浅议有机固体废物的生物处理技术

浅议有机固体废物的生物处理技术

摘要: 有机固体废物是一种可回收利用的“弃物资源”, 其回收利用技术主要有堆肥、厌氧消化、蚯蚓处理、液化、乙醇化、直接燃烧和固化等本文将对一些重要生物技术进行详细介绍和分析。 关键词: 有机固体废物, 堆肥, 发酵

固体废物是固态或半固态废弃物的总称, 包括城市生活垃圾, 亦称城市固体废物、有害有毒固体废物和无毒无害固体废物三大类。[1] 由于人类及其自身活动的需要, 大量的生物原料(biomass)被制成食品、饲料、纸张、家具和建筑材料等,经过一定时间的使用后, 所有这些可再生的生物原料都变成了有机废物。 随着有机固体废物的累积及其污染问题的日趋严重, 如何加速固体有机废弃物的稳定化, 使其无害化和资源化,目前已经成为人类亟待解决问题和最严峻的挑战之一。本文就有机固体废弃物的生物处理技术进行了总结, 旨在为固体废弃物尤其是有机类固体废弃物的资源化利用提供理论依据。

有机固体废物包括农业固体废物、工业废物以及城市生活垃圾中的有机成分。其中, 农业固体废物是有机固体废物流中最庞大的一支, 绝大部分为农作物秸秆。在有机固体废物污染不断威胁人类的同时, 有机固体废物中还含有大量可利用的植物性营养和生物能源。通过生物转化的方法, 这些可再生的物质可以被有效地转化为可利用的营养物质和能源,对解决环境压力有非常重大的意义。[2]

一、堆肥处理

堆肥化(Composting)是在控制条件下, 使来源于生物的有机废物发生生物稳定作用(Biostablization)的过程。具体讲就是依靠自然界广泛分布的细菌、放线菌、真菌等微生物, 在一定的人工条件下, 有控制地促进可被生物降解的有机物向稳

[3] 定的腐殖质转化的生物化学过程, 其实质是一种发酵过程。根据堆肥过程中氧

气的供应情况可以把堆肥化过程分为好氧堆肥和厌氧堆肥。

1、好氧堆肥化 (1) 好氧堆肥定义

好氧堆肥是将要堆腐的有机物料与填充料按一定的比例混合, 在合适的水分、 通气条件下, 使微生物繁殖并降解有机质, 从而产生高温, 杀死其中的病原菌及杂草种子, 使有机物达到稳定化。 好氧堆肥堆体温度高, 一般在50~65℃,

有时可高达80~90℃, 堆置周期短, 故亦称为高温堆肥或高温快速堆肥。高温堆肥可以最大限度地杀灭病原菌, 同时, 对有机质的降解速度快[4]。

此过程又包括露天堆肥和机械化堆肥。垃圾堆肥技术的工艺有无发酵装置堆肥、化学工艺和快速发酵好氧堆肥工艺等, 城市生活垃圾是堆肥最主要的原料。 (2) 好氧堆肥应用状况

与传统的厌氧堆肥相比, 好氧堆肥具有发酵周期短、占地面积小等优点。因此各国较为普遍地采用好氧堆肥技术。堆肥法的投资费用接近填埋法, 无害化程度较高, 且有农用价值, 但是采用这种处理法, 垃圾减容效果不理想, 卫生条件差, 占地面积大, 运行费用较高。垃圾中的石块、金属、玻璃、塑料等废弃物不能为微生物所分解, 需分捡后另行处理。

堆肥法产生的有机肥料肥效较低、成本高,销路不畅, 并可能对土壤造成严重污染, 所以在土地资源紧缺、农田较少的地区,堆肥法的推广有一定困难。[5] 发达国家应用高温堆肥处理生活垃圾比重较小, 一般不足20%, 甚至在 1%~ 2%左右, 随着生态农业的兴起, 我国垃圾粪便高温堆肥处理技术发展很快, 制定了粪便高温无害化处理技术标准和卫生标准。在农村建造了一大批卫生户。

[6]

目前我国高温堆肥处理存在的主要问题是: 由于固体废物尚未普及分类收集,

处理难度较大, 特别是城市家庭、宾馆、饭店等产生的固体废物若能进行分类收集, 则可极大地提高高温堆肥综合处理和利用的效果, 减轻卫生填埋处理的负荷量。[7]

2、厌氧堆肥化

厌氧堆肥化是指在氧气不足的条件下借助厌氧微生物发酵堆肥。其特点是:堆置温度低, 工艺较简单, 成品堆肥中氮素保留比较低。但堆置周期过长, 需3~12个月, 异味浓烈, 分解不够充分。 二、厌氧发酵

厌氧发酵是通过厌氧微生物的生物转化作用, 将固体废物中大部分可生物降解的有机物分解, 转化为能源产品——沼气的过程, 或称厌氧消化, 沼气发酵。

与好氧生物处理法相比, 厌氧发酵法具有耗能低、占地面积小、处理效率高等优点, 更重要的是厌氧发酵的产物为高热值的能源——沼气, 可在一定程度上

缓解农村能源紧张的矛盾。同时, 可利用厌氧发酵技术进行快速堆肥, 为农业生产的绿色化提供优质的有机肥料。[8]

厌氧生物处理是一个复杂的微生物化学过程, 主要依靠水解产酸菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌的联合作用来完成。因此可以初略地将厌氧消化过程划分为三 个连续阶段[9] :

① 水解酸化阶段, 产酸菌将不溶性大分子有机物分解为小分子水溶性的脂肪酸;

② 产氢产乙酸阶段, 专性产氢产乙酸菌将各种有机酸分解转化成为H2和 CH3COOH等;

③ 产甲烷阶段, 一组甲烷菌将H2 和CO2 转化为甲烷, 一组甲烷菌将乙酸或乙酸盐脱羧为甲烷。

三、固体废弃物处理新手段——生物制氢

厌氧发酵的优势在于, 首先固体废弃物转化为氢气的过程中实现了垃圾的减量化；其次, 与好氧过程相比, 厌氧消化过程不需要氧气, 降低动力消耗, 因而将大大降低运行成本。[10-11]

固体废物产氢机理: 固体废弃物的厌氧发酵产氢是通过产氢发酵细菌的生理代谢来完成, 氢化酶是整个代谢中的关键酶。有机物氧化产生的NADH与 H+一般可通过与乙酸、丁酸和乙醇发酵等过程相偶连而使NAD再生, 但当氧化过程慢于形成过程时, 为避免NADH与H+的积累,细胞则以释放H2的形式平衡氧化还原过程中的剩余电子, 以保证代谢过程的顺利进行[12]。丙酮酸经丙酮酸:铁氧还蛋白氧化还原酶作用后, 当环境中无合适的电子受体时, 氢化酶将接受铁氧还蛋白(Fd)传递的电子以H+作最终电子受体而产生分子氢。[13] 四、 蚯蚓床技术

固体废弃物的蚯蚓分解处理, 是近年来根据蚯蚓在自然生态系统中具有促进有机物质分解转化的功能而发展起来的一项主要针对农业废物、城市有机生活垃圾和污水厂污泥的生物处理技术。蚯蚓处理固体废弃物的过程实际上是利用蚯蚓在其生命活动中, 大量吞食有机残落物质, 并将其与土壤结合, 通过砂囊的机械研磨作用和肠道内的生物化学作用对有机物质进行分解和转化, 从而实现有机固体废弃物的资源化处理。