第11章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术ppt课件.ppt

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1、,发酵工程,第一章 发酵工程总论第二章 发酵设备第三章 发酵工业原料及其处理第四章 发酵灭菌与无菌空气制备第五章 发酵菌种的制备第六章 发酵工业放大第七章 微生物发酵机制第八章 发酵动力学第九章 发酵过程工艺控制第十章 发酵染菌及防治第十一章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术第十二章 展望,第一节 发酵工业废物资源化工程的现状和特点第二节 发酵工业废水好氧生物处理第三节 发酵工业废水厌氧生物处理,第十一章 发酵工业废物、废水处理和资源化技术,第一节 发酵工业废物资源化工程的现状和特点,一、发酵废物排放标准二、发酵废物生产单细胞蛋白三、发酵纤维质废物生产酒精四、其他生物能源开发五、发酵废物资源

2、化与生态农业,自20世纪60年代中期以后环境保护日益受到重视，污染治理技术迅速发展。固体废物和废水的无害化处理是将干扰废物通过工程处理，达到不损害人体健康，不污染周围自然环境(包括原生环境与次生环境)的程度。我国废弃物和废水的控制与处理的发展趋势和世界各国一样正在从“无害化”、“减量化”向着“资源化”发展。,发酵工业所涉及的范围很广，包括酒类、酒精、氨基酸、有机酸、酵母、酶制剂、酱油、淀粉和淀粉糖、抗生素和生理活性物质等。发酵工业废弃物包括菌体或菌丝体、原料残渣和高浓度有机废水。目前，发酵行业的高浓度有机废水排放量居造纸业之后，位居第二位，对水环境危害相当大。国家对于发酵工业的污水综合排放标准

3、是参照GB8978一1996污水综合排放标准执行的，,一、发酵废物排放标准,制定排放标准益处？,发酵工业是COD排放大户，制定发酵工业水污染物排放标准，可有效控制发酵工业的污染、有利于促迸发酵工业的技术进步，推行清洁生产技术，提高污染控制水平，便于环保部门及行业主管部门的环境保护管理。目前针对发酵工业废水特点的行业性废水排放标准正在制定中。,发酵工业中的柠檬酸和味精行业污染最严重，是我国要严格控制的重点污染行业。基于此，国家环境保护总局和国家质量监督检验检疫局单独制定了柠檬酸工业污染物排放标准(CB19430一2004)和味精工业污染物排放标准汕GB19431一2004)，分别适用于生产柠檬酸

4、和味精两种产品的企业生产废水的排放管理。这两项标准已于2004年4月1日正式实施，分别代替GB8978一1996污水综合排放标准中柠檬酸和味精工业水污染物排放标准部分。,单细胞蛋白(single cell protein，SCP)，又称微生物蛋白或菌体蛋白，是一些单细胞或具有简单构造的多细胞生物菌体蛋白的统称。通过微生物把多种原料，特别是非食用和废弃物质原料转化为蛋白质。SCP所包含的产品有饲用酵母、食用酵母和药用酵母三大类。SCP的开发和生产为解决人类食品和饲料司题开辟了新的途径。以发酵废弃物为原料生产SCP，不仅来源广泛、生产成本低廉，而且对要求日益严格的环保司题，也有着不可估量的价值。,

5、二、发酵废物生产单细胞蛋白,1）酒槽是酿酒工业的主要废弃物，包括白酒糟、酒精糟、啤酒糖化糟和废弃酵母泥等。这些废弃物一般干物质中含粗蛋白20%30%，粗纤维10%20%，此外还含有纤维素、聚戊糖、脂肪、焦糖、黑色素以及丰富的B族维生素和生长素等物质。2）味精废液是发酵液中的谷氨酸经冷冻等电分离后的残余发酵液。该废液含还原糖0.5%、氨氮896 mg/L、有机氮7776 mg/L、COD51216 mg/L。3)柠檬酸是当今世界上以发酵法生产量最大的有机酸。我国是柠檬酸生产大国，柠檬酸废渣是柠檬酸厂发酵液压榨废弃物，每生产1 t柠檬酸约排放2 t左右废渣，其主要成分(60烘45 h)为:粗蛋白(

6、干基)10.98%、粗纤维21.36%、粗脂肪14.96%、无氮浸出物37.23%、粗灰分7.09%。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,1 生产SCP的发酵废弃物,甜菜、甘蔗为原料生产糖；玉米淀粉；甘蓍原料；各种制药业-,世界上，SCP生产虽已工业化，但由于蛋白质常与核酸形成复合体，核酸含量高达15，蛋白含量为35左右，高核酸食物对动物有害。因此，筛选优良菌种、改进SCP生产工艺，获得高蛋白低核酸产品成为SCP生产中备受关注的热点。酵母、霉菌、细菌和藻类均可用于生产SCP。不同种类微生物生产SCP，工艺和产品质量都各有优缺点。针对不同原料具有不同适应性的微生物，SCP的生产必须根据原料来筛选并确定

7、微生物种类和菌株。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,2 生产SCP的微生物,酵母是最早用于生产SCP的微生物，也是目前应用最广泛的菌种。酵母菌体大，易回收，核酸含量低，用作食品的历史长，赖氨酸含量高，能在酸性条件下生长，但酵母生长慢、蛋白质含量低(45%46%)，蛋氨酸含量较细菌低。用于生产SCP的酵母菌主要有:热带假丝酵母和产肮假丝酵母。霉菌也是应用较多的菌种，它质地良好，便于回收，但生产速度慢，蛋白质含量低(20%40%)，产品不易为公众所接受。用于生产SCP的霉菌主要有:扣囊拟内孢霉、白地霉和木霉。,细菌蛋白质含量高(50%80%)，生长速度快，其氨基酸组成优于豆类蛋白，且能适应环境变化，能

8、在范围较厂的基质中生产，但细菌菌体较小、密度低，从发酵液中回收困难，菌体中核酸含量比酵母和霉菌高，因此作为蛋白质资源不受人们欢迎。在英国已有商业化细菌SCP的生产。藻类主要缺点是细胞壁含有纤维质，以及具有浓缩重金属的倾向，对人体有潜在危害。,目前生产SCP的工艺主要有深层发酵(submerged fermentation，SMF)、固态发酵(solid-statek fermentation，SSF)和液固态结合发酵三大类。1）深层发酵工艺:是利用通风控温的罐式发酵法生产SCP。特点是机械化程度高、产品细胞数多、杂菌污染少、产品质量稳定，可在发酵过程中对温度、通风量、pH、糖浓度、发酵液黏度、

9、细胞数和杂菌污染情况等参数进行自动化监测和调控。但存在能耗高、设备投资大、可溶性营养物质损失多、产品效率低、发酵液中干物质含量低、后处理困难、有工业废水污染等缺陷，产品成本也高，并且其干燥工序引起活性细胞和营养物质损失较严重，在生产中难以推广。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,3 SCP的生产工艺,2）固态发酵工艺:是20世纪80年代由河北省沧州应用微生物研究所壬厚德教授研制而成的。该工艺优点是设备投资少，工艺技术简单，产品具有较高的生物活性、无废水污染、产品成本低，但存在着生产条件难以控制、培养基转化率低、杂菌污染严重、产品质量不稳定等严重缺陷，加上饲料酵母生产厂家盲目追求产品粗蛋白含量，使该类

10、产品质量日趋降低，已逐渐被市场淘汰。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,3 SCP的生产工艺,3）液固态结合发酵工艺:该工艺克服了液态和固态两种工艺的缺点，吸取了两者的优点，采用液态制菌种、固态曲池发酵、培养基灭菌熟化、加大液态接种量等方式，并且合理的干燥工艺缩短了发酵周期，大大降低了染菌程度，有效地保存了产品中的生物活性物质，尽管产品粗蛋白含量仅为25%左右，但注重酵母活性细胞、消化酶、维生素和酵母代谢终产物，属于活菌制剂类型，是一种具有生物活性的饲料复合添加剂。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,3 SCP的生产工艺,1）酒槽为原料生产SCP2）味精工业废弃物生产SCP3）柠檬酸工业废弃物生产SCP,

11、二、发酵废物生产单细胞蛋白,4 发酵废物生产SCP的应用实例,20世纪90年代以来，SCP的生产和研究出现了一些新的趋势。在以降低经济成本为主要目标的形势下，SCP生产和研究的重点集中在以下几个方面:1）采用价值低的原料或废料，如木质纤维素、农作物废料或工业废弃物;2）在SCP生产同时得到副产物，如脂质、麦角出醇、D-甘露糖醇、D-阿拉伯糖醇以及有机酸和氨基酸等，从而使SCP的生产成为经济上更为合算的多产品发酵;3）选育倍增时间短、蛋白质含量高、耐高温、抗污染的优良菌种。如对SCP生产菌进行遗传工程改良，不仅可提高菌种产量和碳源转化率，而且还可提高其蛋白质和必需氨基酸含量;4）开发高效、节能的

12、发酵设备。我国开发研究了高供氧强度的外循环气升式反应器、发酵条件稳定的圆盘式固态发酵器、高生产强度的流化床反应器以及脉冲溢流自通风反应器;5）开发新蛋白质资源，如螺旋藻、光合细菌等。,5 SCP的研究趋势,SCP生产和研究的重点集中在以下几个方面:4）开发高效、节能的发酵设备。我国开发研究了高供氧强度的外循环气升式反应器、发酵条件稳定的圆盘式固态发酵器、高生产强度的流化床反应器以及脉冲溢流自通风反应器;5）开发新蛋白质资源，如螺旋藻、光合细菌等。,二、发酵废物生产单细胞蛋白,5 SCP的研究趋势,燃料酒精是目前应用规模最大的液体生物能源。目前发酵法生产酒精的原料是玉米、甘蔗、单类等，但仅利用其

13、中的淀粉，其余部分如蛋白质、脂肪、纤维等，限于技术、投资和管理等原因，大多数企业不能很好地利用，相当部分随冲洗水、洗涤水排入企业周围河流，不但浪费了粮食资源，而且严重污染了环境。随着人口的不断增长和社会工业化进程不断加快，粮食、能源和环境问题将变得越来越突出，利用纤维质原料生产酒精为解决上述间题提供了一条有效的出路。自然界中普遍存在的木质纤维素主要由纤维素、半纤维素和木质素组成，前两者均可用来生产酒精。发酵废弃物中有大量纤维废物，如果能用来生产酒精可能是解决酒精原料来源和降低成本的主要途径之一。,三、发酵纤维质废物生产酒精,纤维素是由许多D-葡萄糖残基以-1，4-糖甘键连接的直链多糖。纤维素链

14、之间通过氢键的藕合作用形成纤维束，分子密度大的区域成平行排列形成结晶区;分子密度小的区域，分子间隙大、定向差、形成无定形区。,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,1 纤维质原料生产酒精的工艺流程 20世纪80年代初，日本的“新燃料油开发技术研究联合会(简称RAPAD)”，制定了以纤维素类物质为原料生产燃料酒精的一整套工艺技术。RAPAD纤维素发酵生产酒精工艺流程如下：,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,甘蔗渣,预处理,酶法糖化,纤维素、半纤维素,纤维素酶生产,酶回收,糖浓缩,膜脱水,纤维素酶,超滤膜,（反渗透膜）,三成分共沸蒸馏,超临界气体抽提,酒精发酵,

15、酒精（95%，150-200 L/d）,（720 kg/d）,2 纤维质原料的预处理 预处理的目的是解除木质素、半纤维素等对纤维素的保护作用和破坏纤维素的结晶结构，增加其表面积，以提高纤维素水解糖化的效率。纤维素预处理的方法有:物理法、化学法、物理化学法和生物法。,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,3 纤维质的水解 预处理后的纤维素需经酸或酶水解后，释放出的葡萄糖方可进入酒精发酵途径。酸水解 酶水解,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,纤维素酶水解,纤维素酶生产菌种主要是术霉属中的里氏木霉、曲霉属和青霉属。20世纪50年代，美国Reese博士从腐烂的纤维材

16、料上分离了大量的菌种。研究发现绿色木霉分泌胞外纤维素酶的能力最强，由该菌产生的纤维素酶复合体系具有分解天然纤维素所需要的三种组分。为了纪念Reese的杰出贡献，绿色木霉被更名为里氏木霉(T.reesei)。纤维素酶的生产可采用液体深层发酵或固态发酵两种工艺。,4 纤维质的发酵过程(1)发酵纤维素生产酒精的菌种 纤维素原料酒精发酵的菌种可以是酵母,霉菌,细菌等。酵母，具有酒精得率高、发酵过程不易受污染、耐酒精能力强、副产物少等特点，工业上得到广泛应用。另外，某些嗜热、超嗜热细菌与一些霉菌能百接利用纤维素原料发酵生成酒精受到重视。近年来，采用原生质融合技术与基因工程技术对传统酒精发酵菌种进行改造，

17、为纤维素原料发酵生产酒精提供了新的菌种来源。,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,4 纤维质的发酵过程(2)纤维素发酵生产酒精的工艺 以纤维素类物质为原料生产酒精，工艺方法有直接发酵法、两段发酵法、同时糖化发酵法、固定化细胞发酵法等。直接发酵法:选取合适的酒精发酵菌株直接利用纤维素发酵得到酒精，不需要经过酸解或酶解等前处理。该方法设备简单，成本低廉，但酒精产率不高，产生有机酸等副产物。利用混合菌直接发酵可部分解决这些问题。,三、发酵纤维质废物生产酒精,（一）纤维素发酵生产酒精,两段发酵法:先将预处理后的纤维素原料经酶水解为还原糖，然后发酵得到酒精，酒精产物的形成受末端产物抑制

18、，低细胞浓度及基质抑制等因素的限制。可采用减压发酵法、快速发酵法克服酒精产物的抑制。对细胞进行循环利用，可以克服细胞浓度低的问题。筛选在高糖浓度下存活并能利用高糖的微生物突变株，克服基质抑制。同时糖化发酵法:同时糖化发酵法(simulatneous saccharification and fermentation，SSF)是采用Culf边糖化边发酵(SSF)的方法。纤维素酶对纤维素的酶水解和发酵糖化过程在同一装置内连续进行，水解产物葡萄糖由菌体的不断发酵而被利用，消除了葡萄糖对纤维素酶的反馈抑制作用。,SSF法可增加水解率，减少糖转化过程中的抑制作用;酶的需求量减少、产率更高;由于葡萄糖被迅

19、速转化生成酒精，所以对消毒条件要求降低;工序周期更短、使用单反应器，因而反应器的容量更小。SSF法的缺点是水解和发酵两个过程的温度不相容;得到的酒精中含有微生物;酒精对酶具有抑制作用。,固定化细胞发酵法:Massayuki以肠溶衣聚合物为载体固定化纤维素酶，可保留60%以上的酶活性，回收率高达100%。并且对微晶纤维素的水解率明显高于游离酶，经重复使用三次，水解率没有下降。对于固定化细胞的研究，目前研究较多的是Saccharomyces sp.和Zymomonas sp.的固定化，常用载体有海藻酸钙、卡拉胶、多孔玻璃等。固定化细胞发酵法的发展方向是混合固定化细胞发酵，如酵母与纤维二糖酶一起固定

20、化，将纤维二糖基质转换成酒精，此法颇引人注目，被看作是纤维素原料生产酒精的重要阶梯。,三、发酵纤维质废物生产酒精,（二）半纤维素发酵生产酒精(三)纤维质发酵生产酒精前景展望,在我国，每生产l t酒精需要2.7 t粮食。利用纤维素类物质代替粮食生产酒精是一项利国利民的工程。利用纤维素生产酒精的纤维素酶成本太高，酶用量偏大，利用纤维素生产酒精工业化仍然面临诸多挑战:1)对纤维素原料预处理技术仍没有一种经济、节能、环保的工业化技术可应用，特别是对纤维素原料的综合利用;2)降低纤维素酶工业化规模生产的成本仍然有待解决;3)基因工程技术与原生质融合技术离工业化仍有一段距离，因此，还需加强技术研究,如:1

21、、以基因工程手段选育高产纤维素酶、木质素酶菌种;2、研究固体发酵技术，解决污染率高和成本高的问题;3、进一步研究纤维质原料的预处理、酶水解及水解液发酵生产酒精等技术，有效地降低生产成本。发酵废物酒精发酵是一个有巨大潜力的新领域，可以实现废物的无害化、减量化和资源化。,（一）概述,1生物能源定义及特点生物质(biomass)是指有机物中除化石燃料外的所有来源于动植物并能再生的物质。生物能源(bioenergy)则是指直接或间接地通过绿色植物的光合作用，把太阳能转化为化学能后固定和贮藏在生物体内的能量。生物质能源的特点是:1）可再生性:每年都可再生，且产量大;2）低污染性:燃烧过程中产生的硫氧化物

22、、氮氧化物都较低;3）广泛的分布性。,四、其他生物能源开发,四、其他生物能源开发,（一）概述,2生物能源开发利用的现状和意义现状：目前人类所利用的能源主要来自煤、石油、天然气等化石燃料，它们是在极其漫长的地质历史中，在特殊的自然环境下形成的，储量有限，不能再生。可再生能源如生物能的研究与开发已成为世界上重大热门课题之一，受到世界各国政府与科学家的关注。许多国家都制定了相应的开发研究计划，如日本的阳光计划、印度的绿色能源工程、美国的能源农场计划和巴西的酒精能源计划等。日本政府公布了一项名为全面开发生物能源的计划，意即通过回收食物垃圾、家畜粪便等生物废物来生产燃料，从而减少和逐步替代现有的机动车燃

23、料。该计划的目的是:减少温室效应，防止全球变暖。,（一）概述,2生物能源开发利用的现状和意义意义：1）解决能源危机:能源短缺是21世纪面临的重大课题之一，能源对国家经济和安全非常重要。目前石油、天然气和煤炭仍是我国主要的能源。专家预测2015年我国石油进口依赖度将达到25%左右。我国是一个经济迅速发展，人口众多的国家，21世纪将面临经济增长和环境保护的双重压力。因此改变能源生产和消费方式，开发利用生物能源，对建立可持续的能源系统，促迸国民经济发展和缓解能源危机具有重大意义。2）改善生态环境:首先，由于利用生物能源所产生的CO2，可被新生长的植物所固定，所以只要及时植树造林，使生物质的消耗量与生

24、长量持平，从理论上讲，利用生物能将不会导致大气中CO2，的增加，有利于减缓地球气候变暖的趋势。其次，用焚烧、热分解、填埋等物理化学方法处理工农业及民用废弃物，会对大气、地下水造成二次污染，采用生物处理方法，既可以避免和防止污染，又可以获得生物能，可谓一举两得。第三，当今常规能源 煤和石油在燃烧后，都会产生对人体有害的一氧化碳、氧化氮以及含硫、铅等有毒物质的化合物。而生物能源 酒精和沼气等在燃烧后不会产生这样多的有毒化合物。,四、其他生物能源开发,（一）概述,2 生物能源开发利用的现状和意义意义：3）促迸农村经济的可持续发展:生物能源的开发利用不仅能够大大加快村镇居民实现能源现代化进程，满足农民

25、富裕后对优质能源的迫切需求，同时也可在乡镇企业等生产领域中得到应用。,四、其他生物能源开发,（一）概述,3生物能源的主要应用方式1）直接燃烧或通过汽化生成热量用以加热或蒸汽发电;快速热解提供液体燃料，取代通用的矿物燃料。2）气化法:即在高温下使气化剂与生物质反应;从而得到气体燃料。气化剂可以是空气、空气-蒸汽或氧气等，相对应的产品也分为煤气、水煤气和氧气煤气等不同类型，但都含有CO2、CO、H2、N2等为主要成分，这些气体燃料的热值一般仅为天然气的10%15%。3）干馏法:即对生物质隔绝空气加热使其分解，从而得到多种产品。根据不同目的可以使生物质炭化，从而得到热值较高的固体燃料，也可以使生物质

26、转化为液体燃料，如甲醇，可用作交通工具中汽油的替代品。同时可得到水煤气、乙酸等副产品。,四、其他生物能源开发,（一）概述,3生物能源的主要应用方式4）厌氧发酵:这是在无分子氧存在的情况下，多种专性或兼性厌氧微生物参与，形成复杂的有机物发酵。通过厌氧消化，生物质最终转化为沼气，其主要成分为甲烷和CO。5）酒精发酵:以含糖原料为基质，先将其水解成单糖，再经微生物发酵制成乙醇。,四、其他生物能源开发,（二）发酵废物制取沼气,1 沼气开发的意义在隔绝空气的条件下，生活和工业有机废水、农作物的秸秆、杂草、人畜粪便等经过微生物的发酵作用能产生沼气。如日产酒糟500600 m3的酒厂，可获得日产含甲烷55%

27、65%的沼气800011000 m3，相当于日发电量1285715714kW，日产标准煤17.120.9 t。沼气可以用于炊事、照明和发电。沼气是来源丰富、成本低廉的气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家从保护环境出发，建立沼气工程，以处理城乡有机废弃物，获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决广大农村供能的一项重要途径，印度和申国是最早大力开发沼气的国家，并且都取得了巨大的成就。,四、其他生物能源开发,（二）发酵废物制取沼气,2 微生物发酵产甲烷机理甲烷产生菌有甲烷杆菌属、甲烷八叠菌属、甲烷球菌属等。沼气发酵分三个阶段:第一阶段是复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂肪等在

28、微生物作用下降解至其基本结构单位的液化阶段;第二阶段是将第一阶段中产生的简单有机物经微生物作用转化生成乙酸;第三阶段是在甲烷产生菌的作用下将乙酸转化为甲烷。3 发酵废物沼气的应用实例,四、其他生物能源开发,（三）发酵废物制取氢能,1 氢能开发的意义氢气燃烧只产生水，不排放任何的有毒有害气体，不会造成任何环境污染，因而被普遍认为是理想、清洁的能源资源。氢气燃烧热值高，每1 g氢燃烧后能放出142.35 kJ的热量，为汽油的3倍、酒精的3.9倍、焦炭的4.5倍。氢气的获取途径主要有:1)利用化石燃料制氢的方法，包括天然气的重组、天然气的热裂解、石油等碳氢化合物的部分氧化以及煤的气化等;2)从水中获

29、取氢气，如水的电解、光解、热化学分解和直接热分解等;3)生物法产氢。生物产氢的方法只需消耗少量的能量且对环境无害。生物制氢过程可以和废物回收利用过程穗合。因此，生物产氢技术的研究和开发受到了世界各国的普遍重视，包括英国、荷兰、加拿大、印度、意大利和中国。,四、其他生物能源开发,（三）发酵废物制取氢能,2 发酵法产氢的机理生物制氢过程可以分为五类:1)利用藻类或者青蓝菌的生物光解水法;0有机化合物的光合细菌(PSB)光分解法;2)有机化合物发酵制氢;3)光合细菌和发酵细菌藕合法;4)酶法制氢。细菌发酵法无需光照条件、具有更高的产氢效率、更易于实现工业化。而且发酵法产氢可以与废水和固体废弃物处理相

30、结合，利用其中的有机质产氢，既有效地处理了废弃物又获得了氢能，可降低制氢成本。自然环境中能够通过厌氧发酵产氢的细菌种类很多。,四、其他生物能源开发,（三）发酵废物制取氢能,2 发酵法产氢的机理Gray等人将所有的产氢微生物分为四类:1)专性厌氧的异养微生物，它们不具有细胞色素体系，通过产生丙酮酸或丙酮酸的代谢途径来产氢，包括梭菌属、甲基营养菌、产甲烷菌、瘤胃细菌及一些古细菌等;2)兼性厌氧菌，含有细胞色素体系，能够通过分解甲酸的代谢途径产氢，包括大肠杆菌、肠道细菌等;3)需氧菌，包括产碱杆菌属和一些杆状菌等;4)光合作用细菌。目前发酵法产氢研究较多的有梭状芽抱杆菌属，如丁酸梭状杆菌和拜氏梭状芽

31、抱杆菌等;肠道芽抱杆菌属，如产气肠杆菌和阴沟肠杆菌等。,四、其他生物能源开发,（三）发酵废物制取氢能,2 发酵法产氢的机理Gray等人将所有的产氢微生物分为四类:1)专性厌氧的异养微生物，它们不具有细胞色素体系，通过产生丙酮酸或丙酮酸的代谢途径来产氢，包括梭菌属、甲基营养菌、产甲烷菌、瘤胃细菌及一些古细菌等;2)兼性厌氧菌，含有细胞色素体系，能够通过分解甲酸的代谢途径产氢，包括大肠杆菌、肠道细菌等;3)需氧菌，包括产碱杆菌属和一些杆状菌等;4)光合作用细菌。目前发酵法产氢研究较多的有梭状芽抱杆菌属，如丁酸梭状杆菌和拜氏梭状芽抱杆菌等;肠道芽抱杆菌属，如产气肠杆菌和阴沟肠杆菌等。,四、其他生物能

32、源开发,（三）发酵废物制取氢能,2 发酵法产氢的机理细菌发酵产氢可概括为三种途径:1)丙酮酸脱梭作用产氢。丙酮酸首先在丙酮酸脱氢酶作用下脱梭，将电子转移给还原态的铁氧还蛋白，然后在氢化酶的作用下被重新氧化成氧化态的铁氧还蛋白，产生分子氢;2)通过甲酸裂解途径产氢，丙酮酸脱竣后形成的甲酸以及厌氧环境中CO2和H2生成的甲酸，通过铁氧还蛋白和氢化酶作用分解为CO2和H，;3)通过辅酶的氧化还原平衡调节作用产氢。利用厌氧发酵进行微生物产氢的方式可分为两种类型:1)利用纯菌进行微生物产氢;2)利用厌氧活性污泥或其他混合物，以混合培养方式进行产氢。,四、其他生物能源开发,（三）发酵废物制取氢能,3 发酵

33、废物制氢技术的研究进展一般来说，可用于生物发酵产氢的基质应具备以下特点:碳水化合物的含量较高、资源丰富且廉价、具有较高的能量转化率等。生物发酵产氢研究中所利用的基质包括:1)各种单纯的糖类;2)各种有机废水;3)各种有机固体废弃物。利用有机废水发酵法产氢是一个重要的研究开发内容。有机废水为细菌提供了大量廉价的有机基质，尤其是高浓度有机废水，其溶解氧极易被好氧或兼性厌氧微生物消耗，从而造成厌氧环境，有利于光合作用细菌产氢。产氢的同时也伴随着有机物的降解和光合作用细菌菌体的生成，废水可以得到净化。,四、其他生物能源开发,（四）发酵废物制取生物柴油,1生物柴油开发的意义生物柴油指由动植物油脂与短链醇

34、(甲醇或乙醇)进行酷交换反应所制备的脂肪酸单酷。生物柴油是一种无毒、可生物分解、可再生的燃料。生物柴油具有十六烷值高、硫含量及芳香烃含量低，挥发性低和燃油分子中含氧原子等特点，燃烧生物柴油可减少CO、HC、千碳烟及颗粒排放。生物柴油的CO来自大气而非化石燃料所含有的，生产生物柴油所需的能量非常少。用生物柴油发动机S02，排放量低。生物柴油易生物分解，如果发生泄漏事故，对土壤、河流的污染比化石燃料小得多。在发达国家和发展中国家纷纷将生物柴油替代石油柴油列为国家能源可持续发展的重要组成部分，也是21世纪能源发展战略的基本选择之一。,四、其他生物能源开发,（四）发酵废物制取生物柴油,2 生物柴油的生

35、产生物柴油的生产方法有:1)植物油酶法，即借助脂酶对废食用油进行酷交换反应，生产生物柴油;2)利用甘蔗渣发酵生产柴油;3)控制脂质累积水平使乙酷CoA竣化酶基因在微藻细胞中高效表达，通过培养微藻生产柴油。,四、其他生物能源开发,（四）发酵废物制取生物柴油,3 生物柴油的研究现状海南工和生物能源公司开发的生物柴油已通过专家鉴定。该开发年产10000 t生物柴油的生产工艺特点是:原料适应性强，可以利用榨油厂的油脚、黄连木等油料树木的果实以及城市餐饮废油为原料;采用自主开发的两段法工艺，提高了反应的效率，保证了产品质量;采用的环流喷射技术、真空分馏技术、固体酸催化剂是该公司在本领域的技术创新。所生产

36、的产品已达到国外同类产品的技术水平。生物柴油大规模生产的挑战性在于脂肪和油的来源有限，且原料成本占生物柴油成本的60%75%。己使用过的食用油为原料可大大降低成本，但油的质量较差。,四、其他生物能源开发,（五）发酵废物制取燃料酒精,近年来，燃料酒精作为石油能源的替代物，逐渐成为世界各国研究的热点。燃料酒精又称变性燃料乙醇。根据燃油中酒精含量的多少，燃料酒精的市场可分为替代燃料(添加高比例乙醇的汽油醇)和燃料添加剂两种。燃料酒精作添加剂可起到增氧和抗爆的作用，以替代有致癌作用的甲基叔丁基醚(MTBE)。就目前中国的汽油消耗量来分析，如全面推广使用汽油醇，所需的燃料酒精量可达l0 Mt。参照国外情

37、况，如考虑在其他燃料油中添加燃料酒精，其需求总量可达20 Mt，具有广阔的市场前景。用酒精作发动机燃料有许多优点，发动机无须或稍加改动即可燃用汽油醇，并且酒精各地均可生产，也不污染大气。通过对国产小轿车试验表明，汽车尾气中CO、HC排放量，平均分别下降了30.8%和13.4%。2001年4月国家推广应用车用乙醇汽油生产试点项目，20万t变性燃料乙醇项目，在南阳天冠集团公司正式投产。在长春一个用玉米为原料，年产60万t燃料乙醇工程已开工，这是我国目前最大的燃料乙醇生产基地，生产规模在世界范围内也位居前列。,四、其他生物能源开发,五、发酵废物资源与生态农业,（一）发酵废物生产有机肥料,在农业发展史

38、中，化肥的使用对农业生产的进步起到了巨大的作用。同时也产生了很大的副作用，不但影响了连续高产的稳定性，破坏了土壤结构，便肥效地力大为降低，而且破坏了农业生态平衡，使农产品质量大大降低，污染了环境，对人类的生存条件形成了不良影响。随着无公害食品、绿色食品和有机食品的迅速发展，利用有机废弃物生产生态有机肥料已成为发展方向。生态型肥料是根据土壤微生物生态学原理、植物营养生理学和土壤学及现代生态农业的基本概念而研制的。施用后可以解决因长期大量施化肥造成的土壤板结、环境污染、作物品质下降等问题。,五、发酵废物资源与生态农业,（一）发酵废物生产有机肥料,1 发酵废物生产生物有机肥以发酵工业排放的废物为主要

39、原料生产复合生物有机肥是突破传统的、产业化的、完全治理污染技术，有良好的经济、社会和环境效益。2发酵废菌渣生产生物有机肥制药厂提取了目标物质后，剩下的发酵菌渣作为废弃物进行人工填埋，既浪费资源，又破坏环境，不符合循环经济3R原则作附减量化reduce、再利用reuse和再循环recycl吠)的发展理念。江都市壮禾化工有限公司利用红霉素发酵菌渣研制开发生态肥产品，并在蔬菜、牧草和鲜食玉米等不同作物上推广应用，取得了良好的增产效果。,五、发酵废物资源与生态农业,（二）沼气发酵在生态农业中的应用,在生态农业系统中，植物将太阳能转化为植物能后，通过食物链在各生物间进行能量转换，能量在流动过程中损耗率极

40、大。损失主要表现为生物呼吸消耗热能和废弃有机物中所含没有利用或没有充分合理利用的能量。对废弃有机物中含有的能量，可以通过沼气发酵来吸收利用。,五、发酵废物资源与生态农业,（二）沼气发酵在生态农业中的应用,1 沼气在农业生态系统中的作用开发沼气是我国利用生物资源的一种重要方式，沼气的利用在我国农村己有几十年历史，从初始阶段的点灯、做饭扩展到用于发电、烧电炉、加热、干燥、烘烤、暖房、孵化、养蚕等生产领域。沼气是一种适应我国国情，具有强大生命力的新能源。沼气中约含35%二氧化碳，沼气中甲烷燃烧也产生二氧化碳，因此利用沼气制得二氧化碳含量高的气肥送人栽种黄瓜的塑料大棚内，使棚内二氧化碳浓度达1100-

41、1300mg/L，并控制温度、湿度，可使黄瓜增产284。利用沼气还可使产品保鲜，例如用沼气保鲜山植，几乎不影响山植的品质，而且保鲜效果好于土窑和冷库。,五、发酵废物资源与生态农业,（二）沼气发酵在生态农业中的应用,2 沼液和沼渣在农业生态系统中的作用(1)沼气发酵渣制优质肥料(2)沼液有防治病虫害效果(3)沼渣种菇(4)沼渣养鱼(5)沼液作饲料综上所述，沼气发酵系统生产的沼气、沼液、沼渣，在整个生态农业中对农村经济繁荣起着巨大的推动作用，无论在种养殖业还是副业中，都能够带来显著的经济效益。此外，沼气发酵系统还能够改善农村环境卫生。,五、发酵废物资源与生态农业,（三）发酵废物资源化发展趋势,1.

42、规模化和商品化:有机废弃物处理和利用生态工程将由分散、小型向集中、大型工厂化、机械化和自动化方向发展，由废弃物转化的商品肥料、饲料和能源会越来越多。2.多元化与多级化:运用生态工程进行有机废弃物处理及利用的途径和方法增多，通过巧妙连接食物链或增加加工环节，将某营养级的废弃物或排泄物作其他营养级的食物而加T转化利用，提高资源利用率。3.工高效化和洁净化:现代高新技术广泛应用，提高了有机废弃物的利用率和产品质量，资源化将与城镇生态环境综合整治和生态农业建设更密切结合，实现洁净安全生产，防止重复污染。4.规范化与法制化:有机废弃物工程技术、配套设备及工艺流程将进一步规范化，有关废弃物开发利用及污染防

43、治法律法规需迸一步完善。,第二节 发酵工业废水好氧生物处理,一、活性污泥法二、生物膜法三、发酵工业废水处实例,第三节 发酵工业废水厌氧生物处理,一、厌氧生物处理的基本原理和特征二、普通消化法三、厌氧接触法四、升流式厌氧污泥层反应器五、厌氧膨胀颗粒污泥床反应器六、内循环式反应器七、大部分地区氧附着膨胀床反应器和厌氧流化床反应器八、厌氧生物滤池九、两相厌氧消化工艺,一、厌氧生物处理的基本原理和特征,厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由多种微生物的共同作用，便有机物分解生成CH4和CO2的过程。I.厌氧发酵的三阶段理论第一阶段:为水解、发酵阶段。复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵。第二

44、阶段:产氢、产乙酸阶段。由专门的细菌，称产氢产乙酸细菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和CO2。第三阶段:产甲烷阶段。由产甲烷细菌利用乙酸和H2、CO2，产生CH4。,一、厌氧生物处理的基本原理和特征,2.厌氧生物处理的特征(1)能量需求大大降低，还可产生能量。厌氧生物处理不需供给氧气，却能生产含有50%70%甲烷的沼气，含有较高的热值(2100025000kJ/m3)，可以用作能源。(2)污泥产量极低。厌氧微生物的增殖速率比好氧微生物低得多。厌氧消化中产酸细菌的产率y为0.150.34，产甲烷细菌为0.03%左右，混合菌群的产率约0.17%。(3)采用现代高负荷厌氧反应器，处理

45、污水所需反应器的体积更小。,一、厌氧生物处理的基本原理和特征,2.厌氧生物处理的特征(5)处理后废水有机物浓度高于好氧处理。(6)对温度、pH等环境因素更为敏感。厌氧细菌分为高温菌和中温菌两类。适宜的温度范围分别为55和35左右。(7)处理过程的反应较复杂。厌氧消化是由多种不同性质、不同功能的微生物协同工作的一个连续的微生物学过程，远比好氧生物处理中的微生物过程复杂。,思考题,l.BOD、COD 为 何意?2.举例 说 明 利 用 发酵废弃物 生 产 SCP 的 微生物 菌 种和 工 艺 技术。3.说 明 纤 维 素 和 半 纤 维 素 原 料预 处理 的 方 法、酸或 酶水解 的 工 艺、酒 精发酵 的 菌 种 和 直接发酵 法、两段发酵 法、同 时糖化发酵 法和 固 定化 细胞发酵 法制 备燃料 酒 精的 工 艺 技术。4.何 为 生 物 能 源?说明 利 用 发 酵废 弃 物 制 取 沼 气、氢 能、生 物 柴 油 和 燃料 酒 精 的 意 义、机理、微生物 菌 种和 工 艺 技术。5.举例 说明 发酵废物 资 源 化和 生 态农业 的 关 系 和发展趋势。6.发酵废水好氧处理的方法有叫些,各有何优点?7.发酵废水厌氧处理的原理和特征如何?,