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1、第十一章有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落,第一节 有机固体废物的微生物处理及其微生物群落第二节 废气的生物处理,第一节有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落有机固体废弃物类型：厨余、废纸、废塑料袋、瓶、破布,表 11-1 上海某区生活垃圾组成,第十一章有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落,有机固体废弃物的危害：侵占土地污染土壤、水体、大气影响环境卫生资源浪费处理方法：堆肥法填埋法焚烧法,处理方法：,填埋法（生物法）卫生填埋是垃圾处理必不可少的最终处理手段之一，也是现阶段我国垃圾处理的主要方式。属于生物方法。堆肥法（生物法）适用范围：适用于可生物降解的有机物含量大于40
2、%的垃圾。国家鼓励在垃圾分类收集的基础上进行高温堆肥处理。属于生物处理方法。焚烧法（物理法）适用范围：适用于进炉垃圾平均低位热值高于5000kJ/kg、卫生填埋场地缺乏和经济发达的地区。有毒、有病菌物品。医院临床废物宜建设专用焚烧设施进行处置。,一、堆肥法,（一）堆肥法、堆肥化和堆肥的概念堆肥法（方法）：一种古老的微生物处理有机固体废弃物的方法。俗称“堆肥”。农村将秸杆、落叶、禽畜粪便和尿一起用土坑堆集，依靠现存其上的微生物和土壤微生物发酵腐熟后施农田。其产品即称堆肥。后来堆肥法被用来处理城市的生活垃圾，延至处理城市所有的有机固体废弃物。,堆肥化（过程）：,堆肥化是依靠自然界广泛分布的细菌、放
3、线菌和真菌等微生物，有控制地促进可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（产品）：堆肥是堆肥法和堆肥化的产品。堆肥是优质的土壤改良剂和农肥。,发酵腐熟的目的：,复杂大分子有机物通过微生物降解，更有利于植物根系的吸收。避免腐熟过程中产热（7080），烧根。高温杀死病源菌、寄生虫卵。是优质有机肥，有利改良土壤结构，使土壤不板结。,（二）好氧堆肥,目前好氧堆肥处理的物料：垃圾；垃圾和粪水；垃圾和脱水污泥；脱水污泥。垃圾的化学组分主要是纤维素、半纤维素、糖类、脂肪和蛋白质等。它的理化性质列表11-2，随季节改变，其组分会变化。,表 112 垃圾的理化性质(所测的数值为占有机和无机成分的
4、百分比),表 113 粪水的理化性质,表 114 污水处理厂脱水污泥组成与特征,1.好氧堆肥原理,好氧堆肥是在通气条件下，好氧微生物分解大分子有机固体废弃物为小分子有机物，部分有机物被矿化成无机物。最终有机固体废弃物完全腐熟成稳定的腐殖质。,分解,好 氧 堆 肥 生 产 车 间,堆肥发酵 堆肥及翻堆机,好 氧 堆 肥 中 试 过 程,污泥堆肥成品供应给园林所栽培植物试验用 已腐熟堆肥,脱水污泥 1.脱水污泥 2.已腐熟堆肥 高效菌（HEM）,1,2,发酵车间全貌 堆肥待出料 堆肥正在出料,2.好氧堆肥发酵微生物,好氧堆肥发酵微生物有：,微生物在堆肥中的作用与演替:通常，参与好氧堆肥的微生物是附
5、着在垃圾上的本底微生物。堆肥发酵是分批进行，每一批垃圾上附着的微生物数量有限，而且每一批的数量都不一样,冬季垃圾本底微生物更少。,2.好氧堆肥发酵微生物,发酵初期：中温好氧的细菌和真菌。分解碳水化合物、蛋白质、脂肪，放热。温度升至50：好热性细菌、放线菌、真菌。分解纤维素、半纤维素，放热。温度升至60：真菌停止活动，由好热的细菌、放线菌分解纤维素、半纤维素。温度升至70：致病菌、虫卵被杀死，一般的嗜热高温细菌和放线菌也停止活动，堆肥腐熟稳定。降温阶段：此时嗜温菌再度占优势，使残留难降解有机物进一步分解，腐殖质不断增多，且趋于稳定，堆肥进入腐熟阶段。,3.有机堆肥好氧分解要求的条件,a、C:N比
6、：25:130:1发酵最好 b、湿度：30时45%（含水量）；45 时50%（含水量）。c、氧充分：通气量 0.050.2m3/min.m3 d、保证一定数量的N、P，可加快堆肥速率。增加成品肥力。e、温度：嗜温菌最适3040，嗜热菌5560，57d能达卫生无害化。f、pH值：5.58.5 g、发酵周期：7d左右（现代化堆肥）。原始露天堆肥：有氧堆肥，成熟期一个月，厌氧堆肥需5个月左右。,4.好氧堆肥的优点,好氧堆肥分解有机物快，产热量大，堆肥升温快而能保持高温时间长，可有效杀死致病微生物和虫卵。腐熟速率快，腐熟程度高。除臭效果好,异臭物质如氨、硫化氢和硫醇在好氧条件下转化为无臭味的氧化物NO
7、3-和SO42-，堆肥成品无臭味。肥效好，达到城镇垃圾农用控制标准值，见表11-5。发酵周期短，一次和二次发酵时间20d左右，堆肥基本稳定。,表11-5 垃圾堆肥成品肥效测定结果（2003年中试结果）,5.好氧堆肥工艺,静态堆肥工艺 高温动态二次堆肥工艺 立仓式堆肥工艺 滚筒式堆肥工艺等,好氧堆肥工艺,特点：工艺简单，设备少，处理成本低。发酵周期50d。操作条件差。用人工翻动，第2、7、12d各翻动一次。在以后35d的腐熟阶段每周翻动一次。在翻动的同时可喷洒适量水以补充蒸发的水分。,图 11-2 条状堆肥示意图,(1)静态堆肥工艺,(2)高温动态二次堆肥工艺,分两个阶段：初发酵（动态）：前57
8、d为动态发酵，机械搅拌，通入充足空气,好氧菌活性强，温度高，快速分解有机物。发酵7d绝大部分致病菌死亡。静态二次发酵：7d后用皮带将发酵半成品输送到另一车间进行静态二次发酵，垃圾进一步降解稳定，2025d完全腐熟。,图11-3 高温动态二次堆肥工艺 吊车 2.抛料翻堆机 3.进料皮带运输机 4.供气管 5.出料皮带运输机,(3)立仓式堆肥工艺：,立式发酵仓高1015m，分隔六格。经分选、破碎后的垃圾由皮带输送至仓顶一格，受自重力和栅板的控制，逐日下降至下一格。一周全下降至底部，出料运送到二次发酵车间继续发酵使之腐熟稳定。从顶部至以下五格均通入空气，从顶部补充适量水，温度高，发酵极迅速，24h温
9、度上升到50以上，70可维持3d。之后温度逐渐下降。优点：占地少，升温快，垃圾分解彻底，运行费用低。缺点：水分分布不均匀。,图 11-4 立仓式堆肥工艺简图,(4)滚筒式堆肥工艺,滚筒式堆肥工艺称“达诺”生物稳定法。滚筒直径24m，长度1530m，滚筒转速0.42.0r/min。滚筒横卧稍倾斜。经分选、粉碎的垃圾送入滚筒，旋转滚筒垃圾随着翻动并向滚筒尾部移动。在旋转过程中完成有机物生物降解、升温、杀菌等过程。57d出料。,图 11-5 滚筒堆肥工艺简图,以上的处理方法处理量大，如果管理不善，其渗滤液可能污染土壤和地下水。,（三）社区小型化微生物有机垃圾处理装置,小型化有机垃圾微生物处理装置是新
10、型的生活垃圾处理方法。日本研究和应用较早，生产了供社区使用的和家庭使用的生活垃圾处理装置和特效的微生物菌种。近10年来，我国也在研究，在上海除有引进日本的处理装置外，还研制了日处理量0.1t、0.2 t、0.5t、1t和2t等规格的有机垃圾微生物处理机。筛选、培养出具有高效分解性能的微生物菌种，为全自动处理装置。意义：在社区使用小型有机垃圾微生物处理装置可及时将居民的生活垃圾在源头就被彻底分解，无害化，有利环境保护，并制造有机肥料。这是一种有前途的装置，环境效益大，但投资成本高。,小型化有机垃圾微生物处理装置是好氧装置，一般有两部分：前一部分由好氧微生物和兼性好氧微生物降解各种有机物，并部分无
11、机化。第二部分是高温燃烧除臭装置。整个工艺历时24h，完成垃圾发酵和稳定化的过程。高性能的微生物处理装置是将两部分功能集合在一个装置中，利用多种分解功能的微生物和除臭微生物合理组合，自动调节，24h完成两种功能，垃圾腐熟稳定化。对投入的垃圾在1224h内可减量95。,微生物菌种,有机垃圾微生物处理装置所用的菌种都是经人工筛选、培育的多种高效生理功能的微生物。混合微生物群体:分解糖类、蛋白质、脂肪、骨头、蟹壳、蛋壳等。氨化微生物:将氨基酸的氨基脱下。亚硝化细菌:氧化氨为亚硝酸盐。硝化细菌:氧化亚硝酸盐为硝酸盐。氧化硫细菌:将H2S氧化为硫酸盐。亚硝化细菌、硝化细菌和硫细菌是属除臭细菌，由嗜温菌和
12、嗜热菌组合。生产用的菌种都由开发商提供。菌种一次投入可使用36个月，半年清料一次，留少量腐熟物，再添加少量菌种继续发酵。半年后清料，重新投加新菌种。,(四)厌氧堆肥,厌氧堆肥的原理和废水厌氧消化原理相同。不同的是：废水厌氧消化是液体发酵，厌氧堆肥是固体发酵，其发酵过程如下所示：有机物质+厌氧菌+二氧化碳+水甲烷+氨+脂肪酸+乙醛+硫醇+硫化氢 有机固体废物经分选和粉碎以后，进入厌氧处理装置，在兼性厌氧微生物和厌氧微生物的水解酶作用下，将大分子降解为小分子的有机酸、腐殖质和CH4、CO2、NH3、H2S等。厌氧堆肥的产甲烷过程与废水甲烷发酵一致，也分三个阶段。,厌氧分解后的产物中含许多喜热细菌和
13、对环境造成严重的污染的物质，其中含有脂肪酸、氨、乙醛、硫醇（酒味）、硫化氢等有害混合物。还需要有除臭装置加除臭细菌将有害物质去除。参与厌氧堆肥的微生物有兼性厌氧的水解产酸菌和厌氧的产甲烷菌，厌氧脱氨、脱硫菌等。由于有机物分解不彻底，其产热量比好氧发酵的低。因此堆肥的温度最高在5060。,二、垃圾和脱水污泥卫生填埋及其渗滤液处置,原理：与废水厌氧消化原理相同。方法：（）选址：市郊（）铺底：用水泥层或聚乙稀塑料膜铺底，以防止渗滤液渗漏到地下水。（）底部铺设渗滤液收集管，以便排放到渗滤液处理场处理。（）将有机固体废弃物一层一层倒入填埋场，压实。（）设排气管：按一定路径铺设排气管，以收集甲烷气体。,进
14、场公路,调蓄池,垃圾坝,环场道路,污水处理厂,生活管理区,填埋库区,分区坝,填埋作业道路,城市生活垃圾污染治理工程示范,长生桥卫生填埋场,渗滤液,渗滤液,垃圾填埋场内的渗滤液主要有三个来源：一是外来水分，包括大气降水、地表水和渗入的地下水；二是垃圾受到挤压后部分初始含水的释放；三是垃圾降解过程中大量的有机物在厌氧及兼氧微生物的作用下转化为水、二氧化碳、甲烷等所释放的内源水渗滤液的化学组分复杂，含有大量有机酸，氨氮含量高，还含有重金属，用厌氧缺氧好氧生物处理方法综合处理，最后用化学混凝剂混凝、沉淀后再排放到水体，净化程度较高。,第二节废气的生物处理,1.来源：各类化工厂、发电厂、垃圾焚烧厂、汽车
15、尾气恶臭污染源废气：NH3、H2S、甲硫醇（MM）、二甲基硫醚（DMS）、二甲基二硫醚（DMDS）、二甲基亚矾（DMSO）、二硫化碳（CS2）、SO2。,2.危害,废气中含有许多有毒的污染物，散发挥发性有机污染“三致”物，还有恶臭，强刺激、强腐蚀及易燃、易爆的组分，导致空气污染。,3.处理方法,物理方法：吸附、吸收化学方法：氧化、等离子体转化 植物净化法：吸收和转化大气中的污染物、CO2生物净化法方法：先将气态物质溶于水 后，再用微生物法处理。微生物净化法补加营养：生物吸收池 生物洗涤池 生物滴滤池 生物过滤池,净化气态污染物的装置,图11-6 生物吸收法工艺流程示意图,图11-7 生物滴滤池
16、法工艺流程示意图,废气生物处理主要适用于去除异味气体和含VOCs浓度较低的废气，其中TOC（总有机碳）95%；废气组分易溶于水，易生物降解。生物滤池工艺对气味和易溶性有机气体去除效率较高，而生物洗涤池能够用于生物降解性较差的VOCs废气处理。,生物过滤池示意图,生物洗涤池工艺流程示意图,二、几种典型废气的微生物处理方法,1.氧化硫的细菌代谢途径（1）含硫恶臭污染物：有H2S、甲硫醇(MM)、二甲基硫醚(DMS)、二甲基二硫醚(DMDS)和二甲基亚砜(DMSO,CH3OSCH3)。二甲基亚砜(DMSO)、二甲基二硫醚(DMDS)、二甲基硫醚(DMS)的微生物的代谢途径见图11-8,9,10。,（
17、一）含硫恶臭污染物的净化,图 11-8 生丝微菌属（Hyphomicrobium）S对DMSO(二甲基亚砜)的代谢途径生丝微菌属对DMSO代谢的结果是产生H2SO4和CO2。,(二甲基硫醚),(二甲基亚砜),(甲硫醇),(甲醛),（甲酸）,（2）生丝微菌属对DMSO代谢：DMSO代谢的结果是产生H2SO4和CO2，而其中间代谢产物HCHO经丝氨酸途径同化、合成细胞物质。,自养性的硫杆菌属(Thiobacillus)和甲基型的生丝微菌属(Hyphomicrobium)与一般硫化细菌的代谢一致。,图 11-10 硫杆菌属（Thiobacillus）ASN-1对DMS的代谢,图 11-9 排硫硫杆菌
18、（Thiobacillus thioparus）E6对DMDS的代谢,1.氧化硫的细菌代谢途径,（3）黄单胞菌属(Xanthomonas)DY44对硫的代谢独特，它氧化H2S和甲硫醇(MM)不形成S或SO42，而是形成类似于硫的聚合物。（4）食酸假单胞菌（Pseudomonas acidovorance）只氧化DMS（二甲基硫醚）为DMSO（二甲基亚砜）就不再继续氧化。（5）硫杆菌属(Thiobacillus)既能氧化上述恶臭硫化物，也能氧化S0、S2O32和S4O62。（6）排硫硫杆菌E6菌株氧化DMDS（二甲基二硫醚）为H2SO4和CO2。,1.氧化硫的细菌代谢途径,（7）硫杆菌属ASN1
19、菌株氧化DMS，能利用NO2和NO3作最终电子受体，依靠钴胺酰胺(X)(甲基携带剂)引发的甲基转移反应而被氧化为HCOOH和H2S。（8）排硫硫杆菌TKm菌株氧化CS2经COS和H2S，进而氧化为H2SO4和CO2。（9）氧化硫硫杆菌氧化H2S、S0、S2O32和S4O62为H2SO4。几种恶臭硫化物生物氧化活性的顺序是：H2S 甲硫醇 二甲基二硫醚 二甲基硫醚,氧化恶臭硫化物的细菌列于表11-6。,2.运行操作条件 pH为6.57.5，温度2535，平均30。相对湿度95以上，空气流速500 m3/h。,(二)废气中CO2、CH4和NH3净化,CO2大量排入大气会引起“温室效应”，整个地球的
20、气候异常，温度普遍升高。气温变化无常，对农业威胁最大，天灾增多。据报道：大量CH4和NH3排放入大气也会引起“温室效应”。必须处理废气中的CO2、CH4和NH3。NH3与CO2混合处理：单纯含NH3或单纯含CO2的废气可混合在一起处理，调节两者的比例用硝化细菌处理。首先将NH3溶于水成NH4N，再通入生物滴滤池。同时按亚硝化细菌和硝化细菌要求的CN通入CO2和无机营养盐，再通入空气，即可运行处理。亚硝化细菌和硝化细菌将NH4氧化成NO2-和NO3-，同化CO2合成细胞物质。CH4与NH3协同处理：甲烷（CH4）可和氨气（NH3）溶于水用氧化甲烷菌、亚硝化细菌和硝化细菌协同处理。,CO2的净化处
21、理：净化CO2除需大力加强绿化、保护森林外，还可筛选对人类无害的、有经济价值的藻类同化CO2。日本利用能合成谷氨酸的海藻在光照下进行光合作用，吸收海水中的无机元素，对水光解产H2，用以还原CO2合成谷氨酸。其培养液经过滤除藻体，滤液中含谷氨酸钠，经蒸发获得谷氨酸钠结晶，即调味品味精。藻类种类很多，可开发其他藻类资源，合成更多有经济价值的产品。藻类处理CO2最主要的问题是阳光。必须保证一定的光强度和光照均匀度。日本有人利用光纤作提高光强度和均匀度的材料，在每条光纤的表面挖几千个凹槽，使光从侧面发出，顶部设一面反光镜，将底部发出的光反射回底部，这样整个设备光照很均匀。,(三)废气中挥发性有机污染物
22、的生物处理,废气中挥发性有机污染物包括：苯及其衍生物、酚及其衍生物、醇类、醛类、酮类、脂肪酸等。挥发性有机污染物中有许多是“三致物”，净化此类污染物受到人们的重视，成为目前研究的热点。备设：挥发性有机污染物的处理设备用的较多的是生物滴滤池法。（1）工艺流程：如图11-7。废气先经除尘、负荷调节、温度调节和湿度调节后，再进生物滴滤池处理。（2）微生物菌种：据报道，降解挥发性有机污染物的微生物有细菌、放线菌和真菌。处理苯系有机污染物的细菌是黄杆菌属(Flavobacterium)、假单胞菌属(Pseudomonas)和芽孢杆菌属(Bacillus)。,表11-7 微生物对不同废气成分的降解能力,（3）微生物对各种挥发性气体的降解能力,在处理各种化工废气时，要根据各种废气组成和特性，选择合适的处理工艺和设备，才能取得相应的好效果。表11-7可作参考。,（4）运行条件：温度2535；pH=78；湿度为4060，有的控制在95以上；营养物的CNP200101，有的按CNP10051供给营养；气体流速：500m3/h以下。据报道，处理负荷为70m3苯乙烯废气/m3(填料)h，停留时间30s,苯乙烯的去除效果为96。,
