（环境工程专业论文）牛粪厌氧发酵处理研究.pdf

摘要 近年来，我国畜禽养殖业发展迅速，畜禽养殖数量和规模不断扩大，畜禽养殖 业在农业甚至整个国民经济的都起着重要作用。然而，养殖业在为人民生活提供丰 富肉、蛋、奶的同时，畜禽粪便的产量也不断增加。远远超过了自然分解能力，给 环境带来了很大的压力。 厌氧发酵技术具有能源、生态和环保的特点，在畜禽粪便的处理中得到了广泛 应用。本文在学习国内外畜禽粪便处理资料的基础上，结合我国畜禽粪便处理技术 的现状及发展趋势，进行了进一步的研究分析。 在综合分析厌氧发酵原理后，通过试验，得出以下结果： 1 不同温度对厌氧发酵产气量的影响。设定高温( 5 5 l ) 、中温( 3 6 1 ) 和 常温三个发酵温度，发酵时间为3 6 d 。结果发现，高温条件下产气量最大、中温次 之、常温最小。 2 接种量对厌氧干发酵的影响。发酵时间为1 2 d ，结果表明，随着接种量的加 大，总产气量也在增大，其值从小到大依次为：1 1 5 8 7 m l 、1 1 9 1 6 m l 、1 3 0 6 0 m l 、1 4 1 2 2 m l ； 但是c o d 的转化率则相反，分别为：0 5 4 4 l g c o d 、0 5 0 2 l g c o d 、0 4 8 8 l g c o d 、 0 5 0 9 l g c o d ：t s 、v s 去除率分别为：2 1 3 2 、2 4 1 6 、2 0 9 9 、1 9 5 7 和2 8 9 9 、 3 1 1 、3 0 1 5 、2 7 6 4 。 、 3 采用正交试验方案，考察接种量、c n 值和搅拌三个因素对高温厌氧发酵的 影响。实验结果表明，三者对厌氧发酵产气量的影响大小为：c n 接种量 搅拌，并 在此基础上得到牛粪高温厌氧发酵的最佳方案：a 。b 。c 。，即接种量为4 0 、c n 值为 3 0 ：1 、第5 d 开始搅拌，每两d 搅拌一次。 4 为了探究多因素对厌氧发酵的影响，在发酵浓度( t s ) 1 0 - 2 0 、c n 值在 2 0 ：1 - 3 0 ：1 、接种量在1 0 - 5 0 ( 质量比) 范围内，采用二次通用旋转方案，研究三因 素在厌氧发酵过程中对产气量的影响，并且建立定量描述三因素与产气量的数学模 型。通过对各因素影响效应分析，得出影响产气量的主因素排序为：发酵浓度 c n 接种量。 关键词：厌氧发酵畜禽粪便沼气产气量 i j a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r st h eq u a n t i t ya n dm a g n i t u d eo fl i v e s t o c kp r o d u c t i o nh a v ed e v e l o p e d r a p i d l y p l a n t yo fa n i m a lp r o d u c t ss u c ha sm e e t ，e g ga n dm i l ka r es u p p l i e db ya n i m a l h u s b a n d r i e sp r o d u c t i o n ，w h i l et h eq u a n t i t yo fa n i m a ls t a l ei si n c r e a s i n ga tag r e a ts c a l e a n da c c u m u l a t e da r o u n dl i v e s t o c kf a r m sa n dv i l l a g e s ot h ea n i m a l sw a s t ep o l l u t et h e f a r m sa n dv i l l a g ee n v i r o n m e n ts e v e r e l y t h er a t eo f a n i m a lw a s t ep r o d u c t i o ne x c e e d st h e r a t eo fn a t u r a ld e g r a d a t i o n ，w h i c hb r i n gg r e a tp r e s s u r et ot h ee n v i r o n m e n t a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g y o f p r e d o m i n a n c e o fe n e r g y , e c o l o g ya n d e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n s oi ti su s e di na n i m a l sd e j e c t at r e a t i n gw i d e l y b a s e do nt h e h o m ea n do v e r s e a sd i s p o s a lt e c h n o l o g yo ft h el i v e s t o c kd c j e c t a s ，c o m b i n e dw i t ht h e p r e s e n tc o n d i t i o na n dt h ed e v e l o p m e n t 仃e n d 皿1 ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yi n t h e r m o p h i l i ct e m p e r a t u r ei so n e o ft h em o s tp r o m i s i n gn e w t e c h n o l o g y a f t e ra n a l y s i n gt h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nt h e o r yc o m p r e h e n s i v e l y , t h i sp a p e rf o c u s e s o ns o m ea s p e c t sa sf o l l o w e d 1 n l ee f f e c t so ft e m p e r a t u r eo na n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t h eb i o g a sy i e l di sl a r g e s ta t t h et h e r m o p h i l i cf e r m e n t a t i o n , t h e ni st h em e s o p h i l i cf e r m e n t a t i o n 2 i n o c u l a t i o na n di n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o na d d e dh a v es t r o n gi n f l u e n c eo na n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n , e s p e c i a l l yd r yf e r m e n t a t i o n r e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o r et h ei n o c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o na d d e d ，t h em o r et o t a lb i o g a sp r o d u c e d ，t h et o t a lb i o g a sy i e l dr e a c h e d 1 1 5 8 7 m l 、1 1 9 1 6 m l 、1 3 0 6 0 m l 、1 4 1 2 2 m l ：b u tt h eb i o g a sy i e l dr a t eo fu n i tc o di s 0 5 4 4 l g - l c o d 、o 5 0 2 l 分1 c o d 、0 4 8 8 l g - i c o d 、o 5 0 9 l 。g - l c o d i nc o n t r a s t ：t h e r e m o v a lr a t eo f t sa n dv si s2 1 3 2 、2 4 1 6 、2 0 9 9 、1 9 5 7 a n d2 8 9 9 、3 1 1 、 3 0 15 、2 7 6 4 r e s p e c t i v e l y 3 a no r t h o g o n a le x p e r i m e n tp r o g r a mw a sc a r r i e do u t ，t od e t e r m i n et h ee f f e c to f i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o n 、c nr a t i o 、a g i t a t i o no nt o t a lb i o g a sy i e l d t h es t a t i s t i cs h o w e d t 1 1 a t ：t h ec nr a t i oe f f e c tt h et o t a lb i o g a sy i e l dt h em o s t ，f o l l o w e db yi n o c u l a t i o n c o n c e n t r a t i o na n dt h e na g i t a t i o n 。n l eb e s ta n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nr e s u l ti sa 3 8 3 c 2u n d e r t h a tc o n d i t i o n 4 t h ea n a e r o b i cf e i m e n t a t i o np r o c e s sf o ro xm a n u e rh a v e b e e np e r f o r m e dw i t ht h e t sr a n g ef r o m10 t o2 0 t h ec nv a l u ef r o m2 0 ：1t o3 0 ：1 , t h ei n o c u l a i t i o n c o n c e n t r a n t i o nf r o m10 t o5 0 ( w e i g h tp r o p o r t i o n ) 硼1 ed e s i g no fq u a d r a t i c r o t a t i o n o r t h o g o n a l i t ye x p e r i m e n tw a sc a r r i e d o u tf o r t h es i m u l a t e dt e s t s t h e m a t h e m a t i c a lm o d e le x p l a i n st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea b o v et h r e ef a c t o r sa n d b i o g a sy i e l d 1 1 1 em a i nf a c t o r so ft h ee f f e c to nb i o g a sy i e l ds e q u e n c ei s ：t s t h ec n v a l u e t h ei n o c u l a i t i o nc o n c e n t r a n t i o n k e yw o r d s ：a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，l i v e s t o c kd e j e c t a s ，t h eb i o g a sy i e l d 1 i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得安徽农业大学或其它教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：时间： 口夕年 6 月9 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解安徽农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。同意安徽农业大学可以用不同方式在不同媒体上 发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 第一导师签名：悯。 哆“月i q 日 日 1 文献综述 我国是世界上从事畜禽养殖生产最早的国家之一，从对野生动物驯养开始到 现在，已经有近万年的历史。传统畜禽养殖一般是以农家饲养为主，畜禽数量不 多，产生的粪污相对较少，而且养殖、种植相衔接，禽畜粪便大部分作为农家肥， 直接或者经过渥堆后施入农田，所以产生的不良影响较小，对环境的压力较轻嘲。 上世纪8 0 年代中期，由于人们对畜禽产品的需求增加，出现了一批集约化( 或 工厂化) 畜禽养殖场隆3 ，经过几十年的发展，规模越来越大，养殖企业( 农户) 也越 来越多，生产集约化程度越来越高口1 ；另外由于有机肥肥效不如化肥明显，人们开 始大量使用化肥，使有机粪肥闲置，禽畜粪便不能及时还田“5 3 。养殖业与种植业 脱节、养殖场布局不合理、科技发展水平低、业主的管理措施及思想认知等方面 的相对滞后，导致畜禽粪便成为污染周边环境的源头之一，对大气、土壤、水体、 人居环境造成了不利影响n 副。 1 1 畜禽粪便对环境产生的不利影响 2 0 世纪9 0 年代初，杭州湾水体污染严重，经过调查研究表明造成杭州湾污染 的主要源头是农业生产污染，其中农药、化肥污染和畜禽粪便污染尤为突出。这 项调查第一次向人们敲响了畜禽粪便污染环境的警钟叫。 1 1 1 对土壤环境的不利影响 畜禽排泄物中含有丰富的有机物和氮、磷、钾等养分，同时富含作物所需的 钙、镁、硫等多种矿物质及微量元素，能满足作物生长过程中对多种养分的需要， 对提高土壤肥力、改良土壤性质和增加作物产量都有很好的作用盯一。 但是使用粪便过度会危害农作物、土壤、表面水和地下水水质。在某些情况 下( 通常是鲜禽粪) 含有高浓度的氮能烧坏作物；大量地使用粪便也能引起土壤中 溶解盐的积累，使土壤盐分增高，使植物生长受影响h 1 ，特别是在干燥气候下危害 更明显。 畜禽粪便传播一些野草种子，影响土壤中正常作物的生长。 畜禽粪便常包含有一些有毒金属元素，如砷、钻、铜、铁等，长期施用可能导 致这些元素在土壤中的积累，对植物生长产生潜在的危害作用n 们。 表1 i 旌用农田畜禽粪中主要重金属元素砷、铜、锌、铬控制指标 t a b l e l c o n t r o ll i m i to f m a j o rh e a v ym e t a l si nm a n u r e sa p p l i e do f l i v e s t o c ka n dp o u l t r yf r o mi n t e n s i v ef e e d i n g 1 1 2 对水体的污染 我国每年畜禽粪便总量超过1 0 亿吨，其中有2 5 的畜禽粪污流失到水体中嘲。 资料显示：上海郊区的大部分猪场废水未经处理流入河道，成为上海饮用水源的 主要污染源；猪场废水是太湖流域最大的氮、磷及有机污染源，也是太湖富营养 化的罪魁祸首慨1 0 1 。 有些畜禽养殖场位于城市主要河道、饮用水水库或地下水源地附近，是造成这 些水体污染的主要污染源。养殖废水中所含大量的含氮化合物，在土壤微生物的 作用下，通过氨化、硝化等化学反应过程而形成了n i - h + n 、n 0 2 - n 和n 0 3 - n 渗 到地下水，造成地下水中硝酸盐含量增高，使水质不易于饮用，严重影响人体健 康1 圳1 。 畜禽养殖引起的水体污染问题己经不仅仅是局部的环境污染问题，而是演变成 了一个影响大流域环境的大问题了，它威胁着河口，近海海域的富营养化问题， 千万不能等闲视之。 1 1 ：3 对空气的污染 畜禽粪尿中含有碳水化合物和含氮有机化合物，在有氧和无氧条件下都可分 解。有机碳水化合物在有氧条件下分解大部分生成二氧化碳和水并释放热能；在 无氧条件下分解不完全，产生甲烷、有机酸和各种醇类，这些物质略带臭味和酸 味m 。 而含氮化合物主要是蛋白质，它们在酶的作用可分解成氨基酸，氨基酸在有 氧条件下可继续分解，最终产物为硝酸盐类化合物：而在无氧条件下可分解成氨、 硫化氢、甲胺、三甲胺等恶臭物质n 羽。 恶臭气体产生的实质是微生物在一定的温度、湿度、通气不畅条件下分解有 机物产生的，其中氨气是主要恶臭成份。这些气体不仅使人产生不愉快的感觉， 而且引起家畜的呼吸道疾病，使动物的免疫力下降，影响畜禽产品质量。 1 1 4 寄生虫、病菌等微生物的传播 畜禽粪便中含有大量源自动物肠道中的病原微生物和寄生虫卵，据报道，畜禽 养殖场排放的污水，平均每i i i l 含有3 3 万个大肠杆菌和6 9 万个大肠球菌，每升沉 淀池污水中含有高达1 9 0 多个蛔虫卵和1 0 0 多个毛首线虫卵n 钔。这些病原微生物 和寄生虫卵进入水体，会使水体中病原种类增多、菌种和菌量加大，且出现病原 菌和寄生虫的大量繁殖和污染，导致水传染病的传播和流行。特别是在人畜共患 病时，会引发疫情，给人、畜带来灾难性危害n 耵。 1 1 5 激素、生长素残留污染 另外，畜禽粪便中激素的潜在污染也不容忽视。在美国切萨皮克海湾流域的 2 几条河流中，检测出了与畜禽粪肥归田有关的增长性荷尔蒙丸激素和雌性激素m 。 就目前的总体情况来看，农民自养的家畜、家禽和小型养殖场占全国畜禽总量 的大部分，规模化养殖畜禽数量相对较少啪。尽管如此，畜禽养殖对环境的影响依 然不容忽视，目前，很多专家学者致力于畜禽粪污资源化处理方面的研究与应用， 取得了一定的成绩。 1 2 畜禽粪便污染的特点 相对与其他污染物，畜禽粪便污染有以下主要特点： 1 2 1 污染量大 我国每年畜禽粪便总量超过l o 亿吨；2 0 0 1 年我国畜禽粪便总c o d 的排放量已 经达到7 11 8 万吨，远远超过工业废水和生活污水c o d 之和1 3 5 8 9 万m 。 表卜22 0 0 1 年全国部分污染物排放量 ! 垫! ：；! 竖磐2 竺2 11 2 1 巴垒i 翌2 2 11 鲤2 旦虫：q 丝 一 项目 固体污染物万吨 废水c o d 。, 万吨 畜禽养殖业 14 0 2 7 3 4 4 5 3 6 6 工业8874576 0 7 5 城镇生活 一 7 9 9 0 1 2 2 资源性污染 从污染物形态划分，畜禽粪便为农业固废，属于“放错位置的资源 1 0 o 例如， 畜禽粪便含有大量未消化的蛋白质、b 族维生素、矿物质元素、粗脂肪和一定数量 的碳水化合物，特别是粗蛋白质含量较高，经过加工处理后可成为较好的畜禽饲 料资源。 表1 - 3 畜禽粪便的成分组成 t a b i - 3t h ec o m p o n e n to f t h el i v e s t o c ke x c t c t a - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ l _ _ - _ - - _ - l - - - _ 一i 一m i 种类水分 n p 2 0 5k 2 0 i 9 0 t - c 牛粪 8 0 10 4 2 0 3 40 3 40 1 69 1 猪粪 6 9 41 0 91 7 60 4 3 0 5 01 3 0 1 3 畜禽粪便处理的方法 畜禽粪便的处理方法很多，主要有以下几种： 1 3 1 自然堆沤处理 经过简单的沉淀、人工分离将粪便中干物质进行自然堆沤，作为有机肥返田， 分离后的污水集中储存，经自然耗氧处理后，部分用作农田肥料，其余外排，目 前全国大部分的集约化养殖场畜禽粪便是通过这种方式进行处理的；或者直接低 洼处集中收集，不加任何处理措施，目前许多小型的养殖场采用这种方式嘲。这种 粪便方式造成恶臭熏天、蚊蝇满天、病菌滋生订1 。 1 3 。2 肥料化处理 3 利用土地还原、腐熟堆肥、生物处理等肥料化技术，将粪便转化为肥料。土 壤在获得肥料的同时净化粪便，节省了粪便的处理费用n 3 。但是，畜禽粪便作为有 机肥直接施用，其最大的障碍是含水量高、有恶臭，而且氨的大量挥发造成肥效 降低，病原微生物还会对环境构成威胁n 。 1 3 3 饲料化处理 畜禽粪便综合利用的一种重要途径。畜禽粪便含有大量未消化的蛋白质、b 族维生素、矿物质元素、粗脂肪和一定数量的碳水化合物，特别是粗蛋白质含量 较高，经过加工处理后可成为较好的畜禽饲料资源n 8 垤瑚1 。但是畜禽粪便的成分比 较复杂，它含有多种对动物健康不利的成分，极易造成畜禽交叉感染或传染病的 爆发 表1 - 4 畜禽粪便的营养成分组成 ! 苎! ! 兰! ! ! 2 里p 2 翌! 坐2 1 生! ! 生：塑! ! 曼兰堡! 垒 原料名称含水量总固体粗蛋白粗纤维粗脂肪碳氲比 猾粪8 3 21 6 8 12 3 01 4 78 21 3 - l 牛粪 8 3 11 6 8 81 2 73 7 62 52 5 ：1 羊粪 6 2 23 7 8 21 5 63 2 4 3 62 4 ：l 1 3 4 厌氧生物处理 即利用厌氧微生物活动将有机物分解为甲烷、。二氧化碳和水。这种处理方式 - 般耗能低，设备简单、容易实现，更重要的是可实现废弃物的综合利用，变废 为宝、化害为利伍翻。利用沼气工程处理畜禽粪便污水，可获得一定的清洁燃料一 沼气：沼液是可用于生产绿色食品的优质农田有机肥；沼渣经处理后可制成商品 化的有机肥料，部分还可作为饲料用于养鱼等汹m 1 。 畜禽粪污为富氮原料，是很好的产沼物料，具有发酵周期短，产气速度快的特 点，因此，综合利用畜禽粪便，使其变废为宝、化害为利具重大的现实意义。 畜禽粪便虽然是污染物，但同时也是宝贵的资源，经适当的处理后，可以资 源化利用，对促进农牧结合、农业持续和良性发展、保持生态平衡等具有重要作 用嘲1 。在环保和生态问题日益被重视的今天，粪便综合处理与资源化利用己是必 然趋势。 1 4 厌氧发酵技术简介 1 4 1 厌氧生物处理技术的发展历程 厌氧发酵产生沼气的现象早已为人们所知，其应用也有1 0 0 多年的历史汹1 。 1 8 9 6 年，英国小城市e x e t e r 兴建了第一座处理生活污水的厌氧消化池，所产沼气 用作一条街道的照明燃料；1 9 0 6 年印度m a t u n g a 建造了利用人粪生产沼气的沼气 池啪1 。随着工艺的进步与发展，厌氧消化被应用于畜牧业和农产品加工废料的处 4 理，并逐渐在高浓度有机废水的处理上得到广泛应用。但是厌氧技术发展较为缓 慢隗捌。 进入上世纪，科学家分离出产甲烷的厌氧细菌，进一步揭示出了有机物厌氧消 化产生沼气的微生物学机理晗3 瑚1 。特别是五十年代以后，生物技术的发展、工业化 生产发展、环境污染日趋严重和能源短缺的危机，使这一种可节省和回收能源的 厌氧发酵技术日益受到重视。特别是二十世纪七十年代以来，荷兰农业大学环境 系l e t t i n g a 等发明的上流式厌氧污泥床( u p f l o w a n a e r o b i cs l u d g eb a d ，u a s b ) 嘲， 极大地推动了厌氧发酵工艺的发展，它是目前应用最为广泛的厌氧处理工艺之一。 表1 - 5 厌氧发酵理论发展历程 t a b l - 5t h eh i s t o r yo f a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nt h e o r y 目前，国外厌氧消化技术的基础研究主要体现在3 个方而盟引：i 菌体对物料 的适应能力及竞争机制的探讨；i i 产甲烷动态过程生化监测方法的研究；探 讨水解步骤降解高分子物质降解机制及生物调控机理。 我国厌氧消化技术应用始于2 0 世纪3 0 年代，经过漫长的历程，到7 0 年代后 期进入蓬勃发展时期乜副。目前，已经建立了4 0 0 - 5 0 0 个不同类型工艺处理工业废 水的沼气工程，建立了6 0 0 多个大中型处理畜禽废水、废渣的沼气工程，年产沼 气近1 0 亿立方米，相当于标准煤1 0 0 万吨。近年来，厌氧消化新工艺被广泛研究 与应用。厌氧发酵技术应用于酒精、食品、屠宰、制药、畜禽养殖场、化工等近 2 0 个行业的废物的处理工程中，先后开发了单相、两相或多种联合工艺m 1 。 厌氧消化基础研究始于8 0 年代，主要集中在发酵过程动力学研究、菌群抑制 竞争关系的研究、固体有机物产酸特性的研究、相分离工艺的研究、颗粒污泥机 5 理的研究、固定化细胞技术的研究和厌氧消化体系缓冲能力的研究嘲。另外，1 9 8 8 年北京师范学院在国内首次分离获得了甲烷八叠球菌的培养物o 。在浙江农业大 学、中国科学院成都生物研究所等许多院、所都已经建立了厌氧消化微生物实验 室，对沼气发酵微生物学、生态学和生物化学等方而进行了比较广泛的研究，使 我国在沼气基础研究的某些方而逐渐接近国际先进水平阮1 。 作为一种普遍存在于自然界的微生物学过程，经过国内外学者几百年的研究取 得了一定的成绩，但是对于参与这一过程的微生物的研究进展依然很缓慢，难以深 入。原因如下1 ：厌氧消化是一种多菌种多层次的厌氧发酵过程，种群多，关系 复杂，客观上难以弄清楚；有些菌种群之间存在互营共生性，分离鉴定难度大； 厌氧条件下培养分离和鉴定细菌的技术复杂。 1 4 2 厌氧发酵基本原理 厌氧发酵是指在厌氧环境下微生物分解有机质获取物质和能量维持自身的生 长，与此同时释放出一种混合“废弃气体 一沼气的过程。有机质沼气化过程是 由多种微生物来完成的，在这个过程中，己经查明的微生物约有二、三百种啪】。 随着厌氧微生物学研究的不断深入，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过 程的认识渐渐深化，厌氧消化理论得到较快发展。1 9 7 9 年，m p b r y a u t ( 布赖恩) 根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三 阶段理论嘲。该理论将厌氧发酵分成三个阶段，三个阶段有不同的菌群。该理论 认为产甲烷菌不能利用除乙酸、h # c o ：和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸 和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、h 。c 0 2 等后，才能被产甲烷菌利用。 三阶段理论是目前厌氧消化理论研究相对透彻、相对得到公认的一种理论。三 阶段理论如图i - i 所示。 第一阶段，水解发酵阶段 在这一阶段中复杂有机物在微生物( 发酵菌) 作用下进行水解和发酵。多糖首 先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。蛋白质则水解为 氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为 脂肪酸和醇类。 第二阶段，产氢产乙酸阶段( 即酸化阶段) 在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生 的中间产物，如脂肪酸( 丙酸、丁酸) 和醇类( 乙醇) 等水溶性小分子转化为乙酸， h 2 c 0 2 。 对乙醇：c h 3 c h 2 0 h + h 2 0 c h 3 c o o h + 2 h 2 对丙酸：c h 3 c h z c o o h + 2 h 2 0 一c h 3 c o o h + 3 h 2 + c 0 2 6 对丁酸：c h 3 c h 2 c h 2 c o o h + 2 h 2 0 叶2 c h 3 c o o h + 2 h 2 第三阶段，产甲烷阶段 甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和( h 2 1 c 0 2 ) 等基质通过不同的路径转化为甲 烷，其中最主要的基质为乙酸和( h 2 c 0 2 ) 厌氧消化过程约有7 0 甲烷来自乙酸的分 解，少量来源于h 2 c 0 2 的合成。 以下是两个典型的产甲烷反应： 利用乙酸：c h 3 c o o h 一c h 4 + c 0 2 利用h 2 和c 0 2 ：4 h 2 + c 0 2 叶c h 4 + h 2 0 从发酵原料的物性变化来看，水解的结果使悬浮的固态有机物溶解，称之为“液 化 。发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称之 为“酸化”，甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体，称之为“气化 。 复 杂 有 机 物 蒙裂发酵性细菌 ( 厌氧、兼性厌氧) 丙酸 丁酸 琥珀酸 乙醇 h 2 c 0 2 乙酸 i i 酸化阶段1h 2 丽剥c 0 2 j 乙酸 产甲烷阶段 c h 4 c 0 2 图卜1 三阶段理论不蕙图 f i g l 1t h r e e - s t a g et h e o r y 1 5 厌氧发酵工艺及其调控 厌氧发酵工艺是指从发酵原料到生产沼气的整个过程所采用的技术和方法，包 括原料的收集和预处理，接种物的选择和富集、发酵装置的发酵启动和日常操作 管理及其他相应的技术措施乜羽。 1 5 1 严格的厌氧环境 沼气发酵中起主要作用的是厌氧分解菌和专性厌氧产甲烷菌。产甲烷菌要求氧 化还原电位为3 0 0 - 6 0 0 m v 溉钏。甲烷菌对氧特别敏感，在空气中暴露几秒钟就 会死亡，就是说空气中的氧气对它们有毒害致死的作用3 。因此，严格的厌氧环 境是产甲烷菌进行正常活动的先决条件。为保证厌氧发酵的厌氧状态，发酵装置、 管路、开关都严格密封。 7 1 5 2 发酵原料 1 5 2 1 原料种类 发酵原料既是产生沼气的底物，又是厌氧发酵细菌赖以生存的食物来源。各种 农业废弃物，如各种畜禽的粪便、农作物秸秆、杂草、树叶等；农产品加工的废水、 废物，如酒糟、糖渣、豆制品和淀粉加工废水等都是良好的厌氧发酵原料。但不同 原料的产气量是不同的，有一部分比较容易消化，容易分解产气，而另一些则较难 分解产气。畜禽粪便通过牲畜肠胃的消化变得比较简单，进入发酵罐后可以迅速被 进一步消化，很快产生沼气汹1 。表1 - 6 列举了几种常见发酵原料的产气量。 表卜6 不同原料的产气量 t a bl 一6t h eb i o g a sy i e l do fd i f f e r e n tm a t e r i a l s 注：i 买验条件为芨薛蕊厦3 5 ：2 发酵时同粪便为6 0 天秸杆为9 0 天 n o t e ：1 f e r m e m i v e t e m l r a m r e 3 5 c ；2 f e r m e n t i v e t i m e ：l i v e s t o c k i s 6 0 d a y s 。t h er e s t i s 9 0 d a y s 1 5 2 2 原料浓度 发酵原料的浓度即发酵料液干物质含量( 固体含量) 。有机物是厌氧发酵过程的 主体，水分是微生物活动不可缺少的重要因素嘲。根据固体含量( t s ，t o t a ls o l i d ) 不同，一般分为液体发酵( t s 在1 0 以下) 、高浓度发酵和干发酵( 固体发酵，t s 在1 5 1 7 以上) 嘲。 1 5 2 3 原料预处理 畜禽粪便、作物秸秆等农业底物厌氧发酵，首先去除不易降解或不能降解的杂 质，如塑料、石块等；其次，酸化调节。通常有两种酸化形式：罐外酸化和罐内 酸化。罐外酸化主要指进行好氧堆沤处理。一是可以降解难以分解的纤维素、木 质索等物质，二是可以富集菌种确1 。 1 5 3 发酵温度 温度是影响厌氧发酵的重要因素之一。厌氧发酵微生物对温度的要求范围较 宽，一般在1 0 - 6 5 c 之内都能生长1 。但在一定温度范围内，温度越高，产气量越 多。提高发酵温度，可缩短厌氧发酵周期，提高产气率随明。 袭卜7 根据温度对厌氧发酵类型的划分 厌氧发酵类型 优势微生物种类生长的温度范围 c 最适温度 一般来说，甲烷菌有3 个适宜生长的温度范围，分别为：低温( 1 0 3 0 。c ) 、中 温( 3 0 - 4 0 c ) 和高温( 5 0 - 6 0 c ) ，所以对应着3 种优势微生物种群：低温微生物、 8 中温微生物和高温微生物。相应的厌氧处理工艺一般分为：常温厌氧发酵、中温 厌氧发酵和高温厌氧发酵啪1 。 1 5 3 1 常温厌氧发酵 常温发酵也称为“自然温度 发酵，是指在自然温度下进行的沼气发酵，发 酵温度受气温影响而变化。我国农村中的沼气发酵般没有增温设施，基本采用 这种工艺省1 。常温发酵的沼气池结构简单、成本低廉、施工容易，便于推广嘲。 1 5 3 2 中温厌氧发酵 中温厌氧发酵指发酵料液温度维持在3 0 - 4 0 c 范围内。在此温度范围内，产气 率随温度的升高而增加。温度高于3 8 时，产气量反而下降。与常温发酵相比， 中温发酵具有原料分解快、产气率高、气质好等特点汹盯3 。与高温发酵相比，这种 工艺消化速度稍慢一些，产气率要低一些，但维持中温发酵的能耗较少，沼气发 酵能总体维持在一个较高的水平，产气速度比较快，料液基本不结壳，可保证常 年稳定运行嘲。 1 5 3 3 高温厌氧发酵 高温厌氧发酵指发酵料液温度维持在5 0 6 0 范围内，实际控制温度多在( 5 3 2 ) 之间。该工艺的特点是微生物生长活跃，有机物分解速度快，产气率高、 滞留时间短汹嚣1 。因此、高温发酵具有原料分解快、产气率高、环保效果好等特点， 非常适于城市生活垃圾和畜禽粪便的处理，可很快达到杀死虫卵和病原菌的目的， 但相对气质稍差、耗能较多h 仉札1 。 从图i - 2 可以看出，在高温区，特别是5 0 - 6 0 范围内，厌氧消化天数( 期) 较短， 即发酵周期短，相对之下处理能力较强；此外，根据其它资料显示旧3 ，高温厌氧发 酵还可以处理t s 在3 0 以上的固体发酵，不会产生酸中毒现象，而且可以迅速灭活 畜禽粪污中病原菌，表卜8 列举了畜禽粪污中几种病原体在不同的发酵温度下死亡 时间m 1 。 图1 - 2 温度与消化天数的关系 f 唔1 2t h em l a t i o n s h i pb e t w e e nt e m p e r a t u r ea n dt h ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nd a y s 9 表1 _ 8 病原体在沼气发酵过程中的死亡的时间 ! 塑! ：! ! ! ! 巴2 坐! 堕! 竺! 1 2 量竺苎翌! ! ! 生婴1 2 垡i 2 2 高温发酵( 5 3 - 5 5 土i - 2 c )中温发酵( 3 5 - 3 7 + 1 - 2 1 2 )常温发酵( 8 - 2 5 1 2 ) 天数 死亡率 天数 死亡率天数死亡率 1 5 4 接种物 接种物是指富含厌氧微生物的污泥，广泛存在于自然界，如阴沟污泥、积水粪 坑、河流和湖泊的底泥等缺氧或少氧的环境中。在污水中这些微生物絮凝在一起 并沉于水底，由于在厌氧发酵过程中h ：s 的生成，使絮凝物呈现黑色，粗看起来像 是黑色的泥土，但是在这些污泥中含有大量微生物，它们具有较强的生物活性， 所以称“活性污泥”。为了与好氧状况下形成的污泥相区别，所以把厌氧发酵形成 的污泥叫做“厌氧活性污泥”，就是通常所说的菌种或接种物m 1 。 接种物的来源、富集培养方式以及添加比例对厌氧发酵影响很大，主要表现为 以下方面h 糊1 ：影响厌氧发酵启动的快慢，甚至关系到能否启动：影响产气性 能、沼液成分和沼渣肥效；影响厌氧发酵期的长短；影响厌氧发酵过程的p h 、 v f a 、c o d 等指标的变化。 根据产甲烷菌对于温度的适应性，分为常温性的、中温性的和高温性的三种类 型。它们有其各自的适宜温度，而且对温度相当敏感。研究表明，温度突然上升 或下降5 c ，产气量显著降低，若变化过大则产气停止鲫。因为温度下降对产甲 烷菌活力的影响要大于对产酸菌的影响，导致产酸和产甲烷之间的严重不平衡， 使正常发酵失调嘲1 。因此，厌氧发酵接种物需要经过驯化富集之后才能使用，例 如高温发酵最好不要使用常温或中温发酵的底物直接接种吲。 为了使接种物类群能适应新的生态环境，必须对接种物进行驯化。接种物最好 来自同种污泥，以保持生态环境的一致性。 1 5 5p h 值 厌氧发酵的最适p h 值为6 8 7 4 。p h 值6 4 以下或7 6 以上都对产气有抑制 作用，p h 值在5 5 以下，产甲烷菌的活动则完全受到抑制陋。在发酵系统中， 如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段，则p h 值会降低，影响 甲烷菌的生活环境。图卜3 表述了在不同的p h 值下，甲烷菌的相对活性啼。 1 0 承为 萎 墓3 0 1 0 - 1 0 4 丐5 丘56 b 5 77 58 b 59曩5 p 擞 图1 3p h 值对产甲烷西的影响 f i g l 3t h ec f f e c to f p ho nm e t h a n e 在正常情况下发酵的p h 值是自然平衡过程，一般不需要进行调节。只有在配 料管理不当的情况下才会出出现挥发酸大量积累，p h 值下降。此时需要采取措施 进行调节，使之恢复正常。 1 5 6 营养物质 厌氧发酵过程本质上是微生物的培养、繁殖过程，待消化的有机物是微生物的 营养物质。在厌氧发酵过程中，各种微生物需要不断地分解有机物，从中吸收营 养以获得生命活动所需的能量。因此，有机物中含有的营养物质的种类和数量就 显得非常重要。除了需要保持足够的营养“量乃之外，还需要保持各营养成分之 间合适的比例，为微生物提供“足 且“平衡 的养分，其中原料中碳与氮的平 衡，亦即碳氮比( c n ) 尤为重要。 留3 0 0 0 0 奏 三三三兰兰 皿2 8 5 0 0 自 一2 8 0 0 0 卿2 7 5 0 0 定2 7 0 0 0 图i - 4c n 比与产气量的关系 f i g1 - 5t h er e l a t i o n s h i pb 翻：w 啪t h ec nv a l u ea n dt h et o t a lb i o g a sy i e l d 碳素为沼气微生物提供能源，又是形成甲烷的主要物质；氮素是构成细胞的主 要物质h 钔，所以说料液中的c n 比对发酵过程影响较大。一般来说c n 比在2 0 到 3 0 之间为宜。如果c n 比过大( 即碳过量) ，细菌的繁殖很快将氮素消耗殆尽，而 此时还有部分碳素未被利用，同时消化液的缓冲能力低，p h 容易降低；如果c n 比过小( 即氮素过量) ，则会形成铵盐的积累，这将导致p h 的上升，如果p h 超过 1 1 8 5 就会有害于产甲烷菌，抑制消化过程。 在发酵过程中，原料的c n 比值并不是固定不变的，微生物将一部分有机碳素 分解为甲烷和c o ：，这些气态产物从发酵液中逸出；另一部分碳素和氮素物质被微 生物吸收；多余的氮素物质则以n h 4 h c 0 3 的形式溶于发酵液中嘲1 。这样经过一次分 解，c n 比值会下降一次。因此，发酵液的c n 比值要比发酵原料的c n 比值为低。 常用发酵原料，如人畜粪便、农作物秸秆和杂草等都是生物体或其排泄物，用 这些原料进行发酵，从营养物质的成分来看，是比较齐全而丰富的，不需添加其它 营养成分。 表卜9 几种原科的水分，总固体、挥发性固体、碳氮比 t 幻1 9t h ec nv a l u eo f t h eu s u a lf e r m e n t a t i o nm a t e r i a l s 发酵起动时，原料的碳氮比包括接种物在内。根据各种原料的碳素和氮素的 含量，可以计算出混合原料的c n 比值。其计算公式如下伍5 1 ： 。 j f ( = 业 n i w i 式中：d 一原料的碳素含量伟) ； 朋一原料的氮素含量( ) ； 所一原料的质量； 一混合原料的c n 比值 该公式不仅可以用来计算己知混合原料的碳氮比值，也可用来计算在配制成一定 碳氮比值的原料时某一种原料的需要量。 1 5 7 搅拌 以畜禽粪便、农作物秸秆为主要原料的发酵过程中，由于纤维素、木质素等难 降解物质比例较大，容易出现料液分层现象，可以观察到明显的三层，根据各层的 性质不同一般分为四层：上层为浮渣层、中层为清夜层、中下层为活性层、下层为 沉渣层幽1 。因为微生物不能与浮渣层原料充分接触，上层原料难以降解发酵，而下 层沉淀又占有较多的有效容积，因此原料产气率和池容产气率较低。一般采用搅拌 1 2 来打破浮渣层，使料液重新均匀混合。 厌氧发酵过程对发酵料液搅拌，一是破除浮渣层对沼气的扩散阻碍；二是使物 料与微生物充分接触汹瑚柚。但搅拌会破坏微生物已经形成的菌落( 适宜的生存环 境) ，对其会造成不利的影响；而且对于高温消化，由于微生物的活动非常活跃，气 体和液体的流动也很激烈，故搅拌对产气情况影响不大拍。 1 5 8 其他因素 以上因素是影响厌氧生物处理技术中需要考虑的共性问题，除此以外，一些其 他因素也是影响反应进行的重要原因，如接种物驯化旧1 、负荷泓3 、碱度1 3 和反应器 畸3 类型等。 1 6 畜禽粪便厌氧处理的优势 图1 - 51 一沼气的用途 f i g 1 - 5 t h eu s a g eo fu n i tm 3b i o g a s 从经济效益角度分析，畜禽粪便有机物含量高，经过厌氧生物处理能回收大量 沼气。有机物质转变成甲烷的过程中实现了垃圾的减量化。沼气是一种宝贵的清洁 能源，其热值比城市管道煤气高，其用途如