有机废弃物处理的生物学

有机废弃物来源•城市固体垃圾(municipalsolidwaste)北京市每天产生的垃圾达1万吨；•污水处理厂污泥(minicipalsewagesludge)•畜禽养殖业(animalandpoultrybreeding)废物产出量：1奶牛=16人，7只蛋鸡=1人国家环保局统计，2001年全国畜禽粪便年排放量达2.2亿吨。•食品加工厂(foodprocessingindustries)•造纸厂•农作物秸秆畜禽养殖业已成为农业污染源之首2007年我国规模化畜禽养殖场（小区、专业户）的畜禽粪便产生量2.43亿吨，尿液产生量1.63亿吨，化学需氧量、总氮、总磷的排放量分别占农业源排放总量的96%、38%、56%，占全国排放总量的42%、22%、38%，。初步估算2015年末全国生猪、肉牛、奶牛、家禽饲养量依次为69900万头（出栏量），5300万头（出栏量），2000万头（存栏量）、650000万只（存栏量），折算为猪当量为13亿头，粪尿、COD、TN、TP产生量预计将达到约41亿吨、3.2亿吨、5000万吨、800万吨。有机废弃物处理方法直接倒入江河湖海焚烧：消耗燃油、可能造成大气污染填埋：占地、可能污染地下水土壤处理堆肥化处理沼气发酵污染物特性•残留生物富集和生物有效性(persistence,bioaccumulation,andbioavailabilitycharacteristics)•Generationfrommetabolism污染物衍生物或代谢中间物可能比污染物本身毒性更强空气环境污染•畜禽粪便等有机废弃物在厌气条件下产生具有恶臭气味的物质。•已分离出的与恶臭有关的物质有：氨、甲硫醇、硫化氢、二甲硫、二硫化甲基、三甲胺、乙醛、苯乙烯、丙酸、正丁酸、正戊酸和异戊酸。•温室气体：CH4、NOx；有机污染物对水体的污染•有机污染物可通过地表径流、淋溶直接或间接进入水体，造成水体的富营养化、消耗氧气（多数鱼类存活需要5mgO2l-1）•有机污染程度•BOD(生物耗氧量)：1ml水中微生物在培养5天消耗的O2量。用来表征易分解的有机物质和还原N、S(NH3HS-)的量•COD(化学耗氧量)：硫酸-重铬酸钾氧化法测定的还原性有机和无机物质的总量生物污染物•人和动物的病原菌和寄生虫污染水体后可造成炭疽热、脑炎、腐蹄病、乳腺炎、新城疫、沙门氏菌病等•肠道内病原体引起的疾病–病毒：脊髓灰质炎、传染性肝炎–细菌：霍乱(霍乱菌)、伤寒和细菌性痢疾–原生动物：阿米巴痢疾；–蠕虫：蛔虫、绦虫和吸虫感染•大肠杆菌(Escherichiacoli)常被用作土壤和水被生物污染的指标。处理后污泥E.coli少于1000/g可安全施入土壤重金属积累•长期施用有机废弃物特别是污水可能造成土壤中重金属积累，对作物、动物和人产生毒害•As,Cd(镉),Cr(铬),Hg,Mo,Ni,Pb,Cu,Zn特别是Cd和Hg对人和动物危害大•多数重金属与有机质结合，生物有效性低；但重金属被水溶性有机物质络合后从土壤进入地下水有机废弃物的土壤处理土壤施用的限制因素•随污水进入土壤的盐分可能会影响作物生长；硝酸盐可能会污染地下水；重金属、有机化合物可能会在土壤中积累，并进入食物链；•难闻气味和居民对可能危害的担心；•养分、盐分、重金属以及水分含量因地域时间而变，不能确定最适用量•有机废物体积、含水量大，养分含量低，运输成本高；污水、集约化养殖场废物生产具有连续性，而肥料利用有季节性，需要储存；监测作物和水质的成本高•污泥、家禽和非反刍动物（如猪）养殖废物中可能含有病原细菌、病毒和寄生虫有机废弃物的堆肥化处理堆肥化(composting)是将由多种不同组分构成的有机物料堆聚在一起,以保存发酵过程中产生的热量，在多种微生物共同作用下，在温暖湿润和好气条件下，对物料中有机物质进行的生物氧化过程。最终产物是堆肥(compost)堆肥化特征条件•堆肥化是有机废弃物、微生物、水分、氧气诸因子相互作用的复杂过程•堆肥物料中含有土著微生物混合群体，通过控制合适的水分和通气条件可以加快微生物的活动。•微生物的生长和繁殖还需要C、大量元素N、P、K和一些微量元素。通常情况下，有机废弃物中均含有这些物质，尽管有时需要调整其比例以适合微生物的代谢需求堆肥化特征高温堆肥•有机废弃物中碳生物氧化释放能量，部分用于微生物的代谢，其余部分以热的形式散出；•在堆肥初期产生热量比散发的要多，致使堆肥物料的温度升高。•在一定范围内，温度升高可进一步促进微生物活动；升至超过60°C可以杀死物料中的病原微生物堆肥化的目的•无害化•易腐解的有机物质的转化为稳定的腐殖质，恶臭，害虫衍繁等被消除•堆肥化过程中的高温杀死致病微生物，虫卵及杂草种子•减量化•部分有机碳转化为CO2，有机物质的重量降低•堆肥产物的密度比原始物质要高，体积减小•资源化：•有机肥：N、P、K和微量元素得以保留•食用菌种植堆肥化的生物学和生物化学•堆肥化进程•有机物质分解特征•温度和pH变化过程•微生物种群动态绿色植物的物质组成脂肪、蜡2%蛋白质8%单糖、淀粉5%(仿BradyN.C.,WeilR.R.,1999.Thenatureandpropertiesofsoils.P450)淀粉和纤维素MaderS.S.,1990.Biology.Wm.C.Brownpublishers.木质素有机物质分解动力—土壤生物和酶微生物细菌,真菌,放线菌，原生动物分泌各种酶,在有机物质分解中起主导作用土壤动物蚯蚓，千足虫等机械破碎，将有机物质与土壤混合，扩大微生物作用面积。土壤酶蛋白酶,淀粉酶,纤维素酶、磷酸酶等有机物质的分解和转化有机物质分解顺序1单糖、淀粉和水溶性蛋白质2粗蛋白3半纤维素4纤维素5蜡质、丹宁等6木质素降解容易、迅速降解困难、缓慢有机物质降解特征单糖、淀粉、粗蛋白等有机物质容易被微生物分解，但在废弃物中的数量少；细胞壁中多糖相互缠绕、包被，且有起保护性作用的物质(角质、木栓质)，阻碍降解；木质素不但难降解还具有抑菌作用纤维素和几丁质等丝状分子存在着稳定的结晶区域，这些区域不易被微生物细胞及酶接近，聚合程度高，水合程度低：影响水解，微生物作用表面积小；中温微生物在易利用的有机物质耗尽后不再出现几种不同多聚体如纤维素、半纤维素、果胶和木质素等共同存在，需2种或以上的微生物协同作用，产生一系列的酶完成降解过程堆肥化的进程实线:温度虚线:中温真菌点线:嗜热真菌温度变化与真菌群落演替实线:温度虚线:中温真菌点线:嗜热真菌堆肥化进程中有机物质分解•单糖、淀粉和蛋白质在升温期完成•纤维素的降解在中温期较快，高温期下降至降温期又有所回升，到稳定期基本完成；•半纤维素的降解从升温到降温期都能保持相对较稳定和较高的速率•木质素的降解基本上可以忽略，木质素含量因总干重下降而增加•秸杆堆制60天后干物重失去50%以上，大部分在最初的34天内失去，其中几乎全部是纤维素和半纤维素堆肥化进程-中温期堆肥物料中有易分解单糖和蛋白质，微生物代谢活动旺盛产生大量热；物料堆积热量不易散发，局部温度在1-2天内可能会达到70-80ºC。中温细菌和中温真菌活动的最适温度20-30℃，中温微生物迅速繁殖，代表种有Mucorpusillus(微小毛霉)及Aspergillusfumigatus(烟曲霉)；易分解的单糖和蛋白质大量分解，中温期后段，嗜热真菌(45-55℃)等开始分解纤维素、半纤维素等稍难分解的有机物质；中温微生物因其可利用的底物耗竭及高温死亡，酶失活；堆肥化进程-降温期和稳定期分解有机物质能力强的微生物重新定殖，纤维素、半纤维素等物质分解大量分解，物料温度可以保持在较高的温度，但随着可以利用有机物的耗尽，微生物产生的热量逐渐减少。当堆肥温度降至常温时许多动物可进入其中，包括蚯蚓、千足虫等；它们取食其中的微生物和植物残体，将物料破碎成小的颗粒，扩大微生物作用的表面积降温期后段，可利用的有机物质基本耗尽，不再产热，堆肥化进程中的微生物群体变化升温期中温微生物利用单糖氨基酸迅速大量繁殖，易利用的有机物质耗尽后它们不再出现高温期嗜热真菌、放线菌和大部分细菌被杀死，仅剩产孢细菌降温期嗜热真菌等重新定殖稳定期可利用的有机物质很少，微生物间竞争激烈，主要微生物为放线菌(产生抗生素)堆肥化进程中的真菌升温期代表种有Mucorpusillus(微小毛霉)及Aspergillusfumigatus(烟曲霉)，前者在高温过后因易利用碳源耗尽而不再出现高温期嗜热真菌被杀死降温期嗜热真菌等重新定殖：Chaetomiumthermophile(嗜热毛壳霉),Humicolainsolens(特异腐质霉),Humicola(Thermomyces)lanuginosus,Thermoascusaurantiacus,Paecilomycessp,Aspergillusfumigatus稳定期可利用的有机物质很少，主要为放线菌堆肥化初期真菌Rhizomucorpusillus(微小毛菌)，在堆肥化初期利用单糖和氨基酸等，生长温度为20-55°C，发热期后不再活动子囊孢子堆肥初期真菌–腐殖霉Humicola(Thermomyces)lanuginosus生活温度在30to52-55oC，除堆肥发热高峰外一直存在，不能分解纤维素与纤维素分解菌伴生嗜热真菌–嗜热子囊菌Thermoascusaurantiacus生活温度在25-55oC，分解纤维素能力强子囊果子囊和子囊孢子嗜热真菌-烟曲霉Aspergillusfumigatus生活温度在12-52oC，分解纤维素能力强；吸入肺中会引起过敏、并可在肺泡中生长分生孢子嗜热真菌-拟青霉属Paecilomyces拟青霉属分生孢子堆肥化中的细菌和放线菌•嗜热细菌和放线菌对高温的抵抗高于真菌；Thermus(嗜热菌属)生活温度为40-80oC，最适温度为65至75oC；在70oC时产孢细菌芽孢杆菌也有存在•在降温期、稳定期放线菌占优势，代表种群是放线菌科(Actinomycetacea)；•放线菌分解纤维素的能力远不如真菌,比细菌或真菌生长繁殖慢，在养分和可利用碳源丰富时种群相对小，而由于它们产生抗生素，在养分和能量物质匮乏时占优势堆肥化的进程最高温度大型动物进入真菌重新定植真菌被破坏水溶性化合物分解时间高分子化合物开始降解堆肥条件控制•温度•搅拌、通气•接种剂和添加剂堆肥化最适温度无害化要求的温度•病原物的致死温度和时间：不产孢细菌沙门氏杆菌，50-60℃5分钟-1.5h;伤寒杆菌，55-60C，30分钟；化脓性链球菌，54C，1小时；结核分支杆菌；•真菌、寄生虫、杂草种子55℃1-2h温度高于60℃，几天内就可以达到无害化目的；55℃时间超过3天病原物不再威胁公众健康(我国2002年发布的《城市生活垃圾处理及污染防治技术政策》中规定“保证堆体物料温度在55℃时间保持5-7天”)物质降解最适温度较高但不要超过55℃，中温细菌和中温真菌活动的最适温度20-30℃，嗜热真菌为45-55℃，超过60℃仅剩产芽孢的嗜热细菌和放线菌。纤维素、半纤维素的降解主要依靠真菌来完成通气•保证物料堆中的好气环境，提高腐熟和稳定速度•安装通气管、沟、强制通风•搅拌通气的效果持续短Toturnornottoturn，thatistheQuestion•在最初几个月内至少翻堆3次，在随后每3个月翻1次•过于频繁搅拌会散发热量，降低微生物特别是真菌活性；•连续堆肥不必搅拌添加剂•添加剂是指为了加快堆肥进程和提高堆肥产物质量在堆肥物料中加入的微生物、有机或无机物质•添加剂种类–接种剂(inocula)–疏松剂(bulkingagents)–起爆剂(starters)–pH调节剂微生物接种剂•接种微生物的初衷–提高堆肥初期微生物的群体，增强微生物的降解活性，缩短达到高温期的时间；–补偿高温期后微生物群体下降–接种分解有机物质能力强的微生物•堆肥物料中有大量来自空气、水及废弃物本身的微生物•温度和物料中可利用的有机物质决定微生物种群变化•单一种类微生物