第五章固體廢棄物生物處理技術(shù)

1、固體廢棄物生物處理技術(shù)固體廢棄物生物處理技術(shù)有機(jī)固體廢棄物是指有機(jī)質(zhì)有機(jī)固體廢棄物是指有機(jī)質(zhì)含量高而含水量低的固態(tài)廢含量高而含水量低的固態(tài)廢物，它們一般具有生物降解物，它們一般具有生物降解性。性。利用微生物處理有機(jī)固體廢利用微生物處理有機(jī)固體廢物技術(shù)通常包括物技術(shù)通常包括好氧堆肥法、好氧堆肥法、沼氣發(fā)酵法、酒精生產(chǎn)、單沼氣發(fā)酵法、酒精生產(chǎn)、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)細(xì)胞蛋白生產(chǎn)。第一節(jié) 有機(jī)固體廢物好氧堆肥n目前，固體廢物的年平均增長速度已是經(jīng)目前，固體廢物的年平均增長速度已是經(jīng)濟(jì)增長速度的濟(jì)增長速度的23倍。世界各國根據(jù)各自倍。世界各國根據(jù)各自的國情，分別采用的國情，分別采用填埋填埋、焚燒焚燒、生物降解

2、生物降解法（包括堆肥化）等技術(shù)處置固體廢物。法（包括堆肥化）等技術(shù)處置固體廢物。n好氧堆肥法具有運(yùn)行好氧堆肥法具有運(yùn)行費(fèi)用低費(fèi)用低、二次、二次污染小污染小等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國特別是發(fā)展中國家有等優(yōu)點(diǎn)，在世界各國特別是發(fā)展中國家有很好的發(fā)展前景。很好的發(fā)展前景。一、堆肥化的基本概念一、堆肥化的基本概念1.堆肥化及作用堆肥化及作用u堆肥化是指在控制條件下，依靠自然界廣泛堆肥化是指在控制條件下，依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，人為地分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，人為地促進(jìn)可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的促進(jìn)可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)腐殖質(zhì)生化生化轉(zhuǎn)化的過程。轉(zhuǎn)化的過程。u堆肥化的產(chǎn)

3、物稱為堆肥，堆肥是廉價的優(yōu)質(zhì)堆肥化的產(chǎn)物稱為堆肥，堆肥是廉價的優(yōu)質(zhì)土壤改良肥料。廢物經(jīng)過堆制，體積一般只有土壤改良肥料。廢物經(jīng)過堆制，體積一般只有原體積的原體積的5070。2.2.堆肥原料堆肥原料 生活垃圾、有機(jī)污泥、人和禽畜糞便以及生活垃圾、有機(jī)污泥、人和禽畜糞便以及農(nóng)林廢物等都含有堆肥微生物所需要的各種基農(nóng)林廢物等都含有堆肥微生物所需要的各種基質(zhì)碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)等，此外，還質(zhì)碳水化合物、脂類、蛋白質(zhì)等，此外，還含有含有N、P、K、Na、Mn、Fe等，是常用的堆等，是常用的堆肥原料。肥原料。 城市生活垃圾城市生活垃圾是堆肥的最主要的原料是堆肥的最主要的原料。二、堆肥中的微生物二、堆肥

4、中的微生物n好氧堆肥中參與降解有機(jī)物的微生物以好好氧堆肥中參與降解有機(jī)物的微生物以好氧菌為主，主要包括兩大類：嗜溫菌和嗜氧菌為主，主要包括兩大類：嗜溫菌和嗜熱菌。熱菌。n嗜溫菌嗜溫菌包括細(xì)菌、放線菌、真菌等包括細(xì)菌、放線菌、真菌等n嗜熱菌嗜熱菌包括嗜熱性真菌和細(xì)菌等。包括嗜熱性真菌和細(xì)菌等。n堆肥的原料來源不同，微生物的種類和數(shù)堆肥的原料來源不同，微生物的種類和數(shù)量也不盡相同。量也不盡相同。n45的堆肥樣品中，一般有以下幾屬：的堆肥樣品中，一般有以下幾屬：曲霉屬，芽孢桿菌屬，腸道桿菌屬、假單胞曲霉屬，芽孢桿菌屬，腸道桿菌屬、假單胞菌屬、芽孢乳桿菌屬。菌屬、芽孢乳桿菌屬。n55時的堆肥樣品中時的

5、堆肥樣品中 一般有以下幾屬：一般有以下幾屬：乳桿菌屬，芽孢桿菌屬，假單胞菌屬，鏈球乳桿菌屬，芽孢桿菌屬，假單胞菌屬，鏈球菌屬，小單胞菌屬。菌屬，小單胞菌屬。三、堆肥化過程n有機(jī)固體廢物好氧堆肥過程，依據(jù)溫度變有機(jī)固體廢物好氧堆肥過程，依據(jù)溫度變化，大致可分為化，大致可分為3個階段：個階段：n1.中溫階段中溫階段（產(chǎn)熱階段）：（產(chǎn)熱階段）：1545 嗜溫性微生物嗜溫性微生物n2.高溫階段高溫階段 6070 嗜熱性微生物嗜熱性微生物n3.降溫階段降溫階段（腐熟階段）（腐熟階段） 嗜溫性微生物嗜溫性微生物 當(dāng)溫度穩(wěn)定在40，堆肥基本達(dá)到穩(wěn)定，形成腐殖質(zhì)。四、好氧堆肥化原理四、好氧堆肥化原理n在好氧堆

6、肥化過程中，有機(jī)固體廢物中的在好氧堆肥化過程中，有機(jī)固體廢物中的可溶性可溶性有機(jī)物可以透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被微生有機(jī)物可以透過微生物的細(xì)胞壁和細(xì)胞膜被微生物直接吸收，而物直接吸收，而不溶性不溶性的膠體有機(jī)物質(zhì)，則先被的膠體有機(jī)物質(zhì)，則先被吸附在微生物體外，依靠微生物分泌的胞外酶分吸附在微生物體外，依靠微生物分泌的胞外酶分解為可溶性物質(zhì)后再滲入細(xì)胞。微生物通過自身解為可溶性物質(zhì)后再滲入細(xì)胞。微生物通過自身的生命活動，進(jìn)行分解代謝和合成代謝，把一部的生命活動，進(jìn)行分解代謝和合成代謝，把一部分被吸收的分被吸收的有機(jī)物氧化有機(jī)物氧化成簡單的無機(jī)物，并釋放成簡單的無機(jī)物，并釋放出能量，同時把另一部

7、分的出能量，同時把另一部分的有機(jī)物轉(zhuǎn)化有機(jī)物轉(zhuǎn)化成細(xì)胞物成細(xì)胞物質(zhì)，使微生物生長繁殖。質(zhì)，使微生物生長繁殖。五、好氧堆肥工藝五、好氧堆肥工藝n現(xiàn)代化堆肥生產(chǎn)通常由現(xiàn)代化堆肥生產(chǎn)通常由前處理前處理、初級發(fā)酵初級發(fā)酵、次級發(fā)酵次級發(fā)酵、后處理后處理、脫臭及貯存脫臭及貯存等工序組等工序組成。成。n前處理前處理 對對體積較大體積較大的物料需要破碎、分選，使顆的物料需要破碎、分選，使顆粒變小，含水率均勻；粒變小，含水率均勻； 對對含水量較高含水量較高的原料主要是降低水分，增的原料主要是降低水分，增加透氣性，調(diào)整碳氮比。加透氣性，調(diào)整碳氮比。n初級發(fā)酵初級發(fā)酵在在發(fā)酵倉發(fā)酵倉內(nèi)進(jìn)行，靠強(qiáng)制通風(fēng)或翻堆攪拌來

8、供給氧氣。內(nèi)進(jìn)行，靠強(qiáng)制通風(fēng)或翻堆攪拌來供給氧氣。通常把穩(wěn)定升高到開始降低為止的階段稱為主發(fā)酵期。通常把穩(wěn)定升高到開始降低為止的階段稱為主發(fā)酵期。一般為一般為412d.n次級發(fā)酵次級發(fā)酵經(jīng)過主發(fā)酵的半成品被送去后發(fā)酵，即次級發(fā)酵。后發(fā)經(jīng)過主發(fā)酵的半成品被送去后發(fā)酵，即次級發(fā)酵。后發(fā)酵通常采用酵通常采用敞開式發(fā)酵敞開式發(fā)酵，為了提高發(fā)酵效率，仍需進(jìn)行，為了提高發(fā)酵效率，仍需進(jìn)行翻堆或通風(fēng)。翻堆或通風(fēng)。后發(fā)酵的時間一般為后發(fā)酵的時間一般為2030d以上。以上。n后處理后處理去除塑料、玻璃、陶瓷、金屬、小石塊等雜去除塑料、玻璃、陶瓷、金屬、小石塊等雜物。通常采用物。通常采用回轉(zhuǎn)式振動篩回轉(zhuǎn)式振動篩、

9、磁選機(jī)磁選機(jī)、風(fēng)選風(fēng)選機(jī)機(jī)等設(shè)備去除上述雜質(zhì)，并根據(jù)需要進(jìn)行再等設(shè)備去除上述雜質(zhì)，并根據(jù)需要進(jìn)行再破碎。破碎。n脫臭脫臭采用化學(xué)除臭或吸附除臭法除去堆肥過程中采用化學(xué)除臭或吸附除臭法除去堆肥過程中產(chǎn)生的氨、硫化氫、甲基硫醇等臭味物質(zhì)。產(chǎn)生的氨、硫化氫、甲基硫醇等臭味物質(zhì)。n貯存貯存堆肥的供應(yīng)期多半是集中在秋天和春天。堆堆肥的供應(yīng)期多半是集中在秋天和春天。堆肥成品可直接堆存在二次發(fā)酵倉內(nèi)，或袋裝肥成品可直接堆存在二次發(fā)酵倉內(nèi)，或袋裝后存放。后存放。六六 好氧堆肥的影響因素好氧堆肥的影響因素n影響好氧堆肥化的主要因素有有機(jī)質(zhì)的含影響好氧堆肥化的主要因素有有機(jī)質(zhì)的含量、含水率、溫度、碳氮比等。量、含

10、水率、溫度、碳氮比等。n有機(jī)質(zhì)含量有機(jī)質(zhì)含量：適宜的有機(jī)質(zhì)含量為：適宜的有機(jī)質(zhì)含量為2050。n含水率含水率：55為佳為佳n溫度溫度：3555n碳氮比碳氮比：30：1德國克爾海姆縣德國克爾海姆縣Dietrichsdorf垃圾堆肥廠垃圾堆肥廠 http:/www.bta- 有機(jī)固體廢物生物轉(zhuǎn)化沼氣有機(jī)固體廢物生物轉(zhuǎn)化沼氣n研究微生物產(chǎn)生沼氣已有研究微生物產(chǎn)生沼氣已有100多年的歷史，早在多年的歷史，早在1866年，年，Bechamp首先指出甲烷的形成是一種首先指出甲烷的形成是一種微生物學(xué)的過程。以后，經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，微生物學(xué)的過程。以后，經(jīng)過許多科學(xué)家的努力，逐步建立起厭氧發(fā)酵制取沼氣的工

11、藝逐步建立起厭氧發(fā)酵制取沼氣的工藝.n利用農(nóng)牧漁業(yè)及其產(chǎn)品加工業(yè)生產(chǎn)的廢物（如豆利用農(nóng)牧漁業(yè)及其產(chǎn)品加工業(yè)生產(chǎn)的廢物（如豆渣、酒糟等）及生活垃圾、糞便、有機(jī)廢物污泥都渣、酒糟等）及生活垃圾、糞便、有機(jī)廢物污泥都可作為沼氣發(fā)酵的原料?？勺鳛檎託獍l(fā)酵的原料。沼氣發(fā)酵的應(yīng)用生產(chǎn)沼氣，生產(chǎn)沼氣， 提供能源提供能源處理廢物，處理廢物， 保護(hù)環(huán)境保護(hù)環(huán)境沼氣發(fā)酵裝置1沼氣發(fā)酵裝置2第三節(jié)第三節(jié) 有機(jī)固體廢物發(fā)酵制備酒精有機(jī)固體廢物發(fā)酵制備酒精n酒精發(fā)酵的原料和微生物酒精發(fā)酵的原料和微生物n酒精發(fā)酵的生化過程酒精發(fā)酵的生化過程n酒精發(fā)酵的原理酒精發(fā)酵的原理一、酒精發(fā)酵的原料和微生物一、酒精發(fā)酵的原料和微生物

12、n原料原料 含纖維素、淀粉和糖的廢物都可以用來進(jìn)含纖維素、淀粉和糖的廢物都可以用來進(jìn)行酒精發(fā)酵。木材、木屑、廢紙、稻草、玉行酒精發(fā)酵。木材、木屑、廢紙、稻草、玉米稈、麥稈、玉米芯及腐爛的水果。米稈、麥稈、玉米芯及腐爛的水果。n微生物微生物 糖化菌糖化菌：產(chǎn)生淀粉酶，水解淀粉。曲霉、：產(chǎn)生淀粉酶，水解淀粉。曲霉、根霉等根霉等 酒精發(fā)酵的微生物酒精發(fā)酵的微生物：南陽酵母：南陽酵母 啤酒酵母啤酒酵母二、酒精發(fā)酵的生化過程二、酒精發(fā)酵的生化過程n發(fā)酵前期發(fā)酵前期 酒精和酒精和COCO2 2產(chǎn)量很少，發(fā)酵表面比較平靜，持續(xù)產(chǎn)量很少，發(fā)酵表面比較平靜，持續(xù)10h10h以上。酵母的接種量、酵母質(zhì)量和接種溫度

13、影響該以上。酵母的接種量、酵母質(zhì)量和接種溫度影響該階段的長短。階段的長短。n發(fā)酵中期發(fā)酵中期 酵母數(shù)量達(dá)最高值，酒精及酵母數(shù)量達(dá)最高值，酒精及COCO2 2大量產(chǎn)生。溫度控大量產(chǎn)生。溫度控制在制在32323333。維持。維持101015h15hn發(fā)酵后期發(fā)酵后期 溫度溫度303032 32 ，維持，維持303040h40h三、酒精發(fā)酵的原理三、酒精發(fā)酵的原理n水解水解 酸水解法酸水解法纖維素水解纖維素水解 酶水解法酶水解法 酸水解酸水解淀粉的水解淀粉的水解 酶水解酶水解植物纖維水解的機(jī)理植物纖維水解的機(jī)理主要是指纖維素和半纖維素的水解主要是指纖維素和半纖維素的水解u纖維素實(shí)質(zhì)上是一種己聚糖纖維

14、素實(shí)質(zhì)上是一種己聚糖u半纖維素則主要是戊聚糖半纖維素則主要是戊聚糖酒精發(fā)酵酒精發(fā)酵n酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成酒酵母菌在厭氧條件下可發(fā)酵己糖形成酒精精 C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+Qu 1mol葡萄糖可產(chǎn)生葡萄糖可產(chǎn)生2mol酒精酒精u 一般一般100kg純淀粉理論上可以生產(chǎn)純淀粉理論上可以生產(chǎn)96的酒精的酒精60.54kg第四節(jié)第四節(jié) 發(fā)酵制備單細(xì)胞蛋白發(fā)酵制備單細(xì)胞蛋白n單細(xì)胞蛋白（單細(xì)胞蛋白（Single-Cell-Protein, ,簡稱簡稱SCP)P)一詞一詞是由美國麻省理工學(xué)院（是由美國麻省理工學(xué)院（MIT)的的Carroll Wilson教教授于授于196

15、6年首先提出的。通常年首先提出的。通常SCP是指是指通過培養(yǎng)通過培養(yǎng)單細(xì)胞生物而單細(xì)胞生物而獲得的生物體蛋白質(zhì)獲得的生物體蛋白質(zhì)，又稱微生物，又稱微生物蛋白，包括細(xì)菌、放線菌中的非病源菌、酵母菌、蛋白，包括細(xì)菌、放線菌中的非病源菌、酵母菌、霉菌和微型藻類等。霉菌和微型藻類等。n1967年在第一次全世界單細(xì)胞蛋白會議上，將微生物菌體蛋白統(tǒng)稱為單細(xì)胞蛋白。 單細(xì)胞蛋白所含營養(yǎng)物質(zhì)極為豐富。 蛋白質(zhì)含量高達(dá)40%80%，比大豆高10%20%，比肉、魚、奶酪高20%以上； 氨基酸的組成較為齊全，含有人體必需的8種氨基酸，尤其是谷物中含量較少的賴氨酸。 單細(xì)胞蛋白中還含有多種維生素、碳水化合物、脂類、礦

16、物質(zhì)，以及豐富的酶類和生物活性物質(zhì)，如輔酶A、輔酶Q、谷胱甘肽、麥角固醇等 利用有機(jī)廢物生產(chǎn)SCP不僅能夠變廢為寶，同時還起到凈化環(huán)境，降低廢物BOD的作用。單細(xì)胞蛋白的優(yōu)點(diǎn)：n生產(chǎn)效率高。比動植物高成千上萬倍，這是由于微生物的生長繁殖速率快。n生產(chǎn)原料來源廣。n可工業(yè)化生產(chǎn)。不僅需要的勞動力少，不受地區(qū)、季節(jié)和氣候的限制，而且產(chǎn)量高，質(zhì)量好。 一、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的原料和微生物一、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的原料和微生物原料原料：農(nóng)業(yè)廢物、廢水，如秸稈、蔗渣、甜菜渣、木屑等含纖維素的廢料及農(nóng)林產(chǎn)品的加工廢水；需經(jīng)粉碎、堿處理以提高可消化性。 工業(yè)廢物、廢水，如食品、發(fā)酵工業(yè)中排出的含糖有機(jī)廢水、亞硫酸紙漿

17、廢液等；石油、天然氣及相關(guān)產(chǎn)品，如原油、柴油、甲烷、乙醇等；H2、CO2等廢氣微生物微生物：n酵母菌、細(xì)菌、霉菌、擔(dān)子菌等。酵母菌、細(xì)菌、霉菌、擔(dān)子菌等。 假絲酵母和釀酒酵母，前者利用戊糖假絲酵母和釀酒酵母，前者利用戊糖.細(xì)菌蛋白：生長速度快，蛋白質(zhì)含量高，能利用糖類和烴類，但個體小，分離困難且蛋白質(zhì)不如酵母菌易于消化吸收。絲狀真菌：易于回收，但生產(chǎn)速度慢，蛋白質(zhì)含量較低。藻類：纖維質(zhì)的細(xì)胞壁不易消化，且具有富集重金屬的問題。酵母菌： 個體大，易于分離、回收，且蛋白質(zhì)易于吸收，目前生產(chǎn)上采用較多。酵母蛋白酵母蛋白n 酵母在食品加工中應(yīng)用較早，包括食品的釀造、烘烤等。n 酵母中蛋白質(zhì)的含量超過其

18、干重的一半，但相對缺乏含硫氨基酸。另外，由于酵母中核酸含量較高，若攝入過量的酵母蛋白則會造成血液的尿酸水平升高，引起機(jī)體代謝紊亂。細(xì)菌蛋白n其生產(chǎn)底物一般是碳?xì)浠衔铮ㄈ缣烊粴饣驗(yàn)r青）或甲醇，細(xì)菌中蛋白質(zhì)含量占其干重的3/4以上，必需氨基酸組成中同樣缺乏含硫氨基酸，另外所含的脂肪酸也多為飽和脂肪酸。n這兩種微生物蛋白一般不能能夠直接食用，需除去細(xì)胞壁、核酸和灰分等雜質(zhì)。細(xì)菌蛋白提取處理后得到細(xì)菌分離蛋白，它的化學(xué)組成與大豆分離蛋白相近，并且在補(bǔ)充含硫氨基酸以后，它的營養(yǎng)價值與大豆分離蛋白相近。二、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的方法二、生產(chǎn)單細(xì)胞蛋白的方法n通常采用通常采用連續(xù)培養(yǎng)連續(xù)培養(yǎng)方法，即在培養(yǎng)罐內(nèi)方法，即在培養(yǎng)罐內(nèi)連續(xù)地加入培養(yǎng)基，同時排出同量的培連續(xù)地加入培養(yǎng)基，同時排出同量的培養(yǎng)液，罐內(nèi)培養(yǎng)液的容量、組成、溫度養(yǎng)液，罐內(nèi)培養(yǎng)液的容量、組成、溫度等保持穩(wěn)定狀態(tài)。等保持穩(wěn)定狀態(tài)。藻類蛋白藻類蛋白 以小球藻和螺旋藻最引人注目，是在海水中快速生長的兩種微藻，二者的蛋白含量分別為50%、60%（干重），必需氨基酸中除含硫氨基酸較少外，其他的必需氨基酸卻很豐富。單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)工藝流程單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)工藝流程三、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中存在的問題三、單細(xì)胞蛋白生產(chǎn)中存在的問題（1）核酸含量高）核酸含量高, 4%18%,過多食用引過多食用