1、第6章 城市生活垃圾的厭氧消化處理1第一節(jié) 厭氧消化原理2一、厭氧消化基本理論 1、概念：厭氧消化，又稱沼氣發(fā)酵或厭氧發(fā)酵，是指有機(jī)物質(zhì)（如作物秸桿、雜草、人畜糞便、垃圾、污泥及城市生活污水和工業(yè)有機(jī)廢水等）在厭氧條件下，通過種類繁多、數(shù)量巨大、功能不同的各類微生物的分解代謝，最終產(chǎn)生沼氣的過程。3 2、工藝特點(diǎn) 用厭氧發(fā)酵法處理城市有機(jī)生活垃圾, 并產(chǎn)生潔凈能源沼氣, 為人類提供一種綠色生物能源, 具有成本低、環(huán)境效益高及可持續(xù)發(fā)展等特點(diǎn)。 在這個(gè)轉(zhuǎn)化過程中,被分解的有機(jī)碳化物中的能量大部分儲(chǔ)存在甲烷中,僅一小部分有機(jī)碳化物氧化成二氧化碳,釋放的能量作為微生物生命活動(dòng)的需要。 新的研究表明,

2、利用城市生活垃圾厭氧消化,可以將其中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氫氣,這一研究進(jìn)一步擴(kuò)大了厭氧發(fā)酵的概念。4 3、優(yōu)點(diǎn) （1）產(chǎn)生的沼氣可用于發(fā)電或作為能源 沼氣中的主要成分是甲烷，含量5075%之間，是一種很好的燃料。5 （2）能量需求大大降低 不需供給氧氣，同時(shí)還可產(chǎn)生甲烷 每去除1kg COD好氧生物處理一般需消耗0.51.0 kW.h電能。 每去除1kg COD 厭氧生物處理約能產(chǎn)生3.5 kW.h電能。 （3）對營養(yǎng)物的需求量少 好氧堆肥C:N=2035:1，而厭氧方法為2030:1，因此厭氧處理時(shí)可以不添加或少添加營養(yǎng)鹽6 （4）發(fā)酵底物不僅是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)作物有機(jī)肥料, 而且因其富含微生物菌體、氨基

3、酸等活性物質(zhì), 經(jīng)加工可作為優(yōu)良的魚、雞等動(dòng)物飼料。 （5）對于我國的中小城市, 由于垃圾中的可燃成分較少、熱值低, 不易焚燒, 所以厭氧消化是一種較為有利的方法。7 4、有機(jī)物厭氧發(fā)酵過程 厭氧消化(anaerobic digestion) 是指在無分子氧條件下通過厭氧微生物(anaerobic microbes)(包括兼氧微生物）的作用，將廢水中的各種復(fù)雜有機(jī)物分解轉(zhuǎn)化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbon dioxide)等物質(zhì)的過程。 對于該過程有多種理論解釋，最為廣泛接受的是三階段理論。8 三階段理論1979年由布賴恩提出，將厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個(gè)階段。起作

4、用的細(xì)菌分別稱為發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌、同型產(chǎn)乙酸菌、產(chǎn)甲烷菌。 該理論主要內(nèi)容如下：910首先，首先，不溶性大分子有不溶性大分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、纖維素、機(jī)物（如蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、脂肪等）經(jīng)水解酶的淀粉、脂肪等）經(jīng)水解酶的作用，在溶液中分解為水溶作用，在溶液中分解為水溶性的小分子有機(jī)物（如氨基性的小分子有機(jī)物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。等）。隨之，隨之，這些水解產(chǎn)物被這些水解產(chǎn)物被發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，將代謝產(chǎn)一系列生化反應(yīng)，將代謝產(chǎn)物排出體外，由于發(fā)酵細(xì)菌物排出體外，由于發(fā)酵細(xì)菌種群不一，代謝途徑各異，種群不一

5、，代謝途徑各異，故代謝產(chǎn)物也各不相同。故代謝產(chǎn)物也各不相同。11最后，進(jìn)行甲烷的轉(zhuǎn)化最后，進(jìn)行甲烷的轉(zhuǎn)化。眾。眾多的代謝產(chǎn)物中，僅無機(jī)的多的代謝產(chǎn)物中，僅無機(jī)的CO2和和H2及有機(jī)的及有機(jī)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）可直接可直接被產(chǎn)甲烷細(xì)菌被產(chǎn)甲烷細(xì)菌吸收利用，轉(zhuǎn)化為甲烷和二吸收利用，轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。其它眾多的代謝產(chǎn)氧化碳。其它眾多的代謝產(chǎn)物（主要是丙酸、丁酸、戊物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有機(jī)酸，以及乙酸、乳酸等有機(jī)酸，以及乙醇、丙酮等有機(jī)物質(zhì)）不能醇、丙酮等有機(jī)物質(zhì)）不能為產(chǎn)甲烷細(xì)菌直接利用。它為產(chǎn)甲烷細(xì)菌直接利用。它們必須經(jīng)過產(chǎn)氫

6、產(chǎn)乙酸細(xì)菌們必須經(jīng)過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，才能被甲烷細(xì)菌吸收利用，才能被甲烷細(xì)菌吸收利用，并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。 在產(chǎn)甲烷階段，通常由兩組生理上不同的產(chǎn)甲烷菌完成，一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲烷，另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷，前者約占總量的l/3，后者約占2/3。12二、厭氧發(fā)酵微生物 1、不產(chǎn)甲烷菌：不直接參與甲烷形成的微生物 包括細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物三大群。 主要作用： (1)為產(chǎn)甲烷菌提供營養(yǎng)，將大分子有機(jī)物分解為簡單的小分子有機(jī)物，作為產(chǎn)甲烷菌的營養(yǎng)基質(zhì)。 (2)為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件。 (3)為產(chǎn)甲烷菌消除

7、部分有毒物質(zhì)，如氧和氧化劑。 (4)和產(chǎn)甲烷菌一起維持發(fā)酵環(huán)境的pH值。13 2、產(chǎn)甲烷菌：70年代被確認(rèn)的，能夠厭氧代謝產(chǎn)生甲烷。 特點(diǎn) （1）嚴(yán)格厭氧，對氧和氧化劑非常敏感。 （2）要求中性，偏堿環(huán)境條件。 （3）菌體倍增時(shí)間較長，有的4-5天才系列繁殖一代。 （4）只能用簡單的化合物作為營養(yǎng) （5）代謝的主要終產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和分子氫 。1415Various types of methanogenic bacteria. The spherically shaped bacteria are of the methanosarcina genus(產(chǎn)甲烷八疊球菌屬產(chǎn)甲烷八疊球菌屬)

8、; the long, tubular ones are methanothrix bacteria(產(chǎn)產(chǎn)甲烷絲菌屬甲烷絲菌屬).三、厭氧消化產(chǎn)物 1、主要產(chǎn)物 產(chǎn)物有沼氣、沼液和沼渣。 沼氣主要成分是甲烷（CH4），此外還有CO2、N2、CO、H2、H2S和極少量的O2。 CH4含量50%60%， CO2含量30%35%，熱值在23000kJ/m3左右。16 2、沼氣及其發(fā)酵余物的利用 1）沼氣的綜合利用 （1）生活燃料；（2）運(yùn)輸工具的動(dòng)力燃料；（3）發(fā)電；（4）化工原料；（5）孵化禽類；（6）蔬菜種植，增產(chǎn)效果顯著；（7）貯糧防蟲；（8）貯藏水果 2）沼氣發(fā)酵余物的利用 （1）沼液：速效

9、肥料、飼料添加劑、喂魚。 （2）沼渣：優(yōu)質(zhì)肥料、飼料、培養(yǎng)土、提取維生素等原料。17 3、沼氣產(chǎn)量計(jì)算 （1）有機(jī)物厭氧消化轉(zhuǎn)化為沼氣理論計(jì)算 1kgC6H12O6完全分解，產(chǎn)沼氣約0.75m3.1813224841806126CO3CH3 厭氧菌OHC （2）COD轉(zhuǎn)化為沼氣理論計(jì)算 實(shí)際中常采用COD表示有機(jī)物含量，不去測定具體成分，用COD估算更加方便。 1kgCOD完全消化，產(chǎn)生沼氣約0.7m3.1910821322192218061266CO66OHOOHC 厭氧菌 （3）Buswell和 Mualler計(jì)算方法20第二節(jié) 厭氧消化影響因素21一、厭氧條件：絕對厭氧 判斷厭氧程度一般

10、用氧化還原電位Eh表示。厭氧條件下，Eh是負(fù)值。嚴(yán)格厭氧的甲烷菌要求的Eh為300350mV，而一些兼性產(chǎn)酸的細(xì)菌則在Eh為100100mV就能正常生活。為了保證厭氧條件，必須修建嚴(yán)格密閉的沼氣池，保證沼氣池不漏水、漏氣。 通常是用一個(gè)惰性的鉑絲電極與一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參考電極同時(shí)插入體系中而測得。氧化還原電位受氧分壓的影響，氧分壓高，氧化還原電位高；氧分壓低，氧化還原電位低。22二、 溫度因素 對厭氧生物及厭氧消化的影響尤為顯著。溫度變化范圍最佳為(1.52.0)。 1、低溫發(fā)酵：低于20 ，產(chǎn)氣量低，受氣候影響大，不加料情況下35d。 2、中溫發(fā)酵：37，產(chǎn)氣量約11.3m3/(m3d)；發(fā)酵時(shí)間2

11、0d，衛(wèi)生化低。23 3、高溫發(fā)酵：53 ，產(chǎn)氣量約3.04.0m3/(m3.d)；發(fā)酵時(shí)間10d，衛(wèi)生化高。對寄生蟲卵的殺滅率較可達(dá)99%，能滿足衛(wèi)生要求（蛔蟲卵的殺滅率在95%以上）。 當(dāng)有3的變化時(shí)，就會(huì)抑制發(fā)酵速率，有5的急劇變化時(shí)，就會(huì)突然停止產(chǎn)氣，使有機(jī)酸大量積累而破壞厭氧發(fā)酵。24溫度對厭氧消化過程的影響0 01 12 23 34 40 01 12 23 34 45 56 67 78 825253030353540404545505055556060產(chǎn)氣量（產(chǎn)氣量（L/L.dL/L.d）有機(jī)物負(fù)荷有機(jī)物負(fù)荷(g/L.d(g/L.d）溫度（溫度（）有機(jī)負(fù)荷有機(jī)負(fù)荷產(chǎn)氣量產(chǎn)氣量25溫

12、度的波動(dòng)，不僅影響沼氣產(chǎn)量，還影響沼氣中甲烷的溫度的波動(dòng)，不僅影響沼氣產(chǎn)量，還影響沼氣中甲烷的含量，尤其高溫消化對溫度變化更為敏感。含量，尤其高溫消化對溫度變化更為敏感。26厭氧消化厭氧消化 最佳溫度最佳溫度5053 高溫菌（高溫消化）高溫菌（高溫消化） 3036 中溫菌（中溫消化）中溫菌（中溫消化）取舍取舍：高溫消化（高溫消化（1015d）的反應(yīng)速率為中溫消化的反應(yīng)速率為中溫消化（2030d）的）的1.51.9倍，但甲倍，但甲烷在氣體中占比例低。消化不烷在氣體中占比例低。消化不徹底。中溫消化對寄生蟲卵徹底。中溫消化對寄生蟲卵及大腸菌群殺滅率低；而高溫及大腸菌群殺滅率低；而高溫消化幾乎可殺死全

13、部病原菌和消化幾乎可殺死全部病原菌和大腸菌群。大腸菌群。 高溫消化需較多高溫消化需較多的能量，不經(jīng)濟(jì)。的能量，不經(jīng)濟(jì)。溫度對厭氧消化的影響溫度對厭氧消化的影響三、pH值 每種微生物可在一定的pH值范圍內(nèi)活動(dòng)，產(chǎn)酸細(xì)菌對酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感，其適宜的pH值范圍較廣，在4.5-8.0之間。產(chǎn)甲烷菌要求環(huán)境介質(zhì)pH值在中性附近，最適宜pH值為pH6.8-7.4較為適宜。 pH主要取決于代謝過程中自然建立的緩沖平衡，取決于揮發(fā)酸、堿度、二氧化碳、氨氮、氫之間的平衡。pH值變化過大時(shí)，微生物自我調(diào)節(jié)功能不起作用時(shí)，可通過投加石灰或調(diào)整原料碳氮比來進(jìn)行調(diào)節(jié)。27 在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，因?yàn)樗嵝园l(fā)酵，有機(jī)酸的

14、形成和積累，pH值可降到6以下，以后隨著有機(jī)酸和溶解性含氮化合物的分解，產(chǎn)生氨，pH升至6.56.8左右，但此時(shí)厭氧處理的效果已顯著下降，甚至停止產(chǎn)氣。所以，在實(shí)際中，對有機(jī)酸的控制更為重要。28四、 營養(yǎng)物質(zhì) 厭氧消化過程本質(zhì)上是微生物的培養(yǎng)繁殖過程，待消化的有機(jī)廢物是微生物的營養(yǎng)物質(zhì)。營養(yǎng)物質(zhì)的種類和數(shù)量非常重要。 C/N比尤為重要（2030）：1 磷（主要是磷酸鹽）含量一般要求為有機(jī)物的千分之一為好。 如：消化富碳、貧氮的作物秸稈如稻草、麥秸和玉米秸時(shí)通過添加含氮量較高的人畜糞便，可以調(diào)節(jié)。29五、接種物質(zhì) 直接影響沼氣的產(chǎn)生。 微生物的種類和數(shù)量不夠時(shí)，可添加含有豐富厭氧微生物的活性污

15、泥或發(fā)酵液。 30六、有毒物質(zhì) 1、重金屬離子對甲烷發(fā)酵的抑制:使酶發(fā)生變性或者沉淀。 2、陰離子的毒害：主要是S2-，來源：無機(jī)硫酸鹽還原；蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。 3、氨的毒害：NH4+ 150mg/L，發(fā)酵受抑制。31七、攪拌混合 對厭氧反應(yīng)器進(jìn)行攪拌，可以使池內(nèi)溫度均勻，使微生物與發(fā)酵原料充分接觸，加快發(fā)酵速度，提高沼氣量。因此，攪拌對垃圾厭氧消化影響很大，不僅可以縮短反應(yīng)周期，提高產(chǎn)氣率，還可以提高沼氣中甲烷含量，提高垃圾中有機(jī)碳利用率。 實(shí)驗(yàn)證明,攪拌有利于提高沼氣發(fā)酵物料中的細(xì)菌含量。沼氣池主要微生物種群的垂直分布，經(jīng)攪拌的沼氣池各層產(chǎn)甲烷菌比靜態(tài)高出10100 倍。沼氣池在不攪

16、拌的情況下，發(fā)酵料液明顯地分成結(jié)殼層、清液層、沉渣層,嚴(yán)重影響發(fā)酵效果。32第三節(jié) 厭氧發(fā)酵反應(yīng)器與工藝33一、發(fā)酵工藝 1、根據(jù)發(fā)酵溫度分類 高溫發(fā)酵：產(chǎn)氣率高，但CH4比例低且不穩(wěn)定； 中溫發(fā)酵：產(chǎn)氣率較高，能量回收較理想，應(yīng)用普遍。太陽能保溫。 常(低)溫發(fā)酵：自然溫度，結(jié)構(gòu)相對簡單、造價(jià)低。34 2、根據(jù)投料運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類 連續(xù)發(fā)酵：正常產(chǎn)氣后，可連續(xù)加料與出料。工藝易于控制，能保持穩(wěn)定的有機(jī)物消化速率和產(chǎn)氣率，但該工藝要求較低的原形固體廢物濃度。 半連續(xù)發(fā)酵：啟動(dòng)時(shí)一次加入較多原料，正常產(chǎn)氣后，不定期、不定量地添加新料。農(nóng)村較適用。 批量發(fā)酵（間歇反應(yīng)）：將發(fā)酵原料和接種物一次性裝滿沼

17、氣池，中途不再添加，產(chǎn)氣結(jié)束后一次性出料。 兩步發(fā)酵：產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷階段分開進(jìn)行。35 3、根據(jù)原料的物理狀況分：液體發(fā)酵（固體含量在10%以下）、固體發(fā)酵（固體含量20%左右）和高濃度發(fā)酵（介于液體發(fā)酵和固體發(fā)酵之間，總固體含量15%20%）； 4、根據(jù)發(fā)酵裝置類型：傳統(tǒng)消化器、厭氧接觸消化、上流式厭氧污泥床、厭氧流化床、厭氧生物轉(zhuǎn)盤、管道式消化器、折流式消化器36二、厭氧發(fā)酵反應(yīng)器 1、常規(guī)消化反應(yīng)器（CD) 2、連續(xù)攪拌式反應(yīng)器(CSTR) 3、推流式反應(yīng)器(PFR) 4、折流式反應(yīng)器(BFF) 5、上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB） 6、兩相厭氧消化法 7、干發(fā)酵371、常規(guī)消化反應(yīng)器工

18、作示意圖38進(jìn)料進(jìn)料出料出料沼氣沼氣排泥排泥浮渣層浮渣層上清液層上清液層活性層活性層沉渣層沉渣層多于常溫條件下運(yùn)行：多于常溫條件下運(yùn)行：水壓式沼氣池水壓式沼氣池改進(jìn)的有分離浮罩式改進(jìn)的有分離浮罩式和連續(xù)攪拌式。和連續(xù)攪拌式。消化效率低消化效率低 （1）立式圓形水壓式沼氣池 發(fā)酵間為圓形，兩側(cè)帶有進(jìn)出料口，池頂有活動(dòng)蓋板。池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體，主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管等幾個(gè)部分。合并發(fā)酵與貯氣于同一空間，下部為發(fā)酵間，上部為貯氣間。 優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單，造價(jià)低，施工方便。39 缺點(diǎn)： 氣壓不穩(wěn)定，對產(chǎn)氣不利； 池溫低，影響產(chǎn)氣，原料利用率低（僅10%20%） 大換料和密封都不方便；產(chǎn)氣率低平均0.10.15m3/m3.d，對防滲措施的要求較高，給燃燒器的設(shè)計(jì)帶來一定困難。4041 （2）立式圓形浮罩式沼氣池 將發(fā)酵間與貯氣間分開，產(chǎn)生的沼氣由浮沉式的氣罩貯存起來。氣罩可直接安裝在沼氣發(fā)酵池頂，也可安裝在沼氣發(fā)酵池側(cè)。 浮沉式氣罩由水封池和氣罩兩部分組成。隨著沼氣壓力變化，氣罩便沿水池內(nèi)壁的導(dǎo)向軌道上升或下降，直至平衡為止。42