環境微生物學

EnvironmentalMicrobiology鄭州大學生物工程系

席宇第八章廢渣和廢氣的生物處理主要內容第一節廢渣的生物處理

第二節廢氣的微生物處理第一節廢渣的生物處理

一、概述（一）廢渣的種類與來源廢渣即固體廢棄物(solidwaste)，是指在生產、生活和其他活動中產生的污染環境的固態、半固態廢棄物質。固體廢棄物有多種分類方法，按組成可分為有機廢物和無機廢物；按來源可分為工業廢物、礦業廢物、垃圾、農業廢物、放射性廢物以及有害廢物。城市生活垃圾(municipalsolidwaste，MSW，以下簡稱垃圾)是在城市日常生活中產生的固體廢棄物。垃圾已經成為我國最嚴重的污染源之一。固體廢棄物都含有大量有機物，通過微生物的活動，可以使之穩定化、無害化、減量化和資源化，其主要的處理方法有衛生填埋、堆肥、沼氣發酵和纖維素廢物的糖化、蛋白質化、產乙醇等等。

(二)垃圾污染危害與特點

1．數量巨大、處理率低

2．組成復雜、四季變化

3．污染環境、危害嚴重污染大氣污染水體生物性污染侵占大量土地易燃易爆

4．我國垃圾問題的特點(1)最晚得到重視

(2)最具綜合性的環境問題

(3)最難得到處置

(4)最貼近的環境問題

（三）我國垃圾處理技術政策與有關標準國家提出，強化垃圾污染的綜合治理是落實我國制定的可持續發展戰略的重要組成部分，垃圾無害化處理率到2005年要達到65％，以后逐年提高。

垃圾的綜合治理可分為治本和治標兩個層次

治本措施是努力實現生活垃圾的源頭減量，即垃圾產量的最小化。治標措施是對收集的垃圾進行處理，并以無害化、減量化和資源化即“三化”要求為處理目標根據《城鎮垃圾農用控制標準》、《城市生活垃圾堆肥處理廠技術評價指標》及《糞便無害化衛生標準》有關規定，垃圾(包括糞便)堆肥無害化的衛生標準主要有：①最高堆肥溫度在55℃以上并能保持5-7天以殺滅病原體；②蛔蟲卵死亡率95％-100％；④有效地控制蒼蠅孳生，堆肥周圍無活蛆、蛹或新羽化的成蠅等。③糞大腸菌值10-1-10-2；

(四)垃圾無害化處理的一般技術途徑1.衛生填埋技術2.高溫堆肥處理技術

3.焚燒處理技術4.綜合處理技術

（五）、微生物學在垃圾處理技術中的作用

(1)微生物可使垃圾產生高溫并持續足夠時日，以殺滅有害生物及病原微生物，并提供有機肥料；(2)微生物可促進衛生填埋場中有機物降解，使堆體減量穩定，并產生沼氣，供作能源利用；(3)微生物可防治垃圾處理產生的二次污染，如垃圾處理中的臭氣、滲濾液污染。微生物處理技術投資和運行費用較低，處理效率較高，

二、高溫堆肥法(composting)

高溫堆肥是將經分選或分類收集的有機垃圾在發酵池或發酵場中堆積，采用機械攪拌或強制通風或自然通風的方法使其高溫發酵，殺滅病原體，有機物轉化為穩定的腐殖質。根據處理過程中起作用的微生物對氧氣要求的不同，堆肥可分為好氧堆肥（高溫堆肥）和厭氧堆肥二種。1．好氧堆肥法好氧堆肥法是在有氧的條件下，通過好氧微生物的作用使有機廢棄物達到穩定化、轉變為有利于作物吸收生長的有機物的方法。堆肥的微生物學過程如下（1）發熱階段

堆肥堆制初期，主要由中溫好氧的細菌和真菌，利用堆肥中容易分解的有機物，如淀粉、糖類等迅速增殖，釋放出熱量，使堆肥溫度不斷升高。（2）高溫階段

堆肥溫度上升到50℃以上，進入了高溫階段。由于溫度上升和易分解的物質的減少，好熱性的纖維素分解菌逐漸代替了中溫微生物，這時堆肥中除殘留的或新形成的可溶性有機物繼續被分解轉化外，一些復雜的有機物如纖維素、半纖維素等也開始迅速分解（3）降溫和腐熟保肥階段

當高溫持續一段時間以后，易于分解或較易分解的有機物（包括纖維素等）已大部分分解，剩下的是木質素等較難分解的有機物以及新形成的腐殖質。好熱性微生物活動減弱，產熱量減少，溫度逐漸下降，中溫性微生物又漸漸成為優勢菌群，殘余物質進一步分解，腐殖質繼續不斷地積累，堆肥進入了腐熟階段。2．厭氧堆肥法

在不通氣的條件下，將有機廢棄物進行厭氧發酵，制成有機肥料，使固體廢棄物無害化的過程。堆肥方式與好氧堆肥法相同，但堆內不設通氣系統，堆溫低，腐熟及無害化所需時間較長。厭氧堆肥法簡便、省工，在不急需用肥或勞力緊張的情況下可以采用。一般厭氧堆肥要求封堆后一個月左右翻堆一次，以利于微生物活動使堆料腐熟三、衛生填埋法(sanitarylandfill)衛生填埋技術是利用天然山谷、低洼、石塘等凹地或平地，經防滲、排水、導氣、攔擋、截洪等防護措施處理后，將垃圾分區按填埋單元進行堆放。

垃圾衛生填埋法實際上是運用各種天然屏障和工程屏障，盡可能將垃圾與生態環境相隔絕而實現填埋體內垃圾無害化。填埋單元是指一日一層(2.5-3.0m)的垃圾作業量。單元內垃圾層層壓實，覆土20-30cm.在填埋體內，通過微生物的活動實現垃圾中有機物降解并產生沼氣，同時產生垃圾滲濾液，直至垃圾達到穩定。一系列填埋單元構成一個填埋層，多個填埋層依次升高形成填埋體；填埋體每升高1層或2層在邊坡形成一個臺階。臺階坡度一般為1:3。填埋體至最終設計標高后，最終覆蓋0.8-1.0m厚的土壤進行壓實封場。填埋體中通過微生物的活動推動有機物降解，使垃圾穩定。防滲、排水是指在填埋場底部構筑不透水的防水層、集水管、集水井等設施將產生的滲瀝液收集排出并進行處理。導氣是在填埋體中設置可滲透性排氣或不可滲透阻擋層排氣設施，將產生的填埋氣體收集排出。填埋單元填埋層填埋體垃圾層防滲層覆蓋層衛生填埋技術結構示意圖衛生填埋法始于60年代，它是在傳統的堆放基礎上，從環境免受二次污染的角度出發而發展起來的一種較好的固體廢棄物處理法，因此廣為各國采用。衛生填埋的優點是工程造價和處理費用均較低，產生的沼氣可回收利用；缺點是占地面積大，穩定時間長，產生的滲濾液濃度高、毒性大而較難處理。（一）填埋坑中微生物的活動過程1.好氧分解階段隨著垃圾填埋，垃圾孔隙中存在著大量空氣也同樣被埋入其中，因此開始階段垃圾只是好氧分解，此階段時間的長短取決于分解速度，可以由幾天到幾個月。好氧分解將填埋層中氧耗盡以后進入第二階段。2.厭氧分解不產甲烷階段在此階段，微生物利用硝酸根和硫酸根作為氧源，產生硫化物、氮氣和二氧化碳，硫酸鹽還原菌和反硝化細菌的繁殖速度大于產甲烷細菌。當還原狀態達到一定程度以后，才能產甲烷，還原狀態的建立與環境因素有關，潮濕而溫暖的填埋坑能迅速完成這一階段而進入下一階段.3.厭氧分解產甲烷階段4.穩定產氣階段產甲烷菌是一類專性厭氧的古細菌。沼氣發酵中主要的兩類，即氧化氫的產甲烷菌和裂解乙酸的產甲烷菌，它們將上階段生成的乙酸、H2、C02轉化為CH4。此階段甲烷氣的產量逐漸增加，當坑內溫度達到55℃左右時，便進入穩定產氣階段.此階段穩定地產生二氧化碳和甲烷。（二）填埋場滲瀝水垃圾分解過程中產生的液體以及滲出的地下水和滲入的地表水，統稱為填埋場滲瀝水。滲瀝水的性質主要取決于所埋垃圾的種類。滲瀝水的數量取決于填埋場滲瀝水的來源、填埋場的面積、垃圾狀況和下層土壤等等為了防止滲瀝水對地下水的污染，需在填埋場底部構筑不透水的防水層、集水管、集水井等設施將產生的滲瀝水不斷收集排出。對新產生的滲瀝水，最好處理方法為厭氧、好氧生物處理；而對已穩定的填埋場滲瀝水，由于已經歷厭氧發酵，使其可生化的有機物的含量減少到最低點，再用生物處理其效果不明顯，最好采用物理化學處理方法。滲瀝水除采用傳統方法進行處理外，在旱季或干旱地區可采用滲瀝水再循環的方法，用于噴灑灌溉、地面流水灌溉等方法，使滲瀝水被蒸發或被植物吸收。（三）填埋場氣體收集垃圾填埋以后，由于微生物的厭氧發酵，產生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氫氣、硫化氫、氮氣等氣體。填埋場的產氣量和成分與被分解的固體廢物的種類有關，并隨填埋年限而變化。填埋場氣體一般含有40％-50％的二氧化碳和30％-40％的甲烷，以及其他各種氣體。因此，填埋場的氣體經過處理以后可以作為能源和資源加于利用。

四、焚燒處理技術

焚燒(incineration)是將垃圾進行人工檢選、破碎、分選等預處理，然后進入焚燒爐，在800-1000℃高溫下使垃圾轉化為化學性質穩定的無害化灰渣。

焚燒工藝可使垃圾體積減少80％-95％，便于填埋處置，并能徹底消滅各種病原體。另外，通過焚燒工藝，可回收熱資源。

垃圾焚燒的主要缺點是可產生有害氣體，特別如劇毒物二惡英類化合物(在爐膛溫度<800℃時會大量產生)，焚燒設備投資大，運轉成本高。我國現有城市垃圾焚燒廠很少。

五、綜合處理技術以上3種處理技術既可單獨使用，也可作為綜合處理技術組合使用。

垃圾處理應視為一個系統工程，微生物作用是其中的重要組成。第二節

廢氣的微生物處理廢氣的微生物處理是利用微生物的生物化學作用，使污染物分解，轉化為無害或少害的物質。目前，微生物處理大氣污染主要用來凈化有機污染物，特別是脫除臭味。廢氣的微生物處理具有設備簡單、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、無二次污染等優點，但不能回收利用污染物。廢氣(wastegas)主要來自燃料燃燒和工廠的各種排氣。

美國“利用微生物處理廢氣”于1957年就獲得專利，但到70年代才引起各國重視。到80年代，德國、日本、荷蘭等國家已有相當數量工業規模的各類生物凈化裝置投入運行。對于許多一般性的空氣污染物，該項技術的控制效率已達到90％以上。在我國，這方面工作尚處于起步階段，亟待研究開發。目前適合于用生物處理的廢氣主要是含有乙醇、硫醇、酚、甲酚、吲哚、脂肪酸、乙醛、酮、二氧化硫、氨和胺等污染組分的廢氣。通常某類微生物特別適合于某種污染物的處理**。廢氣的微生物處理的主要方法可分為生物吸收法、生物滴濾法和生物過濾法等一、微生物吸收法(bioscrubber)

微生物吸收法是利用由微生物、營養物和水組成的微生物吸收液處理廢氣，適合于吸收可溶性的氣態污染物。吸收了廢氣的微生物混合液再進行好氧處理，去除液體中吸收的污染物，經處理后的吸收液再重復使用。生物吸收法的工藝一般由廢氣吸收段和懸浮液再生段兩部分組成，相應的裝置為吸收設備（吸收器）和再生反應器（廢水反應器）廢氣吸收段的工藝過程為廢氣從吸收設備下部進入，向上流動與由吸收設備頂部噴淋而下的生物懸浮液在填料層接觸，使廢氣中的污染物和氧轉入液相并被微生物所吸收。凈化后的氣體從上部排出。懸浮液再生段的工藝過程為吸收了廢氣污染物的生物懸浮液從再生反應器底部流入，通入空氣充氧，污染物通過微生物的氧化作用從液相中除去，再生后的懸浮液又從吸收設備頂部噴淋，反復循環進行。再生反應器常采用活性污泥法或生物膜法。吸收過程進行很快，停留時間僅幾秒鐘，而再生過程較慢，停留時間為幾分鐘至十幾小時，因此工藝是在兩個獨立單元中進行，達到各自的最佳運行狀態。二、生物過濾法(biofilter)

生物濾池是研究最早且技術較成熟的處理方式，其處理廢氣的典型工藝流程如下圖：微生物過濾箱

三、生物滴濾法(