废弃物的处理方法.doc

环境微生物学第8章8.2 微生物在固体废弃物处理中的应用8.2.1 城市生活垃圾的微生物处理 生活垃圾是人类日常生活中产生的废弃物，当复杂多变、量大面广的生活垃圾排放到环境时，就会对大气、水体、土壤、生态环境带来严重的破坏。生活垃圾裸露堆放不仅会占去大量土地，影响自然景观；而且未经处理的生活垃圾直接还田或简易处理后就还田会严重破坏土壤的团粒结构，致使土壤保水、保肥能力下降；生活垃圾自然腐烂后还会产生恶臭，致使蚊蝇孳生、老鼠繁衍、各种病菌大量繁殖，排出大量氨、硫化物等，其中含有较多致癌物质，直接威胁人类的健康和生存。除此之外，生活垃圾还可间接通过水、气造成二次污染。垃圾在腐败过程中会产生大量酸性和碱性有机污染物，并会将垃圾中的重金属溶解出来，是有机物、重金属和病原微生物三位一体的污染源。据实验研究，1kg生活垃圾在氧化状况下经淋滤分解后，可产生硝酸盐、硫酸盐和氯化物等矿物质900012000mg，并溶解出2.8g钙镁物质。可使1t水的硬度升高半度，1t城市生活垃圾氧化分解产生的有机物质需要31t清洁土壤或115t清洁河水才能自净。生活垃圾的危害已涉及我们每一个人，切实有效的解决垃圾污染问题已刻不容缓。8.2.1.1 我国城市生活垃圾现状8.2.1.2 城市生活垃圾处理方法8.2.1.3 城市生活垃圾生物处理技术的进展8.2.1.4 以湿式厌氧发酵（产沼、制肥）为主的垃圾综合处理技术8.2.1.3 .5 微生物制剂在生活垃圾处理中的应用8.2.1.6 微生物技术处理生活垃圾的安全性问题 安全性问题一直是微生物制剂，特别是基因工程菌推广使用的主要障碍，在这方面还需加强管理和更深入的研究，但仅仅因为基因工程菌可能存在一定的危险性就停止研究和使用，将使我们失去一个高效降解污染物的有力工具。在确保生活垃圾处理的安全性方面，关键要把好两个关，即投放安全菌剂和排出无害残存物。也就是说，必须要保证投加的是无害菌，如果使用基因工程菌必须保证其安全性，例如可构建只适于垃圾处理系统的营养缺陷型菌株来保证其安全性等；同时要把握好垃圾“消化”过程的温度、湿度、通气状况等，确保处理后的残存物也是安全的。目前，用于生活垃圾处理的菌种都来源于自然界且绝大部分不是有害菌，从垃圾处理机的运转情况看，并没有对周围人群产生不良影响，机器排出的残渣还成了附近居民抢手的花肥。从长远看，随着生物技术的发展，基因工程技术的研究也将越来越深入，它必将在环境污染治理中发挥重要作用。8.2.2 污泥的微生物处理在城市污水或工业废水的生物处理中，随着废水的净化过程，都将有大量的有机污泥（通称污泥）产生。这些污泥的成份、性质和废水的性质及处理工艺有关。如处理城市污水（或工业有机废水），来自初沉地的污泥主要是有机性质的（主要来自有机固体颗粒的沉降），而来自二沉池的污泥主要是生物处理过程中排出的剩余生物体，排泥体积约为处理的水体积的0.55%左右。上述这类污泥富集了来自被处理废水的大量有机污染物（BOD5），如在初沉池中，进水BOD5的30%左右以沉降污泥形式被去除；而在曝气池后的二沉池中，被生物处理法去除的BOD5中的30-40%以剩余污泥形式排出。这样，进水BOD5的50%左右（设处理过程的BOD5去除率为90%左右）是以污泥形式而被去除的。因此，这种污染量大而集中的污泥，在进入环境之前，必需以妥善的无害化处理与处置（包括利用）。一般，对大多数城市污水或工业废水的生物处理厂（站）来说，花在污泥处理、处置上的费用是相当大的，约占总投资及运转费用的50%左右。所以，对一个废水生物处理厂来说，污泥的处理、处置同废水的净化一样都是非常重要的，切不可予以忽视。污泥中含有大量的有机物，经微生物厌氧或好氧消化后可使有机污染物得到进一步的降解,转化为CO2或沼气(稳定化)；而且污泥的数量相应减少,在厌氧消化中污泥量约可减少一半(减量化)；污泥中病原微生物及寄生虫卵也相应减少(无害化)；污泥的脱水性能也大为改善,这样有利于污泥作进一步的处置。因此,污泥的微生物消化处理是废水生物处理中不可少的一个组成部分，是消除污泥对环境污染的有效方法。8.2.2.1 污泥的来源及性质(1) 初沉池污泥初次沉淀污泥是指一级处理过程中产生的污泥。废水经初沉后，约可去除可沉物、油脂和飘浮物的50%、BOD的30%。初沉污泥的性质随废水（污水）的成分，特别是混入工业废水的城市污水或单独处理的工业废水性质而变化。城市合流污水初沉池污泥的特性见表21。表421 城市合流污水初沉池污泥特征参 数特性描述注物理性质不均匀、团块状色泽褐色工业水中染料可使之带色，若腐败可呈深褐色或黑色浓度平均固体含量占38%浓缩得好，平均固体含量占57%气味泥土味有重金属盐时可无味或少味挥发物占总固体干重的7080%偶而可为60%或85%pH5.56.5，平均6受工业废水或污泥腐败的影响总碱度范围3001000毫克/升，常为500600毫克/升盐类或非挥发物占固体总重量30%左右具有砂时可30%腐败性通常不腐败腐败可因：原水腐败，污泥在池中搁置过久，污泥消化池中上清液引起污泥体积5.252升/米3废水，平均约18.726.2升/米3体积过多，说明污泥太稀或有工业垃圾。过少说明废水太淡；初沉池效率差；污泥积累于池中。消化性能易消化不易消化表明工业废水中有重金属盐类或纤维物的存在油脂量1020毫克/升过高因工业废物，如废油或羊毛洗涤废水所致(2) 二沉池污泥 二沉池污泥是指二级生化处理中产生的污泥，包括活性污泥法中排放的剩余污泥，生物滤池及生物转盘等脱落的生物膜。此类污泥的组分与活性污泥及生物膜基本相同，除了吸附了少量的水中的悬浮物、无机盐或未分解的的残剩有机物外，主要是由微生物的细胞所组成，因此污泥的有机物含量、含水率都较高，密度低。二沉池污泥的比重约为1.005.025，污泥中的灰分及挥发性有机物的比例与生物处理系统中的泥龄有关，若泥龄长，则挥发性有机物含量较低。8.2.2.2 污泥的浓缩有机污泥的含水率一般都很高，可达95%以上，刚排出的剩余污泥甚至可达99%以上。因而体积很大，这对污泥的输送和处理都将造成困难，因此必须进行浓缩。污泥浓缩的目的，是使污泥的含水率、污泥的体积得到一定程度的降低从而减少污泥后续处理设施的基本建设费用和运行费用。污泥中所含水分大致可分为四种，如图454所示。图454 污泥所含水分示意图 （1）间隙水是指几个固形物质粒子间所包含的水，又称游离水、颗粒间隙水，约占污泥水分的70%。间隙水和固体粒子不是直接结合，因而易于排除。 （2）毛细管结合水在污泥的固体物质粒子间，形成一些小的毛细管，充满于毛细管中的水称为毛细管结合水，这部分水，约占污泥水分的20%。排出这部分水，需要较大的机械能，可以采用离心机或高压过滤机；使毛细管结合水从污泥中分离出来。 （3）表面附着水吸附在固体粒子表面的水，能随固形粒子移动，需用机械方法排除。 （4）内部水是指微生物细胞内的水分，此种水与固体粒子结合较牢固，单用机械方法不能达到排除目的，必须采用生物化学法或通过加热等方法才能排除。表面吸附水与内部水大约共占污泥含水量的10%.污泥浓缩的对象主要是去除污泥颗粒间的游离水。对于一级污泥、二级污泥和消化污泥，采用的浓缩方法主要有重力浓缩、气浮浓缩和离心浓缩等。在现有处理工艺中，采用较多的是重力浓缩法，但此法的浓缩效果，受废水处理工作状况的影响较大，往往会出现浓缩效果欠佳的情况。因此，近年来，国内外积极研究与应用离心机浓缩污泥。上述三种污泥浓缩方法各有优缺点，应根据具体情况与要求予以选择，见表422。表422 不同污泥浓缩方法的比较方法优点缺点重力浓缩1贮存污泥的能力高；1占地面积大；2操作要求不高；2会产生臭气；3运行费用少尤其是电耗低3对于某些污泥工作不稳定气浮浓缩1浓缩后污泥含水率较低；1运行费用较高；2比重力浓缩法所需土地小，臭气问题少；2占地比离心浓缩法大；3可使砂砾不混于浓缩污泥中；3污泥贮存能力小；4能去除油脂4操作要求比重力浓缩法高离心机浓缩1占地面积小；1要求专用的离心机；2没有或几乎没有臭气问题2电耗大；3对操作人员要求高此外，在选择污泥浓缩方法时，除考虑以上因素以外，还与整个污泥处置流程有关。例如，当利用污泥作农肥时，且不作商品化产品（袋装颗粒肥料），而是运到农田直接施用，则要求污泥有一定流动性，但又考虑到运输费用，因此，污泥处理工艺应在保持污泥流动的前提下尽可能浓缩。8.2.2.3 污泥的厌氧消化美国学者克拉克（Clark）于1899年提出了从污水中迅速去除污泥，便污水保持新鲜，并将分离出来的污泥在隔绝空气的条件下进行消化的想法。迄今为止，人们根据这个想法已创造了不同类型的污泥处理构筑物，进行有机污泥的厌氧消化。所以污泥在厌氧条件下进行消化处理是人们早已熟悉的方法，并习惯地称之为污泥消化。现在，为了区别于污泥的好氧稳定处理（污泥的好氧消化），人们又称上述的污泥消化为污泥的厌氧消化。污泥通过厌氧消化使其中的有机物得到降解、稳定，同时又回收利用了沼气。污泥厌氧处理原理及有机物的转化请参见废水厌氧处理章节。由于污泥的消化处理是在厌氧条件下进行，故运行中的动力消耗特别低，而且沼气可回收利用，更节约了运行费用。现在，城市污水处理厂中大多采用厌氧消化法对污泥进行无害化处理。在污泥厌氧消化过程中，由于大量有机物质被水解液化，致污泥消化的上清液中还含有较多的有机物和营养物质。因此，这种上清液不能直接予以排放，还需要作进一步处理（如回入初沉池或生物处理构筑物与废水一并处理）。污水处理厂从污水中分离出的污泥系由有机物和无机物组成。一般，生污泥约含65%的有机物和 35%的无机物。通过厌氧消化处理后，污泥中的有机物约有1/22/3被分解，消化污泥的体积得到减少（约6070%），所含有机物约50%，无机物约50%。其次，污泥通过厌氧消化后，消化污泥中所含的肥分亦更易被植物所吸收。(1) 污泥厌氧消化的方法按操作温度不同，消化可分为中温消化（3037）和高温消化（4555）；按运行方式，可分为一级消化、二级消化、厌氧接触消化等；按负荷不同，可分为低负荷与高负荷两种。1）低负荷消化法低负荷消化法又称标准负荷消化法，是在普通消化池中进行。低负荷污泥消化池通常为单级消化过程。消化池内不加热，不设搅拌装置，间歇投加污泥和排出脱水后污泥。在单级消化的实际运行过程中，当污泥加入后进行快速消化并产气后，气泡的上升所起的搅动作用是唯一的搅拌作用。池内形成三个区，上部浮渣区，中间为上清液，最下层为污泥区。经消化的污泥在池底浓缩并定期排出，上清液回到水处理流程的前端进行处理，产生以甲烷为主要成分的沼气，从池顶收集和导出。由上述可见，污泥的消化、浓缩和形成上清液等过程，是在一个消化池内同时完成的。在池中，不加热，不加搅拌，间隙投料和出料，一般负荷率为0.41.6kg（VSS）/m3.d。由于这种单级消化池存在池内分层、温度不均匀、有效容积小等问题，使其消化时间长达3060d，此种低负荷消化法，仅适用于小型污泥处理。2）高负荷消化法高负荷消化是在高负荷消化池中进行。与普通单独消化池相比较, 高负荷消化池的固体负荷大得多，并设有搅拌设备、其搅拌,污泥投配及熟污泥排除等工序为24h连续进行，不存在分层现象，全池都处于活跃的消化状态。消化时间仅为低负荷消化池的13左右（1015d），固体负荷约提高46倍。目前国内外常用的高负荷消化池有不同的形式，主要是在搅拌方式上的不同。可用气体循环、搅拌、提升或引流管混合器，使污泥在内部混合和加热，达到最佳的消化效果。3）二段消化法 二段消化法又称二级消化法，在二段消化系统内，产酸和产甲烷阶段分别在两个单独的反应池中完成。采用这种方法，可为各大类微生物提供最佳的繁殖条件，得到最好的消化效果。 但这种二段消化法尚处于研究和开发阶段。现在实际应用的二段消化系统，是污泥消化和浓缩分二段进行。第一消化池主要进行加热、搅拌、产气和除渣，池温度约3335；第二消化池不加热，不搅拌，利用从第一消化池排出污泥的余热，使池温约2426，继续进行消化、浓缩和排出上清液。二级消化产气量比一级消化大约增加10%15%，其中第一段消化池占总产气量的90%。二级消化池的总容积与一级消化池相同，因第二段消化池不搅拌、不加热，所以总动力消耗较少，而消化更彻底。但因消化池的数量增加一倍，基建投资和占地面积较大。4）厌氧接触消化法 厌氧消化的时间受产甲烷菌分解有机物的速度所控制，出自高负荷消化池的污泥，在第二段消化池进行沉降处理，将沉降后的熟污泥部分回流到第一段消化池，这样可以增加消化池中产甲烷菌的数量与停留时间，相对降低挥发物与细菌数的比值，从而加快分解速度。该运行方式称为厌氧接触法。此法对有机物的分解速度比单一的高负荷消化池快，消化时间可缩短至1224h。回流污泥量为新鲜污泥投配量的13倍，剩余污泥量也较少。 上述污泥厌氧消化法均属中温消化，由于高温消化的能耗比中温消化多，因此一般不采用，厌氧消化中最通用的是中温消化。 目前国内外对厌氧消化有三个主要发展趋势来节省费用： 采用较短的停留时间； 污泥进行预浓缩； 建造价格便宜的预制构件消化池。(2) 影响厌氧消化的主要因素及调节控制 为使厌氧消化系统高效与安全运行，操作人员掌握好影响厌氧消化的主要因素是十分必要的。1）温度 温度是影响消化过程的主要因素。细菌的活动与温度有关，温度不仅影响厌氧消化的速度，而且影响消化的深度。即温度的高低决定消化的快慢，同时也影响沼气产量。高温消化可以提高产气量，而且几乎可杀灭污泥中全部病原细菌和寄生虫卵；但高温消化操作复杂，加热费用高，所以一般采用中温消化。 中温消化控制温度为3335，其消化时间一般为2530d。当采用二段消化时，两段停留的天数的比值可采用1:1，2:1或3:2，一般采用2:1的比值。应该指出，消化池内的产甲烷菌，在一定温度内被驯化后，温度波动2就可破坏消化作用，为此，在厌氧消化系统运行操作过程中，应严格执行操作规程，供给充足的热源，维护与保养好加热系统与设备至关重要。2）投配率 投配率是每天投入消化池内新鲜污泥量占消化池有效容积的百分率。新鲜污泥单独地进行消化，需时间很长，因此在工程上经常采用的方式，是每日定量地将新鲜污泥投配到消化池中，并与熟化污泥进行混合消化，这样，既能使甲烷细菌迅速接种，又能利用消化液的缓冲能力，使混合污泥维持在弱碱性的pH值范围内，从而使甲烷细菌在最佳条件下工作。 应该指出，投配率的大小应适中，投配率小，污泥消化速度快、程度高、产气量也高，但消化池容积必然增大。投配率大，消化速度减慢，造成中间产物有机酸的累积，使pH值下降，容易影响消化正常进行，同时污泥削减量少。对于中温消化，投配率以5%8%为宜。3）pH值 厌氧消化过程包括两个不同的有机物转化反应阶段，第一阶段为酸性消化阶段，由产酸细菌使有机物水解和液化，产生有机酸，使系统pH值降低。第二阶段是碱性消化阶段，由甲烷细菌将第一阶段产物分解为以甲烷、二氧化碳为主的沼气，并产生一些重碳酸盐等。 甲烷细菌对环境条件非常敏感，除对温度的适应性很弱外，对pH值的适应范围也很窄，适宜的pH范围是6.67.8之间。在连续消化过程中，上述两阶段是同时进行的，并一旦被pH值、温度、有机物负荷、可溶盐的过量浓度等外加因素所破坏，则碱性消化阶段（甲烷消化）往往即行停止，其结果将导致厌氧消化进程的失常。因而在厌氧消化操作过程中，要求小心控制温度、有机负荷（投配比）、pH值等。当 pH值下降到 6.8以下时，最好投加碳酸钠，调整pH值在68的范围，并保持系统有一定的缓冲能力，使pH值保持稳定。如投加石灰等碱性物质，则应注意石灰等碱剂吸收系统中的CO2后，可使系统内压力降低，甚至出现局部真空；在pH值超过6.3时，石灰还与重碳酸盐碱度反应生成不溶性的碳酸钙，引起结垢、结壳现象。此外，投加碳酸钠时，还应注意过量的钠离子浓度对厌氧菌有抑制作用，因此要防止超过和达到致毒浓度。4）搅拌 投入的生污泥与池内熟污泥的充分混合，造成全池各部分的物料和工作条件均匀一致，可加速消化过程，提高产气量。没有搅拌设备的消化池消化时间约需3060d；有搅拌设备的消化池，消化时间约1015d，且产气量增加30%左右。5）碳氮比（CN） 污泥中有机物质的碳氮比，对消化过程有很大影响，碳氮比高，即氮量低，用于合成细菌的氮量不足，消化液中HCO3-（以NH4HCO3形式存在）浓度低，缓冲能力差，pH值易下降。反之，碳氮比太低，也就是氮含量过高，胺盐过度积累，pH值可上升到8.0以上，也会抑制产甲烷细菌的生长。试验表明，被分解物质的碳氮比为1216时，厌氧菌最活跃，繁殖的新细胞也最多。活性污泥的碳氮比约4.8，不宜单独进行消化，如与初次沉淀污泥混合，可提高碳氮比，对消化有利。6）有毒物质 主要有毒物质是重金属离子及某些阴离子，因此，必须严格控制污泥中重金属离子的含量。表423列出了污泥厌氧消化有害物质的最大容许浓度，可供参考。表423 污泥厌氧消化中有害物质的最大容许浓度有害物质名称最大容许浓度（mg/l（污泥）硫酸铝5Cu+225Ni+2500Pb+250Cr+325Cr+63硫化物150丙酮800苯200甲苯200戊酸100甲醇5000三硝基甲苯60合成洗涤剂100200NH4+N1000SO42-50008.2.2.4 污泥的好氧消化 好氧消化是污泥稳定的另一种可供选择的方法。好氧消化类似于活性污泥法，当加入的污泥中有机物耗尽时，微生物开始消耗其本身的原生质，以获得细胞反应所需的能量。在这种情况下，微生物被认为处于内源期。细胞组织被好氧氧化为二氧化碳、水和氨，而氨随消化作用的进行而陆续氧化成硝酸盐，其最终的全部反应可用如下方程式表示：C5H7NO27O2 5CO2 NO33H2OH+ 当氨被氧化为硝酸盐，且系统中碱度不足以起到对溶液的缓冲作用时，pH值要降低。理论上，1kg的氨氮被氧化成硝态氮，则要减少7.1kg的碱度（以CaCO3表示）。在缓冲能力不足的情况下，要考虑采取投药措施，以维持适宜的pH值。 好氧消化的主要目标是消除污泥臭味，减少生物可降解的固体等。由于好氧细菌稳定污泥过程比厌氧细菌快，此法用于处理废水一级处理的初沉池污泥、废水生物处理二沉池污泥或这些污泥的混合物。好氧消化与厌氧消化相比，其优点是操作简易，投资费用低，上清液中的BOD、氨氮等浓度较低，污泥中有价值成分回收率高，对干扰性物质（如重金属等）的影响较小，并且没有甲烷爆炸的危险，消化污泥少，无臭、稳定，易脱水。但操作费用高（主要是供氧），需稳定的时间受温度变化的影响较大，不能产生甲烷这类有用副产品。污泥好氧消化主要用于污泥处理量不大的场合。 好氧消化可以间歇操作，也可连续操作。目前好氧消化过程有普通好氧消化与自热高温好氧消化两类。而自热高温好氧消化工艺又分空气曝气与纯氧曝气两种。(1) 普通好氧消化 用空气作氧源的好氧消化，其主要技术参数如下：1）水力停留时间 在温度为20左右、水力停留时间为1012d条件下，挥发性固体的分解率为35%-40%。2）负荷率在表424中列出了普通好氧消化池的一些技术参数。表424 好氧消化池的运行参数水力停留时间（T=20）剩余活性污泥剩余活性污泥（或生物滤池）+初沉污泥1015d1520d污泥负荷1.64.8kg(挥发固体)/m3d每分解1kgBOD5所需空气量1.61.9kg用机械混合所需电能2040kW/1000m3(污泥)空气混合所需氧量2040m3/1000m3(污泥) min3）环境条件 对好氧消化法，pH值和温度是重要的环境条件。在低于20时影响更大，此时，水力停留时间按1.08-1.10的系数增长(以15d为基数）。如水力停留时间达到60d，则温度的影响可以忽略不计。在水力停留时间长的条件下，pH值可能低于6，因此，在运行时要定期检查,注意系统的pH值调节.(2) 自热高温好氧消化 利用微生物氧化有机物时所释放出的热量对污泥加热，可以使污泥达到自热高温消化的目的。据运行条件的不同，污泥温度可达4070。该法与普通好氧消化相比，具有反应速度快、停留时间短、基建费用低、改善污泥沉淀脱水性能等优点，而且可全部杀灭病原体，不需进一步消毒处理。自热高温消化池，在大多数的自然气候条件下，都可以达到稳定污泥的作用，比普通好氧消化和厌氧消化系统的停留时间要短得多。此外，与厌氧消化相比，产生的上清液中，有机物含量较低。这种消化池要加盖和保温，以便将系统的热损失减到最小。 8.2.2.5 污泥的堆肥 污泥的堆肥化是嗜热性的好氧分解过程，能把污泥中的有机物降解为类似腐殖质的性质稳定的物质。但是堆肥化并不是使污泥完全无机化；而且堆肥化分解后的污泥不致于产生使人不愉快的臭气以及病源菌的数量达到很低的水平，使污泥堆肥化后的进一步处置没有很大的危害，就认为堆肥化完成了。 经过堆肥化的城市污水污泥能为作物生长提供一定量的肥料元素，而堆肥化后的污泥中的有机物是很好的土壤改良肥料，因为经过一定程度的稳定，剩余的有机物分解缓慢，因而在相当长的时间内对土壤的改良起作用。堆肥后的污泥对于含砂过多的土壤和粘土太多的土壤特别有效，能使砂土含更多的水，并且有更长的保水时间；使粘土的透水、透气性改善，促进作物根系的发展和微生物的繁殖，缓解土壤的板结现象。不过如果污泥中有难分解的有机物、病源菌或重金属，则堆肥化后的污泥不宜用于种植人类食用的作物。 污泥堆肥化与城市垃圾堆肥化的不同是无需分离塑料、金属、玻璃等在城市垃圾中才有的物质，故运行、操作简便得多。 影响污泥堆肥化的主要因素是：物料的挥发性、含水率、pH值、氧的浓度、碳氮比和温度。这些因素能影响到细菌、真菌、放线菌等参与有机物降解的微生物的活性和堆肥化的进展速度。 含水量影响生物的活性，最佳的含水率为5060%。含水率再高，难以维持污泥成堆的稳定性。脱水后的污泥仍然含水率太高，这时可以投加木屑或经堆肥后的污泥，以降低含水率。投加的木屑等添加剂数量、堆肥后的污泥的量，应尽可能根据特定的情况下的污泥性质作具体的计算。污泥堆肥中其它的一些影响条件的调控及工艺参数的选用请参阅本章第十节。8.2.2.6 污泥的综合利用及最终处置消化后污泥已大大减量，但尚含有相当数量的有机物，含水率也较高，约9597%，因此须经脱水与干化，使之进一步减量，以便于运输及作进一步的处理。污泥经消化后所含的氮、磷比例提高，并含有某些植物生长所需的微量元素，因此可作为肥料加以利用。表425示污泥用于农用有机肥时对重金属含量的控制标准。表426示我国及欧美各国污泥中植物养分及重金属的含量。从表中可见城市污水厂污泥中重金属的含量均在控制标准值之下。此外污泥经脱水干化后可运至土地填埋场填埋处置。当污泥中含有过量的重金属或其他有害有毒物时则须干化后焚烧，以彻底消除其隐患。表425 各国污水厂污泥农用控制标准美国加拿大欧盟中国重金属最高限(mg/kg干泥）土壤积累量(mg/ha)最高限(mg/kg干泥）土壤积累量(mg/ha)最高限(mg/kg干泥）土壤积累量(mg/ha)最高限(mg/kg干泥）土壤积累量(mg/ha)pb84030050010050300503003001000Cr300030006001000Cd85392041313520Zn7500280018503701503001503005001000Cu430015005014050140250500As7541751577575Hg57175111.511.5515Ni42042018036307530751003000表426 污泥中植物养分及重金属含量的典型值组分欧美初沉池(27%DS)欧美所有污泥欧美消化沉泥(2.066.0%DS)中国城市污泥变化范围典型值变化范围典型值变化范围典型值氮(N)g/kg1540251176231.64.02.73571.5磷(P)g/kg3.512.271143231457243350钾(K)g/kg08.340.226.430.040.160.092.24.4有机物(%)6080652580602560516070Pb mg/kg干泥131970050020012803751526000Cr mg/kg干泥109900050052603752040615Cd mg/kg干泥3341016400513010Zn mg/kg干泥10127800500280257016002749000Cu mg/kg干泥84104008509705211700As mg/kg干泥1.1230100.434.71.01500Hg mg/kg干泥0.2106005234102.1Ni mg/kg干泥2352082120105300 有些国家还对污泥的使用量提出了相应的限制措施，如美国每年在各种土地上污泥的使用量为270吨(干泥)/英亩，而挪威则规定每10年的土地使用量为22吨(干泥)/公顷。另外，为防止有机污染物对人体造成影响，德国和瑞典两国还对农用污泥多氯联苯(PCBs)、二恶英和AOX等三种物质的含量进行了限制。至于污泥中病原体的控制，美国和欧盟各国都明确规定，污泥必须经过堆肥、热干燥、热处理以及高温好氧消化等过程进行杀灭处理，有些国家如挪威甚至规定得更为具体：农用污泥应不含沙门氏菌、无蛔虫卵，大肠杆菌的数量不得超过2500cfu/g干泥。8.2.3 禽畜粪便处理与资源化工程 自改革开放和菜篮子工程实施以来，我国许多城市建了大量百头牛、千头猪和万羽鸡以上（存栏数）的大中型集约化的禽畜养殖场。例如在上海市就先后建起了1600多个大型养殖场，使饲养规模达到奶牛6万头、生猪500万头、鸡1.4亿羽,这对改善人民群众的生活，丰富副食品市场起了极大的作用。但由于种种原因，当时对大量产生的禽畜粪便未作妥善处理和有效利用，造成了严重的环境污染，并成为阻碍禽畜养殖业持续稳定发展的重要因素。 禽畜粪便由于其含有大量有机质及丰富的N、P、K等营养物，自古以来一直被作为农作物宝贵的有机肥而利用。农业科学的研究与实践表明，农业生态系统在物质循环过程中，需要从系统外输入一定量的有机质和其它营养元素，这样才能实现系统的高而稳定的产出。农业生态系统的物质和能量转换主要是在土壤库中进行的。土壤及有机肥中的有机养料，它们除了有营养作用、能增加作物产量外，在改良土壤和培肥地力方面更有其独特的效果，可以说，它们一直对植物的生长发育和土肥保持起着重要的作用。随着农田复种指数的提高，土壤养分输出量大，如不从系统外输入一定营养物质，将影响作物生长和土壤肥力的保持，影响农业的可持续发展。也就是说，农业生产需要大量的有机肥。对于小规模、分散的饲养场产生的禽畜粪便就近还田，既为农田增加了有机肥，也不会对环境产生负面影响。如今大规模、集约化养殖场禽畜粪便未加处理地大量集中排放，给环境造成了极大的压力。各地已都把该问题的解决提到重要议事日程。 本节将在讨论禽畜粪便污染严重性的基础上，着重介绍几种应用微生物技术进行禽畜粪便处理与资源化工程的实例，探讨解决这一难题的综合治理途径。一、禽畜粪便污染的严重性1.禽畜粪便的排放量 近年来，由于集约化禽畜生产迅速发展，禽畜粪便的发生量急剧增加。根据正常情况下禽畜的粪尿排放量及其N、P等含量（见表422和表423），可估算出一个年出栏10000头猪的畜牧场，平均每天猪粪便的排放量达17.5吨，其中N和P的排放量分别达105Kg和70Kg；年饲养10000羽产蛋鸡的养鸡场，平均每天的鸡粪便排放量达1.5吨，其中N和P的排放量分别达24.45Kg和23.1Kg。表422 各种禽畜的粪尿排放量（公斤/只日）禽畜种类奶牛哺乳母猪育肥猪羊产蛋鸡肉鸡排粪尿量55657113.52.660.150.10表423 禽畜粪便的化学成分（）种类水分有机质氮（N）磷（P2O5）钾（K2O）猪粪815150060040044牛粪833145032025016羊粪655314065047023鸡粪505255163154085据报道,全国禽畜粪便年排放量已达18.84亿吨，相当于工业废弃物年排放量的3.4倍。以上海为例，一方面，近年来的菜篮子工程使上海的肉猪、家禽、蛋、鲜奶的自给率，已分别达到50%、80%、70%和90%，而与此同时，禽畜粪便的年发生量已突破1200万吨,远远超过该市当年工业废渣(663.11万吨)和生活废弃物(666.44万吨)的排放量。而且主要由于当时资金不足，环保设施不配套，致使大规模、集约化经营的禽畜养殖业产出的大量粪便，对环境污染的影响越来越大，已与工业废水、生活污水并列，成为水环境污染的三大源头之一。2.禽畜粪便对环境的影响污染土壤、地下水 在禽畜粪便堆放或流经的地点，有大量高浓度粪水渗入土壤，可造成植物一时疯长，或使植物根系受损伤，乃至引起植物死亡。粪水渗入地下水，会使地下水中硝态氮、硬度和细菌总数都严重超标。污染地表水，破坏水生态系统，甚至影响饮用水源，危及人类健康 大量禽畜粪便直接或随雨水流入水体，可使水体严重富营养化，水质腐败，水生生物死亡。据测定，当禽畜粪水流入池塘而使水中氨含量达到或超过0.2mg/l 时，就会对鱼产生毒性。此外禽畜粪便中可能存在的肠道传染病菌和人畜共患的病原体，都是对环境和人体健康的严重威胁。粪便恶臭的污染 刚排出的禽畜粪便含有NH3、H2S和胺等有害气体，在未能及时清除或清除后不能及时处理时臭味将成倍增加，产生甲基硫醇、二甲二硫醚、甲硫醚、二甲胺及低级脂肪酸等恶臭气体。如年出栏5000头的猪场每天的氨气量达0.8公斤以上。恶臭气体会对现场及周围人们的健康产生不良影响，如引起精神不振、烦躁、记忆力下降和心理状况不良，也会使禽畜的抗病力和生产力降低。二、禽畜粪便处理适用技术的基本条件 由于禽畜粪便的有机物浓度高、氨氮浓度高、恶臭严重，因此治理难度极大。近年来，人们从治理禽畜粪便污染的大量实践中，越来越认识到套用污水生化处理工艺或物化处理技术企图达标排放，并不是合理有效的方法。而必须按照生态农业规律与可持续发展原则，走综合治理与资源化利用的道路。具体地讲，处理禽畜粪便的适用技术应具备以下条件：低能耗、少动力。这一要求是由我国国情及禽畜养殖业的实际所决定的。一些能耗高、动力花费大的技术，即使有很好的效果也难以维持运行。 例如，某水处理研究开发中心采用接触氧化水解（酸化）两段接触氧化混凝工艺处理高浓度养猪废水。在最佳试验条件下，进水CODcr 小于5000mg/l，经处理后CODcr平均去除率大于97%，氨氮去除率大于96%。 某沼气科学研究所应用SBR工艺处理猪粪污水，氨氮去除率高达97.6%。但出水中仍残留有相当高的CODcr。 某高校生命科学技术学院采用SBR反应器与好氧-厌氧ICEAS脱氮反应器串联工艺处理猪粪废水，在进水CODcr浓度为5000-6000mg/l，NH3-N浓度为1400-1500mg/l的条件下，CODcr去除率达95%，NH3-N去除率达97%，出水CODcr浓度在250mg/l左右。 类似有较好效果的处理工艺还有不少，但都难以在生产实践中推广应用。能耗高、运行费用高是重要原因之一。2. 资源化、有效益。 禽畜粪便自古以来都被作为优质有机肥而通过自然生态系得到转化、利用。如今，由于大规模、集约化养殖业产出的粪便量大，采用传统方法还田往往难以消纳，必须借助于现代高新技术及装备，高效率地把禽畜粪便转化成有用的资源。 例如，通过干湿分开、固液分离得到的干粪，可应用高效菌种发酵转变成饲料（鸡粪）或肥料（猪粪）；高浓度粪水可采用厌氧处理技术产生沼气、回收利用能源；也可应用光合细菌等高效菌种进行稳定化、无害化处理，并转化为液体肥料及回用于棚舍冲洗等等。重要的是把禽畜粪便视作一项可开发利用的资源，加以综合处理、利用并实行产业化，那么集约化的禽畜养殖场应该更有利、更具优势。3. 零排放或少排放。禽畜粪便的有机物浓度高、氨氮浓度高、恶臭严重，若按城市污水排放标准的要求处理达标，不仅投资大，而且运行成本相当高，实际上难以承受、难以实施。即使降低标准，允许处理出水CODcr400-450 mg/L排放，其对水体的污染与危害程度仍相当可观。因此，在强调资源化的同时，应提出零排放或少排放的要求。对于一时利用不了的经综合处理的少量污水，可在后续处理中配以氧化塘及水生植物生态工程技术，将可较好地达到环境质量所要求的相关指标。4. 以生物技术为核心的多项技术综合配套。 对于难度高的禽畜粪便治理，决不是某一单项技术（如高效菌种、高效反应器、合适机电设备等等）所能解决的。必须依据实际条件，合理选择多项高效生物技术及相应设备，取长补短，组合成一个有机的系统，发挥综合优势，才有可能达到较为理想的环境生态效益和社会、经济效益。 例如，在猪棚舍改造做到雨污分流、干湿分开的基础上，宜选用高效率、低能耗的固液分离机械或装置，使粪水中的细粪颗粒尽可能地分离取出，集中起来的干猪粪可采用高效菌种如玉垒菌N10（以放线菌为主的混合菌种），进行高温快速发酵，转变成优质的生物有机肥，可望取得经济效益。经固形物取出后的粪水，可应用厌氧发酵技术产沼、回收生物能，沼液、沼渣则可用作肥料；也可采用玉垒菌K40（专用于粪污水降解）、PSB（光合细菌）、EM等高效微生物，通过多级反应槽进行兼氧处理（不加人工嚗气），使粪污水中的各种污染物得以大幅度降解、转化、去除，在稳定化的同时达到无害化。这是由于在多级反应槽中，粪水中的大分子有机物在兼性厌氧条件下降解生成大量的低级脂肪酸，所以在第一、二级反应槽中低级脂肪酸浓度相当高，足以杀死或灭活病原菌，表现为大肠菌群数大幅度降低。随着低级脂肪酸被微生物逐渐利用，和有机氮分解释出NH3-N，可使后两级反应槽的pH上升到8.59.0，使NH3-N主要以NH3分子形式存在，这也有利于杀灭各种病原微生物。我们在高浓度的人粪便PSB法处理中，经上述稳定化、无害化处理，可使粪便转变成PSB液肥，同时加以充分利用，便可做到完全资源化和零排放。在应用玉垒菌综合处理猪粪水的中试规模的研究中，也达到了同样的效果。而且，经处理的粪水还可以用于猪舍的冲洗，使用水量大大减少。又由于该处理水中有益微生物的作用，可有效抑制腐败细菌的活动，从而使猪舍的恶臭大大降低。我们在猪粪便的综合处理试验中，还应用了可降低恶臭、提高饲料效果、增强抗病性、促进生长的微生物制剂K20。结果使增重率提高、饲料报酬增加、疾病减少，猪舍恶臭降低。研究表明，多种微生物技术的组合应用与高效装备的配套，是禽畜粪便综合治理取得成功的关键。三、禽畜粪便综合处理和资源化工程实例1禽畜粪便厌氧处理与资源化禽畜粪便的厌氧处理，无论是工艺、技术还是装置、设备都已相当成熟。禽畜粪便经厌氧发酵，可有效地达到无害化和稳定化。但该技术能否成功地应用，关键还在于资源化和二次污染的防止。我国有一批农场和乡村，就是以禽畜饲养、粪便产沼、沼液沼渣制肥这一整套工程为龙头，带动了生态农业的建设，使洁净的生物能代替了烧煤、烧柴，以有机肥代替了化肥，使环境改善、农牧业发展。2厌氧-PSB-氧化塘工艺由于不少养殖场缺乏就近还田利用沼液、沼渣的条件，而把它们排入环境仍然会造成严重污染。本工艺就是将厌氧处理、资源化技术与PSB处理、资源化技术和氧化塘生态工程技术结合起来，对禽畜粪便进行处理和多层次、多途径利用，沼液通过PSB和氧化塘生态工程系统的处理，可得到进一步降解、净化，直至达标排放。该处理工程在上海某良种猪场进行，其工艺流程如图455所示：图455 猪舍粪尿处理工艺流程图该养猪场现日平均排放粪污水10吨，主要为猪尿和猪舍冲洗水。干粪自猪舍另行取出堆肥后用作有机肥。猪粪水经集水渠收集，流入集水井，其水质指标如下：CODcr 12005000 mg/l，BOD 6202500mg/l，NH3-N 250600mg/l。经上述工艺系统处理的效果如下：（1）去除COD的效果 当进水CODcr为2061 mg/l 时，厌氧塔出水CODcr为666mg/l，去除率为66.3%；PSB出水CODcr为244 mg/l ，去除率为62%；氧化塘出水CODcr为65mg/l，去除率73.4%；系统总去除率为96.8%。（2）去除BOD的效果 当进水BOD为835 mg/l 时，厌氧塔出水BOD为270mg/l，去除率为66.1%；PSB出水BOD为48 mg/l ，去除率为81.4%；氧化塘出水BOD为24mg/l，去除率50.0%；系统总去除率为97.1%。（3）去除氨氮的效果 当进水氨氮为589 mg/l 时，厌氧塔出水氨氮为460mg/l，去除率为20.7%；PSB出水氨氮为143 mg/l ，去除率为68.9%；氧化塘出水氨氮为12mg/l，去除率91.6%；系统总去除率为98.0%。在总结已有工艺技术基础上，我们依据生态学、环境微生物与环境工程学、肥料学和植物营养学等原理，设计了禽畜粪便生物处理与资源化工程系统（见图456），将禽畜粪便视作一种资源，通过生物，尤其是微生物的作用，对禽畜粪便降解、转化，同时加以多级开发利用、变废为宝，以从根本上消除禽畜粪便对环境的污染。图456 禽畜粪便生物处理与资源化工程系统图大量的研究与实践表明，只有把禽畜粪便的综合治理与生态农业建设相结合，最大限度地实现资源化，才有可能使禽畜粪便的污染从根本上得到治理。8.2.4 废弃物的微生物资源化8.3 微生物在大气污染控制中的应用8.3.1 微生物脱臭和对有机废气的处理 随着有机合成工业和石油化学工业的迅速发展，进人大气的有机化合物越来越多，这类物质往往带有恶臭，不仅对感官有刺激作用，而且不少有机化合物具有一定毒性，产生“三致”(致癌、致畸、致突变)效应，从而对人体和环境产生很大的危害。微生物对各类污染物均有较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物降解、转化。同常规的有机废气处理技术相比，生物技术具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点，尤其在处理低浓度(小于3mgL)、生物降解性好的有机废气时更显其优越性。8.3.1.1 生物法净化有机废气的原理 有机废气生物净化是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物(CO2、水等)及细胞组成物质。与废水生物处理过程的最大区别在于：废气中的有机物质首先要经历由气相转移到液相(或固体表面液膜)中的传质过程，然后在液相(或固体表面生物层)被微生物吸附降解(图638)。图6-38 微生物净化有机废气模式图 由于气液相间有机物浓度梯度、有机物水溶性以及微生物的吸附作用，有机物从废气中转移到液相(或固体表面液膜)中，进而被微生物捕获、吸收。在此条件下，微生物对有机物进行氧化分解和同化合成,产生的代谢产物一部分溶人液相，一部分作为细胞物质或细胞代谢能源，还有一部分(如CO2)则进入到空气中。废气中的有机物通过上述过程不断减少，从而得到净化。8.3.1.2 有机废气生物处理的工艺研究与应用 根据微生物在有机废气处理过程中存在的形式，可将处理方法分为生物吸收法(悬浮态)和生物过滤法(固着态)两类。生物吸收法(又称生物洗涤法)即微生物；及其营养物配料存在于液体中，气体中的有机物通过与悬浮液接触后转移到液体中而被微生物降解。生物过滤法则是微生物附着生长于固体介质(填料)上，废气通过由介质构成的固定床层(填料层)时被吸附或吸收，最终被微生物降解，较典型的有生物滤池和生物滴滤池两种形式。(1) 生物吸收法 生物吸收法装置由一个吸收室和一个再生池构成，如图639所示。图6-39 生物吸收法示意图 生物悬浮液(循环液)自吸收室顶部喷淋而下，使废气中的污染物和氧转入液相(水相)，实现质量转移。吸收了废气中组分的生物悬浮液流人再生反应器(活性污泥池)中，通人空气充氧再生。被吸收的