第十一--十二章-有机固体废弃物处理微生物工程.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章 有机固体废弃物处理微生物工程,主要内容,1.有机固体废弃物的概述,2.有机废弃物的堆肥处理技术,3.有机固体废弃物厌氧消化技术,4.固体废弃物卫生填埋技术,有机固体废物:,是指有机含量很高而含水量较低的固体废物,1、动物粪便；2、作物残留；3、生物污泥,4、食品生产废弃物；5、工业有机废弃物；6,木材加工生产废弃物；7、生活垃圾,有机固体废物,组成,废弃物无害化、资源化、减量化，变废为宝，净化环境,简单堆放法 围海造地法 堆肥处置法,焚烧处置法 卫生填埋法,第一节 有机固体废弃物概述,第二节 有机固体废物的堆肥处理技术,堆肥法：,指在人工控制的条件下，利用微生物的生化作用将废弃物中的有机物质分解、腐熟并转化成肥料的微生物学过程；分好氧和厌氧堆肥。,堆肥：,深褐色、质地松散、有泥土味的物质。这种物质的养料价值不高，但却是一种极好的土壤调节剂和改良剂，其主要成分是腐殖质。,一、好氧堆肥,通气条件下借好氧性微生物活动使有机物降解，从而使固体废弃物无害化、资源化的过程。,特点：高温堆肥（一般在50-60，极限可达80-90）,第二节 有机固体废物的堆肥处理技术,第二节 有机固体废物的堆肥处理技术,有机物+O2+,微生物,细胞物质（微生物生长）+腐殖质,CO2、H2O、NH3、PO43-、NO2-、,NO3-、SO42-,+,能量,排入环境,释放能量，转移为热,好氧堆肥的有机物转化,1、好氧堆肥的原理,2、厌氧堆肥的原理,厌氧堆肥是在缺氧条件下利用兼性和专性厌氧微生物进行的恶意中伤腐败发酵行为，将有机大分子降解为小分子有机酸、CO2、H2O、NH3、H2S、CH4等和腐殖质。,第二节 有机固体废物的堆肥处理技术,有机固体废物,+,微生物,细胞物质,（微生物繁殖）,有机酸、醇类、CO2,NH3、H2S，能量,细胞物质,（微生物繁殖）,CO2、CH4等，,能量,酸性发酵阶段（产酸阶段）,碱性发酵阶段（产期阶段）,二、堆肥的微生物过程,（一）好氧堆肥的微生物学过程,堆制 升温 高温 降温 腐熟,1-2d,50-60,中温菌,嗜热菌,中温菌,寄生虫和病原菌被杀死,30-40,第二节 有机固体废物的堆肥处理技术,中温好氧细菌、放线菌和,真菌利用堆肥中最容易,分解的可溶性物质迅速,增殖，并释放出热量。,50摄氏度进入高温阶段，此时发热中温,菌受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物开,始繁殖，温度进一步升高，复杂有机物,开始强烈分解。70时，多数嗜热菌死,或休眠，只有嗜热芽孢杆菌继续活动。,发热阶段,高温阶段,降温和腐熟保肥阶段,1.高温对堆肥快速腐熟其重要作用，此阶段开始出现腐殖质；2.高温有利于杀死病原生物,微生物活性下降，热量,减少，嗜中温菌优势生,长，堆肥进入腐熟阶段,一、好氧堆肥的影响因素,三 堆肥处理技术的影响因素,环境温度：,有机质含量：20-80%为宜。太低，升温慢，太高，供氧不足（发臭）,水分：50-60%为宜。过高，氧不足,碳氮比：初始30-35：1为宜。过高，缺氮，周期长，过低，氮损失。,碳磷比：75-150为宜。,酸碱度：中性或弱碱性。,通风供氧：动力供氧,影,响,堆,肥,的,因,素,（二）厌氧堆肥的影响因素,1.原料配比：厌氧发酵的碳氮比以20-30为宜。,2.温度：温度在一定范围内，越高产气量越大，能加速细菌的代谢。一般高温消化温度为55-60,3.pH：甲烷菌生长最佳pH6.8-7.5.,三 堆肥处理技术的影响因素,一、好氧堆肥系统可以分为：条垛式、通风静态垛式和发酵仓式,立式堆肥发酵塔,卧式堆肥发酵滚筒,简仓式堆肥发酵仓,箱式堆肥发酵池,堆肥发酵装置,四、好氧堆肥处理常用工艺,5-8天完成一次发酵,立式堆肥发酵塔,卧式堆肥发酵滚筒,箱式堆肥发酵池,四、好氧堆肥处理常用工艺,一、厌氧消化机理,厌氧消化食(anaerobic digestion)是在厌氧条件，有机废物通过厌氧微生物的代谢活动被分解转化，同时伴有CH4和CO2气体产生过程。,第三节 有机固体废弃物厌氧消化技术（略）,一、卫生填埋的分类和优缺点,卫生填埋法是在堆肥法的基础上发展起来的，其处理原理与厌氧堆肥原理相同，均利用好氧微生物、兼性厌氧微生物和厌氧微生物处理。,分类：,厌氧、好氧和准好氧方式,优点：结构简单、操作方便、投资少可产甲烷,缺点：分解速率慢,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,二、卫生填埋的微生物活动过程,（一）填埋场反应器生态系统的特征,1.层次结构明显,2.微生物起主导作用,3.是人工反应器生态系统,4.极度不均匀性,5.会产生环境污染物质,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,图 卫生填埋场示意图,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,填埋场生态系统,（二）卫生填埋的微生物活动过程,第一阶段调整期。新填埋的生活垃圾夹带着水分和新鲜的空气，其中氧气容易水形成溶氧，好氧生物首先利用溶氧进行好氧代谢，首先发生的是易降解有机物的好氧分解过程。代谢过程需要多种酶的协同作用及微生物的共代谢作用，其过程十分复杂。在好氧代谢过程中，温度明显上升。初期温度的升高有利于微生物活性的增强，但温度升高也会降低氧溶解度。,第二阶段过渡期，随着好氧代谢的进行，填埋层中的溶解氧不断被消耗，好氧环境逐步向厌氧环境转变。兼性厌氧微生物代谢活动的产物，如挥发性有机酸在滤液中出现并开始增加。,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,第三阶段产酸期。易降解天然多聚物如淀粉、蛋白质、脂肪等被胞外水解酶类催化水解成各自的单体。之后被产酸细菌吸收利用产生多种有机酸，例如，乙酸、丙酸、丁酸等是最常见的挥发性有机酸，另外还有乳酸、乙醇等，这导致了pH下降。,第四阶段甲烷发酵阶段。主要特征是大量生产CH,4,，并帮随着H,2,S的产生；氨基酸的脱氨作用导致NH3的增加，这引起pH回升至7.0左右。,第五阶段稳定期。此时易于利用的营养物质已基本耗尽，生物活性相对静止。,第三节 固体废弃物卫生填埋技术,第12章 废气污染控制微生物工程,废气主要来源,人类生产及生活中的燃料燃烧,生产活动，例如化工、冶金、生物制品、屠宰、污水处理及垃圾处理等工厂所产生的废气。,废气微生物处理原理,生物法净化处理废弃的三个阶段,1.气液转化，废气中的污染物与水接触并溶解，即由气模扩散到液膜；,2.生物吸附、吸收。溶解于液膜的污染物由于浓度差推动扩散到生物膜，然后被其中的微生物捕获并吸收,3.生物降解。微生物对污染物进行氧化分解和同化作用，污染物被作为能源和营养物质分解，最终转化成为无害的化合物。同时，生化反应的气态产物脱离生物膜，逆向扩散。,水吸收,有机成分,简单无机物,微生物吸,附降解,生物法净化工业废气的过程,净化后气体,有机废气,参与废气处理的微生物,处理废气的微生物,自养型,微生物,异养型,微生物,以CO2、CO32-等无机碳为碳源,以NH4+、H2S、Fe2+作为电子供体,自养型微生物适合进行无机物转化；,适合浓度不高的脱臭场合除去NH3和,H2S,以有机物作为碳源和能源，适宜于有机物,的分解转化,废气的处理,废气处理是环境污染控制的一个重要方面。,废气处理方法：,理化法：目前主要采用的方法，如燃烧、吸附、吸收和还原等。工艺或设备较复杂，运行费用较高；用于处理某些恶臭废气时，效果不甚理想。,生物法：具有处理效率较高、适应性较广、工艺较简单以及费用较省等优点。,废气的微生物处理,1957年在美国获得专利，1970年代引起重视，1980年代德国、日本、荷兰等国工业规模各类生物净化装置投入运行。,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90以上。,第二节 废气生物处理典型工艺,废气生物处理的特点,废气或尾气,(waste gas,，,off-gas),在生物反应器内进行。,挥发性有机化合物,(volatile organic compounds,，,VOCs,),以及其它有毒或有臭味的气体，如,NH,3,和,H,2,S,等。,化工、制药等行业产生的有害污染物,(hazardous air pollutants,，,HAPs,),以及堆肥厂、垃圾填埋厂产生恶臭,(odor),等。,去除效率高,空气污染物去除效率超过,90,。,投资少，运行费用低,不需要投入额外的化学品,;,化学法需加催化剂和氧化剂等，如次氯酸盐、过氧化氢、二氧化氯等。,污染少,产物为生物量，易处理。,耗能低,常温常压下进行，微生物利用,VOCs,产生能量。,消耗的动力只是污染气体进入处理系统时所消耗的能量,(,正压送风或负压引风,),。,废气生物处理的特点,水溶性强,向介质表面微生物膜扩散速率高；,主要有无机物如,H,2,S,和,NH,3,等、醇类、醛类、酮类以及简单芳烃,(,如,BTEX),等有机物。,易降解,容易降解，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。,适宜处理的污染气体应具有的特点：,二、废气生物处理的基本形式,根据介质性质不同，分为：,生物洗涤,(,bioscrubbing,),生物洗涤器,(,bioscrubber,),内是液态介质,生物滤过,(,biofiltration,),生物滤过采用是固态介质,生物滤池,(,biofilters,),生物滴滤池,(,biotrickling,filters),1生物滤池,生物滤池内的固态介质是一些天然材料，常用的固体颗粒有土壤和堆肥，这些材料为微生物的附着和生长提供表面，微生物可以吸收废气中的污染物将其转化为无害物质。,微生物滤池适用于,处理肉类加工厂、养殖场、污水处理厂和堆肥厂,等处产生的废气。,特点是浓度不高，带有强烈臭味。,滤料选择,堆肥,筛选，滤层均匀、疏松，空隙率,40,滤料保持湿润，滤层含水量不低于,40,，但不能有积水。,滤层保持适当的温度。,土壤,腐殖土，厚度不小于,50cm,，,土壤水分,40,70,，,草炭,通气良好，除臭效果好。,2生物滴滤池,生物滴滤池由箱体、生物活性床层、喷水器等组成。,废气经预处理室去除颗粒物和增湿后进入滤床底部。,滤料使用陶瓷、塑料等人工材料，颗粒状或有空隙的材料，床层厚度0.51.0m。,优点：,滤料重量轻、空隙大、表面积大、废气和介质接触时间短(几秒钟)，处理效率高，滤料不需更换。,处理的浓度100mg/m,3,5g/m,3,，流量550000m,3,/h。,应用,微生物过滤床已成功地用于化工厂、食品厂、污水泵站等方面的废气净化和脱臭。,污染物包括硫化氢、二硫化碳、苯乙烯、甲苯、丙烷、异丁烷、苯酚、乙醇、四氢呋喃、环已酮、甲基乙基甲酮等。,3生物洗涤,生物洗涤装置,洗涤器,生物反应器,两部分组成,吸收设备有喷淋塔、筛板塔、鼓泡塔等，吸收过程很快，停留时间约几秒钟；,生物反应器中可进行,好氧处理，活性污泥法和生物膜法，,停留几分钟至十几小时。,生物洗涤装置,循环废水的利用,可以直接进入吸收器重复使用；,经过泥水分离后再重复使用。,吸收液组成,：,微生物、营养物和水,；,适合处理水溶性强的气态污染物，如醇类、酯类、醛类和酮类等。,污水处理厂剩余活性污泥,配制混合液作为吸收剂可用于处理复合型臭气，特别能脱除很难治理的焦臭。,德国开发一套二级洗涤装置，臭气浓度由,1.1,10,-3,降低至,5,10,-5,，并且抗冲击负荷。,五、废气生物处理的基本条件,主要有水分，养分、温度、氧气(有氧或无氧)以及酸碱度等。,1水 分,微生物生命活动的必要成分；,吸收废气的溶剂。,采用土壤或堆肥等固态处理系统时，适宜的水分含量可保证氧与水分的供给。,5070为适宜的含水量。,通常预处理需要加湿，防止滤料变干。,2养 分,废气可为微生物提供一定的养分，,VOCs,可以提供碳源和能源，但是需要适当补足其它养分。,不同的处理工艺对养分控制有差异，例如生物滴滤池补充营养盐十分重要，但是堆肥生物滤池补给营养盐的次数可以减少，一年补给二次即可。,3温 度,废气生物处理多用中温条件(2535)，少用高温。,土壤或堆肥处理废气时通常采用自然温度，如果微生物分解基质放热造成温度过高则需采取降温措施。,4氧气,废气处理多用异养型好氧微生物,；,氧的供给量与供给方式对处理效率的影响很大，微生物数量、基质浓度和温度等因素也会影响供氧。,少数厌氧条件，例如着色菌处理硫化氢，则需控制无氧条件，以氨气取代反应系统的氧气。,5、酸碱度,以中性或微碱性为宜。,废气生物处理中的细菌多数适应于中性至微碱性环境，只有少数种类对酸碱度要求比较特殊，,例如氧化硫硫杆菌最适pH为2.62.8，最低为pH1.0，最高为pH4.06.0。,第三节 微生物处理在大气污染治理中的应用,一、微生物烟气脱硫技术,（一）微生物烟气脱硫机理,微生物参与自然界硫循环的各个过程，并从中或得能量，可以利用微生物的这一特点进行烟气脱硫；,特点：不需要高温、高压及催化剂，均为常温常压下操作，操作费用低，设备简单，营养要求低，无二次污染。,1.微生物间接氧化,在有氧条件下，通过脱硫微生物的间接氧化作用，将烟气中的SO2氧化成硫酸，微生物从中获取能量。,SO2 SO2-O2 2O2-SO2-+O2 SO32-,3SO32-+O2+2H2O 3SO42-+2H+能量,一、微生物烟气脱硫技术,2.异化硫酸盐还原,硫酸盐还原菌等微生物利用有机物作为电子供体，以亚硫酸盐和硫酸盐作为最终电子受体并将其还原为硫化物，这一过程称为异化硫酸盐还原。生成的H2S等硫化物可作为硫杆菌和光合细菌的电子的电子供体，在这些自养菌体内被氧化为元素硫和硫酸盐。,2SO,2,+O,2,+H,2,O 4H,+,+2SO,4,2-,2CH,3,CHOHCOO,-,+SO,4,2-,2CH,3,COO-+2CO,2,+S,2-,+2H,2,O,3.微生物和铁离子体系共同催化氧化,自然界中一些微生物如氧化硫杆菌和氧化亚铁硫杆菌等可以在酸性条件下快速将Fe2+氧化成Fe3+、将SO32-氧化成SO42-。,2SO2+O2+2H2O 2H2SO4,Fe（SO4)3+SO2+2H2O 2FeSO4+2H2SO4,一、微生物烟气脱硫技术,（二）参与烟气脱硫的微生物（略）,（三）微生物烟气脱硫的主要方法和工艺,连续发酵法,溶解,SO2,生物去除法,固定化细胞生物法,化学,-,生物处理法,铁离子催化法,一、微生物烟气脱硫技术,二、NOx的生物净化技术,1.含NOx废气生物净化的原理,生物法净化NOx废气利用了异养反硝化菌呼吸作用。在反硝化过程中，NOx通过反硝化细菌，经分解代谢被转化为N2，通过合成代谢被还原为有机氮化物，而成为菌体的一部分。,NO N2,NO3-+e NO2 N2,氧化氮还原酶,硝酸盐还原酶,亚硝酸盐还原酶,废气处理过程：1.传质过程和生化反应过程，即NOx由气相转移到液相或,固相的液膜中2.在液相或固相表面被微生物净化。,2.NOx废气生物净化的主要方法和工艺,固定式反应器,悬浮式反应器,二、NOx的生物净化技术,三 微生物除臭技术,（一）微生物除臭机理,除臭三步骤：1.部分臭气由气相扩散进入液相；2.溶于液相中的臭气成分被微生物吸收，不溶于水的部分被微生物吸附，由微生物分泌的胞外酶分解为可溶性物质后渗入细胞；3.臭气进入微生物细胞后，作为营养物质为微生物所分解，利用，使污染物得以除去。,不含氮有机物(苯酚、甲醛）分解成CO2和H2O,含氮的有机物NH3NO2-、NO3-,含硫恶臭物质H2SH2SO4,