厌氧消化原理

固体废物处理与资源化,环境工程专业必修课程,TreatmentandDisposalofSolidWaste,第8章有机废物厌氧消化处理技术,第一节概述,8.1概述,厌氧消化（anaerobicdigestion）：在厌氧微生物作用下，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。又称甲烷发酵。,有机固体废弃物厌氧处置过程中产生的沼气可作为绿色燃料，故对该处理过程中产生沼气的合理高效利用在实现新能源开发利用的同时，在很大程度上将减少温室气体的排放。生物沼气在欧盟国家便实现了产业化和商品化，如2009年德国沼气发电产能达15,97MW，超过水电仅次于风电。,DigestionplantsdistributionintheEUcountries,ProductionanduseofbiogasinEurope:asurveyofcurrentstatusandperspectives(June2014),WhatisaSepticTank?,ASepticTankisalivingthing.Thebacteriapresentinthetankfeedonthewaste,transformingitintogas,carbondioxideandwater.Thisiscalledthepre-treatment.Thesecondstageistotreatthewastecomingoutoftheseptictankwhichcontainsalargenumberofgermsandpathogens.Thisisachievedbyusingafiltrationsystem.Thissystemwillbechosenafterasoiltesthasbeendone.Thisiscalledthetreatment.,TheinventionoftheseptictankisattributedtoaFrenchmannamedJean-LouisMouraswhoisbelievedtohavebuiltthefirstseptictankinVesoulin1860everydayuseoftheseptictankinFrancedatesbackto1881.,厌氧消化技术特点,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；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。,本章内容,学习内容：主要介绍厌氧发酵的作用机理、基本反应过程和有机废物生物降解的处理方法。厌氧消化技术原理技术关键影响因素工艺与反应器学习要求：掌握有机废物厌氧消化的三阶段理论，了解沼气发酵产气量的计算方法，理解外部因素对厌氧消化过程的作用机理，熟悉一般厌氧消化器工艺与设备。,第二节厌氧消化原理及其影响因素,一、厌氧消化原理,厌氧消化是有机物在无氧条件下被微生物分解、转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程。厌氧消化中生物反应具有多步骤性，而且有许多种微生物参与。厌氧消化实际上是一个具有不同功能的不同种微生物,在厌氧消化这样一个生态环境中共同生存、相互依赖、相互制约的生态平衡系统。,Acidogens:(1)Shortandlongrod-shapedbacteria,(2)diplococcusinchains(probablyStreptococcus-likebacteria)and(3)filamentousbacilli.,产生挥发性脂肪酸的微生物,Methanogens:(1)Methanosarcinasp.;(2)filamentousmicroorganismsmorphologicallysimilartoMethanospirillumsp.;(3)comma-shapedmicroorganismsresemblingDesulphovibriosp.,消耗挥发性脂肪酸产生甲烷的微生物,三阶段理论,有机物碳水化合物、蛋白质、脂肪等,氨基酸、糖类,有机酸,乙酸,氢气,甲烷、二氧化碳等,Step1:水解发酵,Step2:产氢产乙酸,Step3:甲烷化,M.P.Bryant.MicrobialMethaneProduction-TheoreticalAspects.JANIMSCI.January1979vol.48no.1:193-201.,第I阶段水解发酵阶段,水解是复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物首先在细胞外酶的水解作用下转变为小分子物质，这些小分子的水解产物能溶解于水，并能透过细胞膜，被细菌所利用。,纤维素/多糖,纤维二糖、葡萄糖,淀粉,麦芽糖、葡萄糖,蛋白质,多肽、氨基酸,纤维素酶,淀粉酶,蛋白酶,第I阶段水解发酵阶段,发酵是有机物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程。水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单地以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。这一阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸、醇、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞质。酸性发酵期（水解酸化阶段的前期）碳水化合物的分解产酸作用强于蛋白质分解作用产生大量的有机酸，pH5.0碱性发酵期（酸性减退期）即蛋白质分解产氨的过程有机酸及含有机物开始分解，生成氨、胺、碳酸盐等碱性物质pH为6.66.8，同时放出H2S,第II阶段产氢产乙酸阶段,在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段水解发酵的末端产物进一步转化成氢、二氧化碳和乙酸等。,丙酸CH3CH2COOH+6H2O,CH3COOH+6H2,丁酸CH3CH2CH2COOH+2H2O,2CH3COOH+2H2,乳酸CH3CHOHCOOH+2H2O,CH3COOH+CO2+2H2,第III阶段产甲烷阶段,通过两组不同的产甲烷菌作用，将乙酸、H2和碳酸、甲酸等转化为CH4、CO2和新的细胞质一类从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷（70%）另一类利用H2还原CO2成甲烷（30%）,甲烷八叠球菌,甲烷丝菌,4H2+CO2,CH4+2H2O,4HCOOH,CH4+3CO22H2O,CH3COOH,CH4+CO2,CH3COONH4,CH4+NH4HCO3,二、厌氧消化产物（产量计算）,沼气：厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，主要成分为CH4(50-65%)、CO2(30-35%)、H2、N2、CO、H2S、NH3(odor)每m3人工沼气的发热量为23000kJ左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量，能发电1.25度。,按有机物厌氧消化转化为沼气的理论计算方法,假定不考虑厌氧菌的细胞合成，只考虑异化反应C6H12O63CH4+3CO21kgC6H12O6被完全分解时产生0.267kgCH4和0.733kgCO2，标准条件下产生747.04L，约0.75m3沼气,COD转化为沼气的理论计算方法,用COD代表有机物的总量，表征厌氧消化的反应产物。,1kgCOD厌氧消化后产生的CH4质量为0.25kg，在标准状况下，体积为350L，同时产生350LCO2。因此1kgCOD完全厌氧消化后总沼气量约为750L，即0.75m3。,Buswell&Mueller(1952),有机物厌氧发酵过程的化学反应通式（8-8）可表达为：,以葡萄糖为例,则有：,对于不含氮的有机物的反应通过为：,Boyle(1976):,Boyle,W.C.(1977):EnergyRecoveryfromSanitaryLandfills.Conversion.Editedby:H.G.Schlegel&J.Barnea,119138.BoylemodifiedthechemicalreactionofBuswell&Mueller(1952)andincludednitrogenandsulphurtoobtainthefractionofammoniaandhydrogensulphurintheproducedbiogas:,产甲烷菌的共同特征-影响因素,(1)发酵原料：产气量与产气速率,(2)温度,有机垃圾厌氧生物降解过程受到温度和温度波动的影响。有研究表明，厌氧生物比好氧生物对温度的变化更为敏感，产甲烷细菌比产酸细菌对温度的变化更为敏感。因此，在厌氧生物反应器的运行过程中，对于反应温度进行控制显得更为重要，其波动范围一般一天不宜超过2，当有3的变化时，就会抑制消化速度，有5的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧消化。,Veeken等研究了中温下生物垃圾中六种成分的水解和生物降解速率，一级反应速率常数在20时为0.030.15d-1，在40为0.240.47d-1。Ahring等通过研究发现介于中温和高温之间的45，有机物的降解效果最差，产气量最低，在选择发酵温度的时候应该避开这个温度区间。,(3)pH值,一般而言，微生物对pH值的变化适应要比其对温度的变化适应慢得多。在厌氧生物处理过程中，应特别注意反应器内pH值的控制，最佳应控制在6.87.2。,(4)营养物质:含水率、C/N比,富碳原料：秸杆、青杂草、树叶等/富氮原料：人畜粪尿、屠宰污水、豆渣等氨氮不仅是厌氧微生物生长所必须的基本氮源，而且还对促进厌氧污泥的活性具有重要作用。,有研究者指出，在厌氧生物反应器中NH4+-N浓度必须大于4070mg/L，否则会减少生物体的活性。当反应器内的NH4+-N浓度为12mg/L，乙酸利用速率只有其最大值的54%。,(5)停留时间、搅拌,第三节厌氧消化处理工艺,厌氧消化技术的早期发展,早在1630年VanHelmont首先发现在有机物腐烂过程中可以产生一种可燃气体，并且发现在动物肠道也存在这种气体。其后，C.A.Voltal于1776年认定可降解有机物的数量与可燃气体的产生量有直接联系，1808年，H.Davy在牛粪厌氧消化气体中也检测到甲烷气体的存在。1859年，印度孟买建成世界上第一座消化厂；1896年，在英国一座小城市埃克塞特(Exeter)中建起一座处理生活污水污泥的厌氧消化池，所产沼气作为街道照明燃料。目前，世界上已有600800万个家庭式或低技术含量的厌氧消化器，厌氧消化产生的沼气主要用于炊事和照明。,VanHelmontisregardedasthefounderofpneumaticchemistry,ashewasthefirsttounderstandthattherearegasesdistinctinkindfromatmosphericair.,厌氧消化在MSW处理中的应用,20世纪70年代后期，第一个生产规模的厌氧消化厂在美国佛罗里达州建成。该厂采用湿法处理，通过加水稀释使反应器中垃圾含固率维持在35，但由于固液分离、搅拌和浮渣等问题得不到根本的解决，运行效果不好。,有机垃圾厌氧消化工艺分类,有机垃圾厌氧消化工艺分类,第四节厌氧消化反应器种类与比较,常见的消化器,上流式厌氧污泥床UASBUpflowAnaerobicSludgeBlanket厌氧膨胀颗粒污泥床EGSBExpandGranularSludgeBlanket厌氧内循环反应器ICInternalCirculation厌氧生物滤池AFAnaerobicBiofilter厌氧流化床AFBAnaerobicFluidizedBed厌氧附着膜膨胀床AAFEBAnaerobicAttachedFilmExpandedbed,厌氧消化工业模式,餐厨垃圾厌氧消化工程实例,Twophaseanaerobicdigestionprocesscanbeusedforbiogasproductionnotonlythroughtheanaerobicdigestionoffoodwastewithhighsodiumandwatercontent,butalsothroughvariousbiodegradableorganicwastelikelivestockmanure,sewagesludge,etc.,集约化禽畜场沼气工程,1万头规模的育肥猪场，日产粪水603，设计池容500m3，产气率为0.39m3/m3d，总投资为175万元，年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨，COD、BOD去除率分别70%、75%以上全国畜禽粪便资源总量（干物质）约1.8亿吨，实际可利用量约4000万吨，可产沼气近100亿立方米，按热值相当于800万tce，用于发电可装机500万kW，年发电量150亿kWh,工业有机废水沼气工程,利用工业有机废水、废渣生产沼气，包括酒精、酿酒、制糖、食品、制药、造纸、屠宰等，其中适合厌氧消化的高浓度有机废水排放量年25.2亿立方米以上，年废渣7400万m3，可转化为沼气108亿m3，热值相当于800万tce(tonofstandardcoalequivalent)，可装机50万kW，年发电150亿kWh.,我国沼气工程商业化发展和国家行动计划,总体目标是促进大中型沼气工程商业化，加快可再生能源开发利用和产业发展，为国家制订沼气发展规划提供科学依据。至2020年，环境治理达标排放，年提供清洁燃料1000万tce以上，相当于年200亿kWh电力。,复习题,概念沼气厌氧消化水解有机负荷率填空根据三阶段理论，厌氧消化的反应阶段可以分为（）、（）和（）。干式厌氧消化的含固率的一般范围是（）。影响厌氧消化的主要因素有（）、（）、（）和（）等。问答简述水解与发酵的区别？简述利用Buswell公式计算沼气产量的过程？,【课后练习】,沼气池工程设计的关键参数有哪些？以你所在地区典型村镇现状为例，试给出这些关键参数的具体取值，并简要说明理由。江汉平原某农业种植区。单个家庭人口为5人，养3头猪，每日能在屋外定量收集的秸秆、薪柴、粪便等有机物总量为0.08m3。,本章完,固体废物处理处置工程技术导则HJ2035-2013,3.2生物处理biologicaltreatment通过微生物的好氧或厌氧作用，使固体废物中可降解有机物转化为稳定产物的处理技术。3.3好氧堆肥areobiccomposting在充分供氧的条件下，利用好氧微生物分解固体废物中有机物质的过程。3.4厌氧消化anaerobicdigestion在无氧或缺氧条件下，利用厌氧微生物的作用使废物中可生物降解的有机物转化为甲烷、二氧化碳和稳定物质的生物化学过程。,7.3厌氧消化,7.3.2固体废物厌氧消化技术按厌氧消化温度分为常温消化、中温消化和高温消化。按消化固体废物的浓度可分为低固体厌氧消化和高固体厌氧消化。7.3.3固体废物厌氧消化技术中，常温消化主要适用于粪便、污泥和中低浓度有机废水等的处理，较适用于气温较高的南方地区；中温消化主要适用于大中型产沼工程、高浓度有机废水等的处理；高温消化主要适用于高浓度有机废水、城市生活垃圾、农作物秸秆等的处理，以及粪