固体废物处理与处置(厌氧发酵)概要.ppt

* 12班第12次课进度 * 34班第12次课进度 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) + n H2O = 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+3CO2 ②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/N C/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