环境课件】4章固体废物资源化技术 第2节 固体废物的生物处理技术（厌氧发酵）.ppt

四、生物转化技术——沼气发酵 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。 （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 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。 （四）、影响发酵的环境条件 (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。 (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。 （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