设施农业工程工艺及建筑设计第八章农业废弃物处理工程工艺

主要内容畜禽粪便环境危害与特性粪污处理利用工程工艺与设施农作物秸秆再利用工程工艺与设备有机污水处理新技术现在是1页\一共有112页\编辑于星期三!!!!!工业源农业源生活源农业源据《第一次全国污染源普查公报》，农业污染源化学需氧量、总磷、总氮排放量分别占全国排放总量的44%，67%和57%。农业面源污染已经成为我国流域性水体污染、土壤污染和空气污染的重要来源。第一次污染源普查我国主要污染物构成比例现在是2页\一共有112页\编辑于星期三行业类别COD（万吨）百分比(%)TP（万吨）百分比(%)TN（万吨）百分比(%)种植业--

--159.7859%10.8738%畜禽养殖业1268.2696%102.4838%16.0456%水产养殖业55.834%8.213%1.565%合计1324.09100%

270.47100%

28.47100%

据第一次污染源普查公报，我国农业污染排放主要来自于畜禽养殖业，其COD、TN、TP排放量占农业源污染物排放总量96%、56%、38%。现在是3页\一共有112页\编辑于星期三污普动态更新畜禽养殖COD排放量构成比例污普动态更新畜禽养殖氨氮排放量构成比例现在是4页\一共有112页\编辑于星期三COD排放总量1204万吨，畜禽1149万吨，水产55.9万吨。COD排放量超过100万吨的省份有2个（山东、黑龙江）。COD排放量最大的三个省份为山东、黑龙江和河北。现在是5页\一共有112页\编辑于星期三氨氮排放总量83万吨，畜禽占65.4万吨，种植业占15.3万吨，水产占22.9万吨。氨氮排放量超过5万吨的省份有5个（山东、湖南、河南、四川、广东）。氨氮排放量靠前的三个省份为山东、湖南、河南。现在是6页\一共有112页\编辑于星期三五类畜禽COD排放量空间分布图（动态更新数据）现在是7页\一共有112页\编辑于星期三五类畜禽COD排放强度空间分布图（动态更新数据）现在是8页\一共有112页\编辑于星期三五类畜禽氨氮排放量空间分布图（动态更新数据）现在是9页\一共有112页\编辑于星期三五类畜禽氨氮排放强度空间分布图（动态更新数据）现在是10页\一共有112页\编辑于星期三畜禽养殖业-养殖量持续增长年份生猪(万头)奶牛(万头)肉牛(万头)蛋鸡(万头)肉鸡(万头)200780357.361495.7525675.44247045.9726437.6200885738.341531.8315535.37246713788022.6200988091.981580.7095770.18259246.5876214.81985年以来，畜禽养殖量持续大幅增长。2009年比1985年鸡养殖量翻了33倍，猪养殖量翻了3.6倍，奶牛肉牛养殖量翻了20倍。养殖数量对畜禽污染减排的影响较大现在是11页\一共有112页\编辑于星期三根据2010年统计，2009年，全国肉类总产量7649.7万吨，奶类总产量为3732.6万吨，蛋类为2742.5万吨，人均消费量持续增长。现在是12页\一共有112页\编辑于星期三现在是13页\一共有112页\编辑于星期三现在是14页\一共有112页\编辑于星期三现在是15页\一共有112页\编辑于星期三

近3年数据表明，五类畜禽养殖中规模化养殖比例呈逐年增长趋势，但规模化率仍然较低。专业户养殖比例也呈现逐步增加趋势，但增速缓慢，散户比例呈现逐年减少趋势。养殖结构对畜禽污染减排影响较大现在是16页\一共有112页\编辑于星期三农业源减排几个难点增长速度快：2001年至2010年，猪规模化养殖场年均增幅25%，奶牛28%，肉牛17%，蛋鸡22%，肉鸡20%。如果增幅持续加大，农业源减排难度将进一步加大。治理难度大：“十二五”纳入减排约束性指标，由农业部门负责，无经验可借鉴。由于推进畜禽养殖污染治理的相关政策不完善，污染减排任务艰巨。监管水平低：不像工业源有比较全面成熟的监控体系。不宜安装监控设备等。监管能力有限，难以监控污染物进一步的去向。现在是17页\一共有112页\编辑于星期三主要污染项目：臭气污水粪便集约化畜禽养殖高强度排污，超过周围环境系统纳污能力，使环境系统自净能力丧失，生态系统失衡进入恶性循环状态。8-1畜牧生产废弃物及其对环境危害SH2

NH3现在是18页\一共有112页\编辑于星期三8.1.1污染物质与环境危害可降解有机污染物

动植物性废弃物，几乎所有的非人工合成有机物，主要为碳水化合物，蛋白质、脂肪和木质素等。可在微生物作用下最终分解为简单的无机物。难降解物质

指那些人工合成的、难于被微生物分解的废弃物。比如化学农药、抗生素等现在是19页\一共有112页\编辑于星期三3.植物营养物（富营养物）

主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包括钾、硫等植物生长所必需的元素。水体生态的严重失衡污泥积累、湖水退化。蓝细菌的蛋白类毒素富集食物链中毒供水质量下降、成本升高化合态氮毒害作用现在是20页\一共有112页\编辑于星期三有毒物质

汞、镉、铬、砷、铅都是毒性较大的重金属，还有铜、钴、锡、锌也有一定的毒性。闻名于世的水俣病是受汞污染的水体通过藻类、浮游生物、贝类、鱼类食物链不断富集放大后最终进入人体的典型的生物放大事例。隔取代骨中的钙引起骨痛病；氟可因起软骨病；长期饮用含铬水可致口角糜烂、腹泻和消化道机能紊乱。有毒重金属污泥积累长期危害某些生物同化作用后毒性增加。食物链的生物富集放大此外常见的有毒物质还有工业污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多环芳烃等等。现在是21页\一共有112页\编辑于星期三甲基汞(MethylMercury

CH3Hg

)

甲基化短鏈烷基汞較易滲入細胞中烷基汞與-SH基之親和力使其毒性比可溶性的無機型態汞高了10～100倍汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。食物链富集汞被水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内，再经过“浮游生物——小鱼——大鱼”食物链的富集，使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的几万倍正常人即使在生活和工作中从未接触过汞，其体内及尿中仍可检出少量汞存在。据估计，自然界的汞循环量每年可达25至150万吨。

现在是22页\一共有112页\编辑于星期三5.酸碱及无机盐类

冶金、加工业的酸洗废水，冶金、矿山的硫化物氧化产生的酸性废水，二氧化硫形成的酸雨，造纸、纺织、纤维、制革、洗涤剂、染料、制碱等工业排水。直接污染土壤、表面水体、地下水体，一旦污染影响长久，不易治理。6.色度

破坏景观、影响水质。7.病原微生物

生活、畜禽、养殖、食品、屠宰等。现在是23页\一共有112页\编辑于星期三8.1.2环境系的自净化作用与纳污容量污染自然污染人为污染自然地理因素等原因人类活动原因污染物在物系循环流动过程中发生演变，自然地减少消失或无害化，称为物系的自净。污染物浓度自然降低的能力称为自净能力环境系每年允许的最大纳污量称为该环境系的纳污容量环境容量

自净物理作用化学作用稀释，沉淀，挥发，凝聚，吸附，过滤生物作用分解与化合，氧化与还原，酸碱反应等使污染物浓度降低或毒性丧失。微生物代谢活动使污染物分解转化成无害物质物理污染化学污染生物污染污染物分类来源特性点源：主要指工业废水与都市生活排水，均有固定的排放口面源：主要指来源于流域广大面积上的降雨径流污染，如农药化肥

现在是24页\一共有112页\编辑于星期三细菌群载体水底固形物氧气有机物污染水有机物被各种微生物菌群分解代谢细菌群载体水底固形物虫有机物污染水微生物菌群被微小动物消耗，水体透明度好转细菌浓度升高水底固形物氧气水中有机物污染被细菌系分解净化水体透明度下降生物作用下的水体自净化过程举例现在是25页\一共有112页\编辑于星期三有毒重金属、难降解物质特别加以处理水质净化良性循环与生化处理方法原理现在是26页\一共有112页\编辑于星期三8.1.3畜禽粪便特性一物理学特性1、颗粒尺寸新收集畜禽粪便颗粒尺寸分布见表6-1（p274）直径μmμm0.0030.3溶解固体胶质体悬浮体氯离子，乙酸、乙醇病毒细菌0.5－10μm砂20－1000μm沉降分离超滤分子筛离心膜过滤生物、化学方法详细讨论请参考《废水工程处理及回顾》p31现在是27页\一共有112页\编辑于星期三2、TS、VS、灰分105℃，105℃，24小时TS600℃，600℃2小时TS灰分VS（挥发性固体）总固体水悬浮液3、含水率、容重（鸡粪除外）一般鲜粪含水率高于80%，实际收集到的粪便含水率与收集方式有关。悬浮固体物与TS的区别？现在是28页\一共有112页\编辑于星期三二生物化学特性生物化学需氧量（BOD)

BOD是指1L污水中的有机物在耗氧微生物的作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量(mg/L)

。废水中有机物数量繁多，但大多数有机物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有机物数量同耗氧量成正比。实际测定时常采用BOD5，即水样在20℃的条件下培养5天的生化需氧量。BOD5=NBOD+CBODNBOD是还原态氮氧化成硝态氮或亚硝态氮的需氧量，通常较CBOD小得多。实验研究表明：第一阶段中有机物在各个时刻的好氧速度与该时刻的污水中有机物浓度成正比关系。30℃20℃9℃day51020304050BOD(mg/L)50100200300第一阶段第二阶段污水的有机物浓度指标和可生化性指标现在是29页\一共有112页\编辑于星期三有机物＋O2

能量CO2+H2O+NH3好氧菌第一阶段第二阶段NH3

＋3O22HNO2+2H2O亚硝化菌2HNO2

＋O22HNO3

硝化菌第一阶段常温下一般需要20天接近完成第二阶段常温下一般需要近百天才能完成现在是30页\一共有112页\编辑于星期三（1）降解：有机物＋O2CO2+H2O+NH3微生物第一阶段的三部分BOD（2）合成：有机物＋O2

＋能量

新细胞

（3）内源呼吸：老细胞＋O2

CO2+H2O+NH3

BOD表示有机污染物参数时存在明显的缺陷，即使衡量耗氧量时也是如此。因为内源呼吸耗氧量与硝化耗氧量可能引起很大误差。当进口BOD200mg/L,出口BOD无硝化时20mg/L，有硝化时40mg/L，则去除率分别为90%、80%，实际上有机物去除率应该是一样的。现在是31页\一共有112页\编辑于星期三进口BOD=200mg/L出口BOD=NBOD+CBOD=0+20mg/L=20mg/L污水含氮极低进口BOD=200mg/L出口BOD=NBOD+CBOD=20+20mg/L=40mg/L污水含氮很高去除BOD系统去除BOD系统BOD去除率=90%BOD去除率=80%一般污水的BOD5=NBOD+CBOD≈CBOD5，与含氮量无关。假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。现在是32页\一共有112页\编辑于星期三化学需氧量（COD)

COD是指在酸性条件下，用强氧化剂使1L被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量(mg/L)

。

COD越高表明废水的有机物越多，目前常用的氧化剂为重铬酸甲（K2Cr2O7)和高锰酸钾（KMnO4)。KMnO4

氧化力较弱，文献中COD未加注明时，大多是指重铬酸甲法的CODcr。COD一般较BOD为高，其差值表示不能被微生物降解的有机物含量。废水种类ab生活污水1.6411.36家禽废水1.4555.7啤酒废水2.3246.2据Ademoroti(1986)研究认为，COD与BOD常有一定的相关关系，大多为线性关系。COD=aBOD5+b废水生物处理，上海环保局，同济大学出版社，1999，P21BOD5COD0.3适宜生物处理现在是33页\一共有112页\编辑于星期三三化学特性肥料元素：N、P、K金属元素：Cu、Zn、Fe、B、As酸碱度:鸡粪偏酸pH=6-7,其他自猪、羊、牛、马粪为弱碱性。鸡粪、猪粪、牛粪相比较，鸡消化道很短未经彻底消化残留于粪中的营养物最多，含有大量的粗蛋白等，猪粪次之，牛粪有较高的粗纤维，含营养物最少，鸡粪还含较高的磷与硫。不同畜禽粪便沼气发酵等生物处理时，应注意C、N、P、S比例与含水率等特点。牛粪：C/N/P比是否过高，某些微量元素是否欠缺猪粪：氨氮是否过高，抑制微生物发酵、BOD5误差问题等鸡粪：氨氮是否过高，是否含硫过高，腐蚀、臭气、抑制、硫酸盐还原菌竞争等问题现在是34页\一共有112页\编辑于星期三SO42-NO3-酸雨酸雨是自然污染吗2、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源3、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气体污染物吗？1、请举例说出水系的自净能力、纳污容量点源与面源污染。4、“最优方法”这种概念起码在理论上几乎没有价值。更应该关注的是特征，而不是一味追求理论上的普遍性。你同意以上观点吗？请发表你的观点。5、BOD5作为有机物参数有那些不足现在是35页\一共有112页\编辑于星期三8-2粪污处理利用工程工艺与设施8.2.1粪便收集与运输方式刮板式:自落积存式自流式水冲式分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水冲式清粪为主清粪方法与设备现在是36页\一共有112页\编辑于星期三鸡笼鸡笼环流风机排气风机鸡粪鸡粪自落积存式更换鸡群时一次性清理1.7~2.0m现在是37页\一共有112页\编辑于星期三自流式清粪缝隙地板现在是38页\一共有112页\编辑于星期三水冲式清粪带仔母猪仔猪育肥猪前期育肥猪后期妊娠母猪奶牛与肉牛冲水量m3/头.天0.1330.0150.0380.0570.0950.38表6-4每日最少冲洗量最小用水量主要根据经验资料得到现在是39页\一共有112页\编辑于星期三畜禽粪便产量（p274表6-2）可参考《设施农业工程工艺及建筑设计》教材p216的计算公式以及表8-1~8-4。注意：养殖畜禽工艺设计-----小粪污处理工艺设计-----大工艺设计中常见到的取值偏差现象的背后原因思考问题：现在是40页\一共有112页\编辑于星期三粪便输送方式固态：低于70%车半固态：70%-80%输送带、螺旋输送机械半液态：80%-90%管道、污泥泵液态：高于90%现在是41页\一共有112页\编辑于星期三8.2.2畜禽粪便处理工艺与设施1、物理处理一级处理大尺寸固形物，砂泥格栅二沉池污泥超滤现在是42页\一共有112页\编辑于星期三沉降分离固液分离机械分离（离心、压滤、筛分）干燥（常温干燥、高温干燥、微波干燥）工艺与设备设计（专业课程：化工原理或单元操作过程）物理处理主要用于一级处理现在是43页\一共有112页\编辑于星期三2、化学处理氧化法（臭氧氧化；次氯酸、氯气消毒等等）絮凝沉淀法（明矾、硫酸铝、硫酸亚铁等絮凝剂）酸碱中和法主要用于预处理或后期处理现在是44页\一共有112页\编辑于星期三3、生物化学处理二级处理的主体。成本低，应用广泛，技术成熟微生物适宜的环境特点分类好氧（微生物）法兼氧（微生物）法厌氧（微生物）法比如实践常见的好氧兼氧厌氧生物塘、反应器现在是45页\一共有112页\编辑于星期三废水微生物处理方法很多，若根据起主要作用的微生物的呼吸类型，可分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。稳定塘是一种藻类-细菌互生系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：现在是46页\一共有112页\编辑于星期三粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几种：第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿分离分别进行处理。第二种方式是猪粪尿直接进行厌氧发酵处理后排放或利用。第三种方式是将猪粪尿通过自然沉淀而分离为浓稠物和稀液分别进行处理。第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，然后分别处理。现在是47页\一共有112页\编辑于星期三现在是48页\一共有112页\编辑于星期三“能源生态型”工艺（Processof“energyecological”disposingandusing）畜禽养殖场污水经厌氧消化处理后作为农田水肥利用的处理利用工艺。“能源环保型”处理利用工艺一般在厌氧处理后需再经好氧工艺处理以使排水达到国家标准。“能源环保型”工艺（Processof“energyenvironment”disposingandusing）畜禽养殖场的畜禽污水处理后达标排放或以回用为最终目标的处理工艺。厌氧处理沼气沼渣、沼液作为肥料利用厌氧处理沼气达标排放好氧处理等现在是49页\一共有112页\编辑于星期三qscsksqmax+cs=qmax称为基质最大比消耗速率。Monod方程csksμ=μmax+cs该方程描述了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，是由现代细胞生长动力学的奠基人Monod在1942年提出的经验方程。μ为细胞比生长速率(1/s)；μmax

为最大细胞比生长速率；cs为限制性基质浓度（g/L）；ks为饱和常数（g/L），其值等于比生长速率恰等于最大比生长速率的一半时的限制性基质浓度。现在是50页\一共有112页\编辑于星期三沼气池高产出率（小型高速产气）指标沼气池排水高净化（高度降解率）指标反应器设计无法同时获得高指标。现在是51页\一共有112页\编辑于星期三沉降分离剩余污泥净化水气体产物（CO2，N2，H2S等）污物+水污染物+水气体产物+生物污泥+水沉降分离性能必须给以足够的重视！处理净化系统现在是52页\一共有112页\编辑于星期三净化水污泥污水一级处理大尺寸固形物，砂泥二级处理悬浮物、胶质体、溶解有机物格栅初沉池生物降解二沉池现在是53页\一共有112页\编辑于星期三有机废水生物处理特点厌氧处理好氧处理废水浓度滞留時間BOD除去率动力主要副产物5-20日3-10時間80-95%低高质燃料高浓度低浓度80-99%高出十倍待处理污泥厌氧处理能量产出多少与原水温度、COD浓度、发酵温度有关。为了达到排放标准往往需要好氧处理工艺等进一步处理现在是54页\一共有112页\编辑于星期三

①耗氧菌呼吸

CH3COONa＋2O2→NaHCO3＋H2O＋CO2

△Go＝-848.08KJ/mol②反硝化菌呼吸

5CH3COONa＋8NaNO3→4N2＋7NaHCO3＋3Na2CO3＋4H2O

△Go＝-782.78KJ/mol③硫酸塩还原菌呼吸

CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS

△Go＝-46.88KJ/mol④产甲烷菌呼吸

CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3

△Go＝-29.30KJ/mol以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能现在是55页\一共有112页\编辑于星期三以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能好氧菌反硝化菌硫酸还原菌甲烷菌能量收支衡算表明：20℃原水，30℃发酵，100m3/d，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常规参数，1270CODmg/L时厌氧与好氧处理能量投入相同。COD小于1270mg/L时，厌氧处理更消耗能量。现在是56页\一共有112页\编辑于星期三8.2.3畜禽粪便沼气工程现在是57页\一共有112页\编辑于星期三复杂有机物碳水化合物，蛋白质，脂类简单溶解性有机物1水解1发酵脂肪酸、醇类11H2

，CO2CH3COOH22产氢产乙酸菌3同型产乙酸菌5产甲烷菌CH4+CO2产甲烷菌4甲烷产量的70%甲烷产量的30%1、沼气发酵原理水解发酵阶段产酸产氢阶段产甲烷阶段液化阶段酸化阶段气化阶段按降解机理分段：按物性变化分段：（1）厌氧消化三阶段现在是58页\一共有112页\编辑于星期三（2）产酸菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌和甲烷菌的生态关系水系中产酸、产氢菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌、甲烷菌等菌群间形成了食物链似的生态关系。比如各水层或者说各种菌落活动空间的适宜氧化还原电位及Ph值，是各类微生物创造的；又比如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很低的水平，醋酸、H2生成菌无法生存，因为象丙酸分解成醋酸、氢气的反应,只有在氢气分压低于10-4atm时，自由能变化才小于零，反应才可能进行。这种必须与其它菌共存的关系，叫共生关系（syntrophicassociation).硫酸还原硝酸还原产甲烷现在是59页\一共有112页\编辑于星期三O2好氧菌类硝酸还原菌硫酸还原菌产甲烷菌NO3-SO4-2氧化还原电位降低CO2，H2，C2O2H4空气反应器中菌群协作关系：适宜氧化还原电位形成现在是60页\一共有112页\编辑于星期三菌群的协作、共生、竞争关系现在是61页\一共有112页\编辑于星期三水解产酸产氢菌硫酸还原菌产甲烷菌降解，液化CO2，H2，C2O2H4H2醋酸、H2生成菌的生存要求极低的H2分压竞争共生协作现在是62页\一共有112页\编辑于星期三③硫酸塩还原菌呼吸

CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS△Go＝-46.88KJ/mol④产甲烷菌呼吸

CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3△Go＝-29.30KJ/mol

产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中十分重要。如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很小，醋酸、H2生成菌无法生存，甲烷菌的共生菌与硫酸还原菌的共生菌相比较，产乙酸产氢速度较慢，这是因为通过共生系可获得的自由能较少。现在是63页\一共有112页\编辑于星期三（3）厌氧消化微生物主要发酵细菌羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物，产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。似杆菌属（Bacteroides）降解纤维素或半纤维素。丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白质等真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解双歧杆菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。参考（徐亚同、史家梁、张明，污染控制微生物工程，化工出版社，2001，pp41-47；永井史朗、嫌気性微生物、1993）修改主要功能胞外酶作用固形有机物溶解有机物水解现在是64页\一共有112页\编辑于星期三主要产氢产乙酸菌互营单细胞菌属（Syntrophomonas）互营杆菌属（Syntrophobacter）羧菌属（Clostridium）暗杆菌属（Pelobacter）等。这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。2CH3CH2COOH+2H2O3CH3COOH+2H2主要功能胞内酶作用挥发性脂肪酸乙酸和H2降解现在是65页\一共有112页\编辑于星期三

产甲烷菌是自然界中最古老（36亿年左右），分布最广的一种微生物。不但土壤、湖沼、动物消化道、水田、海水等普通环境，高浓度盐湖、深海、温泉等极限环境中都有甲烷菌生存。例如，已发现有可在4MNaCl浓度条件下生存的甲烷菌，可在110℃高温水体中生存的甲烷菌，甚至适宜生长温度高达85℃的甲烷菌。产甲烷菌在厌氧水系生态碳链中，使处于最底层的一类微生物。氢气是大多数甲烷菌种共同可以利用的基质，也是在厌氧条件下，最普遍存在的能源物质。甲烷菌在400nM光源照射下，发出蓝绿色荧光。利用这一特点，在荧光显微镜下，容易识别区分于其他细菌。甲烷菌的荧光来源于甲烷菌体内的辅酶F420(Methanothrix属细菌的F420含量较低，荧光不易观察)产甲烷细菌4H2+CO2

CH4+H2O3CH3COOHCO2+CH4现在是66页\一共有112页\编辑于星期三4H2+CO2

CH4+H2O3CH3COOHCO2+CH4氧化还原电位在-400~-150mV之间（另有说法认为必须小于-330mV）1升30℃、pH7.0的水在-330mV时，与大气平衡的含氧浓度为1.48x10-56分子/升。可见通过除氧来获取低电位十分困难。这使得甲烷菌的纯分离培养有一定的难度。

产甲烷菌的研究，70年代后期才越来越受到重视，并取得了较快的进展。比如80年时研究发现的甲烷菌共有4属11种，世代时间最快的为3小时；到1992年正式发表的甲烷菌就增加到了19属59种，世代时间最快的仅为26分钟。甲烷菌中可代谢乙酸的甲烷菌不过两属。大多数甲烷菌是利用氢气和二氧化碳生成甲烷。现在是67页\一共有112页\编辑于星期三八叠球菌现在是68页\一共有112页\编辑于星期三Methanothrix属细菌Methanothrix属细菌在厌氧处理反应器中是最重要的细菌，尤其在上流式污泥床反应器中大量存在。它只能代谢醋酸，其增长速度很慢，世代时间为3-7天。现在是69页\一共有112页\编辑于星期三现在是70页\一共有112页\编辑于星期三（4）厌氧消化降解的甲烷化1）碳水化合物碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用(C6H10O5)x表示。这是污水中常见的有机物，其消化过程如下：(C6H10O5)x+（x-1)H2OxC6H12O6xC6H12O6酶发酵有机酸+醇类有机酸醇类CH3COOH+H2第1阶段第2阶段这两阶段综合反应为C6H12O6+2H2O2CH3COOH+4H2+2CO2第3阶段2CH3COOH2CH4+2CO24H2+CO2CH4+2H2O现在是71页\一共有112页\编辑于星期三上两阶段综合反应为C6H12O6+2H2O2CH3COOH+4H2+2CO2第3阶段2CH3COOH2CH4+2CO24H2+CO2CH4+2H2O净反应为C6H12O63CH4+3CO2由以上反应可见，由乙酸分解产生的甲烷约占甲烷总产量的2/3。现在是72页\一共有112页\编辑于星期三2）脂类

包括脂肪和油类，也是污水中常见的有机物。其消化过程如下：第1阶段第2阶段脂肪油类+H2OR-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油CH3(CH2)16COOH=16H2O9CH3COOH+16H2脂肪酸氧化成乙酸和氢气。例如第3阶段9CH3COOH9CH4+9CO216H2+4CO24CH4+8H2O净反应为CH3(CH2)16COOH+8H2O13CH4+5CO2可见，以脂质为基质时，最终甲烷化气体中的甲烷含量为72%，其中69%是由乙酸分解产生的。现在是73页\一共有112页\编辑于星期三3）蛋白质

蛋白质是由若干个氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：第1阶段第2阶段蛋白质+H2O氨基酸（R）酶有机酸

CH3COOH+H2第3阶段CH3COOHCH4+CO24H2+CO2CH4+2H2O蛋白质水解产生的NH4和CO2可生成NH4HCO3，这可提高消化液的碱度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生H2S、形成臭味和一定的腐蚀性。氨基酸通式为R-C-COOH

NH2

HR-C-COOH

NH2

H发酵有机酸+NH4HCO3据蛋白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为73%，且72%来自乙酸。现在是74页\一共有112页\编辑于星期三2、沼气发酵池设计计算沼气池容积计算

1根据有机负荷计算：V=QS0/Nv

V有效容积，m3 Q设计流量，m3．d-1 Nv容积负荷，kg．m-3．d-1（BOD或COD）

S0料液浓度，kg．m-3（BOD或COD）

2根据水力滞留时间计算：V=Qt t水力滞留时间，d现在是75页\一共有112页\编辑于星期三按每头猪排粪5kg,TS（干物质含量）=25%

计算以你们已有的知识能否判断5kg/头天与TS=25%是否相互矛盾，造成的误差如何？作业：试依据p274表6-2的数据计算1200头猪粪便的TS量，并与教材310页的计算相比较现在是76页\一共有112页\编辑于星期三8.2.4畜禽粪便堆肥处理现在是77页\一共有112页\编辑于星期三生产有机肥料方式主要有4种：条形堆腐处理：在敞开的棚内或露天将畜禽粪便堆积成宽1.5m、高1m的条形，进行自然发酵，根据堆内温度，人工翻倒，堆制时间约需3～6个月大棚发酵槽处理：修筑宽8～10m，长60～80m，高1.3～1.5m的水泥槽，畜禽粪便置入槽内并覆盖塑料大棚，利用翻倒机倒料，堆腐需要20d左右。密闭发酵塔堆腐处理：利用密闭型多层塔式发酵装置进行畜禽废弃物堆腐发酵处理，堆腐时间7-10d。烘干处理：大多利用横式圆筒装置，烧煤直接烘干的处理方法，多用于鸡粪处理。1、我国畜禽场堆肥的主要方式现在是78页\一共有112页\编辑于星期三密闭塔式发酵处理方法生产效率高，时间短，占地少，生产现场环境要好于前两种方法，但生产成本也最高。鸡粪烘干处理生产能力低，规模小，最大问题是臭气污染严重，受到群众的抱怨。

条堆形人工翻倒的方法经济成本低，但效率也低，堆腐时间过长，生产规模小。

大棚堆腐发酵、机械翻倒的生产方法与人工翻倒相比，规模大、堆腐处理时间大幅度缩短、减轻体力劳动，但生产成本高于人工翻倒，且排放的气体易造成空气污染。现在是79页\一共有112页\编辑于星期三2、基本控制参数条件a.水分控制一般认为堆肥初始相对含水量在40～70%能保证堆肥的顺利进行,而最适宜含水量为50～60%。b.通风供氧的控制文献中推荐的通风供氧范围广泛:低到每千克挥发性固体通入0.04～0.08Lmin-1空气,高到0.87～1.87Lmin-1;Mathur(1991)认为堆肥高温阶段适宜的通风为每千克挥发性固体通入0.6～1.8m3d-1(0.42～1.25Lmin-1)空气。现在是80页\一共有112页\编辑于星期三c.温度的控制温度是堆肥化过程重要的操作控制参数,它既是微生物活动的结果也决定着微生物活动。堆肥过程中温度的调控作用在于:(1)堆肥初期在30～50℃条件下,中温性微生物活动产生热量,促使堆体温度升高;(2)在45～65℃,最适温度为55～60℃的条件下,嗜热性微生物可以降解大量的有机物质,而且短时间内能迅速分解纤维素。堆肥的最佳温度,众多学者观点不一,一般认为,堆肥温度应控制在45～65℃之间,其中以55～60℃之间较佳。现在是81页\一共有112页\编辑于星期三d.挥发性物质的控制一般认为,高温好氧堆肥适宜的含量为20%～80%,当含量低于20%时,不能为微生物提供足够的能源物质,影响其活动,产热量下降,无法达到高温无害化的目的;高于80%,堆肥过程中对供氧的要求高,往往达不到良好的好氧条件而产生恶臭。e.C/N比的控制堆料应控制适宜的C/N,若C/N比过高,微生物增殖时由于氮不足,生长受到限制,堆温降低,有机物降解速度变得缓慢,堆肥时间变长;若C/N比过低,可利用的碳完全被利用,而过量的氮以氨气形式损失,不仅影响环境而且造成氮素肥效的降低,影响堆肥产品品质。现在是82页\一共有112页\编辑于星期三f.容积密度的控制堆肥容积密度是堆料孔隙度指标，影响着堆肥的气质阻力,从而影响堆肥过程。容积密度常被用来作为设计托运堆肥和翻堆混合堆肥时所需能量的考虑，它与水分含量、堆料的强度和可压缩性有关。当容积密度太低时,堆体内有太多的通气孔隙,堆体温度过低;当容积密度太高时,通气孔隙不足,导致厌氧条件。g.pH值的控制堆肥初期,pH影响细菌的活动,猪粪和锯屑混合堆肥,以6为界点,pH<6抑制二氧化碳和热量产生;>6时二氧化碳和热量产生量快速增加。堆肥进入高温期后,高pH和高温共同作用导致了NH3几乎不溶于水,造成NH3挥发。现在是83页\一共有112页\编辑于星期三以天津为例：现有厂家中商品有机肥生产能力为5万吨以上，实际年生产量不足7500吨/年，仅占设计生产量的15％。设计生产能力厂家数占总生产能力的比率3000t／年以上960％2000-3000t／年13．3％2000t／年以下26．7％。实际生产量厂家数占总生产量的比率3000t／年以上16.7％1000t／年320％500t／年13.3％200t／年213.3％50t／年213.3％停产533.3％3、有机肥料生产现状与问题现在是84页\一共有112页\编辑于星期三存在问题(1)工艺落后，部分厂家属于作坊，效率低，产品质量差。(2)大棚堆腐发酵槽的翻倒机械基本上都是旋转搅拌式机械，翻倒深度浅，效率低，混匀效果差。(3)无论是条堆型还是大棚发酵槽方法，甚至有的发酵塔式处理，都没有通风设备。对影响堆腐发酵进程的关键因素，如C／N比、含水量以及温度调控等环节，几乎都没有调控，致使处理效果及肥料品质降低。(4)商品性较差，66.7％的产品为粉状剂，施用不便，效果也差；造粒产品只占总产量的1／3，其中的3／4是挤压造粒，在搬运、存储过程中极易粉碎。(5)管理不规范，多没有产品标准、工业规程和检测规程，如有机肥腐熟度检定、品质检定等，生产带有盲目性和随意性，直接影响产品质量。(6)生产操作环境差，污染环境。(7)市场销售不畅。现在是85页\一共有112页\编辑于星期三重金属问题以猪粪原料生产的有机肥的铜、锌含量分别是部分欧洲国家、加拿大、日本有机堆肥最大允许值的5-9倍和3～7倍。砷含量也有超标现象。鸡粪有机肥的汞含量已接近最大允许值。牛粪为原料的有机肥重金属含量在允许范围之内。质量问题

66．7％为粉状，即堆腐发酵处理后粉碎，包装；20％为挤压造粒，堆腐发酵处理后粉碎，经挤压成柱状，烘干包装；6.7％为圆盘滚动造粒，堆腐发酵处理后粉碎，经圆盘滚动成圆粒状，筛分、包装；鸡粪直接烘干成粒的占6.7％。运输问题

经济运输距离的限制。现在是86页\一共有112页\编辑于星期三4、有机肥经济运输距离运输费用2003年价格2.52元／t·km曾悦，洪华生，曹文志，陈能汪，王卫平；畜禽养殖废弃物资源化的经济可行性分析。厦门大学学报(自然科学版)Vo1．43，（2004）195-200按肥料营养成分换算化肥当量，植物种类不同肥料用量不同，化肥价格、运费按2003年计算现在是87页\一共有112页\编辑于星期三8-3农作物秸秆再利用工程与设备秸秆还田利用

秸秆氨化处理技术

秸秆气化技术

秸秆的压缩成型技术现在是88页\一共有112页\编辑于星期三8-4有机污水处理新技术现在是89页\一共有112页\编辑于星期三当废水中有机物浓度较高时，一般BOD5超过1500mg/L时，就不宜用好氧处理，而应该采用厌氧处理的方法。同好氧处理相比，厌氧处理的主要特点为：厌氧处理废水时，去除1kgCOD能产生0.35m3的甲烷；厌氧反应器不受氧传递的限制。单位容积负荷远高于好氧系统，产生的污泥量少，运行费用低。因此厌氧处理在畜禽养殖等废弃物处理中得到广泛运用。

8.4.1厌氧生物处理基本工艺方法集气构造现在是90页\一共有112页\编辑于星期三1）氧化还原电位（ORP）

由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常是厌氧消化过程的控制阶段。厌氧反应其应重点满足甲烷菌的环境要求。甲烷菌对氧化还原电位的要求一般为-330nV以下，但这个氧化还原电位通常是指常温条件的数值。可用于常温或中温反应器的设计与运行管理指标。但是在高温反应器中适宜的氧化还原电位要低得多，一般应低于-500mV。

1、影响厌氧反应器处理效果的主要因素一般情况下，氧的溶入是引起发酵系统的氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。现在是91页\一共有112页\编辑于星期三2）温度温度是影响微生物生命活动的重要因素之一，也是动力学的重要影响因素。好氧生物处理只有一个最适宜温度，而厌氧生物处理一般存在两个最适宜温度。分别为35℃附近和55℃附近。这是由反应器中存在的厌氧消化微生物的适宜温度，是以产甲烷菌的适宜温度为主要因素所决定的，而一般厌氧反应器中的甲烷菌以只能分解乙酸的Methanothrix属为主，这种甲烷菌的适宜温度分为35

~

40℃和55

~

65℃两类。工程上的厌氧反应器有常温、中温、高温三种方式。中温处理一般为33~

38℃，高温处理为50

~

60℃。厌氧发酵对温度突变比较敏感，突然的温度变化可使甲烷化严重受阻。现在是92页\一共有112页\编辑于星期三现在是93页\一共有112页\编辑于星期三3）pH值

产甲烷菌适宜的pH值为7.0左右，大体在6.8

~

7.4之间。厌氧反应器中的pH值，取决于进水的pH值，有机物浓度和三阶段微生物群的生命活动过程建立的平衡及缓冲能力。反应器的pH值过低，常表现为挥发酸浓度过高；pH值过高，常见于NH4-浓度过高。现在是94页\一共有112页\编辑于星期三4）有机负荷

在厌氧法中，有机负荷通常是指容积有机负荷，简称容积负荷，即消化器单位有效容积每天接受的有机物量[kgCOD/m3.d]。此外也有用污泥负荷表达的，即[kgCOD/kgVSS.d]。厌氧消化过程中，产酸阶段反应速率比产甲烷阶段反应速率快得多，必须十分谨慎的选择有机负荷，使挥发性脂肪酸的生成和消耗不致失调，形成挥发酸的积累。为保持系统的平衡，有机负荷不能过高。厌氧生物处理可采用比好氧生物处理高得多的有机负荷，一般在5~10[kgCOD/m3.d],甚至可达50[kgCOD/m3.d]。现在是95页\一共有112页\编辑于星期三5）搅拌和混合混合搅拌是提高消化效率的工艺条件之一。没有搅拌的厌氧消化器内，常有料液分层现象。搅拌可消除分层，促进基质与微生物间的传质速度和甲烷、二氧化碳等产物的逸出速度。有些研究认为,搅拌强度不能过大；对于搅拌的频度，则有完全不同的观点，即频频搅拌为好，还是间歇的适当搅拌为好，存在两种研究结果与观点。反对频频搅拌的观点认为，甲烷菌的生长需要相对较宁静的环境。现在是96页\一共有112页\编辑于星期三6）重金属

重金属对厌氧系统的毒性作用有较多的研究。根据以往的研究，金属毒性作用主要有两种方式，一是通过与微生物酶的巯基、氨基、羧基等相结合，而使酶失去活性；二是通过金属氢氧化物凝聚作用使酶沉淀。近年来的一些研究表明，Fe、Ni、Co、W、Mo、Se等金属元素对厌氧发酵有促进作用，而且Fe、Ni、Co等元素不足时，会使一些重要的合成酶无法形成，从而使厌氧反应受到严重影响。HS-CH2CH2-SO3H,辅酶M(HS-CoM)Mg(S-CoM)2乙巯基乙烷磺酸现在是97页\一共有112页\编辑于星期三

厌氧微生物的生长繁殖，需要按一定的比例摄取碳、氢、氧、氮、磷及其他微量元素。一般工程上主要控制进料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般认为，厌氧法中的碳、氢、磷的比例应控制在200-300：5：1为宜。其中以碳氮比的控制较为重要。碳氮比过高，不仅厌氧菌增值缓慢，而且消化液的缓冲能力较低，在有机负荷较高等情况下，pH容易下降。相反，若氮源过多，即碳氮比太低，反硝化过程将产生大量的氨，使值升高。当值升高到7.9以上时，会抑制产甲烷菌的活性，使消化效率降低。7）营养比现在是98页\一共有112页\编辑于星期三

厌氧接触反应器排出的混合液在沉淀池中分离后再回流到反应器中。与普通消化池相比，它不需要很长的水力停留时间或很大的反应器容积。有效处理的关键在于污泥沉淀性能和污泥分离效率。该法适用于处理BOD5大于1500mg/L的废水，出水的BOD5在200mg/L～1000mg/L之间。运行温度大多数是在中温范围，有机负荷为2.1kg（BOD）/m3·d～5.0kg（BOD）/m3·d或12.5kg（COD）/m3·d～30.0kg（COD）/m3·d。2、厌氧接触工艺沼气出水排泥污水或污泥真空脱气器沉淀池出水回流污泥现在是99页\一共有112页\编辑于星期三

污泥床反应器内没有载体，絮状污泥在上升水流和气泡的作用下处于悬浮状态。絮状污泥是直径为1mm～5mm的颗粒，反应器中水流均匀分布，避免进水短流。3、厌氧污泥床反应器（ASB）

上流式厌氧污泥床反应器（UASB；70年代初首先在荷兰研制开发）是厌氧污泥床反应器中有代表性的一种形式，已在许多废水处理厂中得到应用。这种反应器有反应区、沉淀区和气室区组成。废水从底部经配水器均匀分布进入后，向上运动。反应器下部是浓度较高的污泥层，称为污泥床，污泥床上部是浓度较低的悬浮污泥层。污泥床和悬浮污泥层常统称为反应区。

入水三相分离器沼气上流式厌氧污泥床（USAB)沉淀区反应区出水悬浮区污泥层现在是100页\一共有112页\编辑于星期三8.4.2污水好氧处理现在是101页\一共有112页\编辑于星期三

活性污泥法是利用微生物在生长繁殖过程中形成表面积较大的菌胶团，大量絮凝和吸附废水中悬浮的胶体或溶解的污染物，并将这些物质摄入细胞体内，在氧的作用下，将这些物质同化为菌体组分，或完全氧化为二氧化碳、水等物质。这种具有活性的微生物菌胶团或絮状泥粒状的微生物群体即称为活性污泥。以活性污泥为主体的废水处理法就叫活性污泥法。