固废气废微生物过程共107页文档

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1.堆肥的微生物作用实质
堆肥的实质是微生物通过其胞外、胞内酶 转化分解有机质为腐殖质，实现固体垃圾 的减量化与稳定化，获得维持自身生命活 动所需的能量及营养。
堆肥的关键是控制氧化还原反应的进程。 由此决定了堆肥过程中所需要关注的要点。
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2.堆肥的物料特性 process in waste solid & gas treatment
王 志平

固体废弃物的污染现状
我国城市每年产垃圾5亿吨； 垃圾堆积量达70亿吨，占地80多万亩，且仍
以年均4.8%的速度增长； 为清理每日产生的垃圾，北京有近2万名环卫
随着温度的升高，嗜热微生物逐渐增多；
温度超过60℃后，仅剩下嗜热细菌和放线菌；
温度回落后，中温微生物重新定殖，由于可利用 的基质有限，其种群并不同于之前的中温微生物。
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堆肥过程的微生物种群轮替
高温菌—细菌+放线菌
耐热真菌
温度 中温菌—细菌+真菌
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堆肥过程的氮素变化
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堆肥过程的腐殖质形成
对 苯 二 酚 氧 化 酶
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堆肥过程的腐殖质形成途径
堆肥中的木质素及纤维素由于分子结构 较复杂，较难被微生物利用，是形成腐 殖质的主要来源；
在微生物作用下，木质素的侧链氧化生 成木质素类衍生物，构成了腐殖质的核 心和骨架；
有机质组成 -- 降解性
有机质含量 -- 20~80%
碳/氮、碳/磷比-- 25~35,75~100
水分含量
-- 约40~60%
颗粒粒径
-- 1-2cm
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上海市城市生活垃圾构成
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3.好氧高温堆肥
好氧高温堆肥是由群落结构演替非常迅速 的多个微生物群体共同作用而实现的动态过 程，在该过程中每个微生物群体都有在相对 较短时间内适合自身生长繁殖的环境条件， 并且对某一种或某一类特定的有机物质的分 解起作用。
分子结构中含芳香环、杂环及多环化合物，构 成网状结构，边缘的官能团决定了其酸度、吸 收交换容量及形成有机-无机复合物的能力；
胡敏酸比富里酸的酸度小，吸收容量较高，它 的一价盐类溶于水，二价和三价盐类不溶于水， 这对土壤养分的保持及土壤结构的形成都具有 意义。
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胡敏酸的一般结构
异构酶类 (isomerases)
催化各同分异构体的相互转化
裂解酶类 (lyases)
催化分解碳碳、碳氮、硫硫键
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堆肥过程中酶活性的变化
堆肥过程中有机物的生物降解一般属于氧化 脱氢过程，故过氧化氢酶酶活性表明了微生 物利用有机质的速率变化；
细菌：对物料中易降解的及小分子物质起主导降 解作用；部分能耐高温，主要是芽孢杆菌属。
放线菌：能耐高温，增殖速率慢，主要在末期占 优势。链丝菌、诺卡氏菌和小单孢子菌等
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堆肥过程的微生物种群轮替
某一时刻的温度和可利用的有机物质是决 定该时刻堆肥中微生物群落结构的决定因素。
堆肥初期，利用易降解有机物质迅速繁殖的微生 物占优势；
腐殖质在土壤中可以呈游离的腐殖酸和腐殖 酸盐类状态存在，也可以呈凝胶状与矿质粘 粒紧密结合，成为重要的胶体物质；
溶解态腐殖质主要通过络合作用与金属离子 结合，而固态的则通过物理化学吸附作用固 定金属离子。
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腐殖质的组成—胡敏酸
胡敏酸是一类能溶于碱溶液而被酸溶液所沉淀 的腐殖质物质，其分子量比富里酸大，约为 400~100000 Da；
由微生物水解产生的小分子有机酸、氨 基酸、核酸等在局部高温及高浓度条件 下聚合形成了腐殖质。
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腐殖质的组成
腐殖质并非单一的有机化合物，而是在组成、 结构及性质上既有共性又有差别的一系列有 机化合物的混合物，其中以富里酸(Fulvic acid)与胡敏酸(Humic acid)为主；
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发酵微生物的作用
复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外 酶作用下分解为溶解性小分子有机物；
纤维素及淀粉被纤维素酶、淀粉酶水解为 葡萄糖；
蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸，继 而分解成有机酸、氨、醇等；
脂类化合物水解为脂肪酸和甘油。
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产酸微生物的作用
物
来 源：工业固废、城市垃圾、农业固废
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常规固废处置方法
富碳
有机20~80%
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有机<20%
水<20%
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一、厌氧消化
在人工控制厌氧条件下，利用厌氧微生物 将废物中可降解有机质分解转化成甲烷、 二氧化碳和其它稳定物质的生物化学处理 过程。
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1.厌氧消化的基本微生物过程
其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和 拟杆菌(Bacteriodes)。
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产乙酸菌的作用
产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有 约1％的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，这 些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，如 产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。
发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等， 在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、 氢气和二氧化碳。
溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内， 在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VFA)，如 乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、 氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。
在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂 肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化， 酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。
秆 1.3%；
加 可溶性组份变化较小，表明分解的糖与糖
硝 苷可被其他高分子分解物所弥补；
铵 的 堆
木质素相对含量甚至上升，表明其基本不 被降解。
肥
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堆肥过程的氮素变化
含氮化合物
氨化 氨氮氧化 硝态氮 反硝化 氮气
硝态氮 + 微生物 + 腐殖质 + 能量
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工人，上海有近3万名环卫工人； 城市污水处理产生的剩余污泥达数千万吨；
我国农村每年产垃圾3亿吨，其组成不再是易 腐败降解的农作物，而与城市垃圾日益趋同。
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固废处理基本原则
资源化、减量化、无害化
化学成分：有机废物、无机废物
固 体
形
状：固体废物、泥状废物
废 危害状况：有害废物、一般废物
① 厌氧反应过程中的阶段性 ② 两阶段理论 ③ 三阶段理论 ④ 四类群理论
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厌氧消化的两阶段理论
有机物
水解细菌 小分子有机物 产酸菌
脂肪酸、醇类、 H2、CO2 产甲烷菌
CO2、CH4
发酵阶段，又称产酸 阶段或酸性发酵阶段；
酸 性
主要功能：水解和酸
发 酵
化，
阶
段 主要产物：脂肪酸、
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腐殖质的组成—富里酸
富里酸是一类既溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐 殖质物质，其分子量比胡敏酸小；
在结构方面其所含的芳香核较胡敏酸小，聚合 度小，酚羟基及甲氧基较多；
富里酸呈强酸性，移动性大，吸收性比胡敏酸 低，它的一价、二价、三价盐类均溶于水，因 此富里酸对促进矿物的分解和养分的释放具有 重要作用。
会有臭鸡蛋的气味。
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3.影响厌氧消化的因素
厌氧条件 氧化还原电位 原料配比 C/N 20~30:1, P/C 1/1000 反应温度 中温35~38 ℃,高温50~65 ℃ pH酸碱度 6.5~7.5 搅拌条件 防酸积累、防气包、防过温 接种菌种 相应于原料 促进/抑制剂 碱性物质/重金属、氰化物等
纤维素分解至少需要三组水解酶的协同作用： 纤维素内切酶 + 端解酶 + 纤维二糖酶
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堆肥过程的碳素变化
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小 麦 秸 秆 加 硝 铵 的 堆 肥
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小 麦
失重主要源自纤维素半纤维素的降解；
秸 前5天，每天失重2.66%，随后30天每天
产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的 氧化还原电位在-150～-400mV范围内。
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沼气的成分
主要为CH4, 55～70％ CO2, 25～40％ 此外还有总量小于5%的CO、O2、H2、
H2S、N2、NH3、碳氢化合物(CmHn)等。 通常，沼气中由于含有一点H2S气体，
同型产乙酸菌，利用CO2与H2产乙酸，少量。
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产甲烷菌的作用
在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利 用氢气生成甲烷；也可以直接利用乙酸生成 甲烷，二者的比例一般为3/7。
利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌 (Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八 叠球菌(Methanosarcina barkeri)
乙酸
III 同型产乙酸菌
H2+CO2
四
阶 段
3
类
IV 产甲烷菌