环境微生物学9学习资料

环境微生物学

EnvironmentalMicrobiology郑州大学生物工程系

席宇第八章废渣和废气的生物处理主要内容第一节废渣的生物处理

第二节废气的微生物处理第一节废渣的生物处理

一、概述（一）废渣的种类与来源废渣即固体废弃物(solidwaste)，是指在生产、生活和其他活动中产生的污染环境的固态、半固态废弃物质。固体废弃物有多种分类方法，按组成可分为有机废物和无机废物；按来源可分为工业废物、矿业废物、垃圾、农业废物、放射性废物以及有害废物。城市生活垃圾(municipalsolidwaste，MSW，以下简称垃圾)是在城市日常生活中产生的固体废弃物。垃圾已经成为我国最严重的污染源之一。固体废弃物都含有大量有机物，通过微生物的活动，可以使之稳定化、无害化、减量化和资源化，其主要的处理方法有卫生填埋、堆肥、沼气发酵和纤维素废物的糖化、蛋白质化、产乙醇等等。

(二)垃圾污染危害与特点

1．数量巨大、处理率低

2．组成复杂、四季变化

3．污染环境、危害严重污染大气污染水体生物性污染侵占大量土地易燃易爆

4．我国垃圾问题的特点(1)最晚得到重视

(2)最具综合性的环境问题

(3)最难得到处置

(4)最贴近的环境问题

（三）我国垃圾处理技术政策与有关标准国家提出，强化垃圾污染的综合治理是落实我国制定的可持续发展战略的重要组成部分，垃圾无害化处理率到2005年要达到65％，以后逐年提高。

垃圾的综合治理可分为治本和治标两个层次

治本措施是努力实现生活垃圾的源头减量，即垃圾产量的最小化。治标措施是对收集的垃圾进行处理，并以无害化、减量化和资源化即“三化”要求为处理目标根据《城镇垃圾农用控制标准》、《城市生活垃圾堆肥处理厂技术评价指标》及《粪便无害化卫生标准》有关规定，垃圾(包括粪便)堆肥无害化的卫生标准主要有：①最高堆肥温度在55℃以上并能保持5-7天以杀灭病原体；②蛔虫卵死亡率95％-100％；④有效地控制苍蝇孳生，堆肥周围无活蛆、蛹或新羽化的成蝇等。③粪大肠菌值10-1-10-2；

(四)垃圾无害化处理的一般技术途径1.卫生填埋技术2.高温堆肥处理技术

3.焚烧处理技术4.综合处理技术

（五）、微生物学在垃圾处理技术中的作用

(1)微生物可使垃圾产生高温并持续足够时日，以杀灭有害生物及病原微生物，并提供有机肥料；(2)微生物可促进卫生填埋场中有机物降解，使堆体减量稳定，并产生沼气，供作能源利用；(3)微生物可防治垃圾处理产生的二次污染，如垃圾处理中的臭气、渗滤液污染。微生物处理技术投资和运行费用较低，处理效率较高，

二、高温堆肥法(composting)

高温堆肥是将经分选或分类收集的有机垃圾在发酵池或发酵场中堆积，采用机械搅拌或强制通风或自然通风的方法使其高温发酵，杀灭病原体，有机物转化为稳定的腐殖质。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥可分为好氧堆肥（高温堆肥）和厌氧堆肥二种。1．好氧堆肥法好氧堆肥法是在有氧的条件下，通过好氧微生物的作用使有机废弃物达到稳定化、转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法。堆肥的微生物学过程如下（1）发热阶段

堆肥堆制初期，主要由中温好氧的细菌和真菌，利用堆肥中容易分解的有机物，如淀粉、糖类等迅速增殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高。（2）高温阶段

堆肥温度上升到50℃以上，进入了高温阶段。由于温度上升和易分解的物质的减少，好热性的纤维素分解菌逐渐代替了中温微生物，这时堆肥中除残留的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化外，一些复杂的有机物如纤维素、半纤维素等也开始迅速分解（3）降温和腐熟保肥阶段

当高温持续一段时间以后，易于分解或较易分解的有机物（包括纤维素等）已大部分分解，剩下的是木质素等较难分解的有机物以及新形成的腐殖质。好热性微生物活动减弱，产热量减少，温度逐渐下降，中温性微生物又渐渐成为优势菌群，残余物质进一步分解，腐殖质继续不断地积累，堆肥进入了腐熟阶段。2．厌氧堆肥法

在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。堆肥方式与好氧堆肥法相同，但堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长。厌氧堆肥法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。一般厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次，以利于微生物活动使堆料腐熟三、卫生填埋法(sanitarylandfill)卫生填埋技术是利用天然山谷、低洼、石塘等凹地或平地，经防渗、排水、导气、拦挡、截洪等防护措施处理后，将垃圾分区按填埋单元进行堆放。

垃圾卫生填埋法实际上是运用各种天然屏障和工程屏障，尽可能将垃圾与生态环境相隔绝而实现填埋体内垃圾无害化。填埋单元是指一日一层(2.5-3.0m)的垃圾作业量。单元内垃圾层层压实，覆土20-30cm.在填埋体内，通过微生物的活动实现垃圾中有机物降解并产生沼气，同时产生垃圾渗滤液，直至垃圾达到稳定。一系列填埋单元构成一个填埋层，多个填埋层依次升高形成填埋体；填埋体每升高1层或2层在边坡形成一个台阶。台阶坡度一般为1:3。填埋体至最终设计标高后，最终覆盖0.8-1.0m厚的土壤进行压实封场。填埋体中通过微生物的活动推动有机物降解，使垃圾稳定。防渗、排水是指在填埋场底部构筑不透水的防水层、集水管、集水井等设施将产生的渗沥液收集排出并进行处理。导气是在填埋体中设置可渗透性排气或不可渗透阻挡层排气设施，将产生的填埋气体收集排出。填埋单元填埋层填埋体垃圾层防渗层覆盖层卫生填埋技术结构示意图卫生填埋法始于60年代，它是在传统的堆放基础上，从环境免受二次污染的角度出发而发展起来的一种较好的固体废弃物处理法，因此广为各国采用。卫生填埋的优点是工程造价和处理费用均较低，产生的沼气可回收利用；缺点是占地面积大，稳定时间长，产生的渗滤液浓度高、毒性大而较难处理。（一）填埋坑中微生物的活动过程1.好氧分解阶段随着垃圾填埋，垃圾孔隙中存在着大量空气也同样被埋入其中，因此开始阶段垃圾只是好氧分解，此阶段时间的长短取决于分解速度，可以由几天到几个月。好氧分解将填埋层中氧耗尽以后进入第二阶段。2.厌氧分解不产甲烷阶段在此阶段，微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌。当还原状态达到一定程度以后，才能产甲烷，还原状态的建立与环境因素有关，潮湿而温暖的填埋坑能迅速完成这一阶段而进入下一阶段.3.厌氧分解产甲烷阶段4.稳定产气阶段产甲烷菌是一类专性厌氧的古细菌。沼气发酵中主要的两类，即氧化氢的产甲烷菌和裂解乙酸的产甲烷菌，它们将上阶段生成的乙酸、H2、C02转化为CH4。此阶段甲烷气的产量逐渐增加，当坑内温度达到55℃左右时，便进入稳定产气阶段.此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。（二）填埋场渗沥水垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水，统称为填埋场渗沥水。渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类。渗沥水的数量取决于填埋场渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土壤等等为了防止渗沥水对地下水的污染，需在填埋场底部构筑不透水的防水层、集水管、集水井等设施将产生的渗沥水不断收集排出。对新产生的渗沥水，最好处理方法为厌氧、好氧生物处理；而对已稳定的填埋场渗沥水，由于已经历厌氧发酵，使其可生化的有机物的含量减少到最低点，再用生物处理其效果不明显，最好采用物理化学处理方法。渗沥水除采用传统方法进行处理外，在旱季或干旱地区可采用渗沥水再循环的方法，用于喷洒灌溉、地面流水灌溉等方法，使渗沥水被蒸发或被植物吸收。（三）填埋场气体收集垃圾填埋以后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氮气等气体。填埋场的产气量和成分与被分解的固体废物的种类有关，并随填埋年限而变化。填埋场气体一般含有40％-50％的二氧化碳和30％-40％的甲烷，以及其他各种气体。因此，填埋场的气体经过处理以后可以作为能源和资源加于利用。

四、焚烧处理技术

焚烧(incineration)是将垃圾进行人工检选、破碎、分选等预处理，然后进入焚烧炉，在800-1000℃高温下使垃圾转化为化学性质稳定的无害化灰渣。

焚烧工艺可使垃圾体积减少80％-95％，便于填埋处置，并能彻底消灭各种病原体。另外，通过焚烧工艺，可回收热资源。

垃圾焚烧的主要缺点是可产生有害气体，特别如剧毒物二恶英类化合物(在炉膛温度<800℃时会大量产生)，焚烧设备投资大，运转成本高。我国现有城市垃圾焚烧厂很少。

五、综合处理技术以上3种处理技术既可单独使用，也可作为综合处理技术组合使用。

垃圾处理应视为一个系统工程，微生物作用是其中的重要组成。第二节

废气的微生物处理废气的微生物处理是利用微生物的生物化学作用，使污染物分解，转化为无害或少害的物质。目前，微生物处理大气污染主要用来净化有机污染物，特别是脱除臭味。废气的微生物处理具有设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、无二次污染等优点，但不能回收利用污染物。废气(wastegas)主要来自燃料燃烧和工厂的各种排气。

美国“利用微生物处理废气”于1957年就获得专利，但到70年代才引起各国重视。到80年代，德国、日本、荷兰等国家已有相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。对于许多一般性的空气污染物，该项技术的控制效率已达到90％以上。在我国，这方面工作尚处于起步阶段，亟待研究开发。目前适合于用生物处理的废气主要是含有乙醇、硫醇、酚、甲酚、吲哚、脂肪酸、乙醛、酮、二氧化硫、氨和胺等污染组分的废气。通常某类微生物特别适合于某种污染物的处理**。废气的微生物处理的主要方法可分为生物吸收法、生物滴滤法和生物过滤法等一、微生物吸收法(bioscrubber)

微生物吸收法是利用由微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性的气态污染物。吸收了废气的微生物混合液再进行好氧处理，去除液体中吸收的污染物，经处理后的吸收液再重复使用。生物吸收法的工艺一般由废气吸收段和悬浮液再生段两部分组成，相应的装置为吸收设备（吸收器）和再生反应器（废水反应器）废气吸收段的工艺过程为废气从吸收设备下部进入，向上流动与由吸收设备顶部喷淋而下的生物悬浮液在填料层接触，使废气中的污染物和氧转入液相并被微生物所吸收。净化后的气体从上部排出。悬浮液再生段的工艺过程为吸收了废气污染物的生物悬浮液从再生反应器底部流入，通入空气充氧，污染物通过微生物的氧化作用从液相中除去，再生后的悬浮液又从吸收设备顶部喷淋，反复循环进行。再生反应器常采用活性污泥法或生物膜法。吸收过程进行很快，停留时间仅几秒钟，而再生过程较慢，停留时间为几分钟至十几小时，因此工艺是在两个独立单元中进行，达到各自的最佳运行状态。二、生物过滤法(biofilter)

生物滤池是研究最早且技术较成熟的处理方式，其处理废气的典型工艺流程如下图：微生物过滤箱

三、生物滴滤法(