第5章 城市垃圾的生物处理

,固体废物处理与处置Treatmeng&DisposalofSoildWaste,*,好氧堆肥处理厌氧消化处理微生物浸出工程实例,第五讲固体废物生物处理,【概念】堆肥化厌氧消化【方法原理】堆肥原理；厌氧消化原理；微生物浸出机理。,本章重点,处理方法,好氧堆肥处理,厌氧消化处理,微生物浸出,其它生物处理方法,堆肥化（composting）:在人工控制的环境下,依靠自然界中广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物人为地促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的微生物学过程,厌氧消化:也称厌氧发酵，指在厌氧状态下利用微生物使固体废物中有机物转变为CH4和CO2的过程,微生物浸出:利用微生物新陈代谢过程或代谢产物将废物中目的元素转变为易溶状态并得以分离的过程,蚯蚓床技术废物生产单细胞蛋白等,1,4,2,3,堆肥是城市垃圾处理的四大技术之一。目前是国内外生态工程研究的热点之一。对解决城市环境污染及实现城市垃圾无害化、资源化、产业化具有重要的意义。堆肥化的产物称为堆肥，可作为土壤改良剂和肥料，从而防止有机肥力减退，维持农作物长期的优质高产。因而这种方法越来越受到重视，成为处理城市生活垃圾的一种主要方法。,堆肥技术是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥（compost）是一类棕色的、泥炭般的腐殖质含量很高的疏松物质，又称“腐殖土”。废物经过堆制，体积一般可减少30-50%。,堆肥概念,腐殖质：植物残体与微生物分解出的各种酚类、醌类、氨基酸化合物等通过氧化聚合作用生成的具有某些活性基团（如羧基、氨基、羟基）的具有三向立体结构的复杂的高分子聚合物。其结构疏松，保水保肥能力强，且本身也具有较为丰富的肥效，因而是一种很好的有机肥。,基本原理,堆肥过程中同化、异化作用反应式。物质变化、能量释放与获取,堆肥过程,堆肥过程四阶段，物质、温度、微生物相变化,影响因素,六个主要因素,六个阶段及内容,堆肥设备,四类,15个,1,2,3,5,好氧堆肥演示,堆肥工艺,4,好氧堆肥,1,微生物具有复杂而丰富的酶系，因此利用微生物分解固体废弃物中的有机物从而实现其无害化和资源化，是处理固体废弃物的有效而经济的技术方法。,微生物对固体废物的转化凡是自然界存在的有机物，几乎都能被微生物降解。在固体废物中存在的有机物主要有纤维素、碳水化合物、脂肪和蛋白质等,在好氧环境中完全降解产物是简单的无机化合物，如CO2、H2O、NH3、PO42-、SO42-等。在厌氧环境中的降解产物主要包括各种有机酸、醇以及少量CO2、H2O、NH3、H2等,1纤维素的生物转化1)纤维素的生物转化：分子式为：(C6H10O5)140010000纤维素是葡萄糖的高分子聚合物，每个纤维素分子约含140010000个葡萄糖基.纤维素是可以被生物降解的化学物质，分解纤维素的微生物有细菌(芽孢杆菌、假单胞菌、节细菌)、放线菌和真菌(根霉、曲霉、青霉和镰刀霉)。在城市垃圾中、木、竹、麦秆、稻草等均含有大量纤维素。棉纤维中约含90纤维素。,它们的生物降解过程如下：,2)半纤维素的转化组成:由聚戊糖(木糖和阿拉伯糖)、聚已糖(半乳糖、甘露糖)及聚糖醛酸(葡萄糖醛酸和半乳糖醛酸)等组成。但有的半纤维素仅由一种单糖组成，如木聚糖、半乳糖，有的由一种以上的单糖或糖醛酸组成。半纤维素存在植物细胞壁中，在植物组织中的含量很高，仅次于纤维素，约占一年生草本植物残体重量的2540，占木材的2535。,半纤维素被微生物分解的速度比纤维素快。能分解纤维素的微生物大多能分解半纤维索，半纤维素的分解过程大致如下：,2果胶质的转化果胶质是天然的水不溶性物质，它是高等植物细胞间质的主要成分。主要由D半乳糖醛酸通过。1，4糖苷键连接而成的直链高分子化合物，其羧基与甲基脂形成甲基酯。果胶质的降解产物是甲醇和糖醛酸，果胶质的降解过程如下：,3淀粉的生物转化:分子式为（C6H10O5）1200，易被生物降解的种有机污染物。,4脂肪类物质的生物转化脂肪类物质是易降解的有机物。动、植物体内的脂类物主要有脂肪、类脂质和蜡质等。在微生物胞外酶、脂肪酶的作用下，脂肪类物质首先被水解为甘油(丙三醇)和脂肪酸。,甘油：部分被微生物吸收利用外，其余则被分解为丙酮酸。丙酮酸在厌氧条件下，进一步分解为丙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇和乳酸等。脂肪酸：在微生物细胞内通过氧化，使碳原子两个、两个地从脂肪酸链上不断地断裂下来，形成乙酰辅酶A(CH3CO-SCOA)。在厌氧条件下，乙酰辅酶A再转化为乙酸等低分子有机物。,5蛋白质的生物转化：蛋白质的降解分胞外和胞内两个大的阶段，第阶段为胞外水解阶段，第二阶段为胞内分解阶段。在胞外水解阶段，蛋白质在蛋白酶的催化下逐步分解成氨基酸，,6木质素的生物降解木质素是种高分子的芳香族聚合物.结构十分复杂，以苯环为核心，带有丙烷支链组成的一种或多种芳香族化合物(如苯丙烷、松柏醇等)缩合而成，并常与多糖类结合在起。,木质素是植物残体中最难分解的组分。分解速度极其缓慢，并有一部分组分难以降解。般先由木质素降解菌把它降解成芳香族化合物，然后再由多种微生物继续进行分解。研究表明，腐殖质中含有类似木质素的结构成分，被认为是由木质素降解产生的芳香族化合物再聚合而成。,好氧堆肥原理,腐殖质,嗜温性细菌、酵母菌、放线菌分解最易分解的可溶性物质，淀粉、糖类增多，温度45,好氧堆肥过程,适应新环境,嗜热性微生物、细菌；残留可溶性物质，纤维素、半纤维素、蛋白质，温度4570,嗜温性微生物、多为难分解物质，温度,堆肥化微生物学的研究,III,研究方向一,采用传统的基于生理功能的筛选方法从堆肥或其他生态系统中选育高效菌株，并可能通过菌种的遗传变异或基因重组寻找高效菌株，开发适用性强的堆肥菌剂。,影响因素及工艺,堆肥工艺堆肥发酵的影响因素,温度,有机质降解:最高降解率发生在:110oF-150oF(43-65)杀灭病菌,昆虫和野草种子:3天55oC(131oF),堆肥工艺堆肥发酵的影响因素,有机肥(复混肥)生产的关键环节,堆肥工艺设备,堆肥工艺设备：主要有立式发酵仓、筒仓式、卧式、箱式和堆积式。,堆肥工艺设备,堆肥工艺设备,腐熟度评价指标,腐熟度：是通过微生物的作用,堆肥产物达到稳定化、无害化、既不对环境产生有害影响，堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤的耕作能力。,堆肥化产品的利用,灰分,易分解性有機物,難分解性有機物,灰分,水分,難分解性有機,水分,易分解性有機物,未熟,完熟,中熟,纯粹垃圾堆肥,家畜粪堆肥,腐熟度,对作物的安全性,原料,一次発酵,二次発酵,堆肥化,垃圾及家畜粪尿的堆肥化的概念图,堆肥化,一次发酵,二次发酵,一次发酵阶段：水分减少，易分解性有机物高速分解（淀粉，糖类，蛋白质等）二次发酵阶段：水分减少，剩余易分解性有机物分解，难分解有机物缓慢分解（木质，纤维质等）,収量違芜菁的产额的差异,肌大差芜菁的表皮差异,堆肥的质量,我国于1986年也制订了标准，标准中规定：(参看书表9-4)有机质含量10，氮05，磷03，钾10，杂质30，粒度12mm，蛔虫卵死亡率为95100，大肠杆菌值为l0-110-2，镉含量3mg/kg,汞含量5mg/kg，铅含量100mgkg，总铬300mg/kg，砷30mgkg，堆肥无害化标准主要是重金属含量和致病微生物6070维持3天，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。根据长期的经验，一般认为，堆温在5060、持续67天，可达到较好的杀灭虫卵和病原菌的效果。,.,堆肥的质量,要求：一是成分和养分，二是无害化,重金属含量和致病微生物,堆肥的农业效应,农业效用：改良土壤、农业增产,堆肥的发展状况：,中国:产品质量尚不能完全达到上述标准。原因：1）含可腐性有机质比率小，含有害物质较多2）预处理与堆肥操作过于粗糙。改进措施:提高产品质量，必须改进垃圾前处理与堆肥工艺过程。实施有机垃圾的分类收集和提高堆肥技术水平。近年来，欧洲国家很重视发展生物垃圾处理技术，因垃圾堆肥质量、销售及成本等问题，使垃圾堆肥长期处于低潮，但是仍在不断改进垃圾堆肥技术，稳步发展着蚓圾堆肥。蚓圾与污泥混合堆肥可以减少向堆肥物料中添加水分，还可以提高堆肥中有机物及N，P，K的含量。在印度等国家，利用蚯蚓参与垃圾堆肥，可加速堆肥中有机物的分解，提高堆肥品质，具有较广阔的发展前景。英国2000年将有40的庭院垃圾由各家各户进行堆肥，并且将迅速发展有机和无机垃圾复合肥技术。,防治二次污染的方法与设备一除臭技术与设备系统产生的臭气，主要有“氨、硫化氢、甲基硫醇、胺”等，可根据人们的嗅觉为标准而相应地采取除臭措施。1）清洁气体法：排出的臭气变成液态。使用液体如水、海水、酸(各种酸、臭氧水等)、碱(氢氧化钠、次氯酸钠)，将臭气液体化，或利用这些液体减少臭气。使用这种方法清洁塔中进行，喷射塔系统；密封塔系统等。,2）臭氧氧化方法：利用了臭氧的强氧化能力，以及臭氧的屏蔽作用，同时这种方法氧发生器、臭氧反应塔。3）堆肥氧化吸附法：土壤除臭法，一般是采用熟堆肥除臭或施用熟堆肥的种方法及设施都比较简单，熟堆肥原料来源于堆肥产品。从处理设备产生的灰尘，应安装除尘装置。,二振动与噪声的防治堆肥化设备中，振动可以通过破碎机中的物料撞击或旋转滚筒转动不平衡产生。振动控制标准值：白天6570dB，夜间为6065dB。减小振动的方法是在设备和基地之间安装隔振板。系统中的噪声源，主要来自空气压缩机和鼓风机，通常功率超过75kW的，常产生超标噪戋噪声措施防治。三污水处理污水自贮料发酵仓，处理设备运转过程中以及附属建筑的生活污水等。堆肥污水必须处理。相对其他垃圾处理设备相比，堆肥化系统中产生的污水量比较少。,随着垃圾填埋场选址的日益困难和垃圾焚烧厂尾气处理要求的提高，堆肥工艺会逐渐显露中在一定条件下具有竞争性。在德国，垃圾填埋受到限制，要求有机物含量在2005年要小于5。堆肥工艺重新得到了重视。如果将垃圾严格进行分类收集，将厨房废物用于堆肥，会取得很好的效果。对堆肥工艺的改进，国内外集中在菌肥的研制和开发上。有的研究是开发出一种微生物菌种，用于堆肥工艺可以加快堆肥进程。有一些研究是开发出具有生物农药作用的特殊微生物，将堆肥作为该种微生物堆肥具有生物农药的作用，进一步提高堆肥的附加值，开创新的市场。,目前我国多数城市垃圾堆肥产品质量尚不能完全达到上述标准。原因有2：1是垃圾本身含可腐性有机质比率小，含有害物质较多，2预处理与堆肥操作过于粗糙。要使产品质量提高，必须改进垃圾前处理与堆肥工艺过程。实践证明，提高堆肥质量的关键是实施有机垃圾的分类收集和提高堆肥技术水平。,我国的现状与未来展望：1986一1995年期间，中国相继开展了机械化程度较高的动态高温堆肥研究和开发，20世纪90年代中期先后建成了动态堆肥典型工程，如常州市环境卫生综合厂和北京南宫堆肥厂，目前无锡、常州、天津、沈阳、北京、武汉等城市自行设计了适合中国的机械化垃圾堆肥处理的生产线。,存在的问题：1设备运转率低、运行和维修费用高、配套机械设备配套性差、实用性差、使用寿命短、堆肥的质量和肥效都较低及销路不畅等问题。2混合收集的垃圾杂质含量高，导致产品成本过高；3粗堆肥产品只能作为土壤改良剂，经济服务半径小，质量较差的粗堆肥产品一般只能就近销售，利用粗堆肥产品制造的复合肥的销售也面临着与化肥的竞争；,改进措施：提高堆肥厂的机械化水平和堆肥质量，有效控制堆肥产品中的重金属和碎玻璃等杂质的含量，进一步完善国产化有机复合肥成套生产技术与设备，是堆肥技术能否进一步发展的关键。发展趋势：应用并推广机械化动态发酵工艺和利用有效菌种快速分解的新型堆肥技术，鼓励在垃圾分类收集的基础上进行高温堆肥处理。垃圾堆肥过程中产生的渗滤水可用于堆肥物料的水分调节，堆肥过程中产生的臭气要进行处理，以达到恶臭污染物排放标准的规定。,近年来，欧洲国家很重视发展生物垃圾处理技术，因垃圾堆肥质量、销售及成本等问题，使垃圾堆肥长期处于低潮，但是欧洲国家仍在不断改进垃圾堆肥技术，稳步发展着蚓圾堆肥。蚯蚓圾与污泥混合堆肥既可以减少向堆肥物料中添加水分，还可以提高堆肥中有机物及N，P，K的含量。在印度等国家，利用蚯蚓参与垃圾堆肥，可加速堆肥中有机物的分解，提高堆肥品质，具有较广阔的发展前景。英国2000年将有40的庭院垃圾由各家各户进行堆肥，并且将迅速发展有机和无机垃圾复合肥技术。蚯蚓每吃掉1t的垃圾可得到600kg的生物腐埴土（蚓粪），用蚓粪为肥料生产出来的食品无化学制品污染。,2,1,2,3,4,厌氧消化处理,沼气发酵过程演示,厌氧消化原理,堆肥有机物微生物,有机酸，醇类，O2，NH3，H2S等，能量，微生物,细胞物质,CO2，CH4等，能量,细胞物质,厌氧消化原理,厌氧消化原理,厌氧消化工艺,高温消化工艺,最佳温度范围是4755，此时有机物分解旺盛，消化快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适用于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理培养高温消化菌、维持高温、投料和排料、搅拌消化物料,目前我国农村都采用这种消化类型。这种工艺的消化池结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广，但受季节影响明显消化周期须视季节和地区的不同加以控制,厌氧消化工艺,厌氧消化工艺,连续消化工艺,半连续消化工艺,3,微生物浸出,微生物浸出内,微生物浸出史浸矿细菌细菌浸出机理细菌浸出工艺细菌浸出处理放射性废渣,微生物浸出史,专利申请,浸矿微生物,浸矿机理,化学反应说,直接作用说,细菌浸出工艺,浸出喷洒法灌溉法垂直管法均匀分布pH2,金属回收循环浸出置换电积其它金属,菌液再生pH再生池,其它生物技术,蚯蚓床技术,蚯蚓,农林废物、城市生活垃圾、污水厂污泥,蚯蚓粪,微生物,分解、半分解有机质,蚯蚓床,3,其它生物技术,蚯蚓床技术,垃圾预处理,垃圾分离,收集堆料、最终产品处理,垃圾堆放,Successfactors,蚯蚓处理工艺,放置蚯蚓,添加有益微生物,料堆状况检查,3,其它生物技术,蚯蚓床技术,蚯蚓特点,3,4,固体生物处理的工程应用,五：堆肥工艺实例:1无锡100t/d生活垃圾处理厂1986年无锡市在垃圾好氧堆肥的中试基础上共同研究、开发设计了我国第一座比较现代化的高温好氧堆肥系统100t/d生活垃生活垃圾处理实验厂。,主要设计参数：设计规模为日处理100t。一次发酵主要参数：总含水率4050；碳氮比：25：1；通风量：0.10.2m3/m3堆层风压500mmH2O，发酵周期10d，温度控制65以上(最高不超过75)维持7天。一次发酵最终指标：无恶臭，发酵符合无害化标准，容积减1/3左右；水分去除率8左右；挥发性固体转化率15左右，C/N比20：1。,二次发酵主要参数：发酵周期10d；温度回升至小于40C。两次发酵最终指标：堆肥充分腐熟；含水率20；C/N比小于20：1。堆肥质量指标：符合无害化标准；含水率20，pH值7.58.5；全氮为0.30；速效氮为0.04；全磷为0.1，全钾为0.2；无机物粒径5mm。,杭州市垃圾堆肥厂工艺流程,四棱锥台式发酵仓是该流程的核心设备。发酵仓出料机械较先进、半自动态堆肥化能缩短发酵周期是该工艺的重要特点。此外还有：1）热量利用好，温度自下而上地依次传递，损失少。2）发酵仓料内堆肥物的翻堆是随出料机的转动出料和堆肥物的自上而下塌落完成的，无需外力，节能。3）发酵仓中堆肥物发酵均匀，可避免静态堆肥中出现的“死角”或夹生”。4）连续进料和出料，有利于微生物接种，发酵升温快，也也有利于引人(或培植)微生物新菌种，使之优化。,城市垃圾下水污泥堆肥化系统,固体废物的糖化工农业生产中产生大量含纤维素的固体废物，城市垃圾中也有比例甚高的含纤维素物质，如果能将这些物质单独回收，利用生物酶的催化作用，催化水解含纤维素的固体废物，回收精制转化产品，如饲料葡萄糖、精制葡萄糖、单细胞蛋白、酒精等产品。,1固体废物制取葡萄糖,废纤维素水解制取单糖,2固体废物生产单细胞蛋白单细胞蛋白(singLecellprotein简称SCP)是通过培养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生物蛋白,包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻类等。它们可利用各种废物中无害无毒基质如碳水化合物、碳氢化合物、石油副产品等，在适宜的培养条件下生产微生物蛋白。微生物蛋白不仅蛋白质含量高于传统的蛋白质食品，而且氨基酸组成齐全，配比适当，富含人畜生长代谢必需的8种氨基酸组分和多种维生素，是理想的食品和动物饲料来源。,蔗渣为基质生产单细胞蛋白工艺流程图,该工艺不是先将纤维素经过酶解作用生成葡萄糖，再经微生物转化生产SCP，而是不需要糖化工序，在微生物作用下废纤维直接转变成SCP。转化作用在通风搅拌发酵槽内进行，搅拌速度300400rmin，适宜通风量为6Lmin，pH值为3965，尿素含量为0003和以01的酶自身消化液可促进蛋白质生成。培养基为(NH4)2HPO410g，Na2S2O30.01g，尿素0.3g，酶自身消化液1.0g，加水1L,3固体废物生产酒精许多含纤维素、淀粉和糖的废物都可用来发酵生产酒精。如稻草、玉米杆、麦杆、玉米芯以及废弃腐烂的水果等。用固体废物生产酒精是21世纪很有发展潜力的技术。,1糖质废物的酒精发酵酒精发酵分为三个阶段：发酵期，主发酵期，后发酵期三个阶段无明显截然的分界线，发酵全过程约需6072h。发酵结束后要将酒精和有挥发性物质从发酵醪中分离出来，即蒸馏。蒸馏的结果得到粗酒精，设备称醪塔（粗馏塔）。除去粗酒精中杂质，进一步提高酒精浓度的过程则称为精馏，所用的设备称为精馏塔。精馏酒精进一步脱水可成无水酒精。酒精的产量约为可发酵性糖的90。,发酵期：当