第五章 固体废物的生物处理

1、城市固体有机废弃物现状 城市生活垃圾 污水处理厂干污泥 农业废弃物 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 × 105 t，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18.8×108 t。

2、固体有机废物的处理和处置原则 资源化、无害化和减量化 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。 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。 减量化 经过最终处理、处置的部分能减量到最少的程度。

Mushrooms (Agaricus bisporus) growing in compost

3、处理有机固体废物的方法 处理方法 类型 应用 主要有堆制法、厌氧消化法、填埋法和焚烧法 堆制法、厌氧消化法和填埋法 生物处理法 处理可生物降解的有机固体废物 焚烧法 化学处理法 处理不可随意排放的危险性废物以及生活垃圾等

Incinerator Diagram

第一节 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。 有机质 无机物、矿物质+腐殖质+能量 微生物 堆制处理后，产物中含丰富的氮、磷营养物质和有机物质，故称为堆肥(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； 人工控制下进行 ； 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；

4、堆制处理的优点 有机废物分解并达到稳定化 干化作用 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。 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。

4、堆制处理的优点 杀灭有害生物 堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂 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。 堆肥是植物良好的肥料和土壤改良剂

5、堆肥处理存在的问题 堆肥质量不易稳定； 原料来源不同、随季节变化，给标准化处理带来困难； 物料温度不均匀； 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 潜育期(latent phase) 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。

中温期(mesophilic phase) 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。

高温期(thermophilic phase) 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。

Composting pile

腐熟期(maturation phase, curing phase) 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(humic colloids)，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 表面呈白色或灰白色，内部呈黑褐色或棕黑色： 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； pH8-9，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 中温型细菌(含放线菌)和真菌首先起作用， 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。

嗜热脂肪芽孢杆菌

Streptomyces and Thermomonospora isolated from compost

Thermomonospora form osensis type strain

烟曲霉 Aspergillus fumigatus

A dissolving cellulose fibre - Clostridium thermocellum bacteria barely visible

celostructure Schematical presentation of the cellulosome of Clostridium thermocellum: CipA protein is drawn in green, catalytical components in orange, cell-wall binding components in blue, the bacterial cell in brown and the cellulose microfibril in black. The S-layer is punctuated. The cohesin modules are numbered 1 to 9. The binding of the enzymes to specific positions (cohesins) is hypothetical, as is the linear orientation of the scaffoldin. The scaffoldins (CipA) bound to OlpB are only sketched partially. All cellulosome components are not drawn to scale.

白地霉 Geotrichum candidum

65~70℃时，大多数嗜热性微生物也无法生活，或死亡，或休眠。 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。

堆制过程中的食物链 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： 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、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 。

堆制时间 好气细菌与放线菌数量之比 堆制前 80 30d后 35 60d后 30

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。 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。 物料最佳的C/N为25~35之间为宜， 碳磷比(C/P)也很重要。 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。 适宜的C/P为75~l00。原污泥的C/P低，需和其它原料配合。

C/N和堆制时间之间关系 初始C/N 堆制时间 20 12d 20~25 14d 78 21d 美国加州大学试验结果

含碳率计算公式(误差为2％~10％) 关系式：含碳率(％)＝[100-灰分(％)]/1.8 灰分％系指经550℃燃烧比所剩的物质占干重的百分率。 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 通氧方式： 充氧，调节堆温和排除过多的水分的作用。 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。

理论需氧量的计算 可以根据废物氧化反应式简单计算理论通气量 已知合流污水污泥的化学成分C10H19O3N，其完全氧化的计量化学方程为 C10H19O3N + 12.5O2 = 10CO2 + 8H2O + 4NH3 (201) (400) 1g的C10H19O3N 完全氧化约需要2g的O2。

实际供氧量为理论供应量的两倍。 不同时期供氧量也不一样，高温期是中温期和熟化期的好几倍。 在机械化连续生产系统可通过测定排气中氧和CO2的含量来衡量氧气情况。排气中氧的体积浓度为14%~17％，CO2的体积浓度为3%~6％为宜。若氧浓度降低到10％以下，好气发酵会停止。

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： 提高有机物分解速度 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： 麦类秸秆等硬质原料的粒径应小一些，一般为1~2cm； 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： 麦类秸秆等硬质原料的粒径应小一些，一般为1~2cm； 蔬菜等质软原料的粒径应大一些； 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： 间歇式堆制 操作是否连续 连续式堆制 非反应器型：静态堆制工艺 反应器特点 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(static composting) 静态堆制工艺又称为常规堆制工艺(conventional composting) 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； 垃圾70％~80％与20％~30％的稀粪混合，条形堆制，堆底宽2.5~ 3.0 m，高1.75m左右，长度不限，自然通风；

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。 可插入作物秸秆或草束通气； 2~3d后，堆温上升至50℃以上(中心部位可达65℃以上)，维持10~20 d，整个工艺过程需要60~90d产物才能达到稳定； 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(mixing composting) 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。

达诺(DANO)生物稳定法

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。 天然接种剂有粪肥、腐熟堆肥、耕层土壤等。 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。 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。

第二节 卫生填埋 卫生填埋(sanitary landfill)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。

卫生填埋的类型 主要有厌氧、好氧和半好氧三种。 填埋类型 特点及应用情况 厌氧填埋 操作简单，施工费用低，可回收甲烷气体，目前广泛采用。 好氧和半好氧填埋 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，尚处于研究阶段。

Anaerobic Bioreactor Liquids Storage Gas Collection to Generate Energy Groundwater Monitoring Bioreactor Program

Aerobic Bioreactor Liquids Storage Air Injection Groundwater Monitoring Bioreactor Program

Facultative Bioreactor Liquids Storage Gas Collection to Generate Energy Groundwater Monitoring Bioreactor Program

一、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。

Concept illustration of a Typical Sanitary Landfill Site

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20~30 cm。 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。

The Stevens County Sanitary Landfill, opened on July 5, 1979, is a facility that was designed to serve the waste needs of the citizens of Stevens County.

二、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开始阶段。 此阶段时间的长短取决于分解速度，由几天到几个月。 填埋层内的氧耗尽后进入第二阶段。

2、厌氧产酸阶段 在此阶段，好氧微生物的生命活动中止； 无氧呼吸的细菌，如硝酸还原细菌和硫酸还原细菌等，以物料中的NO3‑、SO42-的氧作为最终电子受体进行无氧呼吸，使有机质进一步被分解产生多种有机酸。 有机酸积累、pH下降，甲烷菌开始活动，主要产物是N2，H2S、NH3、CO2等。

3、甲烷产生加速阶段 在严格厌氧菌和一些兼性厌氧菌的作用下，有机酸被进一步分解，产生甲烷，甲烷含量达到50％~60％(v/v)， 有机酸含量下降，pH值升高，产乙酸菌、解纤维菌和产甲烷菌数量很多。 收集、利用甲烷的关键时期。

4、甲烷产生下降阶段 有机酸浓度下降，甲烷产率下降。 水分、水流、pH、粒径、接种剂的添加、培养物浓度、温度等多种因素影响到填埋有机物的分解及产甲烷作用。 水分和pH在填埋物产甲烷中起关键作用。需要有适宜的水分和中性的pH。较高的水分有利于可溶性基质和营养物的溶解以及微生物的移动。 研究表明水分含量和甲烷产生速率呈正相关。

Change in the BOD concentration of Leachate by Landfill Type

三、填埋场渗滤液的处理和气体收集 渗滤液的处理 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，统称为填埋场渗滤液。 渗滤液的性质主要取决于所埋垃圾的种类，渗滤液的数量取决于填埋场溶滤液的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土壤等等。

渗滤液处理或处置： 渗滤液收集：集水管、集水井等设施； 新的渗滤液，用厌氧、好氧生物法处理； 稳定的填埋场渗滤液，采用物理化学处理法。已经历厌氧发酵，可生物降解有机物的含量已降至最少。

渗滤液处理或处置： 旱季或干旱地区，渗滤液可再循环利用，即将收集的渗滤液回灌到填埋场，通过生物作用、物理和化学作用被降解、转化或被稀释分布，可省略水处理系统，加速垃圾稳定。 蒸发：减少渗滤液的容积。采用蒸发处理，要修建渗滤液容纳池，让其蒸发散失。蒸发剩余物再进行处理或处置。容纳池要求底部不渗漏，并加盖防雨，通风驱散臭气。

Landfill Type and Leachate Collection System

2、气体收集 微生物厌氧发酵产生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氢气、硫化氢、氮气等气体。 填埋场产气量和气体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。每千克挥发性有机固体的产气量约为0.013~0.047m3。 甲烷发酵进入稳定期的时间为2年后，填埋场气体一般含有30％~40％甚至60％~70％的甲烷，以及多种其它种类的气体。 填埋场气体经过处理后可以作为能源加以利用。

微生物氧化：厌氧甲烷氧化菌、好氧甲烷氧化菌（存在于填埋物培土中）。 甲烷的去向： 回收作能源， 释放到环境； 微生物氧化：厌氧甲烷氧化菌、好氧甲烷氧化菌（存在于填埋物培土中）。 甲烷气体的好氧氧化作用过程： CH4 → CH3OH → HCHO →HCOO- → CO2