（环境工程专业论文）城市生活垃圾与污水厂剩余厌氧污泥混合厌氧消化研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 本论文是将城市生活垃圾中可生化部分与剩余厌氧污泥混合中温厌氧消 化，采用一步厌氧消化工艺。进行了不同有机负荷中温厌氧消化试验和控制p h 条件至甲烷菌适宜的范围的中温厌氧消化试验。 对不同有机负荷厌氧消化试验研究表明：有机负荷为o 5 和1 0 的消化 试验的p h 自动上升至7 0 以上，酸化过程可逆。有机负荷高于1 5 的厌氧消化 试验，出现了酸化现象，酸化过程不可逆。有机负荷越高，酸化低值点越低。 有机负荷o 5 9 v s l d 和1 0 9 v s l d 的消化系统v f a 下降明显，但氨氮、 c o d 降解不多。有机负荷高于1 5 9 v s l d 的消化液氨氮、v f a 、c o d 浓度 都高。 r 不同有机负荷下控制p h 条件至6 8 , - - - , 7 2 的范围对厌氧消化试验影响试 验结果表明：将消化系统的p h 控制在适宜的范围，系统内固体物质分解更彻底。 且可以为后续产甲烷阶段提供有利的基质。累积产气量和甲烷含量都比较高。 将p h 调节到适宜的范围，能促进氨氮和c o d 的降解。可以缩短水解酸化的时 间、提高水解酸化效果，保证产甲烷反应进行。 关键词： 厌氧消化；城市生活垃圾；有机负荷；p h 值 西南交通大学硕士研究生学位论文第1f 页 a b s t r a c t t h d st h e s i s e x p l o r e si nt h em e s o p h i l i ca n a e r o b i cc o - d i g e s t i o no fm u n i c i p a l b i o c h e m i c a ls o l i dw a s t e ( m b s w ) a n da n a e r o b i cw a s t es l u d g e w eu s eo n es t a g e a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，a n dc a r r yt h r o u g ht w oe x p e r i m e n t s t h eo n ei st h em e s o p h i l i c a n a e r o b i cc o d i g e s t i o no fm b s wa n da n a e r o b i cw a s t es l u d g e ，w i t hd i f f e r e n to l r , a n dt h eo t h e re x p e r i m e n ti s c o n t r o l l i n gp ht o as u i t a b l es c o p ef o rt h em e t h a n e b a c t e r i a t h er e s u l t so ft h ed i f f e r e n to l r m e s o p h i l i ca n a e r o b i cc o d i g e s t i o ns h o wt h a t p ho ft h et w od i g e s t i o ns y s t e m sa u t o m a t i c a l l yr a i s e dt o7 0w i t ht h eo l r 0 5 g v s l d a n d1 0g v s l d t h ea c i d i f i c a t i o n sw e r er e v e r s i b l e t h e a c i d i f i c a t i o nw a si n r e v e r s i b l ef o ra n o t h e r h i g h e rt h a no l ro f1 5g 昭三d w h i c h a c c o m p a n i e da na c c u m u l a t i o no fv f aa n da c i di n h i b i t i o n t h eh i g h e rt h eo l ro f d i g e s t i o ns y s t e mw a s ，t h e1 0 w e rt h ea c i d i f i c a t i o np o i n tw a s t h er e m o v a lo fv f a s w e r eo b v i o u sw i t ht h eo l r0 5 9 v s l d a n d 1 0 9 v s l d o ft h ed i g e s t i o n s y s t e m s ，b u tt h er e m o v a lo fa m m o n i an i t r o g e na n dc o dw e r en o tm u c h t h e c o n c e n t r a t i o no fa m m o n i a ，v f a s ，c o dw e r ev e r yh i g hi nt h ed i g e s t i o n s y s t e m , w h o s eo l r w a s h i g h e r t h a n1 5 9 v s l d c o n t r o l l i n gp ht oas u i t a b l es c o p e ，f o rt h em e t h a n eb a c t e r i ai si m p o r t a n t ，i nt h e c o d i g e s t i o np r o c e s so fm b s w a n da n a e r o b i cw a s t es l u d g e t h er e s u l ts h o w st h a tt h e s o l i dm a t e r i a lo ft h ed i g e s t i o ns y s t e md e c o m p o s e dm o r ec o m p l e t e l yb yc o n t r o l l i n g a b o u tp h 7 ，a n dp r o v i d e dt h ef a v o r a b l es u b s t r a t e st os u b s e q u e n tm e t h a n o g e n s i s ，t h e c u m u l a t i v eg a sp r o d u c t i o na n dt h em e t h a n eg a sc o n c e n t r a t i o nw a sh i g h e r t h a t c o n t r o l l i n gp ht os u i t a b l es c o p ec a np r o m o t et h er e m o v a lo fa m m o n i an i t r o g e na n d c o d ，s h o r t e dt h et i m eo fh y d r o l y s i sa n da c i d o g e n e s i s ，i n c r e a s e st h eh y d r o l y s i sa n d a c i d o g e n e s i sr a t e s ，e n s u r e st h a tt h em e t h a n o g e n i cr e a c t i o nb et a k e n k e yw o r d s ：a n a e r o b i cd i g e s t i o n ；m u n i c i p a is o l i dw a s t e ；o r g a n i cl o a d i n gr a t e s ；p h 西南交通大学曲南交通大罕 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 。 2 不保密曰，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 力一， 学位论文作者签名：采钇芝 指导老师签名：i 吒礤色 日期：加携辛7 闩日期：沙g 矽万移丘 西南交通大学学位论文创新性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研 究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： ( 1 )对不同有机负荷厌氧消化试验研究表明：有机负荷越高， 酸化低值点越低。有机负荷越大，酸化低值点越低。有机负荷0 5 和 1 0 的酸化低值点为6 0 8 和5 1 8 。有机负荷增加至6 5 ，酸化低值点 下降至4 0 7 。有机负荷为0 5 和1 0 的消化试验的p h 自动上升至7 o 以上，酸化过程可逆。有机负荷高于1 5 的厌氧消化试验，出现了酸 化现象，酸化过程不可逆。 ( 2 ) 不同有机负荷下控制p h 条件至6 8 7 2 的范围对厌氧消 化试验影响试验结果表明：将消化系统的p h 控制在适宜的范围，系 统内固体物质分解更彻底。且可以为后续产甲烷阶段提供有利的基 质。累积产气量和甲烷含量都比较高。 学位论文作者：采谚与 2 0 0 9 年6 月华日 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 城市生活垃圾主要处理技术及处理现状 城市垃圾是一个长期存在的污染源，未经处理或者处理不当都会造成严重 的大气污染、地下水污染、土壤污染并占用大量的土地，破坏自然景观，危及 人类生存。进入到2 0 世纪9 0 年代以来，全世界每年平均新增垃圾( 不包括工 业废渣) 约1 7 8 5 亿吨。在全球经济发展缓慢( 年平均增长速度在3 5 ) 的 情况下，垃圾以年平均8 3 7 的速度增长3 。以此速度计算，到2 0 1 0 年全球垃 圾年产量将达到8 7 4 亿吨，地球陆地表面将逐渐被垃圾所包围。为治理城市垃 圾污染，发达国家从2 0 世纪六、七十年代开始，纷纷将其纳入城市规划，制定 各种垃圾管理制度。并投入大量人力、物力、财力，以妥善管理垃圾产生与收 集、处理、处置，防止垃圾造成环境污染，同时进行再资源化。 自2 0 世纪8 0 年代以来，我国城市化进程加快，城市数量不断增多，规模 不断扩大，城市非农业人口和市区面积急速增长，城市生活垃圾产生量大幅度 增加，大大增加了我国城市垃圾处理的压力。城市垃圾的污染和防治己成为广 大公众关系的社会焦点，也日益成为政府迫切需要解决的环境问题。 1 1 1 城市生活垃圾主要处理技术 目前世界上传统的城市生活垃圾处理方法主要有卫生填埋法、焚烧法和生 物处理法。 1 1 1 1 卫生填埋法 ， 国外从2 0 世纪8 0 年代开始在垃圾填埋场防渗处理中使用人工合成材料作 为衬底，并逐步成为一项成熟的技术得到广泛应用。我国1 9 8 8 年建设部颁布了 城市生活垃圾卫生填埋技术标准，为提高填埋场的规划、设计、建设、运行 和管理的技术水平提供了依据。1 9 9 1 年投入运行的杭州天子岭生活垃圾填埋场 是国内首家按填埋技术标准设计和建造的大型山谷型生活垃圾卫生填埋场。后 来在广州、杭州、苏州、成都、北京、包头等城市相继建成了较为完善的卫生 填埋场【2 3 】。但是，还有很多填埋场的设计、建设和运营存在着很多问题。如设 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 计理念比较落后，科技水平低，土地填埋利用率不高，占用了大量土地资源； 大部分填埋场缺乏有效地基础和边坡防渗措施；填埋场渗滤液污染地下水及地 表水的污染事故不断出现；填埋气处理处于无组织排放状态，引起温室效应， 导致消防上不安全；填埋场的封场一般都没进行生态恢复，填埋场封场达到稳 定化前数十年时间内仍然对环境和人类健康产生进一步危害【4 j 1 1 1 2 焚烧 垃圾焚烧技术在发达国家应用较广泛。在国土资源相对紧张的瑞士、法国 和新加坡等国，焚烧的比例接近或超过填埋。目前垃圾焚烧技术以日本和欧美 等发达国家具有代表性瞄1 。日本是世界上垃圾焚烧处理规模最大的国家。目前 共有垃圾焚烧炉约3 0 0 0 座，其中垃圾发电站1 3 1 座，垃圾发电总容量达到 2 0 0 0 m w 。德国拥有世界上最高效率的垃圾发电技术。利用焚烧回收能量的装置 及垃圾发电厂热电联产，有效地对城市提供供暖和工业用汽“。新加坡于1 9 8 6 年建成了一座2 0 0 0 t d 的大型垃圾电厂，此后发展很快。现新加坡垃圾焚烧率 已接近1 0 0 。瑞典、丹麦也有类似的焚烧发电厂。 虽然目前生活垃圾填埋处理在我国生活垃圾处理处置中处于主导地位。但 是，垃圾焚烧处理因其具有显著的减容化、稳定化和无害化的特点越来越受到 重视。我国已有较多城市开始引进国内外先进的焚烧工艺和设备处理城市生活 垃圾。深圳、珠海、上海、温州、顺德已建成一批生活垃圾焚烧厂瞄j 。北京、广 州、杭州、天津、成都等城市正在筹建生活垃圾焚烧处理设施哺。这些现有和正 在筹建的垃圾焚烧处理厂以引进国外技术和设备为主，设备费和运行费较高。 因此垃圾焚烧处理最终发展应是在吸收、消化引进设备的过程中逐步实现焚烧 技术设备的国产化或部分国产化。”。我国的垃圾焚烧处理技术尚处于初级阶段， 因此对于焚烧产生的焚烧烟气，焚烧灰渣，垃圾渗滤液的处理技术的研究还需 要进一步加强，以促进我国垃圾焚烧处理技术的发展。 1 1 1 3 生物处理技术 生物处理技术主要指堆肥技术和厌氧消化技术。但是由于我国城市生活垃 圾均是混合收集，使得生物处理技术无法得到有效的应用。城市垃圾好氧堆肥 处理主要包括分选处理系统、有机物好氧发酵系统和有机复合肥配置系统。o 。 1 9 8 6 - 1 9 9 5 年期间，我国相继开展了机械化程度较高的动态高温堆肥研究和开 发。2 0 世纪9 0 年代中期先后建成了动态堆肥典型工程。如常州市环境卫生综合 厂和北京南宫堆肥厂。许多城市还有相当一部分的简易垃圾堆肥场u 。但是由 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 于我国城市生活垃圾未实行源头分类收集，这些已建成的堆肥厂均无法正常发 挥作用。 1 1 2 我国城市生活垃圾现状及处理现状 1 1 2 1 我国城市生活垃圾现状 随着我国城市经济的飞速发展、城市人口的快速增长以及城市居民消费水 平的提高，城市生活垃圾的产量也是逐年增加。图1 1 1 2 , 1 3 , 1 4 】为我国城市生活垃 圾19 8 0 年 - - - 2 0 0 5 年清运量统计图。 g 羹 1 8 0 0 0 1 6 0 0 0 1 4 0 0 0 1 2 0 0 0 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 0 萤萤星星萤萤萤氢塑蜜萤重萤萤鸯蟊蟊蚕鲞 时问年 图1 1我国城市生活垃圾1 9 9 8 年一- 2 0 0 5 年清运量统计图 统计数据显示，1 9 8 0 年城市垃圾清运量仅为31 3 2 万吨。随着g d p 增长和 非农业人口增加，2 0 0 4 年垃圾清运量高达1 5 5 0 9 万吨，2 4 年增长了3 9 5 ，平 均每年增长6 8 9 ，增长速度超过了同期城市非农业人口的平均增长速度( 4 0 7 ) 【1 2 】。城市生活垃圾的产生量与城市规模、数量、城市经济的发展程度、城 市人口的多少及居民的收入、消费水平等诸多因素有关。通常考虑的因素包括 人口、能源结构、生活方式和消费水平等h 副。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表1 2 为我国城市生活垃圾的成分比例随地域的变化而变化的情况1 2 ，l 。该 表反映了，在燃气区，城市生活垃圾中的有机物占5 0 - 6 0 ，高于无机物和其 他成分；在燃煤区，无机物比例远高于有机物的比例引。南方城市生活垃圾中 的有机物( 特别是植物) 和可回收物所占比例高于北方城市。其中塑料橡胶类 约高1 倍；灰土等无机物的含量仅为北方灰土含量的5 0 。主要是因为，北方 城市冬季均需采暖，在燃煤区需通过燃煤来供暖。家庭采暖大量的煤灰进入到 生活垃圾中，因此造成其成分与南方城市存在显著的差异。 一般来说，北方城市的垃圾无机物含量较多，垃圾热值较低；而南方城市 的垃圾，有机物含量相对较多，但垃圾含水量也较大7 博l 。我国城市生活垃圾 成分总的变化趋势为：无机成分逐年减少，可燃成分和热值逐年提高，纸张、 塑料、金属、玻璃等可回收利用的成分逐年增加，约占垃圾重量的2 0 左右。 但是低热值、高水分和厨余垃圾占多数仍然是其主要特点【l 6 l 。 1 1 2 2 我国城市生活垃圾处理现状 目前我国城市垃圾处理率约为6 0 1 9 2 0 】，真正达到无害化处理和资源利用 的比率很低。卫生填埋是我国城市生活垃圾的主要处理方式。 我国垃圾量大，燃烧热值低，经费紧张，填埋法必然成为一种重要方法。 2 0 世纪9 0 年代后期，我国的生活垃圾填埋技术得到迅速发展，在填埋场选址、 地质勘测、设计、建设、运行和管理等方面取得了很大进步，一些技术水平较 高的生活垃圾填埋场陆续建成。如广州兴丰生活垃圾填埋场在防止地下水污染 方面采用和更为可靠的双层h d p e 人工膜+ 水平防渗技术【2 。但是对于经济欠 发达地区，实际上是垃圾直接运往市郊堆弃、裸卸于坑洼塘中，没有沼气产排 和监控系统，更没有完善的防渗设施。导致发生火灾、爆炸事故和水体污染事 故。城市垃圾约有7 0 以上是简易填埋处理拉2 | 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 目前我国用于焚烧处理生活垃圾的焚烧技术主要是机械炉排炉技术。旋转 窑焚烧炉主要适宜处理危险废物，在生活垃圾的处理应用不多。用热解气化来 焚烧处理生活垃圾是一种新型的燃烧技术，它具有燃烧充分、热效率高、炉渣 热灼减量小、烟气污染易控制等优点。在焚烧发电方面，经济较发达、生活水 平较高的城市，垃圾焚烧发电已经进入到了应用阶段。我国首座千吨级生活垃 圾焚烧发电厂建于浦东御桥工业小区，占地1 2 0 0 0 m 2 ，年处理量高达3 6 5 万吨。 除确保自身厂用电力外，每年还可为上海供电1 亿k w h 邛j 。由于我国垃圾焚烧 处理技术尚处于相对初期阶段，焚烧技术、烟气净化技术、废水、废渣处理技 术还需要加速发展，以进一步推动我国垃圾焚烧技术发展。 我国垃圾实行混合收集，将塑料、纸类、玻璃、金属、布类、竹木再剔出 分类的难度较大，对这类废旧物质利用率较低。而且这种垃圾的收运方式对有 机垃圾产生的环境污染没有采取有效的措施予以治理，其严重后果表现在以下 几个方面： ( 1 ) 大量有机垃圾进入填埋场或直接堆放，对水体、土壤及大气造成很大的长期 污染。 ( 2 ) 产量日益增长的垃圾直接填埋，填埋场地资源日益紧张。填埋场选址越来越 困难，运输距离也越来越远；一些地区、特别是东部沿海经济较发达的地区， 适宜的城市垃圾填埋场场地缺乏，并且越来越少l l 2 引。 ( 3 ) 混合垃圾中含有大量有机垃圾，水分高、热值低，焚烧成本偏高，发电效率 较低，污染治理难度加大，推广难度较大。 ( 4 ) 有机垃圾是能源和肥料潜在的资源，混合收集、混合处理是资源的巨大浪费。 我国城市生活垃圾处理过程中存在的问题说明，生活垃圾的污染防治必须 由源头做起，进行分类收集和分类处理。而其中，有机垃圾的处理和资源化利 用显得尤为重要。 1 2 课题研究目的、意义和内容 1 2 1 研究目的和意义 鉴于以上分析，若不将垃圾中的有机物进行妥善处理将对环境产生严重污 染。而我国的城市生活垃圾中，灰分比例逐渐下降，有机物的比例不断上升。 其中绝大部分有机物具有可生化性。考虑到污泥中含有大量微生物，可以作为 厌氧消化厌氧微生物的接种物。将城市生活垃圾中的可生化垃圾与污泥混合进 行厌氧消化，可最大限度的处理其有机组分，降低污染，又可产生沼气，回收 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 能源，一举两得，真正实现了垃圾的无害化、资源化。 在国外，厌氧消化处理城市生活垃圾中有机质的成功实例很多。但我国目 前厌氧消化处理城市生活垃圾还处于实验室研究阶段。由于我国国民经济水平、 人民消费习惯和消费结构都与欧美国家不同，生活垃圾的成分和结构也与欧美 国家不同，适合于欧美国家的消化技术不一定适合我国的垃圾处理。因此，本 研究的主要目的是：用厌氧消化法处理城市生活垃圾中的有机质与剩余厌氧消 化污泥的混合物。对厌氧消化的环境因素和基础因素进行研究。研究不同的有 机负荷条件对厌氧消化过程的影响。以及不同有机负荷下，控制p h 对消化过程 的影响。由于时间和条件有限，仅进行了初步的试验和探讨，所取得的结果可 供进一步的研究参考。 1 2 2 研究内容 。 将选取城市生活垃圾中的有机质，主要是植物、动物、竹木草叶、厨余。 ( 1 ) 以不同的有机负荷进行填料，中温厌氧消化。通过测定p h 值、日产气量、 气体成分、氨氮和挥发性脂肪酸等指标。分析不同有机负荷对厌氧消化过程的 影响。 ( 2 ) 以不同的有机负荷填料，中温厌氧消化。消化过程中，调节p h 值至6 5 7 8 的范围。测定p h 值、日产气量、气体成分、氨氮和挥发性脂肪酸。同时做相同 有机负荷下，不调节p h 值中温厌氧消化的对比试验。分析相同有机负荷下，不 同p h 条件对厌氧消化过程的影响。 。一 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章厌氧消化技术现状 近年来，欧洲国家纷纷立法，限制有机垃圾进入卫生填埋场，有机物含量 高于5 的垃圾被禁止。这种情况下厌氧消化作为有机垃圾处理和利用的新技术 越来越受到重视。近十年来，德国、瑞士、奥地利、芬兰等国家厌氧消化发展 迅速譬“。日本从欧洲引进技术，建立了厌氧消化示范工程。在美国，厌氧消化 工艺也有一定的应用心郇。目前，比较成熟的厌氧消化系统一般为日处理有机垃 圾1 0 0 吨左右，同时产生2 5 吨左右的优质有机肥瞄饥2 7 。 从发达国家厌氧消化工程运行来看，厌氧消化具有良好的经济效益。 e d e l m a n n 2 8 】比较处理了家庭有机垃圾能力在1 0 0 0 0 t a 以上的垃圾处理厂的不同 处理方法，发现厌氧消化在提高能量平衡方面比堆肥、焚烧、或消化+ 堆肥更有 优势。k u b l e r 2 9 】报道了厌氧消化处理产生的总能量比厌氧消化厂建立和运转所 需要的能量大。一个处理1 5 0 0 0 t a 的市政有机垃圾厂，大约需要7 5 万k w h a 的能量，对于厌氧消化来说净产能量为2 4 0 万k w h a 。可见，厌氧消化处理有 机垃圾是经济可行的。b a l d a s a n o 删研究发现，厌氧消化释放的废气较少，能够 最大限度的循环和再利用垃圾的成分。而且固体物质被消化后可以得到高质量 的有机肥料和土壤改良剂。消化过程不需要氧气，降低了动力消耗，从而降低 了使用成本。厌氧消化减少了温室效应气体的排放量1 3 。厌氧消化产生的沼气 可作为一种清洁的能源加以利用，使用最多的方式是利用沼气发电机发电，或 净化处理后加压装罐，生产天然气燃料，输入城市燃气管网用于民用燃气邑3 。 2 0 世纪初，我国的研究者从减少煤油进口和解决燃料的问题出发，开始研 究人工制取沼气的技术。经过1 0 多年的潜心研究，于1 9 2 0 年建造了我国第1 个家用水压式沼气池。2 0 世纪3 0 年代，沼气技术在我国许多地方得到推广和应 用。5 0 年代，由于缺乏科学规划和实用的技术规范，盲目追求数量，使沼气的 发展受到影响。2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，我国农村沼气建设在政府的关 心和支持下，得到了空前发展，各种技术规范已相继出台。据统计，至2 0 0 1 年， 我国已有家用沼气池8 0 0 万个，大中型沼气池1 0 0 0 多个p 4 | 。在我国目前的各种 厌氧消化工艺中，存在最大问题是规模化运行的自动化程度较低，技术装备差。 目前，在我国还没有厌氧消化成功运行的工程实例。 2 1 厌氧消化基本原理 厌氧消化是一个复杂的生物学过程，在自然界广泛存在。有机物在有水的 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 地方，在无氧的条件下，很容易发生厌氧发酵。厌氧微生物是在无氧条件下分 解有机物的微生物。在地球上分布十分广泛，其中包括人和动物的肠胃、植物 的木质组织、江河湖海的沉积物。在各种污泥、粪便、沼泽、生活垃圾和稻田 土壤中，都有不同数量的厌氧微生物存在【1 3 5 , 3 6 。通过这些微生物的活动，最终 将有机物转化成甲烷和二氧化碳。在理论研究方面，国内外一些学者对厌氧发 酵过程中的物质代谢、转化和各种菌群的作用等进行了大量的研究，但仍有许 多问题需进一步探讨。对厌氧消化过程的认识，经历了一个由肤浅到逐渐完善 的过程。2 0 世纪3 0 年代，厌氧消化被概括地划分为产酸阶段和产甲烷阶段，即 两阶段理论。7 0 年代初，b r y a n t z g 等人对两阶段理论进行了修正，提出了厌氧 消化的三阶段理论，突出了产氢产乙酸菌的地位和作用。此后，z e i k u s l a o 等人 提出了厌氧消化四阶段理论，强调了同型产乙酸菌的作用【3 。图2 1 有机垃圾 厌氧消化降解途径。有机垃圾的厌氧发酵过程四阶段分别为【l j ： 第一阶段一一水解阶段：大分子有机物被细菌降解前，首先被水解成可通 过细胞生物膜的小分子物质。这一过程实在水解酶的作用下完成的。许多微生 物都能够分泌水解酶( 胞外酶) ，如脂肪酸、蛋白质、淀粉等，在水解酶的作用 下，纤维素被分解为简单的糖类；长链多肽蛋白质被分解为简单的氨基酸；脂 肪和油脂被分解为简单的脂肪酸和甘油，这些都是可被细胞利用的简单基质。 细菌将这些简单基质进一步分解成脂肪酸、醇类等，进行产酸发酵。 第二阶段一一酸化阶段：不溶性大分子有机物经过水解溶入水中。发酵细 菌将有机单体转化为h 2 、丙酸、丁酸、醇类等。酸化阶段产酸过程进行的很快， 致使料液的p h 值迅速下降，发出腐霉性的气味。 第三阶段一一产氢产乙酸阶段：专性产氢产乙酸菌将第二阶段产物转化成 h 2 、h c o ：、c h 3 c o o h 。同型产乙酸菌将h 2 、h c o ；转化为c h 3 c o o h 。少 量的c h 4 、c 0 2 、n 2 生成。此阶段会产生硫化氢、硫酸、n h 3 等。由于大量有 机酸的分解，此阶段p h 值上升。 第四阶段一一产甲烷阶段：产甲烷菌将乙酸转化为c h 4 、和c 0 2 ，或者利 用h 2 还原c 0 2 成甲烷。在一般的厌氧反应器中，约7 0 的甲烷由乙酸分解而 来，3 0 由氢气还原二氧化碳而来。 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的环节，产甲烷菌除了产甲烷以 外，还起到分解脂肪酸调节p h 值的作用。同时，通过将h 2 转化为c h 4 ，可以 减小氢的分压，有利于产酸菌的活动。 在第一阶段中，不溶性大分子有机物经过水解溶入水中，使颗粒状的各种 物料分解。在第二阶段和第三阶段发生的产酸过程，使溶液酸度增加，p h 值下 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 降。在第四阶段，有机物中的碳最终以c h 4 和c 0 2 等气态产物的形式释放到空 气中，使溶液中构成c o d 等主要元素“有机碳得以去除。 无论是三阶段理论还是四阶段理论，实质上都是对两阶段理论的补充和完 善，较好地揭示了厌氧发酵过程中不同代谢菌群之间相互作用、相互影响、相 互制约的动态平衡关系，阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。 复杂有机化合物 1 一发酵细菌群；2 一产氢产乙酸菌群；3 一同型产乙酸菌群； 4 一利用h 。c o 。产甲烷菌群；5 一利用乙酸产甲烷菌群 图2 1 有机垃圾厌氧消化降解途径 2 2 厌氧消化微生物学基础 在厌氧消化中，存在着种类繁多，关系复杂的微生物。在厌氧消化系统中， 微生物主要分为两大类：非产甲烷菌( n o n m e n t h a n o g e n s ) 和产甲烷细菌 ( m e n t h a n o g e n s ) 。 2 2 1 非产甲烷菌特性 非产甲烷菌又称为产酸菌( a c i d o g e n s ) ，他们能将有机底物通过发酵作用产 生挥发性有机酸( v f a ) 和醇类物质，使处理系统中液体的p h 值降低。非产甲 烷菌包括【3 8 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 1 、水解发酵细菌群 水解发酵细菌( h y d r o l y t i c - f e r m e n t a t i v eb a c t e r i a ) 主要参与复杂有机物的水 解，并通过乳酸发酵、乙醇发酵、丙酸发酵、丁酸发酵和混合酸发酵等将水解 产物转化为乙酸、丙酸、丁酸、戊酸等有机酸及乙醇。水解发酵细菌群具体包 括：纤维素分解菌，它参与纤维素的分解，纤维素的分解是有机生活垃圾厌氧 消化的重要一步，对消化速度起制约作用。这类细菌利用纤维素并将其转化为 c 0 2 、h 2 、乙醇和乙酸；碳水化合物分解菌，这类细菌的作用是水解碳水化合 物成葡萄糖后发酵产酸，以具有内生孢子的杆状菌占优势。丙酮、丁醇梭状芽 孢杆菌能分解碳水化合物产生丙酮、乙醇、乙酸和氢等；蛋白质分解菌，这类 细菌的作用是水解蛋白质形成氨基酸，进一步分解成硫醇、氨和硫化氢，以梭 菌占优势；脂肪分解菌，这类细菌的作用是将脂肪分解成简单脂肪酸，乙弧菌 占优势。 2 、产氢产乙酸菌群 产氢产乙酸菌群( h 2 - p r o d u c i n ga c e t o g e n s ) 有专性厌氧菌和兼性厌氧菌，它 们将水解发酵菌群产生的挥发性有机酸和醇转化为乙酸、c 0 2 和h 2 。 3 、同型产乙酸菌群 同型产乙酸菌群( h o m o a c e t o g e n s ) 可将c 0 2 和h 2 转化为乙酸。也能够将 甲酸、甲醇转化为乙酸。正是由于同型产乙酸菌可利用h 2 ，因而可以保持系统 中较低的氢分压，有利于厌氧发酵过程的正常进行。 2 2 2 产甲烷菌特性 产甲烷菌是能够将环境中的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳等小分子化合物转 化成甲烷，对提高厌氧消化甲烷产量具有很高的经济价值。产甲烷菌在生物界 中属于原核生物中的细菌。细胞结构简单，无核。与其他营养类细菌完全不同， 它们的细胞壁中缺少肽聚糖，而含多糖，多肽的囊状物。细胞膜的类脂组成中 缺乏甘油脂。所有的产甲烷菌都只能在很低的氧化还原电位环境中生长，其生 活环境的氧化还原电位要求在3 0 0 m v 以下，对氧和氧化剂非常敏感。遇氧后会 立即受到抑制，不能生长繁殖，最终导致死亡。对环境变化也十分敏感 3 9 , 4 0 4 1 。 甲烷菌最适宜温度3 5 - - - 4 0 。p h 值要求中性。甲烷菌繁殖倍增时间比较长， 可达4 - - - - 6 日。这使得厌氧设备启动期较长，并限制了厌氧处理的周期。 产甲烷菌的形态有杆状、球状、弯曲杆状和螺旋状等。虽然形态不同，各 种产甲烷菌的生理功能非常相似【4 2 1 。所有产甲烷菌都只能以少数几种简单的有 机物和无机物作为基质，它们利用基质的范围都很窄。目前为止，已知的甲烷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 菌用以生成甲烷的基质只有氢、二氧化碳、甲醇、甲酸、乙酸和甲胺等少数几 种有机物和无机物。就每种甲烷菌而言，除氢和二氧化碳作为共同的基质外， 一些种只能利用甲酸、乙酸不能利用甲胺。所有甲烷菌的代谢产物都是甲烷和 二氧化碳。这是甲烷菌和其他任何细菌相区别的主要特征。 2 2 3 厌氧消化微生物的相互关系 不产甲烷菌在产酸阶段的主要产物是有机酸、h 2 和c 0 2 。如果没有产甲烷 菌分解有机酸产生甲烷的作用，必然导致有机酸的积累，抑制消化反应。产甲 烷菌只能利用基质中少数几种c 1 、c 2 化合物，所以必须依靠不产甲烷菌将复 杂有机物分解为简单的化合物。从不产甲烷菌和产甲烷菌的紧密关系来看，有 机垃圾厌氧消化微生物的相互关系表现在：不产甲烷菌与产甲烷菌之间的关系； 不产甲烷菌之间的关系；产甲烷菌之间的关系。其中第一种关系最为重要，在 厌氧处理系统中，不产甲烷菌和产甲烷菌相互依赖，相互为制约，在平衡的状 态下，不产甲烷菌和产甲烷菌的生命活动呈现出协调。平衡状态除了甲烷菌的 作用，还是发酵原料、浓度、工艺控制条件等因素共同作用的结果【4 3 1 。 2 2 3 1 不产甲烷菌与产甲烷菌之间的相互关系 ( 1 ) 不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长繁殖的底物： 、 不产甲烷菌可把各种复杂的有机物，如高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白 质等进行发酵，生成h 2 、c o i 、n h 3 、v f a ( 挥发性脂肪酸) 、丙酸、丁酸、乙 醇等可被产氢产乙酸菌转化为h 2 、c 0 2 和乙酸。产甲烷菌将c 1 、c 2 等简单的 化合物转化为c h 4 、c 0 2 。不产甲烷菌通过生命活动为产甲烷菌提供了生长和代 谢所需要的碳源和氮源。 ( 2 ) 不产甲烷菌为产甲烷菌创造了适宜的氧化还原电位： 在厌氧消化反应器运转过程中，由于加料过程难免使空气进入装置，同时 液体原料里也有微量溶解氧。氧对产甲烷菌是有害的。氧的去除可以通过非产 甲烷菌中兼性厌氧和兼性好氧微生物的活动将氧消耗掉。从而降低了反应器中 的氧化还原电位。在厌氧消化装置中的各种厌氧微生物，如纤维素分解菌、硫 酸盐还原菌、硝酸盐还原菌等，对氧化还原电位适应性各不相同。通过对这些 微生物有序地生长和代谢活动，使消化液的氧化还原电位逐渐下降，最终为产 甲烷菌的生长创造适宜的氧化还原电位条件。 ( 3 ) 不产甲烷菌为产甲烷菌清除了有毒物质 在发酵原料中可能含有少量酚、苯、氢和重金属离子，这些物质对产甲烷 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 菌有毒害作用。但是，不产甲烷菌中有许多微生物能降解苯环、氰化物，生成 的硫化氢又可以和重金属离子结合生成金属硫化物沉淀，从而解除了毒害作用。 ( 4 ) 产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除了抑制物质 产甲烷菌利用非产甲烷菌的代谢产物生成甲烷，而这些代谢产物的积累可 以抑制产甲烷菌的生命活动，从而使不产甲烷菌的代谢能够正常进行。 ( 5 ) 不产甲烷菌和产甲烷菌共同维持环境中的p h 值 不产甲烷菌水解发酵作用产生大量有机酸，使发酵液的p h 值明显降低。而 产甲烷菌利用有机酸形成甲烷，从而在一定程度上避免了酸积累，使p h 值稳定 在一个适宜的范围。如果有机负荷过高、c n 失调，造成p h 值过高或者过低， 超过了产甲烷菌的适宜范围，则消化反应会受到抑制。 ( 6 ) 非产甲烷菌和产甲烷菌对底物的竞争：非产甲烷菌和产甲烷菌之间对底 物的竞争主要表现在同型产乙酸菌和产甲烷菌之间对h 2 的竞争利用。同型产乙 酸菌利用h 2 与c 0 2 生成乙酸。而产甲烷菌则利用h 2 和c 0 2 生成甲烷。 2 2 3 2 不产甲烷菌之间的关系 在序批厌氧反应器中，不产甲烷菌是有规律地出现，依次是发酵细菌、产 氢产乙酸菌、同型产乙酸菌。因此，不产甲烷菌之间主要是互生关系。先出现 的微生物为后出现的微生物提供底物，而后出现的为先出现的微生物解除抑制。 芝2 3 3 产甲烷菌之间的相互关系 。 产甲烷菌之间的相互关系主要表现在对底物的竞争方面。当乙酸浓度较低 时，通常有利于生长缓慢的产甲烷丝状菌，因为此时丝状菌获得底物的能力比 八叠球菌强。而当乙酸浓度很高时，甲烷八叠球菌生长迅速。 2 3 厌氧消化动力学研究 厌氧消化过程十分复杂，影响反应速率及反应历程的因素很多。物质降解 的一级反应动力学方程是最简单的模型，已经成功地用于表达水解过程。一级 水解方程是一种经验表达，反映的是几个步骤的综合结果。m o n o d 方程和c o n t o i s 方程建立的时候用于表达溶解物质的降解，他们有时也被用于悬浮固体的降解。 s i e g r i s t 等的污水污泥消化模型，被用于固体垃圾的水解，把脂肪、蛋白质和 碳水化合物的水解常数当成确定值。这些常数是与p h 值相关的，在连续流反应 器中，甚至依赖于水力停留时间；m 1 。a r o d r i g u e za n d a r a 将反应动力学分为两 个阶段考虑，第一阶段的限速步骤为生物量，第二阶段为水解。在应用一级动 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 力学方程研究了搅拌器和不搅拌反应器后发现，两者的动力学常数相差较大， 分别为0 7 5 d 。1 和0 0 4 8 d ，说明搅拌在厌氧消化中非常重要h 引。k y s l i 等建立 了联合消化的模型，对市政有机垃圾和初级污水污泥的消化进行了模拟，模拟 因素包括氨阻抑，可以成功的进行甲烷、p h 值和氨的变化等的预测h 引。 目前，厌氧消化动力学的研究内容主要包括两个方面：一是确定基质降解 与基质浓度和微生物浓度之间的关系，建立基质降解动力学；二是确定微生物 增长与基质浓度和微生物浓度之间的关系，建立微生物增长动力学。从有机固 废厌氧处理的角度来看，基质降解动力学可以推算有机污染物的去除效率和所 需时间，微生物增长动力学则可以推算活性污泥的增长量和相应的时间。迄今 为止，真正弄清楚反应速率及历程的反应还不多，这方面的研究成果远远落后 于厌氧消化的实际应用。 2 3 1 基质降解和微生物增长表达式 2 3 1 1m o n o d 方程 基质降解和微生物增长都是一系列酶促反应的结果。反应速度和基质浓度 之间的关系可由“米一门”方程式表示： 。t ，：垒 ( 2 1 ) k m + s 式中：秒以浓度表示的酶促反应速率； s 以浓度表示的酶促反应速度； 最大酶促反应速度。 1 k r 一米氏常数，其值等于秒= i 时的基质浓度。 1 9 4 2 年，莫诺德将米一门关系式应用与微生物细胞的增长上，提出了一个 与米一门公式类似的微生物增长表达式。莫诺德关系式h 7 驰：如下： “= m a x s ( 2 2 ) k ，+ s 式中：微生物比增长速度( d 。1 ) ，即单位时间内单位质量微生物的增 长量，若用x 表示微生物浓度，则“= 土坚； s 基质的浓度( m g d m 3 ) ； 。xd t 一在饱和浓度中的微生物最大比增长速度( d - 1 ) ； 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 k 5 _ 饱和常数，其值等于= 昙时的基质浓度。 么 一般认为，微生物的比增长速度( ) 和基质的比降解速度( u ) 成正比， 即：= 功( 2 3 ) 式中：y - 微生物生长常数，或产率，即吸收和利用单位质量的基质所形 成的微生物增量( m g m g ) 在最大比增长速度下，当有一- - - y o = 缸，将其与公式( 2 3 ) 代入公式( 2 2 ) ， 得基质比降解速度如下： t ，：坠坚鱼 ( 2 4 ) k s + s 式中：秒基质比降解速度( d 1 ) ，即单位时间内单位微生物量所降解得 基质量，1d s； 秒= xd t s 基质浓度( m g d m 3 ) ； j 基质最大比降解速度( d 。1 ) ； 1 k s 饱和常数，其值等于秒= j 时的基质浓度。 从公式( 2 2 ) 和( 2 4 ) 可以看出，不论是微生物增长关系还是基质降解 关系式都具有以下特性： 当基质浓度很大时( 或营养物质十分丰富时) ，即s k s 时，分母中的 k s 可略去不计，从而得t = 一 ( 2 5 ) 秒= 。 ( 2 6 ) 上式表明，在营养物质丰富得情况下，微生物得比增长速度和基质得比降 解速度都是一常数，且为最大值，而与基质浓度无关。或者说比增长速度和比 降解速度与基质浓度成零级反应。 当基质浓度很小( 或营养物质十分贫乏) 时，即s k s 时，分母中得s 可略去不计，从而得： ， 2 等s ( 2 7 ) 。 一一j 口= 鳖s( 2 8 ) k 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 上式表明，在营养物质十分贫乏的情况下，微生物得比增长速度和基质的 比降解速度都与基质浓度成正比，即严格受基质浓度的制约。或者说比增长速 度和比降解速度都与基质浓度成一级反应。 当基质浓度介于两种情况之间时，可得如下关系式： = k , s ”1 移= k 2 s ”2 式中，k ，、k 。、n 。、n 2 均为系数， 降解速度与基质浓度成半级反应。 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 且o n 。( 或n 2 ) 6 0 t s ) 的进料才用水进行稀释。该工艺的难点在于：生物反 应器在高固含率条件下进行，消化系统内部均匀性问题难以克服；为了满足废 物高粘度的要求，所用的输送、搅拌设备要比低固体工艺的昂贵，导致造价很 高。但是在法国、德国已经证明对于机械分选的城市生活有机垃圾的发酵采用 高固体系统是可行的。在d r a n c o 工艺中，消化垃圾从反应器底部回流至顶部， 垃圾固含率为2 0 5 0 ，采用水平式圆柱型反应器，内部通过缓慢转动的浆 板使垃圾均匀。通常，高固体处理比低固体处理具有更高的有机负荷率和产气 效率。 低固体厌氧消化工艺中，浆液完全处理混合状态，它与废水领域应用了几 十年的污泥厌氧稳定化处理技术相似，但对于城市生活垃圾而言，在设计中需 要考虑复杂的预处理。比如分选去除粗糙的硬垃圾、将垃圾调成均匀浆状的过 程，为达到去除杂质，又保证有机垃圾正常处理，需采用过滤、粉碎、筛选等 复杂的预处理。这些预处理过程会导致1 5 2 5 的挥发性固体的损失。浆状 垃圾并不能保持均匀的连续性，因为在消化过程中重物质沉降，轻物质形成浮 渣层，导致在反应器中形成三种明显不同密度的物质层。重物质在反应器底部 聚集可能破坏搅拌器，因此必须通过特殊