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1、7.4 固体废物堆肥及厌氧发酵l l4.4 其它影响因素分析l l（1）有机质含量l有机质含量高低影响堆料温度与通风供氧要求。如有机质含量过低，分解产生的热量将不足以维持堆肥所需要温度，影响无害化处理，且产生的堆肥成品由于肥效低而影响其使用价值。如果有机质含量过高，则给通风供氧带来困难，有可能产生厌氧状态，研究表明堆料最适合的有机含量为2080%之间。l l（2 2）颗粒度）颗粒度l堆肥化所需要的氧气是通过堆肥原料颗粒空隙供给的。空隙率及空隙的大小取决于颗粒大小及结构强度，象纸张、动植物、纤维织物等，遇水受压时密度会提高颗粒间空隙大大缩小，不利于通风供氧。l因此，对堆肥原料颗粒尺寸应有一定要求
2、，物料颗粒的平均适宜粒度为1260mm，最佳粒径随垃圾物理特性而变 化，其 中：纸 张、纸 板 等 破 碎 粒 度 尺 寸 要 在3.85.0cm之间；材质比较坚硬的废物粒度要求小些，在0.51.0cm之间；以厨房食品垃圾为主废物，其破碎尺寸要求大一些，以免碎成浆状物料，妨碍好氧发酵。l此外，决定垃圾粒径大小时，还应从经济方面考虑，因为破碎得越细小，动力消耗越大，处理垃圾的费用就会增加。l l（3）C/N比l在堆肥化过程中，微生物将作为能源，大量的碳在微生物代谢过程中，由于氧化作用生成二氧化碳而排出，一部分碳则构成细胞膜。氮主要消耗在原生质合成作用而留于系统内。故就微生物对营养的需要而言，C/
3、N比是一个重要因素。l有机物被微生物分解速度随C/N而变。微生物自身的C/N比约430，用作其营养的有机物C/N比最好也在此数值范围内，特别当C/N比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。当原料的C/N比为20，3050，78时，其对应所需的堆肥化时间约分别为912d，1019d及21d。（当C/N在80以上时，堆肥化无法进行）。l各堆肥原料的C/N比如下：锯末屑3001000，秸杆70100，垃圾5080，人粪610，牛粪826，猪粪715，鸡粪510，下水生污泥515，活性污泥58。因此，当用秸杆，垃圾进行堆肥时，需添加低C/N比废物或加入氮肥，以使C/N比调整到30以下。l在发酵后C
4、/N一般会减少1020%甚至更多，如成品堆肥的C/N过高，往土中施肥时，农作物可利用氮会过少而致微生物陷于氮饥饿状态，直接或间接影响和阻碍农作物的生长发育。故应以成品堆肥C/N为1020作标准来确定和调整原料的C/N比，一般认为城市固体废物堆肥原料，最佳C/N在2635：1。l l（4）碳磷比（C/P比）l碳和氮对营养微生物的繁殖是必要的。此外，磷也是非常重要的因素，磷的含量对发酵起很大影响。有时，在垃圾发酵时，添加污泥，其原因之一就是污泥含有丰富的磷。堆肥料适宜的C/P比为75150。l l（5）pH值l是能对细菌环境作出估价的参数。在消化过程中pH值随着时间和温度的变化而变化，也是揭示堆肥
5、分解过程的一个极好标志。适宜的pH值可使微生物有效地发挥作用，而pH太高或太低都会影响堆肥的效率。一般认为pH值在7.58.5时，可获得最大堆肥速率。l对固体废物堆肥化一般不必调整pH值，因为微生物可在较大的pH值范围内繁殖。但是当用石灰含量高的真空滤饼及加压脱水滤饼作原料时，因pH值偏高，有的高达12，故需先在露天堆积一段时间或掺入其他堆肥以降低pH值。pH值过高时（如超过8.5）氮会形成氨而使堆肥中氮损耗。l4.5 废物堆肥化设备及工艺系统l废物堆肥化按设备流程包括下述系统：进料供料设备预处理设备一次发酵设备二次发酵设备后处理设备产品细加工设备。l（1）供料进料设备l固体废物的进料和供料系
6、统是由地磅秤、贮料仓、进料斗以及起重机等组成。l堆肥化系统的预处理设备是由破包机、撕碎机、筛选机以及混合搅拌机械等组成。l经过预处理后的垃圾被送到一次发酵设备中，使发酵过程控制在适当的条件下，并使物料基本达到无害化的结果。然后，送到熟化设备即二次发酵设备中，使垃圾完全发酵腐熟。之后又通过后续处理设备对堆肥作更细致的筛选，除去杂质。必要时可采用洪干造粒，或添加化肥，制成高效复合肥等深度加工处理设备。l另外，整个生产系统，还须由排出臭气的脱臭装置，污水的收集排出与处理装置，电力供应设备，控制仪器设备等组合而成。l l（2）堆 肥化设备l堆肥发酵装置种类繁多，除了结构型式不同外，主要差别在于搅拌发酵
7、物料的翻堆机不同，大多数翻堆机兼有运送物料的作用。l l（a a）几种发酵装置示意图：几种发酵装置示意图：l各种箱式发酵池的性能比较：l l（b b）多段竖炉式发酵塔多段竖炉式发酵塔l多段竖炉式发酵塔是立式多段发酵设备之一，整个立式设备被水平分隔成多段（层）。物料在各段上堆积发酵，靠重力从上往下移动。多段竖炉式发酵塔与污泥焚烧用的多段竖炉相似而得名。多段竖炉多段竖炉多段竖炉多段竖炉式发酵仓式发酵仓式发酵仓式发酵仓l1l（c）筒仓式发酵仓l筒仓式发酵仓为单层园筒状（或矩形），发酵仓深度一般为45m，大多采用钢筋混凝土结构。通常筒仓式发酵仓是一种在园筒仓的下部设置排料装置（如螺杆出料机）由仓底用高
8、压离心机强制通风供氧，以维持仓内堆料的好氧发酵。原料从仓顶加入，为防止下料时，在仓内形成架桥起拱现象（形成穹窿），筒仓直径由上到下逐渐变大或者需安装简单的消除起拱设施。l一般经过612d的发酵周期，由仓底出料。因此是静态式堆肥化过程。l由于筒仓式静态发酵仓结构简单、螺杆出料较方便可靠，在我国已得到广泛应用。例如无锡、杭州等地堆肥厂均用此种类型或其改进形式，取得较好效果。l螺旋搅拌式发酵仓的示意图如下图所示。这也是动态式筒式发酵仓的一种形式。经预处理工序分选破碎的废物被运输机送到仓中心上方，靠设在发酵仓上部与天桥一起旋转的输送带向仓壁内侧均匀地加料，用吊装在天桥下部的多个螺丝钻头来旋转搅拌，使原
9、料边混和边掺入到正在发酵的物料层内。l由于这种混合，掺入，使原料迅速升到45而快速发酵，即使原料的水分高到70%左右，其水分也能向正在发酵物料中传递而使发酵正常进行。此外，即使原料的臭味很强烈，因为被大量正在发酵物料淹没，不至于散发恶臭。l螺丝钻进自下而上提升物料“自转”的同时，还随天桥一起在仓内“公转”，使物料在被翻搅的同时，由仓壁内侧缓慢地向仓中央的出料斗移动。由于翻堆是在发酵物料层中进行，可减少发酵热的损失。物料的移动速度及在仓内的停留时间可用公转速度大小来调节。l空气由设在仓底的几圈环状布气管供给。发酵仓内，发酵进行的程序在半径方向上有所不同。因此，由于靠近仓壁附近的物料水分蒸发量及氧
10、消耗量较多，该处布气管应供给较多的空气，靠近仓中心处布气管则可供给较少的空气，也就是说，要配合发酵进行的深度，合理而经济地供气。仓内温度通常为6070，停留时间5d。l l（d d）水平（卧式）发酵滚筒水平（卧式）发酵滚筒l有多种形式。其中典型形式为著名的达诺(Dano)式滚筒。为世界各国最广泛采用的发酵设备之一，其主要优点是结构简单，可以采用较大粒度的物料，使预处理设备简单化，物料在滚筒内反复升高、跌落，同样可使物料的温度、水分均匀化，达到曝气的目的，可以完成物料预发酵的功能。卧式达诺滚筒发酵的堆肥化系统l l4.6 4.6 国国 内内 100t/d100t/d生生活活垃垃圾圾处处理理厂厂工
11、工艺艺系系统统实实例例l1986年，同 济大学和无锡市在垃圾好氧堆肥的中试基础上共同研究，开发设计了我国第一座比较现代化的高温好氧堆肥系统无锡100t/d生活垃圾处理实验厂。二次发酵城市垃圾受料坑磁选、手选复式振动格筛（粗分选）一次发酵（调节水分、C/N、C/P等）进行强制通风污泥泵粪池磁 选双层滚筒筛锤式破碎大于40mm物料送填埋或焚烧（板式给料机，100t/d）去除粗大物，回收有用物质100t/6h去除大于100mm粗杂物，送填埋或焚烧车间。部分去除小于5mm的炉灰。（喷洒污水）引风、除臭（螺杆出料）回收金属图4-2-39 无锡100t/d垃圾处理实验厂工艺流程框图大于12mm小于40mm
12、的物料小于12mm的可堆肥物腐熟堆肥l无锡垃圾处理厂机械设计共分3个组成部分：受料预分选机组；发酵进出料机组；精分选机组。几种主要机械的设计参数如下：l l（1）板式布料机 链板：长6m，宽1.2m；链板速度：0.00250.15m/s；生产能力：50m3/h；功率：7.5kW；功能：使汽车的集中来料变成均匀给料。l l（2）高效复合筛分破碎机 双层滚筒筛尺寸：142017106000（mm）；内筒筛孔40mm，外筒筛孔13mm；筛筒转速：518rpm范围内无级转速；额定处理量：2025t/h；功率：滚动筒7.5kW；破碎机30kW；功能：筛除40mm为不可堆肥物；粒径小于40mm大于12mm
13、可堆肥物经立锤破碎机粉碎至12mm；细筛产生粒径小于12mm粒径可堆肥物。l l（3）组合式振动格筛（粗分选机）功能：去除60mm的粗大物；尺寸：25001200（mm）；功率：3kW；能力：16t/h。l l（4）进料桥式小车 包括2条4.0mm横向进料皮带。总功率：7.4kW；功能：为一次发酵池进料用。l l（5）螺杆出料机 螺杆长度：4.5m，直径0.3m；能力：100t/6h；总功率：9kW；功能：为一次发酵池出料用。l垃圾堆肥化处理工艺的完善，在很大程度上依赖于机械设计的正确和设备运输的正常。各城市的垃圾结构差异差较大，不可能有普遍适用的机械设备。每个垃圾厂的机械设计必须依据垃圾结构
14、不同而进行组合，得出比较符合工艺要求的机械设计流程。l堆肥腐熟的基本含义是：l通过微生物的作用，堆肥的产品要达到稳定化、无害化，亦即是对环境不产生不良影响；l堆肥产品的使用不影响作物的生长和土壤耕能力。l如直观定性判断标准是不再进行激烈的分解，因此成品温度较低，呈茶褐色或黑色，不产生恶臭。手感松软易碎。l为了评价堆肥装置的性能和堆肥质量，需要有更为科学的定量的判定标准。为此，国内外许多研究人员进行深入研究探讨，提出许多判定标准。7.5 堆肥腐熟度及其测定l l5.1 堆肥腐熟度的判定标准及分析l l（1）用化学参数（与有机物含量有关的）作为腐熟度判定标准l堆肥中COD、VS、淀粉、纤维素、C/
15、N的变化过程都反映了堆肥的进程，但它们作为一种精确的质量标准是不充分的。l l（a）VS的测定具有方法简单、快速等优点，但检测的专一性和灵敏度较差。因为，VS仅反映了物料中全部的挥发性固体，它不能区分易降解的、不易降解的和不可降解的有机物。而堆肥过程只与前二者有关，与第三者无关。这样，VS的专一性就大为降低。此外，VS作为参数的灵敏度也是不够的。l（b）化学需氧量（COD）lCOD具有与VS同样的局限性。由于无法区别堆肥中易降解物和难降解物，在完全腐熟的堆肥中仍可测到相当高的值。考虑到垃圾来源的多样性，成分的复杂性以及垃圾作为一种非均相体系，在取样上的误差等问题，COD测定的灵敏度无法达到作为
16、一项可靠的测定指标的程度。l（c）淀粉和纤维素l淀粉和纤维素反映了堆肥中两类特殊物质。淀粉代表易降解物质，纤维素则代表了难降解物质。淀粉作为指标的缺点是垃圾中淀粉含量太低（一般在26%之间）。l纤维素是城市固体垃圾和污泥中的主要成份之一，但它被微生物降解利用的速度相当慢。因此在反映堆肥中有机质的降解和表征腐熟度方面起不到迅速准确的作用。此外，纤维素的测定方法也太繁杂，在生产现场应用的可能性较小。l l（d）C/N比：作为腐熟度的标准，其缺点是受原料C/N影响太大。C/N的测试特别是C的测定比较困难，需要一定的测试设备和相当实验技能的分析人员，因而难以推广。l其他提倡或研究过的化学参数作指标的尚
17、有凝胶色谱法，氧化还原电位的升高，碱性基团交换量的增加，硝酸氮的生成（即氮试验法）等等，由于测试手段复杂等原因尚不宜作为通用且简便科学的判定标准。l（2）用工艺参数作为堆肥腐熟度判定标准l研究过的工艺参数有堆温、物料平衡（如水分、挥发分）及耗氧速率，都具有直观、测定迅速、简便等特点，但有的指标受到某些因素的限制难以推广应用。l（a）温度l温度对堆肥反应过程具有很好的指示功能。但从工厂实际运行情况来看，由于密封仓保温性好，堆层容积大，在堆肥实际上已稳定化时温度仍可能相当高，即不易产生一个很好的温度变化指示过程。因此温度作为腐熟度标准的现场使用，还要作进一步的研究，以提高其对堆肥过程的灵敏度。l（
18、b）水分物料平衡l物料平衡的判断通常利用总固体、挥发性固体、水分等基准。需要收集大量数据，难以在现场做到，又因在堆肥中微生物消化产生的水无法与物料原有水分相区分。而且，强制通风使水分的蒸发量超过产生的水量，这是堆肥系统趋向于干燥的主要原因。显然，用产生的水分作为判别依据是不充分的。而且，水分变化受原料有机物含量和温度变化的影响较大，在现场测试中很难达到表征腐熟的稳定值。l l（c）耗氧速率l堆肥过程中，好氧微生物的主要生命活动形式为：分解有机物的同时消耗氧产生CO2，氧的消耗或CO2的产生速率（mg氧/g挥发性物质min或mgCO2/g挥发性物质min）标志了有机物的分解程度和堆肥反应的进行程
19、度。因此，以氧的消耗速率或CO2生成速率作为腐熟标准是符合生物学原理的。l由于耗氧速率数据测定受原料成分影响较小，只要在堆层中氧供应充分，耗氧速率的数据就比较稳定可靠，实验室测定和生产现场的测试结果相当吻合。这种一致性表明，耗氧速率的变化反映了堆肥处理的本质过程。因此，可以建议用耗氧速率作为城市垃圾堆肥发酵稳定化的定量指标。l耗氧速率作为腐熟度标准具有应用范围广之特点，它不但可用于垃圾堆肥的腐熟度判断，也可用于污泥堆肥、污泥垃圾混合堆肥过程的腐熟度判断。l综合研究发现，上述各种参数在反应堆肥化过程和指示堆肥腐熟方面具有一致性，即在指示堆肥反应过程中，当反应趋于稳定时，所有指标均达到自身的稳定值
20、。因此合适的腐熟度标准的选择可以取决于生产实际工作应用的可能性和经济技术的合理性。l1l5.2 堆肥腐熟度检验测定方法l（1）氮试验法l（a）实验原理l研究表明，完全腐熟的堆肥含有硝酸氮和少量氨氮，未腐熟的堆肥则只含氨氮而不含硝酸氮。根据这一特性，可利用特定的显色反应来测试堆肥样品中是否含有氨氮和亚硝酸氮（可由硝酸氮还原产生），从而判定堆肥是否腐熟及腐熟度程度。l（b）仪器及试剂采样和制取有代表性的堆肥样品；制备塑料环，玻璃皿等试验用品；配制下述试剂：mm 奈氏试剂 a.制备氯化亚汞饱和溶液；b.称取溴化钾50g溶解在少量水里后，加入到氯化亚汞饱和溶液内，使变成溴化亚汞（到溶液略显浑浊为止）；
21、c.量取50%KOH溶液400mL，加到上述溶液中，并稀释到1L，充分混合匀后保存在聚乙烯瓶内（使用时用其上清液）。mm 格氏试剂 a.称0.2g 1萘胺（萘胺）溶解于500mL20%醋酸水溶液中；b.称3g对氨基苯磺酸溶解于500mL20%醋酸水溶液中。格氏试剂是上面两种溶液的混合液，平时应在冰箱中分开保存。mm 还原剂：将干燥到150的X线造影用BaSO495g，锌粉末5g及MnSO4H2O10g，混匀后装入瓶内备用。l l（c）测定步骤 取样与加湿操作 将堆肥试样采集到器皿内，边加水边用勺压紧试样到表面上少许水渗出为止。将直径9cm的滤纸一张裁成两半并排放在玻璃板上，其上再铺一张未切开的
22、同样直径滤纸，再将外径8cm，高4cm的塑料环压在纸上。向环内装入调湿后试样，用勺挤压塞紧使其下面滤纸均被润湿后，将上层滤纸连环和试样一块移走，露出下层滤纸。在其中半张滤纸上滴加7滴奈氏试剂，观察颜色的变化。如果滤纸呈现黄色或黄褐色，就表示有氨存在。在另外半张滤张上加7滴格氏试剂（两种溶液各滴7滴相混），具体方法是将滤纸的一头揭起后再滴下试剂。放下滤纸后，如果染上红色，就表示试样中有亚硝酸盐存在。若滤纸未呈现红色，可将少量还原用粉剂撤在滤纸表面，如果试样内有硝酸盐存在，可被还原成亚硝酸盐，过一会儿就会出现红色。l l（d）分析讨论l根据以上三组试剂显色反应，可以判断试样中氮的存在形式，以进而判
23、断堆肥的腐熟度：完全腐熟的堆肥应含有硝酸盐和很少的氨氮，没有腐熟的堆肥应含有氨而不含硝酸盐；如果两者都存在较多时，可能取的试样是腐熟堆肥和未熟堆肥的混合物；如果硝酸盐及氨都很少或不存在，则表示堆肥处于氮被固定在活性微生物蛋白质内的中间腐熟阶段。由于氨试验法的局限性，仅能作定性判定指标，有条件时须配合应用其他试验方法。l l（2）耗氧速率法l l（a）测定原理l高温好氧堆肥是通过好氧微生物在有氧的条件下分解有机物，从而使堆肥物质逐渐稳定腐熟的生物化学过程，耗氧速率曲线表明其变化由低至高再下降，然后趋于稳定，与微生物的活动过程相一致。因此，耗氧速率可看作是堆肥微生物活动的宏观标志。l试验采用的耗氧
24、速率是相对耗氧速率O2%/min（即单位时间内氧在气体中体积浓度%减少值）。相对耗氧速度具有直观、简单，在工程中实用等优点。但当堆肥化物料中空隙率或颗粒直径相差很大时，测定结果误差较大。故也可用真实耗氧速率来表示，两者关系为：lRO2=rO2O2（27310）/22.4(273+t)!式中 RO2真实耗氧速率，mole/m3堆层min；rO2相对耗氧速率；堆层空隙率；t堆层温度。l要求真实耗氧速率需先测知堆层的空隙率。在一次发酵末期，耗氧速率趋于平稳，此时堆温已开始下降，二次发酵期，耗氧速率变化不大，总体呈下降趋势。当堆肥稳定时，相对耗氧速率基本稳定在0.02O2%/min左右，可由此判断堆肥
25、的腐熟度。l l（b b）方法方法l通过测氧枪和微型吸气泵将堆层中的气体抽吸至O2/CO2测定仪，由仪器自动显示堆层氧或二氧化碳浓度在单位时间内变化值，以了解堆肥发酵程度和腐熟情况。为了测定的准确性，可同时对堆层的不同层次，不同点进行测定。7.6 有机废物厌氧发酵l通过厌氧消化有机废物，可以加速有机物质的稳定，使有机废物无害化，更主要的目的是通过厌氧分解产生沼气，收集后做为能源利用。l l7.6.1 厌氧发酵过程l有机废物的厌氧发酵过程就是有机物质在特定的厌氧条件下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。在这个转化作用中，被分解的有机碳化物中的能量大部转化储存在甲烷中
26、，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。因此在这一分解过程中，仅积储少量的微生物细胞。l l（1）厌氧发酵的微生物学过程l由于厌氧发酵的原料来源复杂，参加反应的微生物种类繁多，使得厌氧发酵过程中物质的代谢、转化和各种菌群的作用等非常复杂。目前，对厌氧发酵的生化过程有三种见解，即两阶段理论、三阶段理论和四阶段理论。l l（a）两阶段理论l l两阶段理论形成较早，对甲烷菌如何利用甲醇以上的醇及乙酸以上的有机酸难以解释，因此，该理论尚未得到确认。l l（b）三阶段理论l1979年由布赖恩提出，将厌氧发酵分成三个阶段，即三个细菌营养群，突出氢的产生和利用在发酵过程中的
27、核心地位，较好地解决了两阶段理论的矛盾。l l（c）四阶段理论l将厌氧发酵过程分为四个阶段，每个阶段有独特的微生物菌群。各类群细菌的有效代谢均相互密切连贯，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。为了便于研究不同营养类群的细菌，才分成四个阶段。l自然界厌氧发酵过程，一般分为四个阶段。如人畜粪便复杂有机物的厌氧发酵。但在不同生态条件下，不一定都包括四个阶段，如在食草动物的瘤胃和人的盲肠和肠道中，一般仅包括第一阶段和第三阶段。而在温泉中，仅包括第三和第四阶段。这同不同生态环境的条件有关。l l（2）厌氧发酵微生物l l（a）不产甲烷菌l在沼气发酵过程中，不直接参与甲烷形成的微生物统称
28、为不产甲烷菌，包括的种类繁多，有细菌、真菌和原生动物三大群。其中细菌的种类最多，作用也最大。已知的细菌有18属，51种，近年来又发现了许多种。按呼吸类型分为专性厌氧菌、好氧菌和兼性厌氧菌。其中以专性厌氧菌为主，种类和数量最多。l不产甲烷菌的作用主要为：为产甲烷菌提供营养，将复杂的大分子有机物降解为简单的小分子有机化合物，为产甲烷菌提供营养基质；为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件；为产甲烷菌消除部分有毒物质；和产甲烷菌一起，共同维持发酵的pH值。l l（b）产甲烷菌l产甲烷菌在原核生物中由于它们能厌氧代谢产生甲烷而成为一个独特类群，在70年代后期被分类学家确认。l产甲烷菌有5个特点：严格厌氧，对氧
29、和氧化剂非常敏感；要求中性偏碱环境条件；菌体倍增时间较长，有的4-5天才系列繁殖1代；只能利用少数简单化合物作为营养，所有产甲烷几乎都能利用分子氢；代谢的产物主要是CH4和CO2。l l（3）厌氧发酵的有机物分解代谢过程l厌氧发酵是把碳水化合物、蛋白质和脂肪等在厌氧条件下经过多种细菌的协同作用下，首先分解成简单稳定的物质，最后生成甲烷和二氧化碳等沼气的主要成份。在排出的残渣中存在有环状化合物的聚合物-腐殖酸可做田间粮食生产的肥料。l l（a）碳水化合物的分解代谢l一般的碳水化合物包括纤维素、半纤维素、木质素、糖类、淀粉等和果胶质等。厌氧发酵的原料如农业废物等主要含碳水化合物，其中纤维素的含量最
30、大。所以，厌氧发酵的速度与消化池中纤维素分解的快慢密切相关。纤维素的分解l能够水解纤维素的酶有许多种，不同种类的纤维素的水解消化速度也不同。纤维素酶可以把纤维水解成葡萄糖，反应式为：l(C6H10O5)n(纤维素)+nH2O=nC6H12O6(葡萄糖)l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：lC6H12O6=3CH4+3CO2糖类的分解l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。l l（b b）类脂化合物的分解代谢类脂化合物的分解代谢l类脂化合物一般是指脂肪、磷脂、游离脂肪酸、蜡脂、油脂，在厌氧发酵的原料中含量很
31、低。这类化合物的主要水解产物是脂肪酸和甘油。然后，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。l l（c c）蛋白质类的分解代谢蛋白质类的分解代谢l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%。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；一部分分解成有机酸、醇等其它化合物，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。l l（4）沼气的性质l l（a）物理性质l沼气的主要成份是甲烷，其它伴生气体还有二氧化碳、氮
32、气、一氧化碳、氢气、硫化氢和极少量的氧气。一般在沼气中甲烷的含量介于50%-60%；二氧碳在30%左右。由此可见，甲烷的性质决定了沼气的主要性质。l甲烷的分子式为CH4，分子量16.04，是最简单而稳定的碳基化合物，是一种无色无味的气体。在通常的沼气中由于含有一点硫化氢气体，所以沼气通常会有臭鸡蛋的气味。另外，甲烷在水中的溶解度很小，只有3%左右。甲烷的熔点是-182.5，沸点为-161.5。甲烷的导热系数比空气大，在标准状态下是3.0610-2W/mK。l l（b）沼气的化学性质l甲烷实际上是一种优质的气体燃料，在与适量的空气混合发生燃烧时，可产生一种淡兰色的火焰，其火焰温度最高可达1400
33、，同时放出大量的热。它 与 氧 气 在 常 压 下 进 行 反 应 的 活 化 能 是20kcal/mol。l甲烷燃烧的化学反应方程式为：lCH4+2O2=CO2+2H2O+881.3 kJ/moll在标准状况(一个大气压、温度25)下，1 Nm3的甲烷在燃烧后可以放出大约35822.6 kJ的热量。通常在计算沼气的发热量时就是以这个数值乘以沼气中的甲烷含量，其计算方法为：l沼气发热量(kJ/Nm3)=35822沼气中甲烷含量l沼气是一种很好的燃料，1 m3的沼气燃烧发热量相当于1kg煤或是0.7kg汽油，能发电1.25kWH。l甲烷与水蒸汽反应在有催化剂存在和高温650-800的条件下，甲烷
34、可与水蒸汽反应生成一氧化碳和氢气。lCH4+H2O=3H2+COl这一反应在合成氨化肥工业是一个很重要的反应。7.6.2 发酵工艺及影响发酵的因素l1.发酵工艺类型及其特点l按照厌氧发酵的温度、进料方式、装置类型和原料的物理状况、发酵装置，可将厌氧发酵划分为若干类型。l（1）按发酵温度分类l可将厌氧发酵工艺分为常温发酵(自然发酵)、中温发酵和高温发酵。常温发酵也称自然发酵、变温发酵，其主要特点为发酵温度随自然气温的四季变化规律而变化，但沼气产量不稳定，因而转化效率低。l中温发酵的温度控制恒定在2838，因而沼气产量稳定，转化效率较高，主要用于大中型产沼工程、高浓度有机废水的处理等。l高温发酵的
35、温度控制在48-60，因而分解速度快，处理时间短，产气量高，能有效杀死寄生虫卵，但需加温和保温设备，主要适用于高浓度有机废水、城市生活垃圾和粪便的无害化处理及农作物秸杆的处理等。l（2）按进料方式分类l厌氧发酵的进料方式有批量进料、半连续进料和连续进料。l（3）按发酵方式分类l按发酵阶段划分，厌氧发酵可分为二步(或两相)发酵和混合(一步)发酵。l二步(或两相)发酵就是把厌氧发酵的产酸阶段与产甲烷阶段分别放在两个装置内进行，有利于高分子有机废水和有机废物的处理，有机转化率高，但单位有机质的沼气产量较低。主要用于含高分子有机物和固形物含量高的废水、垃圾、农业废物的处理，如禽畜粪便的厌氧发酵，印染废
36、水的处理等。l混合发酵是将厌氧发酵的两个阶段在同一装置内完成，设备简单，但条件控制较困难。主要用于禽畜粪便、下水污泥、高浓度有机废水的处理以及以秸杆为原料的沼气发酵。l（4）按原料的物理状况分类l可分为液体发酵、固体发酵和高浓度发酵。l液体发酵是指固体含量在10%以下，发酵物料呈流动态的液状物质的厌氧发酵，如有机废水的厌氧处理，农村水压式沼气池的发酵等。l固体发酵又称干发酵，其原料总固体含量在20%左右，物料中不存在可流动的液体而呈固态，发酵过程中所产沼气甲烷含量较低，气体转化效率较差，适用于垃圾发酵和农村部分地区特别是缺水的北方地区的禽畜粪便处理。l高浓度发酵介于液体废酵和固体废酵之间，发酵
37、物料的总固体含量一般为15-20%，适用于农村的沼气发酵，粪便的厌氧发酵等。l l2 常用厌氧发酵工艺流程l l（a）水压式沼气池。常于农村家庭产沼，属于半连续式进出料，家用水压式常温发酵工艺流程。l l（b b）大大中中型型沼沼气气工工程程的的厌厌氧氧发发酵酵工工艺艺。大多为利用工厂或城市产生的废料，如有机污泥、粪便、酒槽或槽液，高浓度有机废水等，进行厌氧消化，一方面可以去除废物中的有机物，加快废物的稳定化过程，同时可利用其产生的沼气做为能源。l l（b.2）屠宰污水和畜粪。屠宰厂和畜栏内粪便的厌氧发酵工艺流程按发酵步骤和发酵后处理方式不同可分成单纯二级厌氧发酵、厌氧发酵氯消毒联合处理和厌氧
38、好氧联合处理工艺。l屠宰污水与猪粪单纯二级沼气发酵工艺流程见下图：l厌氧发酵氯消毒联合处理主要是对污水沉淀物和畜粪进行厌氧消化处理。污水在沉淀池内滞留2d，处于密封或半密封状态，使有机质分解，血色素脱色，悬浮物减少。沉淀物流入消化器继续进行厌氧发酵，畜粪收集后也直接进入消化器，发酵残渣作农肥。沉淀池出水进入消毒池，加氯消毒后排放。l l厌氧好氧联合处理工艺。消化池出水经好氧氧化处理达标后排放。北京和杭州肉联厂均采用这一工艺。实际上其它高浓度有机废水的处理亦多采用这一工艺，如皮革、造纸、制糖、化工等行业废水，在进行厌氧发酵后由于水质尚无法排放，均采用好氧生物处理以使污水能达到排放标准，而好氧生物
39、处理反应器除采用曝气池(活性污泥法)外，尚可采用其它生物处理方法，如接触氧化法、生物滤池、氧化沟等方法。l l（b.3）城市粪便厌氧发酵工艺l城市粪便的处理从卫生角度要求，通常采用高温发酵工艺，以杀死其中的寄生虫卵。粪便液固形物含量较低，仅1-2%，需经沉淀浓缩后，使固形物浓度达到5-6%后，再进行高温发酵，所产沼气用于锅炉燃烧，产生蒸汽维持消化器所需温度。沉淀浓缩产生的上清液COD还在1000mg/L以上，需经处理达标后才能排放。l粪便高温厌氧发酵的卫生效果l高温厌氧发酵处理城市粪便的工艺流程l（b.4）两相发酵工艺l一般认为，厌氧发酵主要过程中的微生物菌群可分为不产甲烷细菌群和产甲烷细菌，
40、这两类菌群分别在厌氧发酵的不同阶段形成优势菌群。这两类细菌在营养要求、生理代谢及其繁殖速度和对环境的要求等有很大差异。根据这一理论，1971年美国S.Ghosh等人开发研究出两相发酵工艺，人工把厌氧发酵分成两个阶段酸化阶段和产甲烷阶段，建立起所谓的酸化罐和甲烷化罐两相发酵工艺，使厌氧发酵的效果明显提高。在酸化阶段酸化菌群繁殖较快，故滞留期较短；而甲烷阶段的滞留期较长。对有机物浓度达数万mg/L料液，一般酸化阶段滞留期为1-2d，甲烷化阶段滞留期为2-7d。所以，前者的消化器容积较小，而后者的容积较大。酸化阶段一般采用高速度消化器或常规消化器，或采用完全混合式的反应器。而甲烷化阶段可采用任何厌氧
41、消化器，生产中应用较多是污泥床反应器。广东平沙糖厂采用两相沼气发酵工艺广东平沙糖厂采用两相沼气发酵工艺处理糖蜜废水的工艺流程处理糖蜜废水的工艺流程l3 厌氧发酵的工艺条件及其控制l（1）厌氧条件l产酸阶段的不产甲烷微生物大多数是厌氧茵，需要在厌氧的条件下，把复杂的有机物质分解成简单的有机酸等。而产气阶段的产甲烷细菌更是专性厌氧菌，不仅不需要氧，氧对产甲烷细菌反而有毒害作用，培养中要求氧化还原电位在-330毫伏以下。因此，必需创造厌氧的环境条件。l甲烷菌的生长需要严格的厌氧环境，在有氧的环境中，甲烷菌不增长而受到抑制，但并不死亡。l（2）温度l沼气发酵与温度有密切的关系。一般来讲，池内发酵液温度
42、在10以上，只要其他条件配合得好(如酸碱度适宜，发酵菌多)就可以开始发酵，产生沼气。不过在一定范围内，温度愈高微生物活性愈强。多年的试验结果表明，代谢速度在35-38有一个高峰，50-65有另一高峰。一般厌氧发酵常控制在这两个温度内，以获得尽可能高的降解速度，前者称为中温发酵，后者称为高温发酵，低于20的称为常温发酵。l甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感，即使温度只降低2，也能立即产生不良影响，产气下降，温度再次上升才又开始慢慢恢复其活性。另一方面，如果温度上升过快，当出现很大温差时会对产气量产生不良影响。因此，厌氧发酵过程还要求温度相对稳定，一天内的变化范围在2内为宜。l l（3）pHl厌氧发酵
43、微生物细胞内细胞质的pH一般呈中性反应，同时，细胞具有保持中性环境，进行自我调节的能力。因此，厌氧发酵菌可以在较广的pH范围内生长，在pH5-10范围内均可发酵，不过以pH78为最适(称之为最适pH)。l l（4）营养和原料处理l充足的发酵原料是产生沼气的物质基础。各种微生物在其生命活动过程中不断地从外界吸收营养，以构成菌体和提供生命活动所需的能量。同时，在降解有机质过程中形成许多中间代谢产物。厌氧发酵要求的碳氮比例并不十分严格，原料的碳氮比例为15-30：1，即可正常发酵。l磷素含量(以磷酸盐计)一般要求为有机物量的1/1000。l在废水处理中，进行厌氧发酵时，要求废水中必须含有适于微生长的
44、营养成分。氮氨比要适宜。氮素太少，则构成菌体的量少，同时，发酵液的缓冲力减小，pH下降，抑制发酵。相反，氮素过多，由于氨基酸等分解生成的氨量比有机酸多，使pH上升到8以上，而抑制气体化过程。l l（5）搅拌l一般情况下，厌氧发酵装置需要设置搅拌设备。搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加微生物与发酵基质的接触，也使发酵的产物及时分离，从而提高产气量。l l（6）添加剂和有毒物质l在发酵液中添加少量有益的化学物质，有助于促进厌氧发酵，提高产气量和原料利用率。分别在发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、碳酸钙、炉灰等均可不同程度地提高产气量、甲烷含量以及有机物质的分解率，其中以添加磷矿粉的效果为
45、最佳。l在发酵液中添加纤维素酶，能促进纤维素分解，提高稻草的利用率，使产气量提高34-59%。添加少量活性碳粉末则可以提高产气2-4倍。添加浓度为0.01%的表面活性剂“叶温20”，则可降低表面张力，增强原料和菌的接触，产气量最高可增加40%。l有许多化学物质能抑制发酵微生物的生命活力，统称为有毒物质。有毒物质的种类很多。沼气发酵菌对它们有一定的忍耐程度，超过允许浓度，常使沼气发酵受阻。l有毒物质的种类很多，有无机的和有机的、有植物性的和矿物性的物质。l有害物质的允许浓度l l（7）接种物l厌氧发酵中菌种数量的多少和质量的好坏直接影响沼气的产生。在处理废水时，由于废水中含有的沼气菌数量比较少，
46、所以开始时必须接种。不同来源的厌氧发酵接种物，对产气和气体组成有不同的影响。l酒厂、屠宰场和城市下水污泥活性较强，可直接做为接种物添加。添加接种物可促进早产气，提高产气率。也可把现有污水处理场和工业厌氧发酵罐的发酵液作为“种”使用，以缩短菌体增殖的时间。需注意的是进行高温发酵时的必须用高温发酵的发酵液作种，进行中温发酵的必须用中温发酵的发酵液作种。不能指望中温发酵的菌群在高温条件下得到良好的效果。因为，两个不同的微生物类群，具有不同的生理特性。标准水压沼气池结构标准水压沼气池结构Questionsl1.北京市朝阳区现有总人口300万。计划采用综合利用的方式处理所产生的生活垃圾：即有机部分（40%）进行堆肥，滚筒筛上物（可燃部分，40%）进行焚烧，其余部分进入填埋场。请设计一下垃圾综合处理厂各部分的规模及工艺流程（用框图表示）。另外，详细说明所采用的堆肥工艺路线及需要控制的工艺参数和注意事项。