污染介质的生物处理.ppt

污染介质的生物处理,污水的生物处理 废渣与废气的生物处理,废渣与废气的生物处理,教学目的和教学要求,了解固体废弃物的种类、危害及其处理的一般途径，掌握高温堆肥法及其微生物学过程、对病原体的杀灭作用、影响因素、问题和改进，卫生填埋法微生物学原理与过程，废气生物处理原理及工艺类型。,课外读物,环境工程微生物学 现代环境微生物技术 资源与环境微生物学,第一节 废渣的生物处理,一 、 概述,主要内容 固体废物的定义与分类 国内外固体废物的现状 固体废物对环境的危害 固体废物管理的目标与基本原则 全过程固体废物管理,基本定义 固体废物是指在社会的生产、流通、消费等一系列活动中产生的一般不再具有原使用价值而被丢弃的以固态和泥状贮存的物质。 (固体废物产生环节、固体废物形态),一、 固体废物的定义,法规定义（中华人民共和国固体废物污染环境防治法） 固体废物是指在生产、生活和其他活动中产生的丧失原有利用价值或者虽未丧失利用价值但被抛弃或者放弃的固态、半固态和置于容器中的气态的物品、物质以及法律、行政法规规定纳入固体废物管理的物品、物质 (确定了固体废物的管理范围，更严谨),一、 固体废物的定义（续）,时空性 从时间性来说，随着科技的发展，今天的废物也许会成为明天的资源 从空间性来说，一过程的废物可能成为另一过程的原料,二、 固体废物的特性,无主性 固体废物被丢弃后，不再属于某个人，因此很难找到具体的负责人,二、固体废物的特性（续）,分散性 多数固体废物并非集中在某一个地方产生，而是散布在各个地方，在进行处理处置、资源化利用之前，首先需要收集起来，这带来了固体废物处理成本的增加,危害性 一些固体废物含有有害物质，污染周围环境 一些固体废物含有一些病原微生物，可能危害人类健康,二、固体废物的特性（续）,二、固体废物的来源演变,按来源可分为 工业废物 矿业废物 城市垃圾 农村垃圾 农业废物 放射性废物,三、 固体废物的分类,按化学组成可分为 有机废物（食品垃圾、农业废弃物、粪便） 无机废物（渣石、矿渣、粉煤灰）,三、固体废物的分类（续）,按形态可分为 固体废物（塑料袋、玻璃瓶、报纸） 泥状废物（污泥、粪便） 液态废物（废油、废酸、废有机溶剂）,按危险性可分为 一般固体废物（生活垃圾、农业废弃物、工业矿渣） 危险性固体废物（医疗垃圾、废有毒溶剂、放射性废物）,三、固体废物的分类（续）,按燃烧性可分为 可燃废物（废纸、废塑料、农业秸秆） 不可燃废物（金属、玻璃、砖石）,二、 国内外固体废物的现状,国外美国 2001年，仅城市固体废物产生量就达到2.29亿吨，还不包括其他类固体废物 (建筑垃圾、农业废弃物、城市污泥、燃料渣、医疗垃圾、矿渣、加工工业废弃物),（一） 固体废物产生现状,国内 根据05年环境状况公报，城市生活垃圾产生量达2亿吨，工业固体废物产生量达到13.4亿吨,固体废物与污水对比 产生量：05年，城市生活垃圾产生量达2亿吨，污水产生量高达524.5亿吨 处理成本：生活垃圾高于60元/t,焚烧高达250元/t;污水达到脱氮除磷三级处理也小于2元/t 人均有机碳负荷（上海）,（一）固体废物产生现状（续）,金属回收 从各种废弃设备上回收金属，然后加工成各种产品 通过化学处理如酸处理，从废弃电路板上回收各种贵重金属,（二）固体废物资源化途径 采取工艺措施从固体废物中回收有用的物质和能源,生产建筑材料 粉煤灰制砖 煤矸石制陶粒 工业矿渣生产矿渣棉,（二）固体废物资源化途径（续）,生产农肥 利用生活垃圾、粪便、农业废弃物、污泥等有机废物经过堆肥处理，制成有机肥料 须先将废弃物中有害成分分离出去，以免污染农产品,（二）固体废物资源化途径（续）,回收能源 直接将可燃垃圾焚烧回收热能 利用有机废弃物厌氧发酵生产可燃性沼气,（二）固体废物资源化途径（续）,取代某种工业原料 造纸厂用废纸替代部分造纸原料生产纸张 玻璃厂用废玻璃替代石英砂生产玻璃,固体废物处理方法（指将固体废物转变成适于运输、利用、贮存或最终处置的过程） 物理处理（通过浓缩或者相变化来改变固体废物的结构）（压实、破碎、分选、增稠、吸附、萃取） 化学处理（采用化学方法破坏固体废物中的有害成分从而达到无害化，或将其转变成为适于进一步处理、处置的形态）（氧化、还原、中和、化学沉淀和化学溶出）,（三）固体废物处理处置方法,固体废物处理方法(续) 生物处理（利用微生物分解固体废物中可降解的有机物，从而达到无害化或综合利用）（好氧堆肥、厌氧发酵和兼性厌氧处理） 热处理（通过高温来破坏和改变固体废物组成和结构，同时达到减容、无害化或综合利用的目的）（焚烧、热解、湿式氧化）,固体废物处理方法(续) 固化处理（采用固化基材如水泥将废物固定或包埋起来以降低其对环境的危害，以便能较安全地运输和处置的一种处理过程）（固化处理的对象主要是有害废物和放射性废物）,固体废物处置方法(是固体废物污染控制的末端环节，目的是解决固体废物的归宿问题，主要是指最终处置或者安全处置)（有陆地处置和海洋处置两类） 土地耕作（指将固体废物分散在现有耕地中，通过生物降解、植物吸收以及风化作用来消除固体废物污染） 堆存法（土地堆存，主要处置对象是不溶解、不扬尘、不腐烂变质的固体废物。筑坝堆存，主要处置的对象是湿排灰，如粉煤灰、尾矿粉等）,固体废物处置方法（续） 土地填埋（就是在陆地上选择合适的天然场所或者由人工改造出合适的场所，把固体废物用土层覆盖起来的技术。如填埋场） 深井灌注（是将固体废物液化，用强制性措施注入与饮用水和矿脉层隔开的可渗透性岩层中，从而达到固体废物的最终处置）,固体废物处置方法（续） 深海投弃（是利用船舶、航空器、平台及其它载运工具，向海洋倾倒废物的行为） 海上焚烧（是指以高温破坏有毒有害废物为目的，而在远离人群的海洋焚烧设施上有意焚烧废物的行为）,三 、 固体废物对环境的危害,（一） 固体废物的污染途径,侵占土地 每堆积1万t废物，约占地1亩 截止1994年，我国工业固体废物堆积量就达到66亿多吨，占地90多万亩,（二）固体废物的危害,污染土壤 废物在堆放过程中，有害成分容易经过风化雨淋随地表径流渗入土壤中，杀死土壤中的微生物，使土壤丧失腐解能力，导致寸草不生,污染空气 一些有机固体废物在适宜的温度、湿度下会被微生物分解，释放有毒气体 一些细粒状的废渣和垃圾，在大风吹动下会随风漂逸，造成大气的粉尘污染 固体废物在运输和处理过程中，会产生有害气体和粉尘 煤矸石自燃会散发有害气体SO2,（二）固体废物的危害（续）,污染水体 随天然降水和地表径流进入江河湖泊，或者随风飘入水体使地表水污染 随渗滤液进入土壤使地下水污染 直接排入河流湖泊或海洋造成更大的水体污染,（二）固体废物的危害（续）,影响环境卫生 对我国300个城市进行了统计，城市垃圾清运量仅占产生量的4050%，无害化处理率只有1.6%，98%以上的垃圾、粪便未经无害化处理进入环境，导致病原菌繁殖，已经对人们健康构成了潜在的威胁,（二）固体废物的危害（续）,其他危害 某些特殊的有害固体废物可能会造成燃烧、爆炸、接触中毒、严重腐蚀,四 、 固体废物管理的目标 与基本原则,消纳思想 管理的目的是为固体废物找到一个可实现空间隔离的场所，管理目标是固体废物的清运率 管理的手段与技术是设置收集设施，及时外运收集到的废物，并在远离人群聚居地的场所进行堆放 当时的固体废物组成主要是动植物残余及各种灰渣 将固体废物分散到农田中或者堆放在远离城市的坑洼地集中处置,（一）管理思想演变过程,“三化”原则的管理思想 “三化”原则指的是无害化、减量化与资源化 人们认识到固废处理处置不当会造成污染，因此，要求处理处置必须达到对环境无害，也就是无害化原则 由于固废产生量增加，容纳固废空间日益紧张，同时社会环境意识提高，很少有人愿意将固废处理处置设施建在自家附近(例)，这样，处理处置设施很难选址和建设，因此，固废管理必须能使废物减量，产生了减量化原则,（一）管理思想演变过程（续）,“三化”原则的管理思想（续） 20世纪末出现三大危机，有人口爆炸、资源耗竭和环境污染，造成资源紧张，使人们对环境问题有了新认识 固废中可再生利用物质增多；城市生活垃圾作为土壤肥料的事实；使人们对固废的可资源化前景乐观 固废处理处置技术日益复杂带来经济、资源方面的巨大压力，资源化原则得以确立,“三化”原则的管理思想（续） “三化”原则对固废处理处置技术的影响 城市生活垃圾 无害化方面，卫生填埋采取了基础防渗，压实覆盖、雨污分流、渗沥水处理等。焚烧采取完善燃烧条件来提高废物的燃尽率，采取气体净化来去除尾气中的有害成分。堆肥化通过高温发酵使堆肥制品达到杀灭致病菌的要求,“三化”原则对固体废物处理处置技术的影响 城市生活垃圾（续） 减量化方面，焚烧使垃圾减容（体积）达90%以上，减重80%。填埋通过压实机械对垃圾分层压实实现减容目的。堆肥通过微生物发酵排放二氧化碳和水蒸气来达到减量目的，减量达4050%。 资源化方面。焚烧热能回收发电；堆肥化制品用于农作物生产；填埋气体作为能源利用；以及垃圾经蚯蚓处理生产蚯蚓和蚓粪，固废高压成形制垃圾砖，固废热解制能源等,“三化”原则对固体废物处理处置技术的影响 工业固废 无害化方面，考虑将危险的工业固废进行分流处理。可燃危险固体废物的高温焚烧处理技术，以及非可燃危险固体废物的安全填埋处置技术 减量化方面，高温焚烧减容减量，安全填埋压实减容 资源化方面，各种燃料渣、冶炼渣制建材,全过程管理思想 减量化不仅在处理处置阶段对已产生的固废进行减量，而且延伸到源头，从源头减少固体废物的产生 资源化不仅是处理与利用过程中通过工程技术手段来实现，而且从产生点的贮存、收运阶段开始进行，如设计可回用产品、源分离收集 无害化不仅是处理处置过程的任务，更加强调前端无害化，如通过源分流收集对有害垃圾进行分类管理，生产过程中减少有害物质使用量,（一）管理思想演变过程（续）,产生源控制优先 完善资源化体系 有害废物的分流管理 最终处置无遗漏,（二）全过程固体废物管理遵循原则,二、高温堆肥法,二、高温堆肥法,堆肥中热量的产生及热灭活条件,堆肥大为什么能杀灭病原体？工艺上满足无害化的条件有哪些？,二、高温堆肥法,堆肥的微生物学过程P255-256 发热阶段 高温阶段 降温阶段 腐熟阶段,二、高温堆肥法,影响堆肥的主要因素与控制P256 通风供氧 含水率 温度 其他影响因素,三、卫生填埋法,卫生填埋场内微生物学原理与过程 好氧分解阶段 厌氧分解不产甲烷阶段 厌氧分解产甲烷阶段 稳定产气阶段,三、卫生填埋法,影响填埋场垃圾降解的主要因素 垃圾组成与特性 水分,第二节 废气的生物处理,废气主要来源,人类生产及生活中的燃料燃烧 生产活动，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废气。,废气的处理,废气处理是环境污染控制的一个重要方面。,废气处理方法： 物化法：目前主要采用的方法，如燃烧、 吸附、吸收和还原等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。 生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。,废气的微生物处理于1957年在美国获得专利，但到1970年代才开始引起重视，直到1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。 废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到90以上。,废气的生物反应器处理,废气生物处理的特点,废气或尾气(waste gas，off-gas)在生物反应器内进行。 挥发性有机化合物 (volatile organic compounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。 化工、制药、电镀、喷漆、印刷等行业产生的有害污染物(hazardous air pollutants，HAPs)以及废水处理厂、堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。,去除效率高 一般的空气污染物去除效率超过90。 投资少，运行费用低 不需要投入额外的化学品; 化学法则需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。,污染少 生物处理的产物是生物量，很容易处理。 5.耗能低 生物反应在常温常压下进行，能量来自微生物利用VOCs成分本身产生的能量。 生物处理法消耗的动力只是污染气体进入 处理系统时所消耗的能量(正压送风或负压引风)。,水溶性强 兼具有蒸汽压低、亨利定律常数低的特点，向介质表面微生物膜扩散速率高； 主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。,适宜处理的污染气体应具有的特点：,易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。,废气生物处理的基本形式,根据介质性质不同，分为： 生物洗涤(bioscrubbing) 生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质。 生物滤过(biofiltration) 生物滤过采用是固态介质 生物滤池(biofilters) 生物滴滤池(biotrickling filters),1生物滤池,生物滤池内的固态介质是一些天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。,微生物滤池适用于处理肉类加工厂、动物饲养场、污水处理厂和堆肥厂等处产生的废气。 这类废气的主要特点是浓度不高，但带有强烈的臭味。,滤料的选择,堆肥 原料常用污水处理厂污泥、有机垃圾和畜粪以及植物凋落物。 须筛选，滤层要均匀、疏松，空隙率40，滤料须保持湿润，滤层含水量不低于40，但不能有积水。滤层保持适当的温度。 土壤 腐殖土为好，其它土质需要改良，有效厚度不应小于50cm， 土壤水分4070， 草炭 其通气性能良好，适于微生物生长，除臭效果比用土壤好。,2生物滴滤池,生物滴滤池主要由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。 废气经过预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。 滤料使用人工材料，如陶瓷、塑料或金属等，使用颗粒状或有空隙的材料，床层厚度一般在0.51.0m，依需要而定。,优点： 滤料重量轻、空隙大、表面积大、废气和介质接触时间短(几秒钟)，处理效率高，同时滤料不需更换。 处理的浓度100mg/m35g/m3，流量550000m3/h。,应用,微生物过滤床已成功地用于化工厂、食品厂、污水泵站等方面的废气净化和脱臭。 污染物包括硫化氢、二硫化碳、苯乙烯、甲苯、丙烷、异丁烷、苯酚、乙醇、四氢呋喃、环已酮、甲基乙基甲酮等。,3生物洗涤,生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成，吸收器和生物反应器分开设置。 吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程进行很快，水在吸收设备中的停留时间仅约几秒钟；,生物反应的净化过程较慢，吸收了挥发性气体的废水在反应器中一般需要停留几分钟至十几小时。 生物反应器中可进行好氧处理，活性污泥法和生物膜法。,循环废水的利用 可以直接进入吸收器重复使用； 经过泥水分离后再重复使用。,吸收液组成： 微生物、营养物和水； 适合处理水溶性强的气态污染物，如醇类、酯类、醛类和酮类等。 污水处理厂剩余活性污泥配制混合液作为吸收剂可用于处理复合型臭气，特别能脱除很难治理的焦臭。 德国开发一套二级洗涤装置，臭气浓度由1.110-3降低至510-5，并且抗冲击负荷。,三、生物法处理废气的机理,生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段： 溶解过程 废气与水或固相表面的水膜接触，污染物溶于水中成为液相中的分子或离子，这一过程是物理过程，符合亨利定律。,吸着过程,溶于水中的污染物被微生物吸附、吸收，污染物从水中转入微生物体内。作为吸收剂的水被再生复原，继而再用以溶解新的废气成分。,生物降解过程,进入微生物细胞的污染物作为微生物生命活动的能源或养分被分解和利用，从而使污染物得以去除。 烃类和其它有机物成分被氧化分解为CO2和H2O，含硫还原性成分被氧化为S、SO42-，含氮成分被氧化分解成NH3，NO2-和NO3-等。,污染物转移的三种可能情况,(1)气流吸附在有机介质上在水相解析膨解生物降解 (2)气流在生物膜上直接吸附生物降解 (3)气流在水相中溶解生物降解,四、处理废气的微生物,多为混合微生物，因为： 含有多种成分的混合废气，需要多种微生物分别降解； 有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解转化为无害物质， 氨先经硝化细菌再经反硝化作用细菌才能成为分子态氮；,四、处理废气的微生物,一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能被完全降解； 卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解； 工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物， 在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物起共培养。,五、废气生物处理的基本条件,主要有水分，养分、温度、氧气(有氧或无氧)以及酸碱度等。 1水 分 微生物生命活动的必要成分； 吸收废气的溶剂。 采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适宜的水分含量可保证氧与水分的供给。 5070为适宜的含水量。 通常预处理需要加湿，防止滤料变干。,2养 分,废气可为微生物提供一定的养分，VOCs可以提供碳源和能源，但是需要适当补足其它养分。 不同的处理工艺对养分控制有差异，例如生物滴滤池补充营养盐十分重要，但是堆肥生物滤池补给营养盐的次数可以减少，一年补给二次即可。,3温 度,废气生物处理多用中温条件(2535)，少用高温。 土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温措施。,4氧气,废气处理多用异养型好氧微生物； 氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。 少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统的氧气。,5、酸碱度,以中性或微碱性为宜。 废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较特殊， 例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.62.8，最低为pH1.0，最高为pH4.06.0。,恶臭的原位处理,一、恶臭污染物和污染源 恶臭污染物(odor pollutants)指一切刺激嗅觉器官引起人们不愉快及损害生化环境的气体物质。,恶臭的原位处理,畜禽场是重要的污染源 ONeil和Phillips从养猪场中分离鉴定到160种化合物，主要成分有氨、胺、含硫化合物、挥发性脂肪酸、吲哚类、粪臭类、酚类、醇类和羰基类化合物。,我国规定的恶臭污染物 (GBl4554-93)