环境生物技术课件5有机固体废物与废气的生物处理技术

第五章有机固体废物与废气的微生物处理第一节有机固体废物的微生物处理技术固体废物:固体废物是指人类在生产、生活过程市产生的对所有者不再具有使用价值而被废弃的固态和半固态物质，包括从废水、废气中分离出来的固体颗粒物质。按来源可分为五类：工业固体废物农业固体废物矿业固体废物城市垃圾放射性废物固体废物对环境的危害侵占土地污染大气污染水体污染土壤危害塑料垃圾残留3.9克/亩玉米减产11%~13%小麦减产9%~16%大豆减产5.5%~9%蔬菜减产14.4%~54.9%有害气体如SO2，NH3，CH4和粉尘等固体废物处理是指通过一定的技术手段将固体废物转变成适于运输、利用、贮存或处置的过程、常用的处理技术包括物理处理、化学处理、生物处理、热处理等。固体废物处理固体废物处理技术生物处理热处理物理处理化学处理固体废物生物处理技术名词：生物处理是指依靠自然界广泛分布的微生物的作用，通过生物转化，将固体废物中易于生物降解的有机组分转化为腐殖质肥料、沼气或其他转化产品（如饲料蛋白、乙醇或糖类）等，从而达到固体废物无害化或综合利用的一种处理方法。目前，对于可生物降解的有机固体废物的处理，世界各同主要采用堆肥、卫生填埋、厌氧发酵等方法。一、堆肥法（一）堆肥法、堆肥化和堆肥的概念堆肥法：俗称堆肥，是一种古老的微生物处理有机固体废弃物的方法。农村将秸秆、落叶和禽畜粪便和尿一起用土堆堆集，依靠现存的微生物和土壤微生物发酵腐熟后施农田，其产品为堆肥。堆肥化是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌等微生物，有效地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥是堆肥化的产品。堆肥是优质的土壤改良剂和农药。(二)好氧堆肥目前好氧堆肥处理的物料：①垃圾；②垃圾和粪水；③垃圾和脱水污泥；④脱水污泥。垃圾的化学组分主要是纤维素、半纤维素、糖类、脂肪和蛋白质等。它的理化性质列表11-2，随季节改变，其组分会变化。

表11－2垃圾的理化性质(所测的数值为占有机和无机成分的百分比)项目pH水分/%总固体/%挥发物/%碳/%氮/%速效氮/%容重/(tm-3)孔隙率/％数值827.8472.219.5413.40.450.030.4530表11－3粪水的理化性质项目密度pH水分/%总固体/%挥发物/%碳/%氮/%速效氮/%数值1.18.898.51.582.30.450.230.2序号含水率/%有机物/%灰分/%混凝剂/(mg·L-1)聚丙烯酰胺/‰气味外观127076.25048.05052.0Al2(SO4)3

铁铝盐5～75～7极臭、刺鼻墨黑色、黏稠招惹苍蝇表11－4污水处理厂脱水污泥组成与特征1.好氧堆肥机理好氧堆肥是在通气条件下，好氧微生物分解大分子有机固体废物为小分子有机物，部分有机物被矿化成无机物。并放出大量的热量，使温度升高至50～65℃，如果不通风，温度会高到80～90℃。这期间发酵微生物不断地分解有机物，吸收、利用中间代谢产物合成自身细胞物质，生长繁殖。以其更大数量的微生物群体分解有机物，最终有机固体废弃物完全腐熟成稳定的腐殖质。好氧堆肥分解过程见图11-1：图11-1有机堆肥好氧分解过程有机物质+好氧菌+氧气+水→二氧化碳+水（蒸汽状态）+硝酸盐+硫酸盐+氧化物好氧堆肥生产车间堆肥发酵堆肥及翻堆机好氧堆肥中试过程污泥堆肥成品供应给园林所栽培植物试验用已腐熟堆肥脱水污泥1.脱水污泥2.已腐熟堆肥高效菌（HEM）12发酵车间全貌堆肥待出料堆肥正在出料2.好氧堆肥发酵微生物好氧堆肥发酵微生物有：中温好氧的细菌和真菌好热性的细菌、放线菌和真菌嗜热高温细菌和放线菌好氧堆肥发酵微生物堆肥发酵微生物群落的演替中温好氧细菌和真菌好热性的细菌、放线菌和真菌好热性的细菌和放线菌致病菌和寄生虫卵被杀死，嗜热高温细菌和放线菌停止活动50℃60℃70℃温度缓慢上升

分解碳水化合物、蛋白质、脂肪分解纤维素和半纤维素分解纤维素和半纤维素堆肥腐熟稳定堆肥中的微生态系是临时组成堆肥初期:微生物处在迟滞期，由中温好氧的细菌和真菌通过分解易降解的糖类、蛋白质、脂肪等获得营养，逐渐生长繁殖，产生大量热量，使堆温升高至50℃。堆肥中的微生态系是临时组成接着:由好热性的细菌、放线菌和真菌分解纤维素和半纤维素，微生物数量不断增加，温度不断上升至60℃，真菌停止活动。根据堆肥卫生标准规定：堆温要维持55～60℃持续5～7d。以使致病菌和虫卵被杀死。堆肥中的微生态系是临时组成之后:继续由好热的细菌和放线菌分解纤维素和半纤维素，温度升至70℃，此时，若温度继续升高，一般的嗜热高温细菌和放线菌也停止活动，堆肥腐熟稳定投加HEM菌（高温高效有益菌）根据好氧堆肥试验经验，在建堆时喷洒HEM菌（高温高效有益菌），堆温升得很快，发酵一天后堆温就升至70℃以上，在堆温升至80℃以上仅3d，其中的大肠菌群的死亡率达100％。而堆肥发酵细菌仍正常生长，在发酵结束时细菌总数仍1011CFU/mL。添加HEM菌可以保证每一批堆肥的微生物数量，提高发酵速率和效果，堆肥腐熟度增加，缩短发酵周期，提高处理场地周转率。 3.有机堆肥好氧分解要求的条件碳氮比在(25～30)∶1发酵最好,有机物含量若不够，可掺杂粪肥。堆肥湿度要适当，通常情况下，含水率维持在60％为宜，堆肥发酵良好。30℃时，含水量应控制在45％；45℃时，含水率控制在50％左右。氧要供应充足,通气量0.05～0.2m3/(min·m3)

。有一定数量的氮和磷，可加快堆肥速率，增加成品的肥力。

3.有机堆肥好氧分解要求的条件最适温度：嗜温菌发酵最适温度30～40℃，嗜热菌发酵最适温度55～60℃，5～7d能达到卫生无害化。投加高温菌助发酵的发酵温度在75℃左右为宜，杀灭致病菌效率高。pH=5.5～8.5,能自身调节，好氧发酵的前几天由于产生有机酸，pH=4.5～5，随温度升高氨基酸分解产生氨，一次发酵完毕，pH上升至8.0～8.5，二次发酵氧化氨产生硝酸盐，pH下降至7.5为中偏碱性肥料。由此看出：在整个发酵过程中，不需外加任何中和剂。一次发酵的发酵周期7d左右。4.好氧堆肥的优点好氧堆肥分解有机物快，产热量大，堆肥升温快而能保持高温时间长，可有效杀死致病微生物和虫卵。腐熟速率快，腐熟程度高，除臭效果好,异臭物质如氨、硫化氢和硫醇在好氧条件下转化为无臭味的氧化物NO3-和SO42-，堆肥成品无臭味。肥效好，达到城镇垃圾农用控制标准值，见表11-5。发酵周期短，一次和二次发酵时间20d左右，堆肥基本稳定5.好氧堆肥工艺(1)静态堆肥工艺：静态堆肥工艺见图11-2，工艺简单，设备少，处理成本低。发酵周期50d。操作条件差。用人工翻动，第2、7、12d各翻动一次。在以后35d的腐熟阶段每周翻动一次。在翻动的同时可喷洒适量水以补充蒸发的水分。图11-2条状堆肥示意图(2)高温动态二次堆肥工艺：高温动态二次堆肥见图11-3，分两个阶段：初发酵：前5～7d为动态发酵，机械搅拌，通入充足空气,好氧菌活性强，温度高，快速分解有机物。发酵7d绝大部分致病菌死亡。静态二次发酵：7d后用皮带将发酵半成品输送到另一车间进行静态二次发酵，垃圾进一步降解稳定，20～25d完全腐熟。

图11-3高温动态二次堆肥工艺吊车2.抛料翻堆机3.进料皮带运输机4.供气管5.出料皮带运输机图11-3高温动态二次堆肥工艺吊车2.抛料翻堆机3.进料皮带运输机4.供气管5.出料皮带运输机(3)立仓式堆肥工艺仓高10～15m，分隔六格，经分选、破碎后的垃圾由皮带输送至仓顶一格，受自重力和栅板的控制，逐日下降至下一格。一周全下降至底部，出料运送到二次发酵车间继续发酵使之腐熟稳定。从顶部至以下五格均通入空气，从顶部补充适量水，温度高，发酵极迅速，24h温度上升到50℃以上，70℃可维持3d。之后温度逐渐下降。该工艺优点：占地少，升温快，垃圾分解彻底，运行费用低。缺点：水分分布不均匀.(4)滚筒式堆肥工艺：滚筒式堆肥工艺称“达诺”生物稳定法。滚筒直径2-4m，长度15-30m，滚筒转速0.4-2.0r/min。滚筒横卧稍倾斜。经分选、粉碎的垃圾送入滚筒，旋转滚筒垃圾随着翻动并向滚筒尾部移动。在旋转过程中完成有机物生物降解、升温、杀菌等过程。5～7d出料。

箱式堆肥发酵池卧式堆肥发酵滚筒堆肥翻堆机械分选（三）社区小型化微生物有机垃圾处理装置小型化有机垃圾微生物处理装置是新型的生活垃圾处理方法。日本研究和应用较早生产了供社区使用的和家庭使用的生活垃圾处理装置和特效的微生物菌种。（三）社区小型化微生物有机垃圾处理装置近10年来，我国也在研究在上海除有引进日本的处理装置外，还研制了日处理量0.1t、0.2t、0.5t、1t和2t等规格的有机垃圾微生物处理机。筛选、培养出具有高效分解性能的微生物菌种，为全自动处理装置。（三）社区小型化微生物有机垃圾处理装置在社区使用小型有机垃圾微生物处理装置及时将居民的生活垃圾在源头就被彻底分解，无害化，有利环境保护，并制造有机肥料。这是一种有前途的装置，环境效益大，但投资成本高。小型化有机垃圾微生物处理装置是好氧装置，一般有两部分：前一部分由好氧微生物和兼性好氧微生物降解各种有机物，并部分无机化。第二部分是高温燃烧除臭装置。整个工艺历时24h，完成垃圾发酵和稳定化的过程。高性能的微生物处理装置是将两部分功能集合在一个装置中，利用多种分解功能的微生物和除臭微生物合理组合，自动调节，24h完成两种功能，垃圾腐熟稳定化。对投入的垃圾在12～24h内可减量95％。微生物菌种有机垃圾微生物处理装置所用的菌种都是经人工筛选、培育的多种高效生理功能的微生物。混合微生物群体:分解糖类、蛋白质、脂肪、骨头、蟹壳、蛋壳等。微生物菌种氨化微生物:将氨基酸的氨基脱下。亚硝化细菌:氧化氨为亚硝酸盐。硝化细菌:氧化亚硝酸盐为硝酸盐。氧化硫细菌:将H2S氧化为硫酸盐。亚硝化细菌、硝化细菌和硫细菌是属除臭细菌，由嗜温菌和嗜热菌组合。生产用的菌种都由开发商提供。菌种一次投入可使用3～6个月，半年清料一次，留少量腐熟物，再添加少量菌种继续发酵。半年后清料，重新投加新菌种。(四)厌氧堆肥厌氧堆肥在无氧条件下，厌氧微生物将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。

(四)厌氧堆肥厌氧堆肥的原理和废水厌氧消化原理相同。不同的是：废水厌氧消化是液体发酵，厌氧堆肥是固体发酵，其发酵过程如下所示：有机物质+厌氧菌+二氧化碳+水→甲烷+氨+脂肪酸+乙醛+硫醇+硫化氢

(四)厌氧堆肥有机固体废物经分选和粉碎以后，进入厌氧处理装置，在兼性厌氧微生物和厌氧微生物的水解酶作用下，将大分子降解为小分子的有机酸、腐殖质和CH4、CO2、NH3、H2S等。厌氧堆肥的产甲烷过程与废水甲烷发酵一致，也分三个阶段。厌氧分解后的产物中含许多喜热细菌和对环境造成严重的污染的物质，其中含有脂肪酸、氨、乙醛、硫醇（酒味）、硫化氢等有害混合物。还需要有除臭装置加除臭细菌将有害物质去除。参与厌氧堆肥的微生物有兼性厌氧的水解产酸菌厌氧的产甲烷菌，厌氧脱氨、脱硫菌由于有机物分解不彻底，其产热量比好氧发酵的低。因此堆肥的温度最高在50～60℃。二、垃圾和脱水污泥卫生填埋及其渗滤液

处置卫生填埋法是在堆肥法的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，在其中起发酵作用的微生物以兼性厌氧微生物和厌氧微生物为主，其表层有好氧微生物。

垃圾填埋场卫生填埋作业区导气井防渗膜填埋场选址通常在市郊，底部要铺水泥层，以防止渗滤液渗漏到地下水。有机固体废物一层一层倒入填埋场，压实，按一定路径铺设排气管以收集甲烷气体。底部铺设渗滤液收集管，以便排放到渗滤液处理场处理。废物的成分复杂，有机物及无机物均有。有地面水流入和雨水冲刷将经微生物厌氧发酵产生的可溶性有机物溶出，形成数量大的渗滤液，将其排出另行处理。填埋的废物分解速率较慢，一般经5年发酵产气，被填埋的有机固体废物要经5～10年才能完全腐殖化和稳定化。渗滤液的化学组分复杂，含有大量有机酸，其CODCr和氨氮含量高，还含有重金属，处理难度大。采用厌氧－缺氧－好氧生物处理，再用化学混凝剂混凝、沉淀等综合方法处理垃圾渗滤液，可获得净化程度较高的出水水质。焚烧处理技术焚烧法是将垃圾集中焚烧的处理方法，此方法适合热值较高的生活垃圾，它是城市生活垃圾的主要处理方式之一。对垃圾焚烧过程中产生的余热可以通过能量再转换等形式加以回收利用，不仅能够满足垃圾焚烧厂自身设备运转的需要，还能向外界提供热能和动力，以获得比较客观的经济效益。缺点是高温的作用下易产生致癌物二恶英，因此必须对焚烧后的烟气进行处理。焚烧厂外景焚烧厂监测系统焚烧工艺流程第二节废气微生物处理技术微生物净化废气污染物的装置有：生物吸收池、生物洗涤池、生物滴滤池、生物过滤池等。生物滤池（生物过滤箱）绿化是利用植物吸收和转化大气中的污染物，包括日益增多的CO2，植物吸收CO2和H2O进行光合作用，放出大量O2清洁空气。微生物净化法可就地及时处理各种恶臭污染源的废气，如氨气、H2S、甲硫醇(MM)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基亚砜(DMSO)、二硫化碳(CS2)、SO2、挥发性有机污染物(VOCs)。呈气态污染物要先溶于水后才能用微生物法处理。废气的组分较单一，不能满足微生物全部营养要求，故需添加营养。除尘负荷调节温度调节湿度调节废气沉淀池废气空气循环水净气生物滴滤池法工艺流程示意图净气循环水废气循环水空气生物反应器沉淀池余气吸收塔生物吸收法工艺流程示意图废气中挥发性有机污染物生物处理基本原理液相或固相介质二氧化碳、水等气体有机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过滤悬浮生长系统附着生长系统

针对有机堆肥臭气去除的生物滤池一体化气体净化装置二、几种典型废气的微生物处理方法（一）含硫恶臭污染物的净化1.氧化硫的细菌代谢途径（1）含硫恶臭污染物：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)和二甲基亚砜(DMSO,CH3OSCH3)。微生物的代谢途径见图11-8,9,10。

图11-8生丝微菌属（Hyphomicrobium）S对DMSO的代谢途径废气生物处理主要适用于去除异味气体和含VOCs浓度较低的废气，其中TOC（总有机碳）<1000mg/m3；气体流量50000m3/h，气流均匀且连续；废气的温度一般≤40℃，生物滤池工艺要求进气湿度>95%；废气组分易溶于水，易生物降解。生物滤池工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗涤池能够用于生物降解性较差的VOCs废气处理。（2）生丝微菌属对DMSO代谢：DMSO代谢的结果是产生H2SO4和CO2，而其中间代谢产物HCHO经丝氨酸途径同化、合成细胞物质。

自养性的硫杆菌属(Thiobacillus)和甲基型的生丝微菌属(Hyphomicrobium)与一般硫化细菌的代谢一致。图11-10硫杆菌属（Thiobacillus）ASN-1对DMS的代谢图11-9排硫硫杆菌（Thiobacillus

thioparus）E6对DMDS的代谢（3）黄单胞菌属(Xanthomonas)DY44对硫的代谢独特，它氧化H2S和甲硫醇(MM)不形成S或SO42－，而是形成类似于硫的聚合物。（4）食酸假单胞菌（Pseudomonasacidovorance）只氧化DMS为DMSO就不再继续氧化。（5）硫杆菌属(Thiobacillus)既能氧化上述恶臭硫化物，也能氧化S0、S2O32－和S4O62－。（6）排硫硫杆菌E6菌株氧化DMDS为H2SO4和CO2。（7）硫杆菌属ASN－1菌株氧化DMS，能利用NO2－和NO3－作最终电子受体，依靠钴胺酰胺(X)(甲基携带剂)引发的甲基转移反应而被氧化为HCOOH和H2S。（8）排硫硫杆菌TK－m菌株氧化CS2经COS和H2S，进而氧化为H2SO4和CO2。（9）氧化硫硫杆菌氧化H2S、S0、S2O32－和S4O62－为H2SO4。几种恶臭硫化物生物氧化活性的顺序是：H2S>MM>DMDS>DMS氧化恶臭硫化物的细菌2.运行操作条件pH为6.5～7.5，温度25～35℃，平均30℃。相对湿度95％以上，空气流速<500m3/h。(二)废气中CO2、CH4和NH3净化CO2大量排入大气会引起“温室效应”，整个地球的气候异常，温度普遍升高。气温变化无常，对农业威胁最大，天灾增多。据报道：大量CH4和NH3排放入大气也会引起“温室效应”。必须处理废气中的CO2、CH4和NH3。单纯含NH3或单纯含CO2的废气可混合在一起处理，调节两者的比例用硝化细菌处理。首先将NH3溶于水成NH4＋－N，再通入生物滴滤池。同时按亚硝化细菌和硝化细菌要求的C∶N通入CO2和无机营养盐，再通入空气，即可运行处理。亚硝化细菌和硝化细菌将NH4