有机废弃物处理的生物学ppt课件

.,1,有机废弃物来源,城市固体垃圾(municipalsolidwaste)北京市每天产生的垃圾达1万吨；污水处理厂污泥(minicipalsewagesludge)畜禽养殖业(animalandpoultrybreeding)废物产出量：1奶牛=16人，7只蛋鸡=1人国家环保局统计，2001年全国畜禽粪便年排放量达2.2亿吨。食品加工厂(foodprocessingindustries)造纸厂农作物秸秆,畜禽养殖业已成为农业污染源之首2007年我国规模化畜禽养殖场（小区、专业户）的畜禽粪便产生量2.43亿吨，尿液产生量1.63亿吨，化学需氧量、总氮、总磷的排放量分别占农业源排放总量的96%、38%、56%，占全国排放总量的42%、22%、38%，。初步估算2015年末全国生猪、肉牛、奶牛、家禽饲养量依次为69900万头（出栏量），5300万头（出栏量），2000万头（存栏量）、650000万只（存栏量），折算为猪当量为13亿头，粪尿、COD、TN、TP产生量预计将达到约41亿吨、3.2亿吨、5000万吨、800万吨。,.,2,有机废弃物处理方法,直接倒入江河湖海焚烧：消耗燃油、可能造成大气污染填埋：占地、可能污染地下水土壤处理堆肥化处理沼气发酵,.,3,污染物特性,残留生物富集和生物有效性(persistence,bioaccumulation,andbioavailabilitycharacteristics)Generationfrommetabolism污染物衍生物或代谢中间物可能比污染物本身毒性更强,.,4,空气环境污染,畜禽粪便等有机废弃物在厌气条件下产生具有恶臭气味的物质。已分离出的与恶臭有关的物质有：氨、甲硫醇、硫化氢、二甲硫、二硫化甲基、三甲胺、乙醛、苯乙烯、丙酸、正丁酸、正戊酸和异戊酸。温室气体：CH4、NOx；,.,5,有机污染物对水体的污染,有机污染物可通过地表径流、淋溶直接或间接进入水体，造成水体的富营养化、消耗氧气（多数鱼类存活需要5mgO2l-1）有机污染程度BOD(生物耗氧量)：1ml水中微生物在培养5天消耗的O2量。用来表征易分解的有机物质和还原N、S(NH3HS-)的量COD(化学耗氧量)：硫酸-重铬酸钾氧化法测定的还原性有机和无机物质的总量,.,6,生物污染物,人和动物的病原菌和寄生虫污染水体后可造成炭疽热、脑炎、腐蹄病、乳腺炎、新城疫、沙门氏菌病等肠道内病原体引起的疾病病毒：脊髓灰质炎、传染性肝炎细菌：霍乱(霍乱菌)、伤寒和细菌性痢疾原生动物：阿米巴痢疾；蠕虫：蛔虫、绦虫和吸虫感染大肠杆菌(Escherichiacoli)常被用作土壤和水被生物污染的指标。处理后污泥E.coli少于1000/g可安全施入土壤,.,7,重金属积累,长期施用有机废弃物特别是污水可能造成土壤中重金属积累，对作物、动物和人产生毒害As,Cd(镉),Cr(铬),Hg,Mo,Ni,Pb,Cu,Zn特别是Cd和Hg对人和动物危害大多数重金属与有机质结合，生物有效性低；但重金属被水溶性有机物质络合后从土壤进入地下水,.,8,有机废弃物的土壤处理,.,9,土壤施用的限制因素,随污水进入土壤的盐分可能会影响作物生长；硝酸盐可能会污染地下水；重金属、有机化合物可能会在土壤中积累，并进入食物链；难闻气味和居民对可能危害的担心；养分、盐分、重金属以及水分含量因地域时间而变，不能确定最适用量有机废物体积、含水量大，养分含量低，运输成本高；污水、集约化养殖场废物生产具有连续性，而肥料利用有季节性，需要储存；监测作物和水质的成本高污泥、家禽和非反刍动物（如猪）养殖废物中可能含有病原细菌、病毒和寄生虫,.,10,有机废弃物的堆肥化处理,堆肥化(composting)是将由多种不同组分构成的有机物料堆聚在一起,以保存发酵过程中产生的热量，在多种微生物共同作用下，在温暖湿润和好气条件下，对物料中有机物质进行的生物氧化过程。最终产物是堆肥(compost),.,11,堆肥化特征条件,堆肥化是有机废弃物、微生物、水分、氧气诸因子相互作用的复杂过程堆肥物料中含有土著微生物混合群体，通过控制合适的水分和通气条件可以加快微生物的活动。微生物的生长和繁殖还需要C、大量元素N、P、K和一些微量元素。通常情况下，有机废弃物中均含有这些物质，尽管有时需要调整其比例以适合微生物的代谢需求,.,12,堆肥化特征高温堆肥,有机废弃物中碳生物氧化释放能量，部分用于微生物的代谢，其余部分以热的形式散出；在堆肥初期产生热量比散发的要多，致使堆肥物料的温度升高。在一定范围内，温度升高可进一步促进微生物活动；升至超过60C可以杀死物料中的病原微生物,.,13,堆肥化的目的,无害化易腐解的有机物质的转化为稳定的腐殖质，恶臭，害虫衍繁等被消除堆肥化过程中的高温杀死致病微生物，虫卵及杂草种子减量化部分有机碳转化为CO2，有机物质的重量降低堆肥产物的密度比原始物质要高，体积减小资源化：有机肥：N、P、K和微量元素得以保留食用菌种植,.,14,堆肥化的生物学和生物化学,堆肥化进程有机物质分解特征温度和pH变化过程微生物种群动态,.,15,绿色植物的物质组成,(仿BradyN.C.,WeilR.R.,1999.Thenatureandpropertiesofsoils.P450),.,16,淀粉和纤维素,MaderS.S.,1990.Biology.Wm.C.Brownpublishers.,.,17,木质素,.,18,有机物质分解动力土壤生物和酶,.,19,有机物质分解顺序,1单糖、淀粉和水溶性蛋白质2粗蛋白3半纤维素4纤维素5蜡质、丹宁等6木质素,降解容易、迅速,降解困难、缓慢,.,20,有机物质降解特征,单糖、淀粉、粗蛋白等有机物质容易被微生物分解，但在废弃物中的数量少；细胞壁中多糖相互缠绕、包被，且有起保护性作用的物质(角质、木栓质)，阻碍降解；木质素不但难降解还具有抑菌作用纤维素和几丁质等丝状分子存在着稳定的结晶区域，这些区域不易被微生物细胞及酶接近，聚合程度高，水合程度低：影响水解，微生物作用表面积小；中温微生物在易利用的有机物质耗尽后不再出现几种不同多聚体如纤维素、半纤维素、果胶和木质素等共同存在，需2种或以上的微生物协同作用，产生一系列的酶完成降解过程,.,21,堆肥化的进程,.,22,温度变化与真菌群落演替,.,23,堆肥化进程中有机物质分解,单糖、淀粉和蛋白质在升温期完成纤维素的降解在中温期较快，高温期下降至降温期又有所回升，到稳定期基本完成；半纤维素的降解从升温到降温期都能保持相对较稳定和较高的速率木质素的降解基本上可以忽略，木质素含量因总干重下降而增加秸杆堆制60天后干物重失去50%以上，大部分在最初的34天内失去，其中几乎全部是纤维素和半纤维素,.,24,堆肥化进程-中温期,堆肥物料中有易分解单糖和蛋白质，微生物代谢活动旺盛产生大量热；物料堆积热量不易散发，局部温度在1-2天内可能会达到70-80C。中温细菌和中温真菌活动的最适温度20-30，中温微生物迅速繁殖，代表种有Mucorpusillus(微小毛霉)及Aspergillusfumigatus(烟曲霉)；易分解的单糖和蛋白质大量分解，中温期后段，嗜热真菌(45-55)等开始分解纤维素、半纤维素等稍难分解的有机物质；中温微生物因其可利用的底物耗竭及高温死亡，酶失活；,.,25,堆肥化进程-降温期和稳定期,分解有机物质能力强的微生物重新定殖，纤维素、半纤维素等物质分解大量分解，物料温度可以保持在较高的温度，但随着可以利用有机物的耗尽，微生物产生的热量逐渐减少。当堆肥温度降至常温时许多动物可进入其中，包括蚯蚓、千足虫等；它们取食其中的微生物和植物残体，将物料破碎成小的颗粒，扩大微生物作用的表面积降温期后段，可利用的有机物质基本耗尽，不再产热，,.,26,堆肥化进程中的微生物群体变化,升温期中温微生物利用单糖氨基酸迅速大量繁殖，易利用的有机物质耗尽后它们不再出现高温期嗜热真菌、放线菌和大部分细菌被杀死，仅剩产孢细菌降温期嗜热真菌等重新定殖稳定期可利用的有机物质很少，微生物间竞争激烈，主要微生物为放线菌(产生抗生素),.,27,堆肥化进程中的真菌,升温期代表种有Mucorpusillus(微小毛霉)及Aspergillusfumigatus(烟曲霉)，前者在高温过后因易利用碳源耗尽而不再出现高温期嗜热真菌被杀死降温期嗜热真菌等重新定殖：Chaetomiumthermophile(嗜热毛壳霉),Humicolainsolens(特异腐质霉),Humicola(Thermomyces)lanuginosus,Thermoascusaurantiacus,Paecilomycessp,Aspergillusfumigatus稳定期可利用的有机物质很少，主要为放线菌,.,28,堆肥化初期真菌,Rhizomucorpusillus(微小毛菌)，在堆肥化初期利用单糖和氨基酸等，生长温度为20-55C，发热期后不再活动,子囊孢子,.,29,堆肥初期真菌腐殖霉,Humicola(Thermomyces)lanuginosus生活温度在30to52-55oC，除堆肥发热高峰外一直存在，不能分解纤维素与纤维素分解菌伴生,.,30,嗜热真菌嗜热子囊菌,Thermoascusaurantiacus生活温度在25-55oC，分解纤维素能力强,子囊果子囊和子囊孢子,.,31,嗜热真菌-烟曲霉,Aspergillusfumigatus生活温度在12-52oC，分解纤维素能力强；吸入肺中会引起过敏、并可在肺泡中生长,分生孢子,.,32,嗜热真菌-拟青霉属,Paecilomyces拟青霉属,分生孢子,.,33,堆肥化中的细菌和放线菌,嗜热细菌和放线菌对高温的抵抗高于真菌；Thermus(嗜热菌属)生活温度为40-80oC，最适温度为65至75oC；在70oC时产孢细菌芽孢杆菌也有存在在降温期、稳定期放线菌占优势，代表种群是放线菌科(Actinomycetacea)；放线菌分解纤维素的能力远不如真菌,比细菌或真菌生长繁殖慢，在养分和可利用碳源丰富时种群相对小，而由于它们产生抗生素，在养分和能量物质匮乏时占优势,.,34,堆肥化的进程,.,35,堆肥条件控制,温度搅拌、通气接种剂和添加剂,.,36,堆肥化最适温度,无害化要求的温度病原物的致死温度和时间：不产孢细菌沙门氏杆菌，50-605分钟-1.5h;伤寒杆菌，55-60C，30分钟；化脓性链球菌，54C，1小时；结核分支杆菌；真菌、寄生虫、杂草种子551-2h温度高于60，几天内就可以达到无害化目的；55时间超过3天病原物不再威胁公众健康(我国2002年发布的城市生活垃圾处理及污染防治技术政策中规定“保证堆体物料温度在55时间保持5-7天”)物质降解最适温度较高但不要超过55，中温细菌和中温真菌活动的最适温度20-30，嗜热真菌为45-55，超过60仅剩产芽孢的嗜热细菌和放线菌。纤维素、半纤维素的降解主要依靠真菌来完成,.,37,通气,保证物料堆中的好气环境，提高腐熟和稳定速度安装通气管、沟、强制通风搅拌通气的效果持续短,.,38,Toturnornottoturn，thatistheQuestion,在最初几个月内至少翻堆3次，在随后每3个月翻1次过于频繁搅拌会散发热量，降低微生物特别是真菌活性；连续堆肥不必搅拌,.,39,添加剂,添加剂是指为了加快堆肥进程和提高堆肥产物质量在堆肥物料中加入的微生物、有机或无机物质添加剂种类接种剂(inocula)疏松剂(bulkingagents)起爆剂(starters)pH调节剂,.,40,微生物接种剂,接种微生物的初衷提高堆肥初期微生物的群体，增强微生物的降解活性，缩短达到高温期的时间；补偿高温期后微生物群体下降接种分解有机物质能力强的微生物堆肥物料中有大量来自空气、水及废弃物本身的微生物温度和物料中可利用的有机物质决定微生物种群变化单一种类微生物无论多么活跃，其分解有机物质速度也比不上混合群体的共同作用堆外围的温度相对较低，微生物群体较大，搅拌实际上起到了接种的作用,.,41,堆肥化的进程,.,42,起爆剂,加入易利用的有机物质如糖、蛋白质等会增加堆肥开始时微生物的活性，起到“起爆”效果；在大多数情况下，堆肥物料中的有机物有一部分为易利用形态。,.,43,疏松剂,当含水多、颗料细的废弃物堆制时，常常需要加入一些质地疏松的物质来增加通气性水冲式畜禽养殖场的畜禽粪便与作物秸秆联合堆制(conjointcomposting)既可解决水气矛盾，又可平衡C、N比例常用的疏松剂有锯末、作物秸杆、粉碎的废橡胶轮胎等。,.,44,pH调节剂,以废弃物处理为目的的大规模的堆肥，调整pH即无必要，又不经济如果堆肥产物是用于培养蘑菇或饲养蚯蚓时，则需要加入pH调节剂，以防止pH波动过大常用的pH调节剂有CaCO3、石灰和石膏等,.,45,堆肥化的质量指标,熟化程度C/N比25;耗氧率分解过程,.,49,秸秆还田对土壤有机质的影响,在温带气候条件下，施入土壤的作物秸秆，在一个生长季后有约1/3以有机质形态留在土壤中，其余2/3以CO2的形式损失掉；,.,50,有机残体组成与腐殖化进程,C:N比木质素含量：木质素难以分解，且在细胞壁中包被纤维素，阻碍其分解多酚含量：与蛋白质结合形成难分解的复合体；抑制胞外酶活性；影响氮释放。多酚物质的分子量越大结合能力越强（木质素多酚)/N比率物质分解和N释放难易的的指标,.,51,腐殖质结构,.,52,腐殖质组分,富里酸也称黄腐酸(FulvicAcid)：既溶于碱又溶于酸；胡敏酸也称黑腐酸(HumicAcid)：仅溶于碱不溶于酸；胡敏素又称黑腐素(Humin)：既不溶于酸又不溶于碱。,.,53,腐殖质各组分性质,.,54,木质素与腐殖质的相似性,对于大多数细菌和真菌，木质素和腐殖质均很难分解；木质素和腐殖质均溶于碱，并被酸沉淀；部分溶于乙醇；二者均含有-OCH3基，随着分解进程的推进，-OCH3基含量减少；当木质素与碱液一同加热时会转化为含-OCH3基的胡敏酸；氧化木质素具有与胡敏酸类似的性质,.,55,第三节腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程木质素理论,腐殖质形成过程-木质素理论,木质素,木质素构成单元,残余部分,微生物分解,胡敏酸,富里酸,脱甲基、氧化与含氮化合物聚合,继续被微生物分解,.,56,第三节腐殖质与腐殖化过程腐殖化过程聚合理论,腐殖质形成过程-多酚（聚合）理论,胡敏酸,.,57,多酚（聚合）理论依据,土壤有机质氧化分解后具有相连的芳香环和酚酸多酚物质易与有机物质结合为稳定化合物无法解释有机质中很多长脂肪链,.,58,沼气发酵的生物学,无氧条件下有机物质发酵分解形成甲烷等的过程适用于污水处理厂消化污泥人畜粪便和作物秸秆处理,.,59,有机物厌氧分解特征,分解速度较慢；分解产物是有机酸、乙醇、硫醇、醛、酮、甲烷等半分解物质；产能少；半分解产物如H2S等抑制植物生长；甲烷是温室气体应用：沼气生产,.,60,沼气发酵的阶段,液化阶段水解糖类、蛋白质和脂肪产生脂肪酸和醇产酸阶段产醋酸的细菌将低级脂肪酸和醇产乙酸阶段转化为醋酸、CO2和H2；甲烷生成阶段甲烷细菌利用H2还原CO2生成甲烷,在液化和产酸阶段兼性厌氧菌分解有机物质时消耗氧气，为严格厌氧的甲烷细菌提供生长的环境和底物,.,61,污水处理,一级处理,曝气池,二级处理,消化池,空气,污水污泥,消化污泥,三级处理,沼气,一级处理为预处理，主要利用格栅、除尘池、气浮、过滤等物理手段，去除水中的大颗粒悬浮物，调节pH值，减轻二级处理负荷,二级处理也称生化处理，采用活性污泥等生物手段，目标是大幅度去除污水中呈胶态和溶解状态的有机污染物，降低BOD,COD，达到污水排放标准。,三级处理为深度处理，利用离子交换、反渗透、电渗析、紫外线照射等方法，进一步去除污染物，如磷、氮及生物难降解的有机、无机污染物和病原体等。出水水质较好，甚至能达到饮用水质标准,.,62,处理后污水排放,由于蓝绿藻能进行生物固氮，N往往不是其生长的限制因素；藻类细胞的N/P比为7-10：1，当N/P小于7时，磷不再是限制因子；水中磷浓度超过10mg/l，会导致富营养化经二级处理的污水在排入江河湖泊之前应进一步除去P，一般加入石灰或FeCl3将P沉淀,.,63,水体富营养化,浮游