厌氧消化原理

固体废物处理与资源化环境工程专业必修课程TreatmentandDisposalofSolidWasteCopyrightWuhanUniversity2015第8章有机废物厌氧消化处理技术CopyrightWuhanUniversity2015第一节概述CopyrightWuhanUniversity20158.1概述厌氧消化（anaerobicdigestion）：在厌氧微生物作用下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。又称甲烷发酵。有机固体废弃物厌氧处置过程中产生的沼气可作为绿色燃料，故对该处理过程中产生沼气的合理高效利用在实现新能源开发利用的同时，在很大程度上将减少温室气体的排放。生物沼气在欧盟国家便实现了产业化和商品化，如2009年德国沼气发电产能达15,97MW，超过水电仅次于风电。DigestionplantsdistributionintheEUcountries•ProductionanduseofbiogasinEurope:asurveyofcurrentstatusandperspectives(June2014)CopyrightWuhanUniversity2015WhatisaSepticTank?•ASepticTankisalivingthing.•Thebacteriapresentinthetankfeedonthewaste,transformingitintogas,carbondioxideandwater.Thisiscalledthepre-treatment.•Thesecondstageistotreatthewastecomingoutoftheseptictankwhichcontainsalargenumberofgermsandpathogens.Thisisachievedbyusingafiltrationsystem.Thissystemwillbechosenafterasoiltesthasbeendone.Thisiscalled'thetreatment'.TheinventionoftheseptictankisattributedtoaFrenchmannamedJean-LouisMouraswhoisbelievedtohavebuiltthefirstseptictankinVesoulin1860everydayuseoftheseptictankinFrancedatesbackto1881.CopyrightWuhanUniversity2015厌氧消化技术特点1.可以将潜在于废弃有机物中的低品位生物能转化为可以直接利用的高品位沼气；2.与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；3.适于处理高浓度有机废水和废物；4.经厌氧消化后的废物基本得到稳定，可以用作农肥、饲料或堆肥化原料；5.厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；6.厌氧过程会产生H2S等恶臭气体。CopyrightWuhanUniversity2015本章内容学习内容：主要介绍厌氧发酵的作用机理、基本反应过程和有机废物生物降解的处理方法。厌氧消化技术原理技术关键－影响因素工艺与反应器学习要求：掌握有机废物厌氧消化的三阶段理论，了解沼气发酵产气量的计算方法，理解外部因素对厌氧消化过程的作用机理，熟悉一般厌氧消化器工艺与设备。CopyrightWuhanUniversity2015第二节厌氧消化原理及其影响因素CopyrightWuhanUniversity2015一、厌氧消化原理厌氧消化是有机物在无氧条件下被微生物分解、转化成甲烷和二氧化碳等，并合成自身细胞物质的生物学过程。厌氧消化中生物反应具有多步骤性，而且有许多种微生物参与。厌氧消化实际上是一个具有不同功能的不同种微生物,在厌氧消化这样一个生态环境中共同生存、相互依赖、相互制约的生态平衡系统。Acidogens:(1)Shortandlongrod-shapedbacteria,(2)diplococcusinchains(probablyStreptococcus-likebacteria)and(3)filamentousbacilli.产生挥发性脂肪酸的微生物Methanogens:(1)Methanosarcinasp.;(2)filamentousmicroorganismsmorphologicallysimilartoMethanospirillumsp.;(3)comma-shapedmicroorganismsresemblingDesulphovibriosp.消耗挥发性脂肪酸产生甲烷的微生物CopyrightWuhanUniversity2015三阶段理论有机物碳水化合物、蛋白质、脂肪等氨基酸、糖类有机酸乙酸氢气甲烷、二氧化碳等Step1:水解发酵Step2:产氢产乙酸Step3:甲烷化CopyrightWuhanUniversity2015M.P.Bryant.MicrobialMethaneProduction--TheoreticalAspects.JANIMSCI.January1979vol.48no.1:193-201.CopyrightWuhanUniversity2015第I阶段——水解发酵阶段水解是复杂的非溶解性聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。高分子有机物首先在细胞外酶的水解作用下转变为小分子物质，这些小分子的水解产物能溶解于水，并能透过细胞膜，被细菌所利用。纤维素/多糖纤维二糖、葡萄糖淀粉麦芽糖、葡萄糖蛋白质多肽、氨基酸纤维素酶淀粉酶蛋白酶CopyrightWuhanUniversity2015第I阶段——水解发酵阶段发酵是有机物既作为电子受体也作为电子供体的生物降解过程。水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单地以挥发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。这一阶段的末端产物主要有挥发性脂肪酸、醇、乳酸、二氧化碳、氢气、氨、硫化氢等。与此发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞质。酸性发酵期（水解酸化阶段的前期）碳水化合物的分解产酸作用强于蛋白质分解作用产生大量的有机酸，pH5.0碱性发酵期（酸性减退期）即蛋白质分解产氨的过程有机酸及含Ｎ有机物开始分解，生成氨、胺、碳酸盐等碱性物质pH为6.6~6.8，同时放出H2SCopyrightWuhanUniversity2015第II阶段——产氢产乙酸阶段在产氢、产乙酸菌的作用下，把第一阶段水解发酵的末端产物进一步转化成氢、二氧化碳和乙酸等。丙酸CH3CH2COOH+6H2OCH3COOH+6H2丁酸CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH+2H2乳酸CH3CHOHCOOH+2H2OCH3COOH+CO2+2H2CopyrightWuhanUniversity2015第III阶段——产甲烷阶段通过两组不同的产甲烷菌作用，将乙酸、H2和碳酸、甲酸等转化为CH4、CO2和新的细胞质一类从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷（70%）另一类利用H2还原CO2成甲烷（30%）甲烷八叠球菌甲烷丝菌4H2+CO2CH4+2H2O4HCOOHCH4+3CO2＋2H2OCH3COOHCH4+CO2CH3COONH4CH4+NH4HCO3CopyrightWuhanUniversity2015二、厌氧消化产物（产量计算）沼气：厌氧条件下经微生物的发酵作用生成的一种以甲烷为主体的可燃性混合气体，主要成分为CH4(50-65%%)、CO2(30-35%)、H2、N2、CO、H2S、NH3(odor)每m3人工沼气的发热量为23000kJ左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量，能发电1.25度。CopyrightWuhanUniversity2015按有机物厌氧消化转化为沼气的理论计算方法假定不考虑厌氧菌的细胞合成，只考虑异化反应C6H12O6→3CH4+3CO21kgC6H12O6被完全分解时产生0.267kgCH4和0.733kgCO2，标准条件下产生747.04L，约0.75m3沼气有机物种类成分（质量分数%）产气量（m3/kg）CH4CO2CH4沼气糖类27730.3750.75脂类48521.041.44蛋白质27730.490.98CopyrightWuhanUniversity2015COD转化为沼气的理论计算方法用COD代表有机物的总量，表征厌氧消化的反应产物。1kgCOD厌氧消化后产生的CH4质量为0.25kg，在标准状况下，体积为350L，同时产生350LCO2。因此1kgCOD完全厌氧消化后总沼气量约为750L，即0.75m3。CopyrightWuhanUniversity2015Buswell&Mueller(1952)有机物厌氧发酵过程的化学反应通式（8-8）可表达为：＋能量234283482834824324COdbandNHCHdbanOHdbanNOHCdban以葡萄糖为例,则有：2426126468123468123264126COCHOHOHC24612633COCHOHC对于不含氮的有机物的反应通过为：CopyrightWuhanUniversity2015Boyle(1976):Boyle,W.C.(1977):EnergyRecoveryfromSanitaryLandfills.Conversion.Editedby:H.G.Schlegel&J.Barnea,119–138.BoylemodifiedthechemicalreactionofBuswell&Mueller(1952)andincludednitrogenandsulphurtoobtainthefractionofammoniaandhydrogensulphurintheproducedbiogas:CopyrightWuhanUniversity2015CopyrightWuhanUniversity2015产甲烷菌的共同特征----影响因素生长缓慢。如甲烷八叠球菌在乙酸上生长其倍增时间为1-2天，甲烷菌丝倍增时间为4-9天。严格厌氧。对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡。只能利用少数简单的化合物作为营养。要求在中性偏碱和适宜温度环境条件。代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。CopyrightWuhanUniversity2015(1)发酵原料：产气量与产气速率发酵原料产气速率(%)产气量m3/kg发酵天数10d20d30d40d60d玉米秸75.990.796.398.11000.50麦秸48.271.885.991.81000.45稻草46.269.284.691.01000.40野草75.093.597.898.91000.44猪粪74.286.397.698.01000.42人粪40.781.594.198.21000.43牛粪34.474.686.292.71000.30CopyrightWuhanUniversity2015(2)温度有机垃圾厌氧生物降解过程受到温度和温度波动的影响。有研究表明，厌氧生物比好氧生物对温度的变化更为敏感，产甲烷细菌比产酸细菌对温度的变化更为敏感。因此，在厌氧生物反应器的运行过程中，对于反应温度进行控制显得更为重要，其波动范围一般一天不宜超过±2℃，当有±3℃的变化时，就会抑制消化速度，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消化。•Veeken等研究了中温下生物垃圾中六种成分的水解和生物降解速率，一级反应速率常数在20℃时为0.03～0.15d-1，在40℃为0.24～0.47d-1。•Ahring等通过研究发现介于