《微生物與發(fā)酵工程》第11章-發(fā)酵工程在新型能源課件

第十一章發(fā)酵工程在新型能源及環(huán)境保護方面的應用——乙醇發(fā)酵、沼氣發(fā)酵和污水生物處理第十一章發(fā)酵工程在新型能源及環(huán)境保護方面的應用——乙醇1第一節(jié)乙醇的發(fā)酵——原料、發(fā)酵與蒸餾工藝第一節(jié)乙醇的發(fā)酵——原料、發(fā)酵與蒸餾工藝2一、乙醇發(fā)酵的原料和菌種乙醇的工業(yè)用途乙醇發(fā)酵原料淀粉原料、糖質原料、纖維素原料乙醇發(fā)酵微生物糖化菌曲霉、根霉和毛霉酒化菌酵母及某些細菌一、乙醇發(fā)酵的原料和菌種乙醇的工業(yè)用途3二、乙醇發(fā)酵生化機制淀粉質原料的水解淀粉粒吸水膨脹淀粉粒破裂溶解(糊化)淀粉水解(液化及糖化)纖維素原料的水解秸稈原料的主要成分纖維素的水解過程和特點酵母菌乙醇發(fā)酵途徑二、乙醇發(fā)酵生化機制淀粉質原料的水解4三、乙醇發(fā)酵工藝淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝乙醇發(fā)酵分為前發(fā)酵期、主發(fā)酵期和后發(fā)酵期三個階段，總發(fā)酵時間一般60～72h。圖11-1淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝流程三、乙醇發(fā)酵工藝淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝圖11-1淀粉原料乙5三、乙醇發(fā)酵工藝糖質原料的乙醇發(fā)酵工藝工藝較簡單，原料如糖蜜經(jīng)預處理后，添加一定營養(yǎng)物，即可接入酵母發(fā)酵。纖維素原料的乙醇發(fā)酵工藝水解發(fā)酵兩步法同時糖化發(fā)酵法固定化細胞發(fā)酵工藝直接發(fā)酵法三、乙醇發(fā)酵工藝糖質原料的乙醇發(fā)酵工藝6四、乙醇蒸餾工藝發(fā)酵成熟醪的組分及其分離酒糟、頭級雜質、中間級雜質、尾級雜質乙醇蒸餾與精餾工藝圖11-2氣相進料兩塔蒸餾工藝流程四、乙醇蒸餾工藝發(fā)酵成熟醪的組分及其分離圖11-2氣相進7第二節(jié)沼氣發(fā)酵——沼氣發(fā)酵的機理、工藝和厭氧消化器第二節(jié)沼氣發(fā)酵——沼氣發(fā)酵的機理、工藝和厭氧消化器8一、沼氣發(fā)酵理論機理沼氣和沼氣發(fā)酵沼氣是以甲烷和CO2為主的可燃氣體沼氣發(fā)酵工藝是指在厭氧條件下，通過沼氣發(fā)酵微生物的活動，處理有機廢物并制取沼氣的技術與裝備，也稱為厭氧消化工藝沼氣發(fā)酵理論機理(三階段)水解階段酸化階段產(chǎn)甲烷階段一、沼氣發(fā)酵理論機理沼氣和沼氣發(fā)酵9農(nóng)用沼氣池示意圖大型沼氣工程農(nóng)用沼氣池出口農(nóng)用沼氣池示意圖大型沼氣工程農(nóng)用沼氣池出口10農(nóng)戶用自產(chǎn)沼氣點燃沼氣燈照明農(nóng)戶用自產(chǎn)沼氣點燃沼氣燈照明11二、沼氣發(fā)酵的基本工藝流程沼氣發(fā)酵的工藝類型參見表11-1.沼氣發(fā)酵的基本工藝流程參見圖11-1.圖11-1沼氣發(fā)酵的基本工藝流程二、沼氣發(fā)酵的基本工藝流程沼氣發(fā)酵的工藝類型圖11-112表11-1沼氣發(fā)酵的工藝類型表11-1沼氣發(fā)酵的工藝類型13三、厭氧消化器的類別主要相關概念水力滯留期(HRT)，固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)常規(guī)型消化器常規(guī)型消化器如農(nóng)村使用的水壓式沼氣池見圖11-2.圖11-2水壓式沼氣池見三、厭氧消化器的類別主要相關概念圖11-2水壓式沼氣池14三、厭氧消化器的類別完全混合式消化器曾是一種使用最多，適用范圍最廣的消化器，但由于能耗高，效率低，目前應用已經(jīng)較少，例如污水處理廠好氧活性污泥的厭氧消化裝置，參見圖11-3.圖11-3完全混合式消化器三、厭氧消化器的類別完全混合式消化器圖11-3完全混合式15三、厭氧消化器的類別塞流式消化器在我國已有多種應用，適用于高SS廢物的處理外，尤其適用于牛糞的消化，用于農(nóng)場效果好，參見圖11-4.圖11-4塞流式消化器三、厭氧消化器的類別塞流式消化器圖11-4塞流式消化器16三、厭氧消化器的類別污泥滯留型消化器厭氧接觸工藝也被稱為帶有污泥回流的連續(xù)攪拌罐反應器，比較穩(wěn)定，是目前比較成熟的工藝，參見圖11-5.圖11-5厭氧接觸工藝示意圖三、厭氧消化器的類別污泥滯留型消化器圖11-5厭氧接觸工17三、厭氧消化器的類別升流式厭氧污泥床升流式厭氧污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBed，UASB)是目前世界上發(fā)展最快的消化器，負荷高但結構較復雜，進水要求高，參見圖11-6.圖11-6升流式厭氧污泥床示意圖三、厭氧消化器的類別升流式厭氧污泥床圖11-6升流式厭氧18三、厭氧消化器的類別膨脹顆粒污泥床膨脹顆粒污泥床(ExpandedGranularSludgeBed，EGSB)是20世紀90年代荷蘭人Lettinga在UASB基礎上改進研發(fā)的高效厭氧消化反應器，參見圖11-7.圖11-7膨脹顆粒污泥床三、厭氧消化器的類別膨脹顆粒污泥床圖11-7膨脹顆粒污泥19三、厭氧消化器的類別內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器內(nèi)循環(huán)(InternalCirculation)厭氧反應器是當代水處理技術中使用的新型高效厭氧消化反應器，參見圖11-8.圖11-8內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器三、厭氧消化器的類別內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器圖11-8內(nèi)20三、厭氧消化器的類別升流式和折流式反應器不完善的二類厭氧消化器附著膜型消化器厭氧濾器(AF)厭氧濾器(AnerobicFilter,AF)是一種內(nèi)部安裝了惰性介質的厭氧消化器，參見圖11-9.圖11-9厭氧濾器(AF)示意圖三、厭氧消化器的類別升流式和折流式反應器圖11-9厭氧濾21三、厭氧消化器的類別流化床和膨脹床流化床(FluidizedBed,FB)和膨脹床(ExpandedBed,EB)內(nèi)部亦有惰性填充物增加比表面積，參見圖11-10.圖11-10流化床和膨脹床三、厭氧消化器的類別流化床和膨脹床圖11-10流化床和膨22三、厭氧消化器的類別其它沼氣發(fā)酵工藝如兩段式沼氣發(fā)酵工藝等參見教材P308.此部分內(nèi)容另參見教材P314厭氧處理法(anaerobictreatment).三、厭氧消化器的類別其它沼氣發(fā)酵工藝23第三節(jié)發(fā)酵工程在環(huán)境保護中應用——污水處理的原理和工藝第三節(jié)發(fā)酵工程在環(huán)境保護中應用——污水處理的原理和工24一、污水處理的基本原理和概念污水處理的概念水體的污染物因稀釋、水解、氧化、光分解和微生物作用具有自凈能力,但水體自凈有一定限度。當污染負荷超過自凈容量時，必須施以人工凈化措施，即污水處理。污水處理的基本原理通過微生物體內(nèi)的氧化、還原、分解、合成等生化作用，把一部分被吸收的有機物轉化為微生物體所需的營養(yǎng)物質、組成新細胞等，另一部分有機物氧化分解為CO2、水等簡單無機物，同時釋放出能量并使污水凈化。一、污水處理的基本原理和概念污水處理的概念25小型污水處理池小型污水處理池26大型污水處理池大型污水處理池27一、污水處理的基本原理和概念污水處理相關概念全需氧量(TOD)也稱理論需氧量，指水中全部有機物被氧化成CO2、水、NO3等無機物過程所消耗氧的計算值。化學需氧量(COD)是用強氧化劑(K2Cr2O7或KMnO4)使污染物氧化所需要的氧量，能被氧化的有機物無機物均包括在內(nèi)。測定結果分別標記CODCr或CODMn。一、污水處理的基本原理和概念污水處理相關概念28一、污水處理的基本原理和概念生化需氧量(BOD)是指微生物在有足夠溶解氧存在條件下分解有機質過程所消耗的氧量。常用為BOD5，即5日生化需氧量，表示在20℃下培養(yǎng)5日，1升水中溶解氧之減少量。污水處理的級別根據(jù)處理對象和深度不同，分為以下三種處理：一級處理主要通過過濾、沉淀等物理方法，去除污水中粗大固形物和部分懸浮物。一、污水處理的基本原理和概念生化需氧量(BOD)是指微生物在29一、污水處理的基本原理和概念二級處理在一級處理的基礎上，主要去除水中的有機物。主要采用生物法處理。三級處理也稱深度處理，采用各種物理化學生物等各種方法使二級處理后的水進一步凈化，各種有機和無機污染物去除率在98％以上。一、污水處理的基本原理和概念二級處理30二、污水的生物處理方法活性污泥法(activatedsludgeprocese)活性污泥(activatedsludge)的概念活性污泥是一種絨絮狀小泥粒，它是由需氧菌為主體的微型生物群體，以及有機性或無機性膠體、懸浮物等組成的一種肉眼可見的細粒。它具有很強的吸附和分解有機質的能力?；钚晕勰喾蠢煤罅啃柩跣晕⑸锏幕钚晕勰啵趶娏ν鈼l件下使污水凈化的生物方法?；钚晕勰嗟纳锝M成細菌類主力軍，主要是革蘭氏陰性好氧化能異養(yǎng)桿菌。二、污水的生物處理方法活性污泥法(activatedslu31二、污水的生物處理方法原生動物次生生物，以纖毛蟲類為主，是污水凈化指示生物。其他生物包括霉菌、放線菌、酵母、病毒、后生動物等。二、污水的生物處理方法原生動物32二、污水的生物處理方法活性污泥的功能吸附、分解代謝、凝聚與沉淀?；钚晕勰嗟闹饕愋蜆藴驶钚晕勰喾?conventionalactivatedsludgeprocese)圖11-11標準活性污泥法示意圖二、污水的生物處理方法活性污泥的功能圖11-11標準活性33二、污水的生物處理方法完全混合式活性污泥法(completelyMixedactivatedsludgeprocese)圖11-12完全混合式活性污泥法示意圖二、污水的生物處理方法完全混合式活性污泥法(complet34二、污水的生物處理方法漸減曝氣法(stepserrationprocese)圖11-13漸減曝氣法示意圖二、污水的生物處理方法漸減曝氣法(stepserratio35二、污水的生物處理方法吸附再生法―接觸氧化穩(wěn)定法(contactstabilizationprocese)圖11-14吸附再生法示意圖二、污水的生物處理方法吸附再生法―接觸氧化穩(wěn)定法(conta36二、污水的生物處理方法純氧活性污泥法(pureoxygenactivatedsludgeprocese)圖11-15純氧活性污泥法示意圖二、污水的生物處理方法純氧活性污泥法(pureoxygen37二、污水的生物處理方法其他方法

如延時曝氣法(extendedaerationprocese)、高速活性污泥法(highrateactivatedsludgeprocese)等。生物膜法(biofilmprocess)生物膜的概念和功能生物膜污水處理法是利用微生物群落附著在固體填料表面而形成的生物膜來處理廢水的一種方法。生物膜一般呈蓬松的絮狀結構，微孔較多，表面積較大。同活性污泥相比，生物膜中的微生物種類和數(shù)量更加豐富。生物膜內(nèi)層為厭氧生物。生物膜會不斷脫落更新。二、污水的生物處理方法其他方法38二、污水的生物處理方法生物膜法的主要類型生物濾池(biologicalfilter)圖11-16塔式生物濾池示意圖二、污水的生物處理方法生物膜法的主要類型圖11-16塔式39二、污水的生物處理方法生物轉盤(biologicaldisc)圖11-17生物轉盤示意圖二、污水的生物處理方法生物轉盤(biologicaldis40二、污水的生物處理方法生物接觸氧化法(biologicalcontactoxidationprocess)圖11-18生物接觸氧化法示意圖二、污水的生物處理方法生物接觸氧化法(biological41二、污水的生物處理方法生物流化床反應器(fludizedbedreacter)圖11-18生物流化床反應器示意圖二、污水的生物處理方法生物流化床反應器(fludizedb42二、污水的生物處理方法厭氧處理法(anaerobictreatment)參見本章第一節(jié)相關內(nèi)容。三、有機固體廢棄物微生物處理參見第十章第一節(jié)相關內(nèi)容。謝謝本課程結束二、污水的生物處理方法厭氧處理法(anaerobictre43第十一章發(fā)酵工程在新型能源及環(huán)境保護方面的應用——乙醇發(fā)酵、沼氣發(fā)酵和污水生物處理第十一章發(fā)酵工程在新型能源及環(huán)境保護方面的應用——乙醇44第一節(jié)乙醇的發(fā)酵——原料、發(fā)酵與蒸餾工藝第一節(jié)乙醇的發(fā)酵——原料、發(fā)酵與蒸餾工藝45一、乙醇發(fā)酵的原料和菌種乙醇的工業(yè)用途乙醇發(fā)酵原料淀粉原料、糖質原料、纖維素原料乙醇發(fā)酵微生物糖化菌曲霉、根霉和毛霉酒化菌酵母及某些細菌一、乙醇發(fā)酵的原料和菌種乙醇的工業(yè)用途46二、乙醇發(fā)酵生化機制淀粉質原料的水解淀粉粒吸水膨脹淀粉粒破裂溶解(糊化)淀粉水解(液化及糖化)纖維素原料的水解秸稈原料的主要成分纖維素的水解過程和特點酵母菌乙醇發(fā)酵途徑二、乙醇發(fā)酵生化機制淀粉質原料的水解47三、乙醇發(fā)酵工藝淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝乙醇發(fā)酵分為前發(fā)酵期、主發(fā)酵期和后發(fā)酵期三個階段，總發(fā)酵時間一般60～72h。圖11-1淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝流程三、乙醇發(fā)酵工藝淀粉原料乙醇發(fā)酵工藝圖11-1淀粉原料乙48三、乙醇發(fā)酵工藝糖質原料的乙醇發(fā)酵工藝工藝較簡單，原料如糖蜜經(jīng)預處理后，添加一定營養(yǎng)物，即可接入酵母發(fā)酵。纖維素原料的乙醇發(fā)酵工藝水解發(fā)酵兩步法同時糖化發(fā)酵法固定化細胞發(fā)酵工藝直接發(fā)酵法三、乙醇發(fā)酵工藝糖質原料的乙醇發(fā)酵工藝49四、乙醇蒸餾工藝發(fā)酵成熟醪的組分及其分離酒糟、頭級雜質、中間級雜質、尾級雜質乙醇蒸餾與精餾工藝圖11-2氣相進料兩塔蒸餾工藝流程四、乙醇蒸餾工藝發(fā)酵成熟醪的組分及其分離圖11-2氣相進50第二節(jié)沼氣發(fā)酵——沼氣發(fā)酵的機理、工藝和厭氧消化器第二節(jié)沼氣發(fā)酵——沼氣發(fā)酵的機理、工藝和厭氧消化器51一、沼氣發(fā)酵理論機理沼氣和沼氣發(fā)酵沼氣是以甲烷和CO2為主的可燃氣體沼氣發(fā)酵工藝是指在厭氧條件下，通過沼氣發(fā)酵微生物的活動，處理有機廢物并制取沼氣的技術與裝備，也稱為厭氧消化工藝沼氣發(fā)酵理論機理(三階段)水解階段酸化階段產(chǎn)甲烷階段一、沼氣發(fā)酵理論機理沼氣和沼氣發(fā)酵52農(nóng)用沼氣池示意圖大型沼氣工程農(nóng)用沼氣池出口農(nóng)用沼氣池示意圖大型沼氣工程農(nóng)用沼氣池出口53農(nóng)戶用自產(chǎn)沼氣點燃沼氣燈照明農(nóng)戶用自產(chǎn)沼氣點燃沼氣燈照明54二、沼氣發(fā)酵的基本工藝流程沼氣發(fā)酵的工藝類型參見表11-1.沼氣發(fā)酵的基本工藝流程參見圖11-1.圖11-1沼氣發(fā)酵的基本工藝流程二、沼氣發(fā)酵的基本工藝流程沼氣發(fā)酵的工藝類型圖11-155表11-1沼氣發(fā)酵的工藝類型表11-1沼氣發(fā)酵的工藝類型56三、厭氧消化器的類別主要相關概念水力滯留期(HRT)，固體滯留期(SRT)和微生物滯留期(MRT)常規(guī)型消化器常規(guī)型消化器如農(nóng)村使用的水壓式沼氣池見圖11-2.圖11-2水壓式沼氣池見三、厭氧消化器的類別主要相關概念圖11-2水壓式沼氣池57三、厭氧消化器的類別完全混合式消化器曾是一種使用最多，適用范圍最廣的消化器，但由于能耗高，效率低，目前應用已經(jīng)較少，例如污水處理廠好氧活性污泥的厭氧消化裝置，參見圖11-3.圖11-3完全混合式消化器三、厭氧消化器的類別完全混合式消化器圖11-3完全混合式58三、厭氧消化器的類別塞流式消化器在我國已有多種應用，適用于高SS廢物的處理外，尤其適用于牛糞的消化，用于農(nóng)場效果好，參見圖11-4.圖11-4塞流式消化器三、厭氧消化器的類別塞流式消化器圖11-4塞流式消化器59三、厭氧消化器的類別污泥滯留型消化器厭氧接觸工藝也被稱為帶有污泥回流的連續(xù)攪拌罐反應器，比較穩(wěn)定，是目前比較成熟的工藝，參見圖11-5.圖11-5厭氧接觸工藝示意圖三、厭氧消化器的類別污泥滯留型消化器圖11-5厭氧接觸工60三、厭氧消化器的類別升流式厭氧污泥床升流式厭氧污泥床(UpflowAnaerobicSludgeBed，UASB)是目前世界上發(fā)展最快的消化器，負荷高但結構較復雜，進水要求高，參見圖11-6.圖11-6升流式厭氧污泥床示意圖三、厭氧消化器的類別升流式厭氧污泥床圖11-6升流式厭氧61三、厭氧消化器的類別膨脹顆粒污泥床膨脹顆粒污泥床(ExpandedGranularSludgeBed，EGSB)是20世紀90年代荷蘭人Lettinga在UASB基礎上改進研發(fā)的高效厭氧消化反應器，參見圖11-7.圖11-7膨脹顆粒污泥床三、厭氧消化器的類別膨脹顆粒污泥床圖11-7膨脹顆粒污泥62三、厭氧消化器的類別內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器內(nèi)循環(huán)(InternalCirculation)厭氧反應器是當代水處理技術中使用的新型高效厭氧消化反應器，參見圖11-8.圖11-8內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器三、厭氧消化器的類別內(nèi)循環(huán)(IC)厭氧反應器圖11-8內(nèi)63三、厭氧消化器的類別升流式和折流式反應器不完善的二類厭氧消化器附著膜型消化器厭氧濾器(AF)厭氧濾器(AnerobicFilter,AF)是一種內(nèi)部安裝了惰性介質的厭氧消化器，參見圖11-9.圖11-9厭氧濾器(AF)示意圖三、厭氧消化器的類別升流式和折流式反應器圖11-9厭氧濾64三、厭氧消化器的類別流化床和膨脹床流化床(FluidizedBed,FB)和膨脹床(ExpandedBed,EB)內(nèi)部亦有惰性填充物增加比表面積，參見圖11-10.圖11-10流化床和膨脹床三、厭氧消化器的類別流化床和膨脹床圖11-10流化床和膨65三、厭氧消化器的類別其它沼氣發(fā)酵工藝如兩段式沼氣發(fā)酵工藝等參見教材P308.此部分內(nèi)容另參見教材P314厭氧處理法(anaerobictreatment).三、厭氧消化器的類別其它沼氣發(fā)酵工藝66第三節(jié)發(fā)酵工程在環(huán)境保護中應用——污水處理的原理和工藝第三節(jié)發(fā)酵工程在環(huán)境保護中應用——污水處理的原理和工67一、污水處理的基本原理和概念污水處理的概念水體的污染物因稀釋、水解、氧化、光分解和微生物作用具有自凈能力,但水體自凈有一定限度。當污染負荷超過自凈容量時，必須施以人工凈化措施，即污水處理。污水處理的基本原理通過微生物體內(nèi)的氧化、還原、分解、合成等生化作用，把一部分被吸收的有機物轉化為微生物體所需的營養(yǎng)物質、組成新細胞等，另一部分有機物氧化分解為CO2、水等簡單無機物，同時釋放出能量并使污水凈化。一、污水處理的基本原理和概念污水處理的概念68小型污水處理池小型污水處理池69大型污水處理池大型污水處理池70一、污水處理的基本原理和概念污水處理相關概念全需氧量(TOD)也稱理論需氧量，指水中全部有機物被氧化成CO2、水、NO3等無機物過程所消耗氧的計算值?；瘜W需氧量(COD)是用強氧化劑(K2Cr2O7或KMnO4)使污染物氧化所需要的氧量，能被氧化的有機物無機物均包括在內(nèi)。測定結果分別標記CODCr或CODMn。一、污水處理的基本原理和概念污水處理相關概念71一、污水處理的基本原理和概念生化需氧量(BOD)是指微生物在有足夠溶解氧存在條件下分解有機質過程所消耗的氧量。常用為BOD5，即5日生化需氧量，表示在20℃下培養(yǎng)5日，1升水中溶解氧之減少量。污水處理的級別根據(jù)處理對象和深度不同，分為以下三種處理：一級處理主要通過過濾、沉淀等物理方法，去除污水中粗大固形物和部分懸浮物。一、污水處理的基本原理和概念生化需氧量(BOD)是指微生物在72一、污水處理的基本原理和概念二級處理在一級處理的基礎上，主要去除水中的有機物。主要采用生物法處理。三級處理也稱深度處理，采用各種物理化學生物等各種方法使二級處理后的水進一步凈化，各種有機和無機污染物去除率在98％以上。一、污水處理的基本原理和概念二級處理73二、污水的生物處理方法活性污泥法(activatedsludgeprocese)活性污泥(activatedsludge)的概念活性污泥是一種絨絮狀小泥粒，它是由需氧菌為主體的微型生物群體，以及有機性或無機性膠體、懸浮物等組成的一種肉眼可見的細粒。它具有很強的吸附和分解有機質的能力?；钚晕勰喾蠢煤罅啃柩跣晕⑸锏幕钚晕勰?，在強力通氣條件下使污水凈化的生物方法。活性污泥的生物組成細菌類主力軍，主要是革蘭氏陰性好氧化能異養(yǎng)桿菌。二、污水的生物處理方法活性污泥法(activatedslu74二、污水的生物處理方法原生動物次生生物，以纖毛蟲類為主，是污水凈化指示生物。其他生物包括霉菌、放線菌、酵母、病毒、后生動物等。二、污水的生物處理方法原生動物75二、污水的生物處理方法活性污泥的功能吸附、分解代謝、凝聚與沉淀?；钚晕勰嗟闹饕愋蜆藴驶钚晕勰喾?conventionalactivatedsludgeprocese)圖11-11標準活性污泥法示意圖二、污水的生物處理方法活性污泥的功能圖11-11標準活性76二、污水的生物處理方法完全混合式活性污泥法(completelyMixedactivatedsludgeprocese)圖11-12完全混合式活性污泥法示意圖二、污水的生物處理方法完全混合式活性污泥法(complet77二、污水的生物處理方法漸減曝氣法(stepserrationprocese)圖11-13漸減曝氣法示意圖二、污水的生物處理方