第五章 固体废物的生物处理技术

第五章固体废物的生物处理技术

一、名词解释

固体废物的生物处理—以固体废物中可降解的有机物为对象，通过生物（微生物）的作用使之转化为水、二氧化碳或甲烷等物质的过程。

堆肥化—就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，以及由人工培养的工程菌等，在一定的人工条件下，有控制地促进可被生物降解的有机物向稳定的腐殖质转化的生物化学过程，其实质就是一种生物代谢过程。

堆肥—堆肥化的产物叫堆肥。

一次发酵—好氧堆肥的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。

二次发酵—物料经过一次发酵，还有一部分易分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1～2m高的堆垛进行的再次发酵，使之腐熟的过程。厌氧消化—在厌氧条件下通过利用微生物群落或游离酶对有机固体废物中的生物质分解降解作用，使其中的易腐生物质部分得以降解，并消除生物活性，转化为无腐败性的残渣的过程。

二、简答

1．固体废物生物处理的意义何在？

⑴对固体废物进行处理消纳，实现稳定化、减量化、无害化；

⑵促进固体废物的适用组分重新纳入自然循环（如堆肥用于改土，重新回归农田生态系统）；

⑶将大量有机固体废物转化为有用物质和能源，实现固体废物的资源化（如沼气、生物蛋白、乙醇）。

2. 堆肥化的方式主要有哪几种？

堆肥化的方式按照不同的方法有不同的分类。根据温度要求，分为中温和高温堆肥；按照堆肥过程的操作方式，可分为动态和静态堆肥；按照堆肥的堆置情况可分为露天和机械密封堆肥。

最常用的分类方式是根据在生物处理过程中起作用的微生物对氧气要求的

不同，把固体堆肥分为好氧堆肥化和厌氧堆肥化。前者是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程。后者是利用厌氧微生物发酵造肥，特点是空气与

堆肥相隔绝，温度低，工艺简单，但是堆制周期长，气味浓烈，产品分解不够完全稳定。

通常，仅按一种分类方式很难全面描述堆肥状况，因此常常兼用多种工艺加以说明。

3. 适于堆肥的原料有什么特性？包括哪些？

适于堆肥的原料需要具备三个特性：固体废物密度一般为350～650kg/m3；含水率为40%～60%；碳氮比为（20～30）：1

堆肥的原料很广，主要包括以下几类：

（1）城市垃圾指城市居民日常生活、商业活动、机关办公、市政维护等过程所产生的固体废物，其中金属、陶瓷、玻璃、塑料等要经过分选回收，余下的才适合堆肥处理。

（2）粪便粪便的碳氮比较低，非常适合作为堆肥原料。

（3）污泥主要来自城市生活污水和工业废水处理工程中产生的污泥。

（4）农业固体废物

在我国堆肥的主要原料是生活垃圾与粪便的混合物，也有的是城市垃圾与生活污水、污泥的混合物。

4．试述好氧堆肥的基本原理。

好氧堆肥是在有氧的条件下，借好氧微生物（主要是好氧菌）的作用来进行的。在堆肥过程中，生活垃圾中的溶解性有机物质透过微生物的细胞壁和细胞膜而为微生物所吸收，固体的和胶体的有机物先附在微生物体外，由生物所分泌的胞外酶分解为溶解性物质，再渗入细胞。微生物通过自身的生命活动——氧化、还原、合成等过程，把一部分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并放出生物生长活动所需要的能量，把一部分有机物转化为生物体所必需的营养物质，合成新的细胞物质，于是微生物逐渐生长繁殖，产生更多的生物体。

5. 如何控制堆肥过程中的含水率？

堆肥过程中水分作用在于：溶解有机物，参与微生物的新陈代谢；水分蒸发时散热以调节温度。

含水率50-60%为佳。水分过多，降低游离孔隙率，影响空气扩散，易造成厌氧状态，同时产生渗滤液处理问题；水分低于40%，微生物活性降低，堆肥温度随之下降。

含水率偏低，可添加污水、污泥、人粪尿、粪便等来调节水分；对于高含水率的固体废物，可以采用机械压缩脱水，也可以在场地和时间允许的条件下将物料摊开进行水分蒸发，还可以在物料中加入稻草、木鞋、干叶等松散物或吸水物，还可以掺和调理剂，干调理剂对控制湿度较有利。

6. 堆肥过程中的碳氮比如何控制？

碳为微生物生命活动提供能源，氮则用于合成细胞原生质。堆肥发酵过程中，碳氮比逐渐下降。

碳氮比最佳为（25～35）：1；低于20：1时，微生物繁殖因能量不足而受到抑制，分解缓慢且不彻底；高于40：1时，堆肥施入土壤导致“氮饥饿”，夺取土壤中的氮。

通过在垃圾中加入人粪尿、畜粪以及城市污泥等调节剂，使碳氮比调到30以下。

7. 堆肥过程中的通风操作具有哪些作用？

通风操作时好氧堆肥能够成功的重要因素之一，其主要作用有：

①提供氧气，以促进微生物的新陈代谢；

②通过供气量的控制，调节最适温度；

③在维持最适温度条件下，加大通风量可去除水分。

8．指出堆肥面临的问题和对策。

⑴堆肥面临的问题

产品中N、P、K含量不高；堆肥杂质（废塑料、碎玻璃、碎陶瓷片等）影响堆肥质量；堆肥销路差；堆肥投资较大（25-36万元/t.d）；分选费用、贮存费用较高。

⑵对策

①控制堆肥原料的质量对生活垃圾应强化源头分类收集和前处理（破碎、分选、筛分）工序；对粪便及污泥，前处理着重是调整水分和碳氮比等。

②堆制生物活性肥料微生物接种剂本身不是肥料，只是增强土壤吸收、利用肥料的能力。

③堆制有机复混肥

④其它新型垃圾肥料磁性有机肥；生物活性肥料（微生物有机肥）。

9. 什么是固体废物厌氧消化？

有机废物的厌氧消化是指在特定的厌氧条件下，由厌氧微生物将有机质进行分解，使其中的易腐生物质部分得到降解，并且消除生物活性，转化为无腐败性的稳定残渣的过程。该过程中，一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳，其中被分解的有机碳化物中的能量大部分转化贮存在甲烷中，仅一小部分有机碳化物被氧化成二氧化碳，释放的能量作为微生物生命活动的需要。因此在这一分解过程中，仅积贮少量的微生物细胞。

10. 厌氧消化过程中的微生物包括哪些？

（1）不产甲烷菌种类繁多，有细菌、真菌和原生动物三大群。其中细菌的种类最多，作用也最大，按呼吸类型分为专性厌氧菌、好氧菌和兼性厌氧菌。其中以专性厌氧菌的种类和数量最多。

（2）产甲烷菌产甲烷菌在原核生物中由于它们能厌氧代谢产生甲烷而成为一个独特类群。

11．厌氧消化技术主要有哪些特点？

厌氧消化技术主要有以下特点：

①具有过程可控制、降解快、生产过程全封闭的特点；

②能源化效果好，可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；

③易操作，与好氧处理相比厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；

④产物可再利用，适于处理高浓度有机废水和废物，经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以作农肥、饲料或堆肥化原料；

⑤厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；

⑥厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体。

三、论述

1. 使用堆肥能够产生哪些积极的作用？

使用堆肥能带来一些积极的作用：

（1）使土质松软，多孔隙，易耕作，改善土壤的物理性能，增加保水性、透水性及渗水性。

（2）有吸附阳离子的作用，有助于保住氮、钾、铵等以阳离子形态存在的肥料成分。腐殖质阳离子交换容量是普通粘土的几倍到几十倍。

（3）腐殖化的有机物具有调节植物生长的作用，也有助于根系发育和伸长。（4）腐殖质有缓冲作用当土壤中腐殖质多时，肥料施得过多或过少，气象条件的稍微恶化，都不易损害土壤的性能。例如水分不足时，腐殖质多可起到类似于缓冲器的作用，防止植物枯萎。

（5）堆肥是缓效性肥料堆肥中的氮肥几乎都以蛋白质的形态存在，当施到田里时，蛋白质经氮微生物分解成氨氮，在旱地里部分变成硝酸盐氮，两者都是能被吸收的。施用堆肥不会出现施化肥那样短暂有效或施肥过头的情况，由于经过上述过程缓慢持久地起作用，故不致对农作物产生损害。

（6）腐殖质中某种成分由螯合作用，和酸性土壤中含量较多的活性铝结合后，使其半数变成活性物质，因而能抑制活性铝和磷酸结合的有害作用。

（7）堆肥是二氧化碳的供给源如与外界空气隔绝的密封罩内二氧化碳浓度低，当大量施用堆肥后，罩内较高的温度可促使堆肥分解放出的二氧化碳。

总之，堆肥中的腐殖质能改善土壤的物理、化学、生物性质，使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态。堆肥的用途很广，既可以用作农田、绿地果园、苗圃、畜牧场、庭院绿化、风景区绿化等的种植肥料，也可以做过滤材料、隔音板机制作纤维板等。

2、好氧堆肥过程一般分为几个阶段？各阶段有何特点？

固体废物好氧堆肥过程一般分为四个阶段：升温阶段、高温阶段、降温阶段、腐熟阶段。

（1）升温阶段（亦称中温阶段）

堆层温度15～45℃，嗜温菌活跃，可溶性糖类、淀粉等消耗迅速，温度不断升高；以细菌、真菌、放线菌为主；

堆肥初期，堆层基本呈中温、嗜温性微生物(中温放线菌、蘑菇菌等)较为活跃，并利用堆肥中可溶性有机物质(单糖、脂肪和碳水化合物)旺盛繁殖。它们在转换和利用化学能的过程中，有一部分变成热能，由于堆料有良好的保温作用，温度不断上升。

（2）高温阶段

当堆肥温度上升到45℃以上时，即进入堆肥过程的第二阶段一高温阶段。堆层温度升至45℃以上，不到一周可达65～70℃，随后又逐渐降低。温度上升到60℃时，真菌几乎完全停止活动，温度上升到70℃以上时，对大多数嗜热性微生物己不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态，除一些孢子外，所有的病原微生物都会在几小时内死亡，其它种子也被破坏。其中：50℃左右，嗜热性真菌、放线菌活跃；60℃左右，嗜热性放线菌和细菌活跃；大于70℃，微生物大量死亡或进入休眠状态。

（3）降温阶段

在此阶段，中温微生物又开始活跃起来，重新成为优势菌，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多，且稳定化。当温度下降并稳定在40℃左右时，堆肥基本达到稳定。

（4）腐熟阶段

堆体温度降低后，嗜温微生物又重新占优势，对残余较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且稳定化，此时堆肥即进入腐熟阶段。降温后，需氧量大大减少，含水量也降低，堆肥物孔隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风即可。

2. 分析堆肥过程中的主要影响因素。

堆肥过程中主要影响因素有化学因素和物理因素。

（1）化学因素

①C/N比C/N比影响有机物被微生物分解的速度。C/N比在10～25之间时，有机物的分界速率最大。一般认为城市固体废物堆肥原料最佳C/N比在（20～35）：1。

②C/P比磷的含量对发酵有很大影响。堆肥料适宜的C/P比为75～150。

③供氧量对于好氧堆肥而言，氧气是微生物赖以生存的条件，供氧量要适当，通常实际所需空气量应为理论空气量的2～10倍。

④pH值一般认为PH在7.5～8.5时，可获得最大堆肥速率。

⑤有机质含量这一因素影响堆料温度与通风供氧要求。如有机质含量过低，分解产生的热量不足以维持堆肥所需要的温度，影响无害化处理；如果有机质含量过高，则给通风供氧带来困难，有可能产生厌氧状态，研究表明堆料最适合的有机质含量为20%～80%。

（2）物理因素：

①温度温度是影响微生物活动和堆肥工艺过程的重要因素。温度过低，分解反应速度慢，也达不到无害化要求；温度过高，有益细菌将被杀死，且分解速度慢。适宜的堆肥化温度为55～60℃。

②颗粒度堆肥化所需的氧气是通过堆肥原料颗粒空隙供给的。空隙率及空隙的大小取决于颗粒大小及结构强度。对堆肥原料颗粒的平均适宜粒度为12～60mm，最佳粒径随垃圾物理特性而变化。

③含水率含水率对于发酵过程影响很大。水的作用包括两点：一是溶解有机物，参与微生物新陈代谢；二是调节堆体温度。适宜含水率范围为45-60%。

3. 试述好氧堆肥的工艺流程。

好氧堆肥生产通常由前处理、主发酵、后发酵、后处理、贮存等工序组成。

（1）前处理（破碎、分选、筛分、调整水分、C/N比、添加菌种和酶制剂）以家畜粪便、污泥等为堆肥原料时，前处理的主要任务是调整水分和碳氮比，或者添加菌种和酶制剂。

以城市垃圾为堆肥原料时，垃圾中含有粗大物件和不能堆肥的物质，故前处理包括破碎、分选、筛分等工序，使堆料表面积增大，便于微生物繁殖，从而提高发酵速度。适宜的粒径范围是12－60mm。

（2）主发酵（一次发酵，4-12天）

主发酵可在露天或发酵装置内进行，通过翻堆或强制通风向堆积层或发酵装置内的物料供给氧气。此时的物料在微生物的作用下开始发酵，首先是易分解物质被分解；与此同时，微生物则吸取有机物中的营养成分，菌群增殖和有机物分解放出的热量使堆温上升。

发酵初期物质的分解是靠嗜温菌30－40℃为最适宜生长温度进行的，由于堆温上升，最适宜温度为45－65℃的嗜热菌取代嗜温菌，堆温进入高温阶段。通常，在严格控制通风量的情况下，将堆温升高至开始降低为止的阶段作为主发酵阶段。对以生活垃圾为主体的城市垃圾和家畜粪便好氧堆肥而言，其主发酵期约为4－12天。

（3）后发酵（二次发酵，20-30天）

经过主发酵的半成品被送往后发酵工序，在这里将此前尚未分解的易分解和较难分解的有机物进一步分解，使之变成比较稳定的腐殖质类有机物，从而得到

完全成熟的堆肥制品。在该工序中通常将物料堆积到1－2m后进行发酵，一般进行自然通风，有时需加以翻堆或作必要的通风处理。后发酵时间一般在20－30天。

（4）后处理（分选）

分选去除预分选未去除的塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等，若生产精堆肥，应进行再破碎过程。生产复合肥，需加入N、P、K。

（5）贮存（6个月，适应农用的季节性）

由于农田施用堆肥有一定季节性，故需适当的库存容量将富余堆肥产品贮存起来。一般以能贮存6个月堆肥生产量为宜。

4. 通风供氧有哪些方式？

根据不同堆肥对于供氧要求的差异以及堆肥设备结构的不同和工艺过程的不同，高温好氧堆肥的供氧方式可以分为以下几种。

(1) 自然扩散法利用空气的自然扩散，使氧气由堆体表面向内部扩散。一般来讲，再