第八章 固体废物的生物处理

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)1400~10000,有机固体废物的重要成分。分解微生物：细菌、放线菌、真菌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α-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+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。CH2CH2CH3苯丙烷CHCHCH2OHH3COOH松柏醇固体废物的堆肥化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50~70%。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6.5~8.5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)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(CsHtNuOv·aH2O)氧化细胞质的合成(有机物的氧化、并以NH3作为氮源)细胞质的氧化能量OyHxCOOzyxOHCzyx22221)2121(能量水气堆肥3222222)()()(gNHfCOOeHOdHOcHONHCbOOaHONHCzyxwvuts能量细胞质OHnyCOnxNOHCOxnznynxNHOHCnzyx2227523)4(21)5()()524()(能量细胞质3222275255)(NHOHCOONOHC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15~40℃。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)继续氧化分解，同时释放出大量热能，使温度上升至60~70℃。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嗜热菌细菌最低适宜最高嗜温菌15~2525~4043嗜热菌25~4540~5085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，在野外空地堆成平行条堆人工定期翻动(1~2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1~2次，经过5~10周熟化稳定二次发酵，全部过程需要30~90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12~40mm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适宜的有机物含量为20~80%，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2~10倍供氧方式靠强制通风和翻堆搅拌完成nwas)]nyc(3nxb[5.0rNH)nyc(OrHsCOONHnCO)drs2nz(5.0ONHC322zyxw2dcba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4~30。碳氮比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。适宜的碳氮比应在20~35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75~150。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5.5~6.0，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8.5~9.0。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12~60mm，最佳粒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35~55℃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。残余浊度和水电导率堆肥时间为7~14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(C／N)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100(%)GI种子根长对照的种子发芽率种子根长堆肥处理的种子发芽率植物毒性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