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第五章 固体废弃物生物处理技术
固体废弃物生物处理技术
有机固体废弃物是指有机质 含量高而含水量低的固态废 物,它们一般具有生物降解 性。 利用微生物处理有机固体废 物技术通常包括好氧堆肥法、 沼气发酵法、酒精生产、单 细胞蛋白生产。
第一节 有机固体废物好氧堆肥
目前,固体废物的年平均增长速度已是经 济增长速度的2~3倍。世界各国根据各自 的国情,分别采用填埋、焚烧、生物降解 法(包括堆肥化)等技术处置固体废物。 好氧堆肥法具有运行费用低、二次污染小 等优点,在世界各国特别是发展中国家有 很好的发展前景。
五、好氧堆肥工艺
现代化堆肥生产通常由前处理、初级发酵、 次级发酵、后处理、脱臭及贮存等工序组 成。 前处理 对体积较大的物料需要破碎、分选,使颗 粒变小,含水率均匀; 对含水量较高的原料主要是降低水分,增 加透气性,调整碳氮比。
初级发酵
在发酵仓内进行,靠强制通风或翻堆搅拌来供给氧气。 通常把稳定升高到开始降低为止的阶段称为主发酵期。 一般为4~12d.
生活垃圾、有机污泥、人和禽畜粪便以及 农林废物等都含有堆肥微生物所需要的各种基 质-碳水化合物、脂类、蛋白质等,此外,还 含有N、P、K、Na、Mn、Fe等,是常用的堆 肥原料。 城市生活垃圾是堆肥的最主要的原料。
二、堆肥中的微生物
好氧堆肥中参与降解有机物的微生物以好 氧菌为主,主要包括两大类:嗜温菌和嗜 热菌。 嗜温菌包括细菌、放线菌、真菌等
一、堆肥化的基本概念
1.堆肥化及作用
堆肥化是指在控制条件下,依靠自然界广泛
分布的细菌、放线菌、真菌等微生物,人为地 促进可生物降解的有机物向稳定的腐殖质生化 转化的过程。
堆肥化的产物称为堆肥,堆肥是廉价的优质
土壤改良肥料。废物经过堆制,体积一般只有 原体积的50%~70%。
2.堆肥原料
利用有机废物生产SCP不仅能够变废为 宝,同时还起到净化环境,降低废物 BOD的作用。
单细胞蛋白的优点:
生产效率高。比动植物高成千上万倍,这 是由于微生物的生长繁殖速率快。 生产原料来源广。
可工业化生产。不仅需要的劳动力少,不 受地区、季节和气候的限制,而且产量高 ,质量好。
一、生产单细胞蛋白的原料和微生物
细菌蛋白:生长速度快,蛋白质含量高,能利用糖类和 烃类,但个体小,分离困难且蛋白质不如酵母菌易于消 化吸收。 藻类:纤维质的细胞壁不易消化,且具有富集重金属的 问题。
丝状真菌:易于回收,但生产速度慢,蛋白质含量较低。
酵母菌: 个体大,易于分离、回收,且蛋白质易于吸 收,目前生产上采用较多。
酵母蛋白
发酵中期
酵母数量达最高值,酒精及CO2大量产生。温度控 制在32~33℃。维持10~15h
发酵后期
温度30~32 ℃,维持30~40h三、酒精发酵的原理 Nhomakorabea水解
酸水解法
纤维素水解 酶水解法 酸水解 淀粉的水解
酶水解
植物纤维水解的机理
主要是指纤维素和半纤维素的水解 纤维素实质上是一种己聚糖 半纤维素则主要是戊聚糖
单细胞蛋白所含营养物质极为丰富。
蛋白质含量高达40%~80%,比大豆高10%~ 20%,比肉、鱼、奶酪高20%以上; 氨基酸的组成较为齐全,含有人体必需的8种氨 基酸,尤其是谷物中含量较少的赖氨酸。
单细胞蛋白中还含有多种维生素、碳水化合物 、脂类、矿物质,以及丰富的酶类和生物活性物 质,如辅酶A、辅酶Q、谷胱甘肽、麦角固醇等
二、生产单细胞蛋白的方法
通常采用连续培养方法,即在培养罐内 连续地加入培养基,同时排出同量的培 养液,罐内培养液的容量、组成、温度 等保持稳定状态。
藻类蛋白
以小球藻和螺旋藻最引人注目,是在海 水中快速生长的两种微藻,二者的蛋白 含量分别为50%、60%(干重),必需氨 基酸中除含硫氨基酸较少外,其他的必 需氨基酸却很丰富。
嗜热菌包括嗜热性真菌和细菌等。
堆肥的原料来源不同,微生物的种类和数 量也不尽相同。
45℃的堆肥样品中,一般有以下几属:
曲霉属,芽孢杆菌属,肠道杆菌属、假单胞 菌属、芽孢乳杆菌属。
55℃时的堆肥样品中 一般有以下几属:
乳杆菌属,芽孢杆菌属,假单胞菌属,链球 菌属,小单胞菌属。
三、堆肥化过程
利用农牧渔业及其产品加工业生产的废物(如豆 渣、酒糟等)及生活垃圾、粪便、有机废物污泥都 可作为沼气发酵的原料。
沼气发酵的应用
生产沼气, 提供能源
处理废物, 保护环境
沼气发酵装置1
沼气发酵装置2
第三节 有机固体废物发酵制备酒精
酒精发酵的原料和微生物 酒精发酵的生化过程
酒精发酵的原理
增加食品中蛋白质生物价 提高食品中维生素和矿物质含量 提高食品的物理性能 食品添加物 食用发酵剂
用在医药及其他
单细胞蛋白生产工艺流程
三、单细胞蛋白生产中存在的问题
(1)核酸含量高, 4%~18%,过多食用引
起痛风。
(2)毒性物质存在的可能性 (3)在人类消化管道中消化得很慢,会使食 用者 产生消化不良或过敏等症状。 (4)比其他来源的蛋白质,如大豆蛋白质更 昂贵。
四、单细胞蛋白的应用
用作饲料 食品加工业
酵母在食品加工中应用较早,包括食品 的酿造、烘烤等。
酵母中蛋白质的含量超过其干重的一半 ,但相对缺乏含硫氨基酸。另外,由于 酵母中核酸含量较高,若摄入过量的酵 母蛋白则会造成血液的尿酸水平升高, 引起机体代谢紊乱。
细菌蛋白
其生产底物一般是碳氢化合物(如天然气或沥青) 或甲醇,细菌中蛋白质含量占其干重的3/4以上,必 需氨基酸组成中同样缺乏含硫氨基酸,另外所含的 脂肪酸也多为饱和脂肪酸。 这两种微生物蛋白一般不能能够直接食用,需除去 细胞壁、核酸和灰分等杂质。细菌蛋白提取处理后 得到细菌分离蛋白,它的化学组成与大豆分离蛋白 相近,并且在补充含硫氨基酸以后,它的营养价值 与大豆分离蛋白相近。
脱臭
采用化学除臭或吸附除臭法除去堆肥过程中 产生的氨、硫化氢、甲基硫醇等臭味物质。
贮存
堆肥的供应期多半是集中在秋天和春天。堆 肥成品可直接堆存在二次发酵仓内,或袋装 后存放。
六 好氧堆肥的影响因素
影响好氧堆肥化的主要因素有有机质的含量、 含水率、温度、碳氮比等。 有机质含量:适宜的有机质含量为20%~ 50%。 含水率:55%为佳 温度:35~55℃ 碳氮比:30:1
次级发酵
经过主发酵的半成品被送去后发酵,即次级发酵。后发 酵通常采用敞开式发酵,为了提高发酵效率,仍需进行 翻堆或通风。 后发酵的时间一般为20~30d以上。
后处理
去除塑料、玻璃、陶瓷、金属、小石块等杂 物。通常采用回转式振动筛、磁选机、风选 机等设备去除上述杂质,并根据需要进行再 破碎。
德国克尔海姆县Dietrichsdorf垃圾堆肥厂
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第二节 有机固体废物生物转化沼气
研究微生物产生沼气已有100多年的历史,早在 1866年,Bechamp首先指出甲烷的形成是一种 微生物学的过程。以后,经过许多科学家的努力, 逐步建立起厌氧发酵制取沼气的工艺.
原料:
①农业废物、废水,如秸秆、蔗渣、甜菜渣、木屑等含 纤维素的废料及农林产品的加工废水;需经粉碎、碱 处理以提高可消化性。 ②工业废物、废水,如食品、发酵工业中排出的含糖有 机废水、亚硫酸纸浆废液等; ③石油、天然气及相关产品,如原油、柴油、甲烷、乙 醇等; ④H2、CO2等废气
微生物:
酵母菌、细菌、霉菌、担子菌等。 假丝酵母和酿酒酵母,前者利用戊糖.
一、酒精发酵的原料和微生物
原料 含纤维素、淀粉和糖的废物都可以用来进 行酒精发酵。木材、木屑、废纸、稻草、玉 米秆、麦秆、玉米芯及腐烂的水果。 微生物 糖化菌:产生淀粉酶,水解淀粉。曲霉、 根霉等 酒精发酵的微生物:南阳酵母\啤酒酵母
二、酒精发酵的生化过程
发酵前期
酒精和CO2产量很少,发酵表面比较平静,持续10h 以上。酵母的接种量、酵母质量和接种温度影响该 阶段的长短。
有机固体废物好氧堆肥过程,依据温度变 化,大致可分为3个阶段: 1.中温阶段(产热阶段):15~45℃ 嗜温性微生物 2.高温阶段 60~70℃ 嗜热性微生物 3.降温阶段(腐熟阶段) 嗜温性微生物
当温度稳定在40℃,堆肥基本达到稳定,形成腐殖质。
四、好氧堆肥化原理
在好氧堆肥化过程中,有机固体废物中的可溶性 有机物可以透过微生物的细胞壁和细胞膜被微生 物直接吸收,而不溶性的胶体有机物质,则先被 吸附在微生物体外,依靠微生物分泌的胞外酶分 解为可溶性物质后再渗入细胞。微生物通过自身 的生命活动,进行分解代谢和合成代谢,把一部 分被吸收的有机物氧化成简单的无机物,并释放 出能量,同时把另一部分的有机物转化成细胞物 质,使微生物生长繁殖。
酒精发酵
酵母菌在厌氧条件下可发酵己糖形成酒 精 C6H12O6 2CH3CH2OH+2CO2+Q 1mol葡萄糖可产生2mol酒精 一般100kg纯淀粉理论上可以生产96% 的酒精60.54kg
第四节 发酵制备单细胞蛋白
单细胞蛋白(Single-Cell-Protein,简称SCP)一词 是由美国麻省理工学院(MIT)的Carroll Wilson 教授于1966年首先提出的。通常SCP是指通过培 养单细胞生物而获得的生物体蛋白质,又称微生 物蛋白,包括细菌、放线菌中的非病源菌、酵母 菌、霉菌和微型藻类等。 1967年在第一次全世界单细胞蛋白会议上,将微 生物菌体蛋白统称为单细胞蛋白。