固體廢物的生物處理課件

生物處理：指直接或間接利用生物體的機能，對固體廢物的某些組成進行轉化以建立降低或消除污染物產(chǎn)生的生產(chǎn)工藝，或者能夠高效凈化環(huán)境污染，同時又生產(chǎn)有用物質(zhì)的工程技術。作用：采用生物處理技術，利用微生物（細菌、放線菌、真菌）和動物（蚯蚓等）或植物的新陳代謝作用，固體廢物（通過不同工藝分解廢物中的有機質(zhì)）可轉換成有用的物質(zhì)或能源，實現(xiàn)有機廢物的減量化、資源化和無害化，即變廢為寶，又解決環(huán)境污染。處理方法微生物浸出微生物浸出：利用微生物新陳代謝過程或代謝產(chǎn)物將廢物中目的元素轉變?yōu)橐兹軤顟B(tài)并得以分離的過程。好氧堆肥處理堆肥化（composting）：在人工控制的環(huán)境下，依靠自然界中廣泛分布的細菌、放線菌、真菌等微生物人為地促進可生物降解的有機物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉化的微生物學過程。厭氧消化處理厭氧消化：也稱厭氧發(fā)酵，指在厭氧狀態(tài)下利用微生物使固體廢物中有機物轉變成CH4和CO2的過程其他生物法有機固體廢物的蚯蚓處理技術利用廢棄物生產(chǎn)單細胞蛋白的資源化技術……一、堆肥化的基本原理與影響因素（重點）好氧堆肥的原理好氧堆肥：是在有氧條件下，依靠好氧微生物（主要是好氧細菌）的作用，使堆肥原料中的有機物發(fā)生一系列熱分解反應，生成簡單而穩(wěn)定的腐殖質(zhì)的過程。生成的產(chǎn)品叫做堆肥(Compost)。它是一類棕色的、泥炭般的腐殖質(zhì)含量很高的疏松物質(zhì)，故也稱為“腐殖土”。好氧堆肥的原理在堆肥化過程中，有機廢物中的可溶性有機物質(zhì)可透過微生物的細胞壁和細胞膜被微生物直接吸收，而不溶的膠體有機物質(zhì)，先被吸附在微生物體外，依靠微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質(zhì)，再滲入細胞。好氧堆肥基本原理示意圖可用下列關系式反映堆肥化過程中有機物氧化分解總的關系式：CsHtNuOv·aH2O+bO2→CwHxNyOz·cH2O+dH2O(氣)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量由于堆溫較高，部分水以蒸氣形式排出。堆肥成品CwHxNyOz·cH2O與堆肥原料CsHtNuOv·aH2O之比為0.3~0.5（這是氧化分解減量化的結果）。通?？扇∪缦聰?shù)值范圍：w=5~10,x=7~17,y=1,z=2~8。好氧堆肥的原理有機物的氧化不含氮的有機物（CxHyOz）

CxHyOz+(x+1/4y-1/2z)O2→xCO2+1/2yH2O+能量含氮的有機物(CsHtNuOv?aH2O)

CsHtNuOv?aH2O+bO2→CwHxNyOz?cH2O(堆肥)+dH2O(氣)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量細胞質(zhì)的合成（包括有機物的氧化，以NH3為氮源）

nCxHyOz+NH3+(nx+ny/4-nz/2-5)O2→C5H7NO2(細胞質(zhì))+(nx-5)CO2+1/2(ny-4)H2O+能量細胞質(zhì)的氧化

C5H7NO2(細胞質(zhì))+5O2→5CO2+2H2O+NH3+能量好氧堆肥的原理好氧堆肥的過程（重點）好氧堆肥的影響因素化學因素①C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1較好，最佳為25:1~35:1;C/P比在75~150為宜。為保證成品肥料中的C/N比為(10～20):1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多為35:1。②氧濃度:適宜的氧濃度為18%，最低不應小于8%。③營養(yǎng)元素:足夠的K和微量元素對于微生物的新陳代謝是必須的，一般它們不是限制條件。④pH值:堆肥微生物最佳的pH=7.5~8.5。好氧堆肥的影響因素物理因素①溫度:一般認為最佳溫度在50~65℃之間。②顆粒尺寸:適宜的粒徑范圍是12~60mm。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%。二、好氧堆肥的工藝（重點）1、前處理以城市生活垃圾為堆肥原料時,包括破碎、分選、篩分等工序；以家畜糞便、污泥等為堆肥原料時，主要任務是調(diào)整水分和碳氮比，或者添加菌種和酶制劑，以促進發(fā)酵過程正?；蚩焖龠M行。降低水分、增加透氣性、調(diào)整碳氮比的主要方法是添加有機調(diào)理劑和膨脹劑。2、主發(fā)酵（一次發(fā)酵）將堆肥化物料溫度升高到開始降低為止的階段，稱為主發(fā)酵階段（或主發(fā)酵期）。堆肥過程的中溫階段和高溫階段，時間約4～12天。二、好氧堆肥的工藝（重點）3、后發(fā)酵（二次發(fā)酵）將主發(fā)酵尚未分解的易分解和較難分解的有機物進一步分解，使之變成腐殖酸、氨基酸等較穩(wěn)定的有機物，得到完全成熟的堆肥制品。也稱為熟化階段，堆肥過程的腐熟階段，發(fā)酵時間通常在20～30天。4、后處理分選以去除雜物，并根據(jù)需要再破碎。二、好氧堆肥的工藝（重點）5、脫臭化學除臭劑除臭；堿水和水溶液過濾；熟堆肥或活性炭、沸石等吸附劑吸附除臭。6、貯存堆肥一般在春秋兩季使用，夏冬兩季生產(chǎn)的堆肥只能貯存，所以要建立可貯存6個月生產(chǎn)量的庫房。貯存方式可直接堆存在二次發(fā)酵倉中或袋裝，要求干燥而透氣。三、堆肥的質(zhì)量控制指標發(fā)酵周期與堆肥腐熟度的概念發(fā)酵周期：指固體廢物經(jīng)好氧發(fā)酵過程由原材料成為穩(wěn)定無害的堆肥產(chǎn)品所需要的時間。堆肥發(fā)酵周期的長短是評價堆肥工藝好壞的一個重要指標。碳氮比、通風量、溫度和水分等是否處于最佳條件均能使發(fā)酵周期受到直接影響。傳統(tǒng)的靜態(tài)堆肥法，依靠自然通風和翻堆來實現(xiàn)好氧堆肥的全過程，因此，發(fā)酵周期需時2~3個月，有時甚至長達半年。而目前一些高效快速動態(tài)堆肥技術，可使堆肥發(fā)酵周期控制在7d以內(nèi)，有的一次發(fā)酵時間僅需2~3d。發(fā)酵周期與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穩(wěn)定程度。在工程上，它是衡量堆肥反應完成的信號，在農(nóng)業(yè)上，它是堆肥質(zhì)量的指標。腐熟度的基本含義是：（1）通過微生物的作用，堆肥的產(chǎn)品要達到穩(wěn)定化、無害化，亦即不對環(huán)境產(chǎn)生不良影響；（2）堆肥產(chǎn)品的使用不影響作物的成長和土壤耕作能力。方法參數(shù)或項目物理法（表觀鑒別）1.溫度；2.顏色；3.氣味；4.質(zhì)地化學方法碳氮比（C/N）；氮化合物（總氮、NH4-N、NO3-N、NO2-N）；3.陽離子交換量（CEC）4.有機化合物（水溶性或可浸提有機碳、還原糖、脂類等化合物、纖維素、半纖維素、淀粉等）5.腐殖質(zhì)（腐殖質(zhì)指數(shù)、腐殖質(zhì)總量和功能基團）生物活性法1.耗氧速率；2.微生物種群和數(shù)量；3.酶學分析；植物毒性分析法1、種子發(fā)芽2、植物生物量衛(wèi)生學檢測致病微生物指標等評估成熟堆肥的常用方法、指標和參數(shù)表觀鑒別法（物理）①溫度：與環(huán)境溫度趨于一致，不再有明顯變化②氣味：具有潮濕泥土的氣味。③顏色：黑褐色或黑色。④質(zhì)地：質(zhì)地疏松，手捏之成團，松之即散；草莖樹葉之類用手一拉即斷。評估成熟堆肥的常用方法、指標和參數(shù)化學方法①碳氮比：a、堆肥的固相C/N值從初始的25~30:1降低到15~20:1以下。b、T=(終點C/N)/(初始C/N)<0.6。②氮化合物：隨著堆肥化過程進行，氨態(tài)氮(NH4-N)↓和硝態(tài)氮(NO3-N)↑，完全腐熟的堆肥，氮基本上以硝酸鹽形式存在，未腐熟的堆肥則含氨，而基本不含硝酸鹽。目前尚未得出一個具體指標，只能相對比較。③陽離子交換量(CEC)：陽離子交換量(CEC)能反應有機質(zhì)的降低程度，是堆肥的腐殖化程度及新形成的有機質(zhì)的重要指標，可作為評價腐熟度的參數(shù)。對城市垃圾堆肥，建議CEC>60mmol/100g樣品時，作為堆肥腐熟的指標。評估成熟堆肥的常用方法、指標和參數(shù)化學方法④有機化合物：在堆肥過程中，糖類首先消失，接著是淀粉，最后是纖維素。纖維素、半纖維素、脂類等經(jīng)過成功的堆肥過程，可降解50％~80％，蔗糖和淀粉的利用接近100％。一般認為，淀粉的消失是堆肥腐熟的標志，且它可用淀粉點狀檢測器來檢測。但是，堆肥物料中淀粉的存在并不多，被檢測的也只是物料中可腐爛物質(zhì)的一部分。所以完全腐熟的、穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，以檢不出淀粉為基本條件，但是檢不出淀粉并不一定表示堆肥已腐熟。評估成熟堆肥的常用方法、指標和參數(shù)化學方法⑤腐殖質(zhì)：用NaOH提取的腐殖質(zhì)(HS)可分為胡敏酸/腐殖酸(HA)、富里酸(FA)及未腐殖化的組分(NHF)。堆肥開始時一般含有較高的非腐殖質(zhì)成分及FA，較低的HA，隨著堆肥過程的進行，F(xiàn)A保持不變或稍有減少，而HA大量產(chǎn)生，成為腐殖質(zhì)的主要部分。一些腐殖質(zhì)參數(shù)相繼被提出，如腐殖化指數(shù)(HI)：HI=HA/FA；腐殖化率(HR)：HR=HA/(FA+NHF)。當HI值達到3，HR達到1.35時堆肥已腐熟。評估成熟堆肥的常用方法、指標和參數(shù)厭氧消化（厭氧發(fā)酵）：是指在厭氧狀態(tài)下利用厭氧微生物使固體廢物中的有機物轉化為CH4和CO2的過程，或稱厭氧發(fā)酵/沼氣發(fā)酵。它可以去除廢物中30%～50%的有機物并使之穩(wěn)定化。厭氧發(fā)酵是實現(xiàn)有機固體廢物無害化、資源化的一種有效方法。優(yōu)點過程可控、降解快、生產(chǎn)過程全封閉資源化效果好（甲烷/沼氣）易操作產(chǎn)品穩(wěn)定，可作農(nóng)肥、飼料或堆肥化原料無傳染性缺點會產(chǎn)生惡臭（H2S等）效率低，設備體積大一、厭氧消化原理厭氧分解微生物水解菌——是由一個十分復雜的混合發(fā)酵菌群將復雜的有機物水解，并進一步分解為以有機酸為主的簡單產(chǎn)物，稱為水解菌。產(chǎn)甲烷菌——為絕對厭氧的細菌，可將有機酸轉變?yōu)榧淄?。有機物厭氧消耗過程總反應式有機物+H2O+營養(yǎng)物細胞物質(zhì)+CH4↑+CO2↑+NH3↑+H2↑+H2S↑+……+抗性物質(zhì)+熱量有機物的厭氧發(fā)酵分解堆肥有機物微生物細胞物質(zhì)有機酸、醇類、CO2、NH3、H2S等，能量，微生物細胞物質(zhì)CO2、CH4等、能量兩段理論（重點）將厭氧發(fā)酵分為產(chǎn)酸（酸性發(fā)酵）和產(chǎn)氣（堿性發(fā)酵）兩個階段，相應起作用的微生物分為產(chǎn)酸細菌和產(chǎn)甲烷細菌。如下圖所示一、厭氧消化原理三段理論（重點）1979年由布賴恩提出，將厭氧發(fā)酵依次分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段。起作用的細菌分別稱為發(fā)酵細菌、醋酸分解菌、甲烷細菌。一、厭氧消化原理有機物的厭氧發(fā)酵過程（三段理論）四段理論（重點）①水解階段：復雜有機物(纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪)被發(fā)酵細菌分泌的水解酶（胞外酶）(纖維素酶、纖維二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解為水溶性簡單化合物。限制整個過程速度。④甲烷化階段：乙酸和H2被甲烷細菌(乙酸分解甲烷細菌和H2氧化甲烷細菌)利用生成甲烷。②發(fā)酵酸化階段：發(fā)酵細菌對水解產(chǎn)物進行胞內(nèi)代謝，主要產(chǎn)生有機酸和醇類（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），還有CO2、NH3、H2S、H2。③產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段(厭氧氧化階段):專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌將上階段產(chǎn)生的有機酸和醇類生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸細菌將H2和

CO2合成乙酸。二、厭氧消化的影響因素（重點）厭氧條件：嚴格的厭氧環(huán)境，正常應維持氧化還原電位（Eh）在-300mv左右。原料配比：C/N比以（20-30）:1為宜。過小，氮過剩，抑制產(chǎn)甲烷菌；過大，氮不足，影響產(chǎn)氣。P含量為有機物的1/1000為宜。溫度：影響產(chǎn)氣，40～65℃范圍。過低，反應速率低，衛(wèi)生不易達標；過高，微生物休眠。pH值：影響微生物活性，水解、發(fā)酵菌及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對pH值的適應范圍大致為5~6.5，而甲烷菌對pH值的適應范圍為6.6~7.5之間。在產(chǎn)酸產(chǎn)甲烷階段，pH值控制在6.5～7.5之間，在7.0～7.2最佳。二、厭氧消化的影響因素（重點）添加物和抑制劑：添加—K\Na\Mg\Zn\P，硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰—促進；氮化合物過多，如蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素，或Cu\Zn\Cr\CN-—抑制。接種物：添加接種物，一般要求菌種量達到料液量的5%以上。攪拌：分布均勻三、厭氧消化工藝厭氧系統(tǒng)：預處理、厭氧消化反應器、消化器凈化與貯存、消化液與污泥分離、處理與利用。根據(jù)消化溫度劃分工藝類型高溫消化工藝：最佳溫度是47～55℃，此時有機物分解旺盛，消化快，物料在厭氧池內(nèi)停留時間短，非常適用于城市垃圾、糞便和有機污泥的處理。過程：培養(yǎng)高溫消化菌、維持高溫、投料和排料、攪拌消化物料。自然溫度消化工藝：目前我國農(nóng)村都采用這種消化工藝。這種工藝的消化池結構簡單、成本低廉、施工容易、便于推廣，但受季節(jié)影響明顯。

故消化周期須視季節(jié)和地區(qū)的不同加以控制。自然溫度半批量投料沼氣消化工藝流程三、厭氧消化工藝根據(jù)投料轉運方式劃分工藝類型連續(xù)消化工藝：投料啟動后，經(jīng)一段時間的消化產(chǎn)氣，連續(xù)定量的添加消化原料和排出舊料；其消化時間能夠長期連續(xù)進行。工藝易于控制，能保持穩(wěn)定的有機物消化速率和產(chǎn)氣率，但該工藝要求較低的原料固形濃度。半連續(xù)消化工藝：啟動時一次性投入較多的消化原料，當產(chǎn)氣量趨于下降時，開始定期添加新料和排出舊料以維持叫穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。農(nóng)村較適用。三、厭氧消化工藝根據(jù)投料轉運方式劃分工藝類型根據(jù)投料轉運方式劃分工藝類型兩步消化工藝：產(chǎn)氣過程分為兩個階段（產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷），兩個容器進行；第一個容器水解和液化有機物為有機酸，緩沖和稀釋負荷沖擊與有害物質(zhì)；第二容器保持嚴格的厭氧和pH值條件，有利甲烷菌的生長、消化、降解來自前段的產(chǎn)物，產(chǎn)生甲烷含量高的消化氣，截留懸浮固體，改善出料性質(zhì)。三、厭氧消化工藝四、厭氧消化裝置厭氧消化池亦稱厭氧消化器。分類：按消化間結構形式：圓形池、長方形池按貯氣方式：氣袋式、水壓式、浮罩式水壓式消化池：水壓式消化池具有結構簡單、造價低、施工方便；但由于溫度不穩(wěn)定，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，因此原料的利用率低。長方形（或方形）甲烷消化池：氣體貯藏室與消化室想通，位于消化室的上方，設一貯水庫來調(diào)節(jié)氣體貯藏室的壓力。水壓式消化池水壓式沼氣池示意圖長方形甲烷消化池長方形消化池四、厭氧消化裝置紅泥塑料沼氣池：批量進料。半塑性沼氣池兩模全塑性沼氣池袋式全塑性沼氣池干濕交替消化沼氣池紅泥塑料沼氣池袋式全塑沼氣池干濕交替消化沼氣池現(xiàn)代化大型工業(yè)消化設備半塑式沼氣池兩模全塑式全塑沼氣池紅泥塑料沼氣池一、概述——歷史回顧1887年：發(fā)現(xiàn)細菌能把S單質(zhì)氧化成硫酸1922年：成功利用細菌浸出ZnS1947年：發(fā)現(xiàn)一種細菌能把Fe2+氧化成Fe3+，還有一種細菌能把S/還原性硫化物氧化成硫酸（氧化鐵硫桿菌）。1954：發(fā)現(xiàn)氧化鐵硫桿菌的高效性。1958：專利申請。最近幾十年，快速發(fā)展的工業(yè)應用：貧礦、尾礦廢渣（Cu），其他金屬——Zn、Mn、As、Ni、Co、Mo二、細菌浸出機理浸礦細菌浸礦細菌及主要生理特性浸出機理二、細菌浸出機理化學反應說：認為細菌的作用在于生產(chǎn)優(yōu)良浸出劑H2SO4和Fe2(SO4)3，主要反應：金屬的溶解則是純的化學反應過程，代表反應：浸出機理二、細菌浸出機理直接作用說：附著于礦物表面的細菌能通過酶活性直接催化礦物而是礦物氧化分解，并從中直接得到能源和其他礦物營養(yǎng)元素滿足自身生長需要?？赡艿姆磻喝⒓毦龉に嚱觯翰家悍椒ǎ簢姙⒎?、灌溉法、垂直管法、滴灌法等。操作控制：①均勻分布；②控制pH＜2。金屬回收：循環(huán)浸出，浸出液Cu↑，置換/萃取電積回收。注意其他金屬。菌液再生：自行氧化；再生池培養(yǎng)（調(diào)pH、加營養(yǎng)液、鼓空氣、控制Fe3+含量）。四、細菌浸出影響因素微生物因素：菌種、細菌適應性、培養(yǎng)基的成分及氧和碳（氮、磷、能源、氧和二氧化碳）、有害組分和抑制組分、鐵離子等。物理因素：pH值、溫度、氧化還原電位。工藝技術因素：礦石粒度、礦漿濃度等。其他因素：表面活性劑、光照、金屬離子、滲透壓等。五、細菌浸出處理放射性廢渣細菌浸出放射性廢渣處理工藝圖主要利用氧化硫桿菌、氧化鐵桿菌和氧化鐵硫桿菌處理，細菌通過選種→馴化→擴大，幾步進行培養(yǎng)制取。這里主要介紹蚯蚓處理有機固體廢物的相關技術固體廢棄物的蚯蚓分解處理：是根據(jù)蚯蚓在自然生態(tài)系統(tǒng)中具有促進有機物分解轉化的功能而在垃圾發(fā)酵處理的基礎上發(fā)展起來的一項主要針對農(nóng)業(yè)廢棄物、城市有機生活垃圾和污水廠污泥的生物處理技術。由于蚯蚓分布廣、適應性強、繁殖快、抗病力強、養(yǎng)殖簡單，可以大規(guī)模進行飼料與野外自然增殖。因此，利用蚯蚓處理固體廢棄物是一種投資少，見效快，簡單易行且效益高的工藝方法。蚯蚓處理固體廢物的過程實際上是蚯蚓和微生物共同處理的過程。二者構成了以蚯蚓為主導的蚯蚓—微生物處理系統(tǒng)。在此系統(tǒng)中，蚯蚓直接吞食垃圾，經(jīng)消化后，可將垃圾中有機物轉化成可給態(tài)物質(zhì)，這些物質(zhì)同蚯蚓排出的鈣鹽與黏液結合即形成蚓糞顆粒，蚓糞顆粒是微生物生長的理想基質(zhì)。另一方面微生物分解貨半分解的有機物質(zhì)是蚯蚓的優(yōu)食物質(zhì)，二者構成了相互依存的關系，共同促進有機固體廢棄物的分解。蚯蚓的特性：蚯蚓是雜食性動物，喜歡吞食落葉、枯草、蔬菜碎屑、作物桔梗、禽畜糞便及居民生活垃圾。蚯蚓消化力強，它的消化道分泌蛋白酶、脂肪分解酶、纖維素酶、甲殼酶、淀粉酶等，除金屬、玻璃、塑料外，幾乎所有的有機物質(zhì)它都可以消化。一、生活垃圾的蚯蚓處理技術蚯蚓在垃圾處理中的作用：①蚯蚓對垃圾中的有機物質(zhì)有選擇作用；②通過沙囊和消化道，蚯蚓具有研磨和破碎有機物質(zhì)的功能；③垃圾中的有機物通過消化道的作用后，以顆粒狀結構排出體外，利于與垃圾中其他物質(zhì)的分離。④蚯蚓活動改善垃圾中的水氣循環(huán)，同時也使得垃圾和其中的微生物得以運動；⑤蚯蚓本身通過同化和代謝作用使得垃圾中的有機物質(zhì)逐漸降解，并釋放出可為植物所利用的N、P、K等營養(yǎng)元素。⑥可以非常方便地對整個垃圾處理過程及其產(chǎn)品進行毒理監(jiān)察。蚯蚓處理生活垃圾的工藝流程蚯蚓處理垃圾處理的工藝流程：①預處理；②分離；③堆放；④放置蚯蚓；⑤檢查正在轉化的料堆狀況；⑥收集料堆和最終產(chǎn)品的處理；⑦添加有益微生物。蚯蚓處理垃圾處理的物料配比：實驗表明，用于蚯蚓處理的城市生活垃圾中的有機成分含量需＞40%。二、農(nóng)業(yè)廢棄物的蚯蚓處理技術農(nóng)業(yè)廢棄物的種類及性質(zhì)：農(nóng)業(yè)廢棄物主要是指各種農(nóng)作物的秸稈、皮殼、藤蔓、牧草殘渣、樹葉、花卉殘肢、蔬菜瓜果等。農(nóng)業(yè)廢棄物均屬于碳水化合物，其主要成分有纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、戊聚素等，此外還含有一定量