环境生物技术第五章

第五章 固体废弃物的生物处理,第一节 概述,一、固体废弃物的种类与来源 1.1 固体废物的定义 固体废物是指人类在生产建设、日常生活和其他活动中产生的，在一定时间和地点无法利用而被丢弃的污染环境的固体、半固体废弃物质。 固体废物一词中的“废”具有鲜明的时间和空间特征。 从时间方面讲, 它仅仅相对于目前的科学技术和经济条件, 随着科学技术的飞速发展,矿物资源的日逐枯竭, 生物资源滞后于人类需求, 昨天的废物势必又将成为明天的资源。从空间角度看, 废物仅仅相对于某一过程或某一方面没有使用价值, 而并非在一切过程或一切方面都没有使用价值。 某一过程的废物,往往是另一过程的原料。,1.2 固体废物的分类 A按组成可分为有机废物和无机废物； B按形态可分为固体（块、粒、粉）的和泥状（污泥、粪便等）的废物； C按来源可分为工业废物（冶金燃料灰渣、化工、石油、轻工等）、矿业废物（尾矿、废石）、城市垃圾（市政废物、生活垃圾、商业废物）、农业废物（秸杆、禽畜饲养、农产品加工）和放射性废物（核工业、医疗单位、放射性废物处理设施）； D按其危害状况可分为有害废物（放射性、腐蚀、腐败、剧毒、传染、易燃、易爆、易剧烈反应）和一般废物（毒害性较轻，如粉煤灰、碎砖瓦等）。但较多的是按来源分类。,城市生活垃圾 城市生活垃圾又称为城市固体废物，它是指在城市居民日常生活中或为城市日常生活提供服务的活动中产生的固体废物，它的主要特点是数量巨大、处理率低；成分复杂，有机物含量高。,二、固体废物污染危害,1危害途径： A溶解进入地下水饮用水（液态）； B动植物吸收动、植物食品（固态）； C熔炼、挥发大气（呼吸）。 2固体废物危害特性： 潜在性、长期性（错觉、稳定、毒性较慢）。 3主要危害： （1）侵占土地; （2）污染土壤 ; （3）污染水体 ; （4）污染大气 ; （5）影响环境卫生 ； （6）有些危害固体废物的特殊污染 。 (7) 易燃易爆,三、固体废弃物处理的基本原则： 对固体废物污染的控制，关键在于解决好特别是危险废物的处理、处置和综合利用问题。 我国经过多年实践证明，采用可持续发展战略减量化、资源化和无害化道路是唯一可行的。 无害化：将固体废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围的自然环境 减量化：通过适宜的手段减少和减小固体废物的数量和容积。这一任务的实现，需从两个方面着手，一是对固体废物进行处理利用，二是减少固体废物的产生。 资源化：采取工艺措施从固体废物中回收有用物质和能源。以减少物质和能源的消耗，从而有效地保护环境。,三、固体废弃物处理的基本原则： 对固体废物污染的控制，关键在于解决好特别是危险废物的处理、处置和综合利用问题。 我国经过多年实践证明，采用可持续发展战略减量化、资源化和无害化道路是唯一可行的。 无害化：将固体废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围的自然环境 减量化：通过适宜的手段减少和减小固体废物的数量和容积。这一任务的实现，需从两个方面着手，一是对固体废物进行处理利用，二是减少固体废物的产生。 资源化：采取工艺措施从固体废物中回收有用物质和能源。以减少物质和能源的消耗，从而有效地保护环境。,四、固体废物无害化处理的技术途径 1、常用的方法 卫生填埋 高温堆肥 焚烧 综合处理 2、其他固体废物的生物处理方法 沼气化：厌氧消化 废纤维素糖化 细菌浸出,五、固体废弃物的微生物处理的主要方法： 堆肥法 卫生填埋法 沼气化：厌氧消化 废纤维素糖化 细菌浸出,第二节 堆肥法（Compost）,一、概述 1. 概念 在控制条件下，利用微生物的生化作用，将固体废弃物中的有机物质分解、腐熟并转化成稳定腐殖质的微生物学过程。 堆肥过程需在人工控制条件下进行，不同于有机废物的自然腐化与腐烂。 2. 分类 根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥法可分为：好氧堆肥法和厌氧堆肥法,二、厌氧堆肥法,1、概念 指在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。 2、厌氧堆肥的生化过程 酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物，产生有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢等，使pH下降； 产气发酵阶段：主要由产甲烷细菌分解有机酸和醇，产生甲烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升。 3、厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较） 堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长，但方法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。,三、好氧高温堆肥 （一）原理介绍 好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物（主要是好氧细菌）的作用来进行的。 微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢（氧化还原过程）和合成代谢（生物合成过程），把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长、活动所需要的能量，把另一部分有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体。并且有机质在微生物的作用下，重新合成的一类新的特殊的高分子有机化合物腐殖质。,腐殖质为一种黑色或棕黄色的有机胶体。腐殖质不仅是土壤养分的主要来源，而且对土壤的物理、化学、生物学性质都有重要影响，是土壤肥力指标之一。 腐殖质是具有酸性、含氮量很高的胶体状的高分子有机化合物。腐殖质在土壤中，在一定条件下缓慢地分解，释放出以氮和硫为主的养分来供给植物吸收,（二）堆肥中的热灭活与无害化 热灭活有一种温度时间效应关系。 热灭活作用是温度与时间两者的函数。一般设计认为杀灭蛔虫卵的条件也可杀灭原生动物、孢子等，故可以把蛔虫卵作为灭寄生虫无害化程度的指示生物，以大肠菌群作为杀灭病原菌无害化程度的指示生物。,好氧堆肥化无害化工艺条件： 根据上述热灭活概念分析可得出理论上好氧堆肥无害化工艺条件如下：堆层温度55以上需维持5-7天；堆层温度70则需维持3-5天。即堆肥温度较高维持时间较短时，可以达到同样的无害化要求。,1、堆肥化过程中有机物氧化分解关系： CwHxOyNz·aH2O+bO2CHON ·CH2O+dH2O(气)+eH2O(液)+fCO2+gNH3+能量 由于堆温较高，部分水以蒸气形式排出。 堆肥成品CHON ·CH2O与堆肥原料CwHxOyNz·aH2O之比为0.30.5（这是氧化分解减量化的结果）。通常可取如下数值范围：w=510, x=717, y=1, z=28。,（三）好氧堆肥法的微生物学过程,2、四个阶段： 发热阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟阶段 （1）发热阶段（中温阶段） 初期，主要由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中的可溶性有机物和易分解有机物，释放热量，使温度不断上升，15-45 ，1-3d。,（2）高温阶段 堆肥温度升至50以上进入高温阶段，从堆积发酵开始2-3天便可达到55 ，一周内可达到最高值（最高可达到80 )。嗜热性的微生物逐渐代替了中温微生物，一些复杂的有机物开始分解，纤维素、果胶类物质旺盛分解，同时腐殖质逐渐形成。病原性微生物逐渐被高温杀死。3-8d。 50 ：嗜热性真菌、嗜热性放线菌 60 ：嗜热性放线菌与细菌 70 ：只剩下嗜热性芽孢杆菌,（3）降温阶段 当易分解有机物大部分被分解以后，剩下的是木质素等难分解有机物和新形成的腐殖质，好热性微生物的活动减弱，产热量下降，温度逐渐下降，中温性微生物又成为优势菌群，残余物进一步分解，腐殖质逐渐积累，堆肥进入腐熟阶段。1-3天。,（4）腐熟阶段 堆肥物质逐步进入稳定化状态，耗氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物空隙增大，氧扩散能力增强，只需自然通风。2030天。,堆肥化过程的发展阶段,（四）影响好氧发酵过程的主要因素,1、有机物的含量 2、含水率 3、通风和耗氧速率 4、碳氮比 5、温度 6、pH值,1、有机物的含量,堆肥物料适宜的有机物含量为20-80%，有机物含量过低，不能提供足够的热能，影响嗜热菌增殖，难以维持高温发酵过程，影响堆肥的卫生无害化效果，而且影响堆肥产品的肥效和使用价值。 有机物含量大于80%时，堆制过程要求大量供氧，实践中常因供氧不足而发生部分厌氧过程。,2、含水率,根据垃圾含水率与细菌生长和氧摄入量的关系曲线，微生物的生长和对氧的要求均在含水率为50-60%时达到峰值。故在用生活垃圾制堆肥时，一般以含水率55%为最佳。通常，生活垃圾的含水率均低于此值，可添加粪水或污水污泥等进行调节。,临界水分 “临界水分”是既考虑了微生物活性需要，又考虑到保持物料孔隙率与透气性需要的综合指标。当含水率超过65%，水就会充满物料颗料间的空隙，使空气含量减少，堆肥将由好氧向厌氧转化，温度也急剧下降，将形成发臭的中间产物（硫化氢、硫醇、氨等）和因硫化物而导致堆料腐败发黑。综上所述，综合堆肥化各种因素可得到适宜水分范围为4560%（wt%）（符合城市生活垃圾堆肥处理厂技术议价指标的规定）， 以55%为最佳。,3、通风和耗氧速率,通风的作用：供氧、升温 堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活动的强弱和有机物的分解程度。微生物的耗氧速率一般在发酵反应的60-80小时达到峰值；在200小时左右时进入初步稳定阶段，耗氧速率变化缓慢。曲线还表明，堆肥原料中有机物含量不同，其耗氧速率也不同，有机物含量越高，耗氧速率上升越快，到达峰值的时间越短。 通风量过大的危害：热量散失、水分营养散失,供氧方式： 自然通风 向肥堆内插入通风管 翻堆设备进行翻堆 风机强制通风 后两者是现代化堆肥厂主要采用方式，常配合使用。因为需氧量和堆肥物料水分及堆料温度密切相关，一般在堆肥过程中常用堆层温度的变化，用仪表反馈来控制通风量以保证堆肥过程处于微生物生长的理想状态。,4、碳氮比,微生物每利用30份碳就需要1份氮，故初始物料的碳氮比为30:1合乎堆肥需要，其最佳值在26:1-35:1之间。垃圾的碳氮比一般为（50-80）/1 由于初始原料的碳氮比一般都高于前述最佳值，故应加入氮肥水溶液、粪便、污泥等调节剂，使之调到30以下。 成品堆肥的适宜碳氮比为10:1-20:1之间。 若成品碳氮比过高，造成微生物和植物争夺氮素营养，影响作物的生长发育。,各堆肥原料的C/N比如下：锯末屑3001000，秸杆70100，垃圾5080，人粪610，牛粪826，猪粪715，鸡粪510，下水生污泥515，活性污泥58。因此，当用秸杆，垃圾进行堆肥时，需添加低C/N比废物或加入氮肥，以使C/N比调整到30以下。,5、温度,堆肥过程的较佳温度是55-60。 温度受有机物含量、氧气的供应、发酵装置和保温条件的影响。,温度过低是不利的，分解反应速度慢，也达不到热灭活无害化要求，嗜热菌发酵最适宜温度是5060。由于高温分解较中温分解速度要快，并且高温堆肥又可将虫卵、病原菌、寄生虫、孢子等杀灭，达到无害化要求，所以一般都采用高温堆肥。 但温度过高也不利，例如当温度越过70时，放线菌等有益细菌（有的地农业有益，存活于植物根部周围，使植物受到良好的影响而茁壮成长），将全部被杀死。且孢子进入形成阶段，并呈不活动状态，使分解速度相应变慢，所以适宜的堆肥化温度为5560。 堆肥过程中温度的控制十分必要，在实际生产中往往通过温度通风反馈系统来完成温度的自动控制。,6、pH值,好氧堆肥初期，pH值一般可下降为5-6，之后又开始上升，发酵完成前可达8.5-9.0，最终成品达到7.0-8.0。对用石灰调节再经真空过滤或加压脱水得到的污泥滤饼，其pH值一般可高达12，当采用此种污泥滤饼作堆肥原料时，需作pH值调整。,（五）好氧堆肥程序,现代化堆肥生产、通常由前（预）处理，主发酵（亦可称一次发酵）、后发酵（亦可称二次发酵）、后处理、脱臭及贮存等工序组成。,（五）好氧堆肥流程,1、原料预处理： 分选、破碎、调节水分、调值、碳氮比 采取破碎、分选等预处理方法去除粗大垃圾和降低不可堆肥化物质含量，并使堆肥物料粒度和含水率达到一定程度的均匀化。适宜的粒径范围是1260mm。 当以人畜粪便，污水污泥饼等为主要原料时，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，有时需添加菌种和酶制剂，以促进发酵过程正常进行。,