有机固体废弃物处理微生物工程

主要内容1.有机固体废弃物的概述2.有机废弃物的堆肥处理技术3.有机固体废弃物厌氧消化技术4.固体废弃物卫生填埋技术有机固体废物:是指有机含量很高而含水量较低的固体废物1、动物粪便；2、作物残留；3、生物污泥4、食品生产废弃物；5、工业有机废弃物；6木材加工生产废弃物；7、生活垃圾有机固体废物组成废弃物无害化、资源化、减量化，变废为宝，净化环境简单堆放法围海造地法堆肥处置法焚烧处置法卫生填埋法第一节有机固体废弃物概述第二节有机固体废物的堆肥处理技术堆肥法：指在人工控制的条件下，利用微生物的生化作用将废弃物中的有机物质分解、腐熟并转化成肥料的微生物学过程；分好氧和厌氧堆肥。堆肥：深褐色、质地松散、有泥土味的物质。这种物质的养料价值不高，但却是一种极好的土壤调节剂和改良剂，其主要成分是腐殖质。一、好氧堆肥通气条件下借好氧性微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化的过程。特点：高温堆肥（一般在50-60℃，极限可达80-90℃）第二节有机固体废物的堆肥处理技术第二节有机固体废物的堆肥处理技术有机物+O2+微生物细胞物质（微生物生长）+腐殖质CO2、H2O、NH3、PO43-、NO2-、NO3-、SO42-+能量排入环境释放能量，转移为热好氧堆肥的有机物转化1、好氧堆肥的原理2、厌氧堆肥的原理厌氧堆肥是在缺氧条件下利用兼性和专性厌氧微生物进行的恶意中伤腐败发酵行为，将有机大分子降解为小分子有机酸、CO2、H2O、NH3、H2S、CH4等和腐殖质。第二节有机固体废物的堆肥处理技术有机固体废物+微生物细胞物质（微生物繁殖）有机酸、醇类、CO2NH3、H2S，能量细胞物质（微生物繁殖）CO2、CH4等，能量酸性发酵阶段（产酸阶段）碱性发酵阶段（产期阶段）二、堆肥的微生物过程（一）好氧堆肥的微生物学过程堆制升温高温降温腐熟1-2d50-60℃中温菌嗜热菌中温菌寄生虫和病原菌被杀死30-40℃第二节有机固体废物的堆肥处理技术中温好氧细菌、放线菌和真菌利用堆肥中最容易分解的可溶性物质迅速增殖，并释放出热量。50摄氏度进入高温阶段，此时发热中温菌受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物开始繁殖，温度进一步升高，复杂有机物开始强烈分解。70℃时，多数嗜热菌死或休眠，只有嗜热芽孢杆菌继续活动。发热阶段高温阶段降温和腐熟保肥阶段1.高温对堆肥快速腐熟其重要作用，此阶段开始出现腐殖质；2.高温有利于杀死病原生物微生物活性下降，热量减少，嗜中温菌优势生长，堆肥进入腐熟阶段第二节有机固体废物的堆肥处理技术有氧堆肥处理系统（二）厌氧堆肥的微生物学过程厌氧堆肥主要分成两个阶段1）酸性发酵阶段。产酸菌将大分子有机物降解为小分子有机物和醇类，并产生少量的能量。pH下降2）在分解后期，由于氨化作用氨的中和作用，pH开始逐渐上升，同事产甲烷菌开始分解有机酸和醇类。厌氧堆肥没有氧分子参与，产生能量减少，产甲烷，步骤多，速度慢，周期长。一、好氧堆肥的影响因素三堆肥处理技术的影响因素环境温度：有机质含量：20-80%为宜。太低，升温慢，太高，供氧不足（发臭）水分：50-60%为宜。过高，氧不足碳氮比：初始30-35：1为宜。过高，缺氮，周期长，过低，氮损失。碳磷比：75-150为宜。酸碱度：中性或弱碱性。通风供氧：动力供氧影响堆肥的因素（二）厌氧堆肥的影响因素1.原料配比：厌氧发酵的碳氮比以20-30为宜。2.温度：温度在一定范围内，越高产气量越大，能加速细菌的代谢。一般高温消化温度为55-60℃3.pH：甲烷菌生长最佳pH6.8-7.5.三堆肥处理技术的影响因素一、好氧堆肥系统可以分为：条垛式、通风静态垛式和发酵仓式立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒简仓式堆肥发酵仓箱式堆肥发酵池堆肥发酵装置四、好氧堆肥处理常用工艺5-8天完成一次发酵立式堆肥发酵塔卧式堆肥发酵滚筒箱式堆肥发酵池四、好氧堆肥处理常用工艺一、厌氧消化机理厌氧消化食(anaerobicdigestion)是在厌氧条件，有机废物通过厌氧微生物的代谢活动被分解转化，同时伴有CH4和CO2气体产生过程。第三节有机固体废弃物厌氧消化技术（略）一、卫生填埋的分类和优缺点卫生填埋法是在堆肥法的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物处理。分类：厌氧、好氧和准好氧方式优点：结构简单、操作方便、投资少可产甲烷缺点：分解速率慢第三节固体废弃物卫生填埋技术二、卫生填埋的微生物活动过程（一）填埋场反应器生态系统的特征1.层次结构明显2.微生物起主导作用3.是人工反应器生态系统4.极度不均匀性5.会产生环境污染物质第三节固体废弃物卫生填埋技术图卫生填埋场示意图第三节固体废弃物卫生填埋技术第三节固体废弃物卫生填埋技术填埋场生态系统（二）卫生填埋的微生物活动过程第一阶段—调整期。新填埋的生活垃圾夹带着水分和新鲜的空气，其中氧气容易水形成溶氧，好氧生物首先利用溶氧进行好氧代谢，首先发生的是易降解有机物的好氧分解过程。代谢过程需要多种酶的协同作用及微生物的共代谢作用，其过程十分复杂。在好氧代谢过程中，温度明显上升。初期温度的升高有利于微生物活性的增强，但温度升高也会降低氧溶解度。第二阶段—过渡期，随着好氧代谢的进行，填埋层中的溶解氧不断被消耗，好氧环境逐步向厌氧环境转变。兼性厌氧微生物代谢活动的产物，如挥发性有机酸在滤液中出现并开始增加。第三节固体废弃物卫生填埋技术第三阶段—产酸期。易降解天然多聚物如淀粉、蛋白质、脂肪等被胞外水解酶类催化水解成各自的单体。之后被产酸细菌吸收利用产生多种有机酸，例如，乙酸、丙酸、丁酸等是最常见的挥发性有机酸，另外还有乳酸、乙醇等，这导致了pH下降。第四阶段—甲烷发酵阶段。主要特征是大量生产CH4，并帮随着H2S的产生；氨基酸的脱氨作用导致NH3的增加，这引起pH回升至7.0左右。第五阶段—稳定期。此时易于利用的营养物质已基本耗尽，生物活性相对静止。第三节固体废弃物卫生填埋技术第12章废气污染控制微生物工程废气主要来源人类生产及生活中的燃料燃烧生产活动，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废气。废气微生物处理原理生物法净化处理废弃的三个阶段1.气液转化，废气中的污染物与水接触并溶解，即由气模扩散到液膜；2.生物吸附、吸收。溶解于液膜的污染物由于浓度差推动扩散到生物膜，然后被其中的微生物捕获并吸收3.生物降解。微生物对污染物进行氧化分解和同化作用，污染物被作为能源和营养物质分解，最终转化成为无害的化合物。同时，生化反应的气态产物脱离生物膜，逆向扩散。水吸收有机成分简单无机物微生物吸附降解生物法净化工业废气的过程净化后气体有机废气参与废气处理的微生物处理废气的微生物自养型微生物异养型微生物以CO2、CO32-等无机碳为碳源以NH4+、H2S、Fe2+作为电子供体自养型微生物适合进行无机物转化；适合浓度不高的脱臭场合除去NH3和H2S以有机物作为碳源和能源，适宜于有机物的分解转化废气的处理废气处理是环境污染控制的一个重要方面。废气处理方法：理化法：目前主要采用的方法，如燃烧、吸附、吸收和还原等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。废气的微生物处理1957年在美国获得专利，1970年代引起重视，1980年代德国、日本、荷兰等国工业规模各类生物净化装置投入运行。废气生物反应器处理对许多一般性的空气污染物的去除率可达到90％以上。第二节废气生物处理典型工艺废气生物处理的特点废气或尾气(wastegas，off-gas)在生物反应器内进行。挥发性有机化合物(volatileorganiccompounds，VOCs)以及其它有毒或有臭味的气体，如NH3和H2S等。化工、制药等行业产生的有害污染物(hazardousairpollutants，HAPs)以及堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭(odor)等。去除效率高空气污染物去除效率超过90％。投资少，运行费用低不需要投入额外的化学品;化学法需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。污染少产物为生物量，易处理。耗能低常温常压下进行，微生物利用VOCs产生能量。消耗的动力只是污染气体进入处理系统时所消耗的能量(正压送风或负压引风)。废气生物处理的特点水溶性强向介质表面微生物膜扩散速率高；主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。易降解容易降解，否则将导致污染物浓度增高，毒害生物膜或影响传质，降低生物滤器效率，或使处理完全失败。适宜处理的污染气体应具有的特点：二、废气生物处理的基本形式根据介质性质不同，分为：生物洗涤(bioscrubbing)生物洗涤器(bioscrubber)内是液态介质生物滤过(biofiltration)生物滤过采用是固态介质生物滤池(biofilters)生物滴滤池(biotricklingfilters)1．生物滤池生物滤池内的固态介质是一些天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。微生物滤池适用于处理肉类加工厂、养殖场、污水处理厂和堆肥厂等处产生的废气。特点是浓度不高，带有强烈臭味。滤料选择堆肥筛选，滤层均匀、疏松，空隙率>40％滤料保持湿润，滤层含水量不低于40％，但不能有积水。滤层保持适当的温度。土壤腐殖土，厚度不小于50cm，土壤水分40％~70％，草炭通气良好，除臭效果好。2．生物滴滤池生物滴滤池由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。废气经预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。滤料使用陶瓷、塑料等人工材料，颗粒状或有空隙的材料，床层厚度0.5~1.0m。优点：滤料重量轻、空隙大、表面积大、废气和介质接触时间短(几秒钟)，处理效率高，滤料不需更换。处理的浓度100mg/m3~5g/m3，流量5~50000m3/h。应用微生物过滤床已成功地用于化工厂、食品厂、污水泵站等方面的废气净化和脱臭。污染物包括硫化氢、二硫化碳、苯乙烯、甲苯、丙烷、异丁烷、苯酚、乙醇、四氢呋喃、环已酮、甲基乙基甲酮等。3．生物洗涤生物洗涤装置洗涤器生物反应器两部分组成吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程很快，停留时间约几秒钟；生物反应器中可进行好氧处理，活性污泥法和生物膜法，停留几分钟至十几小时。生物洗涤装置循环废水的利用可以直接进入吸收器重复使用；经过泥水分离后再重复使用。吸收液组成：微生物、营养物和水；适合处理水溶性强的气态污染物，如醇类、酯类、醛类和酮类等。污水处理厂剩余活性污泥配制混合液作为吸收剂可用于处理复合型臭气，特别能脱除很难治理的焦臭。德国开发一套二级洗涤装置，臭气浓度由1.110-3降低至510-5，并且抗冲击负荷。五、废气生物处理的基本条件主要有水分，养分、温度、氧气(有氧或无氧)以及酸碱度等。1．水分微生物生命活动的必要成分；吸收废气的溶剂。采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适宜的水分含量可保证氧与水分的供给。50％~70％为适宜的含水量。通常预处理需要加湿，防止滤料变干。2．养分废气可为微生物提供一定的养分，VOCs可以提供碳源和能源，但是需要适当补足其它养分。不同的处理工艺对养分控制有差异，例如生物滴滤池补充营养盐十分重要，但是堆肥生物滤池补给营养盐的次数可以减少，一年补给二次即可。3．温度废气生物处理多用中温条件(25～35℃)，少用高温。土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温措施。4．氧气废气处理多用异养型好氧微生物；氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统的氧气。5、酸碱度以中性或微碱性为宜。废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较特殊，例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.6~2.8，最低为pH1.0，最高为pH4.0~6.0。第三节微生物处理在大气污染治理中的应用一、微生物烟气脱硫技术（一）微生物烟气脱硫机理微生物参与自然界硫循环的各个过程，并从中或得能量，可以利用微生物的这一特点进行烟气脱硫；特点：不需要高温、高压及催化剂，均为常温常压下操作，操作费用低，设备简单，营养要求低，无二次污染。1.微生物间接氧化在有氧条件下，通过脱硫微生物的间接氧化作用，将烟气中的SO2氧化成硫酸，微生物从中获取能量。SO2SO2-O22O2-SO2-+O2SO32-3SO32-+O2+2H2O3SO42-+2H++能量一、微生物烟气脱硫技术2.异化硫酸盐还原硫酸盐还原菌等微生物利用有机物作为电子供体，以亚硫酸盐和硫酸盐作为最终电子受体并将其还原为硫化物，这一过程称为异化硫酸盐还原。生成的H2S等硫化物可作为硫杆菌和光合细菌的电子的电子供体，在这些自养菌体内被氧化为元素硫和硫酸盐。2SO2+O2+H2O4H++2SO42-2CH3CHOHCOO-+SO42-2CH3COO-+2CO2+S2-+2H2O3.微生物和铁离子体系共同催化氧化自然界中一些微生物如氧化硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌等可以在酸性条件下快速将Fe2+氧化成Fe3+、将SO32-氧化成SO42-。2SO2+O2+2H2O2H2SO4Fe（SO4)3+SO2+2H2O2FeSO4+2H2SO4一、微生物烟气脱硫技术（二）参与烟气脱硫的微生物（略）（三）微生物烟气脱硫的主要方法和工艺连续发酵法溶解SO2生物去除法固定化细胞生物法化学-生物处理法铁离子催化法一、微生物烟气脱硫技术