摘要:現(xiàn)代人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)造成了很多環(huán)境污染,這已成為全世界的共同問(wèn)題。本文將從城市垃圾生物處理技術(shù),污水生物處理技術(shù),懸浮細(xì)胞法,活性污泥法,生物膜法,這五個(gè)方面展開(kāi)關(guān)于廢棄物生物處理的方法介紹。
關(guān)鍵詞:固體廢物,堆埋,堆肥,焚燒,生物處理,生活污水,環(huán)境污染,活性污泥,生物膜
前言:
在我國(guó)過(guò)去幾十年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中,由于忽視了發(fā)展中的環(huán)境保護(hù)問(wèn)題,目前環(huán)境狀況十分嚴(yán)峻,已經(jīng)影響了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。世界各國(guó)的科學(xué)家和工程技術(shù)人員,針對(duì)環(huán)境污染的問(wèn)題和不同的環(huán)境污染類(lèi)型,發(fā)展了各種處理辦法。主要可以分為三大類(lèi):化學(xué)法(如絮凝沉淀法)、物理法(過(guò)濾)和生物法(如活性污泥法)。這三類(lèi)方法也可以結(jié)合使用。[1] 其中生物處理(Biotreatment)也叫生化處理,是指利用處理系統(tǒng)中的生物,特別是微生物的代謝活動(dòng)以及各種特性來(lái)處理各種廢棄物的過(guò)程。主要是針對(duì)各種污染源和小范圍的環(huán)境污染。生物技術(shù)在處理環(huán)境污染物方面具有速度快、消耗低、效率高、成本低、反應(yīng)條件溫和以及無(wú)二次污染等顯著優(yōu)點(diǎn),為從根本上解決環(huán)境問(wèn)題提供了希望,因而越來(lái)越受到人們的青睞。
1.??? 城市垃圾生物處理技術(shù)
由于人類(lèi)活動(dòng),每天都有大量的固體廢棄物,如各種垃圾的產(chǎn)生,特別是大城市的固體廢棄物的產(chǎn)量更是驚人。這些固體廢棄物都應(yīng)該進(jìn)行無(wú)害化處理,但目前幾乎95%的垃圾未經(jīng)這樣的處理,一般只是簡(jiǎn)單地堆集起來(lái)或傾入江河中。固體廢棄物中不僅含有各種無(wú)機(jī)物,如玻璃、金屬等,還含有大量的有機(jī)物,包括可降解的淀粉、蛋白質(zhì)、廢紙、烴類(lèi)等和很難降解的塑料等,其中的很大部分是可以回收利用的,因此提倡垃圾的分類(lèi)包裝,回收可再生的資源,是一箭雙雕之舉。
固體廢棄物的處理有很多方法,如填埋、堆肥、焚燒、用來(lái)發(fā)電等。
垃圾的填埋處理不僅需要侵占大量的土地資源,而且需要很長(zhǎng)時(shí)間(一般至少50-100年)才能完全使所填埋的垃圾無(wú)害化,因此填埋了垃圾的土地長(zhǎng)期不能使用,甚至還可能引起火災(zāi)。由于填埋于地下的垃圾,絕大部分是有機(jī)物,在厭氧微生物的作用下進(jìn)行發(fā)酵,能產(chǎn)生大量的沼氣逸出地面,遇火即可發(fā)生火災(zāi);填埋的垃圾還可能污染地下水。[2]
垃圾焚燒同樣也存在火災(zāi)的隱患,同時(shí)焚燒時(shí)還會(huì)產(chǎn)生大量廢氣,造成對(duì)環(huán)境的再次污染,我們稱這種污染為二次污染。[3]
較好的物理方法是利用垃圾發(fā)電。這在發(fā)達(dá)國(guó)家是一種比較普遍采用的處理城市垃圾的方法,我國(guó)也建立了幾座垃圾發(fā)電廠,但目前在我國(guó)還不能普遍推廣,因?yàn)槌杀竞芨摺?/p>
垃圾堆肥是較原始的簡(jiǎn)易的固體垃圾生物處理方法。主要是利用垃圾中原本帶有的微生物進(jìn)行自然發(fā)酵。這種方法雖然可以采用,但所需的處理時(shí)間長(zhǎng),處理量小,發(fā)酵過(guò)程不易控制。[4]
現(xiàn)在發(fā)展了新的城市垃圾生物處理工藝。這種工藝是先經(jīng)過(guò)過(guò)篩,回收可再生資源后,引入具有特定功能的微生物(主要是一些能高效降解有機(jī)物質(zhì),如纖維素、脂肪、蛋白質(zhì)的微生物)進(jìn)行好氧處理或厭氧發(fā)酵,加速發(fā)酵過(guò)程,同時(shí)還可以收集所產(chǎn)生的沼氣。經(jīng)過(guò)充分發(fā)酵后的垃圾是一種很好的農(nóng)業(yè)肥料。如果實(shí)現(xiàn)垃圾處理工廠化,可以使發(fā)酵周期縮短(1-2星期),并且處理量較大。發(fā)酵過(guò)程可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化控制,發(fā)酵后形成的肥料的質(zhì)量也能得到保證。[5]
2.污水生物處理技術(shù)
在廢水排放到環(huán)境中之前的處理,主要是控制廢水中的COD (化學(xué)需氧量)、BOD (生化需氧量)、總懸浮物、TN (總氮)等,使經(jīng)處理后排放的廢水的上述指標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。BOD值是廢水中可被生物氧化的有機(jī)物含量及氨的含量,它反映了廢水可進(jìn)行生物化學(xué)處理的程度;COD值是采用化學(xué)強(qiáng)氧化劑與廢水中有機(jī)物和氨進(jìn)行反映的總量,表明了廢水的污染程度。COD值總是大于BOD值。世界各國(guó)根據(jù)各自的國(guó)情制定的廢水排放標(biāo)準(zhǔn)不盡相同。[6]
污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)(GB8978-88,廢水部分,mg/L)[7]
標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別污染物 | 一級(jí)標(biāo)準(zhǔn) | 二級(jí)標(biāo)準(zhǔn) |
pH值 | 6-9 | 6-9 |
色度(稀釋倍數(shù)) | 50 | 80 |
懸浮物 | 70 | 200 |
生化需氧量(BOD5) | 30 | 60 |
化學(xué)需氧量(CODcr) | 100 | 150 |
石油類(lèi) | 10 | 10 |
動(dòng)植物油 | 20 | 20 |
揮發(fā)酚 | 0.5 | 0.5 |
氰化物 | 0.5 | 0.5 |
硫化物 | 1.0 | 1.0 |
氨氮 | 15 | 25 |
氟化物 | 10 | 10 |
磷酸鹽(以P計(jì)) | 0.5 | 1.0 |
甲醛 | 1.0 | 2.0 |
苯胺類(lèi) | 1.0 | 2.0 |
硝基苯類(lèi) | 2.0 | 3.0 |
陰離子合成洗滌劑 | 5.0 | 10 |
銅 | 0.5 | 1.0 |
鋅 | 2.0 | 2.0 |
錳 | 2.0 | 2.0 |
廢水的處理方法主要可歸結(jié)為三類(lèi):物理法、化學(xué)法和生物法。
目前普遍使用生物法或生物法與其它方法結(jié)合。在廢水的生物處理中,雖然用于廢水處理的生物反應(yīng)器類(lèi)型及工藝流程很多,如厭氧-好氧工藝、硫化床工藝、接觸氧化法、上流式厭氧污泥床(UASB)工藝、連續(xù)批式反應(yīng)器(SBR)工藝等,視廢水類(lèi)型及污染程度而采取不同的處理策略,但其基本原理都是利用處理系統(tǒng)中的各種微生物群落的代謝作用,以去除污水中的污染物。[6]根據(jù)處理系統(tǒng)中微生物所處的狀況,則可以分為:懸浮細(xì)胞法、活性污泥法、生物膜法等?!∧壳白钇毡槭褂玫氖腔钚晕勰喾?,特別是在城市污水處理中。而效率較好的是生物膜法,特別是在特殊行業(yè)廢水的處理中應(yīng)用最為常見(jiàn)。
3.活性污泥法
活性污泥(Activated sludge)可分為好氧活性污泥和厭氧顆?;钚晕勰啵徽撌悄囊环N,活性污泥都是由各種微生物、有機(jī)物和無(wú)機(jī)物膠體、懸浮物構(gòu)成的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的肉眼可見(jiàn)的絨絮狀微生物共生體。這樣的共生體有很強(qiáng)的吸附能力和降解能力,可以吸附和降解很多的污染物,可以達(dá)到處理和凈化污水的目的。[8]活性污泥法是最常見(jiàn)的污水生物處理方法,污水在經(jīng)過(guò)初步沉淀去除各種大塊顆粒之后送到好氧反應(yīng)池,在池中通過(guò)曝氣或攪拌供給氧氣。在活性污泥法中,經(jīng)處理后排出的水中的大部分活性污泥被沉淀下來(lái)返回反應(yīng)池,這樣可以維持很高的微生物密度和活性。當(dāng)污水停留在好氧反應(yīng)池期間,一部分有機(jī)物被處理成無(wú)機(jī)物,即礦化;另一部分轉(zhuǎn)化為微生物細(xì)胞物質(zhì)。在活性污泥法中,嚴(yán)重影響處理效果的是污泥的沉降性能。如果活性污泥沉降性能差,由于絲狀細(xì)菌和真菌的過(guò)分繁殖將導(dǎo)致活性污泥膨脹。雖然活性污泥的膨脹機(jī)理尚不完全清楚,但通常在碳氮比(C:N)和碳磷比(C:P)的比值較高,水中溶解的氧氣濃度較低的條件下容易產(chǎn)生。為維持良好的處理效果,應(yīng)當(dāng)避免發(fā)生污泥膨脹,因此在活性污泥法中要嚴(yán)格控制進(jìn)入系統(tǒng)廢水的C:N和C:P的比值,并維持較高的溶解氧水平,這樣才能維持良好運(yùn)行狀態(tài)。產(chǎn)生的活性污泥除一部分回流利用外,其它多余的則需要另外處理。處理的方法是厭氧消化、填埋或干燥。干燥后的處理物可以用作農(nóng)業(yè)肥料。
圖1. 活性污泥法流程示意圖:
1、原污水;2、初次沉淀池;3、曝氣池;4、二次沉淀池;5、處理后污水;6、回流污泥;7、再生池;8、生污泥;9、剩余污泥;10、污泥濃縮池;11、脫水設(shè)備或污泥消化池等。
活性污泥法是一個(gè)連續(xù)的處理過(guò)程,因而易于采用計(jì)算機(jī)控制而實(shí)現(xiàn)監(jiān)控自動(dòng)化。此外,活性污泥法處理廢水的效率可以根據(jù)具體條件而作較大的調(diào)整,因而可用于處理流速及濃度發(fā)生較大變化的污水?;钚晕勰喾ū粡V泛用于處理城市生活污水和各種工業(yè)廢水。
活性污泥法的主要問(wèn)題是產(chǎn)生大量剩余的污泥,需要用其它辦法處理。現(xiàn)在世界各國(guó),包括我國(guó)都發(fā)展了各種處理系統(tǒng)以減少剩余污泥的產(chǎn)量,顆?;钚晕勰喾ň褪且环N行之有效的方法。這種方法是把活性污泥培養(yǎng)成顆粒狀,用顆?;钚晕勰嗤耆V化廢水中的有機(jī)物,而不形成新的微生物細(xì)胞,或者只在顆?;钚晕勰鄡?nèi)部維持微生物細(xì)胞的新老更替。
4.懸浮細(xì)胞法
在這樣的處理系統(tǒng)中,微生物細(xì)胞懸浮在所需處理的污水中,而不是形成“生物膜”那樣的被固定起來(lái)。例如,氧化塘即是經(jīng)典的懸浮細(xì)胞污水處理系統(tǒng)。氧化塘的效率較低,并需要較大的空間位置,氧化有機(jī)物所需的氧氣來(lái)自于藻類(lèi)的光合作用,主要通過(guò)擴(kuò)散而被其它微生物吸收利用。這種系統(tǒng)中氧化作用通常不完全,因而常常產(chǎn)生較大的臭味。由于它是一個(gè)開(kāi)放系統(tǒng),所以它的處理效率受季節(jié)溫度波動(dòng)的影響很大,這種處理系統(tǒng)只能在溫暖的地方使用。北京高碑店污水處理廠的好氧池即采用此方法。
5.生物膜法
生物膜(Biofilm)是通過(guò)附著而固定于特定載體上的結(jié)構(gòu)復(fù)雜的微生物共生體。相對(duì)于活性污泥來(lái)說(shuō),在單位體積生物膜中所含的微生物數(shù)量更高、比表面積更大。生物膜比活性污泥具有更強(qiáng)的吸附能力和降解能力,可以吸附和降解污水中的各種污染物,具有速度快、效率高的特點(diǎn)。[1]在使用生物膜法處理污水時(shí),要求在處理系統(tǒng)的構(gòu)筑物中裝填一定數(shù)量的填料,這些填料一方面可以擴(kuò)大處理系統(tǒng)的比表面積,另一方面為微生物提供附著固定的載體。生物膜處理系統(tǒng)的性能、效率取決于其中微生物活性的高低和所裝填料的多少及其比表面積。一般來(lái)說(shuō),生物膜法較多應(yīng)用于特殊行業(yè)的廢水處理中,如印染廢水等。生物膜法可以分為以下幾種類(lèi)型:滴濾系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng),流化床反應(yīng)器。[6]
5.1滴濾系統(tǒng)(Trickling filter system)
該系統(tǒng)是一種簡(jiǎn)單且相對(duì)便宜的膜式好氧處理裝置。在該處理系統(tǒng)中,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)的柵欄噴淋裝置將污水均勻分布于多孔處理床(例如由石子等鋪成)上。在多孔處理床上可生長(zhǎng)多種微生物群落和原生動(dòng)物。當(dāng)污水緩慢地流過(guò)處理床時(shí),微生物就吸收并降解了其中的有機(jī)成分,使得污水得到處理。在這樣的處理系統(tǒng)中,天然形成了食物鏈,微生物利用有機(jī)物生長(zhǎng)繁殖,原生動(dòng)物等以微生物為食,從而維持在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡中。如果污水中的營(yíng)養(yǎng)(BOD)過(guò)高,就會(huì)導(dǎo)致微生物的過(guò)量生長(zhǎng)繁殖從而引起多孔處理床的堵塞,這樣便會(huì)降低處理效果。
5.2旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng)(Rotating Biological Contactor,RBC)或生物轉(zhuǎn)盤(pán)
在這樣的處理系統(tǒng)中,一系列圓盤(pán)結(jié)構(gòu)裝置部分浸沒(méi)于污水中,部分在空氣中并不斷地旋轉(zhuǎn),這樣便保持了良好的通氣效果及與污水的接觸,從而在圓盤(pán)上形成了“生物膜”。這樣的“生物膜”是由各種微生物、原生動(dòng)物等構(gòu)成的微生物群落。在掃描電鏡下,典型的生物轉(zhuǎn)盤(pán)的“生物膜”有兩層結(jié)構(gòu),外層主要由絲狀菌等好氧微生物組成,內(nèi)層由包括脫硫弧菌在內(nèi)的厭氧微生物構(gòu)成。因此這樣的“生物膜”具有去除BOD及無(wú)機(jī)物(主要是硫酸鹽)的功能。生物轉(zhuǎn)盤(pán)處理系統(tǒng)與滴濾系統(tǒng)相比,具有占地少、效率高、運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但其前期投資較大。這種系統(tǒng)已經(jīng)成功地用于處理城市污水和各種工業(yè)廢水。[9]
5.3流化床反應(yīng)器(Fluidized Bed Reactor,F(xiàn)BR)
由于污水的泵入或曝氣(空氣或氧氣)作用,流化床反應(yīng)器中的載體物質(zhì)(浮石、砂子、塑料等)會(huì)在反應(yīng)器中不斷流動(dòng),因而得名。在這種系統(tǒng)中,由下向上進(jìn)入的廢水的流速或曝氣的程度被控制在足以使載體流動(dòng)不互相接觸,但又不能破壞“生物膜”結(jié)構(gòu)的程度。該系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)是載體的比表面積被充分利用,但能耗較高,運(yùn)行成本也相對(duì)較高。該系統(tǒng)可用于BOD的去除,也可以用于廢水中硝酸鹽的處理。[10]
了解以上五種環(huán)境污染物的生物處理法后 ,我們發(fā)現(xiàn),對(duì)于固體廢棄物,現(xiàn)在主要采用的是填埋、堆肥、焚燒、用來(lái)發(fā)電等處理方法。其中,垃圾填埋及垃圾堆肥技術(shù)都有侵占土地大,需時(shí)長(zhǎng)的缺陷。同時(shí)填埋和垃圾焚燒技術(shù)還都存在火災(zāi)的隱患,而且會(huì)給環(huán)境造成二次污染。目前較好的處理方法是利用垃圾發(fā)電,但因?yàn)槌杀靖?,所以還未被普及。現(xiàn)在所使用的一種最先進(jìn),卓越的垃圾處理方法是先經(jīng)過(guò)過(guò)篩,回收可再生資源后,引入具有特定功能的微生物,而后進(jìn)行好氧處理或厭氧發(fā)酵。經(jīng)過(guò)充分發(fā)酵后的垃圾還可以作為一種很好的農(nóng)業(yè)肥料。對(duì)于污水的處理,主要就是控制廢水中的COD、BOD、總懸浮物、TN等,使經(jīng)處理后排放的廢水指標(biāo)達(dá)到上述排放標(biāo)準(zhǔn)。文章中所介紹的活性污泥法,懸浮細(xì)胞法,生物膜法,雖然方法各有不同之處,但其基本原理都是利用系統(tǒng)中各種微生物群落的代謝作用,以去除污水中的污染物。其中活性污泥法具有很高的沉降性能,利于處理廢水,但其缺點(diǎn)就是容易產(chǎn)生絲狀膨脹,導(dǎo)致系統(tǒng)沉降性能減弱,降低處理效果。關(guān)于懸浮細(xì)胞法,就處理效果,效率和各方面因素而言,它都有一些缺陷,沒(méi)有活性污泥法高效。一般用懸浮細(xì)胞法處理的效率較低,而且需要較大的空間位置,并且受溫度影響。生物膜法一般適用于一些特殊行業(yè)的廢水處理中,具有速度快、效率高的特點(diǎn)。目前有:滴濾系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)生物接觸氧化系統(tǒng),流化床反應(yīng)器等比較成熟的技術(shù)。綜上所述,各種生物處理法都有其特有的優(yōu)劣之處,所以我們只有更好的了解每一種處理方法的性能和優(yōu)缺點(diǎn),并且結(jié)合污染物的性質(zhì),加以選擇和利用,才能達(dá)到最好的處理效果。
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