第五章固体废弃物生物处理技术

1、固体废弃物生物处理技术固体废弃物生物处理技术有机固体废弃物是指有机质有机固体废弃物是指有机质含量高而含水量低的固态废含量高而含水量低的固态废物，它们一般具有生物降解物，它们一般具有生物降解性。性。利用微生物处理有机固体废利用微生物处理有机固体废物技术通常包括物技术通常包括好氧堆肥法、好氧堆肥法、沼气发酵法、酒精生产、单沼气发酵法、酒精生产、单细胞蛋白生产细胞蛋白生产。第一节 有机固体废物好氧堆肥n目前，固体废物的年平均增长速度已是经目前，固体废物的年平均增长速度已是经济增长速度的济增长速度的23倍。世界各国根据各自倍。世界各国根据各自的国情，分别采用的国情，分别采用填埋填埋、焚烧焚烧、生物降解

2、生物降解法（包括堆肥化）等技术处置固体废物。法（包括堆肥化）等技术处置固体废物。n好氧堆肥法具有运行好氧堆肥法具有运行费用低费用低、二次、二次污染小污染小等优点，在世界各国特别是发展中国家有等优点，在世界各国特别是发展中国家有很好的发展前景。很好的发展前景。一、堆肥化的基本概念一、堆肥化的基本概念1.堆肥化及作用堆肥化及作用u堆肥化是指在控制条件下，依靠自然界广泛堆肥化是指在控制条件下，依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地分布的细菌、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促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质腐殖质生化生化转化的过程。转化的过程。u堆肥化的产

3、物称为堆肥，堆肥是廉价的优质堆肥化的产物称为堆肥，堆肥是廉价的优质土壤改良肥料。废物经过堆制，体积一般只有土壤改良肥料。废物经过堆制，体积一般只有原体积的原体积的5070。2.2.堆肥原料堆肥原料 生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及农林废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基农林废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基质碳水化合物、脂类、蛋白质等，此外，还质碳水化合物、脂类、蛋白质等，此外，还含有含有N、P、K、Na、Mn、Fe等，是常用的堆等，是常用的堆肥原料。肥原料。 城市生活垃圾城市生活垃圾是堆肥的最主要的原料是堆肥的最主要的原料。二、堆肥中的微生物二、堆肥

4、中的微生物n好氧堆肥中参与降解有机物的微生物以好好氧堆肥中参与降解有机物的微生物以好氧菌为主，主要包括两大类：嗜温菌和嗜氧菌为主，主要包括两大类：嗜温菌和嗜热菌。热菌。n嗜温菌嗜温菌包括细菌、放线菌、真菌等包括细菌、放线菌、真菌等n嗜热菌嗜热菌包括嗜热性真菌和细菌等。包括嗜热性真菌和细菌等。n堆肥的原料来源不同，微生物的种类和数堆肥的原料来源不同，微生物的种类和数量也不尽相同。量也不尽相同。n45的堆肥样品中，一般有以下几属：的堆肥样品中，一般有以下几属：曲霉属，芽孢杆菌属，肠道杆菌属、假单胞曲霉属，芽孢杆菌属，肠道杆菌属、假单胞菌属、芽孢乳杆菌属。菌属、芽孢乳杆菌属。n55时的堆肥样品中时的

5、堆肥样品中 一般有以下几属：一般有以下几属：乳杆菌属，芽孢杆菌属，假单胞菌属，链球乳杆菌属，芽孢杆菌属，假单胞菌属，链球菌属，小单胞菌属。菌属，小单胞菌属。三、堆肥化过程n有机固体废物好氧堆肥过程，依据温度变有机固体废物好氧堆肥过程，依据温度变化，大致可分为化，大致可分为3个阶段：个阶段：n1.中温阶段中温阶段（产热阶段）：（产热阶段）：1545 嗜温性微生物嗜温性微生物n2.高温阶段高温阶段 6070 嗜热性微生物嗜热性微生物n3.降温阶段降温阶段（腐熟阶段）（腐熟阶段） 嗜温性微生物嗜温性微生物 当温度稳定在40，堆肥基本达到稳定，形成腐殖质。四、好氧堆肥化原理四、好氧堆肥化原理n在好氧堆

6、肥化过程中，有机固体废物中的在好氧堆肥化过程中，有机固体废物中的可溶性可溶性有机物可以透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生有机物可以透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收，而物直接吸收，而不溶性不溶性的胶体有机物质，则先被的胶体有机物质，则先被吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质后再渗入细胞。微生物通过自身解为可溶性物质后再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动，进行分解代谢和合成代谢，把一部的生命活动，进行分解代谢和合成代谢，把一部分被吸收的分被吸收的有机物氧化有机物氧化成简单的无机物，并释放成简单的无机物，并释放出能量，同时把另一部

7、分的出能量，同时把另一部分的有机物转化有机物转化成细胞物成细胞物质，使微生物生长繁殖。质，使微生物生长繁殖。五、好氧堆肥工艺五、好氧堆肥工艺n现代化堆肥生产通常由现代化堆肥生产通常由前处理前处理、初级发酵初级发酵、次级发酵次级发酵、后处理后处理、脱臭及贮存脱臭及贮存等工序组等工序组成。成。n前处理前处理 对对体积较大体积较大的物料需要破碎、分选，使颗的物料需要破碎、分选，使颗粒变小，含水率均匀；粒变小，含水率均匀； 对对含水量较高含水量较高的原料主要是降低水分，增的原料主要是降低水分，增加透气性，调整碳氮比。加透气性，调整碳氮比。n初级发酵初级发酵在在发酵仓发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来

8、供给氧气。内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气。通常把稳定升高到开始降低为止的阶段称为主发酵期。通常把稳定升高到开始降低为止的阶段称为主发酵期。一般为一般为412d.n次级发酵次级发酵经过主发酵的半成品被送去后发酵，即次级发酵。后发经过主发酵的半成品被送去后发酵，即次级发酵。后发酵通常采用酵通常采用敞开式发酵敞开式发酵，为了提高发酵效率，仍需进行，为了提高发酵效率，仍需进行翻堆或通风。翻堆或通风。后发酵的时间一般为后发酵的时间一般为2030d以上。以上。n后处理后处理去除塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂去除塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂物。通常采用物。通常采用回转式振动筛回转式振动筛、

9、磁选机磁选机、风选风选机机等设备去除上述杂质，并根据需要进行再等设备去除上述杂质，并根据需要进行再破碎。破碎。n脱臭脱臭采用化学除臭或吸附除臭法除去堆肥过程中采用化学除臭或吸附除臭法除去堆肥过程中产生的氨、硫化氢、甲基硫醇等臭味物质。产生的氨、硫化氢、甲基硫醇等臭味物质。n贮存贮存堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天。堆堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天。堆肥成品可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装肥成品可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装后存放。后存放。六六 好氧堆肥的影响因素好氧堆肥的影响因素n影响好氧堆肥化的主要因素有有机质的含影响好氧堆肥化的主要因素有有机质的含量、含水率、温度、碳氮比等。量、含

10、水率、温度、碳氮比等。n有机质含量有机质含量：适宜的有机质含量为：适宜的有机质含量为2050。n含水率含水率：55为佳为佳n温度温度：3555n碳氮比碳氮比：30：1德国克尔海姆县德国克尔海姆县Dietrichsdorf垃圾堆肥厂垃圾堆肥厂 http:/www.bta- 有机固体废物生物转化沼气有机固体废物生物转化沼气n研究微生物产生沼气已有研究微生物产生沼气已有100多年的历史，早在多年的历史，早在1866年，年，Bechamp首先指出甲烷的形成是一种首先指出甲烷的形成是一种微生物学的过程。以后，经过许多科学家的努力，微生物学的过程。以后，经过许多科学家的努力，逐步建立起厌氧发酵制取沼气的工

11、艺逐步建立起厌氧发酵制取沼气的工艺.n利用农牧渔业及其产品加工业生产的废物（如豆利用农牧渔业及其产品加工业生产的废物（如豆渣、酒糟等）及生活垃圾、粪便、有机废物污泥都渣、酒糟等）及生活垃圾、粪便、有机废物污泥都可作为沼气发酵的原料。可作为沼气发酵的原料。沼气发酵的应用生产沼气，生产沼气， 提供能源提供能源处理废物，处理废物， 保护环境保护环境沼气发酵装置1沼气发酵装置2第三节第三节 有机固体废物发酵制备酒精有机固体废物发酵制备酒精n酒精发酵的原料和微生物酒精发酵的原料和微生物n酒精发酵的生化过程酒精发酵的生化过程n酒精发酵的原理酒精发酵的原理一、酒精发酵的原料和微生物一、酒精发酵的原料和微生物

12、n原料原料 含纤维素、淀粉和糖的废物都可以用来进含纤维素、淀粉和糖的废物都可以用来进行酒精发酵。木材、木屑、废纸、稻草、玉行酒精发酵。木材、木屑、废纸、稻草、玉米秆、麦秆、玉米芯及腐烂的水果。米秆、麦秆、玉米芯及腐烂的水果。n微生物微生物 糖化菌糖化菌：产生淀粉酶，水解淀粉。曲霉、：产生淀粉酶，水解淀粉。曲霉、根霉等根霉等 酒精发酵的微生物酒精发酵的微生物：南阳酵母：南阳酵母 啤酒酵母啤酒酵母二、酒精发酵的生化过程二、酒精发酵的生化过程n发酵前期发酵前期 酒精和酒精和COCO2 2产量很少，发酵表面比较平静，持续产量很少，发酵表面比较平静，持续10h10h以上。酵母的接种量、酵母质量和接种温度

13、影响该以上。酵母的接种量、酵母质量和接种温度影响该阶段的长短。阶段的长短。n发酵中期发酵中期 酵母数量达最高值，酒精及酵母数量达最高值，酒精及COCO2 2大量产生。温度控大量产生。温度控制在制在32323333。维持。维持101015h15hn发酵后期发酵后期 温度温度303032 32 ，维持，维持303040h40h三、酒精发酵的原理三、酒精发酵的原理n水解水解 酸水解法酸水解法纤维素水解纤维素水解 酶水解法酶水解法 酸水解酸水解淀粉的水解淀粉的水解 酶水解酶水解植物纤维水解的机理植物纤维水解的机理主要是指纤维素和半纤维素的水解主要是指纤维素和半纤维素的水解u纤维素实质上是一种己聚糖纤维

14、素实质上是一种己聚糖u半纤维素则主要是戊聚糖半纤维素则主要是戊聚糖酒精发酵酒精发酵n酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成酒酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成酒精精 C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+Qu 1mol葡萄糖可产生葡萄糖可产生2mol酒精酒精u 一般一般100kg纯淀粉理论上可以生产纯淀粉理论上可以生产96的酒精的酒精60.54kg第四节第四节 发酵制备单细胞蛋白发酵制备单细胞蛋白n单细胞蛋白（单细胞蛋白（Single-Cell-Protein, ,简称简称SCP)P)一词一词是由美国麻省理工学院（是由美国麻省理工学院（MIT)的的Carroll Wilson教教授于授于196

15、6年首先提出的。通常年首先提出的。通常SCP是指是指通过培养通过培养单细胞生物而单细胞生物而获得的生物体蛋白质获得的生物体蛋白质，又称微生物，又称微生物蛋白，包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母菌、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。霉菌和微型藻类等。n1967年在第一次全世界单细胞蛋白会议上，将微生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白。 单细胞蛋白所含营养物质极为丰富。 蛋白质含量高达40%80%，比大豆高10%20%，比肉、鱼、奶酪高20%以上； 氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。 单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物、脂类、矿

16、物质，以及丰富的酶类和生物活性物质，如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等 利用有机废物生产SCP不仅能够变废为宝，同时还起到净化环境，降低废物BOD的作用。单细胞蛋白的优点：n生产效率高。比动植物高成千上万倍，这是由于微生物的生长繁殖速率快。n生产原料来源广。n可工业化生产。不仅需要的劳动力少，不受地区、季节和气候的限制，而且产量高，质量好。 一、生产单细胞蛋白的原料和微生物一、生产单细胞蛋白的原料和微生物原料原料：农业废物、废水，如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含纤维素的废料及农林产品的加工废水；需经粉碎、碱处理以提高可消化性。 工业废物、废水，如食品、发酵工业中排出的含糖有机废水、亚硫酸纸浆

17、废液等；石油、天然气及相关产品，如原油、柴油、甲烷、乙醇等；H2、CO2等废气微生物微生物：n酵母菌、细菌、霉菌、担子菌等。酵母菌、细菌、霉菌、担子菌等。 假丝酵母和酿酒酵母，前者利用戊糖假丝酵母和酿酒酵母，前者利用戊糖.细菌蛋白：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和烃类，但个体小，分离困难且蛋白质不如酵母菌易于消化吸收。丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低。藻类：纤维质的细胞壁不易消化，且具有富集重金属的问题。酵母菌： 个体大，易于分离、回收，且蛋白质易于吸收，目前生产上采用较多。酵母蛋白酵母蛋白n 酵母在食品加工中应用较早，包括食品的酿造、烘烤等。n 酵母中蛋白质的含量超过其

18、干重的一半，但相对缺乏含硫氨基酸。另外，由于酵母中核酸含量较高，若摄入过量的酵母蛋白则会造成血液的尿酸水平升高，引起机体代谢紊乱。细菌蛋白n其生产底物一般是碳氢化合物（如天然气或沥青）或甲醇，细菌中蛋白质含量占其干重的3/4以上，必需氨基酸组成中同样缺乏含硫氨基酸，另外所含的脂肪酸也多为饱和脂肪酸。n这两种微生物蛋白一般不能能够直接食用，需除去细胞壁、核酸和灰分等杂质。细菌蛋白提取处理后得到细菌分离蛋白，它的化学组成与大豆分离蛋白相近，并且在补充含硫氨基酸以后，它的营养价值与大豆分离蛋白相近。二、生产单细胞蛋白的方法二、生产单细胞蛋白的方法n通常采用通常采用连续培养连续培养方法，即在培养罐内方法，即在培养罐内连续地加入培养基，同时排出同量的培连续地加入培养基，同时排出同量的培养液，罐内培养液的容量、组成、温度养液，罐内培养液的容量、组成、温度等保持稳定状态。等保持稳定状态。藻类蛋白藻类蛋白 以小球藻和螺旋藻最引人注目，是在海水中快速生长的两种微藻，二者的蛋白含量分别为50%、60%（干重），必需氨基酸中除含硫氨基酸较少外，其他的必需氨基酸却很丰富。单细胞蛋白生产工艺流程单细胞蛋白生产工艺流程三、单细胞蛋白生产中存在的问题三、单细胞蛋白生产中存在的问题（1）核酸含量高）核酸含量高, 4%18%,过多食用引过多食