固体废弃物的微生物处理

固体废弃物按其性状可分为有机废物和无机废物或固体废物和泥状废物；按其来源可分为矿业废物、工业废物、城市垃圾、污水处理厂污泥、农业废弃物和放射性废物等。本节简述城市垃圾、污水处理厂污泥和农业废弃物的微生物处理问题。
　　近年来，城市垃圾数量猛增，但几乎95％的垃圾未经处理，一般堆积于城郊或倒入江河，到1988年为止，我国垃圾堆放量已达66×108t之多，占地面积536平方公里。我国几个城市的垃圾成分见表7-1。


　　我国城市污水处理厂每年产生的干污泥约20×104t，以湿污泥计约为380×104t～500×104t，并以每年20％的速度递增，污泥中含有丰富的氮、磷、钾等营养物质。
　　农业废弃物主要包括作物桔杆、树木茎叶、人畜粪便等等，主要指含有纤维素、半纤维素的废弃物。
　　以上三大类固体废弃物都含有大量的有机物，通过微生物的活动，可以使之稳定化、无害化、减量化和资源化，其主要的处理方法有卫生填埋、堆肥、沼气发酵和纤维素废物的糖化、蛋白质化、产乙醇等等。
　　一、堆肥
　　堆肥化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过程。堆肥化的产物称为堆肥。根据处理过程中起作用的微生物对氧气要求的不同，堆肥可分为好氧堆肥法（高温堆肥）和厌氧堆肥二种。
　　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 堆肥堆制初期，主要由中温好氧的细菌和真菌，利用堆肥中容易分解的有机物，如淀粉、糖类等迅速增殖，释放出热量，使堆肥温度不断升高。
　　（2）高温阶段 堆肥温度上升到50℃以上，进入了高温阶段。由于温度上升和易分解的物质的减少，好热性的纤维素分解菌逐渐代替了中温微生物，这时堆肥中除残留的或新形成的可溶性有机物继续被分解转化外，一些复杂的有机物如纤维素、半纤维素等也开始迅速分解。
　　由于各种好热性微生物的最适温度互不相同，因此随着堆温的变化，好热性微生物的种类、数量也逐渐发生着变化。在50℃左右，主要是嗜热性真菌和放线菌，如嗜热真菌属（Thermomyces）、嗜热褐色放线菌（Actinomyces thermofuscus）、普通小单胞菌（Mi-cromonospora vulgaris）等。温度升至60℃时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌与细菌在继续活动，分解着有机物。温度升至70℃时，大多数嗜热性微生物已不适应，相继大量死亡，或进入休眠状态。
　　高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。同时，高温对于杀死病原性生物也是极其重要的，一般认为，堆温在50℃～60℃，持续6d～7d，可达到较好的杀死虫卵和病原菌的效果。
　　（3）降温和腐熟保肥阶段 当高温持续一段时间以后，易于分解或较易分解的有机物（包括纤维素等）已大部分分解，剩下的是木质素等较难分解的有机物以及新形成的腐殖质。这时，好热性微生物活动减弱，产热量减少，温度逐渐下降，中温性微生物又渐渐成为优势菌群，残余物质进一步分解，腐殖质继续不断地积累，堆肥进入了腐熟阶段。为了保存腐殖质和氮素等植物养料，可采取压实肥堆的措施，造成其厌氧状态，使有机质矿化作用减弱，以免损失肥效。
　　堆肥中微生物的种类和数量，往往因堆肥的原料来源不同而有很大不同。
　　对于农业废弃物，以一年生植物残体为主要原料的堆肥中，常见到以下微生物相变化特征：细菌、真菌→纤维分解菌→放线菌→能分解木质素的菌类。
　　在以城市污水处理厂剩余污泥为原料的堆肥中，可见如表7-2所示的微生物相变化。堆肥堆制前的脱水污泥中占优势的微生物为细菌，而真菌和放线菌较少。在细菌的组成中，一个显著特征是厌氧菌和脱氮菌相当多，这与污泥含水量多、含易分解有机物多、呈厌氧状态有关。


　　经30d堆制后（期间经过65℃高温，后又维持在50℃左右），细菌数有了减少，但好氧性细菌比原料污泥只是略有减少，仍保持着每克干物质107个的数量级，厌氧性细菌比原料污泥减少了大约100倍，真菌数量并没有明显增长，氨化细菌和脱氮菌却有明显的增加，说明堆肥中发生着硝化和反硝化过程，这与堆肥污泥中既存在着适于硝化细菌活动的有氧微环境，也存在着适于脱氮菌活动的无氧微环境有关。
　　堆制到60d，可见各类微生物的数量都下降了，但此时，好氧性细菌仍然占优势，真菌和放线菌较少。从以上分析中可知，剩余污泥堆肥中一般都是细菌占优势。
　　城市垃圾的堆肥中，与污泥堆肥一样是细菌占优势，但与污泥堆肥相比放线菌更少。另外还出现在腐熟初期丝状菌增加，随后又减少的现象。由于对植物有害的微生物不少是丝状菌，因此堆肥中丝状菌的减少是很重要的。
　　好氧堆肥工艺主要包括堆肥预处理、一次发酵、二次发酵和后处理四个阶段。堆肥工艺的主要参数为：一次发酵其含水率45％～60％，碳氮比30～35∶1，温度55℃～65℃，周期3d～10d。二次发酵其含水率小于40％，温度低于40℃，周期30d～40d。
　　2．厌氧堆肥法 在不通气的条件下，将有机废弃物（包括城市垃圾、人畜粪便、植物秸杆、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。堆肥方式与好氧堆肥法相同，但堆内不设通气系统，堆温低，腐熟及无害化所需时间较长。然而，厌氧堆肥法简便、省工，在不急需用肥或劳力紧张的情况下可以采用。一般厌氧堆肥要求封堆后一个月左右翻堆一次，以利于微生物活动使堆料腐熟。
　　二、卫生填埋
　　卫生填埋法始于60年代，它是在传统的堆放基础上，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。
　　卫生填埋主要有厌氧、好氧和半好氧三种。目前因厌氧填埋操作简单，施工费用低，同时还可回收甲烷气体，而被广泛采用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾稳定化时间短，也日益受到各国的重视，但由于其工艺要求较复杂，费用较高，故尚处于研究阶段。
　　卫生填埋是将垃圾在填埋场内分区分层进行填埋，每天运到填埋场的垃圾，在限定的范围内铺散为40cm～75cm的薄层，然后压实，一般垃圾层厚度应为2.5m～3m。一次性填埋处理垃圾层最大厚度为9m，每层垃圾压实后必须覆土20cm～30cm。废物层和土壤覆盖层共同构成一个单元，即填埋单元，一般一天的垃圾，当天压实复土，成为一个填埋单元。具有同样高度的一系列相互衔接的填埋单元构成一个填埋层。完成的卫生填埋场由一个或几个填埋层组成。当填埋到最终的设计高度以后，再在该填埋层上层盖一层90cm～120cm的土壤，压实后就得到一个完整的卫生填埋场。
　　（一）填埋坑中微生物的活动过程 1．好氧分解阶段 随着垃圾填埋，垃圾孔隙中存在着大量空气也同样被埋入其中，因此开始阶段垃圾只是好氧分解，此阶段时间的长短取决于分解速度，可以由几天到几个月。好氧分解将填埋层中氧耗尽以后进入第二阶段。
　　2．厌氧分解不产甲烷阶段 在此阶段，微生物利用硝酸根和硫酸根作为氧源，产生硫化物、氮气和二氧化碳，硫酸盐还原菌和反硝化细菌的繁殖速度大于产甲烷细菌。当还原状态达到一定程度以后，才能产甲烷，还原状态的建立与环境因素有关，潮湿而温暖的填埋坑能迅速完成这一阶段而进入下一阶段。
　　3．厌氧分解产甲烷阶段 此阶段甲烷气的产量逐渐增加，当坑内温度达到55℃左右时，便进入稳定产气阶段。
　　4．稳定产气阶段 此阶段稳定地产生二氧化碳和甲烷。
　　（二）填埋场渗沥水
　　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，统称为填埋场渗沥水。渗沥水的性质主要取决于所埋垃圾的种类。渗沥水的数量取决于填埋场渗沥水的来源、填埋场的面积、垃圾状况和下层土壤等等。
　　为了防止渗沥水对地下水的污染，需在填埋场底部构筑不透水的防水层、集水管、集水井等设施将产生的渗沥水不断收集排出。对新产生的渗沥水，最好的处理方法为厌氧、好氧生物处理；而对已稳定的填埋场渗沥水，由于已经历厌氧发酵，使其可生化的有机物的含量减少到最低点，再用生物处理其效果不明显，最好采用物理化学处理方法。渗沥水除采用传统方法进行处理外，在旱季或干旱地区还可采用渗沥水再循环的方法，用于喷洒灌溉、地面流水灌溉等方法，使渗沥水被蒸发或被植物吸收。渗沥水再循环的优点在于能加速垃圾稳定作用和省略水处理系统。
　　（三）填埋场气体收集
　　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。填埋场的产气量和成分与被分解的固体废物的种类有关，并随填埋年限而变化。由于填埋场中存在着许多不能控制因素，所以用各种方式进行估算的结果与实际情况偏离很大。填埋场产气范围每公斤挥发性有机固体约为0.013m3～0.047m3。甲烷发酵最旺盛期间通常在填埋后的5年内。填埋场气体一般含有40％～50％的二氧化碳和30％～40％的甲烷，以及其他各种气体。因此，填埋场的气体经过处理以后可以作为能源加于利用　三、厌氧发酵（消化）
　　不管是作物秸杆、树干茎叶、人畜粪便、城市垃圾，还是污水处理厂的污泥，都是厌氧发酵的原料。在发酵过程中，废物得到处理，同时获得能源。在我国农村，沼气发酵不仅作为农业生态系统中的一个重要环节，处理各类废弃物来制成农家肥，而且获得生物质能用来照明或作为燃料。城市污水处理厂的污泥厌氧消化使污泥体积减少，产生的甲烷用来发电，降低处理厂的运行费用。
　　固体废弃物的厌氧发酵（消化）过程影响因素如下：
　　1．有机物投入量 在厌氧发酵罐（或称为消化罐）中，从搅拌时液体的流动性，搅拌动力的关系考虑，发酵原料液的固形物浓度的极限约为是10％～12％，污水处理厂污泥是2％～5％，家畜粪尿是2％～8％，其他有机废水中的固形物浓度极限是8％。适宜的有机物投入量根据菌体的性质、发酵温度等决定。如对于单槽方式的发酵法，猪粪作为基质时，中温发酵的有机负荷是2kg（VS）／m3·d～3kg（VS）／m3·d，高温发酵的有机负荷是5kg（VS）／m3·d～6kg（VS）／m3·d，固形物中有机物含量通常是60％～80％，甲烷发酵后是35％～45％。
　　2．营养 为了使甲烷发酵顺利进行，碳氮比和碳磷比是重要因素，产生甲烷的最佳碳氮比是12～16。
　　3．粒度 希望粒度小，因为发酵过程是在可溶性有机物中进行的。
　　4．发酵温度 厌氧发酵分为中温发酵和高温发酵，中温发酵控制在30℃～37℃，高温发酵控制在50℃～58℃。
　　5．发酵槽的搅拌 为了使发酵槽内充分混合并使浮渣充分破碎，在发酵罐内必须进行适当的搅拌。搅拌方式有泵循环、机械搅拌、浮渣破碎机、气体搅拌等。
　　6．厌氧状态 由于厌氧微生物对氧很敏感，因此发酵槽希望完全密闭。
　　7．加温 由于厌氧发酵需要适宜温度，因此必须加温。虽然中温和高温发酵对有机物处理能力的比是1∶2.5～1∶3左右，但是发酵温度要根据原料的特性、发酵装置所在地区的气温、发酵槽的运行费用来决定。
　　8．平均滞留时间 厌氧发酵的基质需要一定的平均滞留时间。如果平均滞留时间小于菌体的最小世代时间时，从发酵槽流出的菌体大于其繁殖速率，发酵就难于维持。
　　9．pH的影响 在产酸阶段是兼性厌氧菌起作用，pH值的容许范围是4.0～4.5。在兼性厌氧菌群和专性厌氧菌群共栖的系统，pH值在6.4～7.2范围之内。对于两相式发酵的甲烷发酵槽中pH值在6.5～7.5之间最适宜。