63固体污染物的微生物处理

6.3固体污染物的微生物处理城市生活垃圾–历年垃圾的存量已达到66亿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％。–2008年，北京市生活垃圾产生量达到672万吨，日均产生量1.84万吨。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，嗜热脂肪芽孢杆菌烟曲霉Aspergillusfumigatus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。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)。六、接种剂在堆制处理中的应用添加剂有三种：天然接种剂(inoculant)、微生物接种剂和起爆剂。天然接种剂有粪肥、腐熟堆肥、耕层土壤等。微生物接种剂由从堆肥中分离的或其它来源的细菌、放线菌、霉菌等组成，具有分解蛋白质、脂肪、糖类、纤维素、木质素、蟹壳和除臭等功能，中温型与高温型微生物组合使用。起爆剂(starter)不含有微生物接种体，是一些微生物容易分解的有机质如糖蜜、蔗糖和蛋白质等，其作用是为了缩短潜育期。第二节卫生填埋卫生填埋(sanitarylandfill)始于20世纪60年代，是在传统堆制的基础上，避免环境免受二次污染而发展起来的一种较好的固体废物处理法；优点：投资少，容量大，见效快。卫生填埋的类型主要有厌氧、好氧和半好氧三种。填埋类型特点及应用情况厌氧填埋操作简单，施工费用低，可回收甲烷气体，目前广泛采用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾稳定化时间短，但工艺要求较复杂，费用较高，尚处于研究阶段。AnaerobicBioreactorLiquidsStorageGasCollectiontoGenerateEnergyGroundwaterMonitoringBioreactorProgram一、填埋场地的建设与运行根据地形、地貌和土壤条件、水文地质、气候、运输距离、出入道路条件等进行选择，使填埋处理不影响当地居民的生活和健康。场地底部要构筑不漏水的防水层、集水管和集水井等设施，四周要防止水流冲刷、防止地下水和地面水受污染，避免一般填埋出现的卫生条件差，二次污染频繁的问题出现。1、场地的建设ConceptillustrationofaTypicalSanitaryLandfillSite2、垃圾填埋处理将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋。每天的垃圾，在限定范围铺散为40~75cm的薄层，然后压实。垃圾层厚度应为2.5~3m。一次性填埋处理垃圾层最大厚度为9m。每层垃圾压实后覆土20~30cm。废物层和土壤覆盖层共同构成一个单元，即填埋单元(cell)。当天的垃圾，当天压实覆土，成为一个填埋单元。具有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层。按上述工序完成的卫生填埋场由一个或几个填埋层组成。当填埋到最终的设计高度以后，再在该填埋层上层盖一层90~120cm的土壤，压实后就成为一个比较标准的卫生填埋场。TheStevensCountySanitaryLandfill,openedonJuly5,1979,isafacilitythatwasdesignedtoservethewasteneedsofthecitizensofStevensCounty.二、填埋的微生物学过程根据垃圾在卫生填埋过程中的分解情况、气体产生和微生物活动情况，将整个过程人为地划分为四个阶段。四个阶段的特点分别为：1、好氧分解阶段垃圾好氧分解主要是开始阶段。此阶段时间的长短取决于分解速度，由几天到几个月。填埋层内的氧耗尽后进入第二阶段。2、厌氧产酸阶段在此阶段，好氧微生物的生命活动中止；无氧呼吸的细菌，如硝酸还原细菌和硫酸还原细菌等，以物料中的NO3-、SO42-的氧