8 固体废弃物和废气的生物处理.docx
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8固体废弃物和废气的生物处理
8固体废弃物和废气的生物处理
8.1固废、废气污染的来源和种类
8.1.1固废污染的来源和种类
1、定义
人类一切活动过程产生的、且对所有者已不再具有使用价值而被废气的固态或半固态物质，统称为固体废弃物。
2、分类
多种分类方法，最常用的是：
1）城市垃圾
是指来自居民的生活消费、商业活动、市政建设和维护、机关办公等过程中产生的固体废物，包括生活垃圾、城建渣土、商业固体废物、粪便等。
2）工业固体废物
是指在工业、交通等生产活动中产生的废渣、粉尘、碎屑、污泥，以及在采矿过程中产生的废石、尾砂等。
3）农业垃圾
主要包括作物秸秆、树木茎叶等，主要含有纤维素和半纤维素。
3、危害
固体废物对环境的危害主要表现在以下方面：
1）侵占土地
固体废物不加利用时，需占地堆放，堆积量越大，占地越多。
据估算，每堆积1万吨废物，占地约需1亩。
根据对北京市高空远红外探测的结果显示，北京市区几乎被环状的垃圾堆群所包围。
2）污染土壤
废物堆放和没有采取适当防渗措施的垃圾填埋，经过风化、雨雪淋溶、地表径流的侵蚀，其中的有害成分很容易产生高温和有毒液体并渗入土壤，杀灭土壤中的微生物，破坏微生物与周围环境构成的生态系统，甚至导致草木不生。
其有害成分若渗流入水体，则可能进一步危害人的健康。
例如，在20世纪80年代，我国内蒙古包头市的某矿尾砂堆积如山，造成尾砂坝下游的大片土地被污染，一个乡的居民被迫搬迁。
3）污染水体
固体废物若随天然降水或地表径流进入河流、湖泊，或随风飘迁落入水体，则使地面水受到污染；若随渗沥水进入土壤，则使地下水受到污染；若直接排入河流、湖泊或海洋，则会造成更大的水体污染——不仅减少水体面积，而且还妨害水生生物的生存和水资源的利用。
例如，德国莱茵河地区的地下水因受废渣渗沥水污染，导致当地自来水厂有的关闭，有的减产。
4）污染大气
固体废物一般通过如下途径污染大气：
（1）堆积、运输过程中，以细粒状存在的废渣和垃圾，在大风吹动下会产生有害的气体和粉尘随风扩散。
（2）一些有机固体废物在适宜的温度和湿度下会被微生物分解，释放出有害气体；
（3）固体废物本身以及在对其处理（如焚烧）时散发的毒气和臭气等。
5）影响环境卫生
城市的生活垃圾、粪便等若清运不及时，就会产生堆存，严重影响人们居住环境的卫生状况，对人们的健康构成潜在的威胁。
8.1.2废气污染的来源和种类
1、分类
天然污染物
人为污染物：
来源于燃料燃烧、大规模的工矿企业的废气和汽车尾气、污水处理厂和垃圾处理厂产生的臭气等。
8.2固废的生物处理
8.2.1堆肥法
8.2.1.1概述
1、定义
堆肥法：
就是利用传统的积肥方法，把污染土壤与有机废物等混合起来，在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物（主要为细菌）作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用的过程。
2、堆肥的优点
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。
③堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂
8.2.1.1堆肥的类型
按需氧条件：
好氧堆肥法和厌氧堆肥法
1、好氧堆肥法
1）基本原理
好氧堆肥化是在通风条件下，有游离氧存在时，好氧微生物通过自身的分解代谢和合成代谢过程，将一部分有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量，同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程。
2）特点
（1）好氧堆肥堆温高，一般在55℃以上，可维持7-11天，极限可达80℃以上，亦称高温堆肥法。
（2）好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫生条件好、易于机械化操作等优点，在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。
3）微生物学过程
好氧堆肥的微生物学过程可大致分为三个阶段：
（1）产热阶段（中温阶段，升温阶段）：
●时间：
堆肥初期（通常在1-3天）
●温度：
此阶段温度在室温至45℃范围内
●过程：
肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源，迅速增殖，并释放出热能，使肥堆温度不断上升。
●微生物：
以中温、需氧型微生物为主，类型较多，主要是细菌、真菌和放线菌。
其中细菌主要利用水溶性单糖等，放线菌和真菌对于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊的功能。
（2）高温阶段：
●时间：
通常从堆积发酵开始后2-3天，1周内堆温可达到最高值（80℃）。
●温度：
当肥堆温度上升到50℃以上时，即进入高温阶段。
●过程
复杂有机物开始强烈分解堆温升高，导致大量微生物死亡产生的热量减少，堆温自动下降。
当堆温降至70℃以下时，处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动，继续分解难分解的有机物，热量又增加，堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。
●微生物：
嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐取而代之。
在50℃左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时，仅有嗜热性放线菌和细菌活动；温度上升到70℃以上时，大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。
●作用：
A分解一阶段残留的和新形成的可溶性有机物，及半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。
B高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。
C高温能有效杀灭有机废弃物中病原物，按我国高温堆肥卫生标准（GB7959-87），要求堆肥最高温度达50℃～55℃以上，持续5-7d。
55℃，30~60min是许多常见的病原物致死温度和时间。
（3）降温和腐熟阶段
●作用：
在高温阶段末期，部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质
●过程：
此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降嗜温性微生物再占优势，对残留较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定化，此时堆肥进入腐熟阶段。
降温后，需氧量大量减少，肥堆空隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风。
在强制通风堆肥中常见的后熟处理，即是将通气堆翻堆一次后，停止通气，让其腐熟。
还可取到保氮的作用
●微生物：
嗜温性微生物
（3）好氧堆肥过程中的微生物相变化
●城市生活垃圾（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。
●污水处理厂剩余污泥：
细菌特别是厌氧菌和脱氮菌相当多厌氧菌大量减少，氨化细菌和脱氮菌明显增加。
（4）影响好氧堆肥的因素
1垃圾原料的营养配比
C/N=（25~30）：
1，发酵效果好；
C/N<（25~30）：
1，易造成氮转化为氨而损失；
C/N>（25~30）：
1，减慢堆肥化速度，降低堆肥质量。
C/P=（75~150）：
1，为宜。
2湿度
含水量=40%~60%；
含水量<40%~60%，有机物不易分解；
含水量>40%~60%，部分垃圾将产生厌氧发酵而延长有机物分解的时间。
3通风
为保证充足的氧气供应，通常采用机械翻堆通风或直接用空压机通入空气。
但过量通气会导致水分大量散失，温度降低。
4发酵温度
应维持在50~70℃之间。
5pH值
维持在5.5~8.5之间。
初期：
发酵产酸，pH值下降到4.5~5；
一次发酵后：
aa分解产生氨，pH值上升至8.0~8.5；
二次发酵中：
氨被氧化成硝酸，pH值下降至7.5左右。
（5）堆肥工艺
好氧堆肥工艺目前常用的堆肥工艺有静态堆肥、高温动态二次堆肥、立仓式堆肥、滚筒式堆肥
①静态堆肥（一次性发酵工艺）
●又称为常规堆制工艺
●我国长期使用的一种有机肥堆制法；
●原料预处理，调整含水量和C/N；
●堆置方法
一般堆宽和堆高各2.0m，长度视材料而定。
堆前压实地面，铺9-10cm厚的干细土或泥炭（以吸收肥液）。
开始先铺第一类材料，厚约20cm，然后加适量水；再加第二类材料和水，如此反复，堆积至所需高度，上用泥肥封顶。
较少翻动，一般在第2、7、12天各翻动一次，35d后每周翻动一次，发酵周期为50d左右，自然通风。
优点：
工艺简单，设备少，处理成本低。
缺点：
占用土地多，工艺时间长，易滋生蝇蛆（qu），产生恶臭。
（露lu天堆置）
②高温动态二次堆肥工艺
动态发酵阶段：
前5~7d，机械搅拌，充入充足空气，好氧菌在高温下快速分解有机物，发酵7d绝大部分致病菌死亡。
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立仓式堆肥工艺
●主要设施：
立式发酵仓，仓高10-15m，分5-6层，主要用于城市垃圾处理。
●过程
一次发酵：
分选破碎将待处理物（被污染的土壤）运输至仓顶第一格在重力和栅（zha）板的控制下下降到下一格每天一格，一周全部下降到底部。
（发酵仓内通入空气，从顶部补充水分）
二次发酵：
进入二次发酵车间继续发酵至腐熟稳定。
●优缺点：
占地少、升温快、垃圾分解彻底、运行费用低，但是水分分布不均。
④滚筒式堆肥工艺（达诺生物稳定法）
●主要设备：
达诺式滚筒，直径2-4m，长度15-30吗，滚筒转速0.4-2r/min。
●经处理后的有机废物进入达诺式滚筒滚筒不断转动，使筒内有机废物进行一系列的物理和生物作用，即一边混合摩擦（生热），一边发酵被送入滚筒后，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。
2）厌氧堆肥法
（1）定义
在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。
（2）发酵过程
①酸性发酵阶段
产酸细菌分解有机物产生有机酸、醇、二氧化碳、氨、硫化氢，致使pH下降
②产气发酵阶段
产甲烷细菌分解有机酸、醇产生甲烷和二氧化碳，pH上升。
（3）特点
堆肥方式与好氧堆肥法相同，但堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长。
然而，厌氧堆肥法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。
一般厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次，以利于微生物活动使堆料腐熟。
3）堆肥的优点
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。
③堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂
4）存在的问题
①需要前期的分选和破碎等预处理；
②堆肥的资源化作用有限只利用了废物中的有机成分；
③周期较长，占地面积较大，卫生条件差。
8.2.2卫生填埋
8.2.2.1概述
1、特点
1）在堆肥法基础上发展起来
2）具有投资少，容量大，见效快的优点
2、种类
厌氧：
操作简单，施工费用低，可回收甲烷气体
好氧分解速度快，垃圾稳定化时间短，但工艺要求较复杂，费用较高
半好氧
3、填埋方法
分区填埋：
特定区域垃圾铺散为40-75cm的薄层，压实覆盖20-30cm的土层构成填埋单元同样高度的一系列相互衔接的填埋单元填埋层最上层覆盖90-120cm的土壤，压实构成卫生填埋场
8.2.2.2填埋的微生物学过程
1、好氧分解阶段
1）随着垃圾填埋，垃圾孔隙中存在着大量空气也同样被埋入其中，因此开始阶段垃圾只是好氧分解。
2）此阶段时间的长短取决于分解速度，可以由几天到几个月。
好氧分解将填埋层中氧耗尽以后进入第二阶段。
2、厌氧分解不产甲烷阶段
1）特点
微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌，因此在这一阶段不产生甲烷。
2）当还原状态达到一定程度以后，才能产甲烷，还原状态的建立与环境因素有关，潮湿而温暖的填埋坑能迅速完成这一阶段而进入下一阶段。
3、厌氧分解产甲烷阶段
此阶段甲烷气的产量逐渐增加，当坑内温度达到55℃左右时，便进入稳定产气阶段。
4、稳定产气阶段
此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷，这一阶段可以维持10-20年或者更久。
8.2.2.2填埋场渗沥水
1、渗沥水
1）定义
垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表水，统称为填埋场渗沥水。
2）渗沥水的来源
（1）大气降雨和径流（径流是指降雨及冰雪融水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。
）
（2）垃圾中原来含有的水
（3）在垃圾填埋后由于微生物的分解作用而产生的水
3）渗沥水的性质
主要取决于所埋垃圾的种类。
4）渗沥水的数量
取决于填埋场渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土壤等等。
2、渗沥水的防护措施
1）为了防止渗沥水对地下水的污染，需在填埋场底部构筑不透水的防水层、集水管、集水井等设施将产生的渗沥水不断收集排出。
2）对新产生的渗沥水，最好的处理方法为厌氧、好氧生物处理；而对已稳定的填埋场渗沥水，最好采用物理化学处理方法。
3）在旱季或干旱地区还可采用渗沥水再循环的方法，用于喷洒灌溉、地面流水灌溉等，使渗沥水被蒸发或被植物吸收。
渗沥水再循环的优点在于能加速垃圾稳定作用和省略水处理系统。
8.2.2.3填埋场气体收集
1、气体来源
微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氮气等气体。
2、处理措施
1）填埋场的产气量和成分与被分解的固体废物的种类有关，并随填埋年限而变化。
2）填埋场气体一般含有40％～50％的二氧化碳和30％～40％的甲烷，以及其他各种气体。
因此，填埋场的气体经过处理以后可以作为能源加于利用。
8.3废气的生物处理
燃料燃烧、汽车尾气、工业活动排放出的CO2、CO和SO2等气体都是空气污染的主要来源。
这些物质往往带有恶臭及毒性，不仅对人体造成感官刺激，还会产生致癌、致畸、致突变的“三致”效应，严重危害了人类的身心体健康。
因此，有效控制消除这些污染是当今社会普遍关心的问题。
8.3.1废气微生物处理法原理
1、实质是利用微生物的代谢作用将废气中有害的有机成分转化为简单无害的无机物及细胞物质。
2、上述过程在气相中很难进行，所以废气中的有机成分必须先由气相转移到液相或固相表面液膜中。
即将污染气体与水体充分混合，使气相中的污染物被水分子吸收
3、然后污染物才能被液相或固相表面液膜中的微生物吸附降解。
4、对于含有多种成分的废气常常采用多级处理系统进行净化，每级处理系统针对某种或某类废气污染成分进行处理。
8.3.2处理微生物
废气生物处理常用的微生物相是诺卡氏菌（降解芳香族化合物）、丝状真菌（降解三氯甲烷）、分支杆菌（降解氯乙烯）等。
8.3.3处理方法
目前常用的方法有生物吸收法、生物过滤法和生物滴滤法。
1、微生物吸收法（生物洗涤法）
1）装置
（图8-6）
该工艺装置一般由一个吸收室和一个再生池构成。
在整个反应过程中，吸收过程只需要几秒钟就可以完成，而再生过程较慢，处理时间在几分钟到十几小时之间，因此反应是在两个独立单元完成，以达到各自的最佳运行状态。
2）工艺流程
（1）在废气吸收段
废气从吸收室下部进入，向上流动与由设备顶部喷淋而下的生物悬浮液在填料层接触，使废气中的污染物和氧转入液相由微生物吸收。
净化后的气体从上部排出。
（2）在悬浮液再生段
吸收了废气的悬浮液从再生池底部流入，通入空气充氧，然后利用再生池中的活性污泥除去液相中的污染物，再生后的悬浮液又从吸收室顶部喷淋，反复循环。
3）应用实例
（1）该技术已在各国广泛应用，日本一家铸造厂采用此法处理含胺、酚和乙醛等污染物的气体，设备采用两段吸收室，装置运行十多年来一直保持高达95％的净化率。
（2）德国开发的二级洗涤脱臭装置，臭气从上而下经二级洗涤，污染物浓度可从2100mg/L降至50mg/L。
（3）2006年，大庆炼化公司动力一厂建设的无组织废气收集处理装置正式投入使用，这是我国首次采用微生物吸收法处理化工废气。
2、微生物洗涤法
1）工艺流程
（1）废气中污染物的吸收和生物降解同时发生在一个反应装置内。
（2）废气从滴滤池底部进入，回流水由上部喷淋到填料层上部，并沿填料上的生物膜滴流而下，溶解于水中的有机污染物被以生物膜形式附着在填料上的微生物吸收，进入微生物细胞的有机污染物在微生物体内的代谢过程中作为营养和能源物质被分解，最终转化为无害的化合物（如CO2和H2O）。
2）优点
（1）可以有效的处理卤代烃、含硫、含氮等经微生物降解会产生酸性代谢产物、产能较大的污染物及高浓度有机废气。
美国新泽西州，采用生物滴滤池处理挥发性有机物（VOCs）、有害空气污染物质（HAPs）和海边污水处理厂的恶臭排放物。
对于污染物质，包括酚、亚甲基氯化物、丁酮、苯、甲苯、乙苯、二甲苯和硫化氢，总的去除率达到85％。
（2）成本低
污水处理厂的气体污染物在采用生物滴滤池处理之前，是通过4个独立的250kg的活性炭吸附柱进行处理。
活性炭的更新和再生需要一个月的时间，每年需花费36000美元，而生物滴滤池的每年费用仅为5000美元。
3、微生物过滤法
1）工艺原理
微生物过滤法是研究最早且技术较成熟的废气处理技术。
该工艺也是利用微生物吸收、降解废气中的有机污染物，但与生物吸收法不同之处是微生物不是存在于液相中而是附着在固体颗粒（填料）上。
常用的生物过滤设备包括堆肥滤池、土壤滤池以及微生物过滤箱。
1、堆肥滤池、土壤滤池
构造基本相同，都是将废气经加压预湿后，从底部进入生物滤池，与填料上附着生成的生物膜（微生物）接触，被生物膜吸收，最终降解为水和二氧化碳，处理过的气体从生物滤池的顶部排出。
2、微生物过滤箱
是封闭式装置，主要由箱体、生物活性床层，喷水器等构成。
床层由多种有机物混合制成的颗粒状载体构成，有较强的生物活性。
微生物一部分附着于载体表面，一部分悬浮于床层水体中。
名称
应用范围
优点
缺点
生物吸收法
进气中污染物浓度＜5g/m3
反应条件易于控制；可避免产物积累；设备占地小
传质表面积低；增长缓慢的微生物会被冲出反应器；剩余污泥须处理；启动过程复杂，投资大，维护管理费用高
生物过滤法
进气中污染物浓度＜1g/m3
气、液比表面积大；操作、启动容易，运行费用低
反应条件不宜控制；对进气浓度波动适应能力差；占地大
生物洗涤法
进气中污染物浓度＜0.5g/m3
能较好地截留生长缓慢的微生物
传质表面积低；剩余污泥须处理；启动过程复杂，维护管理费用高
升级会员 