固体废物的生物处理

固体废物的生物处理第1页，共99页，2023年，2月20日，星期四第五章固体废物的生物处理

第一节固体废物的好氧堆肥处理

第二节固体废物的厌氧消化处理第三节固体废物的微生物浸出第四节固体废物的其他生物处理技术第2页，共99页，2023年，2月20日，星期四生物处理：

采用生物处理技术，利用微生物（细菌、放线菌、真菌）和动物（蚯蚓等）分解废物中的有机质，回收能源和资源，实现有机废物的资源化、减量化和无害化，既变废为宝，又解决环境污染。因此，生物处理技术是一项经济、实惠，切实可行的有机废弃物处理技术。第3页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥化（composting）:在人工控制的环境下,依靠自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程。第一节好氧堆肥处理

第4页，共99页，2023年，2月20日，星期四基本原理

堆肥过程中同化、异化作用反应式。物质变化、能量释放与获取

堆肥过程

堆肥过程四阶段，物质、温度、微生物相变化

影响因素

六个主要因素堆肥工艺

六个阶段及内容

堆肥设备

四类

1

2

3

4

5

评价指标

6

四类，15个

第5页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥的历史：

1925年--印度的农艺学家埃·霍华德（AlbertHoward）发明“印多尔法”。

1932年意大利人贝卡里留把厌氧发酵和好氧发酵结合一起，把物料先放在密闭系统进行厌氧发酵，然后再送入空气进行好氧发酵。

1933年，丹麦出现达诺法(利用回转窑发酵仓进行好氧发酵)并在西欧和日本得到应用。德国开发了巴登·巴登法

1940年，美国使用发酵槽进行机械化堆肥，厄普·托马斯法(Earp-Thomas法)。国际上出现了机械化较强的发酵装置――立流移动式搅拌发酵仓。

20世纪60年代，日本已经建成堆肥厂30多座。从20世纪70年代初开始，化肥大规模的使用；同时，城市生活垃圾的成分也发生了变化，垃圾中不可生物分解的成分日益增多，导致机械化程度较高的堆肥工艺较难推广和堆肥产品的品质差、生产效率低等。堆肥逐渐不再为人们所重视，许多堆肥厂陆续停产关闭。近年来，由于垃圾填埋场地的缺乏和垃圾焚烧可能导致的大气污染，垃圾卫生填埋和焚烧处理方法在某些方面受到较多的限制，堆肥处理又受到了较多的重视。第6页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥的意义：

①对城市固体废物进行处理消纳,实现稳定化、无害化，可以避免和减轻垃圾的大面积堆积，影响市容和城市垃圾自然腐败、散发臭气、传播疾病，从而对人体和环境造成的危害。②可以将固体废物中的适用组分尽快地纳入自然循环系统（如堆肥可回归农田生态系统中），促进自然物质循环与人类社会物质循环的统一；③可以将大量有机固体废物通过某种工艺转换成有用的物质和能源（如产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白等）；④堆肥化可减重、减容均约50%。由于城市固体废物和农业废物数量巨大，其中农业物质资源（秸秆、稻壳、甘蔗渣、花生壳等）年产6×108t左右，城市垃圾年产生量约1.4×108t，可生物转换利用的成分多，在当前世界上普遍存在自然资源短缺及能源紧张的情况下，堆肥化回收和利用技术的开发具有深远的意义。第7页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥的作用：

(1)改善土壤的物理性能施用堆肥对土壤性质的影响主要包括三个方面：土壤物理性质，天然化学性质和土壤微生物性质。表施用堆肥对土壤性质的可能影响

土壤性质类别

变化

化学性质

有机质含量N、P、S含量K、Ca、Mg含量pH值增大不一增大升高增大

微生物学性质

细菌群体真菌和放线菌群体自养硝化细菌纤维素分解活性脲酶活性

增大增多增多增强增强

污染物

重金属总量可浸提重金属量重金属的生物有效性难降解有机污染物含量

增大增大增大增大

第8页，共99页，2023年，2月20日，星期四施用有机肥对土壤理化性质的改变

处理有机质

容重

总空隙度

持水量

pH值

含量/％

增加/％

容重/(g/cm3)

降低/(g/cm3)

含量/％

增加/％

持水量/％

增加/％

未用堆肥

2.06

1.62

35.1

14.1

5.9

用堆肥

4.43

115

1.15

40

57.8

60

23.6

67

7.3

施用绿肥对荒漠绿洲地的改良效果

处理

容重/(g/cm3)

水稳性团粒/％

速效氮(mg/kg)

＞0.25mm

＜0.25mm

亚田凊

1.35

6.1

93.9

100

对照

1.38

4.6

95.4

60

第9页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥的作用：

(2)肥料养分比较全面，成分比较多样化，其中还含有多种植物生长所必需的微量元素，满足植物生长对不同养分的需求。

(3)肥效期较长堆肥属缓效性肥料，堆肥养分的释放缓慢、持久，故肥效期较长，有利于满足农作物长时间内对养分的需求，也不会出现施用化肥那样短暂有效或施肥过头的情况。并且堆肥中氮、钾、铵等都是以阳离子形态存在，由于腐殖质带阴电荷，有吸附阳离子的作用，有助于粘土保住阳离子，既能保住养分提高保肥能力，使粘土的离子交换容量提高几十倍。

(4)微生物的作用强堆肥中含有大量有益微生物，是一种“生物肥料”。施用堆肥可以增加土壤中微生物的数量，通过微生物的活动改善土壤的结构和性能，微生物分泌的各种有效成分还可直接或间接地被植物吸收而起到有益的作用。

(5)腐殖质具有螯合作用，施用堆肥时，一方面由于其中的螯合剂能和铝、铁等金属结合，使稳定状态变成易分解状态，所以能促进有机物分解，促进氮肥和其它养分的供应。另一方面对于作物有害的铜、铅、镉等重金属也可与腐殖质反应而降低其危害程度，利于作物生长。但与化肥相比，堆肥的肥效较低，且体积大，运输和施用起来不方便。

第10页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥的经济效益：堆肥化处理的经济效益主要有两方面，一是对固体废物的消纳作用，二是作有机肥料和土壤调节剂。前者由于其可以将固体废物直接转化为有机肥料，还原大自然，它不像填埋处理需要占用大量的土地，也不像焚烧那样产生大量尾气，从资源化的角度，可以说是最理想的处理方法。但是，随着生活水平的提高和生活方式的多样化，固体废物的成分日趋复杂，要得到理想的堆肥化产品，除了需要传统的发酵过程外，必须设置复杂的分选、破碎过程，从而大大增加了堆肥化处理的费用。同时，由于固体废物中大量杂质和有毒有害化学物质的混入，从而使得堆肥化产品作为肥料或土壤改良剂的价值大大降低，不妥当的处理还可能带来对土壤的污染和对农作物的危害。第11页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥原料：随着人类生活水平的日益提高，相应产生越来越多的固体废弃物，在这些固体废弃物中，有相当大一部分是有机废物，特别是农牧渔业及其产品加工产生的废弃物；生活用品废弃物，如废纸张、废布、废塑料袋等等生活垃圾；人、畜、禽粪便；污水处理厂产生的有机废物污泥等，含有大量的有机成分。有机废物进入环境，由于其中夹带大量病菌，会传染疾病；产生含高浓度有机物的渗滤液，严重污染地下水和地表水；如堆积量过大，会因缺氧产生大量沼气，聚积而出，遇明火发生爆炸，引起火灾，造成人身伤亡。因此，如何处理这部分有机废物，加速有机物质的稳定，使有机废物无害化，是必须解决的环境问题。

生活垃圾、有机污泥、人畜粪便、农林废物。第12页，共99页，2023年，2月20日，星期四异化作用

同化作用

细胞物质(微生物繁殖)

CO2,H2O,NH3,PO43-,O42-

能量

堆肥有机物(含C，H，O，N，P，S，Cl)、氧和微生物转入环境

释放、转化为热

+

好氧堆肥基本原理

好氧微生物在于空气充分接触的条件下，使堆肥原料中的有机物发生一系列放热反应，最终使有机物转化为简单而稳定的腐殖质的过程。第13页，共99页，2023年，2月20日，星期四好氧堆肥过程

适应新环境（驯化阶段）

嗜温性细菌、酵母菌、放线菌分解最易分解的可溶性物质，淀粉、糖类增多，温度↗45℃（产热阶段）

嗜热性微生物、细菌；残留可溶性物质，纤维素、半纤维素、蛋白质，温度↗45~70℃

嗜温性微生物、多为难分解物质，温度↘第14页，共99页，2023年，2月20日，星期四影响因素及工艺

堆肥化效果

供氧量由化学式计算

C/N（9-12）和C/P（75-150）

pH7.5-8.5

主发酵

发酵仓或露天堆积，强制或翻堆搅拌供氧主发酵期4~12d

前处理

1

2

后发酵

进一步分解难分解有机物，条堆或静态堆肥，20~30d

3

贮存

夏冬需贮存，容纳6个月的贮存设备；干燥透气

6

后处理

含水率50-60%

温度和有机物含量55-60，20-80%

颗粒度2-60mm

分选、破碎、筛分、混合、养分及水分调节

脱臭

产生氨、硫化氢、甲基硫醇、胺类等。化学除臭剂；碱、水溶液过滤；熟堆肥、沸石等吸附剂吸附

5

分选设备去除塑料、玻璃金属、小石块；加入N、P、K制复肥

4

第15页，共99页，2023年，2月20日，星期四表常见有机废物的C/N比

物质C/N比物质C/N比

稻草、麦杆70～100猪粪7～15木屑200～1700鸡粪5～10稻壳70～100污泥6～12树皮100～350杂草12～19牛粪8～26厨余20～25水果废物34.8活性污泥6.3表不同C/N的堆肥化情况

C/N

20﹕1

（25～50）﹕1

78﹕1

80

所需时间/d

9～12

10～19

21

第16页，共99页，2023年，2月20日，星期四表堆肥工艺各工序的功能

前处理工序

发酵工序

后处理工序

选料：控制垃圾投入量和投入比例分选：废品回收，去除部分非堆肥物质和有害产品破碎：将选出的大块可堆肥物破碎为适合堆肥的程度混合：调整垃圾水分、碳氮比至一定值

一次发酵：进行最初的微生物分解，系高温发酵，是实现垃圾无害化的阶段二次发酵：进行无害化处理后的垃圾进一步腐熟，使之成为熟堆肥

筛分：去除影响堆肥物使用的大颗粒物质重力分选：去除堆肥中的硬质杂物以提高堆肥质量专用肥配制：添加无机肥料，使之成为复合肥料

第17页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥化设备

堆肥化设备

破碎设备冲击磨、破碎机等

混合设备搅拌机、装载机等

输送设备带式、刮板输送机等

分离设备筛子

斗式装载机或推土机、垮式翻堆机、侧式翻堆机

应堆肥产品质量高、操作员少、臭味控制有效、空间限制少、环境影响小等优点。垂直、倾斜及水平固体流

生物过滤器：熟化的堆肥、树皮、木片、粒状的泥炭等，负荷为80~120m3•m-3•h-1)，出气温度维持在20~40℃；

物料处理设备

翻堆设备

反应器堆肥系统

除臭设备

第18页，共99页，2023年，2月20日，星期四技术

分离物料

技术

分离物料

筛分

大：塑料膜、大纸张、硬纸板、其他杂物中：可回收物品、大部分有机废物、其他杂物小：有机废物、金属碎片、其他杂物

风选

轻物料：纸、塑料重物：金属、玻璃、有机废物

人工分选

可回收物品、惰性废物和化学废物

湿选

漂浮物：有机废物、其他杂物沉淀物：金属、玻璃、砂石、其他杂物

磁分选

铁

涡流分选

有色金属

冲击分选

轻物料：塑料、未分解的纸张中等重量物料；堆肥重物料：金属、玻璃、砂石、其他杂物

表用于城市固体废物堆肥系统的分离技术第19页，共99页，2023年，2月20日，星期四

表不同翻堆设备的优缺点

项目

斗式装载机或推土机

垮式翻堆机

侧式翻堆机

优点

便宜，操作简单

条垛间距小，堆肥占地面积小

堆肥彻底，堆料混合均匀；条垛大小不受限制

缺点

堆料易压实；堆料混合不均匀；条垛间距应≥10m，可利用的堆肥场地小

条垛大小受到严重限制，处理的物料少

易损坏，翻堆能力小

第20页，共99页，2023年，2月20日，星期四控制臭味措施：

1.堆肥过程控制

2.调查可能的臭味来源

3.建立臭味收集系统

4.建立臭味处理系统

5.控制残留臭味的有效扩散堆肥过程控制是减少臭味产生的关键因素，但不能完全有效地控制臭味。第21页，共99页，2023年，2月20日，星期四腐熟度评价指标

化学指标pH/COD/BOD/VS/碳氮比/氮化物/腐殖酸

工艺指标温度耗氧速率400mg/(kg·h)

堆肥腐熟度评价指标

物理学指标气味/粒度/色度

生物学指标呼吸作用/生物活性/发芽指数

腐熟度：堆肥中的有机质经过矿化、腐殖化过程最后达到稳定的程度。第22页，共99页，2023年，2月20日，星期四堆肥化产品的质量要求和标准杂质粒度/mm蛔虫卵死亡率大肠杆菌有机质总氮温度﹥3%1295-100%10-1-10-2≧10%≧0.5%﹥550C总钾Hg/(mg/kg)Cb/(mg/kg)Cr/(mg/kg)Pb/(mg/kg)As/(mg/kg)总磷≧1.0%≦5≦3≦300≦100≦30≧0.3%第23页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化:也称厌氧发酵，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程

第二节厌氧消化处理

第24页，共99页，2023年，2月20日，星期四

废物在厌氧的条件下通过微生物的代谢活动而被稳定化，同时伴有甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）的产生。厌氧消化处理是一种在厌氧状态下利用微生物使垃圾中的有机物快速转化为甲烷和二氧化碳的厌氧消化技术，它可以去除废物中30％－50％的有机物并使之稳定化。厌氧发酵是实现有机固体废物无害化、资源化的一种有效方法。

概念

厌氧发酵

第25页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧发酵历史：1630年，欧洲海尔曼发现有机物腐烂过程中产生的一种可燃气体---沼气。1896年，英国小城Exeter以污泥为原料建立厌氧消化池，沼气用于街道照明。19世纪80年代，中国广东沿海出现简易沼气发酵池，19世纪末出现瓦斯库。20世纪初，中国台湾罗国瑞从事天然瓦斯研究，于1920年建8m3小型沼气池。20世纪50年代,中国推广沼气，有机废料厌氧消化产沼气有较大发展是进20多年的事情。70年代末、80年代初，中国农村沼气建设迅速发展。1996年底，全国建池农户600万户以上，建成大中型沼气池460多座。仅大中型沼气池年处理有机废物达3000万吨左右。1980年，欧共体委员会曾经预测，欧洲10%--15%的能源将由新的替代能源产品提供，使得厌氧消化技术的研究重新受到人们的注目。第26页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化技术特点：

①过程可控制、降解快、生产过程全封闭；②能源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；③易操作，与好氧处理相比厌氧消化吸收不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；④产物可再利用，适于处理高浓度有机废水和废物，经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以作农肥、饲料或堆肥化原料；⑤厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；⑥厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体；⑦可杀死传染性病原菌，有利于防疫。第27页，共99页，2023年，2月20日，星期四发酵原料

生活垃圾、有机污泥、人畜粪便、农林废物。

1常见发酵原料的理论产气量

甲烷产气量为：

E=0.37A+0.49B+1.04C式中E:每克发酵原料的理论产甲烷量，L;A、B、C：分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂肪类化合物的重量g。二氧化碳理论产量为：

D=0.37A+0.49B+0.36C第28页，共99页，2023年，2月20日，星期四常见沼气发酵原料的组分和理论产气量第29页，共99页，2023年，2月20日，星期四2原料的产气率和甲烷含量

沼气发酵原料产生率指单位重量的原料在发酵原料过程中产生的沼气量。通常用原料所含总固体的量作原料单位表示的产气量。

3原料的总固体百分含量和总固体量

MTS=W2/W1×100%WTS=W·MTSMTS：发酵原料总固体百分含量；W1：发酵原料样品重量；W2：样品在1050±20条件下烘干衡重量；W：发酵原料重量；WTS：发酵原料所含总固体量。第30页，共99页，2023年，2月20日，星期四4原料的碳氮比

1）混合原料碳氮比的计算

2）发酵料浆的配制第31页，共99页，2023年，2月20日，星期四常用发酵原料的产沼气率第32页，共99页，2023年，2月20日，星期四常用发酵原料的碳氮比第33页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化原理

堆肥有机物微生物

有机酸，醇类，O2，NH3，H2S等，能量，微生物

细胞物质

CO2，CH4等，能量

细胞物质

第34页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化原理

细胞物质(微生物繁殖)

有机酸、醇类、CO2、H2S、NH3、能量

堆肥有机物(C、N、O、H、P、S等)

细胞物质

CO2、CH4等，能量

酸性发酵阶段

碱性发酵阶段

两段理论第35页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化的影响因素

添加物和抑制物K\Na\Mg\Zn\P等促进，蛋白质尿酸Cu\Cr\Ni\Sn等抑制

厌氧条件氧化还原电位-300mv

接种物5%

温度40-65

原料配比C:N=(20-30):1

搅拌

pH6.5-7.5

其它因素

第36页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化工艺

根据消化温度划分工艺类型

高温消化工艺

自然温度消化工艺

最佳温度范围是47~55℃，此时有机物分解旺盛，消化快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适用于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅拌消化物料

目前我国农村都采用这种消化类型。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广，但受季节影响明显消化周期须视季节和地区的不同加以控制第37页，共99页，2023年，2月20日，星期四图

自然温度半批量投料沼气发酵工艺流程

加活性污泥

定期出料

送农田

原料选择

原料预处理

配料

入池发酵产气

大出料

定期加料

第38页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化工艺

根据投料运转方式划分工艺类型

连续消化工艺

半连续消化工艺

两步消化工艺

投料启动后，经一段时间的消化产气，连续定量的添加消化原料和排出旧料；其消化时间能够长期连续进行。工艺易于控制，能保持稳定的有机物消化速率和产气率，但该工艺要求较低的原料固形物浓度

启动时一次性投入较多的消化原料，当产气量趋于下降时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。

农村较适用

两个反应器；根据两段理论设计

第39页，共99页，2023年，2月20日，星期四厌氧消化工艺

回流搅拌

厌氧消化反应池

沉淀池

贮气柜

备料池

有机固体废物

回流备料

肥料

用户

池底污泥或消化料液

消化产气

加水封池

入池堆沤

大换料

拌料接种

备料

肥料

定期或不定期出料

定期或不定期加料

活性污泥或其他接种物

连续消化工艺

半连续消化工艺

第40页，共99页，2023年，2月20日，星期四消化器

红泥塑料沼气池：批量进料半塑式沼气池/二块模式全塑沼气池/袋式全塑沼气池/干湿交替消化沼气池

水压式消化池水压式沼气池具有结构简单、造价低、施工方便；但由于温度不稳定，产气量不稳定，因此原料的利用率低。长方形甲烷消化池

第41页，共99页，2023年，2月20日，星期四水压式沼气池

第42页，共99页，2023年，2月20日，星期四长方形甲烷消化池

第43页，共99页，2023年，2月20日，星期四红泥塑料消化池

第44页，共99页，2023年，2月20日，星期四第45页，共99页，2023年，2月20日，星期四

水压式消化池设计1设计参数（1）气压7480Pa（80cm水柱）为宜；（2）池容产气率：指每立方米发酵池容积1昼夜的产气量，单位为m3沼气/（m3池容.d）。通常采用的池容产气率有0.15、0.20、0.25和0.30几种。（3）贮气量：指气箱内的最大沼气贮存量。以12小时产气量为宜。（4）池容：指发酵间的容积。农村常用的容积有4、6、8、10立方米等。（5）投料率：指最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比，一般在85-95%。第46页，共99页，2023年，2月20日，星期四2发酵间的设计（1）确定池容池容＝用气水平×家庭人口数预计池容池产气率（2）

确定贮气量贮气量＝池容产气率×池容×1/2第47页，共99页，2023年，2月20日，星期四

（3）计算圆筒形发酵间容积：圆筒形发酵间由池盖、池身、池底组成。式中：V1、V2、V3----分别为池盖容积、池底容积、池身容积；

f1，f2-----分别为池盖矢高、池底矢高；第48页，共99页，2023年，2月20日，星期四

R-------池体内径；

H-------池身高度；一般认为f1/D=1/5;f2/D=1/8;H=D/2.5时，沼气池的尺寸比较合理。第49页，共99页，2023年，2月20日，星期四（4）确定进出料管安装位置：水压式沼气池进出料管的水平位置，一般都确定在发酵间直径的两端。进出料管的垂直位置一般都确定在发酵间的最低设计液面高度处。①计算死气箱拱的矢高

f死=h1+h2+h3式中：h1----池盖拱顶点到活动盖下缘平面的距离，对65厘米直径的活动盖，该值在10-15厘米之间；

h2------导气管下露出长度，取3-5厘米；

h3------导气管下口到O-O液面距离，一般取20-30厘米。第50页，共99页，2023年，2月20日，星期四

②计算死气箱容积

V死=πf2死(r1+f死/3)V死、f死、r1分别为死气箱容积、死气箱矢高、池盖曲率半径。

③计算投料率投料率=（V-V死）/V×100%V、V死------分别为沼气池容积和死气箱容积。

第51页，共99页，2023年，2月20日，星期四

④计算最大贮气量

V贮=池容×池容产气率/2⑤计算气箱总容积

V气=V死+V贮⑥计算池盖容积

V1=πf1(3R2+f12)/6V1、f1、R分别为池盖容积、池盖矢高和池体内径。

第52页，共99页，2023年，2月20日，星期四

⑦计算发酵间的最低液面位A-A

对一般沼气池来说，V气均大于V1，也就是说，A-A液面位置在圆筒形池身范围内。要确定进、出料管的安装位置，应首先算出气箱在圆筒形池身部分的容积

V筒=V气-V1V筒=πR2h筒由此可求出圆筒形池身内气箱部分的高度。A-A液面位在池盖与池身交接平面以下h筒的位置上。

第53页，共99页，2023年，2月20日，星期四

3水压间的设计水压间的设计包括确定以下三个尺寸：

1）水压间的地面标高：此标高应确定在发酵间初始工作状态时的液面位置O-O水平；

2）水压间的高度（∆H）：此高度应等于发酵间最大液面下降值（H1）与水压间液面最大上升值（H2）之和，即∆H=H1+H2；

3）水压间容积：此容积等于池内最大贮气量。第54页，共99页，2023年，2月20日，星期四概念微生物浸出:利用微生物新陈代谢过程或代谢产物将废物中目的元素转变为易溶状态并得以分离的过程。第三节微生物浸出

第55页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物浸出史

1887年

发现

1922年

浸出ZnS

1947年

发现

ThiolacillusFerrooniclans

1954年

高效

1958年

专利申请

1

2

3

4

5

20~40年工业应用历史贫矿、尾矿废渣Cu、U、Zn、Mn、As、Ni、Co、Mo等

第56页，共99页，2023年，2月20日，星期四浸矿微生物

菌种主要生理特性最佳pH氧化铁硫杆菌Fe2+Fe3+、S2O32-SO42-

2.5~5.3氧化铁杆菌Fe2+Fe3+

3.5氧化硫铁杆菌

SSO42-、

Fe2+Fe3+

2.8氧化硫杆菌

SSO42-、

S2O32-SO42-

2.0~3.5聚生硫杆菌

SSO42-、

H2SSO42-

2.0~4.0均为硫杆菌属，都属于化能自养菌，能在较高温度和较强酸性环境中生长。第57页，共99页，2023年，2月20日，星期四浸矿机理

化学反应说

直接作用说

化学反应说认为细菌的作用在于生产优良浸出剂H2SO4和Fe2（SO4）3，金属的溶解则是纯的化学反应过程。附着于矿物表面的细菌能通过酶活性直接催化矿物而使矿物氧化分解，并从中直接得到能源和其他矿物营养元素满足自身生长需要。第58页，共99页，2023年，2月20日，星期四化学反应说认为细菌的作用在于生产优良的浸出剂H2SO4和Fe2(SO4)3:2S+3O2+2H2O2H2SO44FeSO4+2H2SO4+O22Fe2(SO4)3+2H2O金属的溶解浸出是纯化学反应过程：Cu2S+Fe2(SO4)32FeSO4+CuSO4+CuSCuS+Fe2(SO4)32FeSO4+CuSO4+S氧化硫杆菌氧化铁硫杆菌第59页，共99页，2023年，2月20日，星期四直接作用说：细菌通过酶活性直接作用矿物表面使矿物氧化分解：Cu2S+H2SO4+5/2O22CuSO4+H2O细菌第60页，共99页，2023年，2月20日，星期四细菌浸出工艺

浸出喷洒法灌溉法垂直管法均匀分布pH<2

金属回收循环浸出置换电积其它金属

菌液再生pH再生池

第61页，共99页，2023年，2月20日，星期四细菌浸出影响因素

微生物因素：菌种、细菌适应性、培养基的成分及氧和碳（氮、磷、能源、氧和二氧化碳）、有害组分和抑制组分、铁离子等物理因素：PH值、温度、氧化还原电位等工艺技术因素：矿石粒度、矿浆浓度等其他因素：表面活性剂、光照、金属离子、渗透压等第62页，共99页，2023年，2月20日，星期四浸出处理放射性废渣

利用细菌浸出放射性废渣可以回收核燃料。这些细菌包括：氧化硫杆菌、氧化铁杆菌、氧化铁硫杆菌。浸出过程：2S+3O2+2H2O2H2SO42FeS2+2H2O+7O22FeSO4+2H2SO4

4FeSO4+2H2SO4+O22Fe2(SO4)3+2H2OUO2+Fe2(SO4)3UO2SO4+2FeSO43U3O8+9H2SO4+3/2O29UO2SO4+9H2O氧化硫杆菌氧化硫杆菌氧化铁硫杆菌第63页，共99页，2023年，2月20日，星期四浸出处理放射性废渣

第64页，共99页，2023年，2月20日，星期四第四节其它生物技术

蚯蚓床技术

蚯蚓

农林废物、城市生活垃圾、污水厂污泥

蚯蚓粪

微生物

分解、半分解有机质

蚯蚓床

第65页，共99页，2023年，2月20日，星期四固体废弃物的蚯蚓分解处理是根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有机物质分解转化的功能而在垃圾发酵处理的基础上发展起来的一项主要针对农业废弃物、城市有机生活垃圾和污水厂污泥的生物处理技术。由于蚯蚓分布广、适应性强、繁殖快、抗病力强、养殖简单，可以大规模进行饲养与野外自然增殖。因此，利用蚯蚓处理固体废弃物是一种投资少，见效快，简单易行且效益高的工艺方法。蚯蚓处理固体废弃物的过程实际上是蚯蚓和微生物共同处理的过程。二者构成了以蚯蚓为主导的蚯蚓—微生物处理系统。在此系统中，蚯蚓直接吞食垃圾，经消化后，可将垃圾中有机物质转化为可给态物质，这些物质同蚯蚓排出的钙盐与黏液结合即形成蚓粪颗粒，蚓粪颗粒是微生物生长的理想基质。另一方面微生物分解或半分解的有机物质是蚯蚓的优质食物，二者构成了相互依存的关系，共同促进有机固体废弃物的分解。

第66页，共99页，2023年，2月20日，星期四蚯蚓的特性：蚯蚓是杂食性动物，喜欢吞食腐烂的落叶、枯草、蔬菜碎屑、作物秸秆、畜禽粪及居民的生活垃圾。蚯蚓消化力极强，它的消化道分泌蛋白酶、脂肪分解酶、纤维素酶、甲壳酶、淀粉酶等，除金属、玻璃、塑料、橡胶外，几乎所有的有机物质都可被它消化。

收集垃圾

机械分选

有机碎块

蚯蚓转化

放置蚯蚓

筛

选

玻

璃

金

属

塑

料

纸

张

蚯

蚓

蚓

粪

待处理料分堆

第67页，共99页，2023年，2月20日，星期四蚯蚓床技术

垃圾预处理

垃圾分离

收集堆料、最终产品处理

垃圾堆放

Successfactors

蚯蚓处理工艺

放置蚯蚓

添加有益微生物

料堆状况检查

第68页，共99页，2023年，2月20日，星期四蚯蚓床技术

温度<30℃湿度60%~70%

消化彻底、肥效高减容效果好过程安全可获大量蚯蚓体蚯

蚓

特

点

第69页，共99页，2023年，2月20日，星期四1、蚯蚓在垃圾处理中的作用：

①蚯蚓对垃圾中的有机物质有选择作用；

②通过沙囊和消化道，蚯蚓具有研磨和破碎有机物质的功能；③垃圾中的有机物通过消化道的作用后，以颗粒状结构排出体外，利于与垃圾中其他物质的分离；

④蚯蚓活动改善垃圾中的水气循环，同时也使得垃圾和其中的微生物得以运动；

⑤蚯蚓本身通过同化和代谢作用使得垃圾中的有机物质逐步降解，并释放出可为植物所利用的N、P、K等营养元素。

⑥可以非常方便地对整个垃圾处理过程及其产品进行毒理监察。

第70页，共99页，2023年，2月20日，星期四2、农业废弃物的蚯蚓处理技术

(1)农业废弃物的种类及性质

农业废弃物主要是指各种农作物的秸杆、皮壳、藤蔓、牧草残渣、树叶、花卉残枝、蔬菜瓜果等。农业废弃物均属于碳水化合物，其主要成分有纤维素、半纤维素、木质素、戊聚素等，此外还含有一定量的粗蛋白、粗脂肪等。例如，作物残体一般含纤维素30%～45%，半纤维素16%～27%，木质素3%～13%。因此，农业废弃物都能被蚯蚓分解转化，而形成优质有机肥料。

第71页，共99页，2023年，2月20日，星期四

(2)农业废弃物的蚯蚓处理

①农业废弃物的发酵腐熟

a.废弃物的预处理:将杂草树叶、稻草、麦秸、玉米秸秆、高粱秸秆等铡切、粉碎成1厘米左右；蔬菜瓜果、禽畜下脚料要切剁成小块，以利于发酵腐烂。

b.发酵腐熟废弃物的条件:第一，良好的通气条件。第二，适当的水分。第三，微生物所需要的营养。第四，料堆内的温度度。第五，料堆的酸碱度。

第72页，共99页，2023年，2月20日，星期四

c.堆制发酵

第一，预湿：将植物秸秆浸泡吸足水分，预堆10～20小时。干畜禽粪同时淋水调湿、预堆。

第二，建堆：原料为植物秸秆40%、粪料60%和适量的土。先在地面上按2米宽铺一层20～30厘米的湿植物秸秆，接着铺一层约为3～6厘米的湿畜禽粪；然后再铺厚约6～9厘米的植物秸秆、3～6厘米的湿畜禽粪。这样按植物秸秆、粪料交替铺放，直接铺完为止。堆料时，边堆料边分层浇水，下层少浇，上层多浇，直到堆底出水为止。料堆应松散，不要压实，料堆高度1米左右。料堆呈梯形、龟背形或圆锥形，最后堆外面用塘泥封好或用塑料薄膜覆盖，以保温保湿。

第73页，共99页，2023年，2月20日，星期四

第三，翻堆：堆制后第二天堆温开始上升，4～5天后堆内温度可达60℃～70℃。待温度开始下降时，要翻堆进行二次发酵。翻堆时要求把底部的料翻到上部，边缘的料翻到中间，中间的料翻到边缘，同时充分拌松、拌和，适量淋水，使其干湿均匀。第一次翻堆7天后，再进行第二次翻堆，以后隔6天、4天各翻堆一次，共翻堆3～4次。

第74页，共99页，2023年，2月20日，星期四

②发酵腐熟料的蚯蚓分解转化

a.物料腐熟程度的鉴定:废弃物堆沤发酵30天左右，需要鉴定物料的腐熟程度，发酵腐熟的物料应满足下列条件：①无臭味、无酸味；②色泽为茶褐色；③手抓有弹性，用力一拉即断；④有一种特殊的香味。

b.投喂前腐熟料的处理:①将发酵好的物料摊开混合均匀，然后堆积压实，用清水从料堆顶部喷淋冲洗，直到堆底有水流出。②检查物料的酸碱度是否合适，一般pH在6.5~8.0都可以使用，过酸可添加适量石灰，碱度过大用水淋洗。③含水量需要控制在37%~40%，即用手抓一把物料挤捏，指缝间有水即可。第75页，共99页，2023年，2月20日，星期四

c.蚯蚓对腐熟料的分解转化:经过上述处理的物料先用少量蚯蚓进行饲养试验，经1~2昼夜后，如果有大量蚯蚓自由进入栖息、取食，无任何异常反应，即可大量正式喂养

d.蚯蚓和蚯蚓粪的分离：在废弃物的蚯蚓处理过程中要定期清理蚯蚓粪并将蚯蚓分离出来，这是促进蚯蚓正常生长的重要环节。

第76页，共99页，2023年，2月20日，星期四

3、畜禽粪的蚯蚓处理技术

当前对畜牧废弃物进行无害化处理的方法很多，而利用蚯蚓的生命活动来处理畜禽粪是很受人们欢迎的一种方法，此方法能获得优质有机肥料和高级蛋白质饲料，不产生二次污染，具有显著的环境效益、经济效益和社会效益，符合社会经济的可持续发展要求，是一种很有发展前途的畜禽废弃物处理方法。适合用蚯蚓处理的畜牧废弃物有马粪、牛粪、猪粪、兔粪、羊粪、禽粪。许多试验研究结果表明，畜禽粪便经过一定的熟化处理后，可以单独饲喂蚯蚓进行分解转化。也可以将畜禽粪便与农业废弃物、食品加工废弃物、原木或木材加工废弃物等按一定比例混配，经过一定时间的发酵腐化处理后，用蚯蚓进行分解转化处理。第77页，共99页，2023年，2月20日，星期四

4、蚯蚓对固体废弃物中重金属的富集

蚯蚓对某些重金属具有很强的富集作用则可以利用蚯蚓来处理含这类重金属的废弃物，从而实现重金属污染的生物净化。

在蚯蚓处理废弃物的过程中，废弃物中的重金属可被摄入蚯蚓体内，通过消化过程，一部分重金属会蓄积在蚯蚓体内，其余部分则排泄出体外。蚯蚓对镉有明显的富集作用，且对不同重金属有着不同的忍受能力。当某一种重金属元素的浓度超过蚯蚓的耐受极限时，它就会通过排粪或其他方式排出体外。

第78页，共99页，2023年，2月20日，星期四利用蚯蚓处理固体废弃物的优点及其局限性

1、优点

①其过程为生物处理过程，无不良环境影响，对有机物消化完全彻底，其最终产物较单纯堆肥具有更高的肥效；

②使养殖业和种植业产生的大量副产物能合理地得到利用，避免资源浪费；

③对废弃物减容作用更为明显，室验表明，单纯堆肥法减容效果一般为15%-20%，经蚯蚓处理后，其减容效果可超过30%；

④除获得大量高效优质有机肥外，还可以获得由废弃物中生产的大量蚓体。

第79页，共99页，2023年，2月20日，星期四

2、

局限性

在利用蚯蚓处理废弃物中，通常选用那些喜有机物质和能忍受较高温度的蚯蚓种类，以获得最好的处理效果。但即使是最耐热的蚯蚓种类，温度也不宜超过30℃，否则蚯蚓不能生存。另外，蚯蚓的生存还需要一个较为潮湿的环境，理想的湿度为60%～70%。因此在利用蚯蚓处理固体废弃物时，应该从技术上考虑到避免不利于蚯蚓生长的因素，才能获得最佳的生态和经济效益。

第80页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物净化技术

微生物对污染物净化的特点：微生物对环境中的物质具有强大的降解转化能力，主要因为微生物具有如下一些特点：(1)个体微小，比表面积大，代谢速率快；(2)种类繁多，分布广泛，代谢类型多样；(3)繁殖快，易变异，适应性强；(4)具有多种降解酶；(5)具有巨大的降解能力；(6)具有共代谢作用。说明第81页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物净化技术

微生物对污染物的吸收：微生物个体微小，生物量大，比表面积特别大，因而对污染物具有很强的吸收与吸附能力。吸收过程与吸附过程不同，吸收是生物的主动过程，主动以某种方式获取该物质。微生物细胞吸收污染物有多种不同的机制，通过细胞膜离子交换作用是吸收污染物质的主要途径。大部分被吸收的物质可以在微生物细胞体内进行代谢，污染物质可以在代谢过程中发生某种变化，被降解、被氧化、被还原、被脱除某些取代基等等。吸收的逆过程就是排泄，细胞吸收某种污染物质并经过代谢以后，其代谢物必须被再转运至细胞体外。吸收、代谢与排泄构成一个完整的代谢过程，大多数时候污染物质就在这个过程中被降解。第82页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物净化技术

微生物对污染物降解与转化的途径：污染物在环境中的降解途径有多种，有物理降解、化学降解、生物降解。生物降解（Biodegradation）是指由于生物的作用，把污染物大分子转化为小分子，实现污染物的分解或降解。其中作用最大的生物类群是微生物，所以又可称为微生物降解。微生物在环境中与污染物发生相互作用，通过其代谢活动，会使污染物发生氧化反应、还原反应、水解反应等多种生理生化反应。这些反应的进行，可以使绝大多数的污染物质，特别是有机污染物质发生不同程度的转化、分解或降解。第83页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物净化技术

微生物对污染物降解转化的影响因素①微生物的代谢活性:微生物本身的代谢活性是其对污染物降解转化的主要影响因素，包括微生物的种类和生长状况等。不同种类的微生物对同一有机污染物或有毒金属反应不同。②微生物的适应性:微生物的适应性对于污染物质的降解转化是非常重要的，一般微生物都具有较强的适应和被驯化的能力，通过适应过程，为野生微生物难以降解的新合成化合物能诱导必需的降解酶的合成；或由于微生物的自发突变而建立新的酶系；或虽不改变基因型，但显著改变其表现型，进行自我代谢调节、来降解转化污染物。第84页，共99页，2023年，2月20日，星期四微生物净化技术

③有机化合物的结构特征:物质的化学结构是该有机化合物能否被微生物降解重要因素之一。结构简单的有机化合物比结构复杂的易降解，分子量小的比分子量大的易降解，聚合物和复合物更能抵抗生物的降解。④环境因素:环境条件影响微生物生长繁殖的速率，因此，它直接影响到微生物对污染物的降解转化速度和程度。第85页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

矿山开采对生态环境的影响1.矿山开采对地形的影响：不同的开采方式对地形影响的程度和表现形式是不同的。露天开采会导致水土流失。地下开采引起地层的变形，裂缝甚至塌陷，此外还有固体废物堆砌。2.矿山开采对土壤的影响：引起土壤侵蚀：土地退化、荒漠化、占据水库库容、填充湖泊、池塘，堵塞水道；破坏水生群落；产生的混合物减小水的再生性并降低可见度。能造成土壤污染、土壤酸化等。

3.矿山开采对水文的影响：改变了地表水、地下水的径流条件，改变水质，造成水体污染。4.矿山开采对生物群落和生态系统的影响：干扰生物群落的环境而使生物群落发生演替变化，还直接作用于生物上，导致生物死亡、病变等。5.矿山开采对人体健康和社区安全的影响：①造成人员伤亡；②噪声污染；③大气污染；由爆破造成伤害；④水体污染。

第86页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

矿山生态重建是指对采矿引发的结构缺损、功能失调的极度退化的生态系统，借助人工支持和诱导，对其组成、结构和功能进行超前性的计划、规划、安排和调控，同时对逐渐逼近最终目标这一逆向演替过程中可能出现的各种问题，进行跟踪评价并匹配相应的技术措施，最终重建一个符合代际需求和价值取向的可持续支持的生态系统。第87页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

矿山生态重建的原则

生态重建是恢复生态学的一大内容，着重强调重建，重建的生态系统应该是社会—经济—自然的复合生态系统。

1)前瞻性原则；

2)主动性原则；

3)协调性原则；

4)高效性原则；

5)三效益原则。矿山生态重建的原则

第88页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

生态重建技术

(1)尾矿的综合利用①废弃物中进一步回收有价元素:随着选矿技术的不断发展，过去不能或容易忽略的矿石共生组分，现在可以或容易回收，这样既降低了成本，又减少环境污染。②作为二次资源制取新形态物质:把矿山废弃物及尾矿等二次资源进行物质转换，不仅能变害为利，更能降低有毒、有害物质对人类造成的伤害。③用做井下采空区的充填材料:要求对采空区用废石与尾矿作为充填材料进行一定充填，不仅能节省费用，还能减少环境污染。

第89页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

生态重建技术

(2)水土保持

大力开展水土保持工作对于保护土地，提高土地生产力，降低水污染以及恢复和重建区域生态环境起着至关重要的作用。①生物措施:选择适宜的树种、草种和林草种植是重建和恢复矿区生态系统的关键。②工程恢复措施:工程措施是水土流失治理的重要组成部分。所谓工程措施，是指坡改梯工程及水系配套工程治理水土流失。针对矿区水土流失的工程措施主要有：泥石流排导沟和坑、排土场复垦。

第90页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

生态重建技术

(3)土壤治理①客土、排土法:主要针对重金属污染大多集中于地表数厘米或较浅层。客土法是在被污染的土壤上覆盖上非污染土壤；排土法是部分或全部挖去污染土壤而换上非污染土壤。②物理处理法:经过人工改良后的土壤，在植物生长一段时间后会变得粘重不透气，从而限制了根系的发展。解决的办法可以增加冰川冻土类矿物。实践中，一项重要的措施是生物改良土壤物理性质，即引进蚯蚓。③化学改良法:有机肥对各种污染物的作用在不同土壤中的表现不一，在施加有机肥时应根据不同的土壤慎重对待，根据科学研究并结合实践，施加适当和适量的有机肥。第91页，共99页，2023年，2月20日，星期四生态处理技术

生态重建技术

(4)植被恢复生态系统的恢复应该以最少的投入，最短的时间而获得最大效益为前提。首先对污染元素进行分析，再对土壤的物化、生化性质进行分析，查明土壤的pH值、土表水、通气性、土壤氮素及土壤温度等，进而选择树种。(5)生物恢复法不同的微生物对不同的污染物也有一定的适应性。微生物系统的恢复不仅要恢复该地区原有的生态，而且要接种其他微生物，以除去或减少污染物，因此必须选择适宜的微生物进行接种。第92页，共99页，202