分為對數(shù)增長期、減速增長期和內源呼吸期三個亞階段，即三個時期。 高溫階段，微生物經(jīng)歷三個時期的變化后，堆肥開始形成腐殖質，逐步進入穩(wěn)定狀態(tài)。圖7-1 微生物活性示意圖（4 4）熟化階段( (溫度為404020)20) 在內源呼吸期，微生物活性下降，發(fā)熱量減少，溫度逐漸下降至中溫,并最后過渡到環(huán)境溫度，剩余有機物大部分為難降解物質，腐殖質大量形成。 在溫度下降的過程中，嗜溫菌又重新開始活動，進一步分解殘留有機物，腐質不斷增多，且趨于“穩(wěn)定”，堆肥便進入腐熟階段。 生物分解過程中產(chǎn)生的氨在這一階段通過硝化細菌的作用轉

10、化為硝酸鹽，其反應式為： 由于硝化細菌生長緩慢，只有在低于40的溫度下才有活性，所以硝化反應通常是在有機物分解完成后才開始進行。氮在轉化為硝酸鹽后才能被植物吸收。因此熟化階段對于生產(chǎn)優(yōu)質堆肥是一個很重要的過程。HOHNOHCNOHCOCHONH42202143722227533224（細胞質）7.2.6 堆肥化的影響因素影響堆肥化效果的因素很多，為了創(chuàng)造更好的微生物生長繁殖和有機物分解的條件，在堆肥化過程中必須控制以下主要因素。 粒度(granularity) 有機物含量(organic content) 含水率(water content ) 碳氮比（C/N）(carbonnitrogen

11、ratio) 通風和耗氧速率(aeration and oxygen consumption rate) 溫度(termperature) pH值 碳磷比（C/P）(c:p ratio)（1）粒度(granularity) 在堆肥化過程中，物料的粒度影響其體密度、內部摩擦力和流動性。足夠小的粒度可以增加廢物與微生物及空間的接觸面積，加快生物化學反應速率； 理想的粒度是2575mm。 對靜態(tài)堆肥，粒度可適當增大，以起到支撐結構的作用，增加空隙率，有利于通風。(2) 有機物含量(organic content) 有機物含量太低不能提供足夠的能量，影響嗜熱菌增殖，難以維持高溫發(fā)酵過程。 有機物含量太

12、高則堆肥過程中要求大量供氧，實際生產(chǎn)過程中常因供氧不足而發(fā)生部分厭氧過程，影響堆肥的腐熟度，即堆肥質量。 適宜的有機物含量為2080。(3)(3)含水率(water content) 作用：溶解有機物并參與微生物新陳代謝；通過水分蒸發(fā)帶走熱量，以調節(jié)堆肥的溫度。 若含水率過高，水會阻礙空氣流通，造成缺氧； 若水分過少，會使分解速率降低。當含水率2時，微生物將停止繁殖。 最佳含水率范圍為5070，用生活垃圾制堆肥時含水率以55為宜。(4)(4)碳氮比(C(CN) N) (carbonnitrogen ratio) CN是影響微生物生長的最重要的營養(yǎng)因素之一。 微生物每利用30份碳，就需要1份氮，

13、因此初始物料的CN比為30：1時適合堆肥的需要，其最佳值在261351之間。 成品堆肥的適宜CN在101201之間。 CN過低，余氮就會以氨的形式逸散，并可能污染環(huán)境； CN過高，則氮不足，就使得微生物的繁殖受到氮源少的限制，導致有機物分解速率降低，堆肥過程延長。 由于初始原料的CN比一般都高于261351，故應加入氮肥水溶液、糞便、污泥等調節(jié)劑，調節(jié)到301以下。 隨著堆肥發(fā)酵的進行，其C/N比呈逐漸下降狀態(tài)。(5)(5)溫度(temperature)(temperature) 實踐表明，堆肥過程的最佳溫度為3555。低于35時堆肥效率不高，在55左右時，微生物活性最高，有機物的分解效率也最

14、高。高于55時，微生物的活性開始下降，堆肥效率也下降。 另外，大多數(shù)病原菌的滅活溫度高于50，因此，堆肥溫度控制在55左右，并維持一定長的時間，對于提高堆肥化效率和堆肥產(chǎn)品質量是適宜的。 我國防預醫(yī)學科學院研究指出，糞便堆肥，最高溫度必須達5055，并在該溫度下維持57天，可以殺滅大腸桿菌和蛔蟲卵。 美國環(huán)保局指出,用露天條垛式堆肥,最高溫度必須達到55以上并至少維持15天，在密閉堆肥系統(tǒng)中，在同樣溫度下，需要維持至少3天，就可以殺滅病原體。(6)(6)通風和耗氧速率 (aeration and oxygen consumption rate) 通風作用：提供氧氣，以促進微生物的繁殖及分解有機

15、物所用；通過供氧量的控制，調節(jié)最適溫度。在維持最適溫度的基礎上，加大通風量可以去除水分。 通風供氧的方式：自然擴撒、翻堆法、強制通氣法、翻堆與強制通氣結合法等。 堆層中氧的濃度氧的濃度和耗氧速率耗氧速率反應了堆肥過程中微生物活動的強弱和有機物的分解程度。 堆肥過程適宜的氧體積濃度為1417，最低不得10，一旦低于此限，好氧發(fā)酵將會停止。 由于氧氣轉變?yōu)楫斄康腃O2，因此，也可用CO2的生成速率來表征堆肥的耗氧速率; 適宜的CO2體積濃度為36。(7)pH(7)pH值 在堆肥化過程中，pH值隨著溫度及時間的變化而變化,其變化情況和溫度的變化是一樣的，也反映了有機物分解的進程。 在堆肥初期，由于有

16、機酸的產(chǎn)生，pH值可降至4.5-5;隨著有機酸的逐步分解，pH值逐漸上升，主發(fā)酵完成前可達到8-8.5;二次發(fā)酵后的最終成品的pH=6.5左右。 pH5.5-6.5是微生物活動的最佳范圍 一般認為，pH6.5-8.5，堆肥化效率最高。7.2.7 7.2.7 堆肥質量 堆肥質量的含義 我國堆肥產(chǎn)品的質量標準 堆肥的腐熟度(rotten degree)(1)(1)堆肥質量的含意a.有適合農(nóng)作物生長所需的營養(yǎng)成分。b.符合衛(wèi)生要求，無害化，要求堆肥中的重金屬含量和致病微生物的數(shù)量必須低于一定的數(shù)量范圍。c.堆肥應達到穩(wěn)定的腐熟度。(2)(2)我國堆肥產(chǎn)品的質量標準 隨其所用原料、工藝及堆制周期不同而

17、有差異。（P181,表7-8） 此外，堆肥化產(chǎn)品還應滿足下列基本要求。a.堆肥產(chǎn)品中的CN應20 土壤中的微生物在分解有機物的同時，還要從氨或硝酸鹽中吸收氮作為自身的營養(yǎng)刑，以維持繁殖增生，若CN比過高，則可利用的N量少而使得微生物處于“氮饑餓”狀態(tài)，最終影響肥效。因此，要求堆肥產(chǎn)品中的CN比應低于20(CN20)。b.堆肥產(chǎn)品應達到完全腐熱的程度才能施用。 大量施用未完成腐熟的堆肥，由于有機質在土壤中的繼續(xù)分解，會造成植物根部缺氧而枯死，農(nóng)業(yè)減產(chǎn)。c.便于運輸、貯存和施用。 故要求水分在40以下,袋裝堆肥的含水率應低于20，最好加工成顆粒肥。(3) (3) 堆肥的腐熟度腐熟度的概念堆肥腐熟度

18、是指堆肥的穩(wěn)定化程度，它既是反映堆肥化反應完成的標志，又是堆肥質量標準。堆肥穩(wěn)定和腐熟的基本含義：達到穩(wěn)定化、無害化堆肥產(chǎn)品使用期間不能影響作物的生長和土壤的耕作能力。堆肥腐熟度的測定方法有多種：物理方法、化學方法、生物活性、植物毒性分析、安全測試分析等。物理方法E溫度下降至常溫左右；E外觀茶褐色或暗灰色，無惡臭而有土壤的霉味；E疏松團粒結構；E產(chǎn)品出現(xiàn)白色或灰白色真菌絲。化學方法EC/N比：（25-30）：1將至（15-20）:1以下；E氮化合物：氨態(tài)氮硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮；ECEC：反映有機質降低的程度，是堆肥腐殖質化程度和新形成的有機質的重要指標。與C/N比呈現(xiàn)很高的負相關性。E有機化合物：

19、糖類-淀粉-纖維素E腐殖質（HS）：胡敏酸（HA）、富里酸（FA）及未腐殖質化的物質（NHF）腐殖化指數(shù)HI=HA/FA腐殖化率HR=HA/(FA+NHF)胡敏酸含量HP=HA*100/HS生物活性法E呼吸作用：耗氧速率法、CO2產(chǎn)生速率法堆層中氧的濃度和耗氧速率或CO2生成速率反映了微生物的活性和有機物的分解程度。耗氧速率表示單位時間內O2濃度的變化，以O2min表示，當耗氧速率變化平衡或無明顯變化時說明堆肥已趨于成熟。用氣體采集槍和微型吸氣泵抽取堆層中的氣體，然后用O2CO2測定儀測定堆層中O2或CO2濃度在單位時間內的變化值就可以評定堆肥的發(fā)酵程度和腐熱情況。當單位時間內O2或CO2的濃

20、度沒有明顯變化則表明堆肥成熟。E微生物種群及數(shù)量微生物種群及數(shù)量嗜溫菌-蛋白質分解細菌、產(chǎn)氨細菌 30天左右嗜熱菌-分解纖維素的細菌和真菌 60天左右硝化細菌 80天左右放線菌 腐熟期 厭氧發(fā)酵制沼氣（methanemethane） 概述 厭氧發(fā)酵的生物化學過程 厭氧發(fā)酵的影響因素 發(fā)酵工藝 發(fā)酵裝置一、厭氧發(fā)酵概述定義主要特點(1)(1)厭氧發(fā)酵（anaerobic fermentationmanaerobic fermentationm） 厭氧發(fā)酵（或厭氧消化）是指厭氧微生物的作用下，有控制地使廢物中可生物降解的有機物轉化為CH4、CO2和穩(wěn)定物質的生物化學過程。 由于厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物是以C

21、H4為主要成分的沼氣，故又稱為甲烷發(fā)酵(firedamp fermentation)。 厭氧發(fā)酵技術最初的工業(yè)化應用是作為糞便和污泥的減量化和穩(wěn)定化的手段得以實施的。厭氧消化處理可以去除廢物中1050的有機物，并使之穩(wěn)定化。 70年代初，由于能源危機和石油價格上漲，許多國家開始尋找新的能源，這時厭氧發(fā)酵技術顯示出其優(yōu)勢，普遍受到人們關注。 近20年來，我國許多城市相繼建成了大型厭氧發(fā)酵設施，用來處理城市污泥和糞便。(2) (2) 厭氧發(fā)酵技術的主要特點可將潛在于有機廢物中的低品位生物能轉化為可直接利用的高品位；與好氧處理相比，厭氧消化不需要通風動力，設施簡單，運行成本低，屬于節(jié)能型處理方法；適

22、用于處理高濃度有機廢水和廢物；經(jīng)厭氧處理后的廢物基本上是穩(wěn)定的，可以用作農(nóng)肥、飼料和堆肥化原料；厭氧微生物生長速度慢，處理效率低，設備體積大；厭氧處理過程中易產(chǎn)生H2S等惡臭氣體。二、厭氧發(fā)酵的生物化學過程/原理 概述 生物化學反應(biochemical reaction) 厭氧分解(anaerobic decomposition)過程（1）概述 參與厭氧分解的微生物有產(chǎn)酸菌(水解菌）和產(chǎn)甲烷菌兩大類 產(chǎn)酸菌能將復雜的有機物水解，井進一步分解為以有機酸為主的簡單產(chǎn)物，產(chǎn)酸菌屬于兼性厭氧菌。 產(chǎn)甲烷菌是絕對厭氧菌，其功能是將有機酸轉變?yōu)榧淄?。甲烷菌的繁殖速度相當緩慢，且對于溫度、抑制物的存在?/p>

23、外界條件的變化相當敏感。 有機物厭氧消化的生物化學反應是非常復雜的過程，中間反應和中間產(chǎn)物有數(shù)百種，并且每種反應都是在酶或其它物質的催化作用下進行的。二（2）生物化學反應（3）厭氧分解(anaerobic decomposition)過程 根據(jù)慶氧分解過程中產(chǎn)物和微生物的特點，厭氧分解過程可分為二個階段、三個階段、四個階段。 三段理論： 水解階段(Liquefaction stage) 產(chǎn)酸階段(Acid-producing stage) 產(chǎn)甲烷階段(Methane-producing stage)圖7-3 有機物的沼氣發(fā)酵過程/水解階段/發(fā)酵細菌/醋酸分解菌產(chǎn)氫菌CO2a. 液化階段(Liq

24、uefaction stage) 在這一階段中復雜的有機高分子物質，如蛋白質、脂肪、碳水化合物等在水解細菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下進行體外酶分解，使固體物質變成可溶于水的簡單有機物。 高分子有機物的水解速度很慢，主要受物料的性質、微生物的濃度、溫度和pH等條件的制約。 主要有機物的水解反應：蛋白質+nH2O氨基酸脂肪酸NH3CO2H2S （單糖）（雙糖）（碳水化合物）（脂肪酸）（甘油）脂肪） 2)(2 ( 3)(3)(6126112212251063532353OHnCOHnCOnHnOHCRCOOHOHHCOHRCOOHCb. 產(chǎn)酸階段(Acid-producing stage) 液化階段產(chǎn)生的

25、簡單的可溶性有機物，在產(chǎn)氫菌、產(chǎn)醋酸菌的作用下，進一步分解成揮發(fā)性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。 反應式22HCO 甲醇甲酸乙酸簡單可溶性有機物產(chǎn)氫菌、產(chǎn)醋酸菌c. c. 產(chǎn)甲烷階段( (Methane-producing stage) ) 產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物進一步降解為CH4和CO2，同時把產(chǎn)酸階段所產(chǎn)生的H2和CO2轉化成CH4。 產(chǎn)CH4階段的生化反應相當復雜，目前已得到驗證的主要反應有：242324233224322424222433244396)(423423424COCHOHCONHCOCHOHNCHOHCOCHOHCHOHCHCHHCOOHOHCHCOHCOCHCOOHCHd. 三個階段的主次