环境微生物学05-第九章固体废物的生物处理

第五章固体废物的生物处理城市生活垃圾–1995年己超过1亿t，每年增长10％(全世界平均年增长速度8.42％)。无害化处理的不足10％。污水处理厂干污泥–每年产生约2×105t，以湿污泥计约为(38~50)l05t，且以每年20％的速度增长。农业废弃物–作物秸秆、草木枝叶、人和畜禽粪便等。作物秸秆每年产量约（5~6)l08t。（薪柴、就地焚烧）–集约化畜禽生产，粪便年排放量约18.8×108t。1、城市固体有机废弃物现状2、固体有机废物的处理和处置原则资源化、无害化和减量化①资源化有机固体废物被称为“放错地点的原料”，为“二次资源”或“再生资源”，可用于生产生物能源、生物肥料和饲料。②无害化杀灭或去除固体废弃物中的病原菌、害虫和寄生虫（害虫和寄生虫卵）、杂草种子和有害化学物质，处置过程需符合国家的无害化标准。③减量化经过最终处理、处置的部分能减量到最少的程度。Mushrooms(Agaricusbisporus)growingincompost3、处理有机固体废物的方法主要有堆制法、厌氧消化法、填埋法和焚烧法处理方法类型应用堆制法、厌氧消化法和填埋法生物处理法处理可生物降解的有机固体废物焚烧法化学处理法处理不可随意排放的危险性废物以及生活垃圾等IncineratorDiagram第一节堆制处理一、堆制的概念及其优缺点1、堆制(Composting)的概念堆制处理是利用多种微生物人为地促进生物来源的有机废物好氧分解和稳定化的过程。有机质无机物、矿物质+腐殖质+能量微生物堆制处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质，故称为堆肥(Compost)。好氧堆制定义的含义原料为可生物降解废物，固体或半固体；人工控制下进行；多种微生物联合作用实现，不同阶段，不同的微生物起主导作用。堆制过程好氧、放热，为稳定化过程；能杀死病原菌和寄生虫和害虫卵，达到无害化、安全性；4、堆制处理的优点①有机废物分解并达到稳定化易腐败的有机废物和有毒废物被转化为比较稳定的物质，体积大大缩小(40％~60％干有机质被分解)，便于处置和运输。有毒化学品(如农药)形成腐殖质，消除毒性。②干化作用人粪尿、动物粪便和污泥含水达80％~95％，经过堆制处理，大大降低其含水率。③杀灭有害生物–堆制过程释放大量热能，堆温较高。据测定，60~70℃维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。–堆温50~60℃，持续6~7d，即可杀灭病原和虫卵。④堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂4、堆制处理的优点5、堆肥处理存在的问题①堆肥质量不易稳定；②原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难；③物料温度不均匀；④受社会、文化、经济因素的影响；二、好氧堆制的微生物学过程1、微生物学过程及特点根据温度变化和微生物生长情况，分为潜育期、中温期、高温期、腐熟期四个时期①潜育期(latentphase)物料中带入的微生物刚进入一个新环境后的一段调整适应时期。在该时期，微生物基本上不生长繁殖，堆温基本上没变化。②中温期(mesophilicphase)中温型好氧微生物为主，大量生长繁殖，最常见的是无芽孢细菌、芽孢细菌和霉菌等；分解易降解的有机物(如简单糖类、淀粉、蛋白质等)，产生大量热能，堆温不断升高，直至达到50℃左右，这一过程也称升温期，或称发热阶段。③高温期(thermophilicphase)中温期后期，温度上升至65~70℃甚至更高，即进入高温期。是有机质的分解和有害生物的杀灭最有效的时期。–腐殖化过程；–高温型好氧微生物成为优势种。主要是好热性细菌、放线菌和真菌的一些种群；–杀灭病原生物，50~60℃持续6~7d，可有效杀灭虫卵和病原菌。Compostingpile④腐熟期(maturationphase,curingphase)腐熟期内，中温型微生物又成为优势微生物类型。残余有机物被分解，腐殖质不断积累，堆制处理进入。有机质的分解量较小，过程较缓慢，有利于腐殖化。一些复杂的有机质与铁、钙、氮等物质相结合形成腐殖质胶体(humiccolloids)，完成了有机质的分解和再合成过程。堆温回复到40℃左右时，表示物料已基本达到稳定，基本达到腐熟的程度，可以便用或用于配制复合肥料的原料。2、腐熟堆肥的特征①表面呈白色或灰白色，内部呈黑褐色或棕黑色：②秸秆和粪块等完全腐熟，质地松软，无粪臭，散发出泥土气味，不招引蚊蝇；③pH8-9，呈弱碱性。三、堆制过程中的生物及其演替1．一般规律参与的主要是微生物，包括：–细菌(含放线菌)–真菌–原生动物等类群–一些无脊椎动物如线虫、蚯蚓、螨类等。微生物群落的变化规律②50℃左右，高温菌出现，嗜热性真菌和细菌(放线菌)为主。堆温60℃时，真菌几乎完全停止活动，嗜热性放线菌与细菌继续活动。–高温细菌主要是芽孢细菌属、高温放线菌属。①中温型细菌(含放线菌)和真菌首先起作用，嗜热脂肪芽孢杆菌StreptomycesandThermomonosporaisolatedfromcompostThermomonosporaformosensistypestrain烟曲霉AspergillusfumigatusAdissolvingcellulosefibre-ClostridiumthermocellumbacteriabarelyvisiblecelostructureSchematicalpresentationofthecellulosomeofClostridiumthermocellum:CipAproteinisdrawningreen,catalyticalcomponentsinorange,cell-wallbindingcomponentsinblue,thebacterialcellinbrownandthecellulosemicrofibrilinblack.TheS-layerispunctuated.Thecohesinmodulesarenumbered1to9.Thebindingoftheenzymestospecificpositions(cohesins)ishypothetical,asisthelinearorientationofthescaffoldin.Thescaffoldins(CipA)boundtoOlpBareonlysketchedpartially.Allcellulosomecomponentsarenotdrawntoscale.白地霉Geotrichumcandidum③65~70℃时，大多数嗜热性微生物也无法生活，或死亡，或休眠。④最后，温度下降，放线菌重新定殖成为优势菌群，堆肥表面呈现白色或灰色。蛋白质分解产生的氨转化为硝酸盐的过程主要在腐熟期进行。堆制过程中的食物链第一级消费者是细菌、放线菌和真菌，其中以细菌数量最多分解最快，放线菌在易降解物质下降水分减少时更为显著，真菌更耐低水分、低pH和低氧条件，容易降解木质材料和难降解材料。堆制过程中的食物链第二级消费者是螨类、甲虫幼虫、线虫、原生动物和轮虫等，它们以第一级消费者为食。第三级消费者是蜈蚣、隐翅虫和蚂蚁等，它们捕食第二级消费者。2．特殊规律农业废物以植物残体为主，堆制过程中的微生物相：–细菌、真菌→纤维分解菌→放线菌→能分解本质素的微生物城市污水处理厂剩余污泥、城市生活垃圾堆制过程中，厌氧菌和脱氮菌很多。细菌与放线菌数量之比可作为堆肥腐熟的指标之一。堆制时间好气细菌与放线菌数量之比堆制前8030d后3560d后30四、影响堆制过程的因素影响堆制过程的因素有物料的有机质含量、营养平衡、通气量、水分、温度和粒径等。1.有机质含量静态发酵工艺，物料含20％~40％有机质为宜有机成分60％，采用动态发酵工艺；2、营养平衡碳氮比(C/N)是营养平衡最重要的参数之一。物料最佳的C/N为25~35之间为宜，–物料C/N35，会延长堆制的时间。–原料C/N5，氮素会转化为氨逸出，特别是在高温、高pH值和强制通气的情况下氮的逸失更为严重。碳磷比(C/P)也很重要。适宜的C/P为75~l00。原污泥的C/P低，需和其它原料配合。C/N和堆制时间之间关系初始C/N堆制时间2012d20~2514d7821d美国加州大学试验结果含碳率计算公式(误差为2％~10％)关系式：含碳率(％)＝[100-灰分(％)]/1.8–灰分％系指经550℃燃烧比所剩的物质占干重的百分率。堆制过程中，物料的C/N逐渐降低。腐熟堆肥的适宜C/N应为10~20。3、通气量通氧的作用–充氧，调节堆温和排除过多的水分的作用。通氧方式：–人工或机械进行间隙或连续翻料；–在堆肥中作通气孔道；–最有效的供氧方式是强制性机械通风，即用泵将空气压入或抽出肥堆。理论需氧量的计算可以根据废物氧化反应式简单计算理论通气量已知合流污水污泥的化学成分C10H19O3N，其完全氧化的计量化学方程为C10H19O3N+12.5O2=10CO2+8H2O+4NH3(201)(400)1g的C10H19O3N完全氧化约需要2g的O2。实际供氧量为理论供应量的两倍。不同时期供氧量也不一样，高温期是中温期和熟化期的好几倍。在机械化连续生产系统可通过测定排气中氧和CO2的含量来衡量氧气情况。排气中氧的体积浓度为14%~17％，CO2的体积浓度为3%~6％为宜。若氧浓度降低到10％以下，好气发酵会停止。4、水分含水量在50％~70％，以60％为宜。若有机质含量高，含水量应高一些；有机质含量低，含水量应低一些。5、温度两个主要作用：①提高有机物分解速度②杀死物料中病原体。堆制过程的适宜温度较宽，约为35~55℃。35℃以下发酵速度不高，45~55℃发酵速度增加较快，超过55℃，发酵速率减缓，超过65~77℃发酵作用微弱。对大部分病原体来说，超过50℃就会失活。一般温度控制在55℃。6、粒径颗粒空隙可为堆制过程提供充足的氧气。间隙大小取决于颗粒的结构强度：麦类秸秆等硬质原料的粒径应小一些，一般为1~2cm；蔬菜等质软原料的粒径应大一些；人粪尿、动物粪尿、污泥等颗粒细的物质，应添加锯末、稻草、稻壳等膨松剂，既减少容重，又增加物料的空隙率，还调整了C/N。五、堆制工艺固体废物堆制处理的工艺类型很多：操作是否连续间歇式堆制连续式堆制反应器特点非反应器型：静态堆制工艺反应器型：机械搅拌式、立仓式堆制工艺、滚筒式堆制工艺等反应器型堆制发酵一般分两阶段，第一阶段高温发酵，发酵结束以后移出反应器进行二次发酵(熟化)。1、静态堆制工艺(staticcomposting)静态堆制工艺又称为常规堆制工艺(conventionalcomposting)我国长期使用的一种有机肥堆制法；原料预处理，调整含水量和C/N；垃圾70％~80％与20％~30％的稀粪混合，条形堆制，堆底宽2.5~3.0m，高1.75m左右，长度不限，自然通风；堆好后呈龟背形，堆中竖插竹竿或木棒，堆好后用稀泥封堆，以防热量散失。可插入作物秸秆或草束通气；2~3d后，堆温上升至50℃以上(中心部位可达65℃以上)，维持10~20d，整个工艺过程需要60~90d产物才能达到稳定；蛔虫卵致死率90％以上。通气方式插竹竿，自然通气；人工翻堆方式通气。–人工翻堆每周1~2次，机械翻堆可1~2d一次，后期腐熟阶段可每周翻一次。场地要求及特点场地坚实不渗水，有顶棚遮盖，大风频繁的地区应在逆风面设置挡风墙。工艺特点：工艺简单，设备少，处理成本低，但工艺时间长。2、搅拌式堆制工艺(mixingcomposting)堆制在料仓内进行；机械搅拌通入空气。–第一阶段为前5~7d的动态发酵，此阶段好氧菌活性强，升温快，温度高，有机物分解快，发酵7d绝大部分致病菌死亡。–7d后用皮带输送发酵半成品到另一车间进行静态二次发酵，使有机质进一步降解至稳定，20~25d达到腐熟。3.滚筒式堆制工艺也称卧式旋转法，由丹麦人首先研制