第六章 固体废物的生物处理.ppt

1、固体废物的生物处理,基本概念,什么是生化降解？ 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肥料、沼气或其他化学转化品，如饲料蛋白、乙醇或糖类，从而达到固体废物无害化的一种处理方法。,生物降解的意义,对城市固体废物进行处理，实现稳定化、无害化 减轻城市垃圾的大量堆积，影响市容 促进自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一 生产堆肥来施肥、改造土壤，回归农田生态系统 将大量有机固体废物通过各种工艺转换成有用的物质和能源 产生沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质,生物处理的分类,好氧生物处理 在提供游离氧的条件下，以好氧微生物为主使有机物降解、稳定的无害化

2、处理 厌氧生物处理 没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主对有机物进行降解、稳定的无害化处理,生物处理的应用,堆肥化 固体废物堆肥处理，可生产有机肥，改善土壤性能和提高肥力，维持农作物高效高产。 沼气 在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度条件下，经过多种微生的发酵作用产生的以甲烷为主的气体混合物。 污泥厌氧消化、填埋场生物降解产生沼气,微生物对固体废物的转化,纤维素的生物转化 半纤维素的转化 果胶质的转化 淀粉的生物转化 脂肪类物质的生物转化 蛋白质的生物转化 木质素的生物降解,纤维素的生物转化,分子式(C6H10O5)140010000,有机固体废物的重要成分。 分解微生物：细菌、放线菌、真

3、菌 降解过程,纤维素,纤维二糖,葡萄糖,CO2+H2O,丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2,丁酸+乙酸+CO2+H2,纤维素酶,纤维二糖酶,氧化酶,丙酮-丁醇发酵,丁酸发酵,半纤维素的生物转化,存在于植物细胞壁中，含量很高 一般由聚戊糖、聚已糖和聚糖醛酸等组成 也有由木聚糖、半乳糖或粮醛等组成 分解速度比纤维素快,半纤维素,单糖+糖醛酸,CO2+H2O,发酵的种产物,+H2O,聚糖酶,好氧分解,厌氧分解,果胶质的转化,天然不溶性物质，高等植物的主要成分 主要由D-半乳糖醛通过-1,4-糖苷键连接而成的直链高分子化合物 分解微生物有好氧菌(枯草杆菌、多粘芽孢杆菌)、厌氧菌(蚀果胶梭菌、费新尼亚浸麻梭

4、菌)、真菌(青霉、曲霉、木霉)和放线菌,原果胶+H2O,可溶性果胶+聚戊糖,原果胶酶,可溶性果胶+H2O,果胶酸+甲醇,果胶酸+H2O,半乳糖醛酸,果胶甲脂酶,聚半乳糖酶,淀粉的生物转化,一种多糖，分子式(C6H10O5)1200 异养微生物的能源和碳源,淀粉,糊精,麦牙糖,葡萄糖,CO2+H2O,乙醇+CO2,丙酮+丁醇+乙酸+CO2+H2,丁酸+乙酸+CO2+H2,糊精酶,麦牙糖苷酶,葡萄糖苷酶,好氧分解,厌氧分解,丙酮-丁醇发酵,丁酸发酵,脂肪类物质的生物转化,脂肪,甘油+高级脂肪酸,类脂质,甘油或其他醇类+高级脂肪酸,蜡质,高级醇+高级脂肪酸,+H2O,脂肪酶类,+H2O,磷脂酶类,+

5、H2O,酯酶类,蛋白质的生物转化,生物体的一种主要组成物质和营养物质 存在工业废水、生活污水和城市生活垃圾 分解有两个阶段：胞外水解和胞内分解 分解微生物主要有：好氧细菌、兼性厌氧菌、厌氧菌、真菌和放线菌,蛋白质,蛋白胨,多肽,氨基酸,蛋白酶 (内肽酶),蛋白酶 (内肽酶),肽酶 (内肽酶),木质素的生物降解,高分子芳香族聚合物，存于植物组织细胞壁中 结构十分复杂，最难分解 由木质素降解菌先降解为芳香族化合物，再由多种微生物继续分解。,固体废物的堆肥化,堆肥化(Composting) 在控制条件下，利用自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，促进来源于生物的有机废物发生生物稳定作用，使可被

6、生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程。 堆肥 废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥。 它是一类腐殖质含量很高疏松物质，也称腐殖土。废物经过堆制，体积一般只有原体积的5070%。,堆肥产品质量要求,粒度 农用堆肥产品粒度 12mm 山林果园用堆肥产品粒度 50mm 含水率 35% pH值 6.58.5 全氮 以N计，0.5%,堆肥产品质量要求,全磷 以P2O5计，1.0% 全钾 以K2O计，10% 有机质 以C计，10% 重金属含量 总镉3mg/kg 总汞5mg/kg 总铅100mg/kg 总铬300mg/kg 总砷30mg/kg,堆肥作用,土质松软，多孔隙，易耕作，增加保水性、透

7、气性及渗水性，改善土壤的物理性能。 保住土壤养分提高保肥能力。 螯合作用 缓冲作用 调节植物生长的作用，有助于根系发育和伸长 增加土壤中微生物数量 作为CO2的供给源,堆肥化系统分类,按堆制方式 间歇堆积法 连续堆积 按发酵所处状态 静态发酵法 动态发酵法 按堆制过程的氧程度 好氧法 厌氧法,好氧堆肥,什么是好氧堆肥？ 在有氧条件下，好氧菌对废物进行吸收、氧化、分解。微生物通过自身的生命活动，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，同时释放出可供微生物生长活动所需的能量，而另一部分有机则被合成新的细胞质，使微生物不断生长繁殖，产生出更多的生物体的过程。,堆肥有机物 (含C、N、H、P、S)

8、氧、微生物,CO2、H2O、NH3、 PO43-、SO42-,细胞物质 (微生物繁殖),能量,分解,随水或气体排入环境,释放或 转换为热,合成,+,(异化作用),(同化作用),提供生物合成用,好氧堆肥原理,有机物氧化 不含氮的有机物(CxHyOz)的氧化 含氮有机物(CsHtNuOvaH2O)氧化 细胞质的合成(有机物的氧化、并以NH3作为氮源) 细胞质的氧化,好氧堆肥过程,中温阶段 (起始阶段) 不耐高温的细菌分解有机物中易降解的葡萄糖、脂肪和碳水化合物等，同时释放出热量使温度上升。温度可达1540。 高温阶段 耐高温菌迅速繁殖，在供氧条件下，大部分较难降解的有面物(蛋白质、纤维等)继续氧化

9、分解，同时释放出大量热能，使温度上升至6070。 降温阶段(熟化阶段) 冷却后的堆肥，一些新的微生物借助残余有机物而生长，将堆肥过程最终完成。,堆肥原料,生活垃圾 不可堆腐的物质较多，需通过预处理，适当排除，才能作堆能原料。 有机垃圾 已经经过胃肠系统的充分消化，一般颗粒较小，含有大量低分子化合物-人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高，可直接用作堆肥原料。 人和禽畜粪便 富含微生物生活系列所需的营养成分，是堆肥的好原料。 农林废物 富含碳素，需作预处理，才能作堆肥使用。,堆肥微生物,嗜温菌 嗜热菌,堆肥基本工序,野外人工堆肥 操作简单，费用低廉 垃圾、污泥或粪便按一定配比调配，在野外空地堆

10、成平行条堆 人工定期翻动(12次/周) 工厂化机械堆肥,堆肥程序,原料预处理 包括分选、破碎以及含水率和碳氮比调整 原料发酵 一次发酵 周期长达30天以上 二次发酵 周期一般为20天 后处理 包括去除杂质和进行必要的破碎处理,间歇式发酵工艺与装置(露天堆肥法),需先预处理 根据含水率和碳氮比、确定原料配比。 废物堆积后不再添加新料，让其中的微生物参与生物化学反应，使废物转变为腐殖土的产物，然后运出。 前期一次发酵大约需5周，1周要翻动12次，经过510周熟化稳定二次发酵，全部过程需要3090天。 该法要求场地坚实、不渗水。,100t/d垃圾实验厂处理工艺流程,生活垃圾,磁选手选,振动格筛,一次

11、发酵,磁选,双层滚筒筛,锤式破碎,二次发酵,腐熟堆肥,100t/d,粗大物质去除 部分有用物质回收,大于100mm去除 送填埋或焚烧,调节水分、通风 碳氮比,回收金属,大于40mm填埋 或焚烧,1240mm,小于12mm,立式圆筒发酵仓,连续发酵工艺与装置(工厂化机械堆肥),采用成套密闭式机械连续堆制 使原料在一个专门设计的发酵器中完成温和高温发酵过程，然后将物料运往发酵室堆成堆体，再熟化。 该法具有发酵快、堆肥质量高、能防臭、能杀列全部细菌，成品质量高。 连续堆肥法采用的发酵器，一般分为立式发酵器和卧式发酵器。,立式多层圆筒堆肥发酵塔,堆肥过程影响因素( 1 ),有机物含量 适宜的有机物含量

12、为2080%，有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程。 有机含量大于80%时，堆制过程要求大量供氧，实践常因供氧不足而发生部分厌氧过程。,堆肥过程影响因素( 2 ),供氧量 供氧不足，大量微生物死亡，分解速度慢 冷空气过量使温度降低，不利于耐高温菌的氧化分解 实际供氧量为理论空气量210倍 供氧方式靠强制通风和翻堆搅拌完成,堆肥过程影响因素( 3 ),含水量 水的作用 溶解有机物，参与微生物的新陈代谢 调节堆肥温度,堆肥过程影响因素( 4 ),碳氮比 微生物分解的速度随碳氮比而变，微生物自身的碳氮比约为430。 碳氮比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。

13、 适宜的碳氮比应在2035之间。,堆肥过程影响因素( 5 ),碳磷比 磷对微生物的影响也很大，适宜的碳磷比为75150。 垃圾发酵时添加污泥就是利其中丰富的磷来调整堆肥的碳磷比。 pH值 微生物生长的重要条件 堆肥初期，酸性细菌作用，pH值降到5.56.0，堆肥物料呈酸性 由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖，导致pH上升，堆肥结束后，物料pH值上升到8.59.0。 用有机污泥作堆肥原料时，需作pH值调整，因为污泥经压滤成饼后，pH值较高。,堆肥过程影响因素( 6 ),颗粒度 空隙率及空隙的大小取决于颗粒大小及结构强度 颗粒间空隙小，不利于通风供氧。 物料颗粒的平均适宜粒度为1260mm，最佳粒

14、径随垃圾物理特性而变化。,堆肥过程影响因素( 7 ),温度 堆肥过程的适宜的温度为3555 有机物含量对堆肥温度有一定影响 有机物含量由20%上升到50%时，相应地初堆时间由原来的60小时缩短到44小时，55以上的稳定时间可由56小时延长到72小时。,堆肥的腐熟度及其测定,腐熟度 反应堆肥过程进行的程度 堆肥腐熟的大致标准是不再进行激烈的分解，成品温度低，呈茶褐色或黑色，不产生恶臭。 判定标准 物理方法 化学方法 生物活性 植物毒性,物理方法,温度 前期发酵的终点温度是微生物活动的尺度 气味 刺鼻性气味在堆肥过程中逐渐减弱，堆肥结束后消失。 色度 淡灰逐渐变成发黑，腐熟后堆肥产品呈黑褐色或黑色

15、。 残余浊度和水电导率 堆肥时间为714天的堆肥产物在改进土壤残余浊度和水电导率方面具有最适宜的影响 光学性质 堆肥在波长665nm下吸光度的变化，可反映堆肥腐熟度,化学方法,挥发挥性固体(vs) 检测的专一性和灵敏度较差 化学需氧量(COD) 具有与Vs同样的局限性 淀粉和纤维素 堆肥中两类特殊物质 碳氮比(CN) 受原料C/N影响太大 C的测定比较困难,生物活性,呼吸作用 CO2生成速率与耗氧速率具有很好的相关性。 标志有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度 微生物种群及数量 微生物数量及种群的变化，反映堆肥代谢情况。 堆肥的不同时期，堆肥的温度不同，微生物的种群和数量也随之相应变化 酶学分

16、析 水解酶的较高活性阶段可反映堆肥的降解代谢过程而在较低活性时则反映堆肥达到腐熟。,植物毒性,发芽实验 植物在未腐熟的堆肥中生长受到抑制，在腐熟的堆肥中生长得到促进 堆肥的腐熟水平可由植物生长的生物量来表示 植物毒性可用发芽指数测定,植物毒性,植物生长 未腐熟的堆肥含合植物毒性物质，对植物的生长产生抑制作用 用堆肥和土壤混合物中植物的生氏状况来评价堆肥腐熟度 考虑堆肥腐熟度的实用意义，植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法： 一些农作物包括黑麦草、黄瓜、大白菜、胡萝卜、向日葵和番茄可用来测试堆肥的腐热性。,检测方法,淀粉测试法 淀粉与碘络合物利用这种络合物的颜色变化来判断堆肥的

17、降解程度 深蓝浅蓝灰线黄 氮素试验法 完全腐熟的堆肥含有硝酸盐、亚硝酸盐和少量氯 末腐熟的堆肥则含大量氨而不含硝酸盐。 碘化钾溶液遇痕量氨呈黄色，遇过量氨呈棕褐色 Grless试剂与亚硝酸盐反应呈红色 耗氧速率法 好氧微生物分解有机物使堆肥物质逐渐稳定腐熟 O2的消耗速率和CO2的生成速率反映堆肥的腐熟程度。,测氧枪构造,有机物的厌氧发酵,什么是厌氧发酵？ 指有机物在特定的厌氧条件下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳的过程。 厌氧发酵的特点 分解有机物产生的大部分能量转化储存在甲烷中 小部分有机碳化物氧化成二氧化碳 氧化过程释放的能量作为微生物生长的能量,有机物的

18、分解代谢过程,碳水化合物的分解 纤维素分解 纤维在酶的作用用水解成葡萄糖 葡萄糖在细菌的作用降解成丁酸、乙酸，最后生成CH4和CO2 糖类分解 分解成单糖，然后是葡萄糖的发酵分解 类脂化合的分解 水解产物为脂肪酸和甘油 甘油转变为磷酸甘油脂，进一步生成丙酮酸CH4和CO2 蛋白质分解 水解成多肽和氨基酸 氨基酸分解成有机酸、醇，最后生成CH4和CO2,厌氧发酵微生物,不产甲烷菌 为产甲烷菌提供营养 为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件 为产甲烷菌消除部分有毒物质 和产甲烷菌一起，共同维持发酵的pH值 产甲烷菌 严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感 要求中性偏碱环境条件 菌体倍增时间较长，有的45天才系列

19、繁殖1代 只能利用少数简单化合物作为营养，所有产甲烷菌都能利用分子氢 代谢的主要终产物是CH4和CO2。,厌氧发酵的理论,两阶段理论 三阶段理论 四阶段理论,两阶段理论,按细菌引起的生物化学过程，将代谢细菌群分为不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷细菌 发酵阶段分为产酸和产气两个阶段 理论形成较早，对甲烷菌如何利甲醇以上的醇及乙酸以上有机酸难以解释。,三阶段理论,四阶段理论,影响厌氧发酵的因素,原料配比 厌氧条件 温度 pH值 搅拌 添加剂和有毒物质,原料配比,充足的发酵原料是产生沼气的物质基础 不同的微生物所需的营养物质不一样 产甲烷细菌只能利用简单的有机酸和醇类作为碳源，形成甲烷 大部分产甲烷细菌

20、可利用CO2作为碳源 氮源只能利氨态氮，不能利用复杂的有机氮化合物，如蛋白质 碳氮比为(1530):1即可正常发酵,厌氧条件,产酸阶段的不产甲烷微生物大多数是厌氧菌，需在厌氧的条件下，把复杂的有机物分解成简单的有机酸。 产气阶段的产甲烷菌是专性厌氧菌，氧对其有毒害作用。 在有氧环境中，甲烷菌不增长而受到抑制，但并不死亡。 必须创造厌氧的环境条件,温度,影响产气的关键因素 一定温度范围内，温度越高，产气越多 温度高时，细菌活跃，分解速度快 池内发酵液温度10以上，就可以开始发酵产气 甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感 只降低2度，就立即产生不良影响，产气下降 温度上升过快，出现很大温差时对产气量产生

21、不良影响 厌气发酵要求温度相对稳定，一天内变化范围在2度以内,pH值,厌氧发酵微生物细胞内细胞质的pH值一般呈中性反应 细胞具有保持中性环境、进行自我调节能力 pH值在510均可发酵，78之间最适合 过酸或过碱开始产气的时间来得缓慢，产气量小 pH值低，CO2增加，水溶性有机酸和硫化氢产生，硫化物含量增加，抑制甲烷菌生长。 可用石灰调节，最好是调整原料的碳氮比,搅拌,使发酵原料分布均匀，增加微生物与发酵基质的接触 使发酵的产物及时分离，提高产气量 防止底产物料出现酸积累 防止发酵浆料分层 活性污泥或浆料上附着所产生的沼气，由于缺乏搅拌力量，气泡不易脱离，造成部分活性污泥或浆料上漂，给工艺控制造成困难。,添加剂和有毒物质,可在发酵液中添加少量化学物质 促进厌氧发酵，提高产气量和原料利用率。 钾、钠、钙、镁、磷等促进沼气发酵菌的生长，增加酶的活性，促进纤维素的分解 纤维素酶可促进纤维素的分解 有毒物质 抑制发酵微生物的生命活力的化学物质 氯化钠、氟化钠、丁酸、铜性化合物等,发酵工艺,发酵温度分 自然发酵(常温发酵) 中温发酵 高温发酵