環(huán)境生物技術(shù)課件5有機固體廢物與廢氣的生物處理技術(shù)

第五章有機固體廢物與廢氣的微生物處理第一節(jié)有機固體廢物的微生物處理技術(shù)固體廢物:固體廢物是指人類在生產(chǎn)、生活過程市產(chǎn)生的對所有者不再具有使用價值而被廢棄的固態(tài)和半固態(tài)物質(zhì)，包括從廢水、廢氣中分離出來的固體顆粒物質(zhì)。按來源可分為五類：工業(yè)固體廢物農(nóng)業(yè)固體廢物礦業(yè)固體廢物城市垃圾放射性廢物固體廢物對環(huán)境的危害侵占土地污染大氣污染水體污染土壤危害塑料垃圾殘留3.9克/畝玉米減產(chǎn)11%~13%小麥減產(chǎn)9%~16%大豆減產(chǎn)5.5%~9%蔬菜減產(chǎn)14.4%~54.9%有害氣體如SO2，NH3，CH4和粉塵等固體廢物處理是指通過一定的技術(shù)手段將固體廢物轉(zhuǎn)變成適于運輸、利用、貯存或處置的過程、常用的處理技術(shù)包括物理處理、化學處理、生物處理、熱處理等。固體廢物處理固體廢物處理技術(shù)生物處理熱處理物理處理化學處理固體廢物生物處理技術(shù)名詞：生物處理是指依靠自然界廣泛分布的微生物的作用，通過生物轉(zhuǎn)化，將固體廢物中易于生物降解的有機組分轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)肥料、沼氣或其他轉(zhuǎn)化產(chǎn)品（如飼料蛋白、乙醇或糖類）等，從而達到固體廢物無害化或綜合利用的一種處理方法。目前，對于可生物降解的有機固體廢物的處理，世界各同主要采用堆肥、衛(wèi)生填埋、厭氧發(fā)酵等方法。一、堆肥法（一）堆肥法、堆肥化和堆肥的概念堆肥法：俗稱堆肥，是一種古老的微生物處理有機固體廢棄物的方法。農(nóng)村將秸稈、落葉和禽畜糞便和尿一起用土堆堆集，依靠現(xiàn)存的微生物和土壤微生物發(fā)酵腐熟后施農(nóng)田，其產(chǎn)品為堆肥。堆肥化是依靠自然界廣泛分布的細菌、放線菌等微生物，有效地促進可生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學過程。堆肥是堆肥化的產(chǎn)品。堆肥是優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑和農(nóng)藥。(二)好氧堆肥目前好氧堆肥處理的物料：①垃圾；②垃圾和糞水；③垃圾和脫水污泥；④脫水污泥。垃圾的化學組分主要是纖維素、半纖維素、糖類、脂肪和蛋白質(zhì)等。它的理化性質(zhì)列表11-2，隨季節(jié)改變，其組分會變化。

表11－2垃圾的理化性質(zhì)(所測的數(shù)值為占有機和無機成分的百分比)項目pH水分/%總固體/%揮發(fā)物/%碳/%氮/%速效氮/%容重/(tm-3)孔隙率/％數(shù)值827.8472.219.5413.40.450.030.4530表11－3糞水的理化性質(zhì)項目密度pH水分/%總固體/%揮發(fā)物/%碳/%氮/%速效氮/%數(shù)值1.18.898.51.582.30.450.230.2序號含水率/%有機物/%灰分/%混凝劑/(mg·L-1)聚丙烯酰胺/‰氣味外觀127076.25048.05052.0Al2(SO4)3

鐵鋁鹽5～75～7極臭、刺鼻墨黑色、黏稠招惹蒼蠅表11－4污水處理廠脫水污泥組成與特征1.好氧堆肥機理好氧堆肥是在通氣條件下，好氧微生物分解大分子有機固體廢物為小分子有機物，部分有機物被礦化成無機物。并放出大量的熱量，使溫度升高至50～65℃，如果不通風，溫度會高到80～90℃。這期間發(fā)酵微生物不斷地分解有機物，吸收、利用中間代謝產(chǎn)物合成自身細胞物質(zhì)，生長繁殖。以其更大數(shù)量的微生物群體分解有機物，最終有機固體廢棄物完全腐熟成穩(wěn)定的腐殖質(zhì)。好氧堆肥分解過程見圖11-1：圖11-1有機堆肥好氧分解過程有機物質(zhì)+好氧菌+氧氣+水→二氧化碳+水（蒸汽狀態(tài)）+硝酸鹽+硫酸鹽+氧化物好氧堆肥生產(chǎn)車間堆肥發(fā)酵堆肥及翻堆機好氧堆肥中試過程污泥堆肥成品供應給園林所栽培植物試驗用已腐熟堆肥脫水污泥1.脫水污泥2.已腐熟堆肥高效菌（HEM）12發(fā)酵車間全貌堆肥待出料堆肥正在出料2.好氧堆肥發(fā)酵微生物好氧堆肥發(fā)酵微生物有：中溫好氧的細菌和真菌好熱性的細菌、放線菌和真菌嗜熱高溫細菌和放線菌好氧堆肥發(fā)酵微生物堆肥發(fā)酵微生物群落的演替中溫好氧細菌和真菌好熱性的細菌、放線菌和真菌好熱性的細菌和放線菌致病菌和寄生蟲卵被殺死，嗜熱高溫細菌和放線菌停止活動50℃60℃70℃溫度緩慢上升

分解碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪分解纖維素和半纖維素分解纖維素和半纖維素堆肥腐熟穩(wěn)定堆肥中的微生態(tài)系是臨時組成堆肥初期:微生物處在遲滯期，由中溫好氧的細菌和真菌通過分解易降解的糖類、蛋白質(zhì)、脂肪等獲得營養(yǎng)，逐漸生長繁殖，產(chǎn)生大量熱量，使堆溫升高至50℃。堆肥中的微生態(tài)系是臨時組成接著:由好熱性的細菌、放線菌和真菌分解纖維素和半纖維素，微生物數(shù)量不斷增加，溫度不斷上升至60℃，真菌停止活動。根據(jù)堆肥衛(wèi)生標準規(guī)定：堆溫要維持55～60℃持續(xù)5～7d。以使致病菌和蟲卵被殺死。堆肥中的微生態(tài)系是臨時組成之后:繼續(xù)由好熱的細菌和放線菌分解纖維素和半纖維素，溫度升至70℃，此時，若溫度繼續(xù)升高，一般的嗜熱高溫細菌和放線菌也停止活動，堆肥腐熟穩(wěn)定投加HEM菌（高溫高效有益菌）根據(jù)好氧堆肥試驗經(jīng)驗，在建堆時噴灑HEM菌（高溫高效有益菌），堆溫升得很快，發(fā)酵一天后堆溫就升至70℃以上，在堆溫升至80℃以上僅3d，其中的大腸菌群的死亡率達100％。而堆肥發(fā)酵細菌仍正常生長，在發(fā)酵結(jié)束時細菌總數(shù)仍1011CFU/mL。添加HEM菌可以保證每一批堆肥的微生物數(shù)量，提高發(fā)酵速率和效果，堆肥腐熟度增加，縮短發(fā)酵周期，提高處理場地周轉(zhuǎn)率。 3.有機堆肥好氧分解要求的條件碳氮比在(25～30)∶1發(fā)酵最好,有機物含量若不夠，可摻雜糞肥。堆肥濕度要適當，通常情況下，含水率維持在60％為宜，堆肥發(fā)酵良好。30℃時，含水量應控制在45％；45℃時，含水率控制在50％左右。氧要供應充足,通氣量0.05～0.2m3/(min·m3)

。有一定數(shù)量的氮和磷，可加快堆肥速率，增加成品的肥力。

3.有機堆肥好氧分解要求的條件最適溫度：嗜溫菌發(fā)酵最適溫度30～40℃，嗜熱菌發(fā)酵最適溫度55～60℃，5～7d能達到衛(wèi)生無害化。投加高溫菌助發(fā)酵的發(fā)酵溫度在75℃左右為宜，殺滅致病菌效率高。pH=5.5～8.5,能自身調(diào)節(jié)，好氧發(fā)酵的前幾天由于產(chǎn)生有機酸，pH=4.5～5，隨溫度升高氨基酸分解產(chǎn)生氨，一次發(fā)酵完畢，pH上升至8.0～8.5，二次發(fā)酵氧化氨產(chǎn)生硝酸鹽，pH下降至7.5為中偏堿性肥料。由此看出：在整個發(fā)酵過程中，不需外加任何中和劑。一次發(fā)酵的發(fā)酵周期7d左右。4.好氧堆肥的優(yōu)點好氧堆肥分解有機物快，產(chǎn)熱量大，堆肥升溫快而能保持高溫時間長，可有效殺死致病微生物和蟲卵。腐熟速率快，腐熟程度高，除臭效果好,異臭物質(zhì)如氨、硫化氫和硫醇在好氧條件下轉(zhuǎn)化為無臭味的氧化物NO3-和SO42-，堆肥成品無臭味。肥效好，達到城鎮(zhèn)垃圾農(nóng)用控制標準值，見表11-5。發(fā)酵周期短，一次和二次發(fā)酵時間20d左右，堆肥基本穩(wěn)定5.好氧堆肥工藝(1)靜態(tài)堆肥工藝：靜態(tài)堆肥工藝見圖11-2，工藝簡單，設備少，處理成本低。發(fā)酵周期50d。操作條件差。用人工翻動，第2、7、12d各翻動一次。在以后35d的腐熟階段每周翻動一次。在翻動的同時可噴灑適量水以補充蒸發(fā)的水分。圖11-2條狀堆肥示意圖(2)高溫動態(tài)二次堆肥工藝：高溫動態(tài)二次堆肥見圖11-3，分兩個階段：初發(fā)酵：前5～7d為動態(tài)發(fā)酵，機械攪拌，通入充足空氣,好氧菌活性強，溫度高，快速分解有機物。發(fā)酵7d絕大部分致病菌死亡。靜態(tài)二次發(fā)酵：7d后用皮帶將發(fā)酵半成品輸送到另一車間進行靜態(tài)二次發(fā)酵，垃圾進一步降解穩(wěn)定，20～25d完全腐熟。

圖11-3高溫動態(tài)二次堆肥工藝吊車2.拋料翻堆機3.進料皮帶運輸機4.供氣管5.出料皮帶運輸機圖11-3高溫動態(tài)二次堆肥工藝吊車2.拋料翻堆機3.進料皮帶運輸機4.供氣管5.出料皮帶運輸機(3)立倉式堆肥工藝倉高10～15m，分隔六格，經(jīng)分選、破碎后的垃圾由皮帶輸送至倉頂一格，受自重力和柵板的控制，逐日下降至下一格。一周全下降至底部，出料運送到二次發(fā)酵車間繼續(xù)發(fā)酵使之腐熟穩(wěn)定。從頂部至以下五格均通入空氣，從頂部補充適量水，溫度高，發(fā)酵極迅速，24h溫度上升到50℃以上，70℃可維持3d。之后溫度逐漸下降。該工藝優(yōu)點：占地少，升溫快，垃圾分解徹底，運行費用低。缺點：水分分布不均勻.(4)滾筒式堆肥工藝：滾筒式堆肥工藝稱“達諾”生物穩(wěn)定法。滾筒直徑2-4m，長度15-30m，滾筒轉(zhuǎn)速0.4-2.0r/min。滾筒橫臥稍傾斜。經(jīng)分選、粉碎的垃圾送入滾筒，旋轉(zhuǎn)滾筒垃圾隨著翻動并向滾筒尾部移動。在旋轉(zhuǎn)過程中完成有機物生物降解、升溫、殺菌等過程。5～7d出料。

箱式堆肥發(fā)酵池臥式堆肥發(fā)酵滾筒堆肥翻堆機械分選（三）社區(qū)小型化微生物有機垃圾處理裝置小型化有機垃圾微生物處理裝置是新型的生活垃圾處理方法。日本研究和應用較早生產(chǎn)了供社區(qū)使用的和家庭使用的生活垃圾處理裝置和特效的微生物菌種。（三）社區(qū)小型化微生物有機垃圾處理裝置近10年來，我國也在研究在上海除有引進日本的處理裝置外，還研制了日處理量0.1t、0.2t、0.5t、1t和2t等規(guī)格的有機垃圾微生物處理機。篩選、培養(yǎng)出具有高效分解性能的微生物菌種，為全自動處理裝置。（三）社區(qū)小型化微生物有機垃圾處理裝置在社區(qū)使用小型有機垃圾微生物處理裝置及時將居民的生活垃圾在源頭就被徹底分解，無害化，有利環(huán)境保護，并制造有機肥料。這是一種有前途的裝置，環(huán)境效益大，但投資成本高。小型化有機垃圾微生物處理裝置是好氧裝置，一般有兩部分：前一部分由好氧微生物和兼性好氧微生物降解各種有機物，并部分無機化。第二部分是高溫燃燒除臭裝置。整個工藝歷時24h，完成垃圾發(fā)酵和穩(wěn)定化的過程。高性能的微生物處理裝置是將兩部分功能集合在一個裝置中，利用多種分解功能的微生物和除臭微生物合理組合，自動調(diào)節(jié)，24h完成兩種功能，垃圾腐熟穩(wěn)定化。對投入的垃圾在12～24h內(nèi)可減量95％。微生物菌種有機垃圾微生物處理裝置所用的菌種都是經(jīng)人工篩選、培育的多種高效生理功能的微生物?；旌衔⑸锶后w:分解糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、骨頭、蟹殼、蛋殼等。微生物菌種氨化微生物:將氨基酸的氨基脫下。亞硝化細菌:氧化氨為亞硝酸鹽。硝化細菌:氧化亞硝酸鹽為硝酸鹽。氧化硫細菌:將H2S氧化為硫酸鹽。亞硝化細菌、硝化細菌和硫細菌是屬除臭細菌，由嗜溫菌和嗜熱菌組合。生產(chǎn)用的菌種都由開發(fā)商提供。菌種一次投入可使用3～6個月，半年清料一次，留少量腐熟物，再添加少量菌種繼續(xù)發(fā)酵。半年后清料，重新投加新菌種。(四)厭氧堆肥厭氧堆肥在無氧條件下，厭氧微生物將有機廢棄物（包括城市垃圾、人畜糞便、植物秸稈、污水處理廠的剩余污泥等）進行厭氧發(fā)酵，制成有機肥料，使固體廢棄物無害化的過程。

(四)厭氧堆肥厭氧堆肥的原理和廢水厭氧消化原理相同。不同的是：廢水厭氧消化是液體發(fā)酵，厭氧堆肥是固體發(fā)酵，其發(fā)酵過程如下所示：有機物質(zhì)+厭氧菌+二氧化碳+水→甲烷+氨+脂肪酸+乙醛+硫醇+硫化氫

(四)厭氧堆肥有機固體廢物經(jīng)分選和粉碎以后，進入?yún)捬跆幚硌b置，在兼性厭氧微生物和厭氧微生物的水解酶作用下，將大分子降解為小分子的有機酸、腐殖質(zhì)和CH4、CO2、NH3、H2S等。厭氧堆肥的產(chǎn)甲烷過程與廢水甲烷發(fā)酵一致，也分三個階段。厭氧分解后的產(chǎn)物中含許多喜熱細菌和對環(huán)境造成嚴重的污染的物質(zhì)，其中含有脂肪酸、氨、乙醛、硫醇（酒味）、硫化氫等有害混合物。還需要有除臭裝置加除臭細菌將有害物質(zhì)去除。參與厭氧堆肥的微生物有兼性厭氧的水解產(chǎn)酸菌厭氧的產(chǎn)甲烷菌，厭氧脫氨、脫硫菌由于有機物分解不徹底，其產(chǎn)熱量比好氧發(fā)酵的低。因此堆肥的溫度最高在50～60℃。二、垃圾和脫水污泥衛(wèi)生填埋及其滲濾液

處置衛(wèi)生填埋法是在堆肥法的基礎上發(fā)展起來的，其處理原理與厭氧堆肥原理相同，在其中起發(fā)酵作用的微生物以兼性厭氧微生物和厭氧微生物為主，其表層有好氧微生物。

垃圾填埋場衛(wèi)生填埋作業(yè)區(qū)導氣井防滲膜填埋場選址通常在市郊，底部要鋪水泥層，以防止?jié)B濾液滲漏到地下水。有機固體廢物一層一層倒入填埋場，壓實，按一定路徑鋪設排氣管以收集甲烷氣體。底部鋪設滲濾液收集管，以便排放到滲濾液處理場處理。廢物的成分復雜，有機物及無機物均有。有地面水流入和雨水沖刷將經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的可溶性有機物溶出，形成數(shù)量大的滲濾液，將其排出另行處理。填埋的廢物分解速率較慢，一般經(jīng)5年發(fā)酵產(chǎn)氣，被填埋的有機固體廢物要經(jīng)5～10年才能完全腐殖化和穩(wěn)定化。滲濾液的化學組分復雜，含有大量有機酸，其CODCr和氨氮含量高，還含有重金屬，處理難度大。采用厭氧－缺氧－好氧生物處理，再用化學混凝劑混凝、沉淀等綜合方法處理垃圾滲濾液，可獲得凈化程度較高的出水水質(zhì)。焚燒處理技術(shù)焚燒法是將垃圾集中焚燒的處理方法，此方法適合熱值較高的生活垃圾，它是城市生活垃圾的主要處理方式之一。對垃圾焚燒過程中產(chǎn)生的余熱可以通過能量再轉(zhuǎn)換等形式加以回收利用，不僅能夠滿足垃圾焚燒廠自身設備運轉(zhuǎn)的需要，還能向外界提供熱能和動力，以獲得比較客觀的經(jīng)濟效益。缺點是高溫的作用下易產(chǎn)生致癌物二惡英，因此必須對焚燒后的煙氣進行處理。焚燒廠外景焚燒廠監(jiān)測系統(tǒng)焚燒工藝流程第二節(jié)廢氣微生物處理技術(shù)微生物凈化廢氣污染物的裝置有：生物吸收池、生物洗滌池、生物滴濾池、生物過濾池等。生物濾池（生物過濾箱）綠化是利用植物吸收和轉(zhuǎn)化大氣中的污染物，包括日益增多的CO2，植物吸收CO2和H2O進行光合作用，放出大量O2清潔空氣。微生物凈化法可就地及時處理各種惡臭污染源的廢氣，如氨氣、H2S、甲硫醇(MM)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基亞砜(DMSO)、二硫化碳(CS2)、SO2、揮發(fā)性有機污染物(VOCs)。呈氣態(tài)污染物要先溶于水后才能用微生物法處理。廢氣的組分較單一，不能滿足微生物全部營養(yǎng)要求，故需添加營養(yǎng)。除塵負荷調(diào)節(jié)溫度調(diào)節(jié)濕度調(diào)節(jié)廢氣沉淀池廢氣空氣循環(huán)水凈氣生物滴濾池法工藝流程示意圖凈氣循環(huán)水廢氣循環(huán)水空氣生物反應器沉淀池余氣吸收塔生物吸收法工藝流程示意圖廢氣中揮發(fā)性有機污染物生物處理基本原理液相或固相介質(zhì)二氧化碳、水等氣體有機物微生物降解吸附乙醇、硫醇酚、甲酚、吲哚脂肪酸、乙醛、酮、二硫化碳氨和胺生物過濾懸浮生長系統(tǒng)附著生長系統(tǒng)

針對有機堆肥臭氣去除的生物濾池一體化氣體凈化裝置二、幾種典型廢氣的微生物處理方法（一）含硫惡臭污染物的凈化1.氧化硫的細菌代謝途徑（1）含硫惡臭污染物：有H2S、甲硫醇(MM)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基二硫醚(DMDS)和二甲基亞砜(DMSO,CH3OSCH3)。微生物的代謝途徑見圖11-8,9,10。

圖11-8生絲微菌屬（Hyphomicrobium）S對DMSO的代謝途徑廢氣生物處理主要適用于去除異味氣體和含VOCs濃度較低的廢氣，其中TOC（總有機碳）<1000mg/m3；氣體流量50000m3/h，氣流均勻且連續(xù)；廢氣的溫度一般≤40℃，生物濾池工藝要求進氣濕度>95%；廢氣組分易溶于水，易生物降解。生物濾池工藝對氣味和易溶性有機氣體去除效率較高，而生物洗滌池能夠用于生物降解性較差的VOCs廢氣處理。（2）生絲微菌屬對DMSO代謝：DMSO代謝的結(jié)果是產(chǎn)生H2SO4和CO2，而其中間代謝產(chǎn)物HCHO經(jīng)絲氨酸途徑同化、合成細胞物質(zhì)。

自養(yǎng)性的硫桿菌屬(Thiobacillus)和甲基型的生絲微菌屬(Hyphomicrobium)與一般硫化細菌的代謝一致。圖11-10硫桿菌屬（Thiobacillus）ASN-1對DMS的代謝圖11-9排硫硫桿菌（Thiobacillus

thioparus）E6對DMDS的代謝（3）黃單胞菌屬(Xanthomonas)DY44對硫的代謝獨特，它氧化H2S和甲硫醇(MM)不形成S或SO42－，而是形成類似于硫的聚合物。（4）食酸假單胞菌（Pseudomonasacidovorance）只氧化DMS為DMSO就不再繼續(xù)氧化。（5）硫桿菌屬(Thiobacillus)既能氧化上述惡臭硫化物，也能氧化S0、S2O32－和S4O62－。（6）排硫硫桿菌E6菌株氧化DMDS為H2SO4和CO2。（7）硫桿菌屬ASN－1菌株氧化DMS，能利用NO2－和NO3－作最終電子受體，依靠鈷胺酰胺(X)(甲基攜帶劑)引發(fā)的甲基轉(zhuǎn)移反應而被氧化為HCOOH和H2S。（8）排硫硫桿菌TK－m菌株氧化CS2經(jīng)COS和H2S，進而氧化為H2SO4和CO2。（9）氧化硫硫桿菌氧化H2S、S0、S2O32－和S4O62－為H2SO4。幾種惡臭硫化物生物氧化活性的順序是：H2S>MM>DMDS>DMS氧化惡臭硫化物的細菌2.運行操作條件pH為6.5～7.5，溫度25～35℃，平均30℃。相對濕度95％以上，空氣流速<500m3/h。(二)廢氣中CO2、CH4和NH3凈化CO2大量排入大氣會引起“溫室效應”，整個地球的氣候異常，溫度普遍升高。氣溫變化無常，對農(nóng)業(yè)威脅最大，天災增多。據(jù)報道：大量CH4和NH3排放入大氣也會引起“溫室效應”。必須處理廢氣中的CO2、CH4和NH3。單純含NH3或單純含CO2的廢氣可混合在一起處理，調(diào)節(jié)兩者的比例用硝化細菌處理。首先將NH3溶于水成NH4＋－N，再通入生物滴濾池。同時按亞硝化細菌和硝化細菌要求的C∶N通入CO2和無機營養(yǎng)鹽，再通入空氣，即可運行處理。亞硝化細菌和硝化細菌將NH4