固体废物处理与处置(厌氧发酵)

第五章固体废物的生物处理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。微生物生理学定义：在没有外加氧化剂的条件下，被分解的有机物作为还原剂被氧化，而另一部分有机物作为氧化剂被还原的生物学过程。沼气的成分：主要为CH4,55～70％和CO2,25～40％。此外还有总量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH2、PH3、碳氢化合物(CmHn)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。①纤维素的分解纤维素酶可以把纤维素水解成葡萄糖，反应式为：(C6H10O5)n(纤维素)+nH2O=nC6H12O6(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：C6H12O6=3CH4+3CO2②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、蜡酯、油脂），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，然后形成甲烷和二氧化碳。3、蛋白质类的分解代谢这类化合物主要是含氮的蛋白质化合物，在厌氧发酵原料中占有一定的比例。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形成菌体。（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CO2和H2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、三阶段理论1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵依次分为液化、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。3、四阶段理论①水解阶段：复杂有机物(纤维素、淀粉、蛋白质、脂肪)被发酵细菌分泌的水解酶（胞外酶）(纤维素酶、纤维二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解为水溶性简单化合物。限制整个过程速度。④甲烷化阶段：乙酸和H2被甲烷细菌(乙酸分解甲烷细菌和H2氧化甲烷细菌)利用生成甲烷。②发酵酸化阶段：发酵细菌对水解产物进行胞内代谢，主要产生有机酸和醇类（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），还有CO2、NH3、H2S、H2。③产氢产乙酸阶段(厌氧氧化阶段):专性厌氧的产氢产乙酸细菌将上阶段产生的有机酸和醇类生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸细菌将H2和CO2合成乙酸。(1)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)℃。①低温发酵：低于20℃，产气量低，受气候影响大，不加料情况下35d。②中温发酵：37℃，产气量约1~1.3m3/(m3·d)；发酵时间20d，卫生化低。③高温发酵：53℃，产气量约3.0~4.0m3/(m3.d)；发酵时间10d，卫生化高。[对寄生虫卵的杀灭率较可达99%，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(2)发酵细菌的营养及C/NC/N在(10~20):1为宜，太高，细胞氮量不足，系统的缓冲能力低，pH值易降低；太低，氮量过多，pH值可能上升，铵盐容易积累，会抑制发酵进程。(3)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。（4）有毒物质①重金属离子对甲烷发酵的抑制－使酶发生变性或者沉淀。与酶结合产生变性；与氢氧化物使酶沉淀。②阴离子的毒害：主要是S2-，来源：无机硫酸盐还原；蛋白质分解释放出S2-。③氨的毒害：[NH4+]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Ca2+，Mg2+，Na+，K+10―1～10+6重金属Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，Fe2+10―5～10―3H+和OH―10―6～10―4胺类10―5～100有机物质10―6～100（5）酸碱度、pH值和发酵液的缓冲作用水解、发酵菌及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为5~6.5，而甲烷菌对pH值的适应范围为6.6~7.5之间。发酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一定的缓冲性。碱度指沼气发酵液结合H+的能力，是衡量发酵体系缓冲能力的尺度，由碳酸盐(CO32-)、重碳酸盐(HCO3-)、部分氢氧化物(HO-)组成，应在2000mg/L以上。（6）不同发酵基质上生长的发酵菌群种群不同(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(5种)①立式圆形水压式沼气池发酵间为圆形，两侧带有进出料口，容积为6m3、8m3、10m3、12m3；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/m3.d]，对防渗措施的要求较高给燃烧器的设计带来一定困难。②立式圆形浮罩式沼气池将发酵间与贮气间分开，产生的沼气由浮沉式的气罩贮存起来。气罩可直接安装在沼气发酵池顶，也可安装在沼气发酵池侧。浮沉式气罩由水封池和气罩两部分组成。当沼气压力大于气罩重量时，气罩便沿水池内壁的导向轨道上升，直至平衡为止。当用气时，罩内气压下降，气罩也随之下沉。特点：将发酵间与贮气间分开，具有压力低、发酵好、产气多等优点。顶浮罩式沼气贮气池造价比较低，但气压不够稳定。侧浮罩式沼气贮气池气压稳定，比较适合发酵工艺的要求，但对材料要求比较高，造价昂贵。③立式圆形半埋式沼气发酵池组城市粪便沼气发酵多用发酵池组。一般采用浮罩式贮气，单池深度4m，直径5m，为钢筋混凝土构筑物，埋入土内1.3m，发酵池上安装薄钢浮罩，内壁用玻璃纤维和环氧树脂作防腐处理，外涂防锈漆。发酵池内密封性好，总储粪容积为340m3。④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。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。⑤联合沼气池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：50~60℃，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①欧美型(Anglo-Americanshape)；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。②古典型(Classicalshape)；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1.0~1.7，顶部为0.6~1.0。有助于发酵污泥处于均匀、完全循环的状态。③蛋型（Eggshapedigester）特点：①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。②底部锥体比较陡峭，反应污泥与罐壁的接触面积比较小。有利于发酵污泥完全彻底的循环，不会形成循环死角。④欧洲平底型（Europeanplainshape）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（stiringdevice）①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。②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。气体扩散式搅拌：经过压缩的沼气通过气体扩散器与消化池内的污泥混合。射流器抽吸沼气搅拌：用污泥泵从消化池直筒壁高的2/3处抽吸污泥，经过射流器抽吸池顶的沼气，然后将混合污泥与沼气射入消化池底部进行搅拌。③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