第八章 固体废物的生物处理.ppt

固体废物的生物处理 基本概念 什么是生化降解 依靠自然界广泛分布的微生物的作用 通过生物转化 将固体废物中易于生物降解的有机组分转化为腐殖肥料 沼气或其他化学转化品 如饲料蛋白 乙醇或糖类 从而达到固体废物无害化的一种处理方法 生物降解的意义 对城市固体废物进行处理 实现稳定化 无害化减轻城市垃圾的大量堆积 影响市容促进自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一生产堆肥来施肥 改造土壤 回归农田生态系统将大量有机固体废物通过各种工艺转换成有用的物质和能源产生沼气 生产葡萄糖 微生物蛋白质 生物处理的分类 好氧生物处理在提供游离氧的条件下 以好氧微生物为主使有机物降解 稳定的无害化处理厌氧生物处理没有游离氧的情况下 以厌氧微生物为主对有机物进行降解 稳定的无害化处理 生物处理的应用 堆肥化固体废物堆肥处理 可生产有机肥 改善土壤性能和提高肥力 维持农作物高效高产 沼气在隔绝空气和保持一定水分 温度 酸碱度条件下 经过多种微生的发酵作用产生的以甲烷为主的气体混合物 污泥厌氧消化 填埋场生物降解产生沼气 微生物对固体废物的转化 纤维素的生物转化半纤维素的转化果胶质的转化淀粉的生物转化脂肪类物质的生物转化蛋白质的生物转化木质素的生物降解 纤维素的生物转化 分子式 C6H10O5 1400 10000 有机固体废物的重要成分 分解微生物 细菌 放线菌 真菌降解过程 纤维素 纤维二糖 葡萄糖 CO2 H2O 丙酮 丁醇 乙酸 CO2 H2 丁酸 乙酸 CO2 H2 纤维素酶 纤维二糖酶 氧化酶 丙酮 丁醇发酵 丁酸发酵 半纤维素的生物转化 存在于植物细胞壁中 含量很高一般由聚戊糖 聚已糖和聚糖醛酸等组成也有由木聚糖 半乳糖或粮醛等组成分解速度比纤维素快 半纤维素 单糖 糖醛酸 CO2 H2O 发酵的种产物 H2O 聚糖酶 好氧分解 厌氧分解 果胶质的转化 天然不溶性物质 高等植物的主要成分主要由D 半乳糖醛通过 1 4 糖苷键连接而成的直链高分子化合物分解微生物有好氧菌 枯草杆菌 多粘芽孢杆菌 厌氧菌 蚀果胶梭菌 费新尼亚浸麻梭菌 真菌 青霉 曲霉 木霉 和放线菌 原果胶 H2O 可溶性果胶 聚戊糖 原果胶酶 可溶性果胶 H2O 果胶酸 甲醇 果胶酸 H2O 半乳糖醛酸 果胶甲脂酶 聚半乳糖酶 淀粉的生物转化 一种多糖 分子式 C6H10O5 1200异养微生物的能源和碳源 淀粉 糊精 麦牙糖 葡萄糖 CO2 H2O 乙醇 CO2 丙酮 丁醇 乙酸 CO2 H2 丁酸 乙酸 CO2 H2 糊精酶 麦牙糖苷酶 葡萄糖苷酶 好氧分解 厌氧分解 丙酮 丁醇发酵 丁酸发酵 脂肪类物质的生物转化 脂肪 甘油 高级脂肪酸 类脂质 甘油或其他醇类 高级脂肪酸 蜡质 高级醇 高级脂肪酸 H2O 脂肪酶类 H2O 磷脂酶类 H2O 酯酶类 蛋白质的生物转化 生物体的一种主要组成物质和营养物质存在工业废水 生活污水和城市生活垃圾分解有两个阶段 胞外水解和胞内分解分解微生物主要有 好氧细菌 兼性厌氧菌 厌氧菌 真菌和放线菌 蛋白质 蛋白胨 多肽 氨基酸 蛋白酶 内肽酶 蛋白酶 内肽酶 肽酶 内肽酶 木质素的生物降解 高分子芳香族聚合物 存于植物组织细胞壁中结构十分复杂 最难分解由木质素降解菌先降解为芳香族化合物 再由多种微生物继续分解 固体废物的堆肥化 堆肥化 Composting 在控制条件下 利用自然界广泛分布的细菌 放线菌 真菌等微生物 促进来源于生物的有机废物发生生物稳定作用 使可被生物降解的有机物转化为稳定的腐殖质的生物化学过程 堆肥废物经过堆肥化处理 制得的成品叫做堆肥 它是一类腐殖质含量很高疏松物质 也称腐殖土 废物经过堆制 体积一般只有原体积的50 70 堆肥产品质量要求 粒度农用堆肥产品粒度 12mm山林果园用堆肥产品粒度 50mm含水率 35 pH值6 5 8 5全氮以N计 0 5 堆肥产品质量要求 全磷以P2O5计 1 0 全钾以K2O计 10 有机质以C计 10 重金属含量总镉 3mg kg总汞 5mg kg总铅 100mg kg总铬 300mg kg总砷 30mg kg 堆肥作用 土质松软 多孔隙 易耕作 增加保水性 透气性及渗水性 改善土壤的物理性能 保住土壤养分 提高保肥能力 螯合作用缓冲作用调节植物生长的作用 有助于根系发育和伸长增加土壤中微生物数量作为CO2的供给源 堆肥化系统分类 按堆制方式间歇堆积法连续堆积按发酵所处状态静态发酵法动态发酵法按堆制过程的氧程度好氧法厌氧法 好氧堆肥 什么是好氧堆肥 在有氧条件下 好氧菌对废物进行吸收 氧化 分解 微生物通过自身的生命活动 把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物 同时释放出可供微生物生长活动所需的能量 而另一部分有机则被合成新的细胞质 使微生物不断生长繁殖 产生出更多的生物体的过程 堆肥有机物 含C N H P S 氧 微生物 CO2 H2O NH3 PO43 SO42 细胞物质 微生物繁殖 能量 分解 随水或气体排入环境 释放或转换为热 合成 异化作用 同化作用 提供生物合成用 好氧堆肥原理 有机物氧化不含氮的有机物 CxHyOz 的氧化含氮有机物 CsHtNuOv aH2O 氧化细胞质的合成 有机物的氧化 并以NH3作为氮源 细胞质的氧化 好氧堆肥过程 中温阶段 起始阶段 不耐高温的细菌分解有机物中易降解的葡萄糖 脂肪和碳水化合物等 同时释放出热量使温度上升 温度可达15 40 高温阶段耐高温菌迅速繁殖 在供氧条件下 大部分较难降解的有面物 蛋白质 纤维等 继续氧化分解 同时释放出大量热能 使温度上升至60 70 降温阶段 熟化阶段 冷却后的堆肥 一些新的微生物借助残余有机物而生长 将堆肥过程最终完成 堆肥原料 生活垃圾不可堆腐的物质较多 需通过预处理 适当排除 才能作堆能原料 有机垃圾已经经过胃肠系统的充分消化 一般颗粒较小 含有大量低分子化合物 人和动物未吸收消化的中间产物 含水量较高 可直接用作堆肥原料 人和禽畜粪便富含微生物生活系列所需的营养成分 是堆肥的好原料 农林废物富含碳素 需作预处理 才能作堆肥使用 堆肥微生物 嗜温菌嗜热菌 堆肥基本工序 野外人工堆肥操作简单 费用低廉垃圾 污泥或粪便按一定配比调配 在野外空地堆成平行条堆人工定期翻动 1 2次 周 工厂化机械堆肥 堆肥程序 原料预处理包括分选 破碎以及含水率和碳氮比调整原料发酵一次发酵周期长达30天以上二次发酵周期一般为20天后处理包括去除杂质和进行必要的破碎处理 间歇式发酵工艺与装置 露天堆肥法 需先预处理根据含水率和碳氮比 确定原料配比 废物堆积后不再添加新料 让其中的微生物参与生物化学反应 使废物转变为腐殖土的产物 然后运出 前期一次发酵大约需5周 1周要翻动1 2次 经过5 10周熟化稳定二次发酵 全部过程需要30 90天 该法要求场地坚实 不渗水 100t d垃圾实验厂处理工艺流程 生活垃圾 磁选手选 振动格筛 一次发酵 磁选 双层滚筒筛 锤式破碎 二次发酵 腐熟堆肥 100t d 粗大物质去除部分有用物质回收 大于100mm去除送填埋或焚烧 调节水分 通风碳氮比 回收金属 大于40mm填埋或焚烧 12 40mm 小于12mm 立式圆筒发酵仓 连续发酵工艺与装置 工厂化机械堆肥 采用成套密闭式机械连续堆制使原料在一个专门设计的发酵器中完成温和高温发酵过程 然后将物料运往发酵室堆成堆体 再熟化 该法具有发酵快 堆肥质量高 能防臭 能杀列全部细菌 成品质量高 连续堆肥法采用的发酵器 一般分为立式发酵器和卧式发酵器 立式多层圆筒堆肥发酵塔 堆肥过程影响因素 1 有机物含量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 有机含量大于80 时 堆制过程要求大量供氧 实践常因供氧不足而发生部分厌氧过程 堆肥过程影响因素 2 供氧量供氧不足 大量微生物死亡 分解速度慢冷空气过量使温度降低 不利于耐高温菌的氧化分解实际供氧量为理论空气量2 10倍供氧方式靠强制通风和翻堆搅拌完成 堆肥过程影响因素 3 含水量水的作用溶解有机物 参与微生物的新陈代谢调节堆肥温度 堆肥过程影响因素 4 碳氮比微生物分解的速度随碳氮比而变 微生物自身的碳氮比约为4 30 碳氮比在10左右时 有机物被微生物分解速度最大 适宜的碳氮比应在20 35之间 堆肥过程影响因素 5 碳磷比磷对微生物的影响也很大 适宜的碳磷比为75 150 垃圾发酵时添加污泥就是利其中丰富的磷来调整堆肥的碳磷比 pH值微生物生长的重要条件堆肥初期 酸性细菌作用 pH值降到5 5 6 0 堆肥物料呈酸性由于以酸性物为养料细菌的生长和繁殖 导致pH上升 堆肥结束后 物料pH值上升到8 5 9 0 用有机污泥作堆肥原料时 需作pH值调整 因为污泥经压滤成饼后 pH值较高 堆肥过程影响因素 6 颗粒度空隙率及空隙的大小取决于颗粒大小及结构强度颗粒间空隙小 不利于通风供氧 物料颗粒的平均适宜粒度为12 60mm 最佳粒径随垃圾物理特性而变化 堆肥过程影响因素 7 温度堆肥过程的适宜的温度为35 55 有机物含量对堆肥温度有一定影响有机物含量由20 上升到50 时 相应地初堆时间由原来的60小时缩短到44小时 55 以上的稳定时间可由56小时延长到72小时 堆肥的腐熟度及其测定 腐熟度反应堆肥过程进行的程度堆肥腐熟的大致标准是不再进行激烈的分解 成品温度低 呈茶褐色或黑色 不产生恶臭 判定标准物理方法化学方法生物活性植物毒性 物理方法 温度前期发酵的终点温度是微生物活动的尺度气味刺鼻性气味在堆肥过程中逐渐减弱 堆肥结束后消失 色度淡灰逐渐变成发黑 腐熟后堆肥产品呈黑褐色或黑色 残余浊度和水电导率堆肥时间为7 14天的堆肥产物在改进土壤残余浊度和水电导率方面具有最适宜的影响光学性质堆肥在波长665nm下吸光度的变化 可反映堆肥腐熟度 化学方法 挥发挥性固体 vs 检测的专一性和灵敏度较差化学需氧量 COD 具有与Vs同样的局限性淀粉和纤维素堆肥中两类特殊物质碳氮比 C N 受原料C N影响太大C的测定比较困难 生物活性 呼吸作用CO2生成速率与耗氧速率具有很好的相关性 标志有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度 微生物种群及数量微生物数量及种群的变化 反映堆肥代谢情况 堆肥的不同时期 堆肥的温度不同 微生物的种群和数量也随之相应变化酶学分析水解酶的较高活性阶段可反映堆肥的降解代谢过程 而在较低活性时则反映堆肥达到腐熟 植物毒性 发芽实验植物在未腐熟的堆肥中生长受到抑制 在腐熟的堆肥中生长得到促进堆肥的腐熟水平可由植物生长的生物量来表示植物毒性可用发芽指数测定 植物毒性 植物生长未腐熟的堆肥含合植物毒性物质 对植物的生长产生抑制作用用堆肥和土壤混合物中植物的生氏状况来评价堆肥腐熟度考虑堆肥腐熟度的实用意义 植物生长试验应是评价堆肥腐熟度的最终和最具说服力的方法 一些农作物包括黑麦草 黄瓜 大白菜 胡萝卜 向日葵和番茄可用来测试堆肥的腐热性 检测方法 淀粉测试法淀粉与碘络合物 利用这种络合物的颜色变化来判断堆肥的降解程度深蓝 浅蓝 灰 线 黄氮素试验法完全腐熟的堆肥含有硝酸盐 亚硝酸盐和少量氯末腐熟的堆肥则含大量氨而不含硝酸盐 碘化钾溶液遇痕量氨呈黄色 遇过量氨呈棕褐色Grless试剂与亚硝酸盐反应呈红色耗氧速率法好氧微生物分解有机物使堆肥物质逐渐稳定腐熟O2的消耗速率和CO2的生成速率反映堆肥的腐熟程度 测氧枪构造 有机物的厌氧发酵 什么是厌氧发酵 指有机物在特定的厌氧条件下 微生物将有机质进行分解 其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳的过程 厌氧发酵的特点分解有机物产生的大部分能量转化储存在甲烷中小部分有机碳化物氧化成二氧化碳氧化过程释放的能量作为微生物生长的能量 有机物的分解代谢过程 碳水化合物的分解纤维素分解纤维在酶的作用用水解成葡萄糖葡萄糖在细菌的作用降解成丁酸 乙酸 最后生成CH4和CO2糖类分解分解成单糖 然后是葡萄糖的发酵分解类脂化合的分解水解产物为脂肪酸和甘油甘油转变为磷酸甘油脂 进一步生成丙酮酸CH4和CO2蛋白质分解水解成多肽和氨基酸氨基酸分解成有机酸 醇 最后生成CH4和CO2 厌氧发酵微生物 不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件为产甲烷菌消除部分有毒物质和产甲烷菌一起 共同维持发酵的pH值产甲烷菌严格厌氧 对氧和氧化剂非常敏感要求中性偏碱环境条件菌体倍增时间较长 有的4 5天才系列繁殖1代只能利用少数简单化合物作为营养 所有产甲烷菌都能利用分子氢代谢的主要终产物是CH4和CO2 厌氧发酵的理论 两阶段理论三阶段理论四阶段理论 两阶段理论 按细菌引起的生物化学过程 将代谢细菌群分为不产甲烷的发酵性细菌和产甲烷细菌发酵阶段分为产酸和产气两个阶段理论形成较早 对甲烷菌如何利甲醇以上的醇及乙酸以上有机酸难以解释 三阶段理论 四阶段理论 影响厌氧发酵的因素 原料配比厌氧条件温度pH值搅拌添加剂和有毒物质 原料配比 充足的发酵原料是产生沼气的物质基础不同的微生物所需的营养物质不一样产甲烷细菌只能利用简单的有机酸和醇类作为碳源 形成甲烷大部分产甲烷细菌可利用CO2作为碳源氮源只能利氨态氮 不能利用复杂的有机氮化合物 如蛋白质碳氮比为 15 30 1即可正常发酵 厌氧条件 产酸阶段的不产甲烷微生物大多数是厌氧菌 需在厌氧的条件下 把复杂的有机物分解成简单的有机酸 产气阶段的产甲烷菌是专性厌氧菌 氧对其有毒害作用 在有氧环境中 甲烷菌不增长而受到抑制 但并不死亡 必须创造厌氧的环境条件 温度 影响产气的关键因素一定温度范围内 温度越高 产气越多温度高时 细菌活跃 分解速度快池内发酵液温度10以上 就可以开始发酵产气甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感只降低2度 就立即产生不良影响 产气下降温度上升过快 出现很大温差时对产气量产生不良影响厌气发酵要求温度相对稳定 一天内变化范围在 2度以内 pH值 厌氧发酵微生物细胞内细胞质的pH值一般呈中性反应细胞具有保持中性环境 进行自我调节能力pH值在5 10均可发酵 7 8之间最适合过酸或过碱开始产气的时间来得缓慢 产气量小pH值低 CO2增加 水溶性有机酸和硫化氢产生 硫化物含量增加 抑制甲烷菌生长 可用石灰调节 最好是调整原料的碳氮比 搅拌 使发酵原料分布均匀 增加微生物与发酵基质的接触使发酵的产物及时分离 提高产气量防止底产物料出现酸积累防止发酵浆料分层活性污泥或浆料上附着所产生的沼气 由于缺乏搅拌力量 气泡不易脱离 造成部分活性污泥或浆料上漂 给工艺控制造成困难 添加剂和有毒物质 可在发酵液中添加少量化学物质促进厌氧发酵 提高产气量和原料利用率 钾 钠 钙 镁 磷等促进沼气发酵菌的生长 增加酶的活性 促进纤维素的分解纤维素酶可促进纤维素的分解有毒物质抑制发酵微生物的生命活力的化学物质氯化钠 氟化钠 丁酸 铜性化合物等 发酵工艺 发酵温度分自然发酵 常温发酵 中温发酵高