7第五章 2固体废物的生物处理厌氧消化2014

60～75
90～95 50～80 75～85
12～15
1～3 7～15 5～10
12
沼气理论产量及成分
物质类别 碳水化合物
沼气产量 （升／千克干质） 甲烷
790 50
成分体积百分比 二氧化碳 50
蛋白质
脂肪
704
1250
71
68
29
32
污水淤泥
850
70
30
13
沼气的收集与利用
沼 气 的 热 值 很 高 （ 一 般 为 21000~25000 kJ/m3 ，即 5000~6000 kCal/m3 ），是一种可利 用的生物能源。
固体废物生物处理
Biological Treatment of Solid Waste
1
1 蚯蚓床技术 废物生产单细胞蛋白等
堆肥化处 理技术
堆肥化（composting）: 在人 工控制的环境下,依靠自然界 中广泛分布的细菌、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 质转化的微生物学过程
4
其它生物 处理方法
处理方法 微生物 浸出
3
厌氧消 化处理
2
微生物浸出: 利用微生物新陈代谢 过程或代谢产物将废物中目的元素 转变为易溶状态并得以分离的过程
厌氧消化: 也称厌氧发酵， 指在厌氧状态下利用微生 物使固体废物中有机物转 变为CH4和CO2的过程
2
2
1
2
厌氧消化处理
3
4
厌氧消化原理
厌氧消化影响因素
这种消化类型。这种 工艺的消化池结构简 单、成本低廉、施工 容易、便于推广，但 受季节影响明显 消化周期须视季节和 地区的不同加以控制
高温消化工艺
中温消化工艺
自然温度消化工艺
2
厌 氧 消 化 工 艺
厌氧消化处理
根据投料运转方式划分工艺类型 半连续消化工艺 连续消化工艺
投料启动后，经一段
时间的消化产气，连 续定量的添加消化原 料和排出旧料；其消 化时间能够长期连续 进行。工艺易于控制， 能保持稳定的有机物 消化速率和产气率， 但该工艺要求较低的 原料固形物浓度
从微生物角度提出的“三阶段理论”：
研究表明，产甲烷菌只能利用一些简单有机物如甲 酸、乙酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，而不能 利用含两个碳以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类； 70年代，Bryant发现原来认为是一种被称为“奥氏 产甲烷菌”的细菌，实际上是由两种细菌共同组成 的，一种细菌首先把乙醇氧化为乙酸和 H2（提出产 氢产乙酸阶段） ，另一种细菌利用 H2 和 CO2 产生 CH4（产甲烷阶段）。
亦称混合发酵: 是将发酵产沼的 乃是将发酵产 产酸阶段与甲烷 沼的两个阶段 化阶段分别放在 放在同一装臵 不同的装臵中进 内完成，所需 行，其有机物的 设备比较简单， 转化率较高，但 但操作控制较 单位有机质的沼 为困难 气产量较低。
26
2
厌 氧 消 化 工 艺
有机固 体废物
厌氧消化处理
连续消化工艺
9
6.1.2
产甲烷菌
甲烷八叠球菌 (Methanosarcina)

甲烷丝状菌 (Methanothrix) 甲烷髦毛菌 (Methanosaeta)
10
6.1.2
产甲烷菌的特性
(1) 在生物分类学上，产甲烷菌(Methanogens)属于 古 菌 (Archaebacteria) ， 大 小 、 外 观 上 与 真 细 菌 (Eubacteria)相似，但实际上，其细胞成分特殊，特 别是细胞壁的结构较特殊；
启动时一次性投入较
多的消化原料，当产 气量趋于下降时，开 始定期添加新料和排 出旧料，以维持比较 稳定的产气率。
农业废物较适用
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2
厌 氧 消 化 工 艺
厌氧消化处理
按发酵级数
二级发酵 一级发酵
标准消化法 指一级的传统 发酵产沼工艺 采用无搅拌发 酵池。若在发 酵装臵中采用 搅拌，可缩短 发酵消化所需 时间，称为快 速消化法。
30 700 13
淤泥 1730 850
50 620 13
15
处理1000公斤废物的物料平衡
种 类 可腐有机质
145 430
淤泥
60 400
生物气（kg） 腐殖质（45％）（kg）
废水（kg）
425
540
一般每吨可腐有机物经过厌氧发酵可生产腐殖质 （含水率55％）约400公斤,沼气100～130m3,这些沼 气如转换为电能约为200Kwh。
(4) 产甲烷菌的增殖速率很慢，世代时间很长，可达 46天，因此，产甲烷反应常是厌氧消化的限速步骤。
11
各种废物的可降解质含量
废物种类 城市生活垃圾经分 选后的可腐有机质
处理对象？
水分（％） 可降解物质含量（％） 50～75 15～20
源头分类的家庭废物
液体粪便 屠宰废物 机械脱水后的污水淤 泥
5
2
厌 氧 消 化 原 理
厌氧消化处理
三阶段四类群理论
有机物 发酵性细菌 脂肪酸、醇类 产氢产乙酸菌 产氢产乙酸阶段
约有70%的CH4产自乙酸的分解， 其余的则产自 H2 和 CO2 。同型产 乙酸菌产生乙酸的量较少，只 占全部乙酸的5%。
水解发酵阶段
乙酸
同型产乙酸菌
H2+CO2
产甲烷菌
CH4+CO2
备料池 贮气柜 用户 厌氧消化反应池 回流搅拌 沉淀池 肥料
回流备料
半连续消化工艺
备料
拌料接种 入池堆沤 加水封池
定期或不定期出料
消化产气
大换料
肥料
活性污泥或 其他接种物
定期或不定期加料 池底污Hale Waihona Puke Baidu或消化料液
27
28
2
厌 氧 消 化 常 见 设 备
厌氧消化处理
适宜于农家使用的
小型发酵产沼装臵
污泥的厌氧消化 现代发酵设施
厌氧消化工艺
厌氧消化设备
3
2
厌 氧 消 化 原 理
有机物(C、 N、 O、 H、 P 、 S 等)
厌氧消化处理
细胞物质(微生物繁殖)
有机酸、醇类、 CO2、H2S、NH3、 能量 细胞物质 CO2、CH4等， 能量
酸性发酵阶段
碱性发酵阶段
工艺过程的 三段论 二阶段论
4
2
厌 氧 消 化 原 理
厌氧消化处理
(2) 在自然界的分布，一般可认为是栖息于一些极端 环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但 实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、 湿树木、厌氧反应器等； (3) 产甲烷菌都是严格厌氧菌，要求氧化还原电位在 150 400mV，氧和氧化剂对其有很强的毒害作用；
厌 氧 微 生 物
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温度
温度是影响产气量的主要因素之一，研究表明； 在细菌活动的一定温度范围内，温度越高，产气 量也高。这是因为温度高时，原料中的细菌活跃， 分解有机物的速度快，从而使产气量得以增加； 此外，处于较高温度下的气体在液相中的溶解度 也有所降低，这对厌氧的消化过程是有利的。虽 然温度越高，发酵的效果也越好，但是与此相反， 这时的管理工作也就越复杂。
20
搅拌
使厌氧反应池内的各处温度趋于均匀， 同时也是使投入的原料与池内熟料（前 期投入池内，经过一定时间反应后的物 质）能完全混合，并与微生物密切接触， 同时也可防止上层物料出现结壳和底部 物料出现酸积累，还可使反应产物如 H2S、NH3、CH4等气态物质得以迅速地从 液相中逸散出去。
21
毒性物质的含量
产甲烷阶段
6
6.1.2
发酵细菌（产酸细菌）
主要功能：
水解——在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；
厌 氧 微 生 物
酸化——将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；
主要细菌：
梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；
特点：
水解过程较缓慢，并受多种因素影响（ pH 、 SRT 、有
主要反应：
乙醇：
丙酸：
丁酸：
注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压很低时才能顺利进行。
主要细菌：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆
菌属等；
多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。
8
6.1.2
产甲烷菌
50年代Hungate开创了严格厌氧微生物培养技术；
厌 氧 微 生 物
主要功能：将产氢产乙酸菌的产物——乙酸和H2/CO2转 化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行； 可分为两大类：乙酸营养型和H2营养型产甲烷菌； 乙酸营养型产甲烷菌的种类较少，只有甲烷八叠球菌 （ Methanosarcina ）和甲烷丝状菌（ Methanothrix ） 【甲烷髦毛菌（ Methanosaeta ）】，但在厌氧反应器 中，有70%左右的甲烷是来自乙酸的氧化分解；
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2
厌 氧 消 化 工 艺
厌氧消化处理
根据消化温度划分工艺类型
最佳温度范围是 最佳温度范围是 目前我国农村都采用
47～55 ℃，嗜热 35～38℃，发酵速 微生物生长旺盛 度要比高温的稍慢 分解有机物快， 些。有机固体废物 有机物料装臵内 的投入与排出数量 的停留时间短， 约比高温时少5%。 处理能力强高温 但其产量较稳定， 能有效灭活 转化效率较高， 适用于城市垃圾、 主要适宜于大中型 粪便和有机污泥 产沼工程及高浓度 的处理 有机废水的处理
31
2
厌氧消化处理
长方形甲烷消化池
32
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34
2
厌 氧 消 化 常 见 设 备
厌氧消化处理
适宜于农家使用的
小型发酵产沼装臵
污泥的厌氧消化 现代发酵设施
工程实例
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目的：污泥中的挥发性固体的量降低40％左右； 过程：水解、酸化、产乙酸、产甲烷 （泥水分离）
1）传统消化池：
沼气
污 泥 的 厌 氧 消 化
16
2
厌氧消化处理
抑制物 pH 其它因素
温度
厌氧消化的 影响因素
接种物
搅拌
原料配比 厌氧条件
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原料的配比
共消化
配料时应控制适宜的碳氮比。各种有机物中碳、 氮元素的含量差异很大，一般将碳氮比值大的有 机物称为贫氮有机物，如农作物的秸杆等，而将 碳氮比值小的有机物称为富氮有机物，如人畜粪 尿、富含氮的污泥（未经处理的污泥，其C/N约 为16:1）等。合理的配比才能获得较高的产气量。 大量的报导和实验表明，当厌氧消化反应物的碳 氮比为（20～30）:1时较为适宜，而当厌氧消化 反应的碳氮比为35:1时的产甲烷量则将呈明显下 降趋势。
嗜温产甲烷菌
嗜热产甲烷菌
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pH值和酸碱度
对甲烷菌而言，需维持在弱碱性环境之中，其最 佳pH值范围在6.8～7.5之间。当pH值降低时，使 二氧化碳增加，也促使大量水溶性有机酸和硫化 氢产生，抑制甲烷菌的生长。会导致酸的积累， 使产酸菌大量繁殖，引起厌氧反应系统发生“酸 化”现象，有可能使厌氧消化产沼过程停止。 调整pH值的可通过调整原料的碳氮比实现，因厌 氧消化过程赖以中和过酸或过碱物质的主要是氨 氮，原料的含氮量越高，则碱度就越大。 为使厌氧系统具有足够的缓冲能力，要求碱度控 制在（2000～3000）mg/L（以CaCO3计）以上为宜。 一般正常沼气发酵的碱度范围大致在（3000～ 8000）mg/L（以CaCO3计）之间。
沼气组成成分： CH4 ：50%~70%， CO2 ：20%~30%， H2 ：2%~5%， N2 ：~10%， H2S：微量
14 第六章
处理1000公斤干固体的能量平衡
能 量 沼气燃浇（Kwh） 气体发动机热能（Kwh）
工艺用热所占百分比（％） 气体发动机电能（Kwh） 工艺用电所占百分比
可腐有机质 1960 960
浮渣层 沼气气室 上清液层
机物种类等），往往是固体废物厌氧消化的限速步骤； 产酸反应的速率较快； 大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌； 按功能来分类：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉 7 分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。
6.1.2
产氢产乙酸菌
主要功能：将高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；
厌 氧 微 生 物
在整个发酵系统中，必须隔绝有毒物质如重金 属、杀虫剂等的混入。这是因为产甲烷菌对这类 物质甚为敏感，若系统内的有毒物质超过允许浓 度，将导致阻碍产沼的发酵进程。
但产甲烷菌生长也需要微量金属元素作为生长 促进因子。
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其它因素
停留时间：发酵产沼的总产气量与发酵装臵 的分解停留时间有关。此项时间可据以判 定物料的气化和无机化程度，还可用以粗 略估算产沼量的多少。 水分含量：有机物中的含水量直接影响各 类细菌的活性，若物料缺少一定量的湿度， 则会使发酵工艺的正常进行受到不同程度 的限制，甚至完全停止。
工程实例
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2
水压式消化池
厌氧消化处理
红泥塑料沼气池：
批量进料 半塑式沼气池/二块模式 全塑沼气池/袋式全 塑沼气池/干湿交替 消化器 消化沼 气池
水压式沼气池具有结构简 单、造价低、施工方便； 但由于温度不稳定， 产气量不稳定， 因此原料的 利用率低。
长方形甲烷消化池
30
2
厌氧消化处理
水压式沼气池