第五章 固体废弃物生物处理技术

固体废弃物生物处理技术
有机固体废弃物是指有机质 含量高而含水量低的固态废 物，它们一般具有生物降解 性。 利用微生物处理有机固体废 物技术通常包括好氧堆肥法、 沼气发酵法、酒精生产、单 细胞蛋白生产。
第一节 有机固体废物好氧堆肥

目前，固体废物的年平均增长速度已是经 济增长速度的2～3倍。世界各国根据各自 的国情，分别采用填埋、焚烧、生物降解 法（包括堆肥化）等技术处置固体废物。 好氧堆肥法具有运行费用低、二次污染小 等优点，在世界各国特别是发展中国家有 很好的发展前景。
五、好氧堆肥工艺
现代化堆肥生产通常由前处理、初级发酵、 次级发酵、后处理、脱臭及贮存等工序组 成。 前处理 对体积较大的物料需要破碎、分选，使颗 粒变小，含水率均匀； 对含水量较高的原料主要是降低水分，增 加透气性，调整碳氮比。


初级发酵
在发酵仓内进行，靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气。 通常把稳定升高到开始降低为止的阶段称为主发酵期。 一般为4～12d.
生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及 农林废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基 质－碳水化合物、脂类、蛋白质等，此外，还 含有N、P、K、Na、Mn、Fe等，是常用的堆 肥原料。 城市生活垃圾是堆肥的最主要的原料。
二、堆肥中的微生物

好氧堆肥中参与降解有机物的微生物以好 氧菌为主，主要包括两大类：嗜温菌和嗜 热菌。 嗜温菌包括细菌、放线菌、真菌等

一、堆肥化的基本概念
1.堆肥化及作用
堆肥化是指在控制条件下，依靠自然界广泛
分布的细菌、放线菌、真菌等微生物，人为地 促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化 转化的过程。
堆肥化的产物称为堆肥，堆肥是廉价的优质
土壤改良肥料。废物经过堆制，体积一般只有 原体积的50％～70％。
2.堆肥原料


利用有机废物生产SCP不仅能够变废为 宝，同时还起到净化环境，降低废物 BOD的作用。
单细胞蛋白的优点：

生产效率高。比动植物高成千上万倍，这 是由于微生物的生长繁殖速率快。 生产原料来源广。


可工业化生产。不仅需要的劳动力少，不 受地区、季节和气候的限制，而且产量高 ，质量好。
一、生产单细胞蛋白的原料和微生物
细菌蛋白：生长速度快，蛋白质含量高，能利用糖类和 烃类，但个体小，分离困难且蛋白质不如酵母菌易于消 化吸收。 藻类：纤维质的细胞壁不易消化，且具有富集重金属的 问题。
丝状真菌：易于回收，但生产速度慢，蛋白质含量较低。
酵母菌： 个体大，易于分离、回收，且蛋白质易于吸 收，目前生产上采用较多。
酵母蛋白

发酵中期
酵母数量达最高值，酒精及CO2大量产生。温度控 制在32～33℃。维持10～15h

发酵后期
温度30～32 ℃，维持30～40h三、酒精发酵的原理 Nhomakorabea水解
酸水解法
纤维素水解 酶水解法 酸水解 淀粉的水解
酶水解
植物纤维水解的机理
主要是指纤维素和半纤维素的水解 纤维素实质上是一种己聚糖 半纤维素则主要是戊聚糖

单细胞蛋白所含营养物质极为丰富。

蛋白质含量高达40%～80%，比大豆高10%～ 20%，比肉、鱼、奶酪高20%以上； 氨基酸的组成较为齐全，含有人体必需的8种氨 基酸，尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。
单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物 、脂类、矿物质，以及丰富的酶类和生物活性物 质，如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等

二、生产单细胞蛋白的方法

通常采用连续培养方法，即在培养罐内 连续地加入培养基，同时排出同量的培 养液，罐内培养液的容量、组成、温度 等保持稳定状态。
藻类蛋白
以小球藻和螺旋藻最引人注目，是在海 水中快速生长的两种微藻，二者的蛋白 含量分别为50%、60%（干重），必需氨 基酸中除含硫氨基酸较少外，其他的必 需氨基酸却很丰富。

嗜热菌包括嗜热性真菌和细菌等。
堆肥的原料来源不同，微生物的种类和数 量也不尽相同。
45℃的堆肥样品中，一般有以下几属：
曲霉属，芽孢杆菌属，肠道杆菌属、假单胞 菌属、芽孢乳杆菌属。
55℃时的堆肥样品中 一般有以下几属：
乳杆菌属，芽孢杆菌属，假单胞菌属，链球 菌属，小单胞菌属。
三、堆肥化过程

利用农牧渔业及其产品加工业生产的废物（如豆 渣、酒糟等）及生活垃圾、粪便、有机废物污泥都 可作为沼气发酵的原料。

沼气发酵的应用
生产沼气， 提供能源
处理废物， 保护环境
沼气发酵装置1
沼气发酵装置2
第三节 有机固体废物发酵制备酒精

酒精发酵的原料和微生物 酒精发酵的生化过程


酒精发酵的原理



增加食品中蛋白质生物价 提高食品中维生素和矿物质含量 提高食品的物理性能 食品添加物 食用发酵剂

用在医药及其他
单细胞蛋白生产工艺流程
三、单细胞蛋白生产中存在的问题
（1）核酸含量高, 4%～18%,过多食用引
起痛风。
（2）毒性物质存在的可能性 （3）在人类消化管道中消化得很慢，会使食 用者 产生消化不良或过敏等症状。 （4）比其他来源的蛋白质，如大豆蛋白质更 昂贵。
四、单细胞蛋白的应用

用作饲料 食品加工业

酵母在食品加工中应用较早，包括食品 的酿造、烘烤等。

酵母中蛋白质的含量超过其干重的一半 ，但相对缺乏含硫氨基酸。另外，由于 酵母中核酸含量较高，若摄入过量的酵 母蛋白则会造成血液的尿酸水平升高， 引起机体代谢紊乱。
细菌蛋白

其生产底物一般是碳氢化合物（如天然气或沥青） 或甲醇，细菌中蛋白质含量占其干重的3/4以上，必 需氨基酸组成中同样缺乏含硫氨基酸，另外所含的 脂肪酸也多为饱和脂肪酸。 这两种微生物蛋白一般不能能够直接食用，需除去 细胞壁、核酸和灰分等杂质。细菌蛋白提取处理后 得到细菌分离蛋白，它的化学组成与大豆分离蛋白 相近，并且在补充含硫氨基酸以后，它的营养价值 与大豆分离蛋白相近。
脱臭
采用化学除臭或吸附除臭法除去堆肥过程中 产生的氨、硫化氢、甲基硫醇等臭味物质。

贮存
堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天。堆 肥成品可直接堆存在二次发酵仓内，或袋装 后存放。
六 好氧堆肥的影响因素




影响好氧堆肥化的主要因素有有机质的含量、 含水率、温度、碳氮比等。 有机质含量：适宜的有机质含量为20％～ 50％。 含水率：55％为佳 温度：35～55℃ 碳氮比：30：1

次级发酵
经过主发酵的半成品被送去后发酵，即次级发酵。后发 酵通常采用敞开式发酵，为了提高发酵效率，仍需进行 翻堆或通风。 后发酵的时间一般为20～30d以上。

后处理
去除塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂 物。通常采用回转式振动筛、磁选机、风选 机等设备去除上述杂质，并根据需要进行再 破碎。

德国克尔海姆县Dietrichsdorf垃圾堆肥厂
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第二节 有机固体废物生物转化沼气
研究微生物产生沼气已有100多年的历史，早在 1866年，Bechamp首先指出甲烷的形成是一种 微生物学的过程。以后，经过许多科学家的努力， 逐步建立起厌氧发酵制取沼气的工艺.
原料：
①农业废物、废水，如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含 纤维素的废料及农林产品的加工废水；需经粉碎、碱 处理以提高可消化性。 ②工业废物、废水，如食品、发酵工业中排出的含糖有 机废水、亚硫酸纸浆废液等； ③石油、天然气及相关产品，如原油、柴油、甲烷、乙 醇等； ④H2、CO2等废气
微生物：

酵母菌、细菌、霉菌、担子菌等。 假丝酵母和酿酒酵母，前者利用戊糖.
一、酒精发酵的原料和微生物


原料 含纤维素、淀粉和糖的废物都可以用来进 行酒精发酵。木材、木屑、废纸、稻草、玉 米秆、麦秆、玉米芯及腐烂的水果。 微生物 糖化菌：产生淀粉酶，水解淀粉。曲霉、 根霉等 酒精发酵的微生物：南阳酵母\啤酒酵母
二、酒精发酵的生化过程

发酵前期
酒精和CO2产量很少，发酵表面比较平静，持续10h 以上。酵母的接种量、酵母质量和接种温度影响该 阶段的长短。




有机固体废物好氧堆肥过程，依据温度变 化，大致可分为3个阶段： 1.中温阶段（产热阶段）：15～45℃ 嗜温性微生物 2.高温阶段 60~70℃ 嗜热性微生物 3.降温阶段（腐熟阶段） 嗜温性微生物
当温度稳定在40℃，堆肥基本达到稳定，形成腐殖质。
四、好氧堆肥化原理

在好氧堆肥化过程中，有机固体废物中的可溶性 有机物可以透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生 物直接吸收，而不溶性的胶体有机物质，则先被 吸附在微生物体外，依靠微生物分泌的胞外酶分 解为可溶性物质后再渗入细胞。微生物通过自身 的生命活动，进行分解代谢和合成代谢，把一部 分被吸收的有机物氧化成简单的无机物，并释放 出能量，同时把另一部分的有机物转化成细胞物 质，使微生物生长繁殖。
酒精发酵
酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成酒 精 C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+Q 1mol葡萄糖可产生2mol酒精 一般100kg纯淀粉理论上可以生产96％ 的酒精60.54kg

第四节 发酵制备单细胞蛋白

单细胞蛋白（Single-Cell-Protein,简称SCP)一词 是由美国麻省理工学院（MIT)的Carroll Wilson 教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通过培 养单细胞生物而获得的生物体蛋白质，又称微生 物蛋白，包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母 菌、霉菌和微型藻类等。 1967年在第一次全世界单细胞蛋白会议上，将微 生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白。