第6章城市生活垃圾的厌氧消化处理

第6章城市生活垃圾的厌氧消化处理1第一节厌氧消化原理2一、厌氧消化基本理论•1、概念：厌氧消化，又称沼气发酵或厌氧发酵，是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。3•2、工艺特点•用厌氧发酵法处理城市有机生活垃圾,并产生洁净能源——沼气,为人类提供一种绿色生物能源,具有成本低、环境效益高及可持续发展等特点。•在这个转化过程中,被分解的有机碳化物中的能量大部分储存在甲烷中,仅一小部分有机碳化物氧化成二氧化碳,释放的能量作为微生物生命活动的需要。•新的研究表明,利用城市生活垃圾厌氧消化,可以将其中的有机物转化为氢气,这一研究进一步扩大了厌氧发酵的概念。4•3、优点•（1）产生的沼气可用于发电或作为能源•沼气中的主要成分是甲烷，含量50~75%之间，是一种很好的燃料。5•（2）能量需求大大降低•不需供给氧气，同时还可产生甲烷•每去除1kgCOD好氧生物处理一般需消耗0.5~1.0kW.h电能。•每去除1kgCOD厌氧生物处理约能产生3.5kW.h电能。•（3）对营养物的需求量少•好氧堆肥C:N=20~35:1，而厌氧方法为20~30:1，因此厌氧处理时可以不添加或少添加营养盐6•（4）发酵底物不仅是优质的农作物有机肥料,而且因其富含微生物菌体、氨基酸等活性物质,经加工可作为优良的鱼、鸡等动物饲料。•（5）对于我国的中小城市,由于垃圾中的可燃成分较少、热值低,不易焚烧,所以厌氧消化是一种较为有利的方法。7•4、有机物厌氧发酵过程•厌氧消化(anaerobicdigestion)是指在无分子氧条件下通过厌氧微生物(anaerobicmicrobes)(包括兼氧微生物）的作用，将废水中的各种复杂有机物分解转化成甲烷(methane)和二氧化碳(carbondioxide)等物质的过程。•对于该过程有多种理论解释，最为广泛接受的是三阶段理论。8•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、产氢产乙酸菌、同型产乙酸菌、产甲烷菌。•该理论主要内容如下：910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。11最后，进行甲烷的转化。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。•在产甲烷阶段，通常由两组生理上不同的产甲烷菌完成，一组把氢和二氧化碳转化成甲烷，另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷，前者约占总量的l/3，后者约占2/3。12二、厌氧发酵微生物•1、不产甲烷菌：不直接参与甲烷形成的微生物•包括细菌、真菌、原生动物三大群。•主要作用：•(1)为产甲烷菌提供营养，将大分子有机物分解为简单的小分子有机物，作为产甲烷菌的营养基质。•(2)为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件。•(3)为产甲烷菌消除部分有毒物质，如氧和氧化剂。•(4)和产甲烷菌一起维持发酵环境的pH值。13•2、产甲烷菌：70年代被确认的，能够厌氧代谢产生甲烷。•特点•（1）严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感。•（2）要求中性，偏碱环境条件。•（3）菌体倍增时间较长，有的4-5天才系列繁殖一代。•（4）只能用简单的化合物作为营养•（5）代谢的主要终产物是甲烷、二氧化碳和分子氢。1415Varioustypesofmethanogenicbacteria.Thesphericallyshapedbacteriaareofthemethanosarcinagenus(产甲烷八叠球菌属);thelong,tubularonesaremethanothrixbacteria(产甲烷丝菌属).三、厌氧消化产物•1、主要产物•产物有沼气、沼液和沼渣。•沼气主要成分是甲烷（CH4），此外还有CO2、N2、CO、H2、H2S和极少量的O2。•CH4含量50%~60%，CO2含量30%~35%，热值在23000kJ/m3左右。16•2、沼气及其发酵余物的利用•1）沼气的综合利用•（1）生活燃料；（2）运输工具的动力燃料；（3）发电；（4）化工原料；（5）孵化禽类；（6）蔬菜种植，增产效果显著；（7）贮粮防虫；（8）贮藏水果•2）沼气发酵余物的利用•（1）沼液：速效肥料、饲料添加剂、喂鱼。•（2）沼渣：优质肥料、饲料、培养土、提取维生素等原料。17•3、沼气产量计算•（1）有机物厌氧消化转化为沼气理论计算•1kgC6H12O6完全分解，产沼气约0.75m3.1813224841806126CO3CH3厌氧菌OHC•（2）COD转化为沼气理论计算•实际中常采用COD表示有机物含量，不去测定具体成分，用COD估算更加方便。•1kgCOD完全消化，产生沼气约0.7m3.1910821322192218061266CO66OHOOHC厌氧菌•（3）Buswell和Mualler计算方法20第二节厌氧消化影响因素21一、厌氧条件：绝对厌氧•判断厌氧程度一般用氧化还原电位Eh表示。厌氧条件下，Eh是负值。严格厌氧的甲烷菌要求的Eh为－300～－350mV，而一些兼性产酸的细菌则在Eh为－100～＋100mV就能正常生活。为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼气池，保证沼气池不漏水、漏气。•通常是用一个惰性的铂丝电极与一个标准参考电极同时插入体系中而测得。氧化还原电位受氧分压的影响，氧分压高，氧化还原电位高；氧分压低，氧化还原电位低。22二、温度因素•对厌氧生物及厌氧消化的影响尤为显著。温度变化范围最佳为(±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。23•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%，能满足卫生要求（蛔虫卵的杀灭率在95%以上）]。•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。24温度对厌氧消化过程的影响012340123456782530354045505560产气量（L/L.d）有机物负荷(g/L.d）温度（℃）有机负荷产气量25温度的波动，不仅影响沼气产量，还影响沼气中甲烷的含量，尤其高温消化对温度变化更为敏感。26厌氧消化最佳温度50~53℃——高温菌（高温消化）30~36℃——中温菌（中温消化）取舍：①高温消化（10~15d）的反应速率为中温消化（20~30d）的1.5~1.9倍，但甲烷在气体中占比例低。消化不彻底。②中温消化对寄生虫卵及大肠菌群杀灭率低；而高温消化几乎可杀死全部病原菌和大肠菌群。③高温消化需较多的能量，不经济。温度对厌氧消化的影响三、pH值•每种微生物可在一定的pH值范围内活动，产酸细菌对酸碱度不及甲烷细菌敏感，其适宜的pH值范围较广，在4.5-8.0之间。产甲烷菌要求环境介质pH值在中性附近，最适宜pH值为pH6.8-7.4较为适宜。•pH主要取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡，取决于挥发酸、碱度、二氧化碳、氨氮、氢之间的平衡。pH值变化过大时，微生物自我调节功能不起作用时，可通过投加石灰或调整原料碳氮比来进行调节。27•在实际运转过程中，因为酸性发酵，有机酸的形成和积累，pH值可降到6以下，以后随着有机酸和溶解性含氮化合物的分解，产生氨，pH升至6.5~6.8左右，但此时厌氧处理的效果已显著下降，甚至停止产气。所以，在实际中，对有机酸的控制更为重要。28四、营养物质•厌氧消化过程本质上是微生物的培养繁殖过程，待消化的有机废物是微生物的营养物质。营养物质的种类和数量非常重要。•C/N比尤为重要（20～30）：1•磷（主要是磷酸盐）含量一般要求为有机物的千分之一为好。•如：消化富碳、贫氮的作物秸秆如稻草、麦秸和玉米秸时通过添加含氮量较高的人畜粪便，可以调节。29五、接种物质•直接影响沼气的产生。•微生物的种类和数量不够时，可添加含有丰富厌氧微生物的活性污泥或发酵液。30六、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。•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。31七、搅拌混合•对厌氧反应器进行搅拌，可以使池内温度均匀，使微生物与发酵原料充分接触，加快发酵速度，提高沼气量。因此，搅拌对垃圾厌氧消化影响很大，不仅可以缩短反应周期，提高产气率，还可以提高沼气中甲烷含量，提高垃圾中有机碳利用率。•实验证明,搅拌有利于提高沼气发酵物料中的细菌含量。沼气池主要微生物种群的垂直分布，经搅拌的沼气池各层产甲烷菌比静态高出10～100倍。沼气池在不搅拌的情况下，发酵料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层,严重影响发酵效果。32第三节厌氧发酵反应器与工艺33一、发酵工艺•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。34•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。工艺易于控制，能保持稳定的有机物消化速率和产气率，但该工艺要求较低的原形固体废物浓度。•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。农村较适用。•批量发酵（间歇反应）：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。35•3、根据原料的物理状况分：液体发酵（固体含量在10%以下）、固体发酵（固体含量20%左右）和高浓度发酵（介于液体发酵和固体发酵之间，总固体含量15%~20%）；•4、根据发酵装置类型：传统消化器、厌氧接触消化、上流式厌氧污泥床、厌氧流化床、厌氧生物转盘、管道式消化器、折流式消化器36二、厌氧发酵反应器•1、常规消化反应器（CD)•2、连续搅拌式反应器(CSTR)•3、推流式反应器(PFR)•4、折流式反应器(BFF)•5、上流式厌氧污泥床反应器（UASB）•6、两相厌氧消化法•7、干发酵371、常规消化反应器工作示意图38进料出料沼气排泥浮渣层上清液层活性层沉渣层多于常温条件下运行：①水压式沼气池②改进的有分离浮罩式和连续搅拌式。消化效率低•（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，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。合并发酵与贮气于同一空间，下部为发酵间，上部为贮气间。•优点：结构较简单，造价低，施工方便。39•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。4041•（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。随着沼气压力变化，气罩便沿水池内壁的导向轨道上升或下降，直至平衡为止。42•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