第六章固体废物微生物处理

2023/2/1第六章固体废弃物的微生物处理王红梅2015.12.152023/2/1内容提要固体垃圾的定义及其分类我国现有的城市生活垃圾处理技术堆肥处理技术卫生填埋技术2023/2/1固体废物:指人类在生产、生活过程中产生的所有不再具有使用价值而被废弃的固态和半固态物质。第一节、固体垃圾的定义及其分类2023/2/1

生产过程中产生的固体废物俗称废渣（residue）。

生活活动过程中产生的固体废物则称为垃圾（refuse）。

2023/2/1固体废物分类按组成有机废物无机废物按来源工业固体废物矿业固体废物农业固体废物城市生活垃圾等按危害性一般废物危险废物2023/2/1根据《中华人民共和国固体废物污染防治法》危险废物工业固体废物城市生活垃圾2023/2/1我国垃圾问题的特点最晚得到重视最具综合性的环境问题最难得到处理最贴近的环境问题2023/2/1《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》所确立的废弃物治理原则。

资源化：采用适宜工艺从固体废弃物中回收有用的物质和能源。要求经济可行，技术可行，就近利用。无害化：废弃物的收运、处置都应以环境相允许，对人体健康和环境不产生危害。减量化：通过适宜手段减少和减小固体废弃物的数量和容积。一方面减少产生(前端)，另一方面对其处理利用(末端)。2023/2/1固体废弃物主要由城市生活垃圾产生。我国城市生活垃圾产生量每年以8％-10％的速度增长。国内城市生活垃圾积存量已高达62亿吨，2013年中国城市生活垃圾累积堆存量已达70亿吨，占地约80多万亩，近年来还在以平均每年4．8％的速度持续增长。其中80%-90%来自大中城市。平均城市每人每天产生的垃圾量约为1.2kg，其处理率仅为50%左右，约有200多座大中城市已陷入城市生活垃圾的包围中。2023/2/12023/2/1电子垃圾2023/2/1上节内容回顾2015.12.15微生物与重金属相互作用的方式有哪些？垃圾和废渣有何不同？根据我国的相关法律，对垃圾进行处理的基本原则有哪些？2023/2/11填埋技术

填埋技术由于具有投资相对少、技术较成熟、处理量大、操作简单等特点，是我国各大城市生活垃圾处理中最常采用的技术。但填埋法的缺点是选址较困难，侵占土地资源，建设及维护成本高；对垃圾资源的回收利用率几乎为零；产生的垃圾渗滤液严重威胁地下水系统，并需另设污水处理厂进行二次处理。因此该处理方法存在一定的环境隐患。

第二节、我国现有的城市生活垃圾处理技术2023/2/12023/2/12焚烧技术

焚烧技术是目前世界上经济发达国家广泛采用的一种城市生活垃圾处理技术。焚烧技术可使垃圾中的碳水化合物转变成CO2和H2O，同时在高温下能杀灭垃圾中的病毒、细菌。与填埋技术相比，其具有占地少，选址较易，减容效果好（可使垃圾体积缩小80％-95％），无害化较彻底，垃圾焚烧余热可以进行回收利用等优点。但焚烧技术基建投资及运转费用较高；在焚烧过程中烧掉了可回收的资源；垃圾回收、运输、贮存及焚烧过程中会产生大量的刺激异味，易生成致癌有机物（如二恶英等），形成二次污染。2023/2/13堆肥技术堆肥技术是依靠自然界广泛分布的微生物将可生物降解的有机物向稳定的腐殖质进行生化转化的微生物学过程，基本实现了城市生活垃圾的资源化、无害化处理。与填埋技术相比，该技术可以减少对周围环境的污染；与焚烧法相比，可以减少对大气的污染，具有一定的经济效益，但前提是必须进行垃圾分类。2023/2/1堆肥技术的缺点是，垃圾堆肥生产机械化程度低，堆肥质量不高，因而肥效较低，易造成再次堆积，形成二次污染。2023/2/12023/2/12023/2/14有机垃圾微生物处理技术有机垃圾微生物处理技术的基本原理是，利用微生物降解菌产生多种酶，如蛋白酶、脂肪酶、淀粉酶、壳素酶、纤维素酶、氧化酶、水解酶等，对分类后的有机垃圾（以厨余垃圾为主，包括果皮、菜叶、菜根、废纸、食品残渣、鸡鸭鱼肉废弃物、骨头等）进行快速分解，从而使96％的有机垃圾转变为热能、二氧化碳、水及少量的NH3；有机垃圾经过微生物处理后，大约4%的物质残留在生物基质里，残余物主要是有机垃圾被微生物分解后残存的无机矿物质、菌床基质以及微生物残体等。2023/2/1绿色垃圾的微生物降解技术：

城市和公园的绿化大量季节性的落叶，花瓣，修剪下来的树枝及草坪的碎草，也会形成所谓的绿色垃圾。除了占用场地，处理这些垃圾每年都要需要付出相当的成本，同时建设和养护这些花，草和树木又需要花钱购买营养土，腐殖质和肥料。2023/2/1绿色垃圾的微生物降解技术：

将经过筛选的微生物菌种与绿色垃圾按一定比例投入到降解设备内，提供适合微生物生命活动所需的最佳温度，湿度和供氧量，在微生物的作用下，落叶、树枝和碎草中的细胞结构被破坏，植物中的养分，如氮、磷、钾，以及其中的微量元素钙、镁、锰、铜、锌等被释放出来，以各种形态游离存在，供给植物吸收，同时剩余大量的木质纤维和菌体蛋白形成黑褐色的腐殖质，使在自然条件下，需要数月、数年才能完成的熟化过程在短时间内完成。2023/2/12023/2/12023/2/12023/2/1填埋技术焚烧技术堆肥技术有机垃圾微生物处理技术无害化一般，存在安全隐患一般一般彻底资源化无经济效益可进行余热利用，有一定经济效应有机肥生产受市场影响大残余物可作为有机肥直接利用减量化50%80-95%65-75%100%占地面积大小中等小选址条件较难较易较难较易适用条件对垃圾要求不严格需进行垃圾分类垃圾中可降解有机物>40%源头就地处理投资成本低高较高低处理成本低高较高低垃圾处理技术优缺点的比较2023/2/1第三节、堆肥处理技术堆肥化：依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，有控制地促进可被微生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥：深褐色、质地松散、有泥土味的物质。这种物质的养料价值不高，但却是一种极好的土壤调节剂和改良剂，其主要成分是腐殖质。2023/2/1"如果施用未熟堆肥的话・・・"

2023/2/12023/2/11、好氧堆肥的含义通气条件下借好氧性微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化。特点：高温堆肥（一般在50-60℃，极限可达80-90℃）2023/2/12023/2/1

堆肥处理是利用多种微生物人为地促进生物来源的有机废物好氧分解和稳定化的过程。有机质无机物、矿物质+腐殖质+能量微生物堆肥处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质。2023/2/1好氧堆肥定义的含义要点原料为可生物降解废物，固体或半固体；人工控制下进行；多种微生物联合作用实现，不同阶段，不同的微生物起主导作用。堆制过程好氧、放热，为稳定化过程；能杀死病原菌和寄生虫和害虫卵，达到无害化、安全性；2023/2/12、好氧堆肥处理的优点有机废物分解并达到稳定化易腐败的有机废物和有毒废物被转化为比较稳定的物质，体积大大缩小(40％-60％干有机质被分解)，便于处置和运输。有毒化学品(如农药)形成腐殖质，消除毒性。干化作用人粪尿、动物粪便和污泥含水达80％-95％，经过堆制处理，大大降低其含水率。2023/2/1杀灭有害生物堆制过程释放大量热能，堆温较高。据测定，60~70℃维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。堆温50~60℃，持续6~7d，即可杀灭病原和虫卵。堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂好氧堆肥处理的优点2023/2/1堆肥处理存在的问题堆肥质量不易稳定；原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难；物料温度不均匀；受社会、文化、经济因素的影响；2023/2/13、好氧堆制的微生物学过程根据温度变化和微生物生长情况，分为潜育期、中温期、高温期、腐熟期四个时期.2023/2/12023/2/1潜育期Latentphase调整适应时期微生物基本不生长堆温基本不变化2023/2/1中温期Mesophilicphase堆肥初期(通常在1-3天)，肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源，迅速增殖，并释放出热能，使肥堆温度不断上升。此阶段温度在室温至45℃范围内，微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。也称产热阶段，中温阶段，升温阶段，升温期等

2023/2/1中温期微生物类型微生物类型较多，主要是细菌、真菌和放线菌。其中细菌主要利用水溶性单糖等，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊的功能。2023/2/1高温期Thermophilicphase当肥堆温度上升到45℃以上时，即进入高温阶段。通常从堆积发酵开始，只须2-3天时间肥堆温度便能迅速地升高到55℃，1周内堆温可达到最高值（最高温可达80℃）。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。2023/2/1Compostingpile2023/2/1高温期微生物嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐取而代之。在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌活动；温度上升到70℃以上时，大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。2023/2/1嗜热脂肪芽孢杆菌2023/2/1StreptomycesandThermomonosporaisolatedfromcompost2023/2/1Thermomonosporaformosensistypestrain2023/2/1烟曲霉

Aspergillusfumigatus2023/2/1Adissolvingcellulosefibre-Clostridiumthermocellumbacteriabarelyvisible2023/2/1白地霉

Geotrichumcandidum2023/2/1高温期自然调节此时，产生的热量减少，堆温自动下降。当堆温降至70℃以下时，处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动，继续分解难分解的有机物，热量又增加，堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。2023/2/1高温期作用高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。C/N比明显下降，肥堆高度随之降低。通过高温能有效杀灭有机废弃物中病原物，按我国高温堆肥卫生标准（GB7959-87），要求堆肥最高温度达50℃～55℃以上，持续5-7d。2023/2/12023/2/1腐熟期Maturationphase在高温阶段末期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。此时嗜温性微生物再占优势，对残留较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定化，堆肥进入腐熟阶段。降温后，需氧量大量减少，肥堆空隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风。2023/2/12023/2/1适用2023/2/12023/2/12023/2/1环境温度：对二次发酵的影响大有机质含量：20-80%为宜。太低，升温慢，太高，供氧不足（发臭）水分：50-60%为宜。过高，氧不足碳氮比：初始30~35:1为宜。过高，缺氮，周期长，过低，氮损失。碳磷比：75-150:1为宜。酸碱度：中性或弱碱性。通风供氧：动力供氧影响堆肥的因素2023/2/1上节课内容回顾2015.12.固体废物的定义及分类我国垃圾处理的主要方法填埋法、焚烧法、堆肥法、有机垃圾的微生物处理好氧堆肥技术四个阶段：潜育期、中温期、高温期、腐熟期影响因素：环境温度、有机质含量、C/N,C/P，酸碱度、氧气供应2023/2/1立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒简仓式堆肥发酵仓箱式堆肥发酵池堆肥发酵装置4、好氧堆肥的装置2023/2/15-8天完成一次发酵（1）立式堆肥发酵塔2023/2/1又称为泽西(Jersey)法。主要设施：立式筒状发酵仓，仓高10~15m，分5~6层，主要用于城市垃圾处理。分选、破碎后的垃圾由皮带输送至仓顶层，受自重力和栅板的控制每日下降一层，一共停留5~6d，出料后静态发酵30~60d。2023/2/1机械通入空气，水分从顶部补充，仓内温度高，升温快，24h可上升至50℃以上，70℃可维持3d，之后温度逐渐下降。该工艺占地少，垃圾分解彻底，运行费用低，但水分分布不均匀。2023/2/1（2）卧式堆肥发酵-滚筒2023/2/1也称卧式旋转法，由丹麦人首先研制和使用的一种连续堆肥法。关键设备：长20~30m、直径3~4m、倾角2％~3％的可回旋转动的金属圆筒，转速0.5~1转/M，机械送风。2023/2/1有机废物被送入滚筒后，随滚筒的旋转翻动并向滚筒尾部(出料部位)移动，在此过程中完成有机质的降解、升温、杀菌等，筒内温度60℃以上。物料在反应器内停留3~5d，出料后的初产物再静态堆制5~6d，达到腐熟稳定。2023/2/12023/2/1（3）箱式堆肥/静态堆肥2023/2/1静态堆制工艺又称为常规堆制工艺(conventionalcomposting)我国长期使用的一种有机肥堆制法；原料预处理，调整含水量和C/N；垃圾70％~80％与20％~30％的稀粪混合，条形堆制，堆底宽2.5~3.0m，高1.75m左右，长度不限，自然通风；2023/2/1堆好后呈龟背形，堆中竖插竹竿或木棒，堆好后用稀泥封堆，以防热量散失。可插入作物秸秆或草束通气；2~3d后，堆温上升至50℃以上(中心部位可达65℃以上)，维持10~20d，整个工艺过程需要60~90d产物才能达到稳定；蛔虫卵致死率90％以上。2023/2/12023/2/1通气方式插竹竿，自然通气；人工翻堆方式通气。人工翻堆每周1~2次，机械翻堆可1~2d一次，后期腐熟阶段可每周翻一次。2023/2/1场地要求及特点场地坚实不渗水，有顶棚遮盖，大风频繁的地区应在逆风面设置挡风墙。工艺特点：工艺简单，设备少，处理成本低，但工艺时间长。2023/2/1第四节卫生填埋卫生填埋(sanitarylandfill)始于20世纪60年代，是在传统堆制的基础上，避免环境免受二次污染而发展起来的一种较好的固体废物处理法；优点：投资少，容量大，见效快。视频2023/2/1卫生填埋的类型主要有厌氧、好氧和半好氧三种。填埋类型特点及应用情况厌氧填埋操作简单，施工费用低，可回收甲烷气体，目前广泛采用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾稳定化时间短，但工艺要求较复杂，费用较高，尚处于研究阶段。2023/2/1AnaerobicBioreactorLiquidsStorageGas

Collection

toGenerate

EnergyGroundwater

MonitoringBioreactorProgram2023/2/1AerobicBioreactorLiquidsStorageAir

InjectionGroundwater

MonitoringBioreactorProgram2023/2/1FacultativeBioreactorLiquidsStorageGas

Collection

toGenerate

EnergyGroundwater

MonitoringBioreactorProgram2023/2/1一、填埋场地的建设与运行根据地形、地貌和土壤条件、水文地质、气候、运输距离、出入道路条件等进行选择，使填埋处理不影响当地居民的生活和健康。场地底部要构筑不漏水的防水层、集水管和集水井等设施，四周要防止水流冲刷、防止地下水和地面水受污染，避免一般填埋出现的卫生条件差，二次污染频繁的问题出现。1、场地的建设2023/2/1ConceptillustrationofaTypicalSanitaryLandfillSite2023/2/12023/2/12023/2/12023/2/12023/2/12023/2/12、垃圾填埋处理将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋。每天的垃圾，在限定范围铺散为40~75cm的薄层，然后压实。垃圾层厚度应为2.5~3m。一次性填埋处理垃圾层最大厚度为9m。每层垃圾压实后覆土20~30cm。废物层和土壤覆盖层共同构成一个单元，即填埋单元(cell)。当天的垃圾，当天压实覆土，成为一个填埋单元。2023/2/1具有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层。按上述工序完成的卫生填埋场由一个或几个填埋层组成。当填埋到最终的设计高度以后，再在该填埋层上层盖一层90~120cm的土壤，压实后就成为一个比较标准的卫生填埋场。2023/2/12023/2/12023/2/1TheStevensCountySanitaryLandfill,openedonJuly5,1979,isafacilitythatwasdesignedtoservethewasteneedsofthecitizensofStevensCounty.2023/2/1上节内容回顾2014.12.9我国目前城市垃圾处理的主要技术有哪些？各自有什么优缺点？堆肥技术需要人们控制哪些因素？堆肥可以分为哪几个阶段？其中的微生物过程如何？卫生填埋有哪几种类型？卫生填埋分为哪几个阶段？2023/2/1二、填埋的微生物学过程根据垃圾在卫生填埋过程中的分解情况、气体产生和微生物活动情况，将整个过程人为地划分为四个阶段：好氧分解阶段、厌氧产酸阶段、甲烷产生加速阶段、甲烷产生下降阶段。2023/2/11、好氧分解阶段垃圾好氧分解主要是开始阶段。此阶段时间的长短取决于分解速度，由几天到几个月。填埋层内的氧耗尽后进入第二阶段。2023/2/12、厌氧产酸阶段在此阶段，好氧微生物的生命活动终止；无氧呼吸的细菌，如硝酸还原细菌和硫酸还原细菌等，以物料中的NO3‑、SO42-的氧作为最终电子受体进行无氧呼吸，使有机质进一步被分解产生多种有机酸。有机酸积累、pH下降，甲烷菌开始活动，主要产物是N2，H2S、NH3、CO2等。2023/2/13、甲烷产生加速阶段在严格厌氧菌和一些兼性厌氧菌的作用下，有机酸被进一步分解，产生甲烷，甲烷含量达到50％~60％(v/v)。有机酸含量下降，pH值升高，产乙酸菌、解纤维菌和产甲烷菌数量很多。收集、利用甲