第6章 城市生活垃圾的厭氧消化處理

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(guò)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(guò)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(guò)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

2、活動(dòng)的需要。 新的研究表明,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(duì)營(yíng)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(yíng)養(yǎng)鹽 6 （4）發(fā)酵底物不僅是優(yōu)質(zhì)的農(nóng)

3、作物有機(jī)肥料, 而 且因其富含微生物菌體、氨基酸等活性物質(zhì), 經(jīng)加 工可作為優(yōu)良的魚(yú)、雞等動(dòng)物飼料。 （5）對(duì)于我國(guó)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(guò)程 厭氧消化(anaerobic digestion) 是指在無(wú)分子氧條 件下通過(guò)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(guò)程。 對(duì)于該過(guò)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

4、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： 9 10 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(guò)發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過(guò) 一系列生化反應(yīng)，將代謝產(chǎn)一系列生化

5、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，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(wú)機(jī)的多的代謝產(chǎn)物中，僅無(wú)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)

6、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(guò)產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌們必須經(jīng)過(guò)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

7、烷菌提供營(yíng)養(yǎng)，將大分子有機(jī)物分解 為簡(jiǎn)單的小分子有機(jī)物，作為產(chǎn)甲烷菌的營(yíng)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(duì)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(zhǎng)，有的4-5天才系列繁殖 一代。 （4）只能用簡(jiǎn)單的化合物作為營(yíng)養(yǎng) （5）代謝的主要終產(chǎn)物是甲烷、二氧化碳和分 子氫 。 14 15 Various types of methanogenic bacteria.

8、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); 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；

9、（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(chóng)；（8） 貯藏水果 2）沼氣發(fā)酵余物的利用 （1）沼液：速效肥料、飼料添加劑、喂魚(yú)。 （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. 18 132 2 48 4 180 6126 CO3CH3 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(cè)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

10、.7m3. 19 108 2 132 2 192 2 180 6126 6CO66OHOOHC 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(duì)厭氧 判斷厭氧程度一般用氧化還原電位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(cè)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，

11、氧化還原電位低。 22 二、 溫度因素 對(duì)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20d，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(duì)寄生蟲(chóng)卵的殺滅率 較可達(dá)99%，能滿足衛(wèi)生要求（蛔蟲(chóng)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(duì)厭氧消化過(guò)程的影響 0 0

12、 1 1 2 2 3 3 4 4 0 0 1 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 25253030353540404545505055556060 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(duì)溫度變化更為敏感。含量，尤其高溫消化對(duì)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

13、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(duì)寄生蟲(chóng)卵徹底。中溫消化對(duì)寄生蟲(chóng)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(duì)厭氧消化的影響溫度對(duì)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(duì)酸堿度不及甲烷細(xì)菌敏感，其適宜的pH

14、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(guò)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(guò)大時(shí)，微生物自我調(diào)節(jié)功能 不起作用時(shí)，可通過(guò)投加石灰或調(diào)整原料碳氮比 來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 27 在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，因?yàn)樗嵝园l(fā)酵，有機(jī)酸的形 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(duì)有機(jī)酸的控 制更為重要。 28 四、 營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 厭氧消化過(guò)程

15、本質(zhì)上是微生物的培養(yǎng)繁殖過(guò)程， 待消化的有機(jī)廢物是微生物的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。營(yíng)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(guò)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 氧微生物的活性污泥或發(fā)酵液。 30 六、有毒物質(zhì) 1、重金屬離子對(duì)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(lái)源：無(wú)機(jī)硫酸鹽 還原；蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。 3、氨的毒害：NH4+ 150mg

16、/L，發(fā)酵受抑制。 31 七、攪拌混合 對(duì)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(duì)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

17、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(yáng)能保溫。 常(低)溫發(fā)酵：自然溫度，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)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：?jiǎn)?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(kāi)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

18、（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 37 1、常規(guī)消化反應(yīng)器工作示意圖 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

19、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(jiǎn)單，造價(jià)低， 施工方便。 39 缺點(diǎn)： 氣壓不穩(wěn)定，對(duì)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(duì)防滲措施的要求較高，給燃 燒器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。 40 41 （2）立式圓形浮罩式沼氣 池 將發(fā)酵間與貯氣間分開(kāi)，產(chǎn) 生的沼氣由浮沉式的氣罩貯 存起來(lái)。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 特點(diǎn)：將發(fā)酵間與貯氣間分開(kāi)，具有壓力低、發(fā)