大学固体废弃物的处理方法经典课件——固体废物的微生物分解 (2).ppt
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1、第六章 固体废物的微生物分解,生物处理的定义: 生物处理就是以固体废物中的可生物降解有机物或其它组分为对 象,利用生物对其作用,转化为稳定产物、能源和其它有用物质 的一种处理技术。 堆肥是利用自然界广泛存在分布的细菌、放线菌、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。 根据微生物的生长环境可将堆肥分为好氧堆肥及厌氧堆肥 两种。,堆肥发展过程: 厌氧堆肥(农业废弃物、落叶杂草、粪便等) 城市生活垃圾(垃圾成分动植物残余、灰渣) 好氧堆肥、机械化堆肥(垃圾产生速度快、产生量大) 堆肥厂停产倒闭(有害物混入垃圾中) 堆肥化技术开始回升(填埋、焚烧技术的缺陷,分
2、类技术 及分选技术的发展),微生物的概念,微生物是一群体积微小,结构简单,肉眼看不见,必须借助光学显微镜或电子显微镜放大数百倍,乃至数万倍后才能观察到的微小生物。,微生物无处不在,我们无时不生活在“微生物的海洋”中。,少数微生物也是人类的敌人!,鼠疫; 天花; 梅毒; 小儿麻痹症; 肺结核; 麻疯病; 感冒; 脑毛炎; 艾滋病; 疯牛病; 埃博拉病毒; 非典,微生物与人类的关系,自然界中N、C、S等元素循环,农业,以菌造肥,以菌催长,以菌防病,以菌治病,工业,微生物应用于食品、皮革、纺织、石油、化工、冶金等,医药工业,利用微生物制造抗生素、维生素、辅酶、ATP等药物,污水处理,利用微生物降解有
3、机磷、氰化物等,基因工程技术中提供多种工具酶和载体系统,创建有益的工程菌新品种,微生物与人类的关系,微生物,有少数微生物能引起人类和动、植物的病害,微生物对环境的重要作用:,微生物在物质循环转化中的作用:维持物质的生物化学循环,维持生物无穷无尽的繁演,保持生态平衡和生态环境的可持续。 1.在碳素生物循环作用 2.在氮素循环中的作用 3.在硫循环作用 环境净化和环境工程微生物中的应用 在环境微生物监测中的应用,6.2 好氧堆肥,堆肥是在人工控制下,在一定的水分、碳氮比和通风条件下,通过微生物的发酵作用,将有机物转变为肥料的过程。 更科学一点讲:堆肥化是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生
4、物,人为地将可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化转化的微生物学过程。堆肥化的产物称为堆肥 。 有机固体废物的堆肥化技术是进行稳定化、无害化处理的重要方式之一,也是实现固体废物资源化、能源化的技术之一。,堆肥发展过程: 厌氧堆肥(农业废弃物、落叶杂草、粪便等) 城市生活垃圾(垃圾成分动植物残余、灰渣) 好氧堆肥、机械化堆肥(垃圾产生速度快、产生量大) 堆肥厂停产倒闭(有害物混入垃圾中) 堆肥化技术开始回升(填埋、焚烧技术的缺陷,分类技术 及分选技术的发展),在自然界中存在着大量依靠有机物生活的微生物,它们有氧化分解有机物并将其转化为无机物的巨大功能(生物能)。而且具有分布广,繁殖快,容易发生变异
5、等特性。正是这些微生物(分解者),作为生态系统组成的重要环节,不断进行着有机物的分解与无机化(矿化),促进了上述循环的正常进行。 另一方面,人们生产和生活过程中不断产生各种各样的固体废物,对整个社会而言就是生产消费废物的一个不断的循环系统。 人类通过各种手段,借助于上述微生物的生物能,对固体废物进行生物处理,实现固体废物(主要是有机固体废物)的稳定化、无害化与资源化的技术就统称为固体废物的生物转换技术。,根据生物处理过程中起作用的微生物对氧气要求不同,可以把固体废物堆肥分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化。 好氧堆肥化是在通风条件下,有游离氧存在时进行的分解发酵过程,由于堆肥堆温高,一般在5565,有时
6、高达80,故亦称高温堆肥化。 厌氧堆肥化是利用厌氧微生物发酵造肥。,由于好氧堆肥化具有发酵周期短,无害化程度高,卫生条件好,易于机械化操作等特点,故国内外用垃圾、污泥、人畜粪尿等有机废物制造堆肥的工厂,绝大多数都采用好氧堆肥化。 好氧堆肥化基本原理:是在有氧条件下,依靠好氧微生物(主要是好氧细菌)的作用来进行的。在堆肥化过程中,有机废物中的可溶性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生物直接吸收,而不溶的胶体有机物质,先被吸附在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质,再渗入细胞。,微生物通过自身的生命代谢活动,进行分解代谢(氧化还原过程)和合成代谢(生物合成过程),把一部分被吸收
7、的有机物氧化成简单的无机物,并放出生物生长、活动所需要的能量,把另一部分有机物转化合成新的细胞物质,使微生物生长繁殖,产生更多的生物体。可用下图简要地说明这种过程。,2、堆肥化的重要意义 (1) 对城市固体废物进行处理消纳,实现稳定化、无害化,可以避免或者减轻城市垃圾的大量堆积,影响市容及城市垃圾自然腐败,散发臭气,传播疾病,从而对环境造成的恶劣影响。 (2) 可促进上述自然界物质循环与人类社会化物质循环的统一,可以把固体废物中的适用组分尽快地重新纳入自然循环(例如生产堆肥用以施肥、改造土壤,可回归农田生态系统中去); (3) 可以将大量有机固体废物通过各种工艺转换成有用的物质和能源(例如产生
8、沼气、生产葡萄糖、微生物蛋白质等)。 (4)堆肥化可减重、减容均约为50。,3.好氧堆肥过程:,(1)起始阶段:堆肥初期,堆层基本呈中温,嗜温性微生物较为活跃并利用堆肥中可溶性有机物旺盛繁殖。它们在转换和利用化学能的过程中,有一部分变成热能,由于堆料有良好的保温作用,温度不断上升。此阶段微生物以中温、需氧型为主,通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段微生物种类极多,其中最主要是细菌、真菌和放线菌,细菌特别适应水溶性单糖类,放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能;,(2)高温阶段:当肥堆温度升到45以上时,即进入高温阶段。在这阶段,嗜温性微生物受到抑制甚至死亡,嗜热性微生物逐渐代替了
9、嗜温性微生物的活动,堆肥中残留的和新形成的可溶性有机物质继续分解转化,复杂的有机化合物如半纤维素、纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。通常,在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌;温度上升到60时,真菌几乎完全停止活动,仅有嗜热性放线菌与细菌在活动;温度升到70以上时,对大多数嗜热性微生物已不适宜,微生物大量死亡或进入休眠状态。,与细菌的生长繁殖规律一样,可将微生物在高温阶段生长过程细分为三个时期,即对数生长期,减速生长期和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了三个时期变化后,堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程,即腐殖质的形成过程,堆肥物质逐步进入稳定化状态; (3)腐熟阶段:在内
10、源呼吸后期,只剩下部分较难分解及难分解的有机物和新形成的腐殖质,此时微生物活性下降,发热量减少,温度下降。在此阶段嗜温微生物又占优势,对残余较难分解的有机物作进一步分解,腐殖质不断增多且稳定化,此时堆肥即进入腐熟阶段。降温后,需氧量大大减少,含水量也降低,堆肥物孔隙增大,氧扩散能力增强,此时只须自然通风。,堆肥过程参数: 供氧量 要适当,实际量应为理论量的210倍 含水量 水的作用:溶解有机物,参与新陈代谢调节堆肥温度 要求为5060%,55%最佳,不能低于20% 碳氮比 微生物分解有机物速度随碳氮比而变,微生物自身的碳氮 比约为4-30,因此用作其营养的有机物的碳氮比最好也在 该范围内,特别
11、是当碳氮比在10-25时,有机物被生物分 解速度最大。 最佳值:2035,碳磷比 适宜的碳磷比值为75:1150:1 温度 一般为5065,最高可达8090,适宜的温度可缩短堆肥周期 较佳温度为3555 pH值 pH是微生物生长的重要条件。 堆肥初期,由于酸性细菌的作用,pH降到56,堆肥物料呈酸性,而后pH升高,发酵完成前可达8.59.0,成品时为78。,5. 堆肥方法 间歇堆肥法(野积式、露天堆肥法) 即将新收集的垃圾、粪便、污泥等废物混合分批堆积一次发酵约需5周,每周翻动12次,第610周熟化稳定二次发酵,全过程需要3090天。要求场地坚实,不透水。 连续堆积法(工厂化机械堆肥) 原料在
12、发酵器中完成中温和高温发酵过程后,运往发酵室堆放熟化。 优点:发酵快,堆肥质量高、能防臭、全部灭菌。 设备:立式发酵器、卧式发酵器,堆肥的农业效用 (1)改土作用 增加土壤有机质 改善土壤结构 降低容重,增加孔隙度,使固相下降,液、气相增加。 提高土壤功能促进通风、提高保水率、保持肥力 促进植物根系增长 (2)增产作用 (3)不利因素 不能与农家肥等同,只能作土壤改良剂或调节剂,7.堆肥过程存在的问题 (1)臭味(Production of Odors) 堆肥场地(Facility siting):考虑场地局部气候,以利臭味消散;距受体的距离;建立适当的缓冲区域。 正确的过程设计和运行管理(P
13、roper process design and operation): 预处理;供氧量;温度控制;翻动频率。 生物臭味管理(Biological odor management) (2)公众健康(Public health issues): (3)重金属毒性(Heavy metal toxicity) (4)产品质量(Product quality):,6.3 厌氧发酵 概念: 废物在厌氧条件下通过微生物的代谢作用而被稳定化,同时伴有CH4和CO2产生的过程。 产物: 沼气清洁能源 渣滓优质肥料 1. 原理: 三个阶段液化、产酸和产甲烷 液化阶段:发酵菌作用,对有机物进行体外酶解, 使固体物
14、质变为可溶于水的物质,然后细菌再吸收可溶于水的物质,并将其酵解成为不同产物。,产酸阶段: 产氢、产醋酸菌作用,将前阶段的中间产物丙酸、 丁酸、醇类等进一步分解为醋酸和氢。 产甲烷阶段: 甲烷菌作用, 将产酸阶段产生的产物降解成甲烷和 二氧化碳, 同时利用产酸阶段产生的氢将二氧化碳还原成 甲烷。,影响因素 原料配比:适宜的碳氮比20:130:1 温度:在一定范围内,温度越高产气量越高 中温发酵37左右 高温发酵53左右,产气率最高 PH值:要求弱碱性环境 最佳PH值6.87.5,过低会抑制甲烷菌生长。 搅拌:目的是保证较高的池容产气率和避免出现局部酸 积累. 机械搅拌、充气搅拌、充液搅拌,厌氧发
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