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1、15.15.固废与废气微生物过程固废与废气微生物过程固体废弃物的污染现状固体废弃物的污染现状我国城市每年产垃圾5亿吨；垃圾堆积量达70亿吨，占地80多万亩，且仍以年均4.8%的速度增长；为清理每日产生的垃圾，北京有近2万名环卫工人，上海有近3万名环卫工人；城市污水处理产生的剩余污泥达数千万吨；我国农村每年产垃圾3亿吨，其组成不再是易腐败降解的农作物，而与城市垃圾日益趋同。固废处理基本原则固废处理基本原则资源化、减量化、无害化固固体体废废物物化学成分：有机废物、无机废物化学成分：有机废物、无机废物形形 状：固体废物、泥状废物状：固体废物、泥状废物危害状况：有害废物、一般废物危害状况：有害废物、一
2、般废物来来 源：工业固废、城市垃圾、农业固废源：工业固废、城市垃圾、农业固废常规固废处置方法常规固废处置方法有机20%有机2080%水 1.4v腐质化率：HR=HA/(FA+NHF) 1.0v胡敏酸百分含量：HP=HA*100/HSv腐质化度：DH%=(CHA|FA/TEC)*100vpH值呈弱碱性，值呈弱碱性，89；v挥发性固体含量，即有机质挥发性固体含量，即有机质65%；v水溶性碳水溶性碳/总氮总氮(WSC/TN)0.3；v水溶性碳水溶性碳/有机氮有机氮(WSC/N-org) 56；v阳离子交换量阳离子交换量(CEC) 41123emol/kg，且，且CEC/TOC 3.54；v水溶性有机
3、酸水溶性有机酸 0.1 化学评价指标三维荧光光谱检测胡敏酸富里酸Typical Compost CharacteristicsParameterTypical RangeImportancepH5.0 8.5Optimum plant healthSoluble Salts1 10 dS (mmhos/cm)PhytotoxicityNutrientsN (0.5-2.5%), P (0.2-2.0%), K (0.3-1.5%)Plant VitalityNeed for fertilizersWater Holding Capacity75 - 200% dry weight basisI
4、rrigation requirementsBulk Density700 - 1200 lbs/yd3Handling/TransportationMoisture Content30 60%Handling/TransportationOrganic Matter30 70%Application RatesParticle Size 1” screen sizePorosityTrace Elements40CFR503 RegsToxicityStabilityStable Highly StablePhytotoxicity粪便粪便输送输送垃圾垃圾发酵仓发酵仓熟料熟料振动筛振动筛细料
5、细料通风通风磁选磁选农肥农肥粗料粗料分拣分拣利用利用浸滤液浸滤液集水井集水井冲洗水冲洗水调节池调节池初沉池初沉池污泥污泥曝气池曝气池竖流池竖流池污泥污泥回用池回用池上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程上海市城市垃圾堆肥发酵系统工艺流程 城市生活垃圾城市生活垃圾贮料池贮料池抓吊抓吊废铁废铁滚筒筛滚筒筛人工分选人工分选粗大无机物去填埋粗大无机物去填埋混合滚筒混合滚筒污污水水池池风机风机出料机出料机二次发酵二次发酵出料机出料机风机风机一次一次发酵发酵振动给料机振动给料机散装堆肥散装堆肥装袋机装袋机填埋填埋出售出售滚筒筛滚筒筛杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图杭州市垃圾堆肥厂工艺流程图三、卫生填埋三、卫生填埋(
6、Landfill )v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。v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。好氧填埋好氧填埋：填埋垃圾体内布设通风管网，以鼓风：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；由于通风机提供空气，加速垃圾分解；由于通风加速了蒸加速了蒸发发，减少了渗滤液，仅需简单的防渗处理；，减少了渗滤液，仅需简单的防渗处理；准好氧填埋准好氧填埋：与好氧类似，
7、供氧量少，能耗少一：与好氧类似，供氧量少，能耗少一些；些；厌氧填埋厌氧填埋：填埋体无需通风供氧管网，但需要高：填埋体无需通风供氧管网，但需要高防渗，渗滤液收集及填埋气收集体系，电耗少，防渗，渗滤液收集及填埋气收集体系，电耗少，投资运行费用少，能产能。投资运行费用少，能产能。1.卫生填埋工艺厌氧卫生填埋场检测探头检测探头集气井集气井防渗系统防渗系统填埋单元填埋单元工作面工作面/面覆土面覆土输气管输气管填埋气发电厂填埋气发电厂渗滤液处理厂渗滤液处理厂 与厌氧消化基本一致，差别在于填埋处理与厌氧消化基本一致，差别在于填埋处理的物料的物料含水量低含水量低，处于，处于非连续相非连续相且缺少搅拌，且缺少搅
8、拌，反应的局部性更容易导致反应的局部性更容易导致酸、气积累酸、气积累；而由；而由于填埋垃圾的复杂性，其酸浸过程导致于填埋垃圾的复杂性，其酸浸过程导致重金重金属离子属离子的溶出增多。的溶出增多。2.厌氧填埋的微生物过程I 好氧阶段好氧阶段 II 缺氧阶段缺氧阶段III 厌氧阶段厌氧阶段 IV 成熟阶段成熟阶段厌氧填埋场稳定进程v好氧阶段，好氧氧化好氧阶段，好氧氧化温度急剧上升；温度急剧上升；v缺氧阶段，硫酸硝酸盐还原缺氧阶段，硫酸硝酸盐还原ORP下降；下降；v厌氧不产甲烷段，固相垃圾水解厌氧不产甲烷段，固相垃圾水解酸积累；酸积累；v厌氧加速产甲烷段，有机酸利用阶段；厌氧加速产甲烷段，有机酸利用阶
9、段；v厌氧减速产甲烷段，有机酸消耗阶段；厌氧减速产甲烷段，有机酸消耗阶段；v好氧成熟阶段，大气重新进入垃圾填埋体。好氧成熟阶段，大气重新进入垃圾填埋体。各阶段的转化3.填埋场渗滤液v垃圾填埋场渗滤液是指垃圾在堆放和填埋垃圾填埋场渗滤液是指垃圾在堆放和填埋过程中由于发酵和降水的冲刷、地表水和过程中由于发酵和降水的冲刷、地表水和地下水浸泡而滤出的污水；地下水浸泡而滤出的污水； v垃圾渗滤液是一种污染性很强的高浓度有垃圾渗滤液是一种污染性很强的高浓度有机废水，含有多种毒性物质与致癌物质，机废水，含有多种毒性物质与致癌物质，若不能妥善处理而直接进入环境，将对环若不能妥善处理而直接进入环境，将对环境造成
10、严重污染；境造成严重污染；v渗滤液处理是世界上公认的难题。渗滤液处理是世界上公认的难题。 垃圾本身含有大量的可溶性有机物、无机垃圾本身含有大量的可溶性有机物、无机物在雨水、地表水或地下水的浸入过程中物在雨水、地表水或地下水的浸入过程中溶解而进入渗滤液溶解而进入渗滤液;垃圾通过生物、化学、物理等作用产生的垃圾通过生物、化学、物理等作用产生的可溶性物质进入渗滤液可溶性物质进入渗滤液;覆盖和周围的土壤中进入渗滤液的可溶性覆盖和周围的土壤中进入渗滤液的可溶性物质。物质。渗滤液的来源调整期调整期：出水：出水COD较低较低过渡期过渡期：可生化性较好：可生化性较好产酸期产酸期：可生化性最好：可生化性最好产甲
11、烷期产甲烷期：可生化性较差：可生化性较差成熟期成熟期：可生化性极差：可生化性极差 年轻填埋场的渗滤液，年轻填埋场的渗滤液，pH值低、值低、BOD高、高、COD高，高，BOD/COD高；而较老的填埋场其渗滤液有较低高；而较老的填埋场其渗滤液有较低BOD、COD值，低值，低BOD/COD值，高氨氮浓度，值，高氨氮浓度，pH通常为通常为7.5左右左右 渗滤液随填埋时间的变化有机物浓度高，种类多；有机物浓度高，种类多；氨氮含量高；氨氮含量高；溶解性盐污染重；溶解性盐污染重；微生物营养元素比例失调；微生物营养元素比例失调；可生化性差；可生化性差；水质水量随季节波动大水质水量随季节波动大COD、BOD及可
12、生化性随填埋时间的增长及可生化性随填埋时间的增长而下降。而下降。渗滤液的基本特点渗滤液的基本构成四、废气生物处理四、废气生物处理v基本原理：利用微生物的生命活动过程把基本原理：利用微生物的生命活动过程把废气中的气态污染物转化成少害甚至无害废气中的气态污染物转化成少害甚至无害的物质。的物质。v特点：特点：不需要再生过程不需要再生过程和其它高级处理，和其它高级处理，与其它净化法相比，其处理设备简单，费与其它净化法相比，其处理设备简单，费用也低，并可以达到无害化的目的。用也低，并可以达到无害化的目的。v缺点：缺点：不能回收不能回收污染物质，适用于污染物污染物质，适用于污染物浓度很低的情况；废气的浓度
13、很低的情况；废气的组分较单一组分较单一，需，需添加营养以满足微生物营养要求。添加营养以满足微生物营养要求。1.1.适用于生物处理的废气种类适用于生物处理的废气种类v氨、硫化氢、挥发性有机物氨、硫化氢、挥发性有机物(VOCs) 等等；v挥发性有机物是指常温常压下沸点低于挥发性有机物是指常温常压下沸点低于260，蒸，蒸气压大于气压大于71Pa的液体或固体有机化合物；的液体或固体有机化合物；v其主要成分为烃类、卤代烃、氮烃、含氧烃、硫烃其主要成分为烃类、卤代烃、氮烃、含氧烃、硫烃及低沸点的多环芳香烃等，常温下易挥发；及低沸点的多环芳香烃等，常温下易挥发；v主要来源于养殖厂、化工厂、垃圾处理厂、农产品
14、主要来源于养殖厂、化工厂、垃圾处理厂、农产品加工厂等。加工厂等。19种种恶恶臭臭物物质质的的理理化化性性状状 恶臭物质的嗅觉阀值恶臭物质的嗅觉阀值/10-9 恶臭强度恶臭强度 恶臭强度是指恶臭对人嗅觉的刺激程度。恶臭强度是指恶臭对人嗅觉的刺激程度。vH2S具有急毒性具有急毒性v多数多数VOCs有毒、有恶臭，部分有致癌性；有毒、有恶臭，部分有致癌性；v光化学烟雾，刺激人眼睛与呼吸系统光化学烟雾，刺激人眼睛与呼吸系统v破坏臭氧层破坏臭氧层废气的危害废气的危害2CH2CH3 3-S-CH-S-CH3 3(DMS)(DMS)CHCH3 3-S-S-CH-S-S-CH3 3(DMDS)(DMDS)2CH
15、2CH3 3SH(MN)SH(MN)2H2H2 2S S2H2H2 2SOSO4 42HCHO2HCHO2HCOOH2HCOOH2CO2CO2 22NADH + 2H2NADH + 2H+ +2NAD2NAD+ +2O2O2 22H2H2 2OO2H2H2 2OO2NAD2NAD+ +2NADH + H2NADH + H+ +2NAD2NAD+ +2NADH + H2NADH + H+ +2H2H2 2OO2O2O2 22H2H2 2OO2 22H2H2 2O + OO + O2 2NADHNADH - stimulated DMS oxidase - stimulated DMS oxida
16、seNADHNADH - stimulated DMDS reductase - stimulated DMDS reductaseCatalaseCatalaseMT oxidase,MT oxidase, producing H producing H2 2S and HS and H2 2OO2 2NADNAD - specific formaldehyde dehydrogenase - specific formaldehyde dehydrogenaseNADNAD - specific formate dehydrogenase - specific formate dehydr
17、ogenaseSulfideSulfide - oxidizing system - oxidizing system典型污染物二甲基硫醚的转化典型污染物二甲基硫醚的转化v生丝微菌属对生丝微菌属对DMSO代谢的结果是产生代谢的结果是产生H2S04和和C02，而其中间代谢产物，而其中间代谢产物HCHO经经丝氨酸途径同化、合成细胞物质。丝氨酸途径同化、合成细胞物质。v黄单胞菌属黄单胞菌属(Xanthomonas sp)DY44对对硫的代谢独特，它氧化硫的代谢独特，它氧化H2S和甲硫醇和甲硫醇(MM)不形成不形成S0或或S042-，而是形成类似于元素硫，而是形成类似于元素硫的聚合物。的聚合物。v食酸
18、假单胞菌食酸假单胞菌(Pseudomonas acidoyorance)只氧化只氧化DMS为为DMSO就不就不再继续氧化。再继续氧化。二甲基硫醚的微生物转化二甲基硫醚的微生物转化v硫杆菌属硫杆菌属(Thiobacillus)既能氧化上述恶臭既能氧化上述恶臭硫化物，也能氧化硫化物，也能氧化SO,S2032-和和S4062-v排硫硫杆菌排硫硫杆菌E6菌株氧化菌株氧化DMDS为为H2S04和和CO2；v硫杆菌属硫杆菌属ASN-1菌株氧化菌株氧化DMS，能利用，能利用N02-和和NO3-作最终电子受体，依靠钴胺酰胺作最终电子受体，依靠钴胺酰胺(X)(甲基携带剂甲基携带剂)引发的甲基转移反应而将引发的甲
19、基转移反应而将其氧化为其氧化为HCOOH和和H2S二甲基硫醚的微生物转化二甲基硫醚的微生物转化氧化恶臭硫化物的细菌氧化恶臭硫化物的细菌 废气生物净化过程的实质是利用微生物的代谢作废气生物净化过程的实质是利用微生物的代谢作用将废气分解为稳定无害的无机物。由于这一过程用将废气分解为稳定无害的无机物。由于这一过程在气相中很难进行，废气必须首先经历由在气相中很难进行，废气必须首先经历由气相转移气相转移到液相或固相表面液膜到液相或固相表面液膜中的传质过程，然后污染物中的传质过程，然后污染物才能被固相载体表面固定的微生物吸附降解。才能被固相载体表面固定的微生物吸附降解。 其实质是其实质是附着在多孔、潮湿介
20、质上的活性微生物附着在多孔、潮湿介质上的活性微生物以废气中组分作为其生命活动的能源或养分以废气中组分作为其生命活动的能源或养分 , ,转化转化为简单的无机物为简单的无机物 (CO(CO2 2、H H2 2O O、NONO3 3- -、SOSO4 42-2-) )或细胞组或细胞组成物质。成物质。2. 2. 生物处理废气的过程解析生物处理废气的过程解析气相主体气膜液膜微生物相界面废气液膜传质液膜传质生物处理工艺的适用性生物处理工艺的适用性废气生物处理的经济性废气生物处理的经济性(投资投资)废气生物处理的经济性废气生物处理的经济性(运行运行) 微生物对各类污染物均有较强、较快的微生物对各类污染物均有
21、较强、较快的适应性，并可将其作为代谢底物降解、转化。适应性，并可将其作为代谢底物降解、转化。同常规的有机废气处理技术相比，生物技术同常规的有机废气处理技术相比，生物技术具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、具有效果好、投资及运行费用低、安全性好、无二次污染、易于管理等优点，尤其在处理无二次污染、易于管理等优点，尤其在处理低浓度低浓度(98%60% by masspH 6-860-100%典型典型 Biofilter 运行条件运行条件 生物吸收法的工艺生物吸收法的工艺一般由废气吸收段和一般由废气吸收段和悬浮液再生段两部分悬浮液再生段两部分组成，相应的装置为组成，相应的装置为吸收设备和再生反应吸
22、收设备和再生反应器器 , ,具体工艺流程如具体工艺流程如右图所示右图所示(2)生物吸收法生物吸收法 v曝气式系统由曝气池和池内的曝气管构成，曝气式系统由曝气池和池内的曝气管构成，用含有有机化合物的空气作为曝气空气送用含有有机化合物的空气作为曝气空气送入曝气池，通过池中的活性污泥使有机物入曝气池，通过池中的活性污泥使有机物氧化分解，故可同时处理废水与废气。氧化分解，故可同时处理废水与废气。v生物吸收法适于处理气量小、浓度大的有生物吸收法适于处理气量小、浓度大的有机废气，特别适于处理易溶、相对易被氧机废气，特别适于处理易溶、相对易被氧化的化合物，不适于处理有机硫化物、难化的化合物，不适于处理有机硫
23、化物、难氧化的化合物。氧化的化合物。生物吸收法的适用性生物吸收法的适用性 生物滴滤法工艺集生物滴滤法工艺集生物吸收和生物氧化生物吸收和生物氧化于一体。气体从生物于一体。气体从生物滴滤器的底部进入填滴滤器的底部进入填料层，然后与回流水料层，然后与回流水接触，便于最大限度接触，便于最大限度地吸收进入液相，进地吸收进入液相，进行生物处理。工艺流行生物处理。工艺流程见右图程见右图 (3)生物滴滤法生物滴滤法 v在填料层上方喷淋循环液，循环液由水、在填料层上方喷淋循环液，循环液由水、微生物生长所需的营养物质、微生物生长所需的营养物质、pH缓冲液等缓冲液等组成，有机废气在填料上方或下方进入过组成，有机废气
24、在填料上方或下方进入过滤器通过填料层。滤器通过填料层。v填料有粗碎石、陶瓷环或珠、不锈钢拉西填料有粗碎石、陶瓷环或珠、不锈钢拉西环、炉渣、珍珠岩、变性硅藻土、塑料蜂环、炉渣、珍珠岩、变性硅藻土、塑料蜂窝状填料、塑料波纹板填料等窝状填料、塑料波纹板填料等生物滴滤法与过滤法的差别生物滴滤法与过滤法的差别 1 v生物过滤器所用填料吸附性好，有较强保生物过滤器所用填料吸附性好，有较强保湿能力，含有大量各种微生物及其所需营湿能力，含有大量各种微生物及其所需营养成分。生物滴滤器所用填料仅为微生物养成分。生物滴滤器所用填料仅为微生物提供一定的附着表面；提供一定的附着表面；v生物过滤器中水只是滞留在微生物膜的
25、表生物过滤器中水只是滞留在微生物膜的表面和内层中，没有形成贯穿整个填料床层面和内层中，没有形成贯穿整个填料床层的连续流动相，而生物滴滤器中存在一个的连续流动相，而生物滴滤器中存在一个连续流动的水相连续流动的水相；生物滴滤法与过滤法的差别生物滴滤法与过滤法的差别 2 v在生物过滤器的填料中投配适当的固体缓在生物过滤器的填料中投配适当的固体缓冲剂，实现生物过滤池的冲剂，实现生物过滤池的pH调节，一旦缓调节，一旦缓冲剂耗竭，则需要更新或再生填料。生物冲剂耗竭，则需要更新或再生填料。生物滴滤器的循环液滴滤器的循环液pH很易于监测和调节，因很易于监测和调节，因此在处理此在处理经微生物降解生成酸性产物经微
26、生物降解生成酸性产物的污的污染物染物(卤代烃及含硫和含氮有机物卤代烃及含硫和含氮有机物)时，生物时，生物滴滤器较生物过滤器更有效、更易操作。滴滤器较生物过滤器更有效、更易操作。v烷烃、烯烃、单环芳烃、氯代烃和硫化物。烷烃、烯烃、单环芳烃、氯代烃和硫化物。生物滴滤法与过滤法的差别生物滴滤法与过滤法的差别 3 v生物滴滤器内部生物滴滤器内部生物量较多生物量较多，微生物，微生物降解活降解活性高性高、气液、气液接触面积较大接触面积较大，可通过对循环液，可通过对循环液的控制强化传质与降解过程，对高污染负荷的控制强化传质与降解过程，对高污染负荷的废气处理效果较好。的废气处理效果较好。v对对气量大、浓度低气量大、浓度低的废气宜采用的废气宜采用生物过滤法生物过滤法进行处理，对进行处理，对负荷高及污染物降解负荷高及污染物降解生成酸性生成酸性产物的废气则用产物的废气则用生物滴滤法生物滴滤法处理效果较好处理效果较好v生物滴滤系统的生物滴滤系统的操作要求及运行费用高操作要求及运行费用高。生物滴滤法与过滤法的差别生物滴滤法与过滤法的差别 4 Schematic diagram of biological trickling filterSchematic diagram of biowasher or bioscrubber 三种生物废气处理工艺的比较三种生物废气处理工艺的比较
