固体废物处理与处置(厌氧发酵)

1、第五章固体废物的生物处理环境科学与工程系3教1242012年2月固体废物的厌氧发酵固体废物的厌氧发酵 厌氧发酵：通过厌氧微生物的生物转化作用，将固体废厌氧发酵：通过厌氧微生物的生物转化作用，将固体废物中大部分可生物降解的有机物质分解，转化为能源物中大部分可生物降解的有机物质分解，转化为能源产品产品沼气的过程，或称厌氧消化，沼气发酵。沼气的过程，或称厌氧消化，沼气发酵。微生物生理学定义：在没有外加氧化剂的条件下，被分微生物生理学定义：在没有外加氧化剂的条件下，被分解的有机物作为还原剂被氧化，而另一部分有机物作解的有机物作为还原剂被氧化，而另一部分有机物作为氧化剂被还原的生物学过程。为氧化剂被还原

2、的生物学过程。沼气的成分：沼气的成分：主要为主要为CH4,5570和和CO2,2540。此。此外还有总量小于外还有总量小于5%的的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、PH3、碳氢化合物、碳氢化合物(CmHn)等。等。（二）厌氧发酵的有机物分解代谢过程（二）厌氧发酵的有机物分解代谢过程 1、碳水化合物的分解代谢、碳水化合物的分解代谢一般的碳水化合物包括一般的碳水化合物包括纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀粉和果胶质粉和果胶质等。等。纤维素的分解纤维素的分解纤维素酶可以把纤维素酶可以把纤维素纤维素水解成水解成葡萄糖葡萄糖，反应式为：，反应式为： (C6H10O

3、5)n(纤维素纤维素) + n H2O = nC6H12O6(葡萄糖葡萄糖)葡萄糖经细菌的作用继续降解成葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸、乙酸丁酸、乙酸，最后生成，最后生成甲烷和甲烷和二氧化碳二氧化碳等气体。总的产气过程可用下述的综合表达式表达：等气体。总的产气过程可用下述的综合表达式表达： C6H12O6 = 3CH4+3CO2糖类的分解糖类的分解先由先由多糖多糖分解为分解为单糖单糖，然后是，然后是葡萄糖的酵解葡萄糖的酵解过程，与上述相同。过程，与上述相同。2、类脂化合物的分解代谢、类脂化合物的分解代谢 类脂化合物类脂化合物（脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡酯、油脂），（脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡

4、酯、油脂），含量很低。主要水解产物是含量很低。主要水解产物是脂肪酸和甘油脂肪酸和甘油。甘油转变为。甘油转变为磷磷酸甘油脂酸甘油脂，进而生成，进而生成丙酮酸丙酮酸。在沼气菌的作用下，丙酮酸。在沼气菌的作用下，丙酮酸被分解成被分解成乙酸乙酸，然后形成，然后形成甲烷和二氧化碳甲烷和二氧化碳。 3、蛋白质类的分解代谢、蛋白质类的分解代谢 这类化合物主要是含氮的这类化合物主要是含氮的蛋白质蛋白质化合物，在厌氧发酵化合物，在厌氧发酵原料中占有一定的比例。在农家污水和猪圈废物中，蛋白原料中占有一定的比例。在农家污水和猪圈废物中，蛋白质的含量最高可达质的含量最高可达20%。它们的分解过程是在细菌的作用。它们的

5、分解过程是在细菌的作用下水解成下水解成多肽和氨基酸多肽和氨基酸。其中的。其中的一部分一部分氨基酸继续水解成氨基酸继续水解成硫醇、胺、苯酚、硫化氢和氮硫醇、胺、苯酚、硫化氢和氮；另一部分另一部分分解成分解成有机酸、醇有机酸、醇等其他化合物，最后生成等其他化合物，最后生成甲烷和二氧化碳甲烷和二氧化碳；还有一些氨基；还有一些氨基酸作为产沼细菌的酸作为产沼细菌的养分形成菌体养分形成菌体。（三）厌氧发酵的过程（三）厌氧发酵的过程首先首先，不溶性大分子有机物（如，不溶性大分子有机物（如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等）蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等）经水解酶的作用，在溶液中分解经水解酶的作用，在溶液中分解为水溶

6、性的小分子有机物（如氨为水溶性的小分子有机物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。等）。随之，随之，这些水解产物被发这些水解产物被发酵细菌摄入细胞内，经过一系列酵细菌摄入细胞内，经过一系列生化反应，将代谢产物排出体外，生化反应，将代谢产物排出体外，由于发酵细菌种群不一，代谢途由于发酵细菌种群不一，代谢途径各异，故代谢产物也各不相同。径各异，故代谢产物也各不相同。众多的代谢产物中，仅无机众多的代谢产物中，仅无机的的CO2和和H2及有机的及有机的“三甲三甲一乙一乙”（甲酸、甲醇、甲胺（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）和乙酸）可直接可直接被产甲烷细被产甲烷细菌吸收利用，转化为甲烷和

7、菌吸收利用，转化为甲烷和二氧化碳。其它众多的代谢二氧化碳。其它众多的代谢产物（主要是丙酸、丁酸、产物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机酸，以及戊酸、乳酸等有机酸，以及乙醇、丙酮等有机物质）不乙醇、丙酮等有机物质）不能为产甲烷细菌直接利用。能为产甲烷细菌直接利用。它们必须它们必须经过经过产氢产乙酸细产氢产乙酸细菌进一步转化为氢和乙酸后，菌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。 1 1、两阶段理论、两阶段理论 将厌氧发酵分为将厌氧发酵分为产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）两两个阶段

8、，相应起作用的微生物分为个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌产酸细菌和产甲烷细菌。2 2、三阶段理论、三阶段理论 19791979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为液化、产酸液化、产酸、产甲烷、产甲烷三个阶段。起作用的细菌分别称为三个阶段。起作用的细菌分别称为发酵细菌、发酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌醋酸分解菌、甲烷细菌。3、四阶段理论、四阶段理论水解阶段水解阶段：复杂有机物：复杂有机物( (纤维纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪素、淀粉、蛋白质、脂肪) )被被发酵细菌分泌的水解酶（胞发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶）外酶） ( (纤维素酶、纤维二纤维素酶、纤

9、维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶肪酶) ) 分解为水溶性简单化分解为水溶性简单化合物。限制整个过程速度。合物。限制整个过程速度。甲烷化阶段甲烷化阶段：乙酸和：乙酸和H H2 2 被甲烷细菌被甲烷细菌( (乙酸分解甲乙酸分解甲烷细菌和烷细菌和H H2 2氧化甲烷细氧化甲烷细菌菌) )利用生成甲烷。利用生成甲烷。发酵酸化阶段发酵酸化阶段： 发酵细菌对发酵细菌对水解产物进行水解产物进行胞内代谢胞内代谢，主，主要产生有机酸和醇类（丙酸、要产生有机酸和醇类（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），还有酸），还有COCO2 2、NHNH3 3、H H2 2S S、H

10、 H2 2。产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段( (厌氧氧厌氧氧化阶段化阶段):):专性厌氧的产专性厌氧的产氢产乙酸细菌氢产乙酸细菌将上阶段将上阶段产生的有机酸和醇类生产生的有机酸和醇类生成乙酸、成乙酸、H H2 2、COCO2 2；同型同型乙酸细菌乙酸细菌将将H H2 2 和和 COCO2 2合成合成乙酸。乙酸。(1)温度因素：随着温度升高有机物分解速度加快，产气量增大。温度因素：随着温度升高有机物分解速度加快，产气量增大。温度变化范围为温度变化范围为(1.52.0)。低温发酵低温发酵：低于：低于20 ，产气量低，受气候影响大，不加料情产气量低，受气候影响大，不加料情况下况下35d。中温发酵：中温

11、发酵：37，产气量约产气量约11.3m3/(m3d)；发酵时间；发酵时间20d，卫生化低。卫生化低。高温发酵：高温发酵：53 ，产气量约产气量约3.04.0m3/(m3.d)；发酵时间；发酵时间10d，卫生化高。卫生化高。对寄生虫卵的杀灭率较可达对寄生虫卵的杀灭率较可达99%，大肠菌指数可，大肠菌指数可达达10100，能满足卫生要求（蛔虫卵的杀灭率在，能满足卫生要求（蛔虫卵的杀灭率在95%以上，以上，大肠菌指数大肠菌指数10100）。n当有当有3的变化时，就会抑制发酵速率，有的变化时，就会抑制发酵速率，有5的急剧变的急剧变化时，就会突然停止产气，使有机酸大量积累而破坏厌氧发化时，就会突然停止产

12、气，使有机酸大量积累而破坏厌氧发酵。酵。（四）、影响发酵的环境条件（四）、影响发酵的环境条件(2)发酵细菌的营养及发酵细菌的营养及C/N C/N在在(1020):1为宜为宜，太高，细胞氮量不足，系统的，太高，细胞氮量不足，系统的缓冲能力低，缓冲能力低，pH 值易降低；太低，氮量过多，值易降低；太低，氮量过多， pH 值值可能上升，铵盐容易积累，会抑制发酵进程。可能上升，铵盐容易积累，会抑制发酵进程。(3)混合均匀程度混合均匀程度 厌氧发酵是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触厌氧发酵是由细菌体的内酶和外酶与底物进行的接触反应。因此必须使反应。因此必须使两者充分混合两者充分混合。对于。对于液态液

13、态发酵用发酵用充充液搅拌法液搅拌法；对于；对于固态或半固态固态或半固态用用充气搅拌法和机械搅充气搅拌法和机械搅拌法拌法等。等。（4）有毒物质）有毒物质重金属离子对甲烷发酵的抑制使重金属离子对甲烷发酵的抑制使酶发生变性或者酶发生变性或者沉淀。与酶结合产生变性；与氢氧化物使酶沉淀。沉淀。与酶结合产生变性；与氢氧化物使酶沉淀。阴离子的毒害：主要是阴离子的毒害：主要是S2-，来源：无机硫酸盐还，来源：无机硫酸盐还原；蛋白质分解释放出原；蛋白质分解释放出S2-。氨的毒害：氨的毒害：NH4+150mg/L，发酵受抑制。，发酵受抑制。物质浓度物质浓度毒域浓度界限毒域浓度界限/(mol/L)碱金属和碱土金属碱

14、金属和碱土金属Ca2+，Mg2+，Na+，K+10110+6重金属重金属Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，Fe2+105103H+和和OH106104胺类胺类105100有机物质有机物质106100（5）酸碱度、）酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用值和发酵液的缓冲作用 水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适值的适应范围大致为应范围大致为56.5 ，而甲烷菌对，而甲烷菌对pH值的适应值的适应范围为范围为6.67.5之间。发酵液中的之间。发酵液中的碳酸及氨碳酸及氨的存的存在，在，使其具有一定的缓冲性使其具有一定的缓冲性。碱度碱度指沼气发酵指沼气发酵液结合液结合H+的

15、能力，的能力，是衡量发酵体系缓冲能力的是衡量发酵体系缓冲能力的尺度，由碳酸盐尺度，由碳酸盐(CO32-)、重碳酸盐、重碳酸盐(HCO3-)、部、部分氢氧化物分氢氧化物(HO-)组成，组成，应应在在2000mg/L以上以上。（6）不同发酵基质上生长的发酵菌群不同发酵基质上生长的发酵菌群种群种群不同不同( (五五) )厌氧发酵系统设备厌氧发酵系统设备1、传统的发酵系统、传统的发酵系统（1）结构）结构n发酵罐是核心，附属设备有气压表、发酵罐是核心，附属设备有气压表、导气管、出料机、预处理装置、导气管、出料机、预处理装置、搅拌器、加热管等。搅拌器、加热管等。（2）工作原理）工作原理n物料从上部或顶部投

16、入池内，经与池中原有的厌氧活性污泥混合物料从上部或顶部投入池内，经与池中原有的厌氧活性污泥混合接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污接触后，通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污泥或废水中的有机物转化为以甲烷和二氧化碳为主的气态产物泥或废水中的有机物转化为以甲烷和二氧化碳为主的气态产物生物气（即沼气）。生物气（即沼气）。（3）常用类型）常用类型(5种种)立式圆形水压式沼气池立式圆形水压式沼气池u发酵间为圆形，两侧带有进出料口，发酵间为圆形，两侧带有进出料口，容积为容积为6m3、8m3、10m3、12m3；池顶有活动盖板。池盖和池底是具池顶有活动盖板。池盖和池底是具有

17、一定曲率半径的壳体，主要结构有一定曲率半径的壳体，主要结构包括包括加料管、发酵间、出料管、水加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管压间、导气管等几个部分。等几个部分。u 优点：优点：结构较简单，造价低，施结构较简单，造价低，施工方便。工方便。u缺点：缺点：气压不稳定，对产气不利；气压不稳定，对产气不利；池温低，影响产气，原料利用率低池温低，影响产气，原料利用率低（仅（仅10%20%）；大换料和密封）；大换料和密封都不方便；产气率低都不方便；产气率低平均平均0.1 0.15m3/m3.d，对防渗措施的要求对防渗措施的要求较高给燃烧器的设计带来一定困难较高给燃烧器的设计带来一定困难。立式圆形浮罩式

18、沼气池立式圆形浮罩式沼气池 将发酵间与贮气间分开，将发酵间与贮气间分开，产生的产生的沼气由浮沉式的气罩贮存起来。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，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。也可安装在沼气发酵池侧。n浮沉式气罩由浮沉式气罩由水封池和气罩水封池和气罩两部两部分组成。当沼气压力大于气罩重分组成。当沼气压力大于气罩重量时，气罩便沿水池内壁的导向量时，气罩便沿水池内壁的导向轨道上升，直至平衡为止。当用轨道上升，直至平衡为止。当用气时，罩内气压下降，气罩也随气时，罩内气压下降，气罩也随之下沉。之下沉。n特点：特点：将发酵间与贮气间分开，将发酵间与贮气间分

19、开，具有压力低、发酵好、产气多等具有压力低、发酵好、产气多等优点。优点。顶浮罩式沼气贮气池造价顶浮罩式沼气贮气池造价比较低，但气压不够稳定。侧浮比较低，但气压不够稳定。侧浮罩式沼气贮气池气压稳定，比较罩式沼气贮气池气压稳定，比较适合发酵工艺的要求，但对材料适合发酵工艺的要求，但对材料要求比较高，造价昂贵。要求比较高，造价昂贵。立式圆形半埋式沼气发酵池组立式圆形半埋式沼气发酵池组长方形（或方形）发酵池长方形（或方形）发酵池联合沼气池联合沼气池2、沼气发酵池的管理、沼气发酵池的管理（1）装料）装料：预先在池底铺一层熟污泥。：预先在池底铺一层熟污泥。（2）搅拌）搅拌：每日三、四次，不使物料下沉。：每

20、日三、四次，不使物料下沉。（3）温度）温度：5060，并保温。，并保温。（4）供料）供料：每日加入适当数量的原料。：每日加入适当数量的原料。（5）水分）水分：应保持相对稳定。：应保持相对稳定。（6）pH值值：应取样分析并调节。：应取样分析并调节。（7）沼气）沼气：初产沼气不纯，应放掉，直到所产沼气燃烧不：初产沼气不纯，应放掉，直到所产沼气燃烧不熄为止。熄为止。3、现代大型工业化沼气发酵设备、现代大型工业化沼气发酵设备（1）常见几种类型的发酵罐）常见几种类型的发酵罐欧美型欧美型(Anglo-American shape)；d/H1，顶部具有浮罩，顶部和，顶部具有浮罩，顶部和底部都有小的坡度，由四

21、周向底部都有小的坡度，由四周向中心凹陷，形成一个小锥体。中心凹陷，形成一个小锥体。古典型古典型(Classical shape)； 中间是一个中间是一个d/H=1的圆桶，上下的圆桶，上下两头均为圆锥体。底部锥体的两头均为圆锥体。底部锥体的倾斜度为倾斜度为1.01.7，顶部为，顶部为0.61.0。有助于发酵污泥处于。有助于发酵污泥处于均匀、完全循环的状态。均匀、完全循环的状态。蛋型（蛋型（Egg shape digester）特点：特点：发酵罐两端的锥体与中部罐体发酵罐两端的锥体与中部罐体结合时是光滑的，逐步过渡的。结合时是光滑的，逐步过渡的。 底底部锥体比较陡峭，反应污泥与罐壁的部锥体比较陡峭

22、，反应污泥与罐壁的接触面积比较小。有利于发酵污泥完接触面积比较小。有利于发酵污泥完全彻底的循环，不会形成循环死角。全彻底的循环，不会形成循环死角。欧洲平底型（欧洲平底型（European plain shape）介于欧美型和古典型之间。施工费用比介于欧美型和古典型之间。施工费用比古典型低，直径与高度的比值比欧美古典型低，直径与高度的比值比欧美型合理，在污泥循环设备方面，选择型合理，在污泥循环设备方面，选择余地小。余地小。（2）循环系统搅拌设备（）循环系统搅拌设备（ stiring device）机械搅拌：机械搅拌：泵搅拌泵搅拌：用泵将消化污泥从池底抽出，加压后送至浮渣层表面或用泵将消化污泥从池

23、底抽出，加压后送至浮渣层表面或消化池不同部位进行循环搅拌。一般只适用于小型消化池。消化池不同部位进行循环搅拌。一般只适用于小型消化池。螺旋桨搅拌螺旋桨搅拌：在一在一个竖向导流管中个竖向导流管中安装螺旋桨。安装螺旋桨。气体扩散式搅拌气体扩散式搅拌充液搅拌充液搅拌n从厌氧池的出料间将发酵液抽出，然后从厌氧池的出料间将发酵液抽出，然后从加料管加入厌氧池内，产生较强的液从加料管加入厌氧池内，产生较强的液体回流，达到搅拌的目的。体回流，达到搅拌的目的。（六）（六） 厌氧发酵工艺厌氧发酵工艺包括从发酵原料到生产沼气的整个过程所采包括从发酵原料到生产沼气的整个过程所采用的技术和方法。用的技术和方法。n原料的

24、收集和预处理；原料的收集和预处理；n接种物的选择和富集；接种物的选择和富集；n沼气发酵装置形状选择；沼气发酵装置形状选择；n启动和日常运行管理；启动和日常运行管理；n副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。（1 1）根据发酵温度分类）根据发酵温度分类高温发酵高温发酵：产气率高，但：产气率高，但CH4CH4比例低且不稳定；比例低且不稳定；中温发酵中温发酵：产气率较高，能量回收较理想，应用普遍。太阳：产气率较高，能量回收较理想，应用普遍。太阳能保温。能保温。常常( (低低) )温发酵温发酵：自然温度，结构相对简单、造价低。：自然温度，结构相对简单、造价低。（2 2）根据

25、投料运转方式分类）根据投料运转方式分类连续发酵连续发酵：正常产气后，可连续加料与出料。：正常产气后，可连续加料与出料。半连续发酵半连续发酵：启动时一次加入较多原料，正常产气后，不定：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。期、不定量地添加新料。批量发酵批量发酵：将发酵原料和接种物一次性装满沼气池，中途不：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。再添加，产气结束后一次性出料。两步发酵两步发酵：产酸与产甲烷阶段分开进行。：产酸与产甲烷阶段分开进行。1、传统沼气发酵工艺类型、传统沼气发酵工艺类型典型的大型工业化沼气发酵工艺流程典型的大型工业化沼气发酵工艺流程1、有机废物；2、进料；3、进料口；4、分选；5、料槽；6、废物；7、破碎机；8、天然气供应站；9、加气站；10、内消耗；11、电网；12、沼气罐；13、主变电站；14、临时储存仓；15、气体处理站；16、热交换；17、发电；18、区域供热系统；19、热储存罐；20、发酵热；21、发酵仓；22、热交换；23、废液肥料脱水；24、堆肥产品；25、堆肥精制车间；26、脱水2、现代大型工业化沼气发酵工艺流程、现代大型工业化沼气发酵工艺流程（1）能大量消