固废气废微生物过程演示课件

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1、15.固废与废气微生物过程,王 志 平 ,Microbial process in waste solid 不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境; 不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质; 不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持适宜的pH.,2020/10/31,12,复杂有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶作用下分解为溶解性小分子有机物； 纤维素及淀粉被纤维素酶、淀粉酶水解为葡萄糖； 蛋白质被蛋白酶水解为短肽及氨基酸，继而分解成有机酸、氨、醇等； 脂类化合物水解为脂肪酸和甘油。,发酵微生物的作用,2020/10/31,13,溶解性小分子有机物进入发酵菌(酸化菌)细胞内，在胞内酶作用下分解为挥发性脂肪酸(VF

2、A)，如乙酸、丙酸、丁酸以及乳酸、醇类、二氧化碳、氨、硫化氢等，同时合成细胞物质。 在此过程中，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的末端产物，因此这一过程也称为酸化，酸化过程是由许多种类的发酵细菌完成的。 其中重要的类群有梭状芽孢杆菌(Clostridium)和拟杆菌(Bacteriodes)。,产酸微生物的作用,2020/10/31,14,产酸阶段绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1的兼性厌氧菌生存于厌氧环境中，这些兼性厌氧菌能够起到保护严格厌氧菌，如产甲烷菌免受氧的损害与抑制的作用。 发酵酸化阶段的产物丙酸、丁酸、乙醇等，在此阶段经产氢产乙酸菌作用转化为乙酸、氢气和二氧化碳。 同型产乙酸

3、菌，利用CO2与H2产乙酸，少量。,产乙酸菌的作用,2020/10/31,15,在此阶段，产甲烷菌在二氧化碳存在时，利用氢气生成甲烷；也可以直接利用乙酸生成甲烷，二者的比例一般为3/7。 利用乙酸产甲烷的菌有索氏甲烷丝菌(Methanothrix soehngenii)和巴氏甲烷八叠球菌(Methanosarcina barkeri) 产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求生活环境的氧化还原电位在-150-400mV范围内。,产甲烷菌的作用,2020/10/31,16,主要为CH4, 5570 CO2, 2540 此外还有总量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH3、碳氢化合物(CmHn)等。

4、通常，沼气中由于含有一点H2S气体，会有臭鸡蛋的气味。,沼气的成分,2020/10/31,17,3.影响厌氧消化的因素,厌氧条件 氧化还原电位 原料配比 C/N 2030:1, P/C 1/1000 反应温度 中温3538 ,高温5065 pH酸碱度 6.57.5 搅拌条件 防酸积累、防气包、防过温 接种菌种 相应于原料 促进/抑制剂 碱性物质/重金属、氰化物等,2020/10/31,18,资源化效果好，低品味的生物能转化为高品味的沼气； 沼液、沼渣可用作农肥、饲料或堆肥化原料； 可杀死传染病细菌； 反应过程复杂，对温度、pH等环境因素较敏感； 气味较大，容易产生H2S、氨气等； 厌氧微生物的

5、生长速率低，常规方法的处理效率低，设备体积庞大。,4. 厌氧消化的特点,2020/10/31,19,二、堆肥(Compost),堆肥处理是指在人工控制下，在一定水分、C/N比和通风/搅拌条件下经微生物作用，实现有机固态废弃物减量化、稳定化的过程。,堆制处理后的产物中含有丰富的氮、磷营养物质和腐殖质物质，可用于改善土壤故称为堆肥。,2020/10/31,20,1.堆肥的微生物作用实质,堆肥的实质是微生物通过其胞外、胞内酶转化分解有机质为腐殖质，实现固体垃圾的减量化与稳定化，获得维持自身生命活动所需的能量及营养。 堆肥的关键是控制氧化还原反应的进程。 由此决定了堆肥过程中所需要关注的要点。,202

6、0/10/31,21,2.堆肥的物料特性,有机质组成 - 降解性 有机质含量 - 2080% 碳/氮、碳/磷比- 2535,75100 水分含量 - 约4060% 颗粒粒径 - 1-2cm,2020/10/31,22,上海市城市生活垃圾构成,2020/10/31,23,2020/10/31,24,3.好氧高温堆肥,好氧高温堆肥是由群落结构演替非常迅速的多个微生物群体共同作用而实现的动态过程，在该过程中每个微生物群体都有在相对较短时间内适合自身生长繁殖的环境条件，并且对某一种或某一类特定的有机物质的分解起作用。 单一的细菌、真菌、放线菌群体，无论其活性多高，在加快堆肥化进程中作用都比不上多种微生

7、物群体的共同作用。,2020/10/31,25,真菌：对堆肥物料的分解和稳定起着重要的作用，真菌不仅能分泌胞外酶，水解有机物质，且由于其菌丝的机械穿插作用，能对物料施加一定的物理破坏作用；典型的有麯菌、镰刀菌、青霉菌和酒麯菌。 细菌：对物料中易降解的及小分子物质起主导降解作用；部分能耐高温，主要是芽孢杆菌属。 放线菌：能耐高温，增殖速率慢，主要在末期占优势。链丝菌、诺卡氏菌和小单孢子菌等,好氧高温堆肥的主导微生物,2020/10/31,26,某一时刻的温度和可利用的有机物质是决定该时刻堆肥中微生物群落结构的决定因素。,堆肥初期，利用易降解有机物质迅速繁殖的微生物占优势； 随着温度的升高，嗜热微

8、生物逐渐增多； 温度超过60后，仅剩下嗜热细菌和放线菌； 温度回落后，中温微生物重新定殖，由于可利用的基质有限，其种群并不同于之前的中温微生物。,堆肥过程的微生物种群轮替,2020/10/31,27,高温菌细菌+放线菌,中温菌细菌+真菌,耐热真菌,温度,堆肥过程的微生物种群轮替,2020/10/31,28,4.堆肥的物质转化过程,驯化阶段发酵微生物主导 易降解有机物 中温阶段产酸微生物主导 腐殖质形成 高温阶段嗜热性真菌主导 有害微生物杀灭 腐熟阶段可利用基质耗尽 微生物消亡,2020/10/31,29,单糖,CO2 + 微生物 + 腐殖质 + 能量,有机酸,碳素化合物,水解,氧化,氧化,纤维

9、素分解至少需要三组水解酶的协同作用： 纤维素内切酶 + 端解酶 + 纤维二糖酶,堆肥过程的碳素变化,氧化,氧化,2020/10/31,30,堆肥过程的碳素变化,2020/10/31,31,小麦秸秆加硝铵的堆肥,2020/10/31,32,失重主要源自纤维素半纤维素的降解； 前5天，每天失重2.66%，随后30天每天1.3%； 可溶性组份变化较小，表明分解的糖与糖苷可被其他高分子分解物所弥补； 木质素相对含量甚至上升，表明其基本不被降解。,小麦秸秆加硝铵的堆肥,2020/10/31,33,氨氮,硝态氮 + 微生物 + 腐殖质 + 能量,硝态氮,含氮化合物,氨化,氧化,反硝化,氮气,堆肥过程的氮素

10、变化,2020/10/31,34,堆肥过程的氮素变化,2020/10/31,35,堆肥过程的腐殖质形成,对 苯 二 酚 氧 化 酶,2020/10/31,36,堆肥中的木质素及纤维素由于分子结构较复杂，较难被微生物利用，是形成腐殖质的主要来源； 在微生物作用下，木质素的侧链氧化生成木质素类衍生物，构成了腐殖质的核心和骨架； 由微生物水解产生的小分子有机酸、氨基酸、核酸等在局部高温及高浓度条件下聚合形成了腐殖质。,堆肥过程的腐殖质形成途径,2020/10/31,37,腐殖质并非单一的有机化合物，而是在组成、结构及性质上既有共性又有差别的一系列有机化合物的混合物，其中以富里酸(Fulvic aci

11、d)与胡敏酸(Humic acid)为主； 腐殖质在土壤中可以呈游离的腐殖酸和腐殖酸盐类状态存在，也可以呈凝胶状与矿质粘粒紧密结合，成为重要的胶体物质； 溶解态腐殖质主要通过络合作用与金属离子结合，而固态的则通过物理化学吸附作用固定金属离子。,腐殖质的组成,2020/10/31,38,胡敏酸是一类能溶于碱溶液而被酸溶液所沉淀的腐殖质物质，其分子量比富里酸大，约为400100000 Da； 分子结构中含芳香环、杂环及多环化合物，构成网状结构，边缘的官能团决定了其酸度、吸收交换容量及形成有机-无机复合物的能力； 胡敏酸比富里酸的酸度小，吸收容量较高，它的一价盐类溶于水，二价和三价盐类不溶于水，这对

12、土壤养分的保持及土壤结构的形成都具有意义。,腐殖质的组成胡敏酸,2020/10/31,39,胡敏酸的一般结构,2020/10/31,40,富里酸是一类既溶于碱溶液又溶于酸溶液的腐殖质物质，其分子量比胡敏酸小； 在结构方面其所含的芳香核较胡敏酸小，聚合度小，酚羟基及甲氧基较多； 富里酸呈强酸性，移动性大，吸收性比胡敏酸低，它的一价、二价、三价盐类均溶于水，因此富里酸对促进矿物的分解和养分的释放具有重要作用。,腐殖质的组成富里酸,2020/10/31,41,Buffle富里酸的三维结构,2020/10/31,42,5.堆肥过程涉及的主要酶,2020/10/31,43,堆肥过程中有机物的生物降解一般

13、属于氧化脱氢过程，故过氧化氢酶酶活性表明了微生物利用有机质的速率变化； 纤维素酶是多糖类有机物(糖、淀粉、纤维素、半纤维素)水解的关键酶； 磷酸酶是物料中有机磷矿化的主要生物酶，其活性表明物料稳定化的趋势； 脲酶是有机胺水解形成无机氨的关键酶。,堆肥过程中酶活性的变化,2020/10/31,44,脲酶：以脲素为基质进行酶促反应, 测定生成的氨量来表示脲酶活性，活性单位gNH4 g-1h-1; 过氧化氢酶：在酸性条件下用0.1 mol L-1 高锰酸钾滴定干堆肥中的过氧化氢, 用反应前后高锰酸钾消耗量表示过氧化氢酶活性, 活性单位为mmol g-1; 转化酶：以蔗糖为底物, 经转化酶水解后生成还

14、原糖, 然后采用3,5-二硝基水杨酸比色法进行测定, 活性单位mg(葡萄糖)g-124h-1; 纤维素酶：DNS 法, 即用羧甲基纤维素钠盐作底物, 经纤维素酶水解后生成还原糖, 再用3,5-二硝基水杨酸法测定还原糖含量, 纤维素酶活性的单位是gmin-1,相关酶活性的测定,2020/10/31,45,凡能提高酶活性的物质，都称为激活剂 (1)无机离子：金属离子(K+ Na+ Mg2+ Zn2+ Fe2+ Ca2+)、阴离子(Cl- Br-)、氢离子 (2)简单有机分子：某些还原剂、乙二胺四乙酸（EDTA） (3)具有蛋白质性质的大分子物质 主要是激活酶原 无活性的酶原 有活性的酶,激活剂对酶

15、反应速度的影响,2020/10/31,46,影响酶反应速度的抑制剂,有机磷化合物与丝氨酸上的-OH结合 有机汞、有机砷化合物与巯基-SH结合 氰化物、硫化物和CO与活性金属离子络合 重金属离子 与SH、-NH2、-COOH结合或替 代活性中心金属离子 卤代烃烷化剂 取代SH、-NH2、-OH 抗生素 产物抑制,2020/10/31,47,牛粪堆肥中指标酶活性的变化,2020/10/31,48,6.有机质腐质化程度,腐质化指数：HI=HA/FA 1.4 腐质化率：HR=HA/(FA+NHF) 1.0 胡敏酸百分含量：HP=HA*100/HS 腐质化度：DH%=(CHA|FA/TEC)*100,2

16、020/10/31,49,pH值呈弱碱性，89； 挥发性固体含量，即有机质 0.1,化学评价指标,2020/10/31,50,三维荧光光谱检测,胡敏酸,富里酸,2020/10/31,51,2020/10/31,52,Typical Compost Characteristics,2020/10/31,53,上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程,2020/10/31,54,杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图,2020/10/31,55,三、卫生填埋(Landfill ),卫生填埋是世界上常用的处理垃圾量最大的4种方法之一。美国用这种处理的垃圾占总量68，欧洲一般在5085，但卫生填埋场的渗出液容易污染周围土地和水体。 我国每年生成的城市生活垃圾约为5亿吨，其中约三分之二的垃圾是可以回收利用的，但实际中除少部分金属、塑料及废纸被零散回收外，其它90%以上实行卫生填埋。,2020/10/31,56,好氧填埋：填埋垃圾体内布设通风管网，以鼓风机提供空气，加速垃圾分解；由于通风加速了蒸发，减少了渗滤液，仅需简单的防渗