环境微生物学：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

第十一章第十一章 有机固体废弃物与废气的微生物有机固体废弃物与废气的微生物处理及其微生物群落处理及其微生物群落重点掌握重点掌握：堆肥的微生物学原理，：堆肥的微生物学原理，NHNH3 3、COCO2 2及及废气中挥发性有机污染物的微生物处理；废气中挥发性有机污染物的微生物处理；理解：卫生土地填埋法及渗滤液；理解：卫生土地填埋法及渗滤液；一般了解：氧化硫的细菌代谢途径。一般了解：氧化硫的细菌代谢途径。2有机固体废物也称为垃圾，来自生活废物如厨余（食物废料和残余）、丢弃的包装纸、塑料袋、废旧纸张和破布等。据报道，全世界垃圾年均增长速度为842，而我国垃圾增长率超过10，已成为世界上产生垃圾最多的国家之一。全世界每年产生49亿t垃圾，而仅我国每年就产生近15亿 t城市垃圾，且随着时问的推移增长会越来越快。污水处理厂剩余污泥量也极大，且含70-80%水，也需要及时处理。名称厨类果类 厨果纸类布类竹木金属玻璃灰渣橡塑含量%72.427.6180.03 1.941.302.850.313.130.849.60上海某区生活垃圾组成3城市垃圾的危害我国城市中大部分都存在着垃圾死角，垃圾无处消纳，累积堆存在城市周边并占用了大量的土地资源，数量已超过7.0亿t，占地超过53333hm2，形成了垃圾包围城市的局面。（1）污染土壤农作物（2）污染水体（3）产生有毒臭气（4）自燃、自爆（5）白色污染（6）潜在病原体（7）重金属、放射性污染第一节第一节有机固体废弃物的微生物处理及有机固体废弃物的微生物处理及其微生物群落其微生物群落垃圾处置和处理方法主要有：垃圾处置和处理方法主要有：堆肥法、填堆肥法、填埋法、焚烧法埋法、焚烧法 堆肥法、填埋法：堆肥法、填埋法：生物方法生物方法，用以处理可生，用以处理可生物降解的有机固体废弃物物降解的有机固体废弃物；焚烧法：焚烧法：物理方法，用以处理不可随意排放、物理方法，用以处理不可随意排放、有危险的特种废物有危险的特种废物。一、堆肥法一、堆肥法 （一）（一）堆肥化概念和分类堆肥化概念和分类堆肥化堆肥化：利用自然界中的细菌、放线菌和真菌：利用自然界中的细菌、放线菌和真菌等微生物，有控制的促进可生物降解的有机物等微生物，有控制的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。向稳定的腐殖质转化的生物化学过程。堆肥堆肥：废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做：废物经过堆肥化处理，制得的成品叫做堆肥。它是一类腐殖质含量很高的疏松物质，堆肥。它是一类腐殖质含量很高的疏松物质，故也称为故也称为“腐殖土腐殖土”。堆肥化系统分类：堆肥化系统分类：按堆制方式：按堆制方式：间歇堆积法、连续堆积法间歇堆积法、连续堆积法 按原料发酵所处状态：按原料发酵所处状态：静态发酵法、动静态发酵法、动态发酵法态发酵法 按堆制过程的需氧程度：按堆制过程的需氧程度：好氧法、厌氧好氧法、厌氧法法 （二）（二）好氧堆肥好氧堆肥1.好氧堆肥原理 在通风条件下，好氧微生物分解大分子有机物为小分子有机物，部分有机物矿化成无机物。放出大量热量使温度升高至5065，如果不通风，可高到8090。发酵微生物分解有机物，吸收利用中间代谢产物合成自身细胞物质。以更大数量的微生物群体分解有机物，最终有机固体废弃物完全腐熟成稳定的腐殖质。反应式可表示为：反应式可表示为：1 1）有机物的氧化）有机物的氧化 2 2）细胞质的合成）细胞质的合成 HOHyxCOOzyxOHCzyx222224酶酶23524OzyxnnNHOHnCzyxHOHynCOxnNOHCn22275425式中式中C Cx xH Hy yO Oz z有机污染物有机污染物 式中式中 C C5 5H H7 7NONO2 2微生物细胞组织的化学式微生物细胞组织的化学式 3 3）细胞质的氧化）细胞质的氧化微生物对自身的细胞物质进行氧化分解，并提微生物对自身的细胞物质进行氧化分解，并提供能量，即内源呼吸或自身氧化。供能量，即内源呼吸或自身氧化。HnNHOnHnCOnONOHCn 3222275255酶2.2.堆肥原料与堆肥微生物堆肥原料与堆肥微生物 1 1）堆肥原料堆肥原料 生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及农林生活垃圾、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质：碳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、蛋白质是常用的堆肥原料。水化合物、脂类、蛋白质是常用的堆肥原料。2 2）堆肥微生物堆肥微生物 参与有机物生化降解的微生物包括：嗜温菌和参与有机物生化降解的微生物包括：嗜温菌和嗜热菌嗜热菌嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围（嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围（）Minimum temperatureOptimal temperatureMaximum temperaturemesophile151525253030404045455050thermophile25-4525-455050606070708585依据温度变化，大致分成三个阶段：依据温度变化，大致分成三个阶段：中温阶段：中温阶段：堆制初期，堆层呈中温（堆制初期，堆层呈中温（15-4515-45）。）。嗜温性微生物活跃，利用可溶性物质糖类、淀嗜温性微生物活跃，利用可溶性物质糖类、淀粉不断增殖，放出大量热量，温度不断上升，粉不断增殖，放出大量热量，温度不断上升，以以细菌、真菌、放线菌细菌、真菌、放线菌为主的微生物迅速繁殖。为主的微生物迅速繁殖。高温阶段高温阶段：堆层温度上升到堆层温度上升到4545以上，不到以上，不到一周可达到一周可达到65-7065-70。嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物开始活嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物开始活跃。半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物跃。半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物开始强烈分解。开始强烈分解。5050左右：嗜热性细菌、真菌和放线菌；左右：嗜热性细菌、真菌和放线菌；6060：嗜热性放线菌与细菌；：嗜热性放线菌与细菌；7070以上：微生物大量死亡或进入休眠状以上：微生物大量死亡或进入休眠状态，开始形成腐殖质，堆肥物料逐步进入稳定态，开始形成腐殖质，堆肥物料逐步进入稳定状态。状态。降温阶段降温阶段：微生物进入内源呼吸期，发热量微生物进入内源呼吸期，发热量减少，温度下降，嗜温性微生物占优势，残留减少，温度下降，嗜温性微生物占优势，残留的难降解有机物进一步分解，腐殖质不断增多的难降解有机物进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定，堆肥开始进入腐殖阶段。且趋于稳定，堆肥开始进入腐殖阶段。中温阶段中温阶段 对数增长期对数增长期高温阶段高温阶段 静止期静止期降温阶段降温阶段 衰亡期衰亡期3.3.典型的静态好氧堆肥程序典型的静态好氧堆肥程序 1 1）原料预处理：分选、破碎及含水率和碳氮比调整）原料预处理：分选、破碎及含水率和碳氮比调整 2 2）原料发酵）原料发酵 通常采用两次发酵方式：通常采用两次发酵方式：一次发酵一次发酵：中温与高温两个阶段的微生物代谢称为中温与高温两个阶段的微生物代谢称为一次一次(主主)发酵。从初期开始发酵。从初期开始,经中、高温后达到温度经中、高温后达到温度开始下降的整个过程开始下降的整个过程,10,1012d12d，高温阶段持续时间较，高温阶段持续时间较长。长。二次发酵二次发酵：物料经一次发酵，还有一部分易分解和物料经一次发酵，还有一部分易分解和大量难分解有机物存在，将其运到后发酵室，堆成大量难分解有机物存在，将其运到后发酵室，堆成1-1-2m2m高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。温度持续下降，高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。温度持续下降，稳定在稳定在4040左右时即达腐熟左右时即达腐熟,20,2030d30d。堆堆肥肥处处理理的的程程序序 3 3）后处理）后处理 去除杂质和进行必要的破碎处理。去除杂质和进行必要的破碎处理。静态堆肥静态堆肥：工艺简单、设备少、处理成本低。工艺简单、设备少、处理成本低。但发酵周期长，操作条件差，用人工翻动。但发酵周期长，操作条件差，用人工翻动。3.3.堆肥程序堆肥程序4.4.发酵工艺与装置发酵工艺与装置间歇式发酵工艺（高温动态二次堆肥工艺）一批原料堆积之后不添加新料，待完成发酵成为腐殖土运出。一次发酵采用机械强制通风，7天左右，达到无害化。然后将第一次发酵堆肥通过机械分选，去除非堆腐物，送去二次发酵仓，进行第二次发酵，10天左右达到腐熟。间歇式发酵工艺（高温动态二次堆肥工艺）间歇式发酵工艺（高温动态二次堆肥工艺）第一次发酵只需710天，可加快发酵池的周转，建池数量可比周期30天的一次发酵方式减少2/3；第一次发酵后将非堆腐物排除，使堆肥体积减少1/2；两次发酵之间的机械翻倒，加快了腐熟化进程，缩短了发酵周期。连续发酵工艺连续发酵工艺：采取连续进料和连续出料方式，采取连续进料和连续出料方式，原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温原料在一个专设的发酵装置内完成中温和高温发酵过程。发酵时间短，能杀灭病原微生物，发酵过程。发酵时间短，能杀灭病原微生物，防止异味，成品质量较高。防止异味，成品质量较高。4.4.发酵工艺与装置发酵工艺与装置社区小型化微生物有机垃圾处理装置社区小型化微生物有机垃圾处理装置 使居民生活垃圾在源头就彻底分解使居民生活垃圾在源头就彻底分解,无害化无害化,有有利于环境保护，环境效益大，但投资成本高。利于环境保护，环境效益大，但投资成本高。小型化微生物有机垃圾处理装置小型化微生物有机垃圾处理装置：好氧装置，好氧装置，分两部分：分两部分：(1)由好氧微生物和兼性好氧微生物由好氧微生物和兼性好氧微生物降解有机物，并部分无机化。降解有机物，并部分无机化。(2)除臭装置。历除臭装置。历时时24h，投入的垃圾，投入的垃圾12-24h内可减量内可减量95%。微生物菌种微生物菌种：经人工筛选、培育的多种高效生经人工筛选、培育的多种高效生理功能的微生物。理功能的微生物。4.4.发酵工艺与装置发酵工艺与装置5.5.影响因素影响因素有机物的含量有机物的含量：适宜的有机物含量：适宜的有机物含量20%-80%含水率含水率：406030，含水率，含水率45；45，含水率，含水率50。通风和耗氧速率通风和耗氧速率 堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活性堆层中氧的浓度和耗氧速率能表征微生物活性和有机物的分解程度。氧要供应充分，通气量和有机物的分解程度。氧要供应充分，通气量0.05-0.2m3/minm2，供氧方式有翻堆通风、风，供氧方式有翻堆通风、风机供风、插入风管通风等。机供风、插入风管通风等。碳氮比碳氮比：25:130:1之间最适宜之间最适宜 温度温度：嗜温菌发酵的最适温度：嗜温菌发酵的最适温度30-40，嗜热，嗜热菌最适温度菌最适温度55-60pH值值：堆肥初期：堆肥初期pH下降到下降到4.5-5，而后上升至，而后上升至8.0-8.5，最终成品，最终成品7.0-8.0。在整个发酵过程中，。在整个发酵过程中，不需外加中和剂。不需外加中和剂。5.5.影响因素影响因素（三）厌氧堆肥（三）厌氧堆肥厌氧堆肥原理和废水厌氧消化原理相同。固体废物进入厌氧装置，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、CH4、CO2、NH3、H2S等，其中的甲烷发酵过程与废水甲烷发酵相同。二、卫生土地填埋法及渗滤液二、卫生土地填埋法及渗滤液 1.卫生土地填埋法（landfill,control tip）(1)在限定区域内铺40-75cm薄层,压实以减少体积；(2)每天操作之后用厚15-30cm的土壤覆盖、压实；(3)废物层和土壤覆盖层共同构成一个填筑单元。具有同样高度的一系列相互衔接的填筑单元构成一个升层。填埋场由一个或多个升层组成；(4)当达到最终设计高度后,在填埋层上覆盖一层90-120cm土壤，压实后形成完整的卫生土地填埋场。卫生土地填埋法分为：厌氧、好氧、准好氧 好氧：类似高温好氧堆肥，废物分解速度快、能产生高温，有利于消灭大肠杆菌等致病菌。减少地下水污染。结构复杂,施工困难,造价高,不便推广应用。厌氧：目前世界上广泛采用。结构简单、操作方便、施工费用低、同时还可回收甲烷气体。2.2.渗滤液渗滤液 1 1）渗滤液的生成渗滤液的生成降水：降雨和降雪降水：降雨和降雪地表径流：来自场地表面上坡方向的径流地表径流：来自场地表面上坡方向的径流地下水地下水垃圾含水垃圾含水2 2）渗滤液的性质渗滤液的性质色味色味：淡茶色或暗褐色，色度：淡茶色或暗褐色，色度2000-40002000-4000之间，有浓重的腐臭味；之间，有浓重的腐臭味；pHpH值值：填埋初期：填埋初期pHpH值为值为6-76-7，呈弱酸性；，呈弱酸性；随着时间推移，随着时间推移，pHpH可提高到可提高到7-87-8，呈弱碱，呈弱碱性；性；可生物降解有机物可生物降解有机物：填埋：填埋6 6个月至个月至2.52.5年，年，达到最高峰值。此后，开始下降，到达到最高峰值。此后，开始下降，到6-6-1515年填埋场安定化为止；年填埋场安定化为止；氮化物氮化物：氨氮浓度较高：氨氮浓度较高 磷磷：几乎不含磷，但生物处理时，需添：几乎不含磷，但生物处理时，需添加与加与BODBOD5 5相当的磷；相当的磷；重金属重金属：生活垃圾单独填埋时，重金属：生活垃圾单独填埋时，重金属含量低；与工业废物或污泥混埋时，重含量低；与工业废物或污泥混埋时，重金属含量会增加，可能超标。金属含量会增加，可能超标。2 2）渗滤液的性质渗滤液的性质3.3.气体的产生气体的产生分为好氧和厌氧两个阶段分为好氧和厌氧两个阶段：初期，有机物进行好氧分解，气体产物为初期，有机物进行好氧分解，气体产物为CO2,水和氨；当填埋区内氧耗尽时水和氨；当填埋区内氧耗尽时,进入厌氧阶段。进入厌氧阶段。厌氧分解生成的气体中含有甲烷、厌氧分解生成的气体中含有甲烷、CO2,氨和水。氨和水。甲烷占甲烷占30-70%，CO2占占15-30%。主要考虑的问题主要考虑的问题：防止渗滤液的渗漏、降解气：防止渗滤液的渗漏、降解气体的释出控制、臭味和病原菌的消除、场地的体的释出控制、臭味和病原菌的消除、场地的开发与利用。开发与利用。废气的概念：主要是指来自于燃烧和工厂废气的概念：主要是指来自于燃烧和工厂的各种废气。的各种废气。第二节第二节废气的生物处理废气的生物处理第二节第二节废气的生物处理废气的生物处理 一、废气的处理方法一、废气的处理方法 物理化学方法物理化学方法：吸附、吸收、氧化等：吸附、吸收、氧化等 生物净化方法生物净化方法 植物净化植物净化：光合作用光合作用 微生物净化微生物净化：利用微生物以废气中的有机组分作：利用微生物以废气中的有机组分作为能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无为能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物及细胞组成物质。机物及细胞组成物质。生物处理具有效果好、设备简单、投资及运行费生物处理具有效果好、设备简单、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点。用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点。废气的处理技术主要分为物化法废气的处理技术主要分为物化法和生物法和生物法物化法是指采用物理方法或者化学方法处理废气，如吸附、吸收氧化或者等离子体转化等生物法是指利用微生物的生物化学作用，使污染物分解为无害或者危害小的物质废气的微生物处理于废气的微生物处理于1957年在美国获得专年在美国获得专利，但到利，但到1970年代才开始引起重视，知道年代才开始引起重视，知道1980年代才在德国、日本、荷兰等国家有年代才在德国、日本、荷兰等国家有相当数量工业规模的各类生物净化装置投相当数量工业规模的各类生物净化装置投入运行。入运行。废气生物反应器处理对许多一般性的空气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污染物的去除率可达到90%以上。以上。废气生物处理的特点废气生物处理的特点适用范围广污染少去除效率高投资少、运行费用低耗能低适宜处理的污染气体应具有的特点适宜处理的污染气体应具有的特点1、水溶性强水溶性强主要有无机物如H2S和NH3等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃(如BTEX)等有机物。2、易降解易降解 分子被吸附在生物膜上必需被降解，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。生物法处理废气的机理有机废气生物净化是利用微生物以废气中的有机组分作为其生命活动的能源或其他养分，经代谢降解，转化为简单的无机物(C02、水等)及细胞组成物质。与废水生物处理过程最大区别在于与废水生物处理过程最大区别在于：废气中的有机物质首先要经历由气相转移到液相(或固体表面液膜)中的传质过程，然后由液相(或固体表面液膜)被微生物吸附降解。生物反应器处理废气一般经历以下三个阶段：吸着过程溶解过程生物降解过程三、生物处理方法的分类三、生物处理方法的分类生物吸收法生物吸收法：利用由微生物、营养物和水组成：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微生物吸收液处理废气，适合于吸收可溶性气态物。吸收了废气的微生物混合液再进行好气态物。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，经处理后氧处理，去除液体中吸收的污染物，经处理后的吸收液重复使用。的吸收液重复使用。生物吸附法工艺（微生物洗涤装置）生物吸附法工艺（微生物洗涤装置）生物洗涤装置一般由洗涤器和生物反应器两部分组成，洗涤器（吸收器）和生物反应器分开设置吸收主要是物理溶解过程，采用的吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程进行很快，水在吸收设备中的停留时间仅约几秒钟生物过滤法生物过滤法：用含有微生物的固体颗粒吸收废：用含有微生物的固体颗粒吸收废气中的污染物，然后微生物将其转化为无害物气中的污染物，然后微生物将其转化为无害物质。在过滤法中，微生物附着生长于固体介质质。在过滤法中，微生物附着生长于固体介质上，废气通过由介质构成的固定床层被吸附、上，废气通过由介质构成的固定床层被吸附、吸收，最终被微生物所降解。吸收，最终被微生物所降解。三、生物处理方法的分类三、生物处理方法的分类内装有惰性填料,它只起生物载体作用，其孔隙率高、阻力小、使用寿命长,不需频繁更换填料上可生存世代周期长、降解特殊气体的菌群，可承受比生物过滤器更大的处理负荷，且抗冲击负荷能力强,填料不易堵塞、压降小污染物的吸收和生物降解在同一反应器内进行，设备简单，操作条件可灵活控制。生物滴虑的特点生物滴虑的特点安装有温度控制装置填料选择温度填料湿度氧气酸碱度影响生物滤池性能的因素影响生物滤池性能的因素处理废气的微生物特点处理废气的微生物特点多为混合微生物，因为：含有多种成分的混合废气，需要多种微生物分别降解；有的成分需要几种微生物的相继作用才能分解转化为无害物质一些难降解的成分要由几种微生物联合作用才能被完全降解；卤代有机化合物先经厌氧微生物还原脱卤，再被好氧微生物彻底分解；工艺需要，尽管废气成分能够被单一微生物分解，但还需利用其它微生物，在硫化氢氧化中，为了使自养型脱氮硫杆菌(Thiobacillus denitrificans)凝絮持留于反应器内，需与活性污泥中的异养型微生物起共培养。四、含硫恶臭污染物及四、含硫恶臭污染物及NHNH3 3、COCO2 2 的微生物处理的微生物处理含硫恶臭污染物代谢的结果是产生含硫恶臭污染物代谢的结果是产生H2SO4和和CO2废气中废气中NH3、CO2的净化的净化单纯含单纯含NH3或单纯含或单纯含CO2的废气可合在一的废气可合在一起，调节两者的比例用硝化细菌处理。起，调节两者的比例用硝化细菌处理。藻类同化藻类同化CO2：谷氨酸：谷氨酸