固体废物处理与利用

4.2生物处理技术第二节生物处理技术概念：利用微生物的新陈代谢作用使固体废物分解、矿化或氧化的过程，称为固体废物的生物处理技术。作用：可将大量的固体废物通过各种工艺转换为有用的物质和能源。例如：提取各种有价金属，生产肥料、沼气、葡萄糖和微生物蛋白质等。4.2生物处理技术一、生物冶金技术概念：利用微生物及其代谢产物氧化、溶浸废物中的有价金属组分，使其得以利用的过程，称为微生物浸出，也称为生物冶金。主要用于回收含硫矿业固体中的有价金属，如铜、金、铀、钴、镍、锰、锌、银、铂、钛。（一）浸出微生物主要有氧化亚铁硫杆菌、氧化铁硫杆菌、铁氧化钩端螺菌和嗜酸热硫化叶菌等。特点：化能自养菌；嗜酸好气；起生物催化剂作用。4.2生物处理技术1、细菌的直接作用：附着于矿物表面的细菌直接催化矿物使矿物氧化分解，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。2、细菌的间接作用：依靠细菌的代谢产物——硫酸铁的氧化作用，细菌间接地从矿物中获得生长所需的能源和基质。（二）浸出机理一、生物冶金技术4.2生物处理技术（三）浸出方法1、槽浸：是将细菌酸性硫酸高铁浸出剂与废物在反应槽中混合，机械搅拌通气或气升搅拌，然后从浸出液中回收金属。适用于高品位、贵金属的浸出。2、堆浸法：在倾斜的地面上，不渗漏的基础盘床，矿业废物堆积其上，喷洒浸出剂，从浸出液中回收金属。3、原位浸出法：利用自然或人工形成的矿区地面裂缝，将浸出剂注入矿床中，从矿床中抽出浸出液回收金属。一、生物冶金技术4.2生物处理技术二、生物浮选技术概念：以微生物作为浮选药剂对废物中的重金属加以分离，使其得以利用的过程。主要用于回收低品位非硫尾矿和废石中有价金属。（一）微生物的表面性质1、微生物表面具有不同的电性和电量。2、微生物表面具有不同程度的润湿性。取决于表面脂肪酸基等疏水基团所占面积与亲水区面积之比。据此可分别作为浮选调整剂、捕收剂、絮凝剂和分散剂等使用。4.2生物处理技术（二）微生物浮选药剂浮选机理1、微生物絮凝剂：选择性絮凝颗粒，将颗粒连接成絮团。疏水性微生物形成絮团的速度更快。性能类似或优于聚丙烯酰胺的性质，如浮油藻类和草分支杆菌等，架桥絮凝。2、微生物调整剂：通过直接吸附或表面氧化作用实现。3、微生物捕收剂：微生物本身、其代谢产物（糖、脂肽、磷脂、脂肪酸、中性脂）等表面活性剂都可作为浮选捕收剂使用。二、生物浮选技术适当条件下还可作为起泡剂使用4.2生物处理技术三、生物转化技术—之一好氧堆肥生物转化技术就是利用微生物的分解、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，从而达到固体废物无害化的一种处理方法。（一）堆肥化的定义与分类堆肥化(Composting)是在控制条件下，使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。具体讲就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质是一种发酵过程。废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥(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”。4.2生物处理技术分类：根据堆肥化过程中氧气的供应情况可以把堆肥化过程分成两种。1、好氧堆肥（高温堆肥）：在通气条件好，氧气充足的条件下通过好氧微生物的代谢活动降解有机物。特点：一般在55～60℃时比较好，有时可高达80～90℃，堆制周期短，也称为高温堆肥或高温快速堆肥。2、厌氧堆肥：是在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。特点：堆制温度低，工艺较简单，成品堆肥中氮素保留比较多，但堆制周期过长，需3～12个月，异味浓烈，分解不够充分。4.2生物处理技术合成(同化作用)氧化堆肥有机物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物细胞物质(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3，PO42-，SO42-能量随水或气体排入环境释放能量转化为热供生物合成用(异化作用)+腐殖物质+（二）好氧堆肥原理1、好氧堆肥过程堆肥有机物分解过程图4.2生物处理技术堆制初期，15～45℃，嗜温性微生物利用堆肥中可溶性有机物进行旺盛繁殖。温度不断上升，此阶段以中温、需氧型微生物为主，一些无芽孢细菌，真菌和放线菌。在目前的堆肥化设备中，此阶段一般在12小时以内。（1）中温阶段（产热或起始阶段）4.2生物处理技术45℃以上，嗜热性微生物为主，复杂的有机物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。50℃左右主要是嗜热性真菌和放线菌；60℃时，几乎仅为嗜热性放线菌和细菌在活动；70℃以上大多数嗜热性微生物不适应，大批死亡、休眠。大多数微生物在45～65℃范围内最活跃，所以最佳温度一般为55℃，最易分解有机物，病原菌和寄生虫大多数可被杀死。（2）高温阶段4.2生物处理技术微生物活性示意图1.微生物活性2.O2利用率0时间对数增长期减速增长期内源呼吸期微生物在高温阶段的生长过程细分为：对数生长期、减速生长期和内源呼吸期。此后，堆积层内开始发生腐殖质的形成过程。4.2生物处理技术在内源呼吸后期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物的活性下降，发热量减少，温度下降。嗜温性微生物又占优势，腐殖质不断增多且稳定化，堆肥进入腐熟阶段，需氧量和含水量降低。降温后，需氧量大大减少，含水率也降低。堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只须自然通风，最终使堆肥稳定，完成堆肥过程。（3）降温阶段(腐熟阶段)4.2生物处理技术2、好氧堆肥化反应机理①有机物的氧化不含氮的有机物（CxHyOz）CxHyOz+(x+1/2y-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由于氧化分解减量化所以堆肥成品(CwHxNyOz•cH2O)与堆肥原料(CsHtNuOv•aH2O)之比为0.3~0.5。通常可取如下数值范围：w=5~10，x=7~17，y=1，z=2~8。4.2生物处理技术②细胞质的合成（包括有机物的氧化以NH3为氮源）。n(CxHyOz)+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5x)O2→C5H7NO2(细胞质)+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量③细胞质的氧化C5H7NO2(细胞质)+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量4.2生物处理技术好氧堆肥化能提供杀灭病原体所需要的热量，（病原体）细胞的热死主要是由于酶的热灭活所致。其依据的理论主要是热灭活理论。热灭活有关理论指出：(1)温度超过一定范围时，以活性型存在的酶将明显降低，大部分将呈变性(灭活)型。细胞会失去功能而死亡。(2)热灭活作用是温度与时间两者的函数，即经历高温短时间或者低温长时间同样有效，如下表所示。(3)在低温下，灭活是可逆的；而在高温下，则是不可逆的。实际因素会限制热灭活效率，所以实际操作时，堆肥无害化温度—时间条件要比理论上更高一些。即在较高的温度维持较长时间，才能达到无害化要求。3、堆肥无害化的机理——热灭活理论4.2生物处理技术(1)来源和作用：有机废物里面固有的；人工加入的特殊菌种。在一定条件下对某些有机物废物具有较强的分解能力，活性强、繁殖快、分解力强，能加速反应进程，缩短反应时间。(2)种类：①细菌：形体最小、数量最多，分解大部分的有机物并产生热量；②放线菌：分解纤维素、木质素、角质素和蛋白质等复杂有机物，散发泥土气息，如树皮报纸等硬物；③真菌：在堆肥后期与细菌竞争食物，更耐低温，部分真菌需氮比细菌低，能够分解木质素，细菌则不能；④微型生物：如轮虫、线虫、跳虫、潮虫、甲虫和蚯蚓，在堆肥中移动和吞食，消纳部分有机废物，增大表面积，并促进微生物的生命活动。4、堆肥微生物4.2生物处理技术5、影响堆肥化的因素（1）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=5.5~8.5。（2）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%。2121NNCCK4.2生物处理技术（三）堆肥的基本工序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。4.2生物处理技术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天以上。4、后处理分选以去除杂物，并根据需要再破碎。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、沸石等吸附剂过滤。例：土壤过滤器。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。4.2生物处理技术（四）堆肥系统及主要技术环节不同堆肥技术的主要区别在于维持堆体物料均匀及通气条件所使用的技术手段的不同。堆肥化系统有多种分类方法。按堆制方式可分为间歇堆积法和连续堆积法；按需氧程度分为有好氧堆肥和厌氧堆肥；按温度分为有中温堆肥和高温堆肥；按技术分为有露天堆肥（野积式堆肥）和机械密封堆肥（工厂化机械堆肥）；按原料发酵所处状态分为静态发酵法和动态发酵法。在众多分类方法中，Haug的分类比较具有系统性。系统固体流向供气方式或反应器类型反应器床层、形状或固体流态开放式系统搅拌固体床（条垛式）自然通风式强制通风式静态固体床强制通风静态垛式自然通风式反应器系统垂直固体流搅拌固体床多床式多层式筒仓式反应器气固逆流式气固错流式水平和倾斜固体流滚动固体床（转筒或转鼓）分散流式蜂窝式完全混合式搅拌固体床（搅拌箱或开放槽）圆形长方形静态固体床（管状）推进式输送带式静止式（堆肥箱）4.2生物处理技术1、条垛式系统将堆肥物料以条垛式条堆状堆置，在好氧条件下进行发酵。垛的断面可以是梯形、不规则四边形或三角形。条垛式堆肥的特点是通过定期翻堆来实现堆体中的有氧状态。条垛式堆肥一次发酵周期为1～3个月。该堆肥过程由预处理、建堆、翻堆和储存4个工序组成。主要技术环节有以下几点：这里主要介绍常用的条垛式、强制通风静态垛系统和重要的反应器系统的主要技术环节。4.2生物处理技术（1）场地①空间：应足够大。②场地表面：必须坚固和有坡度。当采用坚硬的材料(如道路沥青和混凝土)时，场地表面坡度不小于1%；当采用不够坚硬的材料(如砾石和炉渣)时，其坡度应不小于2%。③渗滤液收集和排除系统：至少包括排水沟和贮水池。面积大于20,000m2的场地或雨量多的地区都必须建贮水池，用以收集堆肥渗滤液和雨水。④其它设施：屋顶、挡风墙。4.2生物处理技术（2）建堆①建堆方法：无添加物，直接建堆；有添加物，根据掺入和混合方式有：采用一层垃圾一层添加物的方法建堆，其混合靠翻堆来完成；垃圾和添加物从公共出口排出，边混合边建堆。②建堆的形状：主要取决于气候条件和翻堆设备的类型，圆锥形或采用平顶长堆。③建堆的尺寸：条剁系统适宜规模参数为：底宽2～6m，高1～3m，长度不限，最常见的尺寸为底宽3～5m，高2～3m，其断面大多为三角形。最佳尺寸