固體廢物處理與處置厭氧發(fā)酵

固體廢物處理與處置厭氧發(fā)酵第1頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四固體廢物的厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵：通過厭氧微生物的生物轉(zhuǎn)化作用，將固體廢物中大部分可生物降解的有機(jī)物質(zhì)分解，轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品——沼氣的過程，或稱厭氧消化，沼氣發(fā)酵。微生物生理學(xué)定義：在沒有外加氧化劑的條件下，被分解的有機(jī)物作為還原劑被氧化，而另一部分有機(jī)物作為氧化劑被還原的生物學(xué)過程。沼氣的成分：主要為CH4,55～70％和CO2,25～40％。此外還有總量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、PH3、碳?xì)浠衔?CmHn)等。（一）基本概念第2頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（二）厭氧發(fā)酵的有機(jī)物分解代謝過程1、碳水化合物的分解代謝一般的碳水化合物包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、糖類、淀粉和果膠質(zhì)等。①纖維素的分解纖維素酶可以把纖維素水解成葡萄糖，反應(yīng)式為：

(C6H10O5)n(纖維素)+nH2O=nC6H12O6(葡萄糖)葡萄糖經(jīng)細(xì)菌的作用繼續(xù)降解成丁酸、乙酸，最后生成甲烷和二氧化碳等氣體?？偟漠a(chǎn)氣過程可用下述的綜合表達(dá)式表達(dá)：

C6H12O6=3CH4+3CO2②糖類的分解先由多糖分解為單糖，然后是葡萄糖的酵解過程，與上述相同。第3頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四2、類脂化合物的分解代謝

類脂化合物（脂肪、磷脂、游離脂肪酸、蠟酯、油脂），含量很低。主要水解產(chǎn)物是脂肪酸和甘油。甘油轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视椭?，進(jìn)而生成丙酮酸。在沼氣菌的作用下，丙酮酸被分解成乙酸，然后形成甲烷和二氧化碳。3、蛋白質(zhì)類的分解代謝這類化合物主要是含氮的蛋白質(zhì)化合物，在厭氧發(fā)酵原料中占有一定的比例。在農(nóng)家污水和豬圈廢物中，蛋白質(zhì)的含量最高可達(dá)20%。它們的分解過程是在細(xì)菌的作用下水解成多肽和氨基酸。其中的一部分氨基酸繼續(xù)水解成硫醇、胺、苯酚、硫化氫和氮；另一部分分解成有機(jī)酸、醇等其他化合物，最后生成甲烷和二氧化碳；還有一些氨基酸作為產(chǎn)沼細(xì)菌的養(yǎng)分形成菌體。第4頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（三）厭氧發(fā)酵的過程首先，不溶性大分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、脂肪等）經(jīng)水解酶的作用，在溶液中分解為水溶性的小分子有機(jī)物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。隨之，這些水解產(chǎn)物被發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，將代謝產(chǎn)物排出體外，由于發(fā)酵細(xì)菌種群不一，代謝途徑各異，故代謝產(chǎn)物也各不相同。第5頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四眾多的代謝產(chǎn)物中，僅無機(jī)的CO2和H2及有機(jī)的“三甲一乙”（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被產(chǎn)甲烷細(xì)菌吸收利用，轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。其它眾多的代謝產(chǎn)物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有機(jī)酸，以及乙醇、丙酮等有機(jī)物質(zhì)）不能為產(chǎn)甲烷細(xì)菌直接利用。它們必須經(jīng)過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，才能被甲烷細(xì)菌吸收利用，并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。第6頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四1、兩階段理論將厭氧發(fā)酵分為產(chǎn)酸（酸性發(fā)酵）和產(chǎn)氣（堿性發(fā)酵）兩個階段，相應(yīng)起作用的微生物分為產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌。2、三階段理論

1979年由布賴恩提出，將厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段。起作用的細(xì)菌分別稱為發(fā)酵細(xì)菌、醋酸分解菌、甲烷細(xì)菌。第7頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四3、四階段理論①水解階段：復(fù)雜有機(jī)物(纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪)被發(fā)酵細(xì)菌分泌的水解酶（胞外酶）

(纖維素酶、纖維二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解為水溶性簡單化合物。限制整個過程速度。④甲烷化階段：乙酸和H2被甲烷細(xì)菌(乙酸分解甲烷細(xì)菌和H2氧化甲烷細(xì)菌)利用生成甲烷。②發(fā)酵酸化階段：發(fā)酵細(xì)菌對水解產(chǎn)物進(jìn)行胞內(nèi)代謝，主要產(chǎn)生有機(jī)酸和醇類（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），還有CO2、NH3、H2S、H2。③產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段(厭氧氧化階段):專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將上階段產(chǎn)生的有機(jī)酸和醇類生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸細(xì)菌將H2和

CO2合成乙酸。第8頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四(1)溫度因素：隨著溫度升高有機(jī)物分解速度加快，產(chǎn)氣量增大。溫度變化范圍為(±1.5～2.0)℃。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1~1.3m3/(m3·d)；發(fā)酵時間20d，衛(wèi)生化低。③高溫發(fā)酵：53℃，產(chǎn)氣量約3.0~4.0m3/(m3.d)；發(fā)酵時間10d，衛(wèi)生化高。[對寄生蟲卵的殺滅率較可達(dá)99%，大腸菌指數(shù)可達(dá)10～100，能滿足衛(wèi)生要求（蛔蟲卵的殺滅率在95%以上，大腸菌指數(shù)10～100）]。當(dāng)有±3℃的變化時，就會抑制發(fā)酵速率，有±5℃的急劇變化時，就會突然停止產(chǎn)氣，使有機(jī)酸大量積累而破壞厭氧發(fā)酵。（四）、影響發(fā)酵的環(huán)境條件第9頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四(2)發(fā)酵細(xì)菌的營養(yǎng)及C/N

C/N在(10~20):1為宜，太高，細(xì)胞氮量不足，系統(tǒng)的緩沖能力低，pH值易降低；太低，氮量過多，pH值可能上升，銨鹽容易積累，會抑制發(fā)酵進(jìn)程。(3)混合均勻程度厭氧發(fā)酵是由細(xì)菌體的內(nèi)酶和外酶與底物進(jìn)行的接觸反應(yīng)。因此必須使兩者充分混合。對于液態(tài)發(fā)酵用充液攪拌法；對于固態(tài)或半固態(tài)用充氣攪拌法和機(jī)械攪拌法等。第10頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（4）有毒物質(zhì)①重金屬離子對甲烷發(fā)酵的抑制－使酶發(fā)生變性或者沉淀。與酶結(jié)合產(chǎn)生變性；與氫氧化物使酶沉淀。②陰離子的毒害：主要是S2-，來源：無機(jī)硫酸鹽還原；蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。③氨的毒害：[NH4+]>150mg/L，發(fā)酵受抑制。物質(zhì)濃度毒域濃度界限/(mol/L)堿金屬和堿土金屬Ca2+，Mg2+，Na+，K+10―1～10+6重金屬Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，F(xiàn)e2+10―5～10―3H+和OH―10―6～10―4胺類10―5～100有機(jī)物質(zhì)10―6～100第11頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（5）酸堿度、pH值和發(fā)酵液的緩沖作用水解、發(fā)酵菌及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對pH值的適應(yīng)范圍大致為5~6.5

，而甲烷菌對pH值的適應(yīng)范圍為6.6~7.5之間。發(fā)酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一定的緩沖性。堿度指沼氣發(fā)酵液結(jié)合H+的能力，是衡量發(fā)酵體系緩沖能力的尺度，由碳酸鹽(CO32-)、重碳酸鹽(HCO3-)、部分氫氧化物(HO-)組成，應(yīng)在2000mg/L以上。（6）不同發(fā)酵基質(zhì)上生長的發(fā)酵菌群種群不同第12頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四(五)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)備1、傳統(tǒng)的發(fā)酵系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐是核心，附屬設(shè)備有氣壓表、導(dǎo)氣管、出料機(jī)、預(yù)處理裝置、攪拌器、加熱管等。（2）工作原理物料從上部或頂部投入池內(nèi)，經(jīng)與池中原有的厭氧活性污泥混合接觸后，通過厭氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污泥或廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以甲烷和二氧化碳為主的氣態(tài)產(chǎn)物——生物氣（即沼氣）。第13頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（3）常用類型(5種)

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，容積為6m3、8m3、10m3、12m3；池頂有活動蓋板。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)氣管等幾個部分。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單，造價低，施工方便。缺點(diǎn)：氣壓不穩(wěn)定，對產(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0.1~0.15m3/m3.d]，對防滲措施的要求較高給燃燒器的設(shè)計帶來一定困難。第14頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四②立式圓形浮罩式沼氣池

將發(fā)酵間與貯氣間分開，產(chǎn)生的沼氣由浮沉式的氣罩貯存起來。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。當(dāng)沼氣壓力大于氣罩重量時，氣罩便沿水池內(nèi)壁的導(dǎo)向軌道上升，直至平衡為止。當(dāng)用氣時，罩內(nèi)氣壓下降，氣罩也隨之下沉。特點(diǎn)：將發(fā)酵間與貯氣間分開，具有壓力低、發(fā)酵好、產(chǎn)氣多等優(yōu)點(diǎn)。頂浮罩式沼氣貯氣池造價比較低，但氣壓不夠穩(wěn)定。側(cè)浮罩式沼氣貯氣池氣壓穩(wěn)定，比較適合發(fā)酵工藝的要求，但對材料要求比較高，造價昂貴。第15頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四③立式圓形半埋式沼氣發(fā)酵池組城市糞便沼氣發(fā)酵多用發(fā)酵池組。一般采用浮罩式貯氣，單池深度4m，直徑5m，為鋼筋混凝土構(gòu)筑物，埋入土內(nèi)1.3m，發(fā)酵池上安裝薄鋼浮罩，內(nèi)壁用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂作防腐處理，外涂防銹漆。發(fā)酵池內(nèi)密封性好，總儲糞容積為340m3。第16頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四④長方形（或方形）發(fā)酵池由發(fā)酵室、氣體貯藏室、儲水庫、進(jìn)料口和出料口、攪拌器、導(dǎo)氣喇叭口等部分組成。儲水庫的主要作用是調(diào)節(jié)氣體貯藏室的壓力。若室內(nèi)氣壓很高時，就可將發(fā)酵室內(nèi)經(jīng)發(fā)酵的廢液通過進(jìn)料間的通水穴，壓入貯水庫內(nèi)。反之，若氣體貯藏室內(nèi)壓力不足時，貯水庫中的水由于自重便流入發(fā)酵室，就這樣通過水量調(diào)節(jié)氣體貯藏的空間，使氣壓相對穩(wěn)定，保證供氣。⑤聯(lián)合沼氣池第17頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四2、沼氣發(fā)酵池的管理（1）裝料：預(yù)先在池底鋪一層熟污泥。（2）攪拌：每日三、四次，不使物料下沉。（3）溫度：50~60℃，并保溫。（4）供料：每日加入適當(dāng)數(shù)量的原料。（5）水分：應(yīng)保持相對穩(wěn)定。（6）pH值：應(yīng)取樣分析并調(diào)節(jié)。（7）沼氣：初產(chǎn)沼氣不純，應(yīng)放掉，直到所產(chǎn)沼氣燃燒不熄為止。第18頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四3、現(xiàn)代大型工業(yè)化沼氣發(fā)酵設(shè)備（1）常見幾種類型的發(fā)酵罐①歐美型(Anglo-Americanshape)；d/H>1，頂部具有浮罩，頂部和底部都有小的坡度，由四周向中心凹陷，形成一個小錐體。②古典型(Classicalshape)；中間是一個d/H=1的圓桶，上下兩頭均為圓錐體。底部錐體的傾斜度為1.0~1.7，頂部為0.6~1.0。有助于發(fā)酵污泥處于均勻、完全循環(huán)的狀態(tài)。第19頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四③蛋型（Eggshapedigester）特點(diǎn)：①發(fā)酵罐兩端的錐體與中部罐體結(jié)合時是光滑的，逐步過渡的。②底部錐體比較陡峭，反應(yīng)污泥與罐壁的接觸面積比較小。有利于發(fā)酵污泥完全徹底的循環(huán)，不會形成循環(huán)死角。④歐洲平底型（Europeanplainshape）介于歐美型和古典型之間。施工費(fèi)用比古典型低，直徑與高度的比值比歐美型合理，在污泥循環(huán)設(shè)備方面，選擇余地小。第20頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（2）循環(huán)系統(tǒng)攪拌設(shè)備（stiringdevice）①機(jī)械攪拌：泵攪拌：用泵將消化污泥從池底抽出，加壓后送至浮渣層表面或消化池不同部位進(jìn)行循環(huán)攪拌。一般只適用于小型消化池。螺旋槳攪拌：在一個豎向?qū)Я鞴苤邪惭b螺旋槳。水射器攪拌：水射器也稱噴射泵。一般設(shè)置在池中心，用水泵將消化池底部的污泥抽出后壓入水射器的噴嘴，當(dāng)污泥射入水射器的喉管時，形成很大的負(fù)壓，將消化池內(nèi)液面的消化液吸入，通過擴(kuò)散管從池子下部排出形成一個循環(huán)攪拌。第21頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四②沼氣攪拌：氣提式攪拌：將沼氣壓入設(shè)在消化池的導(dǎo)流管中部或底部，使沼氣與消化液混合，含氣泡的污泥即沿導(dǎo)流管上升，起提升作用，使池內(nèi)消化液不斷循環(huán)攪拌。豎管式攪拌：在池內(nèi)均勻布置若干根豎管，經(jīng)過加壓的沼氣通過配器總管分配到各根豎管，從下端吹出，起攪拌作用。第22頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四氣體擴(kuò)散式攪拌：經(jīng)過壓縮的沼氣通過氣體擴(kuò)散器與消化池內(nèi)的污泥混合。射流器抽吸沼氣攪拌：用污泥泵從消化池直筒壁高的2/3處抽吸污泥，經(jīng)過射流器抽吸池頂?shù)恼託?，然后將混合污泥與沼氣射入消化池底部進(jìn)行攪拌。第23頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四③充液攪拌從厭氧池的出料間將發(fā)酵液抽出，然后從加料管加入?yún)捬醭貎?nèi)，產(chǎn)生較強(qiáng)的液體回流，達(dá)到攪拌的目的。第24頁，共27頁，2023年，2月20日，星期四（六）厭氧發(fā)酵工藝包括從發(fā)酵原料到生產(chǎn)沼氣的整個過程所采用的技術(shù)和方法。原料的收集和預(yù)處理；接種物的選擇和富集；沼氣發(fā)酵裝置形狀