固体废物处理与处置(厌氧发酵)

第五章

固体废物的生物处理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，将固体废物中大部分可生物降解的有机物质分解，转化为能源产品——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。沼气的成分：主要为CH4,55～70％和CO2,25～40％。此外还有总量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、PH3、碳氢化合物(CmHn)等。（一）基本概念（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一般的碳水化合物包括纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀粉和果胶质等。①纤维素的分解纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖，反应式为：

(C6H10O5)n(纤维素)+nH2O=nC6H12O6(葡萄糖)葡萄糖经细菌的作用继续降解成丁酸、乙酸，最后生成甲烷和二氧化碳等气体。总的产气过程可用下述的综合表达式表达：

C6H12O6=3CH4+3CO2②糖类的分解先由多糖分解为单糖，然后是葡萄糖的酵解过程，与上述相同。2、类脂化合物的分解代谢

类脂化合物（脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡酯、油脂），含量很低。主要水解产物是脂肪酸和甘油。甘油转变为磷酸甘油脂，进而生成丙酮酸。在沼气菌的作用下，丙酮酸被分解成乙酸，然后形成甲烷和二氧化碳。3、蛋白质类的分解代谢这类化合物主要是含氮的蛋白质化合物，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，蛋白质的含量最高可达20%。它们的分解过程是在细菌的作用下水解成多肽和氨基酸。其中的一部分氨基酸继续水解成硫醇、胺、苯酚、硫化氢和氮；另一部分分解成有机酸、醇等其他化合物，最后生成甲烷和二氧化碳；还有一些氨基酸作为产沼细菌的养分形成菌体。（三）厌氧发酵的过程首先，不溶性大分子有机物（如蛋白质、纤维素、淀粉、脂肪等）经水解酶的作用，在溶液中分解为水溶性的小分子有机物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。随之，这些水解产物被发酵细菌摄入细胞内，经过一系列生化反应，将代谢产物排出体外，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。众多的代谢产物中，仅无机的CO2和H2及有机的“三甲一乙”（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被产甲烷细菌吸收利用，转化为甲烷和二氧化碳。其它众多的代谢产物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有机酸，以及乙醇、丙酮等有机物质）不能为产甲烷细菌直接利用。它们必须经过产氢产乙酸细菌进一步转化为氢和乙酸后，才能被甲烷细菌吸收利用，并转化为甲烷和二氧化碳。1、两阶段理论将厌氧发酵分为产酸（酸性发酵）和产气（碱性发酵）两个阶段，相应起作用的微生物分为产酸细菌和产甲烷细菌。2、三阶段理论

1979年由布赖恩提出，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、醋酸分解菌、甲烷细菌。3、四阶段理论①水解阶段：复杂有机物(纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪)被发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶）

(纤维素酶、纤维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解为水溶性简单化合物。限制整个过程速度。④甲烷化阶段：乙酸和H2被甲烷细菌(乙酸分解甲烷细菌和H2氧化甲烷细菌)利用生成甲烷。②发酵酸化阶段：发酵细菌对水解产物进行胞内代谢，主要产生有机酸和醇类（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），还有CO2、NH3、H2S、H2。③产氢产乙酸阶段(厌氧氧化阶段):专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段产生的有机酸和醇类生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸细菌将H2和

CO2合成乙酸。(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。温度变化范围为(±1.5～2.0)℃。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1~1.3m3/(m3·d)；发酵时间20d，卫生化低。③高温发酵：53℃，产气量约3.0~4.0m3/(m3.d)；发酵时间10d，卫生化高。[对寄生虫卵的杀灭率较可达99%，大肠菌指数可达10～100，能满足卫生要求（蛔虫卵的杀灭率在95%以上，大肠菌指数10～100）]。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。（四）、影响发酵的环境条件(2)发酵细菌的营养及C/N

C/N在(10~20):1为宜，太高，细胞氮量不足，系统的缓冲能力低，pH值易降低；太低，氮量过多，pH值可能上升，铵盐容易积累，会抑制发酵进程。(3)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反应。因此必须使两者充分混合。对于液态发酵用充液搅拌法；对于固态或半固态用充气搅拌法和机械搅拌法等。（4）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。与酶结合产生变性；与氢氧化物使酶沉淀。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/L，发酵受抑制。物质浓度毒域浓度界限/(mol/L)碱金属和碱土金属Ca2+，Mg2+，Na+，K+10―1～10+6重金属Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，Fe2+10―5～10―3H+和OH―10―6～10―4胺类10―5～100有机物质10―6～100（5）酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为5~6.5

，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.6~7.5之间。发酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一定的缓冲性。碱度指沼气发酵液结合H+的能力，是衡量发酵体系缓冲能力的尺度，由碳酸盐(CO32-)、重碳酸盐(HCO3-)、部分氢氧化物(HO-)组成，应在2000mg/L以上。（6）不同发酵基质上生长的发酵菌群种群不同(五)厌氧发酵系统设备1、传统的发酵系统（1）结构发酵罐是核心，附属设备有气压表、导气管、出料机、预处理装置、搅拌器、加热管等。（2）工作原理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）。（3）常用类型(5种)

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，容积为6m3、8m3、10m3、12m3；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。优点：结构较简单，造价低，施工方便。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0.1~0.15m3/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。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。当沼气压力大于气罩重量时，气罩便沿水池内壁的导向轨道上升，直至平衡为止。当用气时，罩内气压下降，气罩也随之下沉。特点：将发酵间与贮气间分开，具有压力低、发酵好、产气多等优点。顶浮罩式沼气贮气池造价比较低，但气压不够稳定。侧浮罩式沼气贮气池气压稳定，比较适合发酵工艺的要求，但对材料要求比较高，造价昂贵。③立式圆形半埋式沼气发酵池组城市粪便沼气发酵多用发酵池组。一般采用浮罩式贮气，单池深度4m，直径5m，为钢筋混凝土构筑物，埋入土内1.3m，发酵池上安装薄钢浮罩，内壁用玻璃纤维和环氧树脂作防腐处理，外涂防锈漆。发酵池内密封性好，总储粪容积为340m3。④长方形（或方形）发酵池由发酵室、气体贮藏室、储水库、进料口和出料口、搅拌器、导气喇叭口等部分组成。储水库的主要作用是调节气体贮藏室的压力。若室内气压很高时，就可将发酵室内经发酵的废液通过进料间的通水穴，压入贮水库内。反之，若气体贮藏室内压力不足时，贮水库中的水由于自重便流入发酵室，就这样通过水量调节气体贮藏的空间，使气压相对稳定，保证供气。⑤联合沼气池2、沼气发酵池的管理（1）装料：预先在池底铺一层熟污泥。（2）搅拌：每日三、四次，不使物料下沉。（3）温度：50~60℃，并保温。（4）供料：每日加入适当数量的原料。（5）水分：应保持相对稳定。（6）pH值：应取样分析并调节。（7）沼气：初产沼气不纯，应放掉，直到所产沼气燃烧不熄为止。3、现代大型工业化沼气发酵设备（1）常见几种类型的发酵罐①欧美型(Anglo-Americanshape)；d/H>1，顶部具有浮罩，顶部和底部都有小的坡度，由四周向中心凹陷，形成一个小锥体。②古典型(Classicalshape)；中间是一个d/H=1的圆桶，上下两头均为圆锥体。底部锥体的倾斜度为1.0~1.7，顶部