（环境工程专业论文）生物垃圾厌氧发酵的原理研究.pdf

生物垃圾厌氧发酵的原理研究 摘要 经济的发展使人民的生活水平有了大幅的提高，城市垃圾的产生量以平均 每年1 0 的速度增长，城市垃圾既污染了环境，又造成了资源的浪费，已成为 我国城市环境所面临的最严峻的挑战。厌氧发酵处理城市生物垃圾法是城市垃 圾“减量化、无害化、资源化”的有效方法之一，近些年收到国内外专家的普 遍关注。 本文以黄山路农贸市场生物垃圾为研究对象，结合安徽省自然科学基金“城 市源头分类生物垃圾的性质及其生物处理( 堆肥和沼气生产) 的研究”、安徽省 高等学校自然科学研究项目“生物垃圾的源头分离与快速发酵应用研究”。通过 对厌氧发酵中还原糖、半纤维素酶、纤维素酶、p h 值等指标的监测，研究接种 物浓度、颗粒度、p h 值、温度等因素对发酵产气及甲烷含量的影响。通过研究 发现： ( 1 ) 接种物浓度对反应启动速度的影响是显著的。当物料浓度一定，物料浓 度与接种物浓度之比为5 3 、5 4 的产气量始终高于其它三个比例，系统 产气过程平稳，这对加快系统启动速度是有利的。接种物浓度并不是越 大越好，适宜的接种物浓度有利于菌的生长，使产气加快。 ( 2 ) 从产气方面来看，粒径大小的影响较为明显，特别是l c m 表现突出，在 反应进入1 3 天以后产气量逐渐加大，并且保持了7 天时间，最大峰值 为1 2 9 0 m l ，甲烷气含量也是所有罐子中最高的大道5 1 。颗粒粒径的 大小对还原糖、半纤维素酶、p h 值影响不大。 ( 3 ) 研究表明3 5 度是气体产量和甲烷含量均达到同组反应的最好水平。温 度实验出现了酸化现象，严重影响了甲烷菌的生长，致使产气量和甲烷 含量都偏低，同时还原糖、纤维素酶、半纤维素酶均受到酸化现象的影 响，酶活力较低。因此应定时监测，一旦p h 值过低，应及时调节p h 值，为甲烷的生长创造良好环境。 ( 4 ) 五个罐子中初始p h 为7 5 和9 的反应罐产气量和甲烷含量较高，调节 初始p h 有利于增加半纤维素酶和纤维素酶活力，7 5 和9 的两种酶的酶 活较高，说明上料前对物料进行初始p h 值的调节有利于厌氧反应产甲 烷。 关键词：生物垃圾，厌氧发酵，影响因素，甲烷含量 b i o l o g i c a lw a s t ea n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t h e o r yr e s e a r c h a b s t r a c t e c o n o m i cd e v e l o p m e n tf o r t h ep e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d sh a v eg r e a t l yi m p r o v e d ， t h ev o l u m eo fm u n i c i p a lw a s t eg e n e r a t e di nt h ea v e r a g ea n n u a lr a t eo f1 0 ，u r b a n g a r b a g ep o l l u t e dt h ee n v i r o n m e n ta n dc r e a t e daw a s t eo fr e s o u r c e s ，i th a sb e c o m e c h i n a su r b a ne n v i r o n m e n t f a c i n g t h em o s ts e v e r e c h a l l e n g e s a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o np r o c e s s i n go fb i o l o g i c a lw a s t ei so n eo ft h ee f f e c t i v ew a y st h a tm a k e u r b a ng a r b a g e ”r e d u c t i o n s ，t e c h n o l o g ya n dr e s o u r c e s ”，i nr e c e n ty e a r si tr e c e i v e d a t t e n t i o nf r o me x p e r t s r e f u s eo ff a r mf a i ro nt h eh u a n g s h a nr o a da sr e s e a r c hs u b j e c t ，c o m b i n e dw i t h t h ea n h u ip r o v i n c i a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no ft h e ”t h en a t u r eo fc l a s s i f i e d b i o l o g i c a l r e f u s ea n db i o l o g i c a lt r e a t m e n t r e s e a r c h ( c o m p o s t i n g a n d b i o g a s p r o d u c t i o n ) ”，a n h u il e a r n i n gs c i e n c er e s e a r c hp r o j e c t s ，”t h es o u r c es e p a r a t i o no f g a r b a g ea n db i o l o g i c a lr a p i df e r m e n t a t i o na p p l i e dr e s e a r c h ”t h r o u g hm o n i t o r i n g a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fr e d u c t i v es u g a r ，s e m i - c e l l u l o s ee n z y m e ，c e l l u l o s e e n z y m e ，t h ep ho fi n d i c a t o r s ，r e s e a r c hi m p a c to fv a c c i n a lm a t t e r ，p a r t i c l ed e g r e e s ， t h ep h ，t e m p e r a t u r ea n do t h e rf a c t o r so nt h ef e r m e n t a t i o ng a sa n dm e t h a n ec o n t e n t s t u d ya n df o u n d ： ( 1 ) t h er a t eo fv a c c i n a t i o nf r o mv a c c i n a lm a t t e ro nt h ei m p a c to far e s p o n s ei s s i g n i f i c a n t w h e nt h ec o n c e n t r a t i o no fc e r t a i nm a t e r i a l s ，g a sp r o d u c t i o no f 5 3a n d5 4t h er a t eo fm a t e r i a l sc o n c e n t r a t i o n sa r ea l w a y sh i g h e rt h a nt h e o t h e rt h r e er a t i o s ，t h es y s t e mo f fg a ss m o o t hp r o c e s s ，w h i c hs t a r t e do nt h e s y s t e ms p e e dw i l l b eb e n e f i c i a l c o n c e n t r a t i o n sa r en o tv a c c i n a t e da s p o s s i b l e ，a p p r o p r i a t ev a c c i n a t i o nc o n c e n t r a t i o ni sc o n d u c i v et om o l dg r o w t h a r et oa c c e l e r a t eg a sp r o d u c t i o n ( 2 ) f r o m g a s ，t h em o r e o b v i o u se f f e c t so f p a r t i c l es i z e ，e s p e c i a l l yl c m o u t s t a n d i n gp e r f o r m a n c e ，i nr e s p o n s et o1 3d a y so f fd e c e n c yg r a d u a l l y i n c r e a s ea n dm a i n t a i nt h es e v e nd a y s ，t h el a r g e s tp e a k st o1 2 9 0 m l ，m e t h a n e g a sc o n t e n ti st h eh i g h e s to fa l lj a r s ，r e a c h5 1 r e d u c t i v es u g a r ，s e m i c e l l u l o s ee n z y m e ，t h ep ho ft h ep a r t i c l es i z ei sn o ta f f e c t e d ( 3 ) s t u d i e ss h o wt h a tm e t h a n eg a sp r o d u c t i o na n dc o n t e n to f3 5d e g r e e sa r et h e b e s tr e s p o n s eo nt h es a m eg r o u pl e v e l t e m p e r a t u r ee x p e r i m e n t se m e r g e d a c i d i f i e dp h e n o m e n o n ，a n di ts e r i o u s l ya f f e c t e dt h em e t h a n eb a c t e r i ag r o w t h ， m e t h a n ec o n t e n ti s l o w ，w h i l er e d u c t i v es u g a r ，c e l l u l o s ee n z y m e ，s e m i - c e l l u l o s ee n z y m e sa r e s u b j e c tt o t h ee f f e c t so fa c i d i f i e d p h e n o m e n o n ， e n z y m ev i t a l i t yl o w t h e r e f o r ew es h o u l dr e g u l a r l ym o n i t o ro n c ep ht o ol o w t h ep hs h o u l db ea d j u s t e d t i m e l yt o c r e a t ea g o o de n v i r o n m e n tf o r t h e g r o w t ho fm e t h a n e ( 4 ) i n i t i a lp ho f7 5a n d9r e s p o n s ec a n so f5j a rh a v eh i g hm e t h a n ec o n t e n t ， a d j u s t m e n tt h ei n i t i a lp hc a ni n c r e a s es e m i c e l l u l o s ee n z y m e sa n dc e l l u l o s e e n z y m ev i t a l i t y ，s e m i c e l l u l o s ee n z y m e sa n dc e l l u l o s ee n z y m eo f7 5a n d9 h i g h e rt h a no t h e r s a d j u s t i n gi n i t i a lp ho ft h em a t e r i a li sb e n e f i c i a l k e y w o r d ：b i o l o g i c a lw a s t e ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，f a c t o r s ，m e t h a n ec o n t e n t 插图清单 图3 1还原糖变化曲线 图3 - 2半纤维素酶变化曲线 图3 3 纤维素酶变化曲线 图3 4p h 值变化曲线 图3 5产气量变化曲线 图3 - 6甲烷含量变化曲线 图4 - 1还原糖变化曲线 图4 2 半纤维素酶变化曲线 图4 3纤维素酶变化曲线 图4 - 4 p h 值变化曲线 图4 5产气量变化曲线 图4 6甲烷含量变化曲线 图5 1还原糖变化曲线 图5 - 2 半纤维素酶变化曲线 图5 - 3纤维素酶变化曲线 图5 - 4 p h 值变化曲线 图5 5 产气量变化曲线 图5 - 6甲烷含量变化曲线 图6 - 1还原糖变化曲线 图6 2半纤维素酶变化曲线 图6 3纤维素酶变化曲线 图6 - 4p h 值变化曲线 图6 5产气量变化曲线 图6 - 6甲烷含量变化曲线 挖捣m笛笛拍如钉砣弛粥”卯弘钉钙钉们犍 表3 - 1 接种物浓度实验上料表 表4 - 1 颗粒度实验上料表 表5 - 1 温度实验上料表 象6 - 1 酸碱度实验上料表 表格清单 2 0 2 8 3 5 4 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究l = 作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加咀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 盒胆工些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同t 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 并表示谢意。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒目b 王些盘堂有关保留、使用学位论文的 规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许 论文被查阅和借阅。本人授权佥魍王些厶堂可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 嚣，鬻乎珀 签字日期：0 卅年月甲 日 j | 导师签名：夕勿影 签字目期：捌多年占 月7 日 电活 邮编 崎 剪日 凉叩 名年 糙洲 作： 文期 硷日 位字 学签 致谢 在三年的硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了 导师汪家权教授、蔡敬民教授的悉心指导，从课程学习、论文选题，还是到收 集资料、论文成稿，都倾注了汪家权教授、蔡敬民教授的心血，由衷感谢汪家 权老师在学业、生活及各方面所给予我的关心和帮助。 同时，真诚感谢合肥学院院长桨敬民教授、合肥学院生物系吴克教授、余 志敏副教授、金杰副教授，以及合肥学院生物系的全体老师和2 0 0 5 、2 0 0 6 界的 学生，在论文撰写期间给予我的大力支持。 作者：涂卫峰 2 0 0 6 年5 月 第一章概述 1 1 前言 国民经济的飞速发展，城市化进程不断加快，城市人口不断增多，城市垃 圾产生量以平均每年1 0 的速度增长，我国垃圾每年的堆存量达到6 0 亿吨， 全国2 0 0 多座城市已陷入垃圾包围之中。城市垃圾既污染了环境，又造成了资 源的浪费，己成为我国城市环境所面临的最严峻的挑战，对城市生活垃圾的科 学化管理与无害化处理处置已成为我国城市可持续发展的紧迫任务之一。如何 实现城市垃圾的“减量化、无害化、资源化”处理，消除城市环境污染和实现资 源二次利用的可持续发展己成为必须解决的问题。 目前我国除了6 座城市自2 0 0 0 年列为生活垃圾分类收集试点外，总体而言 我国生活垃圾的处理仍为原始的混和收集、混和清运、混和处置方式。城市生 活垃圾的9 0 以上采用下述流程：生活垃圾从源头? 收集? 清运? 处置各环节 均为混和状态。这为生活垃圾的处理带来了一系列严重的问题：生活垃圾不分类 无法大量回收其中的可回收物一资源，减少了直接经济收益，造成所有或绝 大部分生活垃圾在其处理流程中全过程运行，相对来讲等于加大了处理负荷，增 加了生产成本。 1 2 国外的研究状况 在发达国家，垃圾创造着一个又一个的奇迹。垃圾可作沼气，经燃烧后产 生热量，为城市供暖；又黑又脏的垃圾水，经处理后，变得清澈、洁净；一堆 堆玻璃碎渣经分捡后送进高温火炉熔化，变成了各类精美的器皿；成捆成捆的 废杂志、报纸送进纸厂，又成了卷筒纸让垃圾成为绿色平台，上面植满了 花草，迎风摇曳【2j 。目前，全世界每年大约有1 0 0 万吨的有机废物经过厌氧消 化处理，一方面产生生物气，另一方面实现了废物的稳定化。尤其在欧洲和美 洲，固体废物的厌氧消化在研究和实际的应用中都得到了很好的发展，现在已 经是一项很成熟的技术【3 】1 4 。例如法国主要的处理方法是填埋法和焚烧法，焚 烧会排出温室气体污染空气，填埋也会污染土壤。法国目前正尝试用甲烷化处 理法处理有机垃圾，使之对环境和经济都有益处。法国公司开发了一种对生活 垃圾进行甲烷化处理的工艺，垃圾在进料斗中由液压推料器送入回转生化器并 停留3 天，最高温度是6 5 度。3 天后垃圾中的各种病原菌被杀死，随后进行筛 分，筛分后的可降解料加水制成泥状送入制气罐。罐内沼气达到一定压力后， 又被循环进罐体内，对垃圾进行搅拌，实现沼气的部分循环。制气罐排出的料 液进行二次腐熟作为肥料【5j 。这一过程需3 0 天时间，直到垃圾完全降解，摄终 生产出高质量的堆肥。沼气在出口处收集并贮存起来，可以通过制造热能和发 电的形式再利用。一套完整的甲烷化垃圾处理设备的费用相当于同等处理能力 焚烧设备的1 2 ，而且运营费用前者比后者低3 0 4 0 。甲烷化处理在欧洲越 来越受到农户的欢迎，因为厌氧发酵最终产生的废料能改善由于农业强化耕作 导致的土地贫瘠现象。在德国g o e t t e m e i n o l f e t a l 将m s w 筛选、碾磨、磁分后 所得剩余物进行二段发酵：水解和酸化发酵，( p h 6 5 ，5 5 6 5 ) ；上述产物去除 水和重金属所得淤泥再厌氧发酵( p h 7 ，7 5 ) 产生甲烷气【6j 。英国帝国科学技术 与医学学院在1 9 9 8 年提出将m s w 和淤泥共同厌氧处理，这种方法既能做到有 机废物的消化，且能产生甲烷气用以发电，取得比焚烧和堆肥更好的经济、环 境效益1 7 】【”。日本用下水和牲畜粪便发酵产沼气提供氢燃料电池发电。东芝公 司2 0 0 1 年就建立了一台2 0 0 k w 燃料电池发电，所需的氢由猪粪发酵所得。 湿式完全混合厌氧消化工艺的应用最早也最为广泛。此工艺固体浓度维持 在1 5 以下，其液化、酸化和产气3 个阶段在同一个反应器中进行，具有工艺 过程简单、投资小、运行和管理方便的优点。目前，欧洲9 0 的消化处理采用 此工艺【9 】。1 9 8 9 年在芬兰的瓦萨建立了第一个工业规模的垃圾消化处理厂；1 9 9 5 年在德国建成年处理能力为6 5 0 0t 的消化处理系统；1 9 9 9 年在意大利的v e r o n a 和荷兰的g r o n i n g e n 分别建立了两个垃圾消化处理厂【”】【1 1 1 。厌氧干发酵系统的 固体浓度可以维持在2 0 5 0 ，从而大大的提高了处理能力，一开始就引起了 研究者们的浓厚兴趣。早在1 9 8 8 年s p e n d l i n 和s t e g m a n n y 以及1 9 9 3 年b a e t e n 和v e r s t r a e t e 的研究中均指出不将垃圾与水进行混合稀释也可以取得和湿式工 艺相同的沼气产率和产量。根据1 9 9 9 年d eb a e r e 的调查，2 0 世纪8 0 年代后 建立的消化工艺过程多是干发酵工艺【“】。干发酵系统中只有含水率非常低的原 料需要进行稀释，用水量小。同时，厌氧干发酵系统对进料的分选要求不高， 原料进入处理系统前，只需用滚筒筛将大的颗粒物去除即可。然而，从投资角 度看干发酵工艺比湿式工艺要高得多，不仅要设计能够抗酸、抗腐蚀性强的发 酵反应器，还需要特制的泵1 1 ”。 在欧洲，固体垃圾厌氧消化中，两相消化所占的比重比单相消化要小得多。 原因是在实际的市场运作中，两相消化并没有表现出优越性，两相消化系统需 要更多的投资，运转维护也更为复杂【”】【4 。选择中温厌氧还是高温厌氧也是国 外研究者争论的焦点之一，国外厌氧消化反应大多是在中温下进行，随着政府制 定的处理排放卫生指标越来越高，高温厌氧消化受到研究者的普遍关注。在欧 洲，高温厌氧消化是一个刚刚兴起的非常有潜力的技术f 】。高温条件对于有机 废物的降解和杀灭病原菌效果更好，尤其对于厌氧消化残余物须用于土地处理 的情况，高温处理更是必要的【1 5 】1 4 1 。高温消化可以比中温消化有更短的停留时 问和更小体积的反应器。然而在高温消化的实验中，处理能力并不比中温消化 高，这主要是由于高温条件下，氨的浓度比中温条件下高，毒性抑制更为显著。 另外，在高温实验中无法形成个稳定的高温菌群也是重要的原因。因此，如 何快速地将中温微生物转变为高温微生物、如何维持高温厌氧消化过程的稳定 性、如何解决在高温处理有机废物的过程中氨氮抑制的闷题是目前研究的热点 问题 16 - - 1 s 1 4 1 。 1 ，3 国内厌氧发酵的研究状况 在国内，随着人们生活水平的提高，生活垃圾中有机垃圾的比例不断提 高，对于这部分机垃圾有许多学者尝试着用厌氧消化的方法来处理。实际上， 中国农村的沼气发酵就是典型的利用厌氧消化法处理废物获得能源的代表。但 是农村废物发酵的时间比较长，而且产气量比较小，需要研究者将更多的叛技 术应用于厌氧发酵解决上述问题。目前大部分专家把目光对准了厌氧消化工艺 及影响因子的研究【q j 。 沼气发酵的原料种类众多，多见农作物秸秆、人畜粪便等。在农村常常就 地取材，以多种原料混合装池，发酵产气| 1 9 - z l 】。而在城镇，多选择各种植物 作为发酵原料，进行发酵产气潜力研究。如利用马蹄莲进行试验，进行不同配 比的实验。发酵前后对照t s 、v s 含量都不同程度的下降，发酵启动非常快， 在发酵的2 - 9 天产气量比较旺盛，1 4 天后产气急剧减少，发酵周期较短。与其 他原料相比，马蹄莲产气能力是猪粪和青草在相同温度下的两倍。p h 值在整个 发酵的过程中无明显变化，可见料液被控制在中性和偏碱性，能很好的实现发 酵产沼气【22 1 。 随着对厌氧发酵研究的不断深入，专家、学者对不同接种物对厌氧发酵的 影响产生浓厚的兴趣。利用发酵2 0 天( 第一组) 和发酵6 0 天( 第二组) 的沼 液作为接种物，第一组的营养物质少于第二组，产甲烷菌的世代时间较长，甲 烷菌的数量较少。对于相同的原料，由于接种物是处在不同阶段的沼液，对产 气特性的影响也是不同的。发酵2 0 天的沼液营养条件较好，菌群活跃，接种后 反应速度较快，产气量较大。除了不同接种物对发酵有影响，不同的接种物浓 度对厌氧发酵也有影响。原料浓度一定的情况下，接种物比例大在反应的前期 产气量始终很高，整个的反应速度很快，p h 值变化范围小，系统产气过程平稳， 同时有利于有机物的降解 2 3 1 。 温度是影响厌氧生物处理工艺的重要因素。主要有以下几方面：温度对微 生物宏观活性有影响；温度对厌氧反应动力学参数有影响：温度突变对厌氧反 应的运行效果有影响1 2 “。研究者对常温、中温、高温下厌氧反应的状况都有研 究。位于地下的常温厌氧反应池运行稳定，有较强的耐受力，池内发酵温度相 对稳定性高，对气温变化缓冲能力强，其日变化幅度在0 5 之间，长年变化 范围约在1 0 一2 6 之间1 2 “。 1 4 垃圾主要处理方法 垃圾指在人们生产和生活中产生的固体废弃物。有机废物是指有机质含量 很高的固态废物，它们一般具有可生化降解性。这些废物中蕴含着大量的生物 质能，有效利用这类生物质能源，对实现环境和经济的可持续发展具有重要意 义。垃圾的处理方法很多：堆肥、填埋、焚烧、流化床制燃气、垃圾燃料、垃 圾投海、垃圾养殖蚯蚓、垃圾做筑路材料、垃圾制砖、垃圾制石油、纤维糖化 技术、废纤维饲料化技术、垃圾炼钢、垃圾产沼技术等，其中最为常用的处理 方式有堆肥、填埋、焚烧。我国人多地少，资源不足，垃圾的年排放量巨大。 粗旷式的垃圾处理方法每年损失价值2 5 0 亿元的再生资源，又影响社会环境的 质量，破坏生态平衡，引起社会经济的巨大损失。我国“九五”、“十五”城市基 础设施建设的重点之一就是建设垃圾处理场，主要方式为卫生填埋，有条件的 可以进行焚烧或堆肥处理1 2 。 堆肥是在控制垃圾的含水率、温度、通风量、碳氮比等工艺条件下，利用 微生物对垃圾中的有机物进行降解，使其成为具有良好稳定性的有机肥料。现 在堆肥工艺大多采用好氧工艺，发酵温度可达到7 0 度，能消灭大部分病原微生 物，对有机物的降解比较彻底。对于发热量较高的垃圾，可将其放入焚烧炉在 7 0 0 1 0 0 0 度温度下焚烧。焚烧法产生的残渣体积较少，无害化低，焚烧产 生的能量可用于发电和供热，最大程度的回收垃圾中所含的能量【2 ”。 但是这些方法处理有机垃圾时存在严重问题。因为有机垃圾若进行填埋， 在降解过程中会产生高浓度的渗沥液和易燃易爆的气体，若不妥善处理，不但会 严重污染水体和空气，甚至可能产生爆炸事故。大量有机垃圾进入填埋场，也会 使填埋场对环境存在潜在污染的时间延长；随着填埋场地选址难度的增加，过分 依靠卫生填埋来处理有机垃圾显然不合理。因为有机垃圾含水量较高，热值较低 等特点使焚烧处理成本高。处理有机垃圾最好的方式是生化处理，好氧堆肥是 生化处理的一种形式，但完全依靠堆肥也存在不少问题，主要表现为：一方面，在 有机物浓度较高的情况下，由于湿度加大，好氧堆肥难度增大，容易形成厌氧状 态：另一方面，由于堆肥产品体积较大，运输成本较高，影响了堆肥处理的经济性。 因此，在我国应该积极探索新的处理有机垃圾的有效方式。近年来，欧洲国家对 垃圾厌氧消化进行了研究和探索，并己得到了广泛的应用。利用厌氧方式处理有 机垃圾，不仅可以生产大量清洁能源沼气，而且可以生产优质的有机肥料。考虑 到目前常用的垃圾处理方法的局限性及我国垃圾的特点，垃圾厌氧消化技术在 我国推广应用具有广阔的前景【2 8 】。 1 5 厌氧发酵工艺类型 半连续投料沼气发酵：根据运行的连续性，厌氧消化可以分为连续氧消化 工艺和间歇的厌氧消化工艺。间歇的厌氧消化工艺实际上是将垃圾序批地投入 到反应器中，然后用水喷淋垃圾，再将渗滤液回流或利用后续厌氧工艺处理渗 滤液。间歇厌氧消化工艺一般进料固体浓度在3 0 一4 0 之间1 4 】。半连续投料沼 气发酵的特点是启动时一次投入较多的发酵原料，产气一一用气，经过一段时 间，当产气量趋向下降时，丌始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的 产气率。它适于农村原料来源和集中用肥的情况。 分层满料沼气发酵：分层满料沼气发酵属于半连续沼气发酵工艺，其主要 特点是：混合原料，分层装满，反应器内堆沤，干湿发酵结合。此发酵工艺启 动用水少，操作简单，节省劳力。一个流程内分为启动、运行、出料三个阶段， 根据原料收获和用肥季节来完成流程的次数。 批量投料发酵：这是一种比较简单的发酵形式，特点为将发酵原料一次性 投入沼气池，当发酵周期结束后，取出反应池中的料液，再投入下一批新料。 其产气量初期上升很快，维持一段时间的产气高峰后，即逐渐下降，发酵产气 不均衡，但是使用、维护、管理简单。 干发酵工艺：根据废物中有机固体浓度的大小可以把厌氧发酵分为干法厌 氧消化工艺和湿法厌氧消化工艺。干法厌氧消化，即保持固体废物的原始状态 进行厌氧消化，反应器内的消化物料的t s 浓度在2 0 。4 0 之间。湿法厌氧工 艺中有机固体废物通常要用水稀释到进料中t s 低于1 5 1 2 9 】。干法对于预处理 的要求比湿法简单，一般不需要对进料进行稀释，但干法中为了满足废物高粘 度的需求，所用的设备要比湿法昂贵。由于湿法中的浆液处于完全混合的状态、 破坏了生态的“小生境”，更容易受到氨氮、盐份等物质的抑制。通常，干法处理 比湿法处理具有更高的有机负荷率和产气效率，因此越来越受到研究者的关注 1 4 】。干发酵工艺属于批量投料发酵类型，优点是省水、池荣产气率高，可以缩 小沼气体积，方便进出料，适宜用固体肥料的农村和干旱地区。 两步发酵工艺：根据反应的级数，厌氧消化工艺可以分为单相厌氧消化工 艺和两相厌氧消化工艺；两相厌氧工艺将厌氧消化过程在两个单独的反应器中 进行，为产酸菌和产甲烷菌提供了各自的生存环境，能够降低在有机负荷过高 的情况下挥发有机酸积累对于后续甲烷产气的抑制，降低反应器中不稳定因素 的影响，提高反应器的负荷和产气的效率。在两相厌氧消化工艺中，可以根据 实际需要在产酸相和产甲烷相应用高效的厌氧反应器【4 1 。两步发酵法就是这种 类型，厌氧发酵的产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个池子里进行。前一个池子 是水解产酸池，它是敞口池，产出的酸液流进后一个池子；第二个池子是普通 的沼气池，为产甲烷池，它用前一个池子酸液作为发酵原料，没有渣，产气率 高，其中甲烷含量也高。此工艺实现了发酵过过程的最优化，不仅气体甲烷含 量高，而且实现了沼渣、沼液分离，便于出料和运肥。 根据厌氧消化过程中甲烷菌的最适温度范围，厌氧消化还可以分为中温消 化过程( 3 0 3 6 。0 ) 和高温消化( 5 0 一5 3 ) m 】。 1 6厌氧发酵的工艺条件 厌氧发酵微生物要求适宜的生活条件，对温度、酸碱度及其他各种环境因 素都有一定的要求。反应器发酵产气的好坏与发酵条件的控制密切相关。 ( 1 ) 严格的厌氧环境 厌氧发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，它们都是厌氧性细菌，尤 其是产甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感。它们不能在有氧的环境中生存， 即使有微量的氧存在，生命活动也会受到抑制，甚至死亡。因此，建造一个不 漏水、不漏气的密闭的反应器，是人工制取沼气的关键。这不仅是满足装入发 酵原料的需要，更重要的是保证沼气细菌在厌氧条件下生活，达到正常产气的 目的。厌氧发酵开始时，原料入池会带入一部分氧，好氧菌和兼性厌氧菌的活 动，迅速消耗了溶解氧，使反应器的氧化还原势逐渐降低，从而创造了良好的 氧化还原势条件。 ( 2 ) 发酵温度 厌氧微生物是在一定的温度范围进行代谢活动，可以在8 6 5 度产生沼气， 温度高低不同产气速度不同。在8 6 5 度范围内，温度越高，产气速度越快，但 不是线性关系。4 0 5 0 度是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过渡区域，它们 在这个温度范围内都不太适应，因而此时产气速度会下降。当温度增高到 5 3 5 5 度时，沼气微生物中的高温菌活跃，产气的速度最快。厌氧发酵速度温 度突然变化，对产气量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。 在进行中高温发酵时，要筛选、培养菌种。一般常温发酵温度不会突变；对中 温和高温发酵，则要求严格控制料液的温度。产气的一个高温在3 5 度左右，另 一个更高的高峰在5 4 度左右。前者叫中温发酵，后者叫高温发酵，在这两个晟 适宜的发酵温度中，是由两个不同的微生物群参与作用的。 常温发酵在发酵过程中基本上不进行温度控制，发酵料液的温度随自然温 度变化。其优点是设备简单，便于推广：缺点是产气率低，尤其是冬季经常由 于温度过低，而影响产气。高温和中温发酵处理原料效率高。处理时间短，产 气量高。但需要消耗大量的能量用于加温和保温。 ( 3 ) 发酵原料 原料是供给朝气发酵微生物进行正常生命活动所需的营养和能量，是产气 的物质基础。农业剩余物、秸秆、杂草、树叶等家畜的粪便，工农业产生的有 机废水废物，水生植物都是进行沼气发酵的原料。 ( 4 ) 料液的浓度 料液中干物质含量的百分比为料液浓度。反应器内发酵料液浓度随季节的 变化而4 i 同。在夏季，发酵料液浓度可以低一点，要求浓度在6 左右；冬季 浓度应高些，为8 左右。发酵料液的浓度太低或太高，对产气都不利。浓度 太高含水量太多，有机物含量相对减少，会降低反应器单位容积的产量：浓度 太高含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发酵受 到阻碍，产气慢而少。要根据发酵料液含水量的不同，在进料时加入相应的水， 使发酵料液的浓度适宜，充分合理利用发酵料液得到稳定的含水率。 ( 5 ) 酸碱度 酸碱度是指溶液中氢离子浓度，溶液中氢离子多，呈酸性；氢离子少，则 呈碱性。沼气微生物最适宜的p h 值范围是6 8 7 5 ，这旱p h 值是指反应器中 的高低。p h 的变化是由于被消化物组分瞬间变化而使两个阶段之白_ 】出现不平衡 所引起的，若不平衡已经出现了才通过人工措施调整p h 值，则不能很快消除 已经产生的酸对甲烷菌的毒害。因此，最好的办法是对进料进行于处理或在启 动初期进行人工调整。为了准确控制p h ，对反应器内的不同部位设置取样点， 定期或不定期测定p h ，及时了解变化。 ( 6 ) 碳、氮、磷比例 发酵料液中的碳、氮、磷含量的比例，对沼气生产有重要的影响。碳氮比 以( 2 0 。3 0 ) 1 为佳；碳氮磷比例以1 0 4 0 8 为宜。对于农副产品的剩余物氮磷 的含量均能超过规定比例下限，不需另外投加。 ( 7 ) 添加齐u 和抑带0 齐0 厌氧发酵的正常进行于刺激物和抑制物有密切关系。许多物质可加速发酵 过程，而另一些物质却抑制发酵的进行；还有些物质在低浓度时有刺激发酵作 用，而在高浓度时有抑制作用。反应器内挥发酸浓度过高，对发酵有抑制作用； 氨态氮浓度过高时，对厌氧发酵有抑制和杀伤作用；农药对发酵菌有杀菌作用， 即便含量极少也能破坏发酵。 ( 8 ) 搅拌 搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加产甲烷微生物与原料的接触面， 加快发酵速度，提高产气量。同时也可防止大量原料浮渣结壳，导致原料利用 率降低，使产气的沼气释放困难。搅拌的方法：机械搅拌、气搅拌、液搅拌， 搅拌时注意搅拌的速度不宜过大。 ( 9 ) 接种物 有机物厌氧发酵生产沼气，是由多种厌氧菌参与完成。在发酵初期加入厌 氧菌作为接种物即接种物，其菌种多少，直接影响产气的快慢。条件具备时， 采用生态环境一致的厌氧污泥作为接种物；不具备条件时，需要进行菌种富集。 菌种富集和培养，是选择活性较强的污泥，或是污水沟底正在发泡的污泥，或 是从反应器底部取出的污泥，或是污水处理厂排出的污泥，或是人畜粪便等添 加适量( 菌种量的5 1 0 ) 有机废水或作物秸秆，装入要密封的容器内，在适宜 的温度( 常温1 5 2 5 ，中温3 5 ，高温5 4 ) 条件下，厌氧培养7 8 ，控制 其p h = 6 8 7 5 ，再加入适量的有机废水，重复操作，逐渐扩大。 沼气发酵是沼气微生物群分解代谢有机物产生沼气的过程，沼气微生物像 其他生物一样，对环境有个适应范围。上述各项是沼气微生物群维持正常活动 所必需的条件，只有满足这些条件要求，沼气发酵方能正常运行下去。如果希 望沼气工程在运行中始终保持产气旺盛的状态，必须使上述条件都处于最佳范 围，为沼气微生物群创造一个适宜的生活环境，以达到较高产气量的目的。 1 7 厌氧发酵的微生物类群 ( 1 ) 非甲烷细菌 发酵性细菌：复杂有机物如纤维索、蛋白质、胎类等不能溶解于水，必须首选 发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能 为微生物所利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进细胞内，经发酵分解， 将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量氢气和二氧化碳。参与这一 水解发酵过程的微生物种类繁多，已研究过的就有几百种，包括 状芽胞杆菌、 拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气状芽胞杆菌、产琥珀酸菌、北京丙 酸杆菌和产氢螺旋体等。这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌。 产氢产乙酸菌：发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除 甲酸、乙酸和甲醇外均不能被产甲烷菌直接利用，必须由产乙酸军将其他有机 酸和醇类分解转化为乙酸、氢气和二氧化碳。研究表明，上述反应过程在标准 状况下不但不能产生能量，反而消耗能量，因而反应不能发生。 耗氢产乙酸菌：耗氢产乙酸军原称同型产乙酸菌，这是一类混合营养型细菌可， 它们既能代谢氢气和二氧化碳生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。这些菌在沼 气发酵过程中的重要性还未被广泛研究。已分离到的耗氢产乙酸菌有伍德乙酸 杆菌、威林格乙酸杆菌、嗜热自养菌等，这些均在厌氧消化中的作用在于增 加了形成甲烷的直接前体物质乙酸，同时由于它们在代谢氢气二氧化碳时 要消耗氢，而在代谢有机物时不产氢，可使厌氧消化系统保持低的氢分压，有 利于沼气发酵的正常进行。但它们在代谢有机物时，其生长速度比水解发酵菌 要慢得多，在代谢氢气，二氧化碳时也不如产甲烷菌生长快，因此它们在沼气发 酵过程中的作用可能并不重要。 ( 2 ) 产甲烷细菌 产甲烷菌：在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群生理上高度专化的细菌 产甲烷军所引起。产甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的最后一组成 员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们f 在食物链中的地位使它们具有共同 的生理特性。它们在厌氧条件下，将前三群细菌和代谢的终产物，在没有外源 受氢体的情况下，把乙酸和氢气- - 氧化碳转化为气体产物( 甲烷- - 氧化碳) ， 使厌氧消化系统中有机物的分解作用得以顺利进行。产甲烷菌的生理特性：产 甲烷菌都生活在没有氧气的厌氧环境中，对氧非常敏感，遇氧后会立刻受到抑 制。产甲烷菌在自然界中生长特别缓慢，即使在人工培养下，也要经过十几甚 至几十天才能长出菌落。主要原因是能够利用的底物少，底物转化为甲烷所释 放的能量很少，因此合成的能量也少，使微生物的生长繁殖速率低，世代时间 长。甲烷菌对环境影响非常敏感，对各种生态因子的生念幅均较窄。如对温度、 p h 值、氧化还原电位及有毒物质等很敏感。产甲烷菌属古细菌，个体有球形、 杆形、螺旋形，在正常生活中是八叠球形，有些能连成长链。此外，产甲烷菌 的分离培养非常困难，因为它是严格的厌氧菌。 在厌氧反应中，存在种类繁多关系复杂的微生物系统。甲烷的产生是这个 微生物系统中各种微生物相互平衡、协同作用的结果。非产甲烷菌为产甲烷菌 提供了生长繁殖的底物，非甲烷菌可把各种复杂的有机物，如高分子碳水化合 物、脂肪、蛋白质等生成各种酸，为产甲烷菌提供了生长和代谢需要的碳源和 氮源。同时，非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 反应器中，由于加料过程会带空气进反应器，这对甲烷菌不利，非甲烷菌中的 好氧或兼性菌可将氧消耗掉，降低反应器中的氧化还原电位。 通过以上沼气发酵各微生物类群的讨论，可以认识到沼气发酵过程是多种 细菌协同完成的微生物学过程。因此，要提高沼气发酵的效率应注意所进原料 与微生物之间的一致性。其次要注意污泥中产甲烷菌的数量，特别是食乙酸菌 的数量。因为在通常情况下发酵性细菌和产氢产乙酸菌的繁殖速度较快，而产 甲烷菌特别是食乙酸产甲烷菌繁殖较慢。为此，为厌氧消化微生物创造良好生 长条件，如合适的温度、p h 值。防止有毒物质的进入，特别是控制负荷以维持 酸化和甲烷化速度的平衡，都是消化器正常运转的重要因素。 1 8 沼气的综合利用 ( 1 ) 沼渣作禽畜饲料 沼液中含有多种微量元素，如c a 、f e 、c u 、z n 、s n 以及氨基酸、有益菌 群、维生素等，而且富含菌体蛋白，作为动物饲料的掺拌剂，不但可以有效补 充微量元素，还可以提高动物抗病能力，促进其生长发育。从作饲料安全上考 虑，虽然沼气发酵原料并非卫生，但在发酵过程中造成的低电位厌氧环境以及 产生的氨、低级脂肪酸和某些生物生活物质等，对基质中的病原体具有不同程 度的杀灭、抑制或使之失活的作用。此外，尽管沼液中有硝化细菌存在，但实 际进行的是反硝化过程。因此沼液样品中检不出亚硝酸根离子的存在，可见从 卫生上考虑沼液作饲料使用还是安全的】。 ( 2 ) 农作物肥料 沼液作为有机肥料，可以直接作为粮食作物，蔬菜，经济作物等的肥料， 同时兼具农药作用。节省了购买化肥费用，同时也可以保持和提高土壤质量 减少化肥可能带来的负面作用。沼液可以作为灌溉肥料，施与作物根部，可以 为作物提供多种营养与微量元素，促进其生长发育；沼液也可作为叶面喷肥， 稀释后( 6 - 1 0 倍) 直接喷于叶面之上，可以提高叶绿素含量，增强光和作用， 提高产量：另外，沼液还可以作为无土栽培营养液，实现完全无公害栽培。 ( 3 ) 浸种 沼液内涵多种对植物生长有益的物质：诸如钙、铁、锰、铜等微量元素， 可以在浸种时渗入种子细胞内，刺激种子发芽和生长；氮、磷、钾等营养元素， 可以在浸种时提供种子发芽和幼苗生长所需的营养；氨基酸、生长素、水解酶、 腐殖酸、b 族维生素及有益菌等活性物质，可以对作物生长发育起到辅助作用， 促进细胞分裂和生长，使种子具发芽、苗齐、苗壮等特点。而且沼液还能消除 种子携带的病原体，细菌等，增强种子的抵抗力，确保作物健康和快速成长， 达到减少投资，增加产量的目的。 ( 4 ) 农药 沼液是- - , e e 溶肥性质的液体，其中不仅含有较丰富的可溶性无机盐类，同 时还含有多种沼气发酵的生化产物，具有易被作物吸收及营养、抗逆等特点。 使用沼液喷洒植株，可起到杀虫抑菌的作用，减少农药使用量，使农药残留低。