固體廢物的生物處理

城市生活垃圾1995年己超過1億t，每年增長10％(全世界平均年增長速度8.42％)。無害化處理的不足10％。污水處理廠幹污泥每年產(chǎn)生約2×105t，以濕污泥計約為(38~50)

l05t，且以每年20％的速度增長。農(nóng)業(yè)廢棄物作物秸稈、草木枝葉、人和畜禽糞便等。作物秸稈每年產(chǎn)量約（5~6)

l08t。（薪柴、就地焚燒）集約化畜禽生產(chǎn)，糞便年排放量約18.8×108t。1、城市固體有機廢棄物現(xiàn)狀2、固體有機廢物的處理和處置原則資源化、無害化和減量化資源化有機固體廢物被稱為“放錯地點的原料”，為“二次資源”或“再生資源”，可用於生產(chǎn)生物能源、生物肥料和飼料。無害化殺滅或去除固體廢棄物中的病原菌、害蟲和寄生蟲（害蟲和寄生蟲卵）、雜草種子和有害化學物質(zhì)，處置過程需符合國家的無害化標準。

減量化經(jīng)過最終處理、處置的部分能減量到最少的程度。Mushrooms(Agaricusbisporus)growingincompost3、處理有機固體廢物的方法主要有堆制法、厭氧消化法、填埋法和焚燒法處理方法類型應用堆制法、厭氧消化法和填埋法生物處理法處理可生物降解的有機固體廢物焚燒法化學處理法處理不可隨意排放的危險性廢物以及生活垃圾等IncineratorDiagram第一節(jié)堆制處理一、堆制的概念及其優(yōu)缺點1、堆制(Composting)的概念堆制處理是利用多種微生物人為地促進生物來源的有機廢物好氧分解和穩(wěn)定化的過程。有機質(zhì)無機物、礦物質(zhì)+腐殖質(zhì)+能量微生物堆制處理後，產(chǎn)物中含豐富的氮、磷營養(yǎng)物質(zhì)和有機物質(zhì)，故稱為堆肥(Compost)。好氧堆制定義的含義原料為可生物降解廢物，固體或半固體；人工控制下進行；多種微生物聯(lián)合作用實現(xiàn)，不同階段，不同的微生物起主導作用。堆制過程好氧、放熱，為穩(wěn)定化過程；能殺死病原菌和寄生蟲和害蟲卵，達到無害化、安全性；4、堆制處理的優(yōu)點有機廢物分解並達到穩(wěn)定化易腐敗的有機廢物和有毒廢物被轉(zhuǎn)化為比較穩(wěn)定的物質(zhì)，體積大大縮小(40％~60％幹有機質(zhì)被分解)，便於處置和運輸。有毒化學品(如農(nóng)藥)形成腐殖質(zhì)，消除毒性。幹化作用人糞尿、動物糞便和污泥含水達80％~95％，經(jīng)過堆制處理，大大降低其含水率。殺滅有害生物堆制過程釋放大量熱能，堆溫較高。據(jù)測定，60~70℃維持3d，可使脊髓灰質(zhì)炎病毒、病原細菌和蛔蟲卵失活。堆溫50~60℃，持續(xù)6~7d，即可殺滅病原和蟲卵。堆肥是植物良好的肥料和土壤改良劑4、堆制處理的優(yōu)點5、堆肥處理存在的問題堆肥品質(zhì)不易穩(wěn)定；原料來源不同、隨季節(jié)變化，給標準化處理帶來困難；物料溫度不均勻；受社會、文化、經(jīng)濟因素的影響；二、好氧堆制的微生物學過程1、微生物學過程及特點根據(jù)溫度變化和微生物生長情況，分為潛育期、中溫期、高溫期、腐熟期四個時期潛育期(latentphase)物料中帶入的微生物剛進入一個新環(huán)境後的一段調(diào)整適應時期。在該時期，微生物基本上不生長繁殖，堆溫基本上沒變化。中溫期(mesophilicphase)中溫型好氧微生物為主，大量生長繁殖，最常見的是無芽孢細菌、芽孢細菌和黴菌等；分解易降解的有機物(如簡單糖類、澱粉、蛋白質(zhì)等)，產(chǎn)生大量熱能，堆溫不斷升高，直至達到50℃左右，這一過程也稱升溫期，或稱發(fā)熱階段。高溫期(thermophilicphase)中溫期後期，溫度上升至65~70℃甚至更高，即進入高溫期。是有機質(zhì)的分解和有害生物的殺滅最有效的時期。腐殖化過程；高溫型好氧微生物成為優(yōu)勢種。主要是好熱性細菌、放線菌和真菌的一些種群；殺滅病原生物，50~60℃持續(xù)6~7d，可有效殺滅蟲卵和病原菌。Compostingpile腐熟期(maturationphase,curingphase)腐熟期內(nèi)，中溫型微生物又成為優(yōu)勢微生物類型。殘餘有機物被分解，腐殖質(zhì)不斷積累，堆制處理進入。有機質(zhì)的分解量較小，過程較緩慢，有利於腐殖化。一些複雜的有機質(zhì)與鐵、鈣、氮等物質(zhì)相結(jié)合形成腐殖質(zhì)膠體(humiccolloids)，完成了有機質(zhì)的分解和再合成過程。堆溫回復到40℃左右時，表示物料已基本達到穩(wěn)定，基本達到腐熟的程度，可以便用或用於配製複合肥料的原料。2、腐熟堆肥的特徵表面呈白色或灰白色，內(nèi)部呈黑褐色或棕黑色：秸稈和糞塊等完全腐熟，質(zhì)地鬆軟，無糞臭，散發(fā)出泥土氣味，不招引蚊蠅；pH8-9，呈弱鹼性。三、堆制過程中的生物及其演替1．一般規(guī)律參與的主要是微生物，包括：細菌(含放線菌)真菌原生動物等類群一些無脊椎動物如線蟲、蚯蚓、蟎類等。微生物群落的變化規(guī)律50℃左右，高溫菌出現(xiàn)，嗜熱性真菌和細菌(放線菌)為主。堆溫60℃時，真菌幾乎完全停止活動，嗜熱性放線菌與細菌繼續(xù)活動。高溫細菌主要是芽孢細菌屬、高溫放線菌屬。中溫型細菌(含放線菌)和真菌首先起作用，嗜熱脂肪芽孢桿菌StreptomycesandThermomonosporaisolatedfromcompostThermomonosporaformosensistypestrain煙麯黴

AspergillusfumigatusAdissolvingcellulosefibre-ClostridiumthermocellumbacteriabarelyvisiblecelostructureSchematicalpresentationofthecellulosomeofClostridiumthermocellum:CipAproteinisdrawningreen,catalyticalcomponentsinorange,cell-wallbindingcomponentsinblue,thebacterialcellinbrownandthecellulosemicrofibrilinblack.TheS-layerispunctuated.Thecohesinmodulesarenumbered1to9.Thebindingoftheenzymestospecificpositions(cohesins)ishypothetical,asisthelinearorientationofthescaffoldin.Thescaffoldins(CipA)boundtoOlpBareonlysketchedpartially.Allcellulosomecomponentsarenotdrawntoscale.白地黴

Geotrichumcandidum65~70℃時，大多數(shù)嗜熱性微生物也無法生活，或死亡，或休眠。最後，溫度下降，放線菌重新定殖成為優(yōu)勢菌群，堆肥表面呈現(xiàn)白色或灰色。蛋白質(zhì)分解產(chǎn)生的氨轉(zhuǎn)化為硝酸鹽的過程主要在腐熟期進行。堆制過程中的食物鏈第一級消費者是細菌、放線菌和真菌，其中以細菌數(shù)量最多分解最快，放線菌在易降解物質(zhì)下降水分減少時更為顯著，真菌更耐低水分、低pH和低氧條件，容易降解木質(zhì)材料和難降解材料。堆制過程中的食物鏈第二級消費者是蟎類、甲蟲幼蟲、線蟲、原生動物和輪蟲等，它們以第一級消費者為食。第三級消費者是蜈蚣、隱翅蟲和螞蟻等，它們捕食第二級消費者。2．特殊規(guī)律農(nóng)業(yè)廢物以植物殘體為主，堆制過程中的微生物相：細菌、真菌→纖維分解菌→放線菌→能分解本質(zhì)素的微生物城市污水處理廠剩餘污泥、城市生活垃圾堆制過程中，厭氧菌和脫氮菌很多。細菌與放線菌數(shù)量之比可作為堆肥腐熟的指標之一。堆制時間好氣細菌與放線菌數(shù)量之比堆制前8030d後3560d後30四、影響堆制過程的因素影響堆制過程的因素有物料的有機質(zhì)含量、營養(yǎng)平衡、通氣量、水分、溫度和粒徑等。有機質(zhì)含量靜態(tài)發(fā)酵工藝，物料含20％~40％有機質(zhì)為宜有機成分>60％，採用動態(tài)發(fā)酵工藝；2、營養(yǎng)平衡碳氮比(C/N)是營養(yǎng)平衡最重要的參數(shù)之一。

物料最佳的C/N為25~35之間為宜，物料C/N>35，會延長堆制的時間。原料C/N<5，氮素會轉(zhuǎn)化為氨逸出，特別是在高溫、高pH值和強制通氣的情況下氮的逸失更為嚴重。

碳磷比(C/P)也很重要。適宜的C/P為75~l00。原污泥的C/P低，需和其他原料配合。

C/N和堆制時間之間關(guān)係初始C/N堆制時間2012d20~2514d7821d美國加州大學試驗結(jié)果含碳率計算公式(誤差為2％~10％)關(guān)係式：含碳率(％)＝[100-灰分(％)]/1.8灰分％系指經(jīng)550℃燃燒比所剩的物質(zhì)占幹重的百分率。堆制過程中，物料的C/N逐漸降低。腐熟堆肥的適宜C/N應為10~20。3、通氣量通氧的作用充氧，調(diào)節(jié)堆溫和排除過多的水分的作用。通氧方式：人工或機械進行間隙或連續(xù)翻料；在堆肥中作通氣孔道；最有效的供氧方式是強制性機械通風，即用泵將空氣壓入或抽出肥堆。理論需氧量的計算可以根據(jù)廢物氧化反應式簡單計算理論通氣量已知合流污水污泥的化學成分C10H19O3N，其完全氧化的計量化學方程為

C10H19O3N+12.5O2=10CO2+8H2O+4NH3(201)(400)1g的C10H19O3N完全氧化約需要2g的O2。實際供氧量為理論供應量的兩倍。不同時期供氧量也不一樣，高溫期是中溫期和熟化期的好幾倍。在機械化連續(xù)生產(chǎn)系統(tǒng)可通過測定排氣中氧和CO2的含量來衡量氧氣情況。排氣中氧的體積濃度為14%~17％，CO2的體積濃度為3%~6％為宜。若氧濃度降低到10％以下，好氣發(fā)酵會停止。4、水分含水量在50％~70％，以60％為宜。若有機質(zhì)含量高，含水量應高一些；有機質(zhì)含量低，含水量應低一些。5、溫度兩個主要作用：提高有機物分解速度殺死物料中病原體。堆制過程的適宜溫度較寬，約為35~55℃。35℃以下發(fā)酵速度不高，45~55℃發(fā)酵速度增加較快，超過55℃，發(fā)酵速率減緩，超過65~77℃發(fā)酵作用微弱。對大部分病原體來說，超過50℃就會失活。一般溫度控制在55℃。6、粒徑顆?？障犊蔀槎阎七^程提供充足的氧氣。間隙大小取決於顆粒的結(jié)構(gòu)強度：麥類秸稈等硬質(zhì)原料的粒徑應小一些，一般為1~2cm；蔬菜等質(zhì)軟原料的粒徑應大一些；人糞尿、動物糞尿、污泥等顆粒細的物質(zhì)，應添加鋸末、稻草、稻殼等膨松劑，既減少容重，又增加物料的空隙率，還調(diào)整了C/N。五、堆制工藝固體廢物堆制處理的工藝類型很多：操作是否連續(xù)間歇式堆制連續(xù)式堆制反應器特點非反應器型：靜態(tài)堆制工藝反應器型：機械攪拌式、立倉式堆制工藝、滾筒式堆制工藝等反應器型堆制發(fā)酵一般分兩階段，第一階段高溫發(fā)酵，發(fā)酵結(jié)束以後移出反應器進行二次發(fā)酵(熟化)。1、靜態(tài)堆制工藝(staticcomposting)靜態(tài)堆制工藝又稱為常規(guī)堆制工藝(conventionalcomposting)我國長期使用的一種有機肥堆制法；原料預處理，調(diào)整含水量和C/N；垃圾70％~80％與20％~30％的稀糞混合，條形堆制，堆底寬2.5~3.0m，高1.75m左右，長度不限，自然通風；堆好後呈龜背形，堆中豎插竹竿或木棒，堆好後用稀泥封堆，以防熱量散失。可插入作物秸稈或草束通氣；2~3d後，堆溫上升至50℃以上(中心部位可達65℃以上)，維持10~20d，整個工藝過程需要60~90d產(chǎn)物才能達到穩(wěn)定；蛔蟲卵致死率90％以上。通氣方式插竹竿，自然通氣；人工翻堆方式通氣。人工翻堆每週1~2次，機械翻堆可1~2d一次，後期腐熟階段可每週翻一次。場地要求及特點場地堅實不滲水，有頂棚遮蓋，大風頻繁的地區(qū)應在逆風面設置擋風牆。工藝特點：工藝簡單，設備少，處理成本低，但工藝時間長。2、攪拌式堆制工藝(mixingcomposting)堆制在料倉內(nèi)進行；機械攪拌通入空氣。第一階段為前5~7d的動態(tài)發(fā)酵，此階段好氧菌活性強，升溫快，溫度高，有機物分解快，發(fā)酵7d絕大部分致病菌死亡。7d後用皮帶輸送發(fā)酵半成品到另一車間進行靜態(tài)二次發(fā)酵，使有機質(zhì)進一步降解至穩(wěn)定，20~25d達到腐熟。3.滾筒式堆制工藝也稱臥式旋轉(zhuǎn)法，由丹麥人首先研製和使用的一種連續(xù)推制法。關(guān)鍵設備：長20~30m、直徑3~4m、傾角2％~3％的可迴旋轉(zhuǎn)動的金屬圓筒，轉(zhuǎn)速0.5~1轉(zhuǎn)/M，機械送風。有機廢物被送入滾筒後，隨滾筒的旋轉(zhuǎn)翻動並向滾筒尾部(出料部位)移動，在此過程中完成有機質(zhì)的降解、升溫、殺菌等，筒內(nèi)溫度60℃以上。物料在反應器內(nèi)停留3~5d，出料後的初產(chǎn)物再靜態(tài)堆制5~6d，達到腐熟穩(wěn)定。達諾(DANO)生物穩(wěn)定法4．塔式堆制工藝又稱為澤西(Jersey)法。主要設施：立式筒狀發(fā)酵倉，倉高10~15m，分5~6層，主要用於城市垃圾處理。分選、破碎後的垃圾由皮帶輸送至倉頂層，受自重力和柵板的控制每日下降一層，一共停留5~6d，出料後靜態(tài)發(fā)酵30~60d。機械通入空氣，水分從頂部補充，倉內(nèi)溫度高，升溫快，24h可上升至50℃以上，70℃可維持3d，之後溫度逐漸下降。該工藝占地少，垃圾分解徹底，運行費用低，但水分分佈不均勻。六、接種劑在堆制處理中的應用添加劑有三種：天然接種劑(inoculant)、微生物接種劑和起爆劑。天然接種劑有糞肥、腐熟堆肥、耕層土壤等。微生物接種劑由從堆肥中分離的或其他來源的細菌、放線菌、黴菌等組成，具有分解蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、纖維素、木質(zhì)素、蟹殼和除臭等功能，中溫型與高溫型微生物組合使用。起爆劑(starter)不含有微生物接種體，是一些微生物容易分解的有機質(zhì)如糖蜜、蔗糖和蛋白質(zhì)等，其作用是為了縮短潛育期。

第二節(jié)衛(wèi)生填埋衛(wèi)生填埋(sanitarylandfill)始於20世紀60年代，是在傳統(tǒng)堆制的基礎上，避免環(huán)境免受二次污染而發(fā)展起來的一種較好的固體廢物處理法；優(yōu)點：投資少，容量大，見效快。衛(wèi)生填埋的類型主要有厭氧、好氧和半好氧三種。填埋類型特點及應用情況厭氧填埋操作簡單，施工費用低，可回收甲烷氣體，目前廣泛採用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾穩(wěn)定化時間短，但工藝要求較複雜，費用較高，尚處於研究階段。AnaerobicBioreactorLiquidsStorageGas

Collection

toGenerate

EnergyGroundwater

MonitoringBioreactorProgramAerobicBioreactorLiquidsStorageAir

InjectionGroundwater

MonitoringBioreactorProgramFacultativeBioreactorLiquidsStorageGas

Collection

toGenerate

EnergyGroundwater

MonitoringBioreactorProgram一、填埋場地的建設與運行根據(jù)地形、地貌和土壤條件、水文地質(zhì)、氣候、運輸距離、出入道路條件等進行選擇，使填埋處理不影響當?shù)鼐用竦纳詈徒】怠龅氐撞恳獦?gòu)築不漏水的防水層、集水管和集水井等設施，四周要防止水流沖刷、防止地下水和地面水受污染，避免一般填埋出現(xiàn)的衛(wèi)生條件差，二次污染頻繁的問題出現(xiàn)。1、場地的建設ConceptillustrationofaTypicalSanitaryLandfillSite2、垃圾填埋處理將垃圾在填埋場內(nèi)分區(qū)分層進行填埋。每天的垃圾，在限定範圍鋪散為40~75cm的薄層，然後壓實。垃圾層厚度應為2.5~3m。一次性填埋處理垃圾層最大厚度為9m。每層垃圾壓實後覆土20~30cm。廢物層和土壤覆蓋層共同構(gòu)成一個單元，即填埋單元(cell)。當天的垃圾，當天壓實覆土，成為一個填埋單元。具有同樣高度的一系列相互銜接的填埋單元構(gòu)成一個填埋層。按上述工序完成的衛(wèi)生填埋場由一個或幾個填埋層組成。當填埋到最終的設計高度以後，再在該填埋層上層蓋一層90~120cm的土壤，壓實後就成為一個比較標準的衛(wèi)生填埋場。TheStevensCountySanitaryLandfill,openedonJuly5,1979,isafacilitythatwasdesignedtoservethewasteneedsofthecitizensofStevensCounty.二、填埋的微生物學過程根據(jù)垃圾在衛(wèi)生填埋過程中的分解情況、氣體產(chǎn)生和微生物活動情況，將整個過程人為地劃分為四個階段。四個階段的特點分別為：1、好氧分解階段垃圾好氧分解主要是開始階段。此階段時間的長短取決於分解速度，由幾天到幾個月。填埋層內(nèi)的氧耗盡後進入第二階段。2、厭氧產(chǎn)酸階段在此階段，好氧微生物的生命活動中止；無氧呼吸的細菌，如硝酸還原細菌和硫酸還原細菌等，以物料中的NO3?、SO42-的氧作為最終電子受體進行無氧呼吸，使有機質(zhì)進一步被分解產(chǎn)生多種有機酸。有機酸積累、pH下降，甲烷菌開始活動，主要產(chǎn)物是N2，H2S、NH3、CO2等。3、甲烷產(chǎn)生加速階段在嚴格厭氧菌和一些兼性厭氧菌的作用下，有機酸被進一步分解，產(chǎn)生甲烷，甲烷含量達到50％~60％(v/v)，有機酸含量下降，pH值升高，產(chǎn)乙酸菌、解纖維菌和產(chǎn)甲烷菌數(shù)量很多。收集、利用甲烷的關(guān)鍵時期。4、甲烷產(chǎn)生下降階段有機酸濃度下降，甲烷產(chǎn)率下降。水分、水流、pH、粒徑、接種劑的添加、培養(yǎng)物濃度、溫度等多種因素影響到填埋有機物的分解及產(chǎn)甲烷作用。