[化学]第三章 固体废物处理与微生物.ppt

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1、第三章 固体废物处理与微生物,第一节 概述,危险废物：有毒、易燃易爆、腐蚀性、化学反 应、传染性废物；2009年 1429.8万吨 医疗废物：68万/年,电子废物：含有重金属、卤族化学物质等有毒有害物；从2003年起，我国每年至少有500万台电视机、400万台冰箱、500万台洗衣机面临报废。有500万台电脑和上千万部手机已进入淘汰期对废旧家电产品较为通用的处理方法是局部拆解，然后对拆解的零部件进行分类利用,工业废物：工业固体废弃物的组成大致如下：尾矿29%、粉煤灰19%、煤矸石17%、炉渣12%、冶金废渣11%、危险废弃物1.5%、放射性废渣0.3%、其它废弃物10%。2009年2.0409万

2、吨综合利用率达53.5%,全国工业固体废物产生及处理情况(单位：万吨),城市生活垃圾：2007年3亿吨，每年以10%的速度增加历年的存量垃圾60亿吨城市无害化处理70%县城30%,农业废弃物：,第二节 堆肥化,1、好氧堆肥化概念：使有机废弃物在好氧条件下通过微生物的作用，达到稳定化、转变为有利于土壤性状改良并对作物生长有益和容易吸收利用的有机物的方法,有机废物中可能存在的问题,可能混入重金属、有机氯化物等 有害物质可能混杂有病原性生物及杂草种 子可能存在过多易分解的有机物，而对作物生长有害,容易发生腐败和恶臭含水量太高pH较高作物难以吸收利用,堆肥材料的配合比例,植物残体 100份人畜粪尿 1

3、020份石灰（或草木灰）25份水 100200,堆肥条件,水分：堆肥水分以6075最好 通气：通气是使堆肥产生高温，达到无害化的重要保证。堆积时不宜太紧也不宜太松。温度：应保持堆肥温度5565一个星期，促使高温性微生物强烈分解有机物后，再维持中温4050，以利于纤维素分解，促进氨化作用和养分的释放。酸碱度(pH值)：pH68,堆肥的生物学过程,发热阶段中温好氧的细菌和真菌利用易分解的可溶性物质，如淀粉、糖类,高温阶段堆温50，好热性的纤维素分解菌逐渐代替中温性微生物的活动，可溶性物质，如淀粉、糖类继续被分解外，纤维素、半纤维素等也开始受到分解,50 左右，嗜热性真菌和放线菌60 左右，真菌几乎

4、完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌继续活动70 左右，大多数嗜热性微生物已不适宜活动，或相继大量死亡，或进入休眠状态,高温对堆肥的快速腐熟起着重要作用高温对杀死病原微生物是极其重要的,降温和腐熟保肥阶段,大部分有机物（包括纤维素）已分解，仅剩下木质素以及新形成的腐殖质中温性的微生物占优势，残余物质进一步分解，腐殖质不断积累，堆肥进入腐熟阶段保存腐殖质和N素等植物养料,堆肥中的微生物相变化,以一年生植物残体为主要原料细菌、真菌纤维分解菌放线菌能分解木质素的菌类,剩余污泥为材料的堆肥堆制前：优势菌（细菌）30天堆制后：氨化细菌和脱氮细菌明显增加60天后，各类微生物的菌数都下降了,城市垃圾的堆肥：

5、细菌占优势，放线菌更少,堆肥中的有机物浓度的变化,易分解的有机物（碳水化合物、蛋白 质、脂肪）：3天14天难分解的有机物（纤维素）：2040天,2、厌氧堆肥法,概念：是在不通气条件下，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸杆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。特点：堆温低，周期长,第三节 卫生填埋,1、概述上世纪60年代发展起来的一种固体废弃物处理方法优点投资少、容量大、见效快将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋垃圾层2.5-3m,每层必须压实覆土2030cm,2、填埋坑中微生物的活动过程,好氧分解阶段厌氧分解不产甲烷阶段:硝酸根河硫酸根厌氧分解产

6、甲烷阶段稳定产气阶段,3、填埋场渗沥水4、填埋场气体收集最旺盛时期5年内40%-50%的二氧化碳和30%-40%的甲烷,第四节 沼气发酵,1、概述（一）沼气发酵的意义：充分发挥了生物物质所具有的饲料、燃料和肥料三个功能，不但促进了农村经济的发展，还能达到改良土壤、提高肥力和降低病虫害等效果。“三合一”生产模式：在日光温室这一人为的生态系统内，把种植、养殖、粪便处理和利用三者组合在一起，使农业生产、饲料消费和废物再生，利用各环节之间发生循环，产生最高的经济效益和生态效益；其具体结构由 薄膜盖的大温室、太阳能暖圈和建于暖圈下的沼气发酵池3部分组成。,三个阶段（三段说或三菌群说）甲烷发酵理论先后提出

7、了二阶段、三阶段和四阶段发酵理论。目前应用较多的是三阶段、四阶段的发酵理论：,2.甲烷发酵理论,第一阶段：有机酸的产生,水解和发酵性细菌群将复杂有机物转化成有机酸：纤维素、淀粉等水解为单糖，再酵解为丙酮酸；将蛋白质水解为氨基酸，脱氨基成有机酸和氨；脂类水解为各种低级脂肪酸和醇，例如乙酸、丙酸、丁酸、长链脂肪酸、乙醇、二氧化碳、氢、氨和硫化氢等。,微生物群落是水解、发酵性细菌群，有专性厌氧的:梭菌属(Clostridium)拟杆菌属(Bacteriodes)丁酸弧菌属(Butyrivibrio)真细菌(Eubacterium)双歧杆菌属(Bifidobacterium)革兰氏阴性杆菌兼性厌氧的有

8、:链球菌肠道菌,据研究，每mL下水污泥中含有水解、发酵性细菌108109个，每克挥发性固体含10101011个，其中蛋白质水解菌有107个，纤维素水解菌有105个。,第二阶段：乙酸和氢气的产生,微生物群落：微生物群落为产氢、产乙酸细菌；只有少数被分离出来。硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌；,第二阶段：乙酸和氢气的产生,产生过程产氢和产乙酸细菌群进一步把第一阶段的产物分解为乙酸和氢气；硫酸还原菌和其他产乙酸和氢气的细菌将第一阶段发酵的三碳以上的有机酸、长链脂肪酸、芳香族酸及醇等分解为乙酸和氢气。,微生物：两组生理不同的专性厌氧的产甲烷菌群一组将H2和CO2合成CH4或CO和H2合成CH4；另一

9、组将乙酸脱羧生成CH4和CO2；或利用甲酸、甲醇、及甲基胺裂解为CH4。,第三阶段：甲烷的产生,研究表明：,有28的甲烷来自H2的氧化和CO2的还原。72的甲烷来自乙酸盐的裂解。由于大部分甲烷和二氧化碳逸出，氨(NH3)以亚硝酸铵(NH4NO2)、碳酸氢铵(NH4HCO3)形式留在污泥中，它们可中和第一阶段产生的酸，为产甲烷菌创造了生存所需的弱碱性环境。氨可被产甲烷菌用作氮源。,第四阶段：同型产乙酸阶段,概念：同型产乙酸细菌将H2和CO2转化为乙酸的过程，称为同型产乙酸阶段（只占5%）；产甲烷菌只能利用H2、CO2、CO、甲酸、乙酸、甲醇及甲基胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质。,3.甲烷

10、产生的机制：,由酸和醇的甲基形成甲烷。,14CH3COOH,414CH3OH,14CH3OH+CO2,314CH4+CO2+2H2O,施大特曼(stadtman)和巴克尔(Barker)及庇涅(Pine)和维施尼(vishhnise),1951和1957年用14C示踪原子标记乙酸的甲基碳原子,证明甲烷是由甲基直接形成,1949年，施大特曼和巴克尔于用同位素14CO2使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素14C的甲烷，证明甲烷可由CO2还原形成。,由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸,2CH3CH2OH+14CO2,14CH4+2CH3COOH,2C3H7CH2OH+14CO2,14CH4+2C3H

11、7COOH,脂肪酸有时用水作还原剂或供氢体产生甲烷,2C3H7COOH+CO2+2H2O,CH4+4CH3COOH,1906 年索根(Soehnge，)及费舍尔(Fisher)观察到：,利用H2使CO2还原形成甲烷,4H2+CO2,CH4+2H2O,在H2和H2O存在时，巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkerii)与甲酸甲烷杆菌(Methanobacterium formicicum)能将CO还原形成甲烷。,3H2+CO,巴氏甲烷八叠球菌,CH4+H2O,2H2O+4CO,甲酸甲烷杆菌,CH4+3CO2,非产甲烷细菌发酵细菌群产氢产乙酸细菌群同型产乙酸细菌群,4.沼气发酵

12、微生物,产酸发酵代谢产物NADH/NAD+调节,非产甲烷细菌缺乏电子传递系统碳水化合物经EMP途径产生的NADH+H+一般均可通过与一定比例的丙酸、丁酸、乙醇及乳酸等发酵相偶联而得以氧化为NAD+NADH+H+的反馈抑制或阻遏作用能减缓糖酵解速率乙酸的产生并不能使发酵过程中产生的“多余”NADH+H+氧化,丙酸发酵对NADH+H+的氧化最为有利同时，乙酸的大量产生将导致氢分压较高氢分压高于0.01kPa时，丙酸的产氢产乙酸过程受阻因此导致丙酸积累，抑制产甲烷细菌的活性，甚至导致死亡即“酸化”,产甲烷细菌产甲烷细菌的生理特征严格专性厌氧生长特别缓慢对环境影响非常敏感属于古细菌分离培养比较困难,产

13、甲烷细菌的分离A、分离产甲烷细菌应具备的条件：氧化还原电位很低；向容器充入H2和CO2。B、分离产甲烷细菌的基本要点：在完全无氧的条件下制备培养基往培养基里加还原剂树脂天青,在无氧条件下分装试管滚管产甲烷细菌的形态特征杆状、球状、螺旋状和八叠状不形成芽孢,产甲烷细菌的营养特征碳源：CO2、甲醇、甲胺乙酸都能利用NH4+需要某些维生素，尤其是B族维生素 需要某些微量元素,一般将产甲烷细菌分为：氧化氢产甲烷细菌（HOM）氧化氢利用乙酸产甲烷细菌（HOAM）非氧化氢利用乙酸产甲烷细菌（NHOAM),5.沼气发酵的微生物生态学,非产甲烷细菌与产甲烷细菌之间的相互关系前者为后者提供生长繁殖的底物前者为后

14、者创造了适宜的氧化还原电位前者为后者清除了有毒物质后者为前者的生化反应解除了反馈抑制二者共同维持环境中的适宜的pH值,产甲烷细菌的生态 产甲烷细菌的分布:极为广泛，与氧气隔绝，而且无硫酸盐的环境。如海底沉积物、河（湖）底淤泥、沼泽地水稻田以及反刍动物的瘤胃,产甲烷细菌在厌氧反应器中的数量产甲烷细菌的数量与甲烷产量成正比关系105108个/ml,沼气发酵中的微生物优势种群的演替,发酵细菌、HPA、HOMA、HOM、HOAM,HOM、HOAM,NHOAM、HOM,6.沼气发酵工艺学,沼气发酵的工艺条件及其控制严格厌氧条件发酵原料A、原料种类：除矿物油和木质素外，牲畜粪、秸秆、污泥；酒厂、抗生素厂、

15、酵母厂的废水、制酱油、制豆腐、洗毛、和纸浆的废水不溶性物质需要粉碎,B、原料堆沤纤维素原料进行预先堆沤的优点：原料中大分子物质经过细菌分解变成小分子物质纤维素变松散，扩大细菌的接触面含水量加大，比重增加堆沤后高温杀死病原菌和寄生虫卵体积缩小，便于装池缺点：消耗部分有机物和热量,C、原料的碳氮比 20-30：1碳氮比35：1产气量明显下降碳氮比16：1产气量甚至更低,D、原料干物质浓度及其基质的消耗与补充：干物质的浓度为7-10%夏天7%，冬天10%过高的氨态氮和挥发酸抑制产甲烷细菌；过低造成营养不足加进新鲜原料和排除废料的速度一致（按体积或重量计算）,发酵温度：45-60为高温；30-45 中

16、温发酵；农村自然温度发酵温度的突然升降对产气量有明显的影响保温措施：建于背风向阳处，冻土层以下，上面覆盖，出料口不能过大，口要加盖保温修建在猪圈厕所下利用太阳能保温,pH：6.5-7，发酵过程中自然平衡pH调节：稀释发酵液；加草木灰或氨水；石灰水调节,搅拌：搅拌的目的使原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量连续搅拌的情况下产气增加80%；搅拌采用机械、气体和液体搅拌,压力农村多数为水压式沼气池沼气发酵与池内压力有密切关系压力过高时产气速度减慢,接种物：阴沟污泥、粪坑底污泥、沼气池的消化液添加剂和抑制剂添加剂：纤维素酶；少量的钾、钠、钙镁；牛粪为原料的池中加尿素、碳酸钙

17、；通入氢气或添加甲醇乙酸钠抑制剂：过高浓度的氨态氮；农药；金属离子,沼气发酵工艺过程按发酵温度划分高温沼气发酵工艺：47-55中温沼气发酵工艺：35-38 自然温度沼气发酵工艺,配料池,发酵池,大换料,原料预处理,阴沟或粪坑污泥,定期出料,作肥料,定期添加料,农村沼气发酵大体工艺流程,按发酵方法划分连续沼气发酵,菌种富集,投料,发酵产气,连续出料,连续进料,半连续沼气发酵,原料预处理,投料,大出料,发酵产气,每天或定期进料,定期进料,批量发酵,原料预处理,投料,发酵产气,大出料,第五节 大气污染的微生物处理,1、微生物吸收法利用微生物、营养物和水组成的微生物吸收液处理废气装置：吸收器和废水反应器,2、微生物洗涤法3、微生物过滤法堆肥滤池土壤滤池微生物过滤箱,