第八章微生物技术在固体废物处理中的应用
本章重点、难点：
1.剩余污泥的发酵、脱水； 2.生活垃圾的堆肥； 3.生活垃圾的卫生填埋。
8.1剩余污泥处理
在城市污水或一些工业废水处理厂的生物处理工艺中会产生大量的污泥，其数量约占处理水量的0.3～0.5%左右（以含水率为97%计）。它们有的是从初沉池排出的沉淀污泥，以有机物为主，通常有令人感到不快的臭味；有的是从生物处理工艺中从固液分离构筑物中排出的污泥，这些污泥包括活性污泥法的剩余污泥，生物滤池脱落的生物膜等等。污泥的特点是有机物含量高，含水率高，还含有大量的有害物质，如寄生虫卵、病原微生物、细菌、合成有机物以及细小的无机颗粒物如重金属离子等；同时，污泥中还含有一些有用物质如植物营养素（氮、磷、钾）。初沉污泥和剩余活性污泥，比重为1.01左右，含挥发性固体达65～70%，干固体含量为4～6%。如果这些污泥不经过适当处理就排放到环境中会造成很大的危害。目前污水厂污泥处理和利用的基本方向包括如下三个方面：
（1）资源化利用，包括：①土地利用②材料利用③热能利用④沼气利用 （2）填埋。 （3）焚烧。 8.1.1污泥发酵
在如上的处理中，厌氧工艺，即污泥的厌氧发酵工艺，被认为是经济有效的污泥处理工艺之一。在通过厌氧微生物对污泥中的有机物质转化为稳定的腐殖质和无机物质的同时，还产生能源（甲烷）可用于发电，降低处理厂的运行费用。厌氧过程（特别是高、中温消化）能有效控制污泥中的致病菌，杀死寄生虫卵，因而改善了污泥的卫生条件，并使污泥体积减少、易于脱水。当厌氧消化后，污泥比重增加到1.03左右，挥发性固体通常可降解到32～48%，干固体含量为8～13%。经厌氧消化后的污泥还可用于作农肥。
1.发酵原理
有机废弃物的厌氧发酵（消化）过程就是有机物质在特定的厌氧环境下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。目前，对厌氧发酵的生化过程有多种理论，这里主体要介绍三阶段理论。
该理论于1979年由布融·赖恩提出，是将厌氧发酵分成三个阶段，即三个细菌营养群，其过程如图8-1所示。 有机物： 碳水化合物 蛋白质 脂肪 发酵性细菌 产氢产乙挥发酚 酸细菌 醇类有机酸 中性化合物 H2,CO2等 产酸阶段 图8-1 厌氧发酵三阶段
第一阶段（液化阶段），复杂的有机物在水解与发酵细菌的作用下，使碳水化合物、蛋
产甲烷细菌 糖类 氨基酸 脂肪酸甘油 CH4,H2, N2,CO2, CO,H2S等 液化阶段 产甲烷阶段
白质与脂肪，经水解与发酵转化为单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢等。
第二阶段（产酸阶段），是在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段的产物转化成氢、二氧化碳和乙酸。
第三阶段（产甲烷阶段），通过两组生理物性上不同的产甲烷菌的作用，将氢和二氧化碳转化为甲烷或对乙酸脱羧产生甲烷。
产甲烷阶段产生的能量绝大部分都用于维持细菌的生存，只有很少能量用于合成新细菌，故细胞的增殖很少。
2.厌氧反应中的生物相
在上述的厌氧发酵过程中，参与液化阶段代谢的微生物包括细菌、原生动物和真菌，通称水解与发酵细菌，它们大多为专性厌氧菌，也有不少兼性厌氧菌，根据其代谢功能可分为以下四类：①纤维分解菌②碳水化合物分解菌③蛋白质分解菌④脂肪分解菌。参与液化阶段的原生动物主要有鞭毛虫、纤毛虫和变形虫。真菌主要有毛菌、根霉、共同霉和曲霉等。
参与产酸阶段代谢的微生物是一群及其重要的菌种——产氢、产乙酸菌及同型乙酸菌，其中有专性厌氧菌和兼性厌氧菌。
参与产甲烷阶段代谢的菌种是甲烷菌或称为产甲烷菌，是甲烷发酵阶段的主要细菌，属于严格的厌氧菌，主要代谢产物是甲烷。常见的甲烷菌有四类：甲烷杆菌、甲烷球菌、甲烷八叠球菌和甲烷螺旋菌。产甲烷菌有5个特点：①严格厌氧②要求中性偏碱环境条件；③菌体倍增时间较长④只能利用少数简单化合物作为营养⑤代谢的主要终产物是CH4和CO2。
3.厌氧消化工艺
厌氧消化工艺种类很多，在实际过程中，常用的厌氧消化工艺有以下四种： （1）常规中温厌氧消化 （2）单级高效中温厌氧消化 （3）两级厌氧消化
（4）中温/高温两相厌氧消化（APAD） 4.厌氧消化的影响因素
（1）有机物投入量 （6）厌氧状态 （2）营养 （7）加温
（3）粒度 （8）平均滞留时间 （4）温度 （9）pH值的影响 （5）发酵槽的搅拌
5.高碑店污水处理厂污泥消化工艺
高碑店污水处理厂是目前国内最大的二级污水处理厂，地处北京东郊，设计日处理污水量100万m3。其污水处理部分采用传统活性污泥法的处理工艺，而污泥处理部分则采用两级中温厌氧消化的处理工艺。污泥厌氧发酵的工艺流程如图8-2所示。
沼气发电 剩余污泥 重力浓缩池 一级 消化池 二级 消化池 储泥池 脱水 机房 外运 图8-2 高碑店污水处理厂污泥处理工艺流程
8.1.2污泥脱水
污泥脱水的目的是进一步减少污泥的体积，便于后续的处理、处置和利用。污泥中的水分主要分为间隙水、毛细管结合水、表面吸附水和内部水（胞内水）四种。而污泥脱水去除的主要是污泥颗粒间毛细管结合水和颗粒表面的吸附水，脱水的方法主要有机械脱水与固定床自然脱水两类。
1.机械脱水
机械脱水是以过滤介质两边的压力差为推动力，使水分强制通过过滤介质成为滤液，固体颗粒被截留为滤饼，从而达到脱水的目的。
表8-1污泥机械脱水方式及其原理、设备、适用范围
脱水技术 方式 间歇过滤 方式 真空过滤 方式 原理 用真空泵等机械产生过滤压力，间歇地交替进行生成滤饼、脱水和滤叶状过滤机 饼剥离等工序 用真空泵等机械使装在旋转体内的连续性过滤滤材两侧产生过滤压差，连续地重复进行生成滤饼、脱水和滤饼剥离等工序 间歇过滤 用泵或压缩机间歇式顺次进行加压脱水方式 过滤、脱水、滤饼剥离等工序 ①用泵或压缩机使装在旋转体内的加压过滤 滤材两侧产生过滤压差，连续地重连续加压转筒过滤机，连连续式过滤复进行加压过滤、脱水、滤饼剥离续加压带式过滤脱水机，脱水方式 等工序；②在滤带间提供滤材进行连续螺旋挤压式过滤脱压榨脱水；③利用螺旋挤压作用过水机 滤脱水 适用于水处理厂的各离心沉降及离心脱水过滤 离心脱水 依靠设置在高速旋转体内壁的滤材过滤方式 及离心作用进行脱水过滤 离心沉降 利用高速旋转体内的离心效果促进方式 污泥的浓缩脱水 种污泥实例不少，但离心沉降机 粒子去除率一般较低，故必须添加混凝剂 使用实例不少，但维离心脱水机，离心过滤机 修管理较困难，污泥处理时需添加混凝剂 构造复杂，实用例很少，适用于给水污泥和排水污泥等 连续圆筒型真空过滤机，连续圆盘型真空过滤机，连续水平型真空过滤机，连续带式过滤机及移动圆盘式过滤机 压滤机，加压叶状过滤机 设备、构造 适用范围 适用于较少量污泥处理地部门 广泛适用于较大量污泥处理的部门，有不少机种适用于难过滤污泥地连续处理 广泛用于污泥的脱水处理 2.污泥浆自然干化脱水 自然干化脱水是一种古老而广泛采用的脱水方法，其原理是利用自然蒸发和底部滤料、土壤进行过滤脱水。其设施称为污泥干化场或晒泥场，其四周建有土或板体围堤，中间用土堤或隔板隔成等面积的若干区段（一般不少于3块）。
表8-2污泥自然脱水方式及其原理、设备、适用范围
脱水技术 方式 干化床式 自然脱水 砂滤式 原理 设备、构造 适用范围 给水污泥、排水污泥等 利用太阳热量和风的作用进分层的干化床及浅的行自然蒸发脱水 干化床 依靠砂层过滤脱水和利用太20～30cm厚砂层和 给水污泥、排水污泥，脱色废水、阳能和风进行自然蒸发脱水 20cm的砾石层 洗毛废水、电镀废水等处理后污泥
3.其他脱水方式
污泥的脱水，除了机械脱水方式和自然脱水方式之外，还包括脱水筛分（类似于混凝沉降作用）以及近年来研究开发的新技术，如凝聚上浮、冷冻脱水等，见表8-3。
表8-3污泥其他脱水方式及其原理、设备、适用范围
脱水技术 方式 凝聚方式 脱水筛分 造粒方式 原理 设备、构造 适用范围 正试图扩大用于工业废水处理 依靠添加混凝剂形成的絮凝由国外某公司开发的物进行筛分脱水 新装置 依靠添加混凝剂形成的泥粒近年来国外正开发这广泛用于采石废水及工业废水的进行筛分脱水 种方式的装置 处理 均为近年来开发的新技术，当实际 应用时，还有不少研究课题及设备上的问题要解决 其他 凝聚上浮、冷冻脱水、毛细管脱水及电渗脱水等
8.1.3污泥生物制能
目前，利用污泥进行生物制能应用最为广泛的即是污泥发酵制甲烷（厌氧消化工艺），其产生的沼气可用于发电、产热，是一种十分清洁的能源。
8.2生活垃圾处理
生活垃圾的生物处理是利用微生物的代谢作用分解生活垃圾中可降解的有机物质，从而使其达到无害化的目的。生活垃圾生物处理处置的主要方法有堆肥、沼气发酵和卫生填埋等。下面主要介绍生活垃圾处理的堆肥法及卫生填埋法。
8.2.1堆肥
堆肥法就是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工程。堆肥可分为好氧堆肥（高温堆肥）和厌氧堆肥两种。
1.好氧堆肥法
好氧堆肥法是在有氧的条件下，通过好氧微生物的作用使有机废弃物达到稳定化、转变为有利于作物吸收生长的有机物的方法。堆肥的微生物学过程如下： （1）发热阶段 （2）高温阶段（3）高温和腐热保肥阶段 2.厌氧堆肥法
厌氧堆肥法是指在不通气的条件下，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸秆、污水处理厂的剩余污泥等）进行厌氧发酵，制成有机肥料，使固体废弃物无害化的过程。3. 南宫堆肥厂堆肥工艺
北京市南宫堆肥厂是德国政府赠款北京市的固体废物处理项目之一，是中国及亚洲地区高度自动化、大规模、现代化垃圾堆肥厂之一。该厂采用先进的强制通风隧道式发酵技术。
8.2.2卫生填埋
卫生填埋法始于20世纪60年代，它是在传统基础上，从环境免受二次污染的角度出发而发展起来的一种较好的固体废弃物处理法，其优点是投资少，容量大，见效快，因此广为各国采用。卫生填埋主要又分为厌氧、好氧和半好氧三种。
1.填埋坑中微生物的活动过程
（1）好氧分解段（2）厌氧分解不产生甲烷阶段（3）厌氧分解产气阶段（4）稳定产气阶段。
2.填埋场渗滤液
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，统称为填埋渗滤液。
目前，国内正逐步采用膜生物反应器和反渗透相组合的渗滤液处理工艺。 3.填埋场气体利用
垃圾填埋以后，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、硫化氢、氮气等气体，统称为填埋气（LFG）。填埋场的气体经过处理以后可以作为能源加以利用。
（1）垃圾沼气燃烧供热或发电 （2）垃圾沼气用作民用燃料 （3）垃圾沼气作汽车燃料 4.安定垃圾卫生填埋场
北京安定垃圾卫生填埋场同马家楼垃圾转运站和南宫堆肥厂，主要承担北京市宣武区全区的生活垃圾无害化处理任务。安定垃圾卫生填埋场的填埋工艺为：每压实填埋2米高度的垃圾，即覆盖一层黄土，整个堆体呈阶梯状，并进行边坡修建，坡度为1：3。
8.3其它固体废物处理
8.3.1工业固体废物
对工业固体废弃物的治理一般采用处理、处置和开展综合利用相结合的治理策略。 1.含油污泥生物处理
油田含油污泥主要是指由于在石油开采、贮运及炼制加工过程中，由于事故、不正常的操作及检修等原因造成的落地原油与泥土形成的含油污泥，以及油田正常生产中系统排出的含油泥砂。含油污泥的生物处理技术大体可分为4种，即地耕法、堆肥法、生物泥浆反应器法、生物浮选法。
（1）地耕法 （2）堆肥法
（3）生物泥浆反应器法 （4）生物浮选法
2.矿业固体废物的有价金属回收 利用微生物及其代谢产物氧化、溶浸废物中的有价成分，使废物中有价组分得以利用的过程，称为微生物浸出，也称生物冶金。
利用生物冶金法回收矿业固体中的浸出方法大体包括槽浸、堆浸和原位浸出。三种方法都要注重温度、酸度、通气和营养物对菌种的影响，促进细菌能最佳的发挥浸矿作用。
8.3.2农业固体废物
农业废弃物（Agricultural Waste）是农业生产和再生产链环中资源投入与产出在物质和能量上的差额，是资源利用过程中产生的物质能量流失份额。
1.农作物秸秆
农作物秸秆通常是指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在收获籽实后剩余的部分。
（1）秸秆的能源化
秸秆的能源密度为13～15MJ/kg，作为农村主要的生活燃料，其能源化用量占农村生活用能的30％～35％。现行主要的秸秆能源化利用技术有秸秆直燃供热技术、秸秆气化集中供气技术、秸秆发酵制沼技术、秸秆压块成型及炭化技术等。
秸秆发酵制沼技术工艺控制简单。一般常规沼气发酵的工艺如下： 1）备料。 2）修建。
3）配料的预处理。
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