环境生物学

6.5 固体废弃物的微生物处理
固体废弃物的分类 固体废弃物处理的基本原则： • 无害化、减量化、资源化 固体废弃物的微生物处理的主要方法： • 堆肥法 • 卫生填埋法 • 厌氧发酵法
6.5.1 堆肥法（Compost）
什么是堆肥法？ • 指依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微 生物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。
微生物对无机废气的处理
气体收集
• 垃圾填埋后，由于微生物的厌氧发酵，产生甲烷、二氧化碳、 氨、一氧化碳、氢气、氮气、硫化氢等气体。 • 填埋5年后为甲烷发酵旺盛期，可对气体进行收集处理后作为 能源进行利用。
图6-20 浸出液的来源与支出
6.5.3 厌氧发酵（消化）
厌氧发酵的原理和过程
• 固体废弃物的厌氧发酵原理同厌氧堆肥，只是类似于高浓度 有机废水的处理，在水相中进行，一般在厌氧发酵罐（池） 中进行。
微生物脱氮——反硝化作用段
反硝化作用是指兼性厌氧的硝酸盐还原菌将硝酸盐还
原为N2的过程。 反应：H NO3 →H NO2 → N2O → N2 微生物：假单胞菌属的微生物在厌氧条件下利用NO3－ 氧化有机质，获得能量，碳源来自有机物，最终电子 受体为NO3－、 NO2－，要求中性、弱碱性环境，最适 温度10 ℃ ～35 ℃，pH值范围7.0～8.0，在一个有极低 的DO、有NO3－ 和有机物存在的环境，pH值和温度合 适就会产生反硝化。 运行操作关键：碳源、 NO3－ 、NO2－ 、pH值、 DO等
Phoredox法
UCT法
微生物除磷工艺流程
A/O（Anaerobic/Oxic）法:
进水 厌氧池 好氧池 出水 沉淀池
回流
A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法:
进水 厌氧池 缺氧池 好氧池 出水 沉淀池
回流
图6－16 A/O和 A/A/O法工艺流程示意图
生物除磷的影响因素（1）
污泥回流
剩余污泥
图6－12 悬浮多级污泥内碳源系统示意图
生物脱氮工艺流程－悬浮单级污泥内碳源系统
以A/O法工艺为例： 单级A/O法工艺是指用一个缺氧反应器和另一个 好氧反应器组成的联合系统，缺氧段位于前面，进行 反硝化，好氧段位于后面，进行硝化和脱碳反应，从 好氧段出来的部分混合液回流至缺氧反应器的进水端， 一部分进入二沉池进行泥水分离。
碳源
• 废水中所含的有机碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的 比值大于3：1时，无需外加碳源，即可达到脱氮目的。 • 外加碳源：当废水中所含碳（BOD5）与总氮的比值小于3：1 时，需外加碳源，多采用甲醇。 • 内碳源： • 内碳源指活性污泥微生物死亡、自溶后释放出来的有机碳， 也称二次性基质。 • 利用内碳源，要求反应器的泥龄长、污泥负荷低，使微生 物处于生长曲线稳定期的后部或衰亡期，反硝化速度极低， 为前两种方法的十分之一左右。 • 利用内碳源，可使在废水碳氮比较低使不必外加碳源也可 达到脱氮目的，并且污泥产率低可减少污泥处理的费用。
硝化作用是指NH3被氧化成NO2－，再被氧化成NO3－的
过程。 反应： NH3→ NO2－ → NO3－ 微生物：亚硝化细菌和硝化细菌，两者为化能自养菌， 专性好氧，要求中性、弱碱性环境，以CO2为唯一碳源， 最适温度25 ℃ ～30 ℃，pH值范围7.5～8.0。 运行操作关键：
• • • • （1）泥龄θSRT（悬浮固体停留时间）较长 （2）要供给足够的DO； （3）要控制适度的曝气时间（HRT ？？？） （4）控制pH值在7.5～8.0
• 硝化过程的DO一般应维持在1.0～2.0 mg/L。 • DO对反硝化脱氮有抑制作用，但氧的存在对能进行反硝化作 用的反硝化菌是有利的，因为这类菌为兼性厌氧菌。故工艺 上最好使其交替处于好氧、缺氧的环境下，所以脱氮反应并 不要求DO保持在零的状态。如在悬浮污泥系统中，缺氧段DO 应控制在0.5 mg/L以下，在膜法系统中，可控制在1.0～2 .0 mg/L。
填埋场渗沥水和气体收集
渗沥水
• 垃圾分解过程中产生的液体以及渗出的地下水和渗入的地表 水统称为填埋场渗沥水。 • 渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类，数量取决于渗沥 水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土情况等。 • 为防止渗沥水对地下水的污染可采取以下措施： • 在填埋场底部构筑不透水层、集水管、集水井、监测井等； • 对收集的渗沥水进行生物或物化处理。
覆土层
不透水层 夯实粘土
废物层
第二层
第一层
图6－19 卫生填埋场示意图
填埋坑内微生物活动过程的四个阶段
好氧分解阶段 • 微生物利用垃圾空隙中的空气进行好氧分解。 厌氧分解不产甲烷阶段 • 微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、 氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁 殖速度大于产甲烷细菌。 厌氧分解产甲烷阶段 • 当还原状态达到一定程度时开始产甲烷，坑内温度 升至55℃时，进入稳定产气阶段。 稳定产气阶段 • 此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。
厌氧堆肥法特点（与好氧堆肥相比较）
• 堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长， 但方法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以 采用。
图6-18 有机物的沼气发酵过程
6.5.2 卫生填埋（Sanitary Landfill）
什么是卫生填埋法？
• 指将垃圾在填埋场里分层填埋的处理方法。由废物层（一般 厚度2.5～3.0m）和覆土层（一般厚度为0.2～0.3m）构成一个 填埋单元，由一系列填埋单元构成一个填埋层，当填埋至设 计高度后再盖上一层0.9～1.2m的土壤，压实后就得到了一个 完整的卫生填埋场。
堆肥：堆肥化的产物。
根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的
不同，堆肥法可分为：
• 好氧堆肥法 • 厌氧堆肥法
好氧堆肥法的微生物学过程
发热阶段
• 初期，主要由中温好氧的细菌和真菌利用堆肥中的易分解有 机物，释放热量，使温度不断上升。
高温阶段
• 堆肥温度升至50℃以上进入高温阶段，好热性的微生物逐渐 代替了中温微生物，一些复杂的有机物开始分解，腐殖质逐 渐形成。病原性微生物逐渐被高温杀死。
厌氧发酵的影响因素
• • • • • • • • • 有机物投入量 营养 粒度 发酵温度 发酵槽的搅拌 厌氧状态 加温 平均滞留时间 pH的影响
6.6 大气污染物的微生物处理
什么是大气污染物的微生物处理？ • 指利用微生物的生物化学作用，使大气污染物分解。 转化为无害或少害物质。目前主要用来净化有机污 染物特别是脱除臭味。
另一部分能量用于生 理活动需要
好氧吸磷： 好氧条件下，PHB分解产生
能量
一部分能量用于主动过量吸收 环境中的磷，并合成聚磷
另一部分能量用于细 胞正常生长繁殖
生物除磷中的微生物
积磷菌
• 是一类生长缓慢的细菌，在厌氧条件下，分解体内的聚磷来 获得能量生长繁殖，在好氧条件和外界营养基质少的情况下， 分解体内的PHB获得能量而生长繁殖，故它与不积磷菌相比更 能适应厌氧、好氧交替的环境而成为优势菌群。 • 目前认为，在微生物除磷过程中起主要作用的是假单胞菌属、 和气单胞菌属。
好 氧 池 1
缺 氧 池ห้องสมุดไป่ตู้2
好 氧 池 2
出水
沉 淀 池
污泥回流 图6－14 四段Bardenpho工艺流程示意图
剩余污泥
氧化沟工艺
图6－15 氧化沟型厌氧池
6.4.2 微生物除磷
微生物除磷原理：
厌氧放磷： 厌氧条件下，积磷菌将体内
的聚磷分解产生能量
一部分能量用于吸收外界可 溶性脂肪酸，形成PHB
碳源的浓度和种类
• 诱导积磷菌放磷的有机基质分为三类： • A类：乙酸、甲酸、丙酸等低分子有机酸，该类物质存在 时放磷速度最快； • B类：乙醇、甲醇、柠檬酸、葡萄糖等需在厌氧条件下转 化成A类基质后才能被积磷菌利用 • C类：丁酸、乳酸和琥珀酸等，该类能否引发放磷与污泥 的微生物有关
溶解氧
废气微生物处理的特点 • 设备简单、能耗低、不消耗有用的原料、安全可靠、 无二次污染等。 废气生物处理的两个阶段 • 污染物由气相转入液相或固相表面的液膜中； • 污染物在液相或固相表面被微生物降解。
煤炭的微生物脱硫
细菌浸出法 • 利用微生物把煤炭中不同类型的硫分解成可溶性铁 盐和硫酸后滤出煤粉。 表面改性法 • 利用细菌的氧化作用或附着作用改变黄铁矿表面性 质（疏水性），提高分离能力，从而将黄铁矿从煤 中脱除。
硝化液回流 进水 缺氧 好氧 出水
沉淀
污泥回流
剩余污泥
图6－13 A/O法工艺流程示意图
四段Bardenpho工艺
前两段同A/O法工艺，好氧池1流出的硝酸盐导入缺 氧池2，反硝化细菌可利用细菌衰亡后释放的基质作为 碳源进行反硝化，污泥最后进入好氧池2，以吹脱氮气， 提高污泥沉降性能。
进水
缺 氧 池 1
氮磷比
• 堆肥原料的氮磷比一般在75～150之间。
pH
厌氧堆肥法
厌氧堆肥法
• 指在不通气的条件下，将有机废弃物进行厌氧发酵，制成有 机肥料，使固体废弃物无害化的过程。
厌氧堆肥过程的两个阶段
• 酸性发酵阶段：产酸细菌分解有机物，产生有机酸、醇、二 氧化碳、氨、硫化氢等，使pH下降； • 产气发酵阶段：主要由产甲烷细菌分解有机酸和醇，产生甲 烷和二氧化碳，随着有机酸的下降，pH迅速上升。
影响微生物脱氮的因素
pH值
• 硝化反应要耗碱，如果污水中没有足够的碱度，随着硝化的 进行，pH值会急剧下降，而硝化细菌对pH十分敏感，硝化细 菌和亚硝化细菌分别在7.0～7.8和7.7～8.1时活性最强，在这 个范围以外，其活性就急剧下降。
温度
• 两类硝化细菌的最适温度在30℃左右。
溶解氧
生物脱氮工艺的类型
内碳源 按脱氮所用的碳源 外加碳源
膜法系统 按细菌存在的状态 悬浮污泥系统 单级系统（去碳、硝 化、反硝化结合） 多级系统（去碳、 硝化、反硝化分隔）
生物脱氮工艺流程
悬浮多级污泥内碳源系统
旁路进水 进水 去碳 沉淀 硝化 沉淀
反硝 化 后曝 气
沉淀
出水
污泥回流
污泥回流 剩余污泥 剩余污泥
• 有机质含量含量过低，产生的热量不足以维持堆肥所需温度； • 有机质含量含量过高不利于通风供氧从而产生厌氧和发臭。
水分
• 水分过高不利于升温和通风； • 水分过低，不能满足微生物生长需要，有机物也不能分解。
温度
• 温度过低将大大延长堆肥时间； • 温度过高对微生物产生不利影响。
碳氮比
• 碳氮比小，升温快，但最高温度较低； • 碳氮比大，升温慢，但最高温度较高。
6.4 废水的微生物脱氮除磷 6.4.1 微生物脱氮
微生物脱氮基本原理 生物脱氮主要通过硝化作用和反硝化作用来完 成。 首先利用好氧段，由亚硝化细菌、硝化细菌的 硝化作用，将NH3 转化为NO3－－N，再利用缺 氧段，由反硝化细菌将NO3－－N反硝化还原为 N2，溢出水面释放到大气。
微生物脱氮——硝化作用段
降温和腐熟保肥阶段
• 当易分解有机物大部分被分解以后，剩下的是木质素等难分 解有机物和新形成的腐殖质，好热性微生物的活动减弱，产 热量下降，温度逐渐下降，中温性微生物又成为优势菌群， 残余物进一步分解，腐殖质逐渐积累，堆肥进入腐熟阶段。
图6－17 堆肥化过程的发展阶段
好氧堆肥的影响因素
有机质含量
发酵产酸菌和积磷菌的关系
• 积磷菌只能利用低级的脂肪酸，不能直接利用大分子有机基 质，而发酵产酸菌可将大分子物质降解为小分子，故在除磷 过程中这两类菌是互不可分、密切相关的。
微生物除磷工艺
A/O（Anaerobic/Oxic）法 A/A/O（Anaerobic/Anoxic/Oxic）法 SBR生物除磷法
• 厌氧区DO存在对污泥的放磷不利，DO应小于0.2 mg/L； • 好氧区的DO应大于2.0 mg/L，以保证积磷菌利用好氧代谢中 释放的大量能量充分地吸磷。
生物除磷的影响因素（2）
硝酸盐和亚硝酸盐 • 厌氧区两者的存在会抑制厌氧发酵而不产生挥发性 脂肪酸。 温度 pH • 中性或弱碱性环境 工艺的运行参数和运行方式 • 泥龄 • 厌氧区停留时间