有机废弃物的土壤处理

• 温度和物料中可利用的有机物质决定微生物种群变化 • 单一种类微生物无论多么活跃，其分解有机物质速度 也比不上混合群体的共同作用,堆外围的温度相对较 低，微生物群体较大，搅拌实际上起到了接种的作用
起爆剂
• 加入易利用的有机物质如糖、蛋白质等会增加 堆肥开始时微生物的活性，起到“起爆”效果； • 在大多数情况下，堆肥物料中的有机物有一部 分为易利用形态。
嗜热真菌 -拟青霉属
分 生 孢 子 Paecilomyces 拟青霉属
堆肥化中的细菌和放线菌
• 嗜热细菌和放线菌对高温的抵抗高于真 菌；Thermus (嗜热菌属)生活温度为4080oC，最适温度为65至75℃；在70℃时产孢 细菌芽孢杆菌也有存在 • 在降温期、稳定期放线菌占优势，代表种 群是放线菌科(Actinomycetacea)； • 放线菌分解纤维素的能力远不如真菌, 比 细菌或真菌生长繁殖慢，在养分和可利用 碳源丰富时种群相对小，而由于它们产生 抗生素，在养分和能量物质匮乏时占优势
升温期 代表种有Mucor pusillus (微小毛霉 )及 Aspergillus fumigatus(烟曲霉 )，前者在高温过 后因易利用碳源耗尽而不再出现 高温期 嗜热真菌被杀死 降温期 嗜热真菌等重新定殖：Chaetomium thermophile (嗜热毛壳霉), Humicola insolens (特异腐质霉), Humicola (Thermomyces) lanuginosus, Thermoascus aurantiacus, Paecilomyces sp, Aspergillus fumigatus 稳定期 可利用的有机物质很少，主要为放线菌
堆肥化中的动物
• 当堆肥温度降至常温时许多动物可进入其 中，包括蚯蚓、千足虫等 • 它们取食其中的微生物和植物残体 • 将物料破碎成小的颗粒，扩大微生物作用 的表面积
堆肥条件控制
• 温度 • 搅拌、通气 • 接种剂和添加剂
无害化要求的温度
• 病原物的致死温度和时间： 不产孢细菌 沙门氏杆菌，50-60℃ 5min-1.5h; 伤寒杆菌，55-60°C，30分钟；化脓性链球 菌，54°C，1小时；结核分支杆菌 真菌、寄生虫、杂草种子55℃ 1-2h • 温度高于60℃，几天内就可以达到无害化 目的；55 ℃时间超过3天病原物不再威胁 公众健康
物质降解最适温度
• 尽管60°C以上的高温对消灭病原菌有利， 但稍低一些的温度有利于分解高聚体的微 生物繁殖和活动 • 物质降解最适温度：不要超过55 ℃ 中温细菌和中温真菌活动的最适温度2030℃，而嗜热真菌为45-55℃，超过60℃仅 剩产芽孢的嗜热细菌和放线菌，而纤维素、 半纤维素的降解主要依靠真菌来完成
堆肥化初期真菌
子囊孢子
Rhizomucor pusillus (微小毛菌)，在堆肥化初 期利用单糖和氨基酸等，生长温度为2055°C，发热期后不再活动
堆肥初期真菌 –腐殖霉
Humicola (Thermomyces) lanuginosus 生 活温度在30 to 52-55oC，除堆 肥发热高峰外 一直存在，不 能分解纤维素 与纤维素分解 菌伴生
堆肥化特征 高温堆肥
• 有机废弃物中碳生物氧化释放能量，部分用于 微生物的代谢，其余部分以热的形式散出； • 在堆肥初期产生热量比散发的要多，致使堆肥 物料的温度升高。 • 在一定范围内，温度升高可进一步促进微生物 活动；升至超过60°C可以杀死物料中的病原 微生物
堆肥化的目的
• 无害化
• 易腐解的有机物质的转化为稳定的腐殖质，恶 臭，害虫衍繁等可以被消除 • 堆肥化过程中的高温杀死致病微生物，虫卵及杂 草种子
堆肥化的质量指标
• 熟化程度 •C/N 比 < 25; •耗氧率 < 150 mg 02/kg 挥发性干物质/小时; • 植物毒理试验：不影响水芹(Lepidium sativum)和 萝卜(Raphanus sativus) 种子发芽和幼苗生长 • 异物含量 “任何大于 2 mm 人造的物质如金属、玻 璃或塑料橡胶等高聚体” • 重金属 • 病原物：无salmonellae菌，粪大肠杆菌<1000 Most Probable Number/g干重 • 有机污染物:PCBs (0.5 mg/kg), dioxins, ]呋喃(furan) 和 农药
实线:温度
堆肥化进程中温度变化
中温期：堆肥物料中有易分解的糖和蛋白质 ，微生物 代谢活动旺盛产生大量热；物料堆积热量不易散发， 使温度在1-2天内可能会达到70-80°C，大部分微生 物死亡、酶失活 高温期：少数几种嗜热真菌和细菌继续活动，温度上 升至高峰 降温期：易利用的物质消耗殆尽，产生热量少于散发 热量，温度逐渐下降，嗜热真菌重新定殖，纤维素、 半纤维素大量分解 稳定期: 能利用的物质消耗殆尽，仅剩放线菌，有机物 不再吸引蝇虫，既使再堆积也不发热
嗜热真菌 –嗜热子囊菌
子囊果 子囊和子 囊孢子
Thermoascus aurantiacus 生活温度在25-55oC，分解纤维素能力强
嗜热真菌 - 烟曲霉
分 生 孢 子 Aspergillus fumigatus 生活温度在12-52oC，分解纤维素能力强； 吸入肺中会引起过敏、并可在肺泡中生长
堆肥化进程中有Fra Baidu bibliotek物质分解
• 单糖、淀粉和蛋白质分解在升温期完成 • 纤维素的降解在中温期较快，高温期下降至 降温期又有所回升，到稳定期基本完成； • 半纤维素的降解从升温到降温期都能保持相 对较稳定和较高的速率 • 木质素的降解基本上可以忽略，木质素含量 因总干重下降而增加 • 秸杆堆制60天后干物重失去50%以上，大部 分在最初的34天内失去，其中几乎全部是纤 维素和半纤维素
污水污泥 一级处理
污水处理
曝气池 二级处理 三 级 处 理
空气 沼气 消化池 消化污泥
病原物被消灭 有机物质稳定
进一步除 去固体悬 浮物降低 BOD,沉淀 P、清除 NH3
处理后污水排放
• 由于蓝绿藻能进行生物固氮，N往往不是其 生长的限制因素； • 藻类细胞的N/P比为7-10 ：1，当N/P小于7 时，磷不再是限制因子 ； • 水中磷浓度超过10 μg/l，会导致富营养化 • 经二级处理的污水在排入江河湖泊之前应进 一步除去P，一般加入石灰或FeCl3将P沉淀
• 减量化
• 部分有机碳转化为CO2，有机物质的重量降低 • 堆肥产物的密度比原始物质要高，体积减小
• 资源化：
• 有机肥：N、P、K和微量元素得以保留 • 食用菌种植
堆肥化的生物学和生物化学
• 温度变化 • pH变化 • 微生物种群动态 • 有机物质分解特征
堆肥化的进程
点线:嗜热真菌
虚线:中温真菌
水体富营养化
水体富营养化 (Eutrophication)是与水中营养元素 富积相联的生物-地质-化学过程; 营养元素的富 积造成大量植物和动物生物量的增加；进而引 起水中氧气耗竭
• 浮游植物和滨海植物大量繁殖，其中大多不能被动物 取食而沉积，藻青菌(cynobacteria)有毒； • 有机物质使细菌大量繁殖，消耗氧气 • 温度较高时，底层有机物质厌氧分解，产生沼气和硫 化氢； • 水底的厌氧条件使沉积的P释放出来，进一步加剧了 富营养化程度
微生物合成的致癌物
• 甲基汞 (Methylmercury)：微生物转化汞而 成，溶于脂肪，在鱼体内富积 • 二甲基胂(dimethylarsine)，杀虫剂 • 二甲基硒(dimethylselenide) • 亚硝胺(nitrosamine)胺(R-NH2)与NO2-在酸性 条件下反应而成
非天然有机化合物分解
添加剂
• 添加剂是指为了加快堆肥进程和提高堆肥 产物质量在堆肥物料中加入的微生物、有 机或无机物质 • 添加剂种类
– – – – 接种剂(inocula) 疏松剂(bulking agents) 起爆剂(starters) pH调节剂
通气
• 保证物料堆中的好气环境，提高腐熟和稳 定速度 • 安装通气管、沟、强制通风 • 搅拌通气的效果持续短
有机废弃物的堆肥化处理
堆肥化(composting)是 将由多种不同组分构成 的有机物料堆聚在一起, 以保存发酵过程中产生 的热量，在多种微生物 共同作用下，在温暖湿 润和好气条件下，对物 料中有机物质进行的生 物氧化过程。最终产物 是堆肥 (compost)
堆肥化特征 条件
• 堆肥化是有机废弃物、微生物、水分、氧气 诸因子相互作用的复杂过程 • 堆肥物料中含有土著微生物混合群体，通过 控制合适的水分和通气条件可以加快微生物 的活动。 • 微生物的生长和繁殖还需要C、大量元素N、P、 K和一些微量元素。通常情况下，有机废弃物 中均含有这些物质，尽管有时需要调整其比 例以适合微生物的代谢需求
• 农药、染料、卤化溶剂、灭火剂 • 邻苯二甲酸盐(酯 Phthalate)被大量用于建 筑、家居、农药、塑料添加剂 • 多氯化联苯(PCBs)
COOR COOR
• 微生物难以分解这些有机化合物，除其化学 结构复杂外，这些物质易被土壤胶体吸附也 是重要原因.
疏松剂
• 当含水多、颗料细的废弃物堆制时，常常需 要加入一些质地疏松的物质来增加通气性 • 水冲式畜禽养殖场的畜禽粪便与作物秸秆联 合堆制(conjoint composting)既可解决水气 矛盾，又可平衡C、N比例 • 常用的疏松剂有锯末、作物秸杆、粉碎的废 橡胶轮胎等。
pH调节剂
• 以废弃物处理为目的的大规模的堆肥， 调整pH即无必要，又不经济 • 如果堆肥产物是用于培养蘑菇或饲养蚯 蚓时，则需要加入pH调节剂，以防止pH 波动过大 • 常用的pH调节剂有CaCO3、石灰和石膏等
加拿大环境部堆肥质量标准
食用菌种植
• 种植双孢蘑菇时物料的堆肥化处理进程被人为 减少为两阶段，以便减少用于蘑菇生长所需的 纤维素类物质的损耗 - 物料在几天内升温至70至80℃，并保持几 天； - 将大部分微生物杀死后，保持45℃几天，随 后接种双孢蘑菇(agaricus bisporus) • 在第二阶段中，嗜热真菌Scytalidium thermophilum占优势, 它的存在能增大蘑菇产量； • 活的或因热而死的细菌为蘑菇提供氮素
有机废弃物的土壤处理
土壤施用的限制因素
• 随污水进入土壤的盐分可能会影响作物生长；硝酸盐 可能会污染地下水；重金属、有机化合物可能会在土 壤中积累，并进入食物链； • 污泥、家禽和非反刍动物（如猪）养殖废物中可能含 有病原细菌、病毒和寄生虫 • 难闻气味和居民对可能危害的担心等影响在土壤施用 • 养分、盐分、重金属以及水分含量因地域时间而变， 不能确定最适用量 • 有机废物体积、含水量大，养分含量低，运输成本 高；污水、集约化养殖场废物生产具有连续性，而肥 料利用有季节性，需要储存；监测作物和水质的成本 高
沼气发酵的生物学
无氧条件下有机物质发酵分解形成甲烷等的 过程 • 适用于污水处理厂消化污泥 • 人畜粪便和作物秸秆处理
沼气发酵的三阶段
• 液化阶段：水解糖类、蛋白质和脂肪产生 脂肪酸和醇 • 产酸阶段：产醋酸的细菌将低级脂肪酸和 醇转化为醋酸、CO2和H2； • 甲烷生成阶段：甲烷细菌利用H2还原CO2生 成甲烷 • 在液化和产酸阶段兼性厌氧菌分解有机物 质时消耗氧气，为严格厌氧的甲烷细菌提 供生长的环境和底物
• 在最初几个月内至少翻堆3次，在随后每3 个月翻1次 • 过于频繁搅拌会散发热量，降低微生物特 别是真菌活性； • 连续堆肥不必搅拌
微生物接种剂
• 接种微生物
– 提高堆肥初期微生物的群体，增强微生物的降解活性，缩 短达到高温期的时间； – 补偿高温期后微生物群体下降 – 接种分解有机物质能力强的微生物
堆肥化进程中的微生物群体变化
升温期 中温微生物利用单糖氨基酸迅速大量繁 殖，易利用的有机物质耗尽后它们不再出现 高温期 嗜热真菌、放线菌和大部分细菌被杀 死，仅剩产孢细菌 降温期 嗜热真菌等重新定殖 稳定期 可利用的有机物质很少，微生物间竞争 激烈，主要为生物为放线菌(产生抗生素)
堆肥化进程中的真菌