北京大学环境工程概论 第七章 固体废物-2

（3）其它生物转换技术
世界各国固体废物产生量不断递增，其中各类纤维 素世界年产量可达到以Gt计的天文数字，因而废纤 维素数量十分惊人。如何充分利用这种有机物纤维 素做资源，使之转化为能源、食物以及其他化学物 质是急待开发的技术，针对当前世界性能源枯竭的 状况，这也是一项十分重要的课题。
7.2.2 堆肥化的基本概念 （1）堆肥化定义
（b）厌氧生物处理法
这是在没有游离氧的情况下，以厌氧微生物为主 对有机物进行降解、稳定的一种无害化处理。在 这种厌氧生物处理过程中，复杂的有机化合物被 降解、转化为简单、稳定的化合物，同时释放能 量。其中，大部分能量以CH4 形式出现，这是一 种可燃气体，可回收利用。同时，仅少量有机物 被转化、合成为新的细胞组成部分。
合成 同化作用 堆肥有机物 (含C, H, O, N, S, Cl) 、 氧 和 微生物 氧化分解 异化作用 CO2, H2O, NH3, PO43-, SO42+ 能量 细胞物质（ 细胞物质 （ 微 生物繁殖） 生物繁殖）
排入环境
释放、 释放、转化为热
微生物通过自身的生命代谢活动，进行分解代谢 （氧化还原过程）和合成代谢（生物合成过程）， 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，把另一部分有 机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖， 产生更多的生物体。 可用下列关系式反映堆肥化过程中有机物氧化分解 关系。
这种生物转换技术应用的重要意义在于： a) 对城市固体废物进行处理消纳，实现稳定化、 无害化，可以避免或者减轻城市垃圾的大量堆 积，影响市容及城市垃圾自然腐败，散发臭气， 传播疾病，从而对环境造成的恶劣影响。 b) 可促进上述自然界物质循环与人类社会化物 质循环的统一，可以把固体废物中的适用组分 尽快地重新纳入自然循环（例如生产堆肥用以 施肥、改造土壤，可回归农田生态系统中去）； c) 可以将大量有机固体废物通过各种工艺转换 成有用的物质和能源（例如产生沼气、生产葡 萄糖、微生物蛋白质等）。
⑤ 堆肥是缓效性肥料。和硫铵，尿素等化肥中氮 不同，堆肥中氮肥几乎都以蛋白质氮形态存在，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氮。 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，不 致对农作物产生损害。 ⑥ 腐植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，即有助于扩大根部范围； ⑦ 将富有微生物的堆肥施于土中可增加土壤中微 生物数量。微生物分泌的各种有效成分能直接或间 接地被植物根吸收而起到有益作用，故堆肥是昼夜 均有效的肥料。
（2）堆肥过程中微生物的种类 在固体废物生物处理过程中，有各种微生物与 发挥作用。微生物种类繁多，大致可以作如下 分类： 细菌
原核细胞类型 蓝绿藻 微生物 真核细胞类型 直菌 藻类 原生动物 霉菌 酵母菌
对于所有微生物来说，凡是生活时需要氧气的 好氧微生物，只有在无氧环境中才 都可以称为好氧微生物 能生长的称为厌氧微生物 厌氧微生物，在无氧和有氧的环 境中都能生活的统称为兼氧性微生物。
⑧ 堆肥是CO2的供给源。如与外界空气隔绝的密封 罩内CO2气浓度低，当大量施用堆肥后，罩内较高 的温度可促使堆肥分解放出CO2。 总之，腐植质能改善土壤物理的，化学的，生物的 性质，使土壤环境保持适于农作物生长的良好状态。 腐植质又有增进化肥肥效的作用。 （3）堆肥产品质量及卫生要求 ① 堆肥产品质量（以干基计） 堆肥产品质量（以干基计）
另一方面，人们生产和生活过程中不断 产生各种各样的固体废物，对整个社会 形成了一个生产––– 消费––– 废物 而言，形成了一个生产 –––消费 –––废物 的一个不断的循环系统。 的一个不断的循环系统 人类通过各种手段，借助于上述微生物 的生物能，对固体废物进行生物处理， 实现固体废物（ 主要是有机固体废物） 实现固体废物 （ 主要是有机固体废物 ） 的稳定化、 的稳定化 、 无害化与资源化的技术就统 称为固体废物的生物转换技术。 称为固体废物的生物转换技术
堆肥化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 的腐植质生化转化的微生物学过程叫做堆肥化。堆 肥化的产物称作堆肥。
（2）堆肥作用
堆肥化是可降解的有机废物人为地发酵成为腐植质 的过程，也可以说堆肥即人工腐植质。但其中常常 残留一部分可降解的有机物。 使用堆肥后，能够增加土壤中稳定的腐植质，形成 土壤的团粒结构，并有一系列作用： ① 使土质松软，多孔隙易耕作，增加保水性、透 气性及渗水性，改善土壤的物理性能； ② 肥料成分中氮、钾、铵等都是以阳离子形态存 在。由于腐植质带阴电荷，有吸附阳离子作用，有 助于粘土保住阳离子，即能保住养分提高保肥能力。 腐植质阳离子交换容量是普通粘土的几倍到几十倍；
固体废物生物转化技术的应用
生物处理法是最主要的污水处理方法之一，且已 取得成熟的经验。被定为常规处理手段。生物转 生物转 换技术在固体废物处理方面也开展了深入的研究， 换技术在固体废物处理方面也开展了深入的研究 ， 得到了广泛应用。 且不断地在开发新的应用技术 。 得到了广泛应用 。 且不断地在开发新的应用技术。
粒度：农用堆肥产品粒度不大于12mm，山林果园用堆 肥产品粒度不大于50mm； 含水率：≤35%； pH值： 6.5~8.5； 全氮（以N计）：≥0.5%；
全磷（以P2O5计）：≥0.3%； 全钾（以K2O计）：≥1.0%； 有机质（以C计）：≥10%； 重金属含量：总镉（以Cd计）≤3mg/kg；总汞 （ 以 Hg 计 ） ≤ 5mg/kg ； 总 铅 （ 以 Pb 计 ） ≤100mg/kg；总铬（以Cr计）≤300mg/kg；总砷 （以As计）≤30mg/kg； ② 无害化卫生要求 堆肥温度（静态堆肥工艺）：>55℃持续5d以上。 蛔虫卵死亡率：95%~100%； 粪大肠菌值：10–1~10–2。
③腐植质中某种成分有螯合作用（某种有机化合物 和金属起特殊的结合，把金属维持在液化状态）。 有这种作用的物质和酸性土壤中含量较多的活性铝 结合后，使其半数变成非活性物质，因而能抑制活 性铝和磷酸结合的有害作用。施用堆肥时，由于其 中螯合剂能和铝、铁等金属结合，使稳定状态变成 易分解状态。所以能促进有机物分解，促进氮肥和 其他养分的供应。另外，对于作物有害的铜、铝、 镉等重金属也可与腐植质相反应而降低其危害程度， 有利于植物生长； ④腐植质有缓冲作用。当土壤中腐植质多时；即使 肥料施得过多或过少，也不易受到损害；即使气象 条件恶化也可减轻其影响；即使其他条件稍微恶化， 也能减少冲击和缓和影响。例如水分不足时，可防 止植物枯萎，起到似类于缓冲器的作用；
2. 好氧堆肥化过程
好氧堆肥化从废物堆积到腐热的微生物生化过程比 较复杂，但大致可分为三个阶段： 中温阶段（ 亦称产热阶段 ） 中温阶段 （ 亦称产热阶段） 。 堆肥初期，堆层基本 呈中温，嗜温性微生物较为活跃并利用堆肥中可溶 性有机物旺盛繁殖。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。此阶段微生物以中温、需氧 型为主，通常是一些无芽胞细菌。适合于中温阶段 微生物种类极多，其中最主要是细菌、真菌和放线 菌，细菌特别适应水溶性单糖类，放线菌和真菌对 于分解纤维素和半纤维素物质具有特殊功能；
CSHtNUOV·aH2O+bO2→CWHXNYOZ·CH2O+d;fCO2+gNH3+能量
由于堆温较高，部分水以蒸气形式排出。堆肥成品 CWHXNYOZ·CH2O 与堆肥原料之比为0.3~0.5（这是氧 化分解减量化的结果）。通常可取如下数值范围： w=5~10, x=7~17, y=1, z=2~8。
（3）生物处理方法 根据在处理过程中起作用的微生物对氧气要求 的不同，生物处理可分为好氧生物处理和厌氧 生物处理两类。 （a）好氧生物处理法 这是一种在提供游离氧的条件下，以好氧微生 物为主使有机物降解、稳定的无害化处理方法。 固体废物存在的各种有机物（分子量大、能位 高）作为微生物的营养源，经过一种生化反应， 逐级释放能量，最终转化成分子量小，能位低 物质而稳定下来，达到无害化的要求，以便利 用或进一步妥善处理，使其回到自然环境中去。
当肥堆温度升到45℃以上时，即进入高温阶段 即进入高温阶段。在这阶段， 嗜温性微生物受到抑制甚至死亡，嗜热性微生物逐渐代替 了嗜温性微生物的活动，堆肥中残留的和新形成的可溶性 有机物质继续分解转化，复杂的有机化合物如半纤维素、 纤维素和蛋白质等开始被强烈分解。通常，在50℃左右进 行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60℃时， 真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在活动； 温度升到70℃以上时，对大多数嗜热性微生物已不适宜， 微生物大量死亡或休眠状态。 与细菌的生长繁殖规律一样，可将微生物在高温阶段生长 过程分为四个时期，即加速生长期，对数生长期，静止期 即加速生长期，对数生长期， 和内源呼吸期。 和内源呼吸期。在高温阶段微生物活性经历了四个时期变 化后，堆积层内开始发生与有机物分解相对应的另一过程， 即腐植质的形成过程 腐植质的形成过程，堆肥物质逐步进入稳定化状态。
（2）沼气化
有机固体废物沼气化是另一种成熟的生物转换技术。 沼气亦称生物气，是有机物质在隔绝空气和保持一 定的水分、温度、酸碱度条件下，经过多种微生物 的发酵分解作用产生的以甲烷为主的气体混合物。 污泥厌氧消化过程产生的消化气体。城市固体废物 填埋场生物降解过程中产生的生物气以及广大农村 用农业废物厌氧发酵收集的气体都是沼气。因此， 沼气化技术应用面十分广泛。 沼气是一种比较清洁且热值较高的气体燃料，固体 废物的沼气化对节约能源、增加有机肥料、改善环 境卫生都有重要作用，因而是一种经济而理想的生 物转换技术。
7.2.3 堆肥化原理及过程
1、好氧堆肥基本原理 好氧堆肥化是在有氧条件下，依靠好氧微生物（主要是 好氧细菌）的作用来进行的。在堆肥化过程中，有机废 物中的可容性有机物质可透过微生物的细胞壁和细胞膜 被微生物直接吸收，而不溶的胶体有机物质，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，再渗入细胞。