固体废物的生物处理课件

生物处理：指直接或间接利用生物体的机能，对固体废物的某些组成进行转化以建立降低或消除污染物产生的生产工艺，或者能够高效净化环境污染，同时又生产有用物质的工程技术。作用：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）或植物的新陈代谢作用，固体废物（通过不同工艺分解废物中的有机质）可转换成有用的物质或能源，实现有机废物的减量化、资源化和无害化，即变废为宝，又解决环境污染。处理方法微生物浸出微生物浸出：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。好氧堆肥处理堆肥化（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。厌氧消化处理厌氧消化：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成CH4和CO2的过程其他生物法有机固体废物的蚯蚓处理技术利用废弃物生产单细胞蛋白的资源化技术……一、堆肥化的基本原理与影响因素（重点）好氧堆肥的原理好氧堆肥：是在有氧条件下，依靠好氧微生物（主要是好氧细菌）的作用，使堆肥原料中的有机物发生一系列热分解反应，生成简单而稳定的腐殖质的过程。生成的产品叫做堆肥(Compost)。它是一类棕色的、泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为“腐殖土”。好氧堆肥的原理在堆肥化过程中，有机废物中的可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收，而不溶的胶体有机物质，先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质，再渗入细胞。好氧堆肥基本原理示意图可用下列关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解总的关系式：CsHtNuOv·aH2O+bO2→CwHxNyOz·cH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量由于堆温较高，部分水以蒸气形式排出。堆肥成品CwHxNyOz·cH2O与堆肥原料CsHtNuOv·aH2O之比为0.3~0.5（这是氧化分解减量化的结果）。通常可取如下数值范围：w=5~10,x=7~17,y=1,z=2~8。好氧堆肥的原理有机物的氧化不含氮的有机物（CxHyOz）

CxHyOz+(x+1/4y-1/2z)O2→xCO2+1/2yH2O+能量含氮的有机物(CsHtNuOv•aH2O)

CsHtNuOv•aH2O+bO2→CwHxNyOz•cH2O(堆肥)+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量细胞质的合成（包括有机物的氧化，以NH3为氮源）

nCxHyOz+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5)O2→C5H7NO2(细胞质)+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量细胞质的氧化

C5H7NO2(细胞质)+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量好氧堆肥的原理好氧堆肥的过程（重点）好氧堆肥的影响因素化学因素①C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1较好，最佳为25:1~35:1;C/P比在75~150为宜。为保证成品肥料中的C/N比为(10～20):1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多为35:1。②氧浓度:适宜的氧浓度为18%，最低不应小于8%。③营养元素:足够的K和微量元素对于微生物的新陈代谢是必须的，一般它们不是限制条件。④pH值:堆肥微生物最佳的pH=7.5~8.5。好氧堆肥的影响因素物理因素①温度:一般认为最佳温度在50~65℃之间。②颗粒尺寸:适宜的粒径范围是12~60mm。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%。二、好氧堆肥的工艺（重点）1、前处理以城市生活垃圾为堆肥原料时,包括破碎、分选、筛分等工序；以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常或快速进行。降低水分、增加透气性、调整碳氮比的主要方法是添加有机调理剂和膨胀剂。2、主发酵（一次发酵）将堆肥化物料温度升高到开始降低为止的阶段，称为主发酵阶段（或主发酵期）。堆肥过程的中温阶段和高温阶段，时间约4～12天。二、好氧堆肥的工艺（重点）3、后发酵（二次发酵）将主发酵尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解，使之变成腐殖酸、氨基酸等较稳定的有机物，得到完全成熟的堆肥制品。也称为熟化阶段，堆肥过程的腐熟阶段，发酵时间通常在20～30天。4、后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。二、好氧堆肥的工艺（重点）5、脱臭化学除臭剂除臭；碱水和水溶液过滤；熟堆肥或活性炭、沸石等吸附剂吸附除臭。6、贮存堆肥一般在春秋两季使用，夏冬两季生产的堆肥只能贮存，所以要建立可贮存6个月生产量的库房。贮存方式可直接堆存在二次发酵仓中或袋装，要求干燥而透气。三、堆肥的质量控制指标发酵周期与堆肥腐熟度的概念发酵周期：指固体废物经好氧发酵过程由原材料成为稳定无害的堆肥产品所需要的时间。堆肥发酵周期的长短是评价堆肥工艺好坏的一个重要指标。碳氮比、通风量、温度和水分等是否处于最佳条件均能使发酵周期受到直接影响。传统的静态堆肥法，依靠自然通风和翻堆来实现好氧堆肥的全过程，因此，发酵周期需时2~3个月，有时甚至长达半年。而目前一些高效快速动态堆肥技术，可使堆肥发酵周期控制在7d以内，有的一次发酵时间仅需2~3d。发酵周期与堆肥腐熟度的概念堆肥腐熟度：堆肥腐熟度是指成品堆肥的稳定程度。在工程上，它是衡量堆肥反应完成的信号，在农业上，它是堆肥质量的指标。腐熟度的基本含义是：（1）通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化，亦即不对环境产生不良影响；（2）堆肥产品的使用不影响作物的成长和土壤耕作能力。方法参数或项目物理法（表观鉴别）1.温度；2.颜色；3.气味；4.质地化学方法碳氮比（C/N）；氮化合物（总氮、NH4-N、NO3-N、NO2-N）；3.阳离子交换量（CEC）4.有机化合物（水溶性或可浸提有机碳、还原糖、脂类等化合物、纤维素、半纤维素、淀粉等）5.腐殖质（腐殖质指数、腐殖质总量和功能基团）生物活性法1.耗氧速率；2.微生物种群和数量；3.酶学分析；植物毒性分析法1、种子发芽2、植物生物量卫生学检测致病微生物指标等评估成熟堆肥的常用方法、指标和参数表观鉴别法（物理）①温度：与环境温度趋于一致，不再有明显变化②气味：具有潮湿泥土的气味。③颜色：黑褐色或黑色。④质地：质地疏松，手捏之成团，松之即散；草茎树叶之类用手一拉即断。评估成熟堆肥的常用方法、指标和参数化学方法①碳氮比：a、堆肥的固相C/N值从初始的25~30:1降低到15~20:1以下。b、T=(终点C/N)/(初始C/N)<0.6。②氮化合物：随着堆肥化过程进行，氨态氮(NH4-N)↓和硝态氮(NO3-N)↑，完全腐熟的堆肥，氮基本上以硝酸盐形式存在，未腐熟的堆肥则含氨，而基本不含硝酸盐。目前尚未得出一个具体指标，只能相对比较。③阳离子交换量(CEC)：阳离子交换量(CEC)能反应有机质的降低程度，是堆肥的腐殖化程度及新形成的有机质的重要指标，可作为评价腐熟度的参数。对城市垃圾堆肥，建议CEC>60mmol/100g样品时，作为堆肥腐熟的指标。评估成熟堆肥的常用方法、指标和参数化学方法④有机化合物：在堆肥过程中，糖类首先消失，接着是淀粉，最后是纤维素。纤维素、半纤维素、脂类等经过成功的堆肥过程，可降解50％~80％，蔗糖和淀粉的利用接近100％。一般认为，淀粉的消失是堆肥腐熟的标志，且它可用淀粉点状检测器来检测。但是，堆肥物料中淀粉的存在并不多，被检测的也只是物料中可腐烂物质的一部分。所以完全腐熟的、稳定的堆肥产品，以检不出淀粉为基本条件，但是检不出淀粉并不一定表示堆肥已腐熟。评估成熟堆肥的常用方法、指标和参数化学方法⑤腐殖质：用NaOH提取的腐殖质(HS)可分为胡敏酸/腐殖酸(HA)、富里酸(FA)及未腐殖化的组分(NHF)。堆肥开始时一般含有较高的非腐殖质成分及FA，较低的HA，随着堆肥过程的进行，FA保持不变或稍有减少，而HA大量产生，成为腐殖质的主要部分。一些腐殖质参数相继被提出，如腐殖化指数(HI)：HI=HA/FA；腐殖化率(HR)：HR=HA/(FA+NHF)。当HI值达到3，HR达到1.35时堆肥已腐熟。评估成熟堆肥的常用方法、指标和参数厌氧消化（厌氧发酵）：是指在厌氧状态下利用厌氧微生物使固体废物中的有机物转化为CH4和CO2的过程，或称厌氧发酵/沼气发酵。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。优点过程可控、降解快、生产过程全封闭资源化效果好（甲烷/沼气）易操作产品稳定，可作农肥、饲料或堆肥化原料无传染性缺点会产生恶臭（H2S等）效率低，设备体积大一、厌氧消化原理厌氧分解微生物水解菌——是由一个十分复杂的混合发酵菌群将复杂的有机物水解，并进一步分解为以有机酸为主的简单产物，称为水解菌。产甲烷菌——为绝对厌氧的细菌，可将有机酸转变为甲烷。有机物厌氧消耗过程总反应式有机物+H2O+营养物细胞物质+CH4↑+CO2↑+NH3↑+H2↑+H2S↑+……+抗性物质+热量有机物的厌氧发酵分解堆肥有机物微生物细胞物质有机酸、醇类、CO2、NH3、H2S等，能量，微生物细胞物质CO2、CH4等、能量两段理论（重点）将厌氧发酵分为产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。如下图所示一、厌氧消化原理三段理论（重点）1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为水解、产酸、产甲烷三个阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌。一、厌氧消化原理有机物的厌氧发酵过程（三段理论）四段理论（重点）①水解阶段：复杂有机物(纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪)被发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶）(纤维素酶、纤维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解为水溶性简单化合物。限制整个过程速度。④甲烷化阶段：乙酸和H2被甲烷细菌(乙酸分解甲烷细菌和H2氧化甲烷细菌)利用生成甲烷。②发酵酸化阶段：发酵细菌对水解产物进行胞内代谢，主要产生有机酸和醇类（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），还有CO2、NH3、H2S、H2。③产氢产乙酸阶段(厌氧氧化阶段):专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段产生的有机酸和醇类生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸细菌将H2和

CO2合成乙酸。二、厌氧消化的影响因素（重点）厌氧条件：严格的厌氧环境，正常应维持氧化还原电位（Eh）在-300mv左右。原料配比：C/N比以（20-30）:1为宜。过小，氮过剩，抑制产甲烷菌；过大，氮不足，影响产气。P含量为有机物的1/1000为宜。温度：影响产气，40～65℃范围。过低，反应速率低，卫生不易达标；过高，微生物休眠。pH值：影响微生物活性，水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为5~6.5，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.6~7.5之间。在产酸产甲烷阶段，pH值控制在6.5～7.5之间，在7.0～7.2最佳。二、厌氧消化的影响因素（重点）添加物和抑制剂：添加—K\Na\Mg\Zn\P，硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、碳酸钙、炉灰—促进；氮化合物过多，如蛋白质、氨基酸、尿素，或Cu\Zn\Cr\CN-—抑制。接种物：添加接种物，一般要求菌种量达到料液量的5%以上。搅拌：分布均匀三、厌氧消化工艺厌氧系统：预处理、厌氧消化反应器、消化器净化与贮存、消化液与污泥分离、处理与利用。根据消化温度划分工艺类型高温消化工艺：最佳温度是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。过程：培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅拌消化物料。自然温度消化工艺：目前我国农村都采用这种消化工艺。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。

故消化周期须视季节和地区的不同加以控制。自然温度半批量投料沼气消化工艺流程三、厌氧消化工艺根据投料转运方式划分工艺类型连续消化工艺：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浓度。半连续消化工艺：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叫稳定的产气率。农村较适用。三、厌氧消化工艺根据投料转运方式划分工艺类型根据投料转运方式划分工艺类型两步消化工艺：产气过程分为两个阶段（产酸、产甲烷），两个容器进行；第一个容器水解和液化有机物为有机酸，缓冲和稀释负荷冲击与有害物质；第二容器保持严格的厌氧和pH值条件，有利甲烷菌的生长、消化、降解来自前段的产物，产生甲烷含量高的消化气，截留悬浮固体，改善出料性质。三、厌氧消化工艺四、厌氧消化装置厌氧消化池亦称厌氧消化器。分类：按消化间结构形式：圆形池、长方形池按贮气方式：气袋式、水压式、浮罩式水压式消化池：水压式消化池具有结构简单、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（或方形）甲烷消化池：气体贮藏室与消化室想通，位于消化室的上方，设一贮水库来调节气体贮藏室的压力。水压式消化池水压式沼气池示意图长方形甲烷消化池长方形消化池四、厌氧消化装置红泥塑料沼气池：批量进料。半塑性沼气池两模全塑性沼气池袋式全塑性沼气池干湿交替消化沼气池红泥塑料沼气池袋式全塑沼气池干湿交替消化沼气池现代化大型工业消化设备半塑式沼气池两模全塑式全塑沼气池红泥塑料沼气池一、概述——历史回顾1887年：发现细菌能把S单质氧化成硫酸1922年：成功利用细菌浸出ZnS1947年：发现一种细菌能把Fe2+氧化成Fe3+，还有一种细菌能把S/还原性硫化物氧化成硫酸（氧化铁硫杆菌）。1954：发现氧化铁硫杆菌的高效性。1958：专利申请。最近几十年，快速发展的工业应用：贫矿、尾矿废渣（Cu），其他金属——Zn、Mn、As、Ni、Co、Mo二、细菌浸出机理浸矿细菌浸矿细菌及主要生理特性浸出机理二、细菌浸出机理化学反应说：认为细菌的作用在于生产优良浸出剂H2SO4和Fe2(SO4)3，主要反应：金属的溶解则是纯的化学反应过程，代表反应：浸出机理二、细菌浸出机理直接作用说：附着于矿物表面的细菌能通过酶活性直接催化矿物而是矿物氧化分解，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。可能的反应：三、细菌浸出工艺浸出：布液方法：喷洒法、灌溉法、垂直管法、滴灌法等。操作控制：①均匀分布；②控制pH＜2。金属回收：循环浸出，浸出液Cu↑，置换/萃取电积回收。注意其他金属。菌液再生：自行氧化；再生池培养（调pH、加营养液、鼓空气、控制Fe3+含量）。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。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。五、细菌浸出处理放射性废渣细菌浸出放射性废渣处理工艺图主要利用氧化硫杆菌、氧化铁杆菌和氧化铁硫杆菌处理，细菌通过选种→驯化→扩大，几步进行培养制取。这里主要介绍蚯蚓处理有机固体废物的相关技术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，可以大规模进行饲料与野外自然增殖。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，可将垃圾中有机物转化成可给态物质，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货半分解的有机物质是蚯蚓的优食物质，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。蚯蚓的特性：蚯蚓是杂食性动物，喜欢吞食落叶、枯草、蔬菜碎屑、作物桔梗、禽畜粪便及居民生活垃圾。蚯蚓消化力强，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、塑料外，几乎所有的有机物质它都可以消化。一、生活垃圾的蚯蚓处理技术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渐降解，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。蚯蚓处理生活垃圾的工艺流程蚯蚓处理垃圾处理的工艺流程：①预处理；②分离；③堆放；④放置蚯蚓；⑤检查正在转化的料堆状况；⑥收集料堆和最终产品的处理；⑦添加有益微生物。蚯蚓处理垃圾处理的物料配比：实验表明，用于蚯蚓处理的城市生活垃圾中的有机成分含量需＞40%。二、农业废弃物的蚯蚓处理技术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秆、皮壳、藤蔓、牧草残渣、树叶、花卉残肢、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