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1、第二节,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。,?,沼气的成分：,主要为,CH,4,，,55,70,和,CO,2,，,25,40,。此外还有总量小于,5%,的,CO,、,O,2,、,H,2,、,H,2,S,、,N,2,、,碳氢化合物,(C,m,H,n,),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。,纤维素的分解,纤维素酶可以把,纤维素,水解成,葡萄糖,
2、，反应式为：,(C,6,H,10,O,5,),n,(,纤维素,)+n H,2,O nC,6,H,12,O,6,(,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：,C,6,H,12,O,6,3CH,4,+3CO,2,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、游离脂肪酸等），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,
3、甲烷和二氧化碳,。,3,、蛋白质类的分解代谢,?,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。,（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
4、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,CO,2,和,H,2,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,、
5、三阶段理论,1979,年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为,水解、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,。,（,1,）厌氧条件：氧对产甲烷细菌有毒害作用，发酵过程中要保,持良好的厌氧环境，当厌氧消化正常进行时，氧化还原电位,应保持在,-300mV,。,（,2,）原料配比：厌氧消化的原料的碳氮比以,2030:1,为宜，磷,的含量（以磷酸盐计）一般为有机物含量的,1/1000,为宜。,（,3,）,pH,值：对于产甲烷细菌来说，维持弱碱性环境是非常必要,的，当体系的,pH,值小于,6.2,时，产甲烷菌就会失去活性。在产,酸菌和产甲烷细菌共存的厌氧消化体系中，
6、系统的,pH,值应控,制在,6.57.5,之间，最佳的,pH,值范围是：,7.07.2,；可向体系中,投加石灰或含氮物料的方法来调节体系,pH,值。,（四）、影响发酵的环境条件,（,4,）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),。,低温发酵,：低于,20,，,产气量低，受气候影响大，发酵时间,35d,。,中温发酵：,37,，,产气量约,11.3m,3,/(m,3,d),；发酵时间,20d,，,卫生化低。,高温发酵：,53,，,产气量约,3.04.0m,3,/(m,3,.d),；发酵时间,10d,，,卫生化高。,对寄生虫卵的杀灭率较可达,99
7、%,，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,（,5,）搅拌和混合均匀程度,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。,（,6,）有毒物质,重金属离子对甲烷发酵的抑制使酶发生变性或者沉淀。,阴离子的毒害：主要是,S,2-,，来源：无机硫酸盐还原；蛋白,
8、质分解释放出,S,2-,。,氨的毒害：,NH,4,+,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,Ca,2+,，,Mg,2+,，,Na,+,，,K,+,10,1,10,+6,重金属,Cu,2+,，,Ni,2+,，,Zn,2+,，,Hg,2+,，,Fe,2+,10,5,10,3,H,+,和,OH,10,6,10,4,胺类,10,5,10,0,有机物质,10,6,10,0,（,7,）添加物和接种物,?,厌氧发酵中的添加物包括硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、,碳酸钙、炉灰等，这些添加剂可促进厌氧发酵，提高,产气率和原料利用率，其中以磷矿粉的效果最佳，同,时添加
9、少量的钠、钾、镁、锌等也可以提高产气率。,?,厌氧发酵过程中添加接种物可有效地提高消化液中微,生物的种类和数量，提高产气率。开始发酵时，一般,要求菌种量达到料液量的,5%,。,(,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,立式圆形水压式沼气池,?,发酵间
10、为圆形，两侧带有进出料口，,容积为,6m,3,、,8m,3,、,10m,3,、,12m,3,；,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/m,3,.d,，对防渗措施的要求,较高给燃烧器的设计带来一定困难,。,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
11、。,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。,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,：,5060,，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
12、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,欧美型,(Anglo-American shape),；,d/H1,，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。,古典型,(Classical shape),；,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,1.01.7,，顶部为,0.61.0,。有助于发,酵污泥处于均匀、完全循环的状态。,蛋型（,Egg shape digester,）,特点：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。,底,部锥体比较陡峭，反应污泥与罐壁的,接触面积
13、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。,欧洲平底型（,European plain shape,）,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,型合理，在污泥循环设备方面，选择,余地小。,（,2,）循环系统搅拌设备（,stiring device,）,机械搅拌：,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,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,：,在一,个竖向导流管中,安装螺旋桨。,水射器搅拌,：水射,器也称喷射泵。一,般设置在池中心，,用水泵将消化池底,部的污泥抽出后压,入水射器的喷嘴，,当污泥射入水
14、射器,的喉管时，形成很,大的负压，将消化,池内液面的消化液,吸入，通过扩散管,从池子下部排,出形,成一个循环搅拌,。,沼气搅拌,：,气提式搅拌,：将沼气压入设在消化池,的导流管中部或底部，使沼气与消化,液混合，含气泡的污泥即沿导流管上,升，起提升作用，使池内消化液不断,循环搅拌。,竖管式搅拌,：在池内均匀布置若干根竖,管，经过加压的沼气通过配器总管分配,到各根竖管，从下端吹出，起搅拌作用。,充液搅拌,?,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，产生较强的液体回,流，达到搅拌的目的。,（六）,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用的,技术和方法。,?,原料的
15、收集和预处理；,?,接种物的选择和富集；,?,沼气发酵装置形状选择；,?,启动和日常运行管理；,?,副产品沼渣和沼液的处置等技术措施。,（,1,）根据发酵温度分类,高温发酵,：产气率高，但,CH4,比例低且不稳定；,中温发酵,：产气率较高，能量回收较理想，应用普遍。太阳,能保温。,常,(,低,),温发酵,：自然温度，结构相对简单、造价低。,（,2,）根据投料运转方式分类,连续发酵,：正常产气后，可连续加料与出料。,半连续发酵,：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。,批量发酵,：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。,两步发酵,：产
16、酸与产甲烷阶段分开进行。,1,、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,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
17、艺流程,（,1,）能大量消纳有机废物，适应于城市垃圾与污泥,的处理和处置；,（,2,）发酵周期比较短；,（,3,）产生沼气量大，质量高；沼渣肥效高。,（,4,）系统的运行过程中不会产生二次污染，不会对,周围环境造成危害。,（,5,）系统的运行完全是自动化管理,（,6,）可以把环境保护、能源回收与生态良性循环有,机的结合起来。,特点：,（七）沼气及其发酵余物的利用,1,、沼气的综合利用,（,1,）生活燃料；（,2,）运输工具的动力燃料；（,3,）发电；,（,4,）化工原料；（,5,）孵化禽类；（,6,）蔬菜种植，增产,效果显著；（,7,）贮粮防虫；（,8,）贮藏水果,2,、沼气发酵余物的利用,（,1,）沼液：速效肥料、抗病防虫、饲料添加剂、喂鱼、浸,种。,（,2,）沼渣：优质肥料、饲料、培养土、提取维生素等原料。,厌氧发酵复习及思考题,1,、简述厌氧发酵的基本过程，并说明复杂有机,物的转化过程。,2,、影响厌氧发酵细菌功能的环境条件有哪些？,
