固体废物的厌氧消化处理

环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
4.2 高固体厌氧消化技术
高固体厌氧消化（High solid anaerobic digestion）： 固体含量大约在22%以上。 该技术相对较新，未大规模应用。 优点：反应器单位体种的需水量低，产气量高，消 化污泥的处理费用相对较低。
环境学院：固体废物处理与处置
3.1 厌氧条件
详见“三段理论”
环境学院：固体废物处理与处置
3.2 有机物组分与产气量
产气量的大小主要取决于物料的组分物性。
环境学院：固体废物处理与处置
3.3 有机物含量与去除率
在合适的温度和 有机物负荷的条 件下，有机物去 除率与废物的有 机物含量成正比。
环境学院：固体废物处理与处置
6、厌氧消化反应器
目前研究较多的厌氧消化反应器有三类：
一阶段系统消化反应器 两阶段系统消化反应器 序批式处理系统消化反应器
环境学院：固体废物处理与处置
6.1 一阶段系统消化反应器
反有的反应集中在一个消化反应器中完成。 可分为：
一阶段湿式（中固体）处理系统 一阶段干式（高固体）处理系统
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
（2）一阶段干式系统
反应器中的固体废物含固率控制在20~40%内。
物料流动性差，要用特殊传送带、螺旋浆叶的强力 泵输送。这些传送设备对物料要求低，故原料的预 处理简单。 技术关键在于让进料和接种物充分混合。
环境学院：固体废物处理与处置
3.6 营养物质
厌氧微生物摄取碳的速率约为氮的25~30倍，故最佳 的C/N比应控制为25~30。 较佳C/P比为1000。
环境学院：固体废物处理与处置
3.7 抑制物
环境学院：固体废物处理与处置
3.8 搅拌
有效的搅拌可增加物料与微生物接触的机会，使系 统内的物料和温度均匀分布，还可以使反应产生的 气体迅速排出。 对于流体状态或半流体状态的污泥，可采用气体搅 拌、机械搅拌、泵循环等方法； 对于固体状态的物料，可通过循环浸出液的方式代 替搅拌。
环境学院：固体废物处理与处置
（1）一阶段湿式处理系统
固体废物加水搅拌后，形成TS<15%浆状物质，再投 入反应器，进行厌氧消化处理。
环境学院：固体废物处理与处置
扫描图8-9
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物）预处理工作量大； （2）需定期从反应器中清出沉淀物和浮渣，且清出物可带 起部分可消化有机物，导致有机物流失； （3）容易发生短路； （4）需配置庞大的消化污泥脱水装置及上清液的处理处置 装置。
厌氧消化反应器性能评价指标
（1）反应完成程度 通常用反应器中单位质量物料的产气量与最优实验条件下最 大产气率的比值来衡量。 （2）反应器稳定性 用进料率即最大有机负荷率OLRmax[kg VS/(m3反应器· d)] 来度 量。体现了单位反应器容积日处理能力的最大值，也即表 征了反应器对有机负荷的最大承受能力。 （3）反应速率 用单位时间内单位反应器体积产甲烷的体积来表示 [m3CH4/(m3反应器· d)]。
环境学院：固体废物处理与处置
三组微生物接力作用
第一组微生物负责将碳水化合物、蛋白质与脂肪等大 分子化合物水解与发酵转化成单糖、氨基酸、脂肪酸、 甘油等小分子有机物； 第二组厌氧微生物（常称作产酸菌，由兼性厌氧菌和 绝对厌氧菌组成）将第一组微生物的分解产物转化成 更简单的有机酸，在厌氧消化反应中最常见的就是乙 酸； 第三组厌氧微生物（产甲烷菌，是绝对厌氧菌）氢和 乙酸进一步转化为甲烷和二氧化碳。由于产甲烷菌的 生长速率很低，所以产甲烷阶段是厌氧消化反应速率 的控制因素。
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
6.2 两阶段系统消化反应器
多段系统的优越之处在于它将有机物的消化 过程通过一系列阶段反应来完成，从而使各 类微生物化学反应在不同的生态环境条件下 进行。这样，可以针对不同的降解阶段分别 优化相应的反应条件，使全过程的总反应效 率以及生物气的最终产量提高。 常见的多段系统是两阶段处理系统：
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
反应途径
产甲烷菌只能利用少数的几种物质生产甲烷。如：CO2+H2、 甲酸、乙酸、甲醇、甲胺和CO。
环境学院：固体废物处理与处置
2、厌氧消化产沼气的生物化学 过程
厌氧消化过程可用下式表示：
若不计合成的新细胞物质和H2S，则可表示为下式：
环境学院：固体废物处理与处置
UASB( Up-flow Anaerobic Sludge Bed）升流式厌氧污泥床、升流式厌氧 反应器
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
4.3 典型厌氧消化处理技术和工 艺
环境学院：固体废物处理与处置
例：高固体厌氧消化/好氧堆肥组合工艺
把高固体厌氧消化和好氧堆肥工艺结合起来，可使 有机废物得到完全的稳定化。
环境学院：固体废物处理与处置
（1）工艺描述
包含两级过程：
高固体（25~30%）的厌氧消化，产生甲烷和二氧化碳。在嗜 热条件54~56oC下运行，水力停留时间30天； 厌氧消化后的污泥的好氧堆肥。将固体含量25%提高到65%或 更高，堆肥后获得腐殖质类物质，热值约为14000~15000kJ/kg （高位热值），密度大约560kg/m3。堆肥产品可用于燃料和肥 料。
环境学院：固体废物处理与处置
3.5 pH值和碱度
产酸菌适于在酸性条件下生 长，其最佳的pH值是5.8， 故产酸阶段也称为酸性发酵。 产甲烷菌则需要较严格的碱 性条件（碱性发酵），当pH 值低于6.2时，会失去活性。 在产酸菌和产甲烷菌共存的 厌氧消化过程中，系统的pH 值应控制在6.5~7.5之间，最 佳范围值为6.8~7.2。
固体废物的厌氧消化处理
厌氧消化（Anaerobic Digestion, AD）是指在厌 氧状态下，在厌氧微生物的作用下，有控制地 使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2 和稳定物质的生物化学过程。 由于厌氧消化可以产生以CH4为主要成分的沼气， 故又称之为甲烷发酵。 厌氧消化处理可以去除废物中30~50%的有机物 并使之稳定化。
环境学院：固体废物处理与处置
厌氧消化技术的特点：
可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可 以直接利用的高品位沼气； 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简 单，运行成本低，属于节能型处理方法； 适于处理高浓度有机废水和废物（如污泥）； 经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以用作农肥、 饲料或堆肥化原料； 厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低， 设备体积大； 厌氧过程会产生H2S等恶臭气体。
环境学院：固体废物处理与处置
（2）工艺应用
用来混合物处理城市生活垃圾和污水污泥。
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
5、厌氧消化反应系统
厌氧消化反应系统主要包括三部分：
预处理部分 厌氧消化反应部分 后续处理部分
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
3.4 温度
比较理想的温度范围是 30~39oC（中温）和50~55oC （高温）。 通常甲烷的产生量随温度的 升高而增加，但在45oC左右 有一个间断点，因为该温度 条件下，对中温细菌和高温 细菌的生长均不利。 一般情况下，中温发酵过程 需要25~30天的停留时间， 高温发酵则只需要中温发酵 一半的时间。高温发酵的另 一个优点是对病原微生物有 较高的杀灭率。
环境学院：固体废物处理与处置
若有机物被完全分解，则化学反应方程式为： （式8-8）
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
3、厌氧消化的影响因素及其控 制
厌氧条件 有机物组分与产气量 有机物含量与去除率 温度 pH值和碱度 营养物质 抑制物 搅拌
第一阶段为“液化-酸化”反应； 第二阶段为产甲烷反应。
环境学院：固体废物处理与处置
主要优点为厌氧消化反应过程更稳定。
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
6.3 序批式处理系统
在序批处理系统中，进料是一次性的，垃圾的TS含 量在30~40%之间，处于干态降低。
环境学院：固体废物处理与处置
4、厌氧消化处理工艺（此部分之后全部自学）
根据原料的含固率，可分为：
低固体厌氧消化技术 高固体厌氧消化技术 半固体厌氧消化技术
环境学院：固体废物处理与处置
4.1 低固体厌氧消化技术
低固体厌氧消化（Low solid anaerobic digestion）： 固体浓度小于4~8%的情况，有机废物被发酵。 被普遍应用。 缺点：固体废物必须加水，以使固体浓度达到所需 要的4~8%，导致消化后的污泥需进行脱水处理，且 脱水后的上清液还需处理或处置。
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
两阶段理论
分为酸性发酵阶段和碱性发酵阶段。 在分解初期，产酸菌的活动占主导地位，有 机物被分解成有机酸、醇、二氧化碳、氨、 硫化氢等，由于有机酸大量积累，pH随之下 降，故把这一阶段称作酸性发酵阶段。 在分解后期，产甲烷细菌占主导作用，在酸 性发酵阶段产生的有机酸和醇等被产甲烷细 菌进一步分解产生CH4和CO2等。由于有机酸 的分解和所产生的氨的中和作用，使得pH值 迅速上升，发酵从而进入第二个阶段——碱
环境学院：固体废物处理与处置
1、厌氧消化原理
厌氧发酵的生化过程有种见解，即：
两阶段理论
酸性发酵阶段 碱性发酵阶段
三阶段理论
水解阶段 产酸阶段 产甲烷阶段
四阶段理论
环境学院：固体废物处理与处置
三段理论
第一阶段，水解阶段，在水解与发酵细菌的作用下， 将大分子有机物分解为小分子有机物，以有利于微 生物吸收和利用； 第二阶段，产酸阶段，在产氢产乙酸菌的作用下， 把第一阶段的产品转化成H2、CO2和乙酸等； 第三阶段，产甲烷阶段，在产甲烷菌的作用下，把 第二阶段的产物转化成CH4等。