第九章固體廢物的生物處理

直接或者間接利用生物體的機能，對固體廢物的某些組分進行轉化以建立減低和消除污染物產生的生產工藝，或者高效凈化環境污染，同時生產有用物質的工程技術。微生物：細菌，放線菌，真菌動物：蚯蚓植物：獲得能源（沼氣），生物產品（蛋白等）第一節好氧生物降解制堆肥自然界中的微生物早期的堆肥：手工操作，自然堆積發酵，自發生物轉化。一、堆肥化概述（一）堆肥化概念和分類堆肥化（Composting）是在控制條件下，使來源于生物的有機廢物，發生生物穩定作用（Biostablization）的過程。堆肥原料來自生物界；人工控制下進行，不同于衛生填埋、廢物腐爛生物化學過程。

堆肥化分類：按堆制方法：間歇堆積法和連續堆積法按原料發酵所處的狀態：靜態發酵法和動態發酵法

按堆制過程的需氧程度：好氧法（高溫快速堆肥）和厭氧法好氧堆肥，溫度50~65，最高80~90，周期短，也稱“高溫快速堆肥”厭氧堆肥，隔絕空氣，溫度低，工藝簡單周期長，3~12月，分解不充分能量堆肥有機物，氧，微生物同化作用異化作用

細胞物質（微生物繁殖）CO2,H2O,NH3,PO4,SO4+進入環境釋放（二）好氧法堆肥原理好氧菌----進行吸收、氧化、分解。涉及的化學反應式見p128（三）堆肥原料與堆肥微生物1．堆肥原料富含碳水化合物，脂類，蛋白質的原料生活垃圾：預處理去除不可堆肥的人禽畜糞便，有機污泥：低分子有機物農林廢物：纖維素，果膠，木質素等，預處理2．堆肥微生物嗜溫菌和嗜熱菌，適宜溫度不同。3，固體廢物好氧微生物降解過程（1）潛伏階段（馴化階段）

(2)中溫階段微生物：嗜溫細菌，酵母菌，放線菌堆肥初期，嗜溫微生物活躍，利用可溶性糖，淀粉，產能放熱溫度15~45。；細胞合成， （3）高溫階段微生物：嗜熱微生物發酵開始1周時間達到65~70。纖維素蛋白質等復雜有機物分解。

50度：嗜熱真菌，放線菌；60度嗜熱放線菌，細菌。〉70度，微生物死亡。（4）降溫階段（腐熟階段）易分解的有機物包括纖維素大部分分解，剩下為難分解有機物，腐殖質。微生物活性減低，發熱量減少，溫度下降。嗜溫性微生物優勢，繼續分解殘留有機物。腐殖質增多趨向穩定。堆肥成熟。（四）影響因素1供氧量有機物降解，微生物生長必須物質排出堆層內的水分來調節堆溫和水分量，防止溫度過高在堆肥通風時需要考慮防止物料干化。含水率微生物生長的基本因素，影響發酵速率，腐熟程度。最佳含水量為50~60%（質量分數）。低于40~50%,微生物活性降低，堆溫減低超過70%，堆溫難以上升，水分有礙通風，造成局部厭氧狀態

溫度堆肥過程中，溫度不斷變化，隨著溫度升高，加速分解消化，可以殺死蟲卵，致病菌等，使堆肥可以用于農田。有機物含量有機物含量不足，分解熱量不足以維持堆溫。有機物含量過高，可能產生厭氧狀態C/N,C/PC,N,P都是生物生長必須的營養分。C/N過高：雜菌污染，生物量少，浪費碳源。堆肥產品進入農田會真的氮素，影響作物生長。C/N過低：菌體易衰老，自溶。氮素浪費。pH堆肥中，pH一般有足夠的緩沖作用，維持在好氧分解的酸堿度水平通常7.5~8.5可得到最佳堆肥效果二、好氧堆肥程序、工藝、裝置（一）堆肥程序

1．原料預處理分選、破碎，篩分：通過破碎及分選，除去非堆肥化物質和調整垃圾的粒度.含水率和碳氮比調整

粒度不能太小，一般2~60mm

原料含水率過高時，預處理主要是調節水分,C/N2．原料發酵主發酵場所：發酵倉，露天堆積，強制通風供氧

從發酵初期，好氧堆肥經歷中溫，高溫兩個階段到達溫度開始下降的微生物代謝過程。

一般4~12d后發酵（20~30天）主發酵殘余：部分易分解，大量難分解有機物。場所：封閉反應器或者敞開的料倉。堆成垛1-2m。后發酵。此時，溫度持續下降，穩定在40左右即腐熟，得到腐殖酸，氨基酸等穩定有機物組成的腐熟堆肥。3．后處理包括去除雜質和進行必要的破碎處理.添加N,P,K等制成復合肥脫臭微生物分解形成臭味：氨，H2S等化學藥劑除臭，堿水過濾，吸附等貯存夏，冬的堆肥需要貯存6個月產量的貯存設備。要求：干燥透氣（二）發酵工藝與裝置1．間歇式發酵工藝與裝置（1）間歇式發酵工藝

主發酵周期只需10天左右；主發酵后排出了不宜堆肥的物料，堆肥體積減少1/2：發酵周期短：主發酵轉入后發酵時，經過機械翻倒，故加快了腐熟化進程.2．連續發酵工藝與裝置連續進料和連續出料方式，原料在一個專設的發酵裝置內完成中溫和高溫發酵過程

特點：發酵時間短，能殺滅病源微生物，還能防止異味，成品質量比較高。三、堆肥質量

（一）堆肥的成分和養分堆肥的成分和養分依其所用原料、工藝和堆制周期不同而有所差異。（二）堆肥的無害化指從其中的重金屬含量和致病微生物的數量上進行考察。（三）堆肥的腐熟度堆肥的腐熟度是指成品堆肥的穩定程度。在工程上，它是衡量堆肥反應完成的信號；在農業上，它是堆肥質量的標準。指標：氣味，粒度，色度等物理指標；pH，C/N,腐植酸含量，COD等化學指標四、堆肥的農業效用良好的堆肥，具有改土、培肥、促進作物生長和增加生產的效用。（一）堆肥的改土作用1．增加土壤有機質2．改善土壤結構3．提高土壤功能4．促進植物根系生長（二）堆肥的增產作用（三）堆肥農用的不利因素

第二節厭氧發酵制沼氣厭氧發酵也稱沼氣發酵或甲烷發酵有機物在厭氧細菌作用下轉化為甲烷（或稱沼氣）的過程。自然過程。厭氧發酵工藝：采用人工方法，創造厭氧細菌所需的營養條件，使其在一定設備內具有很高的濃度，厭氧發酵過程則可大大加快。厭氧消化的特點：生產過程全封閉，可控性好，降解快資源化效果好易操作，不需供氧產物可用作化肥，飼料，堆肥原料可殺死傳染病菌厭氧生物生長率低，效率低，會產生惡臭氣體。一厭氧消化原理2大類微生物相繼起作用混合發酵細菌有機物水解---有機酸等中間產物2.產甲烷細菌絕對厭氧，對溫度，抑制劑，pH非常敏感。有機物微生物細胞物質有機酸，醇類CO2,NH3,H2S等，能量+微生物細胞物質CO2,CH4等，能量（一）厭氧消化三段理論依次分為液化、產酸、產甲烷三個階段

1，液化(水解)階段圖5-4

發酵細菌：纖維素分解菌、脂肪分解菌、蛋白質水解菌-------利用胞外酶對有機物分解為溶與水的物質，吸收入體內，酵解為不同產物。

水解影響因素：物料，微生物濃度，溫度，pH等

2，產酸階段

產氫，產酸細菌把液化階段的中間產物分解為揮發性脂肪酸：丙酸，丁酸，脂肪酸，乳酸，醛，酮，醇，氫等

3，產甲烷階段

甲烷菌第二階段產物降解成甲烷，CO2,利用氫產甲烷。

甲烷生成途徑

CH4COOH--------------CH4+CO2H2+CO2----------------CH4+2H2O4HCOOH--------------CH4+3CO2+2H2O4CH3OH------------3CH4+CO2+2H2O4CO+2H2O----------CH4+3CO2

研究表明，72%的甲烷來自醋酸(二)兩段理論酸性發酵階段堿性發酵階段有機酸分解形成甲烷，生產氨導致堿性環境二影響發酵的因素1．厭氧條件產酸階段多為厭氧菌，產氣階段為專性厭氧氧化還原點位Eh：-300mV2．原料配比碳氮比發酵最適宜的碳氮比：20~30：1

過小，過剩的氮轉變為游離氨氣，抑制產甲烷菌活動；過高，反應速率低，產氣量下降

磷：含量1/1000有機物3．攪拌攪拌避免局部酸積累。：機械，充氣，充液攪拌。攪拌對發酵產氣率的影響表9-10

3．溫度低溫發酵：<20度，隨自然溫度變化，產氣低，不能滅病原菌。中溫發酵：37度，甲烷菌最佳活性溫度區。高溫發酵：53度，甲烷菌最佳活性溫度區。產氣最高，但是需要加熱保溫，管理復雜。4．pH值甲烷菌要求pH很窄，一般發酵在6.8~7.5。最佳7.0~7.2添加新料時候容易破壞pH,需要一定的堿度。---------------用石灰調節5．攪拌擴大微生物與有機物的接觸攪拌避免局部酸積累。

----機械，充氣，充液攪拌。

添加物和抑制物添加磷礦粉等促進厭氧發酵，提高產氣量。添加微生物生長需要的微量元素，鉀，納，鎂等調整C/N比加入的碳源，氮源避免重金屬，有毒物質的混入接種物細菌種群，數量影響甲烷的生成。開始發酵時，一般菌種量打到料液量的5%以上。三、發酵工藝

預處理，厭氧消化器，氣體凈化貯存，消化液與污泥分離，處理，利用按照消化溫度分類高溫消化工藝

47~55度，有機物分解旺盛，消化快，適合處理城市垃圾，糞便，有機污泥等高溫硝化菌的培養：污水池菌種擴大培養高溫：蒸汽加熱連續投料攪拌：溫度均勻2自然溫度消化自然溫度影響下消化溫度隨之變化。原料多位秸稈，糞便，半定期補充新鮮原料出料工作量大結構簡單，成本低，施工方便易推廣。根據投料運轉方式連續消化工藝圖5-7連續投料，連續出料易于控制，有機物消化，產氣率穩定半連續消化工藝圖5-8

固體有機原理沼氣消化最常用工藝啟動時一次投入大量原料。產氣量下降，添加新料，排出舊料兩步消化工藝第一反應器：酸化，第二反應器：嚴格厭氧，產甲烷大幅度提高了產氣率，效率高四、厭氧消化裝置1水壓式沼氣池

水壓式沼氣池在我國有60多年運行歷史，主要池型。結構與工作原理圖5-9

埋設與地下，立式圓筒形發酵池。主要結構包括加料管、發酵間、水壓間、導氣管等。

特點：結構簡單，造價低，施工方便。產氣不穩定，原料利用率低極限工作狀態甲烷消化池圖5-10結構：消化室，氣體貯存室，貯水庫，進料口，出料口，攪拌器，導氣喇叭口氣體貯藏室與消化池相通。用貯水庫調節沼氣氣壓，使之穩定室內氣壓過高，消化液通過進料間的通水穴壓入貯水庫室內氣壓不足，貯水庫液體流入消化池紅泥塑料沼氣池

干濕交替消化沼氣池上消化室：批量投料干消化半連續進料，濕消化現代工業化消化設備自學第三節固體廢物的微生物浸出微生物能把礦物中的硫，鐵等變成可溶鹽，浸出。例如：硫桿菌，鐵桿菌細菌浸出工業發展30多年，發展很快。細菌浸出：Zn,Mn,As,Ni,Co,Cu等，Cu的浸出每年40萬t規模。二細菌浸出的機理細菌自養菌表5-2常見浸礦細菌生理特性浸出機理化學反應說p147