固體廢棄物按其性狀可分為有機(jī)廢物和無(wú)機(jī)廢物或固體廢物和泥狀廢物；按其來(lái)源可分為礦業(yè)廢物、工業(yè)廢物、城市垃圾、污水處理廠污泥、農(nóng)業(yè)廢棄物和放射性廢物等。本節(jié)簡(jiǎn)述城市垃圾、污水處理廠污泥和農(nóng)業(yè)廢棄物的微生物處理問(wèn)題。

近年來(lái)，城市垃圾數(shù)量猛增，但幾乎95％的垃圾未經(jīng)處理，一般堆積于城郊或倒入江河。

我國(guó)城市污水處理廠每年產(chǎn)生的干污泥約20×104t，以濕污泥計(jì)約為380×104t～500×104t，并以每年20％的速度遞增，污泥中含有豐富的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。

農(nóng)業(yè)廢棄物主要包括作物桔桿、樹(shù)木莖葉、人畜糞便等等，主要指含有纖維素、半纖維素的廢棄物。
　　
以上三大類固體廢棄物都含有大量的有機(jī)物，通過(guò)微生物的活動(dòng)，可以使之穩(wěn)定化、無(wú)害化、減量化和資源化，其主要的處理方法有衛(wèi)生填埋、堆肥、沼氣發(fā)酵和纖維素廢物的糖化、蛋白質(zhì)化、產(chǎn)乙醇等等。
　　
一、堆肥
　　
堆肥化就是依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，有控制地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過(guò)程。堆肥化的產(chǎn)物稱為堆肥。根據(jù)處理過(guò)程中起作用的微生物對(duì)氧氣要求的不同，堆肥可分為好氧堆肥法（高溫堆肥）和厭氧堆肥二種。
　　
1．好氧堆肥法 好氧堆肥法是在有氧的條件下，通過(guò)好氧微生物的作用使有機(jī)廢棄物達(dá)到穩(wěn)定化、轉(zhuǎn)變?yōu)橛欣谧魑镂丈L(zhǎng)的有機(jī)物的方法。堆肥的微生物學(xué)過(guò)程如下：
　　
（1）發(fā)熱階段 堆肥堆制初期，主要由中溫好氧的細(xì)菌和真菌，利用堆肥中容易分解的有機(jī)物，如淀粉、糖類等迅速增殖，釋放出熱量，使堆肥溫度不斷升高。
　　
（2）高溫階段 堆肥溫度上升到50℃以上，進(jìn)入了高溫階段。由于溫度上升和易分解的物質(zhì)的減少，好熱性的纖維素分解菌逐漸代替了中溫微生物，這時(shí)堆肥中除殘留的或新形成的可溶性有機(jī)物繼續(xù)被分解轉(zhuǎn)化外，一些復(fù)雜的有機(jī)物如纖維素、半纖維素等也開(kāi)始迅速分解。
　　
由于各種好熱性微生物的最適溫度互不相同，因此隨著堆溫的變化，好熱性微生物的種類、數(shù)量也逐漸發(fā)生著變化。在50℃左右，主要是嗜熱性真菌和放線菌，如嗜熱真菌屬（Thermomyces）、嗜熱褐色放線菌（Actinomyces thermofuscus）、普通小單胞菌（Mi-cromonospora vulgaris）等。溫度升至60℃時(shí)，真菌幾乎完全停止活動(dòng)，僅有嗜熱性放線菌與細(xì)菌在繼續(xù)活動(dòng)，分解著有機(jī)物。溫度升至70℃時(shí)，大多數(shù)嗜熱性微生物已不適應(yīng)，相繼大量死亡，或進(jìn)入休眠狀態(tài)。
　　
高溫對(duì)于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此階段中堆肥內(nèi)開(kāi)始了腐殖質(zhì)的形成過(guò)程，并開(kāi)始出現(xiàn)能溶解于弱堿的黑色物質(zhì)。同時(shí)，高溫對(duì)于殺死病原性生物也是極其重要的，一般認(rèn)為，堆溫在50℃～60℃，持續(xù)6d～7d，可達(dá)到較好的殺死蟲(chóng)卵和病原菌的效果。
　　
（3）降溫和腐熟保肥階段當(dāng)高溫持續(xù)一段時(shí)間以后，易于分解或較易分解的有機(jī)物（包括纖維素等）已大部分分解，剩下的是木質(zhì)素等較難分解的有機(jī)物以及新形成的腐殖質(zhì)。這時(shí)，好熱性微生物活動(dòng)減弱，產(chǎn)熱量減少，溫度逐漸下降，中溫性微生物又漸漸成為優(yōu)勢(shì)菌群，殘余物質(zhì)進(jìn)一步分解，腐殖質(zhì)繼續(xù)不斷地積累，堆肥進(jìn)入了腐熟階段。為了保存腐殖質(zhì)和氮素等植物養(yǎng)料，可采取壓實(shí)肥堆的措施，造成其厭氧狀態(tài)，使有機(jī)質(zhì)礦化作用減弱，以免損失肥效。
　　
堆肥中微生物的種類和數(shù)量，往往因堆肥的原料來(lái)源不同而有很大不同。
　　
對(duì)于農(nóng)業(yè)廢棄物，以一年生植物殘?bào)w為主要原料的堆肥中，常見(jiàn)到以下微生物相變化特征：細(xì)菌、真菌→纖維分解菌→放線菌→能分解木質(zhì)素的菌類。

在以城市污水處理廠剩余污泥為原料的堆肥中，可見(jiàn)如表7-2所示的微生物相變化。堆肥堆制前的脫水污泥中占優(yōu)勢(shì)的微生物為細(xì)菌，而真菌和放線菌較少。在細(xì)菌的組成中，一個(gè)顯著特征是厭氧菌和脫氮菌相當(dāng)多，這與污泥含水量多、含易分解有機(jī)物多、呈厭氧狀態(tài)有關(guān)。
　　
經(jīng) 30d堆制后（期間經(jīng)過(guò)65℃高溫，后又維持在50℃左右），細(xì)菌數(shù)有了減少，但好氧性細(xì)菌比原料污泥只是略有減少，仍保持著每克干物質(zhì)107個(gè)的數(shù)量級(jí)，厭氧性細(xì)菌比原料污泥減少了大約100倍，真菌數(shù)量并沒(méi)有明顯增長(zhǎng)，氨化細(xì)菌和脫氮菌卻有明顯的增加，說(shuō)明堆肥中發(fā)生著硝化和反硝化過(guò)程，這與堆肥污泥中既存在著適于硝化細(xì)菌活動(dòng)的有氧微環(huán)境，也存在著適于脫氮菌活動(dòng)的無(wú)氧微環(huán)境有關(guān)。
　　
堆制到60d，可見(jiàn)各類微生物的數(shù)量都下降了，但此時(shí)，好氧性細(xì)菌仍然占優(yōu)勢(shì)，真菌和放線菌較少。從以上分析中可知，剩余污泥堆肥中一般都是細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)。
　　
城市垃圾的堆肥中，與污泥堆肥一樣是細(xì)菌占優(yōu)勢(shì)，但與污泥堆肥相比放線菌更少。另外還出現(xiàn)在腐熟初期絲狀菌增加，隨后又減少的現(xiàn)象。由于對(duì)植物有害的微生物不少是絲狀菌，因此堆肥中絲狀菌的減少是很重要的。
　　
好氧堆肥工藝主要包括堆肥預(yù)處理、一次發(fā)酵、二次發(fā)酵和后處理四個(gè)階段。堆肥工藝的主要參數(shù)為：一次發(fā)酵其含水率45％～60％，碳氮比30～35∶1，溫度55℃～65℃，周期3d～10d。二次發(fā)酵其含水率小于40％，溫度低于40℃，周期30d～40d。
　　
2．厭氧堆肥法在不通氣的條件下，將有機(jī)廢棄物（包括城市垃圾、人畜糞便、植物秸桿、污水處理廠的剩余污泥等）進(jìn)行厭氧發(fā)酵，制成有機(jī)肥料，使固體廢棄物無(wú)害化的過(guò)程。堆肥方式與好氧堆肥法相同，但堆內(nèi)不設(shè)通氣系統(tǒng)，堆溫低，腐熟及無(wú)害化所需時(shí)間較長(zhǎng)。然而，厭氧堆肥法簡(jiǎn)便、省工，在不急需用肥或勞力緊張的情況下可以采用。一般厭氧堆肥要求封堆后一個(gè)月左右翻堆一次，以利于微生物活動(dòng)使堆料腐熟。
　　
二、衛(wèi)生填埋
　　
衛(wèi)生填埋法始于60年代，它是在傳統(tǒng)的堆放基礎(chǔ)上，從環(huán)境免受二次污染的角度出發(fā)而發(fā)展起來(lái)的一種較好的固體廢棄物處理法，其優(yōu)點(diǎn)是投資少，容量大，見(jiàn)效快，因此廣為各國(guó)采用。
　　
衛(wèi)生填埋主要有厭氧、好氧和半好氧三種。目前因厭氧填埋操作簡(jiǎn)單，施工費(fèi)用低，同時(shí)還可回收甲烷氣體，而被廣泛采用。好氧和半好氧填埋分解速度快，垃圾穩(wěn)定化時(shí)間短，也日益受到各國(guó)的重視，但由于其工藝要求較復(fù)雜，費(fèi)用較高，故尚處于研究階段。
　　
衛(wèi)生填埋是將垃圾在填埋場(chǎng)內(nèi)分區(qū)分層進(jìn)行填埋，每天運(yùn)到填埋場(chǎng)的垃圾，在限定的范圍內(nèi)鋪散為40cm～75cm的薄層，然后壓實(shí)，一般垃圾層厚度應(yīng)為 2.5m～3m。一次性填埋處理垃圾層最大厚度為9m，每層垃圾壓實(shí)后必須覆土20cm～30cm。廢物層和土壤覆蓋層共同構(gòu)成一個(gè)單元，即填埋單元，一般一天的垃圾，當(dāng)天壓實(shí)復(fù)土，成為一個(gè)填埋單元。具有同樣高度的一系列相互銜接的填埋單元構(gòu)成一個(gè)填埋層。完成的衛(wèi)生填埋場(chǎng)由一個(gè)或幾個(gè)填埋層組成。當(dāng)填埋到最終的設(shè)計(jì)高度以后，再在該填埋層上層蓋一層90cm～120cm的土壤，壓實(shí)后就得到一個(gè)完整的衛(wèi)生填埋場(chǎng)。
　　
（一）填埋坑中微生物的活動(dòng)過(guò)程

1．好氧分解階段 隨著垃圾填埋，垃圾孔隙中存在著大量空氣也同樣被埋入其中，因此開(kāi)始階段垃圾只是好氧分解，此階段時(shí)間的長(zhǎng)短取決于分解速度，可以由幾天到幾個(gè)月。好氧分解將填埋層中氧耗盡以后進(jìn)入第二階段。
　　
2．厭氧分解不產(chǎn)甲烷階段在此階段，微生物利用硝酸根和硫酸根作為氧源，產(chǎn)生硫化物、氮?dú)夂投趸?，硫酸鹽還原菌和反硝化細(xì)菌的繁殖速度大于產(chǎn)甲烷細(xì)菌。當(dāng)還原狀態(tài)達(dá)到一定程度以后，才能產(chǎn)甲烷，還原狀態(tài)的建立與環(huán)境因素有關(guān)，潮濕而溫暖的填埋坑能迅速完成這一階段而進(jìn)入下一階段。
　　
3．厭氧分解產(chǎn)甲烷階段 此階段甲烷氣的產(chǎn)量逐漸增加，當(dāng)坑內(nèi)溫度達(dá)到55℃左右時(shí)，便進(jìn)入穩(wěn)定產(chǎn)氣階段。
　　
4．穩(wěn)定產(chǎn)氣階段 此階段穩(wěn)定地產(chǎn)生二氧化碳和甲烷。
　　
（二）填埋場(chǎng)滲瀝水
　　
垃圾分解過(guò)程中產(chǎn)生的液體以及滲出的地下水和滲入的地表水，統(tǒng)稱為填埋場(chǎng)滲瀝水。滲瀝水的性質(zhì)主要取決于所埋垃圾的種類。滲瀝水的數(shù)量取決于填埋場(chǎng)滲瀝水的來(lái)源、填埋場(chǎng)的面積、垃圾狀況和下層土壤等等。
　　
為了防止?jié)B瀝水對(duì)地下水的污染，需在填埋場(chǎng)底部構(gòu)筑不透水的防水層、集水管、集水井等設(shè)施將產(chǎn)生的滲瀝水不斷收集排出。對(duì)新產(chǎn)生的滲瀝水，最好的處理方法為厭氧、好氧生物處理；而對(duì)已穩(wěn)定的填埋場(chǎng)滲瀝水，由于已經(jīng)歷厭氧發(fā)酵，使其可生化的有機(jī)物的含量減少到最低點(diǎn)，再用生物處理其效果不明顯，最好采用物理化學(xué)處理方法。滲瀝水除采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行處理外，在旱季或干旱地區(qū)還可采用滲瀝水再循環(huán)的方法，用于噴灑灌溉、地面流水灌溉等方法，使?jié)B瀝水被蒸發(fā)或被植物吸收。滲瀝水再循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)在于能加速垃圾穩(wěn)定作用和省略水處理系統(tǒng)。
　　
（三）填埋場(chǎng)氣體收集
　　
垃圾填埋以后，由于微生物的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生甲烷、二氧化碳、氨、一氧化碳、氫氣、硫化氫、氮?dú)獾葰怏w。填埋場(chǎng)的產(chǎn)氣量和成分與被分解的固體廢物的種類有關(guān)，并隨填埋年限而變化。由于填埋場(chǎng)中存在著許多不能控制因素，所以用各種方式進(jìn)行估算的結(jié)果與實(shí)際情況偏離很大。填埋場(chǎng)產(chǎn)氣范圍每公斤揮發(fā)性有機(jī)固體約為 0.013m3～0.047m3。甲烷發(fā)酵最旺盛期間通常在填埋后的5年內(nèi)。填埋場(chǎng)氣體一般含有40％～50％的二氧化碳和30％～40％的甲烷，以及其他各種氣體。因此，填埋場(chǎng)的氣體經(jīng)過(guò)處理以后可以作為能源加于利用　三、厭氧發(fā)酵（消化）
　　
不管是作物秸桿、樹(shù)干莖葉、人畜糞便、城市垃圾，還是污水處理廠的污泥，都是厭氧發(fā)酵的原料。在發(fā)酵過(guò)程中，廢物得到處理，同時(shí)獲得能源。在我國(guó)農(nóng)村，沼氣發(fā)酵不僅作為農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，處理各類廢棄物來(lái)制成農(nóng)家肥，而且獲得生物質(zhì)能用來(lái)照明或作為燃料。城市污水處理廠的污泥厭氧消化使污泥體積減少，產(chǎn)生的甲烷用來(lái)發(fā)電，降低處理廠的運(yùn)行費(fèi)用。
　　
固體廢棄物的厭氧發(fā)酵（消化）過(guò)程影響因素如下：
　　
1．有機(jī)物投入量在厭氧發(fā)酵罐（或稱為消化罐）中，從攪拌時(shí)液體的流動(dòng)性，攪拌動(dòng)力的關(guān)系考慮，發(fā)酵原料液的固形物濃度的極限約為是10％～12％，污水處理廠污泥是 2％～5％，家畜糞尿是2％～8％，其他有機(jī)廢水中的固形物濃度極限是8％。適宜的有機(jī)物投入量根據(jù)菌體的性質(zhì)、發(fā)酵溫度等決定。如對(duì)于單槽方式的發(fā)酵法，豬糞作為基質(zhì)時(shí)，中溫發(fā)酵的有機(jī)負(fù)荷是2kg（VS）／m3·d～3kg（VS）／m3·d，高溫發(fā)酵的有機(jī)負(fù)荷是 5kg（VS）／m3·d～6kg（VS）／m3·d，固形物中有機(jī)物含量通常是60％～80％，甲烷發(fā)酵后是35％～45％。
　　
2．營(yíng)養(yǎng) 為了使甲烷發(fā)酵順利進(jìn)行，碳氮比和碳磷比是重要因素，產(chǎn)生甲烷的最佳碳氮比是12～16。
　　
3．粒度 希望粒度小，因?yàn)榘l(fā)酵過(guò)程是在可溶性有機(jī)物中進(jìn)行的。
　　
4．發(fā)酵溫度 厭氧發(fā)酵分為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵，中溫發(fā)酵控制在30℃～37℃，高溫發(fā)酵控制在50℃～58℃。
　　
5．發(fā)酵槽的攪拌 為了使發(fā)酵槽內(nèi)充分混合并使浮渣充分破碎，在發(fā)酵罐內(nèi)必須進(jìn)行適當(dāng)?shù)臄嚢?。攪拌方式有泵循環(huán)、機(jī)械攪拌、浮渣破碎機(jī)、氣體攪拌等。
　　
6．厭氧狀態(tài) 由于厭氧微生物對(duì)氧很敏感，因此發(fā)酵槽希望完全密閉。
　　
7．加溫 由于厭氧發(fā)酵需要適宜溫度，因此必須加溫。雖然中溫和高溫發(fā)酵對(duì)有機(jī)物處理能力的比是1∶2.5～1∶3左右，但是發(fā)酵溫度要根據(jù)原料的特性、發(fā)酵裝置所在地區(qū)的氣溫、發(fā)酵槽的運(yùn)行費(fèi)用來(lái)決定。
　　
8．平均滯留時(shí)間 厭氧發(fā)酵的基質(zhì)需要一定的平均滯留時(shí)間。如果平均滯留時(shí)間小于菌體的最小世代時(shí)間時(shí)，從發(fā)酵槽流出的菌體大于其繁殖速率，發(fā)酵就難于維持。
　　
9．pH的影響 在產(chǎn)酸階段是兼性厭氧菌起作用，pH值的容許范圍是4.0～4.5。在兼性厭氧菌群和專性厭氧菌群共棲的系統(tǒng)，pH值在6.4～7.2范圍之內(nèi)。對(duì)于兩相式發(fā)酵的甲烷發(fā)酵槽中pH值在6.5～7.5之間最適宜。

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