19环境生物技术 第七章 固体废物的生物处理技术.docx

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19环境生物技术第七章固体废物的生物处理技术

第七章固体废物的生物处理技术

第一节固体废物的概念

——”放在错误地点的原料“

人类在生产与生活中产生的，生产者在一定时间和地点不再需要而丢弃的固体、半固体和泥状物质。

并不意味其没有利用价值，事实上，废与不废是一个相对的概念，它与当时的社会发展阶段，技术水平与经济条件等等密切相关。

特别是自20世纪中期以来，随着资源的大量消耗而导致的资源枯竭以及环境恶化给人类带来的巨大压力，人们逐渐认识到固体废物的再利用性，所以固体废物又有二次资源（Secondaryresourses），再生资源（renewableresourses）等称谓，并将固体废物视作第二矿业（Secondarymining），固体废物工程也发展成为一门新兴的应用技术型学科，即再生资源工程。

特点：

无主性、分散性、危害性、错位性

基本上包括了固废的所有形态

一、固体废物的涵义

Solidwaste描述人类丢弃的东西，一般包括厨余物，垃圾，污泥，有害废物等，但是不包括放射性废物和原位采矿废物

Refuse垃圾，涵义接近前者，但是一般指生活产生的固废

Residue一般指生产中产生的固废，也叫废渣

Rubbish垃圾，一般包括在refuse中，来源于生活家庭，机关，商业等

Garbage厨余物，特指生的或者熟的食品残余

二、固体废物的来源

固体废物来源于人类的生产与消费活动。

来源复杂（各行各业，各种生产和生活活动），种类繁多（几乎包括一切成形物质）。

一般将其来源概括为两大类：

生产废物和生活废物。

生产废物

不能完全利用的资源:

最典型的有冶金、化工、电力、煤碳等行业产生的废渣砷渣、铬渣、铍渣、铊、汞渣、镉渣、铅等。

超过使用寿命的产品:

特别是电子垃圾

生活废物

生活活动产生的垃圾（Trash），每年以8-10%速度增加。

•城市生活垃圾

–1995年己超过1亿t，每年增长10％（全世界平均年增长速度8.42％）。

无害化处理的不足10％。

•污水处理厂干污泥

–每年产生约2×105t，以湿污泥计约为（38~50）l05t，且以每年20％的速度增长。

•农业废弃物

–作物秸秆、草木枝叶、人和畜禽粪便等。

作物秸秆每年产量约（5~6）l08t。

（薪柴、就地焚烧）

–集约化畜禽生产，粪便年排放量约18.8×108t。

三、固体废物的分类

我国目前分为四类：

工矿业固体废物，农业固体废物，城市生活垃圾及放射性固废（须专门管理）。

一般按来源分为：

Ø工业废物（industrialsolidwastes）：

冶金、交通、化工、能源、矿业、轻工业及其它

Ø城市垃圾（municipalsolidwastes）：

生活、商业、建筑、粪便

Ø农业固体废弃物（agriculturalsolidwastes）：

农、林、牧、渔

Ø放射性废物（radiologicalsolidwastes）：

放射性矿物、核工业、同位素加工、科研单位、医疗单位

按危害性分为有毒有害性和无毒无害性

Ø有毒有害固废（hazardouswastes）：

除放射性废物外，具有直接毒害，即有毒性、易燃性、反应性、腐蚀性、爆炸性、传染性的废物如：

医药废物、木材防腐化学品、废燃油、含Be（铍）、As、Cd、Hg、Te、Tl、Pb及含氰、酚、醚、多氯苯、二恶英

四、固体废物对环境的污染危害（pollutionhazard）

侵占土地

污染土地

污染水体

污染大气

影响环境卫生

（1）侵占土地

•据估算，每堆积1万吨废物，占地需0.067hm2。

•我国工矿业固体废物累计堆放量达60亿吨，占地5万多公顷。

•另据《2001年全国环境状况公报》公布，我国已有三分之二的城市处于垃圾包围之中，垃圾堆存占地累计达75万亩。

（2）污染土地

•主要通过淋滤作用和细菌分解进入土壤，一方面污染土壤，一方破坏土壤的生态平衡。

•70年代，美国的密苏里州，将混有一种有机有毒化学污泥废渍的沥青铺路，造成土壤中深达60cm的污染，致使大批牲畜死亡，人产生各种怪疾，后美国环保局花3300万美元，买下该城镇的全部地产，居民搬适，并给予赔偿。

•80年代,内蒙古某尾矿堆污染大片土地,造成整个村庄被迫搬迁.

（3）污染水体（contaminatedwaterbodies）

•主要通过浸渍、渗滤作用与细菌分解作用进入水体。

•美国的罗芙运河（LoveCanal）事件

–1930－1953年，美国胡光化学工业公司在纽约州尼亚加拉瀑布附近的罗芙运河废潭谷填埋了2800多吨桶装有害固废，1953年填平覆土，在上面兴建了学校和住宅。

–1978年，由于大雨和融化的冰雪造成有害废物外溢，以后，陆续发现该地区井水变臭，婴儿畸型，居民身患怪疾。

–检测结果发现：

该地区大气中有害物浓度超标500多倍，有毒物质82种，致癌物质11种。

由此，总统颁布紧急法令，封闭住宅，关闭学校，居民全部迁居，拨款2700万元补救治理。

•我国一家铁合金厂其铬渣堆场缺乏防渗措施，6价铬污染了20多km2的地下水，致使7个村1800多眼井无法饮用，工厂先后花费7000万元用于赔款和补救。

•我国某锡矿：

含砷废渣长期堆放，渗滤污染水井，曾一次造成308人中毒，6人死亡。

（4）污染大气

•主要通过漂逸扩散、焚烧处理进入大气

–尾矿库（坝）的扬尘，甚至能形成局部沙尘暴；

–运输过程中产生的有害气体和粉尘；

–污泥和垃圾中的尘粒及臭气；

–一些有机固体废物,在适宜的温度和湿度下被微生物分解,能释放出有害气体;

–固体废物焚烧引起的二恶英污染。

（5）影响环境卫生

主要是感官污染并引起疾病传播

我国生活垃圾,粪便的清运能力不高,无害化处理率低，很大一部分垃圾堆存在城市的一些死角，严重影响环境卫生，对人们的健康构成潜在的威胁．

五、固体有机废物的处理和处置原则

资源化、无害化和减量化

1资源化有机固体废物被称为“放错地点的原料”，为“二次资源”或“再生资源”，可用于生产生物能源、生物肥料和饲料。

2无害化杀灭或去除固体废弃物中的病原菌、害虫和寄生虫（害虫和寄生虫卵）、杂草种子和有害化学物质，处置过程需符合国家的无害化标准。

3减量化经过最终处理、处置的部分能减量到最少的程度。

（1）无害化（Detoxification）

经各种处理后，达到不损害人体健康、不污染周围的环境（包括原生环境与次生环境）。

所谓“害”，应包括两个方面的含义：

–对人和动物的直接危害如传播疾病，引起火灾

–对环境的危害如占用土地，污染土壤，水体和空气

废物残渣最终处置方法的选择

–孤岛处置、极地处置或深地层处置；

–排入海洋或其他大的水域；

–在地面上进行处置

固体废物的土地填埋

卫生填埋及安全填埋---适合我国国情的处置技术

（2）减量化（Minimization/reduction）

---减少固体废物的产生量

•通过适宜手段使固废的容积降到最低值（针对生活垃圾）。

–如采用破碎和压实，压缩比可达5～10。

•减少污染源的废物产生量是解决固废问题的最佳方案

–改变生产过程

–革新生产工艺

–重新调整化学品的配方

–无害化学品替代有毒化学品

–简化操作和改善运行管理

清洁生产

国际定义

借助此生产方法，所有的原料和能量在原料资源—生产—消费—二次原料资源的循环中得到合理和综合利用，同时对环境的任何作用都不致破坏它的正常功能。

目的：

解决自然资源的合理利用和环境保护问题。

现阶段定义

　该生产方法的实际活动对环境所造成的影响不超过允许的环境卫生标准；同时由于技术、经济、组织或其它方面的原因，部分原材料可能转化成长期存放或埋藏的废料。

实现清洁生产的主要途径

－原料的综合利用

－改革原有工艺或开发全新流程

－实现物料的闭路循环

－工业废料转化成二次资源

－改进产品的设计，加强废品的回收利用

（3）资源化（reclamation）

---废物的再循环利用，回收能源和资源

•天然资源是不可再生的

–一般，社会需要的最终产品仅为原料的20～30％，70～80％成为废物。

资源化

基本任务是采取工艺措施从固体废物中回收有用的物质和能源。

定义：

废物的再循环利用，回收能源和资源

•资源化的经济效益又是非常明显的。

•资源化应该遵循的三个原则

•大宗利用原则

•多用途开发原则

•高附加值产品原则

•资源化一般处理技术

第二节固体废物的处理处置技术

处理方法（processing/treatmentmethod）

预处理

分选

脱水

生物处理

焚烧处理

热解处理

化学处理

海洋处置

陆地处置

处置方法（disposalmethod）

一、固体废物处理方法Treatmentmethodsofsolidwaste

（1）物理处理：

不改变固废的成分，仅改变固废结构的处理方法，如破碎、压实、分选等；

（2）化学处理：

将固废中的有害成分转变为无害的处理方法，如氧化、还原、化学沉淀等；

（3）生物处理：

利用微生物分解固废中的有机物使之达到无害的处理方法，如堆肥等；

（4）热处理：

采用高温破坏和改变固废的组成和结构，可同时达到减容、无害和热利用的目的。

如焚烧、热解等；

（5）固化处理：

采用固化基材将固废固定或包覆以降低其危害的方法，如水泥固化、沥青固化。

二、固体废物的预处理技术

三、固体废物的分选技术——资源化的基础

四、处理有机固体废物的方法

主要有堆制法、厌氧消化法、填埋法和焚烧法

固体废物的处置方法

处置即最终处置（finaldisposal），或安全处置，是固体废物污染控制的末端环节，是解决固体废物的归宿问题

方法有：

海洋处置和陆地处置两种：

•海洋处置（seabeddisposal）：

海洋倾倒和远洋焚烧

•陆地处置（landdisposal）：

土地耕作，工程库或贮留池贮存，土地填埋（安全、卫生）和深井灌注等。

海洋倾倒

实际上是选择距离和深度适宜的处置场，把废物直接倒入海洋。

对海洋处置的两种观点：

一是海洋具有无限的容量；二是持续下去将造成海洋污染、杀死鱼类、破坏海洋生态。

注意问题

　对生态环境影响如何；　

　同其他处置方法相比是否经济可行；　

　是否满足有关海洋法规的规定。

　为防止海洋污染需对海洋倾倒进行科学管理。

远洋焚烧

•用焚烧船在远海对废物进行焚烧破坏，主要用来处置卤化物，冷凝液及焚烧残渣直接排入海。

•焚烧设施：

船舶、平台或其他人工构筑物

•与陆上焚烧区别

　　　含氯有机物完全燃烧产生的水、二氧化碳及氯化氢以及氮氧化物，由于海水本身氯化物含量高，并不会因为吸收大量氯化氢而使其中的氯平衡发生变化。

此外，由于海水中碳酸盐的缓冲，也不会因吸收氯化氢使海水的酸度发生变化。

第三节堆制处理

一、堆制的概念及其优缺点

1、堆制（Composting）的概念

堆制处理是利用多种微生物人为地促进生物来源的有机废物好氧分解和稳定化的过程。

堆制处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质，故又称为堆肥（Compost）。

好氧堆制定义的含义

原料为可生物降解废物，固体或半固体；

Ø传统：

秸秆、落叶、野草和禽畜粪便堆积发酵制作肥料。

本世纪20年代后：

生活垃圾、污水污泥、人和禽畜粪便以及农林废物等人工控制下进行；

Ø传统:

手工操作和自然堆积方式，并依靠自发的生物转化作用，发酵周期长，处理量小

Ø本世纪20年代后；出现了机械堆制技术

多种微生物联合作用实现，不同阶段，不同的微生物起主导作用。

•堆制过程好氧、放热，为稳定化过程；

•能杀死病原菌和寄生虫和害虫卵，达到无害化、安全性；

2、堆制处理的优点

1有机废物分解并达到稳定化

易腐败的有机废物和有毒废物被转化为比较稳定的物质，体积大大缩小（40％~60％干有机质被分解），便于处置和运输。

有毒化学品（如农药）形成腐殖质，消除毒性。

2干化作用

人粪尿、动物粪便和污泥含水达80％~95％，经过堆制处理，大大降低其含水率。

3杀灭有害生物

–堆制过程释放大量热能，堆温较高。

据测定，60~70℃维持3d，可使脊髓灰质炎病毒、病原细菌和蛔虫卵失活。

–堆温50~60℃，持续6~7d，即可杀灭病原和虫卵。

4堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂

3、堆肥处理存在的问题

1堆肥质量不易稳定；

2原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难；

3物料温度不均匀；

4受社会、文化、经济因素的影响；

二、好氧堆制的微生物学过程

1、微生物学过程及特点

根据温度变化和微生物生长情况，分为潜育期、中温期、高温期、腐熟期四个时期

1）潜育期（latentphase）

物料中带入的微生物刚进入一个新环境后的一段调整适应时期。

在该时期，微生物基本上不生长繁殖，堆温基本上没变化。

2）中温期（mesophilicphase）

中温型好氧微生物为主，大量生长繁殖，最常见的是无芽孢细菌、芽孢细菌和霉菌等；

分解易降解的有机物（如简单糖类、淀粉、蛋白质等），产生大量热能，堆温不断升高，直至达到50℃左右，这一过程也称升温期，或称发热阶段。

3）高温期（thermophilicphase）

中温期后期，温度上升至65~70℃甚至更高，即进入高温期。

是有机质的分解和有害生物的杀灭最有效的时期。

–腐殖化过程；

–高温型好氧微生物成为优势种。

主要是好热性细菌、放线菌和真菌的一些种群；

–杀灭病原生物，50~60℃持续6~7d，可有效杀灭虫卵和病原菌。

4）腐熟期（maturationphase,curingphase）

腐熟期内，中温型微生物又成为优势微生物类型。

残余有机物被分解，腐殖质不断积累，堆制处理进入。

有机质的分解量较小，过程较缓慢，有利于腐殖化。

一些复杂的有机质与铁、钙、氮等物质相结合形成腐殖质胶体（humiccolloids），完成了有机质的分解和再合成过程。

堆温回复到40℃左右时，表示物料已基本达到稳定，基本达到腐熟的程度，可以便用或用于配制复合肥料的原料。

2、腐熟堆肥的特征

1表面呈白色或灰白色，内部呈黑褐色或棕黑色：

2秸秆和粪块等完全腐熟，质地松软，无粪臭，散发出泥土气味，不招引蚊蝇；

3pH8-9，呈弱碱性。

三、堆制过程中的生物及其演替

1．一般规律

•参与的主要是微生物，包括：

–细菌（含放线菌）

–真菌

–原生动物等类群

–一些无脊椎动物如线虫、蚯蚓、螨类等。

微生物群落的变化规律

1）中温型细菌（含放线菌）和真菌首先起作用，

2）50℃左右，高温菌出现，嗜热性真菌和细菌（放线菌）为主。

堆温60℃时，真菌几乎完全停止活动，嗜热性放线菌与细菌继续活动。

–高温细菌主要是芽孢细菌属、高温放线菌属。

3）65~70℃时，大多数嗜热性微生物也无法生活，或死亡，或休眠。

4）最后，温度下降，放线菌重新定殖成为优势菌群，堆肥表面呈现白色或灰色。

蛋白质分解产生的氨转化为硝酸盐的过程主要在腐熟期进行。

堆制过程中的食物链

•第一级消费者是细菌、放线菌和真菌，其中以细菌数量最多分解最快，放线菌在易降解物质下降水分减少时更为显著，真菌更耐低水分、低pH和低氧条件，容易降解木质材料和难降解材料。

•第二级消费者是螨类、甲虫幼虫、线虫、原生动物和轮虫等，它们以第一级消费者为食。

•第三级消费者是蜈蚣、隐翅虫和蚂蚁等，它们捕食第二级消费者。

2．特殊规律

•农业废物以植物残体为主，堆制过程中的微生物相：

–细菌、真菌→纤维分解菌→放线菌→能分解本质素的微生物

•城市污水处理厂剩余污泥、城市生活垃圾堆制过程中，厌氧菌和脱氮菌很多。

•细菌与放线菌数量之比可作为堆肥腐熟的指标之一。

四、影响堆制过程的因素

影响堆制过程的因素有物料的有机质含量、营养平衡、通气量、水分、温度和粒径等。

1.有机质含量

●静态发酵工艺，物料含20％~40％有机质为宜

●有机成分>60％，采用动态发酵工艺；

2、营养平衡

•碳氮比（C/N）是营养平衡最重要的参数之一。

Ø物料最佳的C/N为25~35之间为宜，

–物料C/N>35，会延长堆制的时间。

–原料C/N<5，氮素会转化为氨逸出，特别是在高温、高pH值和强制通气的情况下氮的逸失更为严重。

•碳磷比（C/P）也很重要。

Ø适宜的C/P为75~l00。

原污泥的C/P低，需和其它原料配合。

堆制过程中，物料的C/N逐渐降低。

腐熟堆肥的适宜C/N应为10~20。

3、通气量

•通氧的作用

–充氧，调节堆温和排除过多的水分的作用。

•通氧方式：

–人工或机械进行间隙或连续翻料；

–在堆肥中作通气孔道；

–最有效的供氧方式是强制性机械通风，即用泵将空气压入或抽出肥堆。

4、水分

•含水量在50％~70％，以60％为宜。

•若有机质含量高，含水量应高一些；

•有机质含量低，含水量应低一些。

5、温度

•两个主要作用：

1提高有机物分解速度

2杀死物料中病原体。

•堆制过程的适宜温度较宽，约为35~55℃。

35℃以下发酵速度不高，45~55℃发酵速度增加较快，超过55℃，发酵速率减缓，超过65~77℃发酵作用微弱。

•对大部分病原体来说，超过50℃就会失活。

一般温度控制在55℃。

6、粒径

•颗粒空隙可为堆制过程提供充足的氧气。

间隙大小取决于颗粒的结构强度：

Ø麦类秸秆等硬质原料的粒径应小一些，一般为1~2cm；

Ø蔬菜等质软原料的粒径应大一些；

Ø人粪尿、动物粪尿、污泥等颗粒细的物质，应添加锯末、稻草、稻壳等膨松剂，既减少容重，又增加物料的空隙率，还调整了C/N。

五、堆制工艺

固体废物堆制处理的工艺类型很多：

操作是否连续

间歇式堆制

连续式堆制

反应器特点

非反应器型：

静态堆制工艺

反应器型：

机械搅拌式、立仓式堆制工艺、滚筒式堆制工艺等

反应器型堆制发酵一般分两阶段，第一阶段高温发酵，发酵结束以后移出反应器进行二次发酵（熟化）。

1、静态堆制工艺（staticcomposting）

•静态堆制工艺又称为常规堆制工艺（conventionalcomposting）

Ø我国长期使用的一种有机肥堆制法；

Ø原料预处理，调整含水量和C/N；

Ø垃圾70％~80％与20％~30％的稀粪混合，条形堆制，堆底宽2.5~3.0m，高1.75m左右，长度不限，自然通风；

Ø堆好后呈龟背形，堆中竖插竹竿或木棒，堆好后用稀泥封堆，以防热量散失。

Ø可插入作物秸秆或草束通气；

Ø2~3d后，堆温上升至50℃以上（中心部位可达65℃以上），维持10~20d，整个工艺过程需要60~90d产物才能达到稳定；

Ø蛔虫卵致死率90％以上。

通气方式

•插竹竿，自然通气；

•人工翻堆方式通气。

–人工翻堆每周1~2次，机械翻堆可1~2d一次，后期腐熟阶段可每周翻一次。

场地要求及特点

•场地坚实不渗水，有顶棚遮盖，大风频繁的地区应在逆风面设置挡风墙。

•工艺特点：

工艺简单，设备少，处理成本低，但工艺时间长。

2、搅拌式堆制工艺（mixingcomposting）

•堆制在料仓内进行；机械搅拌通入空气。

–第一阶段为前5~7d的动态发酵，此阶段好氧菌活性强，升温快，温度高，有机物分解快，发酵7d绝大部分致病菌死亡。

–7d后用皮带输送发酵半成品到另一车间进行静态二次发酵，使有机质进一步降解至稳定，20~25d达到腐熟。

3.滚筒式堆制工艺

•也称卧式旋转法，由丹麦人首先研制和使用的一种连续推制法。

•关键设备：

长20~30m、直径3~4m、倾角2％~3％的可回旋转动的金属圆筒，转速0.5~1转/M，机械送风。

•有机废物被送入滚筒后，随滚筒的旋转翻动并向滚筒尾部（出料部位）移动，在此过程中完成有机质的降解、升温、杀菌等，筒内温度60℃以上。

•物料在反应器内停留3~5d，出料后的初产物再静态堆制5~6d，达到腐熟稳定。

4．塔式堆制工艺

•又称为泽西（Jersey）法。

•主要设施：

立式筒状发酵仓，仓高10~15m，分5~6层，主要用于城市垃圾处理。

•分选、破碎后的垃圾由皮带输送至仓顶层，受自重力和栅板的控制每日下降一层，一共停留5~6d，出料后静态发酵30~60d。

•机械通入空气，水分从顶部补充，仓内温度高，升温快，24h可上升至50℃以上，70℃可维持3d，之后温度逐渐下降。

•该工艺占地少，垃圾分解彻底，运行费用低，但水分分布不均匀。

六、接种剂在堆制处理中的应用

•添加剂有三种：

天然接种剂（inoculant）、微生物接种剂和起爆剂。

Ø天然接种剂有粪肥、腐熟堆肥、耕层土壤等。

Ø微生物接种剂由从堆肥中分离的或其它来源的细菌、放线菌、霉菌等组成，具有分解蛋白质、脂肪、糖类、纤维素、木质素、蟹壳和除臭等功能，中温型与高温型微生物组合使用。

Ø起爆剂（starter）不含有微生物接种体，是一些微生物容易分解的有机质如糖蜜、蔗糖和蛋白质等，其作用是为了缩短潜育期。

七、堆肥的农业效用

•　堆肥的改土作用

•１．增加土壤有机质

•2．改善土壤结构

•3．提高土壤功能

•4．促进植物根系增长

•堆肥的增产作用

•堆肥农用的不利因素

•Ｎ、Ｐ、Ｋ含量低

•易富集有害元素

•投资大，成本偏高

厌氧堆肥

•厌氧堆肥是在无氧条件下，借厌氧微生物（主要是厌氧菌）的作用来进行的。

第四节卫生填埋

卫生填埋（sanitarylandfill）始于20世纪60年代，是在传统堆制的基础上，避免环境免受二次污染而发展起来的一种较好的固体废物处理法；

•优点：

投资少，容量大，见效快。

一、卫生填埋的类型

主要有厌氧、好氧和半好氧三种。

二、填埋场地的建设与运行

1、场地的建设

根据地形、地貌和土壤条件、水文地质、气候、运输距离、出入道路条件等进行选择，使填埋处理不影响当地居民的生活和健康。

场地底部要构筑不漏水的防水层、集水管和集水井等设施，四周要防止水流冲刷、防止地下水和地面水受污染，避免一般填埋出现的卫生条件差，二次污染频繁的问题出现。

2、垃圾填埋处理

•将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋。

•每天的垃圾，在限定范围铺散为40~75cm的薄层，然后压实。

垃圾层厚度应为2.5~3m。

•一次性填埋处理垃圾层最大厚度为9m。

每层垃圾压实后覆土20~30cm。

•废物层和土壤覆盖层共同构成一个单元，即填埋单元（cell）。

•当天的垃圾，当天压实覆土，成为一个填埋单元。

•具有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层。

•按上述工序完成的卫生填埋场由一个或几个填埋层组成。

•当填埋到最终的设计高度以后，再在该填埋层上层盖一层90~120cm的土壤，压实后就成为一个比较标准的卫生填埋场。

三、填埋的微生物学过程

根据垃圾在卫生填埋过程中的分解情况、气体产生和微生物活动情况，将整个过程人为地划分为四个阶段。

•四个阶段的特点分别为：

1、好氧分解阶段

•垃圾好氧分解主要是