第6章 城市生活垃圾的厌氧消化处理

1、第6章 城市生活垃圾的厌氧消化处理 1 第一节 厌氧消化原理 2 一、厌氧消化基本理论 1、概念：厌氧消化，又称沼气发酵或厌氧发酵， 是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、 垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等） 在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能 不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的 过程。 3 2、工艺特点 用厌氧发酵法处理城市有机生活垃圾, 并产生洁净能 源沼气, 为人类提供一种绿色生物能源, 具有成本 低、环境效益高及可持续发展等特点。 在这个转化过程中,被分解的有机碳化物中的能量大部 分储存在甲烷中,仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化 碳,释放的能量作为微生物生命

2、活动的需要。 新的研究表明,利用城市生活垃圾厌氧消化,可以将其 中的有机物转化为氢气,这一研究进一步扩大了厌氧发 酵的概念。 4 3、优点 （1）产生的沼气可用于发电或作为能源 沼气中的主要成分是甲烷，含量5075%之间，是 一种很好的燃料。 5 （2）能量需求大大降低 不需供给氧气，同时还可产生甲烷 每去除1kg COD好氧生物处理一般需消耗0.51.0 kW.h电能。 每去除1kg COD 厌氧生物处理约能产生3.5 kW.h 电能。 （3）对营养物的需求量少 好氧堆肥C:N=2035:1，而厌氧方法为2030:1， 因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐 6 （4）发酵底物不仅是优质的农

3、作物有机肥料, 而 且因其富含微生物菌体、氨基酸等活性物质, 经加 工可作为优良的鱼、鸡等动物饲料。 （5）对于我国的中小城市, 由于垃圾中的可燃成 分较少、热值低, 不易焚烧, 所以厌氧消化是一种 较为有利的方法。 7 4、有机物厌氧发酵过程 厌氧消化(anaerobic digestion) 是指在无分子氧条 件下通过厌氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼 氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物 分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物质的过程。 对于该过程有多种理论解释，最为广泛接受的是 三阶段理论。 8 三阶段理论1979年

4、由布赖恩提出，将厌氧发酵依 次分为液化、产酸、产甲烷三个阶段。起作用的 细菌分别称为发酵细菌、产氢产乙酸菌、同型产 乙酸菌、产甲烷菌。 该理论主要内容如下： 9 10 首先，首先，不溶性大分子有不溶性大分子有 机物（如蛋白质、纤维素、机物（如蛋白质、纤维素、 淀粉、脂肪等）经水解酶的淀粉、脂肪等）经水解酶的 作用，在溶液中分解为水溶作用，在溶液中分解为水溶 性的小分子有机物（如氨基性的小分子有机物（如氨基 酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油 等）。等）。 随之，随之，这些水解产物被这些水解产物被 发酵细菌摄入细胞内，经过发酵细菌摄入细胞内，经过 一系列生化反应，将代谢产一系列生化

5、反应，将代谢产 物排出体外，由于发酵细菌物排出体外，由于发酵细菌 种群不一，代谢途径各异，种群不一，代谢途径各异， 故代谢产物也各不相同。故代谢产物也各不相同。 11 最后，进行甲烷的转化最后，进行甲烷的转化。众。众 多的代谢产物中，仅无机的多的代谢产物中，仅无机的 CO2和和H2及有机的及有机的“三甲一三甲一 乙乙”（甲酸、甲醇、甲胺和（甲酸、甲醇、甲胺和 乙酸）乙酸）可直接可直接被产甲烷细菌被产甲烷细菌 吸收利用，转化为甲烷和二吸收利用，转化为甲烷和二 氧化碳。其它众多的代谢产氧化碳。其它众多的代谢产 物（主要是丙酸、丁酸、戊物（主要是丙酸、丁酸、戊 酸、乳酸等有机酸，以及乙酸、乳酸等有机

6、酸，以及乙 醇、丙酮等有机物质）不能醇、丙酮等有机物质）不能 为产甲烷细菌直接利用。它为产甲烷细菌直接利用。它 们必须经过产氢产乙酸细菌们必须经过产氢产乙酸细菌 进一步转化为氢和乙酸后，进一步转化为氢和乙酸后， 才能被甲烷细菌吸收利用，才能被甲烷细菌吸收利用， 并转化为甲烷和二氧化碳。并转化为甲烷和二氧化碳。 在产甲烷阶段，通常由两组生理上不同的产甲烷 菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一 组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量 的l/3，后者约占2/3。 12 二、厌氧发酵微生物 1、不产甲烷菌：不直接参与甲烷形成的微生物 包括细菌、真菌、原生动物三大群。 主要作用： (1)为产甲

7、烷菌提供营养，将大分子有机物分解 为简单的小分子有机物，作为产甲烷菌的营养基 质。 (2)为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件。 (3)为产甲烷菌消除部分有毒物质，如氧和氧化 剂。 (4)和产甲烷菌一起维持发酵环境的pH值。 13 2、产甲烷菌：70年代被确认的，能够厌氧代谢产 生甲烷。 特点 （1）严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感。 （2）要求中性，偏碱环境条件。 （3）菌体倍增时间较长，有的4-5天才系列繁殖 一代。 （4）只能用简单的化合物作为营养 （5）代谢的主要终产物是甲烷、二氧化碳和分 子氢 。 14 15 Various types of methanogenic bacteria.

8、The spherically shaped bacteria are of the methanosarcina genus(产甲烷八叠球菌属产甲烷八叠球菌属); the long, tubular ones are methanothrix bacteria(产产 甲烷丝菌属甲烷丝菌属). 三、厌氧消化产物 1、主要产物 产物有沼气、沼液和沼渣。 沼气主要成分是甲烷（CH4），此外还有CO2、N2、 CO、H2、H2S和极少量的O2。 CH4含量50%60%， CO2含量30%35%，热值在 23000kJ/m3左右。 16 2、沼气及其发酵余物的利用 1）沼气的综合利用 （1）生活燃料；

9、（2）运输工具的动力燃料；（3） 发电；（4）化工原料；（5）孵化禽类；（6）蔬 菜种植，增产效果显著；（7）贮粮防虫；（8） 贮藏水果 2）沼气发酵余物的利用 （1）沼液：速效肥料、饲料添加剂、喂鱼。 （2）沼渣：优质肥料、饲料、培养土、提取维生 素等原料。 17 3、沼气产量计算 （1）有机物厌氧消化转化为沼气理论计算 1kgC6H12O6完全分解，产沼气约0.75m3. 18 132 2 48 4 180 6126 CO3CH3 厌氧菌 OHC （2）COD转化为沼气理论计算 实际中常采用COD表示有机物含量，不去测定具 体成分，用COD估算更加方便。 1kgCOD完全消化，产生沼气约0

10、.7m3. 19 108 2 132 2 192 2 180 6126 6CO66OHOOHC 厌氧菌 （3）Buswell和 Mualler计算方法 20 第二节 厌氧消化影响因素 21 一、厌氧条件：绝对厌氧 判断厌氧程度一般用氧化还原电位Eh表示。厌氧 条件下，Eh是负值。严格厌氧的甲烷菌要求的Eh 为300350mV，而一些兼性产酸的细菌则在 Eh为100100mV就能正常生活。为了保证厌 氧条件，必须修建严格密闭的沼气池，保证沼气 池不漏水、漏气。 通常是用一个惰性的铂丝电极与一个标准参考电 极同时插入体系中而测得。氧化还原电位受氧分 压的影响，氧分压高，氧化还原电位高；氧分压 低，

11、氧化还原电位低。 22 二、 温度因素 对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。温度变 化范围最佳为(1.52.0)。 1、低温发酵：低于20 ，产气量低，受气候影 响大，不加料情况下35d。 2、中温发酵：37，产气量约11.3m3/(m3d)； 发酵时间20d，卫生化低。 23 3、高温发酵：53 ，产气量约3.04.0m3/(m3.d)； 发酵时间10d，卫生化高。对寄生虫卵的杀灭率 较可达99%，能满足卫生要求（蛔虫卵的杀灭率 在95%以上）。 当有3的变化时，就会抑制发酵速率，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发酵。 24 温度对厌氧消化过程的影响 0 0

12、 1 1 2 2 3 3 4 4 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 25253030353540404545505055556060 产气量（产气量（L/L.dL/L.d） 有机物负荷有机物负荷(g/L.d(g/L.d） 温度（温度（） 有机负荷有机负荷产气量产气量 25 温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的 含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。 26 厌氧消化厌氧消化 最佳温度最佳温度 5053 高温菌（高温消化）高温菌（高温消化） 3036 中温菌（中温

13、消化）中温菌（中温消化） 取舍取舍：高温消化（高温消化（1015d） 的反应速率为中温消化的反应速率为中温消化 （2030d）的）的1.51.9倍，但甲倍，但甲 烷在气体中占比例低。消化不烷在气体中占比例低。消化不 彻底。中温消化对寄生虫卵彻底。中温消化对寄生虫卵 及大肠菌群杀灭率低；而高温及大肠菌群杀灭率低；而高温 消化几乎可杀死全部病原菌和消化几乎可杀死全部病原菌和 大肠菌群。大肠菌群。 高温消化需较多高温消化需较多 的能量，不经济。的能量，不经济。 温度对厌氧消化的影响温度对厌氧消化的影响 三、pH值 每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细 菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH

14、值范 围较广，在4.5-8.0之间。产甲烷菌要求环境介质 pH值在中性附近，最适宜pH值为pH6.8-7.4较为适 宜。 pH主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡， 取决于挥发酸、碱度、二氧化碳、氨氮、氢之间 的平衡。pH值变化过大时，微生物自我调节功能 不起作用时，可通过投加石灰或调整原料碳氮比 来进行调节。 27 在实际运转过程中，因为酸性发酵，有机酸的形 成和积累，pH值可降到6以下，以后随着有机酸 和溶解性含氮化合物的分解，产生氨，pH升至 6.56.8左右，但此时厌氧处理的效果已显著下降， 甚至停止产气。所以，在实际中，对有机酸的控 制更为重要。 28 四、 营养物质 厌氧消化过程

15、本质上是微生物的培养繁殖过程， 待消化的有机废物是微生物的营养物质。营养物 质的种类和数量非常重要。 C/N比尤为重要（2030）：1 磷（主要是磷酸盐）含量一般要求为有机物的千 分之一为好。 如：消化富碳、贫氮的作物秸秆如稻草、麦秸和 玉米秸时通过添加含氮量较高的人畜粪便，可以 调节。 29 五、接种物质 直接影响沼气的产生。 微生物的种类和数量不够时，可添加含有丰富厌 氧微生物的活性污泥或发酵液。 30 六、有毒物质 1、重金属离子对甲烷发酵的抑制:使酶发生变性 或者沉淀。 2、阴离子的毒害：主要是S2-，来源：无机硫酸盐 还原；蛋白质分解释放出S2-。 3、氨的毒害：NH4+ 150mg

16、/L，发酵受抑制。 31 七、搅拌混合 对厌氧反应器进行搅拌，可以使池内温度均匀， 使微生物与发酵原料充分接触，加快发酵速度， 提高沼气量。因此，搅拌对垃圾厌氧消化影响很 大，不仅可以缩短反应周期，提高产气率，还可 以提高沼气中甲烷含量，提高垃圾中有机碳利用 率。 实验证明,搅拌有利于提高沼气发酵物料中的细菌 含量。沼气池主要微生物种群的垂直分布，经搅 拌的沼气池各层产甲烷菌比静态高出10100 倍。 沼气池在不搅拌的情况下，发酵料液明显地分成 结壳层、清液层、沉渣层,严重影响发酵效果。 32 第三节 厌氧发酵反应器与工艺 33 一、发酵工艺 1、根据发酵温度分类 高温发酵：产气率高，但CH4

17、比例低且不稳定； 中温发酵：产气率较高，能量回收较理想，应用 普遍。太阳能保温。 常(低)温发酵：自然温度，结构相对简单、造价低。 34 2、根据投料运转方式分类 连续发酵：正常产气后，可连续加料与出料。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形固体废物浓度。 半连续发酵：启动时一次加入较多原料，正常产 气后，不定期、不定量地添加新料。农村较适用。 批量发酵（间歇反应）：将发酵原料和接种物一 次性装满沼气池，中途不再添加，产气结束后一 次性出料。 两步发酵：产酸与产甲烷阶段分开进行。 35 3、根据原料的物理状况分：液体发酵（固体含量 在10%以下）、固体发酵

18、（固体含量20%左右）和 高浓度发酵（介于液体发酵和固体发酵之间，总 固体含量15%20%）； 4、根据发酵装置类型：传统消化器、厌氧接触消 化、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床、厌氧生物 转盘、管道式消化器、折流式消化器 36 二、厌氧发酵反应器 1、常规消化反应器（CD) 2、连续搅拌式反应器(CSTR) 3、推流式反应器(PFR) 4、折流式反应器(BFF) 5、上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 6、两相厌氧消化法 7、干发酵 37 1、常规消化反应器工作示意图 38 进料进料出料出料 沼气沼气 排泥排泥 浮渣层浮渣层 上清液层上清液层 活性层活性层 沉渣层沉渣层 多于常温条件下运行：多于

19、常温条件下运行： 水压式沼气池水压式沼气池 改进的有分离浮罩式改进的有分离浮罩式 和连续搅拌式。和连续搅拌式。 消化效率低消化效率低 （1）立式圆形水压式沼气池 发酵间为圆形，两侧带有进出 料口，池顶有活动盖板。池盖 和池底是具有一定曲率半径的 壳体，主要结构包括加料管、 发酵间、出料管、水压间、导 气管等几个部分。合并发酵与 贮气于同一空间，下部为发酵 间，上部为贮气间。 优点：结构较简单，造价低， 施工方便。 39 缺点： 气压不稳定，对产气不利； 池温低，影响产气，原料利用率低（仅10%20%） 大换料和密封都不方便；产气率低平均 0.10.15m3/m3.d，对防渗措施的要求较高，给燃 烧器的设计带来一定困难。 40 41 （2）立式圆形浮罩式沼气 池 将发酵间与贮气间分开，产 生的沼气由浮沉式的气罩贮 存起来。气罩可直接安装在 沼气发酵池顶，也可安装在 沼气发酵池侧。 浮沉式气罩由水封池和气罩 两部分组成。随着沼气压力 变化，气罩便沿水池内壁的 导向轨道上升或下降，直至 平衡为止。 42 特点：将发酵间与贮气间分开，具有压力低、发