[化学]第三章 固体废物处理与微生物

1、第三章第三章 固体废物处理与微生物固体废物处理与微生物 第一节 概述 危险废物危险废物：有毒、易燃易爆、腐蚀性、化：有毒、易燃易爆、腐蚀性、化 学反学反 应、传染性废物；应、传染性废物；2009年年 1429.8 万吨万吨 医疗废物医疗废物：68万万/年年 电子废物：含有重金属、卤族化学物质 等有毒有害物； 从2003年起，我国每年至少有500万台 电视机、400万台冰箱、500万台洗衣 机面临报废。有500万台电脑和上千万 部手机已进入淘汰期 对废旧家电产品较为通用的处理方法是 局部拆解，然后对拆解的零部件进行分 类利用 工业废物：工业废物：工业固体废弃物的组成大工业固体废弃物的组成大 致如

2、下：尾矿致如下：尾矿29%、粉煤灰、粉煤灰19%、 煤矸石煤矸石17%、炉渣、炉渣12%、冶金废渣、冶金废渣 11%、危险废弃物、危险废弃物1.5%、放射性、放射性 废渣废渣0.3%、其它废弃物、其它废弃物10%。 2009年年2.0409万吨万吨 综合利用率达综合利用率达53.5% 全国工业固体废物产生及处理情况全国工业固体废物产生及处理情况 (单位：万吨单位：万吨) 城市生活垃圾城市生活垃圾： 20072007年年3 3亿吨，每年以亿吨，每年以10%10%的速度的速度 增加增加 历年的存量垃圾历年的存量垃圾6060亿吨亿吨 城市无害化处理城市无害化处理70%70% 县城县城30%30% 农

3、业废弃物农业废弃物： 第二节 堆肥化 1 1、好氧堆肥化、好氧堆肥化 概念：使有机废弃物在好氧条件概念：使有机废弃物在好氧条件 下通过微生物的作用，达到稳定化、下通过微生物的作用，达到稳定化、 转变为有利于土壤性状改良并对作转变为有利于土壤性状改良并对作 物生长有益和容易吸收利用的有机物生长有益和容易吸收利用的有机 物的方法物的方法 有机废物中可能存在的问题 可能混入重金属、有机氯化物等可能混入重金属、有机氯化物等 有害物质有害物质 可能混杂有病原性生物及杂草种可能混杂有病原性生物及杂草种 子子 可能存在过多易分解的有机物，可能存在过多易分解的有机物， 而对作物生长有害而对作物生长有害 容易发

4、生腐败和恶臭容易发生腐败和恶臭 含水量太高含水量太高 ph较高较高 作物难以吸收利用作物难以吸收利用 堆肥材料的配合比例 植物残体植物残体 100份份 人畜粪尿人畜粪尿 1020份份 石灰（或草木灰）石灰（或草木灰） 25份份 水水 100200 堆肥条件 水分水分：堆肥水分以：堆肥水分以6075最好最好 通气通气：通气是使堆肥产生高温，达到：通气是使堆肥产生高温，达到 无害化的重要保证。堆积时不宜太紧无害化的重要保证。堆积时不宜太紧 也不宜太松。也不宜太松。 温度温度：应保持堆肥温度：应保持堆肥温度5565一一 个星期个星期 ，促使高温性微生物强烈分解，促使高温性微生物强烈分解 有机物后，再

5、维持中温有机物后，再维持中温4050， 以利于纤维素分解，促进氨化作用和以利于纤维素分解，促进氨化作用和 养分的释放。养分的释放。 酸碱度酸碱度( (phph值值) )： ph68 堆肥的生物学过程 发热阶段发热阶段 中温好氧的细菌和真菌中温好氧的细菌和真菌 利用易分解的可溶性物质，如淀粉、糖类利用易分解的可溶性物质，如淀粉、糖类 高温阶段高温阶段 堆温堆温50 ，好热性的纤维素分解菌逐渐代替，好热性的纤维素分解菌逐渐代替 中温性微生物的活动，中温性微生物的活动， 可溶性物质，如淀粉、糖类继续被分解外，纤可溶性物质，如淀粉、糖类继续被分解外，纤 维素、半纤维素等也开始受到分解维素、半纤维素等也

6、开始受到分解 50 左右，嗜热性真菌和放线菌左右，嗜热性真菌和放线菌 60 左右，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热左右，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热 性放线菌与细菌继续活动性放线菌与细菌继续活动 70 左右，大多数嗜热性微生物已不适宜活动，左右，大多数嗜热性微生物已不适宜活动， 或相继大量死亡，或进入休眠状态或相继大量死亡，或进入休眠状态 高温对堆肥的快速腐熟起着重要作用高温对堆肥的快速腐熟起着重要作用 高温对杀死病原微生物是极其重要的高温对杀死病原微生物是极其重要的 降温和腐熟保肥阶段 大部分有机物（包括纤维素）已分解，大部分有机物（包括纤维素）已分解， 仅剩下木质素以及新形成的腐殖质仅剩下

7、木质素以及新形成的腐殖质 中温性的微生物占优势，残余物质进一中温性的微生物占优势，残余物质进一 步分解，腐殖质不断积累，堆肥进入腐步分解，腐殖质不断积累，堆肥进入腐 熟阶段熟阶段 保存腐殖质和保存腐殖质和n素等植物养料素等植物养料 堆肥中的微生物相变化 以一年生植物残体为主要原料以一年生植物残体为主要原料 细菌、真菌细菌、真菌纤维分解菌纤维分解菌放线菌放线菌能能 分解木质素的菌类分解木质素的菌类 剩余污泥为材料的堆肥剩余污泥为材料的堆肥 堆制前：优势菌（细菌）堆制前：优势菌（细菌） 30天堆制后：氨化细菌和脱氮细菌明显天堆制后：氨化细菌和脱氮细菌明显 增加增加 60天后，各类微生物的菌数都下降

8、了天后，各类微生物的菌数都下降了 城市垃圾的堆肥城市垃圾的堆肥：细菌占优势，放线：细菌占优势，放线 菌更少菌更少 堆肥中的有机物浓度的变化 易分解的有机物（碳水化合物、蛋白易分解的有机物（碳水化合物、蛋白 质、质、 脂肪）：脂肪）：3 3天天1414天天 难分解的有机物（纤维素）：难分解的有机物（纤维素）：20402040天天 2、厌氧堆肥法 概念概念：是在不通气条件下，将有机：是在不通气条件下，将有机 废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、 植物秸杆、污水处理厂的剩余污泥植物秸杆、污水处理厂的剩余污泥 等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，

9、 使固体废弃物无害化的过程。使固体废弃物无害化的过程。 特点特点：堆温低，周期长：堆温低，周期长 第三节 卫生填埋 1、概述概述 上世纪上世纪6060年代发展起来的一种固体废弃年代发展起来的一种固体废弃 物处理方法物处理方法 优点投资少、容量大、见效快优点投资少、容量大、见效快 将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋 垃圾层垃圾层2.5-3m,2.5-3m,每层必须压实覆土每层必须压实覆土2020 30cm30cm 2、填埋坑中微生物的活动过程 好氧分解阶段好氧分解阶段 厌氧分解不产甲烷阶段厌氧分解不产甲烷阶段:硝酸根河硫酸根硝酸根河硫酸根 厌氧分解产甲烷阶段厌氧分解

10、产甲烷阶段 稳定产气阶段稳定产气阶段 3 3、填埋场渗沥水、填埋场渗沥水 4 4、填埋场气体收集、填埋场气体收集 最旺盛时期最旺盛时期5年内年内 40%-50%的二氧化碳和的二氧化碳和30%-40%的甲烷的甲烷 第四节 沼气发酵 1 1、概述、概述 （一）沼气发酵的意义一）沼气发酵的意义：充分发挥了生物物质所具有的充分发挥了生物物质所具有的 饲料、燃料和肥料三个功能，不但促进了农村经济的发饲料、燃料和肥料三个功能，不但促进了农村经济的发 展，还能达到改良土壤、提高肥力和降低病虫害等效果。展，还能达到改良土壤、提高肥力和降低病虫害等效果。 “三合一三合一”生产模式生产模式：在日光温室这一人为的生

11、态系统在日光温室这一人为的生态系统 内，把种植、养殖、粪便处理和利用三者组合在一起，内，把种植、养殖、粪便处理和利用三者组合在一起， 使农业生产、饲料消费和废物再生，利用各环节之间发使农业生产、饲料消费和废物再生，利用各环节之间发 生循环，产生最高的经济效益和生态效益；其具体结构生循环，产生最高的经济效益和生态效益；其具体结构 由由 薄膜盖的大温室、太阳能暖圈和建于暖圈下的沼气发薄膜盖的大温室、太阳能暖圈和建于暖圈下的沼气发 酵池酵池3 3部分组成。部分组成。 三个阶段（三段说或三菌群说）三个阶段（三段说或三菌群说）甲烷发甲烷发 酵理论先后提出了二阶段、三阶段和四酵理论先后提出了二阶段、三阶段

12、和四 阶段发酵理论。阶段发酵理论。 目前应用较多的是三阶段、四阶段的发目前应用较多的是三阶段、四阶段的发 酵理论：酵理论： 2.甲烷发酵理论 第一阶段：有机酸的产生第一阶段：有机酸的产生 水解和发酵性细菌群水解和发酵性细菌群将将复杂有机物转化复杂有机物转化 成有机酸：成有机酸： 纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙丙 酮酸酮酸； 将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸有机酸 和氨；和氨； 脂类水解为各种低级脂类水解为各种低级脂肪酸脂肪酸和醇，例如乙和醇，例如乙 酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二

13、 氧化碳、氢、氨和硫化氢等。氧化碳、氢、氨和硫化氢等。 微生物群落是水解、发酵性细菌群， u有专性厌氧的: 梭菌属(clostridium) 拟杆菌属(bacteriodes) 丁酸弧菌属(butyrivibrio) 真细菌(eubacterium) 双歧杆菌属(bifidobacterium) 革兰氏阴性杆菌 u兼性厌氧的有: 链球菌 肠道菌 据研究，每ml下水污泥中含有水解、 发酵性细菌108109个，每克挥发性 固体含10101011个，其中蛋白质水 解菌有107个，纤维素水解菌有105个。 第二阶段：乙酸和氢气的产生第二阶段：乙酸和氢气的产生 u微生物群落：微生物群落： 微生物群落为产

14、氢、产乙酸细菌；微生物群落为产氢、产乙酸细菌； 只有少数被分离出来。只有少数被分离出来。 硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的 细菌；细菌； 第二阶段：乙酸和氢气的产生第二阶段：乙酸和氢气的产生 产生过程产生过程 产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶 段的产物分解为乙酸和氢气；段的产物分解为乙酸和氢气； 硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细 菌将第一阶段发酵的三碳以上的有机菌将第一阶段发酵的三碳以上的有机 酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分 解为乙酸和氢气。解为乙酸和氢气。 微生物：两

15、组生理不同的专性厌氧的产 甲烷菌群 一组将h2和co2合成ch4或co和h2 合成ch4； 另一组将乙酸脱羧生成ch4和co2； 或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为 ch4。 第三阶段：甲烷的产生第三阶段：甲烷的产生 研究表明：研究表明： 有有28的甲烷来自的甲烷来自h2的氧化和的氧化和co2的还原。的还原。 72的甲烷来自乙酸盐的裂解。的甲烷来自乙酸盐的裂解。 由于大部分甲烷和二氧化碳逸出，由于大部分甲烷和二氧化碳逸出， 氨氨(nh3)以亚硝酸铵以亚硝酸铵(nh4no2)、 碳酸氢铵碳酸氢铵(nh4hco3)形式留在污泥中，形式留在污泥中， 它们可中和第一阶段产生的酸，它们可中和第一阶段产生的

16、酸， 为产甲烷菌创造了生存所需的弱碱性环境。为产甲烷菌创造了生存所需的弱碱性环境。 氨可被产甲烷菌用作氮源。氨可被产甲烷菌用作氮源。 第四阶段：同型产乙酸阶段第四阶段：同型产乙酸阶段 概念：同型产乙酸细菌将h2和co2转化 为乙酸的过程，称为同型产乙酸阶段 （只占5%）； 产甲烷菌只能利用h2、 co2、 co、甲 酸、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产 生甲烷和组成自身细胞物质。 3.甲烷产生的机制：甲烷产生的机制： 由酸和醇的甲基形成甲烷。由酸和醇的甲基形成甲烷。 14ch3cooh 414ch3oh 14ch3oh+co2 314ch4+co2+2h2o l施大特曼施大特曼(stadtman

17、)和巴克尔和巴克尔(barker)及庇及庇 涅涅(pine)和维施尼和维施尼(vishhnise) l1951和和1957年用年用14c示踪原子标记乙酸的甲示踪原子标记乙酸的甲 基碳原子基碳原子 l证明甲烷是由甲基直接形成证明甲烷是由甲基直接形成 1949年，施大特曼和巴克尔于用同位素年，施大特曼和巴克尔于用同位素14co2 使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素14c的甲烷，证的甲烷，证 明甲烷可由明甲烷可由co2还原形成。还原形成。 由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸 2ch3ch2oh+14co2 14ch4+2ch3c

18、ooh 2c3h7ch2oh+14co2 14ch4+2c3h7cooh 脂肪酸有时用水作还原剂或供氢体产生甲烷脂肪酸有时用水作还原剂或供氢体产生甲烷 2c3h7cooh+co2+2h2o ch4+4ch3cooh 1906 年索根(soehnge，)及费舍尔 (fisher)观察到： 利用利用h2使使co2还原形成甲烷还原形成甲烷 4h2+co2ch4+2h2o 在h2和h2o存在时，巴氏甲烷八叠球菌 (methanosarcina barkerii)与甲酸 甲烷杆菌(methanobacterium formicicum)能将co还原形成甲烷。 3h2+co 巴氏甲烷八叠球菌巴氏甲烷八叠球

19、菌 ch4+h2o 2h2o+4co 甲酸甲烷杆菌甲酸甲烷杆菌 ch4+3co2 发酵细菌群 产氢产乙酸细菌群 同型产乙酸细菌群 4.沼气发酵微生物 产酸发酵代谢产物nadh/nad+调节 非产甲烷细菌缺乏电子传递系统非产甲烷细菌缺乏电子传递系统 碳水化合物经碳水化合物经empemp途径产生的途径产生的nadh+hnadh+h+ + 一般均可通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙一般均可通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙 醇及乳酸等发酵相偶联而得以氧化为醇及乳酸等发酵相偶联而得以氧化为nadnad+ + nadh+hnadh+h+ +的反馈抑制或阻遏作用能减缓糖的反馈抑制或阻遏作用能减缓糖 酵解速率酵解速

20、率 乙酸的产生并不能使发酵过程中产生的乙酸的产生并不能使发酵过程中产生的“多多 余余” nadh+hnadh+h+ +氧化氧化 丙酸发酵对丙酸发酵对nadh+hnadh+h+ +的氧化最为有利的氧化最为有利 同时，乙酸的大量产生将导致氢分压较高同时，乙酸的大量产生将导致氢分压较高 氢分压高于氢分压高于0.01kpa0.01kpa时，丙酸的产氢产乙时，丙酸的产氢产乙 酸过程受阻酸过程受阻 因此导致丙酸积累，抑制产甲烷细菌的活性，因此导致丙酸积累，抑制产甲烷细菌的活性， 甚至导致死亡甚至导致死亡 即即“酸化酸化” 产甲烷细菌的生理特征产甲烷细菌的生理特征 严格专性厌氧严格专性厌氧 生长特别缓慢生长

21、特别缓慢 对环境影响非常敏感对环境影响非常敏感 属于古细菌属于古细菌 分离培养比较困难分离培养比较困难 产甲烷细菌的分离产甲烷细菌的分离 a 、分离产甲烷细菌应具备的条件：分离产甲烷细菌应具备的条件： 氧化还原电位很低；向容器充入氧化还原电位很低；向容器充入h2 和和co2。 b 、分离产甲烷细菌的基本要点：分离产甲烷细菌的基本要点： 在完全无氧的条件下制备培养基在完全无氧的条件下制备培养基 往培养基里加还原剂往培养基里加还原剂树脂天青树脂天青 在无氧条件下分装试管在无氧条件下分装试管 滚管滚管 产甲烷细菌的形态特征产甲烷细菌的形态特征 杆状、球状、螺旋状和八叠状杆状、球状、螺旋状和八叠状 不

22、形成芽孢不形成芽孢 产甲烷细菌的营养特征产甲烷细菌的营养特征 碳源：碳源：co2、甲醇、甲胺乙酸、甲醇、甲胺乙酸 都能利用都能利用nh4+ 需要某些维生素，尤其是需要某些维生素，尤其是b族维生素族维生素 需要某些微量元素需要某些微量元素 一般将产甲烷细菌分为：一般将产甲烷细菌分为： 氧化氢产甲烷细菌（氧化氢产甲烷细菌（hom） 氧化氢利用乙酸产甲烷细菌氧化氢利用乙酸产甲烷细菌 （hoam） 非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌 （nhoam) 5.沼气发酵的微生物生态学 非产甲烷细菌非产甲烷细菌与与产甲烷细菌产甲烷细菌之间的相之间的相 互关系互关系 前者前者为为后者后者提供生长

23、繁殖的底物提供生长繁殖的底物 前者前者为为后者后者创造了适宜的氧化还原电创造了适宜的氧化还原电 位位 前者前者为为后者后者清除了有毒物质清除了有毒物质 后者后者为为前者前者的生化反应解除了反馈抑的生化反应解除了反馈抑 制制 二者共同维持环境中的适宜的二者共同维持环境中的适宜的ph值值 产甲烷细菌的生态产甲烷细菌的生态 产甲烷细菌的分布产甲烷细菌的分布: 极为广泛，与氧气隔绝，而且无硫极为广泛，与氧气隔绝，而且无硫 酸盐的环境。如海底沉积物、河酸盐的环境。如海底沉积物、河 （湖）底淤泥、沼泽地水稻田以及（湖）底淤泥、沼泽地水稻田以及 反刍动物的瘤胃反刍动物的瘤胃 产甲烷细菌在厌氧反应器中的数产甲

24、烷细菌在厌氧反应器中的数 量量 产甲烷细菌的数量与甲烷产量成正产甲烷细菌的数量与甲烷产量成正 比关系比关系 105108个个/ml 沼气发酵中的微生物优势种群的演替 发酵细菌、hpa、homa、hom、 hoam hom、hoam nhoam、hom 6.沼气发酵工艺学 沼气发酵的工艺条件及其控制沼气发酵的工艺条件及其控制 严格厌氧条件严格厌氧条件 发酵原料发酵原料 a 、原料种类：除矿物油和木质素原料种类：除矿物油和木质素 外，牲畜粪、秸秆、污泥；酒厂、外，牲畜粪、秸秆、污泥；酒厂、 抗生素厂、酵母厂的废水、制酱油、抗生素厂、酵母厂的废水、制酱油、 制豆腐、洗毛、和纸浆的废水制豆腐、洗毛、和

25、纸浆的废水 不溶性物质需要粉碎不溶性物质需要粉碎 b 、原料堆沤原料堆沤 纤维素原料进行预先堆沤的优点：纤维素原料进行预先堆沤的优点： 原料中大分子物质经过细菌分解变成小原料中大分子物质经过细菌分解变成小 分子物质分子物质 纤维素变松散，扩大细菌的接触面纤维素变松散，扩大细菌的接触面 含水量加大，比重增加含水量加大，比重增加 堆沤后高温杀死病原菌和寄生虫卵堆沤后高温杀死病原菌和寄生虫卵 体积缩小，便于装池体积缩小，便于装池 缺点：消耗部分有机物和热量缺点：消耗部分有机物和热量 c 、原料的碳氮比原料的碳氮比 20-30：1 碳氮比碳氮比35：1产气量明显下降产气量明显下降 碳氮比碳氮比16：1

26、产气量甚至更低产气量甚至更低 d 、原料干物质浓度及其基质的消原料干物质浓度及其基质的消 耗与补充：干物质的浓度为耗与补充：干物质的浓度为7-10% 夏天夏天7%，冬天，冬天10% 过高的氨态氮和挥发酸抑制产甲烷过高的氨态氮和挥发酸抑制产甲烷 细菌；过低造成营养不足细菌；过低造成营养不足 加进新鲜原料和排除废料的速度一加进新鲜原料和排除废料的速度一 致（按体积或重量计算）致（按体积或重量计算） 发酵温度发酵温度 ：45-60为高温；为高温；30-45 30-45 中温发酵；农村自然温度发酵中温发酵；农村自然温度发酵 温度的突然升降对产气量有明显的影响温度的突然升降对产气量有明显的影响 保温措施：保温措施： 建于背风向阳处，建于背风向阳处，冻土冻土层以下，上面覆层以下，上面覆 盖，出料口不能过大，口要加盖保温盖，出料口不能过大，口要加盖