8固体废弃物生物处理技术.docx

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1、第八章 生物处理技术第一节 概述一、基本概念1、定义：堆肥化（Composting）是在有控制的条件下，使有机废弃物在微生物（主要为细菌）作用下，发生降解，并同时使有机物发生生物稳定作用（向稳定的腐殖质方向转化）的过程。堆肥化后的产物称之为堆肥（Compost）。 2、堆肥的优点1)废物的物理性质得到改善: 如结构蓬松、体积和水分减少2)卫生无害化: 无臭味、病原物大幅度灭活、不孳生苍蝇3)可充分发挥培肥改土和促进植物生长的作用 堆肥化处理后，物料腐殖化程度提高，施用后不会烧根烧苗 改良土壤物理性能：促进土壤团粒结构形成、降低土壤容重、提高土壤保肥能力 提高土壤有机质水平和提供作物养分（具有缓

2、释的特点） 提高土壤的缓冲作用 活化土壤养分：腐殖酸具有螯合作用 具有生理调节作用：具有生理活性物质 提高土壤生物活性 堆肥是CO2供给源3、堆肥的原料1）纤维木质素类废弃物：农业秸秆、林业废弃物（树皮、锯末、树叶）、糠壳、甘蔗渣、芦苇渣、野草等2）厨余物与畜禽粪便3）市政废弃物：生活垃圾、下水污泥等注意：以第一类为主体原料的堆肥，常要配合低C/N比的材料，如畜禽粪便或城市污泥或豆科绿肥或N肥4、堆肥的类型好氧堆肥化是在通风条件下，有游离氧存在时进行的分解发酵过程。好氧堆肥堆温高，一般在55以上，可维持7-11天，极限可达80以上，亦称高温堆肥法。由于好氧堆肥法具有堆肥周期短、无害化程度高、卫

3、生条件好、易于机械化操作等优点，在有关污泥、城市垃圾、畜禽粪便和农业秸秆等堆肥中被广泛采用。目前国内外两类主要的好氧堆肥系统：1) 无发酵装置系统物料通常均堆制成条垛式（windrow），依据堆料供氧方式，无发酵装置系统又可分为搅拌式堆肥床和固定堆式堆肥床两种堆肥方式。搅拌式堆肥床式堆肥又称传统式或强制通气条垛发酵固定堆式堆肥基本不进行翻堆，其供氧方式主要有两种，一是采用自然通气方式进行堆肥，在堆肥场地开有通气沟，并在垂直方向树有通气管（也可用各种秸秆捆绑成束作为通气之用），生物发酵所需要的氧气完全靠自然通风。自然通风堆肥腐熟时间通常较长。二是采用强制通风供氧方式进行堆肥，也称固定堆强制通风堆

4、肥法肥堆的供氧利用鼓风机或空气压缩机强行鼓风进行，也可采用抽风方式进行。吹风或抽风可用定时器或在肥堆内安置的温度或氧气浓度自动反馈装置来间断性供氧。自然通风堆肥腐熟时间通常较长，而固定堆强制通风堆肥法则比较快，在35周内能完成堆肥周期。 无发酵装置系统堆肥的特点是基建投资少；工艺简单；操作简便易行；处理容量大。缺点是由于是敞开式堆肥，在冬季低温条件下，肥堆不易升温和保温；通常占地较大；堆肥时间比发酵仓式堆肥要长。2）发酵仓式堆肥系统 堆肥在发酵装置内进行。发酵仓系统可分为立式发酵塔和卧式或槽式发酵装置两种。 立式堆肥发酵塔(多段竖炉式发酵塔)：通常由58层组成。堆肥物料由塔顶进入塔内，在塔内堆

5、肥物通过不同形式的机械运动，由塔顶一层层地向塔底移动。一般经过58天的好氧发酵，堆肥物即由塔顶移动至塔底而完成一次发酵。立式堆肥发酵塔通常为密闭结构，塔内温度分布从上层到下层逐渐升高，塔式装置的供氧通常以风机强制通风。卧式堆肥发酵滚筒（达诺式 Dano）：该发酵滚筒在水平方向上呈倾斜放置，直径为2.5-4.5m，长20-40m，强制供气。在该装置中废弃物靠与筒体内表面的摩擦沿旋转方向提升（转速为0.1-3 rpm），同时借助自身重量落下。通过如此反复升落，废物被均匀地翻倒与供入的空气接触，并通过微生物的作用进行发酵。经1-5天发酵后排出，条垛放置熟化。常温24h连续操作,通风量为0.1m3/(

6、m3.min)。若一次发酵，时间36-48h；全程发酵则2-5d。筒填充率应小于80%筒仓式堆肥发酵仓筒仓式堆肥发酵仓为单层圆筒状，发酵仓深度一般为4-5米，大多采用钢筋混凝土构成。发酵仓内供氧均采用高压离心风机强制供气，以维持仓内堆肥好氧发酵。空气从仓底进入发酵仓，堆肥原料由仓顶加入，经过6-12天的好氧发酵，初步腐熟的堆肥从仓底通过出料机出料。其他：发酵仓式堆肥系统的特点： 不受气候影响 能有效控制二次污染 发酵时间快，占地面积少。缺点：是基建投资大，运行成本较高，批量生产量相对较小。第二节 好氧堆肥的原理及微生物学过程一、 基本原理1、基本原理好氧堆肥是在有氧条件下，好氧微生物通过自身的

7、分解代谢和合成代谢过程，将一部分有机物分解氧化成简单的无机物，从中获得微生物新陈代谢所需要的能量，同时将一部分的有机物转化合成新的细胞物质，使微生物生长繁殖，产生更多的生物体的过程 。1）有机物的氧化CsHtNuOv.aH2O + O2 CwHxNyOz.cH2O（堆肥）+ dH2O(气)+ eH2O(水) + fCO2 + gNH3 + 能量堆肥成品CwHxNyOz.cH2O与堆肥原料CsHtNuOv.aH2O 之比为0.30.5(这是氧化分解减量化的结果)。通常可取如下数值范围： w=510, x=717, y=1, z=28堆肥的结果是废弃物中有机物向稳定化程度较高的腐殖质方向转化,腐殖

8、质的形成十分复杂，其生物学过程示意如下： 2、微生物学过程 嗜温菌和嗜热菌活动的温度范围 细菌 最低适宜最高嗜温性15-2525-4043嗜热性25-4540-50 85好氧堆肥的微生物学过程可大致分为三个阶段，每个阶段都有其独特的微生物类群：1）产热阶段（中温阶段，升温阶段）： 堆肥初期（通常在1-3天），肥堆中嗜温性微生物利用可溶性和易降解性有机物作为营养和能量来源，迅速增殖，并释放出热能，使肥堆温度不断上升。此阶段温度在室温至45范围内，微生物以中温、需氧型为主，通常是一些无芽胞细菌。 微生物类型较多，主要是细菌、真菌和放线菌。其中细菌主要利用水溶性单糖等，放线菌和真菌对于分解纤维素和半

9、纤维素物质具有特殊的功能。 2）高温阶段：当肥堆温度上升到45以上时，即进入高温阶段。通常从堆积发酵开始，只须2-3天时间肥堆温度便能迅速地升高到55，1周内堆温可达到最高值（最高温可达80）。嗜温性微生物受到抑制，嗜热性微生物逐渐取而代之。除前一阶段残留的和新形成的可溶性有机物继续分解转化外，半纤维素、纤维素、蛋白质等复杂有机物也开始强烈分解。在50左右进行活动的主要是嗜热性真菌和放线菌；温度上升到60时，真菌几乎完全停止活动，仅有嗜热性放线菌和细菌活动；温度上升到70以上时，大多数嗜热性微生物已不适宜，微生物大量死亡或进入休眠状态。此时，产生的热量减少，堆温自动下降。当堆温降至70以下时，

10、处于休眠状态的嗜热性微生物又重新活动，继续分解难分解的有机物，热量又增加，堆温就处于一个自然调节的、延续较久的高温期。高温对于堆肥的快速腐熟起到重要作用，在此阶段中堆肥内开始了腐殖质的形成过程，并开始出现能溶解于弱碱的黑色物质。C/N比明显下降，肥堆高度随之降低。通过高温能有效杀灭有机废弃物中病原物，按我国高温堆肥卫生标准（GB7959-87），要求堆肥最高温度达5055以上，持续5-7d。3）、腐熟阶段：在高温阶段末期，只剩下部分较难分解的有机物和新形成的腐殖质，此时微生物活性下降，发热量减少，温度下降。此时嗜温性微生物再占优势，对残留较难分解的有机物作进一步分解，腐殖质不断增多且趋于稳定化

11、，此时堆肥进入腐熟阶段。降温后，需氧量大量减少，肥堆空隙增大，氧扩散能力增强，此时只需自然通风。在强制通风堆肥中常见的后熟处理，即是将通气堆翻堆一次后，停止通气，让其腐熟。还可取到保氮的作用 二、 工艺流程与装置 （一）堆肥程序1、原料的预处理包括分选、破碎、以及含水率和碳氮比的调整2、原料发酵可采用一次发酵方式、周期一般在30天左右。目前普通推广二次发酵方式，周期一般需要20天。（1）一次发酵：好氧堆肥中的中温与高温两个阶段的微生物代谢过程称为一次发酵或主发酵。它是指从发酵初期开始，经中温、高温然后达到温度开始下降的整个过程，一般需10-12天。（2）二次发酵：物料经过一次发酵，还有一部分易

12、分解和大量难分解的有机物存在，需将其送到后发酵室，堆成1-2m高的堆垛进行二次发酵，使之腐熟。此时温度持续下降，当温度稳定在35-40左右时即达腐熟，一般需20-30天。3、后处理后处理包括去除杂质和进行必要的破碎处理。（二）工艺1、乡村简易堆肥法（一次发酵方式）乡村堆肥的目的是利用其农业废弃物制备优质有机肥源。堆肥材料可分成三类。第一类是禾谷类的秸秆及其根茬、杂草和落叶等，它们是堆肥的主体。其特点是含氮较少，C/N比宽，木质素含量较高，不易分解 。第二类是促进分解的材料包括调节C/N比和酸度的材料。前者指含氮较多的物质，如人、畜粪尿、新鲜豆科绿肥和化学氮肥，后者指石灰。在农村进行简易高温堆肥

13、时，还加入适量的骡、马粪或其培养液，以接种高温纤维分解菌。 第三类是吸附能力强的材料，如泥土和泥炭等。堆制前酌情进行预处理。如粗大的玉米秆等应切碎至10 15cm；垃圾要进行分选，去除不可堆肥物；老熟的野草切短后用石灰水浸泡或堆积；含水过多的杂草需晒一下除去部分水分。 堆制技术一般堆宽和堆高各2.0m，长度视材料而定。堆前夯实地面，铺9-10cm厚的干细土或泥炭，以吸收肥液。开始先铺第一类材料，厚约20cm，然后加适量水和第二类材料，如此反复，堆积至所需高度，上用泥肥封顶。加堆积物的原则为：第一类材料的厚度，由下而上逐层变薄；第二类材料的用量，由下而上逐层增多，以利腐熟均匀。材料的配方因地而异

14、，一般高温堆肥的配方为：植物性秸秆100份，人、畜粪尿10-20份，石灰或草木灰2-5份，水100-200份，骡、马粪适量。 2、搅拌翻堆条垛式发酵工艺 （一次或二次发酵）物料以垛状堆置，可以排列成多条平行的条垛，条垛的断面形状通常为三角形或梯形，高度1.5-2.0m,宽4-6米 。物料的成垛堆放可以用铲车进行操作（见图）。在大规模的条垛系统中，物料的翻动可通过移动式翻堆设备进行，如下图所示融翻堆、粉碎、测温、测氧于一体的可移动的堆肥翻堆设备。对于湿度较高的有机物，例如，城市污泥，畜禽粪便等等在堆置前必须与干燥的蓬松剂或调理剂混合，使其混合后堆料的含水率为55-65%。蓬松剂可采用各种农业秸秆

15、、稻壳、木屑、树皮、甘蔗渣和干燥的回流堆肥产物等。其发酵工艺流程如： 对于垃圾堆肥，堆肥前必须进行预处理，主要是对垃圾分选，去除粗大的无机物，回收各种金属，玻璃，塑料等，提高物料中可堆肥物质的比例。在前处理中有时需要对垃圾进行破碎处理，调整垃圾的粒度，适宜的粒度范围是1260mm。破碎与筛分可使原料的表面积增大，便于微生物繁殖，提高发酵速度。 垃圾堆肥通常不需要加调理剂和蓬松剂，只有水分含量适宜，有机物含量达20%以上，通常便可以单独堆肥。 通常在堆置后每4-7天可翻堆一次，1个月后可停止翻堆，让其后熟。 3、强制通风式固定垛发酵工艺该工艺与前者不同之处就在于物料在堆肥过程中不需要翻堆，氧气的

16、供应是通过机械鼓风或抽风方式来提供，该工艺在污泥堆肥中应用非常普遍 。具体做法为：将脱水污泥与蓬松剂混合，体积比可为1:1, 1:2, 1:3；在堆肥场地上铺设小木块或蓬松剂约20cm；在上述基础上，将污泥与蓬松剂混合物堆成高1.52M的垛；将垛的表面覆盖一层过筛后的堆肥产物(厚约20cm)或覆盖一层塑料薄膜； 将鼓风机或抽风机与通风管道连接，肥堆堆积3-4天后开始通风，通风方式可以采用肥堆温度或氧气反馈装置自动调节。例如，在温度低于45时，风机开始工作，提供氧气，促进微生物的活动；当温度处于4570时，风机停止工作；当温度高于70时，风机再度工作，以降低肥堆的温度。也可以通过定时器控制风机的

17、工作，例如，可每隔3小时通风1530分钟。若采用抽风方式，风机出来的气体通常先通过腐熟后的堆肥过滤脱臭，再排入大气。通常堆肥4周后，肥堆翻堆一次，并停止通风，让其后熟，若需要得到高度腐熟的堆肥，后熟时间最好为30天以上。堆腐后的物料通常需要干燥，可以采用自然露天晾干的方法，也可以重新将鼓风机开启，保持大风量来驱逐水分。若堆肥中的蓬松剂（例如小木块）需要循环利用，还必须对堆肥进行筛分。工艺流程 4、发酵仓式城市垃圾堆肥法 1)卧式达诺式滚筒发酵堆肥系统（国外）下图是一个城市垃圾-污泥堆肥化装置。收集来的垃圾投入料坑或给料斗，用板式运输机输送到破碎机破碎，然后用磁选机除去铁质后，用一次分选机将以厨

18、余物垃圾为主的可堆肥物质和非堆肥物质分开。前者送到一次发酵仓通风发酵。该发酵仓除起发酵外还起下述作用：通过旋转使垃圾等可堆肥物质破碎，粒度变小；用于使污泥返料堆肥和垃圾的均匀；用于发酵均匀化的搅拌；进行定量排料。一次发酵后尚未腐熟的堆肥，用二次分选机（振荡筛）分为细粒未腐熟堆肥及未发酵破碎塑料等杂质两部分。从一次分选及二次分选选出的非堆肥化杂质一并经压缩包装处理后，送去填埋或焚烧。未腐熟堆肥，进入多段竖炉二次发酵仓快速发酵分解变成腐熟堆肥，经三次分选机（振荡筛）进一步被分成细粒堆肥和粗堆肥。一部分粗堆肥作为接种用堆肥和污泥混合后送回一次发酵仓。细粒堆肥再通过玻璃选出机，靠吹风、反弹、振荡等作用

19、去除细小的玻璃片、塑料等杂质，成为高纯度的精选堆肥，可直接使用或送入熟成场进一步腐熟。2）国内垃圾堆肥系统（无锡100t/d垃圾处理实验工厂）三、堆肥的影响因素及其控制 （一）通风量与通风频率通风供氧是好氧堆肥化生产的基本条件之一，通风量主要决定于堆肥原料有机物含量、挥发度、可降解系数等。通风的主要作用在于：提供氧气，加速微生物的发酵过程；调节堆温；干燥堆料。过小的通风量不足以提供给微生物充足的氧气，影响堆肥温度的升高，过大的通风量则有可能使肥堆的热量散失，影响堆肥无害化程度。通常强制通风可取的经验数据为0.050.2m3/m3堆料.min。（1）微生物分解有机物需要的氧气之理论计算CaHbN

20、cOd +0.5(nz + 2s + rd) O2 nCwHxNyOz+ rH2O + sCO2 + (c - ny)NH3 + 能量式中，r = 0.5b nx - 3(c - ny) s = a - nwn为降解效率（摩尔转化率1）CaHbNcOd和CwHxNyOz分别代表堆肥原料和堆肥产物的成分。例：用一种成分为C31H50NO26的堆肥原料进行实验室规模的好氧堆肥化试验。试验结果，每1000kg堆料在完成堆肥后仅剩下200kg，测定产品成分为C11H14NO4，试求每1000kg物料的化学计算理论需氧量。1）计算出堆肥物料C31H50NO26的千摩尔质量为852kg，则参加过程的有机物

21、摩尔数=1000/852=1.173kmol2)堆肥产品C11H14NO4的千摩尔质量为224kg，可计算出每摩尔参加过程的有机物转换系数即 n = 200/(1.173224)=0.763)由已知条件: a = 31, b = 50, c = 1, d = 26, w = 11, x = 14, z =1, y=4, 可以算出: r = 0.5b nx - 3(c - ny)=19.32s = a nw=31- 0.7611 = 22.64 4)根据上述化学计量式, 所需要的氧量为:W = 0.5(0.764 + 2 22.64 + 19.32 26) 1.173 32 = 781.5kg实

22、际堆肥化系统必须提供超出计算需氧量(二倍以上)的过程空气,以保证充分的好氧条件。主发酵强制通风的经验数据为：0.05-0.2 m3/(min.m3) 或保证通气堆含氧15%-20%(v/v).(2) 氧的控制1、自然通风供氧2、向肥堆内插入通风管3、利用各种专用翻推机翻堆通风4、用风机强制通风供氧。（二）有机质的含量有机质含量高低影响堆料温度和通风供氧。有机质含量过低，分解产生的热量不足以促进和维持堆肥中嗜热性细菌的增殖，肥堆难于达到高温阶段，影响堆肥的卫生无害化效果。而且，由于有机质含量低，将影响堆肥产品的肥效和使用价值。有机质含量过高，则需要大量供氧，这会给通风供氧造成实际困难，有可能因供

23、氧不足，造成部分厌气条件。适宜的有机物含量为20-80%（三）C/N比最适25：1在堆肥化中，有机C主要作为微生物的能源物质，大部分有机C在微生物代谢过程中氧化分解变成CO2而挥发，部分C则构成微生物自身的细胞物质。氮主要消耗在原生质合成之中，就微生物对营养的需要而言，最合适的C/N比在430。当有机物C/N比在10左右时，有机物被微生物分解速度最大。随着C/N比增加，堆肥时间相对延长，据文献报道：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912天，1019天，及21天，但当C/N比大于80:1时，堆肥就难于进行。各堆肥原料的C/N比通常为：锯末屑3001000，

24、秸秆70100，垃圾5080，人粪610，牛粪826，猪粪715，鸡粪510，下水污泥815。堆腐后C/N比将比堆腐前明显下降，通常在1020:1，这种C/N比的腐熟堆肥，农业利用肥效较好。若成品堆肥的C/N比过高，农业利用时就可能造成微生物和植物争夺氮素养分，使农作物可利用氮减少，影响农作物的生长发育。 （四）水分水分是否合适直接影响堆肥发酵速度和腐熟程度。对污泥堆肥而言，堆料合适的水分含量为55-65%。在实际操作中，简便的测定方法为：以手紧握物料能成团，有水迹出现，但水不滴出为宜。垃圾堆肥最合适的水分为55%。 对于以脱水污泥等湿度大的物料为主要原料时，采用回流堆肥调节水分是常用的方法。

25、例1：拟采用堆肥化方法处理脱水污泥滤饼，其固体含量为30%，每天处理量为10吨（以干物料基计算），采用回流堆肥（固体含量70%）起干化物料作用，要求混合物固体含量为40%，试计算湿基回流比例，并求出每天需要处理的物料总量（湿重）为多少吨？ 例2：设污泥滤饼中加入回流堆肥和调理剂以控制湿度。选用的有机调理剂是锯末，其固体含量为70%，脱水泥饼和回流堆肥中分别含25%和60%的固体。污泥滤饼、堆肥和调理剂按比例1: 0.5 : 0.5湿重混合，试求混合物的固体含量。（五）颗粒度堆肥化所需要的氧气是通过堆肥原料颗粒孔隙供给的。孔隙率及孔隙大小取决于颗粒大小及结构强度，像纸张、动植物、纤维织物等，遇水

26、受压时密度会提高，颗粒间孔隙大大缩小，不利于通风供氧。一般地：适宜大小为12-60mm.（六）pH微生物可在较大的pH范围内繁殖，合适的pH为6-8.5。 固体废弃物堆肥时通常不需要调整pH值。但pH过高或过低的堆料则需要先在露天堆积一定时间或掺入其他堆肥或物料以降低或增加pH值。 四、 堆肥的腐熟度腐熟度：堆肥的腐熟程度（一）外观变化直观定性判断标准是堆肥不再进行激烈的分解，成品温度较低；外观呈茶褐色或黑色；结构疏松；没有恶臭。 （二）工艺参数作为判断标准1、堆温的变化对于无发酵仓式堆肥，堆温的变化有良好的指示功能。通常肥堆经过了高温阶段后，温度将逐渐下降。当堆肥达到腐熟时，堆温将低于40。

27、但对于发酵仓式堆肥，堆温的指示功能不如无发酵仓式堆肥。因为密封仓保温性好，堆层容积大，在堆肥实际上已稳定化时的温度仍可能较高。 2、耗氧速率耗氧速率是指单位时间内氧在气体中体积浓度%减少值，可用0.02O2%/min表示。在堆肥过程中氧的消耗或CO2的产生速率标志了有机物分解的程度和堆肥反应的进行程度。由于耗氧速率数据测定受原料成分的影响较小，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。从堆积至腐熟过程中，耗氧速率曲线表明其变化由低至高再下降，然后趋于稳定，当堆肥稳定时，相对耗氧速率基本稳定在0.02O2%/min左右。（三）化学指标1 、有机质和挥发性固体含量的变化随着堆肥的进行，

28、堆肥有机质和挥发性固体含量呈持续下降的趋势，最后达到基本稳定。达到腐熟时，可下降15-30%。然而这种变化趋势受原料来源的影响很大。仅用其来衡量堆肥是否腐熟，还不充分。 2、氮、C/N比及无机氮形态的变化在堆肥过程中部分有机碳将被氧化成CO2挥发损失，肥堆质量减少。由于氮的损失（主要是在有机氮的氨化阶段，少量的氨氮会挥发损失）远低于有机碳的损失，因此，堆肥腐熟后，堆肥中全氮含量有上升的趋势，而C/N比持续下降，直至稳定。一些研究指出，当堆料的C/N比从2535:1下降至20:1以下时，肥堆将达到稳定。3、水溶性有机碳(C)及水溶性有机碳与有机氮之比在堆肥过程中，堆肥水浸提液中水溶性有机碳的变化

29、比堆料固体有机碳的变化要明显得多。研究发现，当堆肥腐熟时，水溶性有机碳可下降50%以上。浸提液中有机氮也有类似的规律，但降幅远没有水溶性有机碳大。近年来发现，水溶性有机碳与水溶性有机氮的比值是堆肥腐熟的良好化学指标，该值约为5-6时表明堆肥已经腐熟，而且该值与堆肥原料无关。 （四）生物指标通常采用堆肥水浸提液对种子萌发的影响或堆肥对幼苗生长的影响来作为生物指标衡量堆肥的稳定程度。当堆肥没有达到稳定时，堆肥的水浸提液具有一定的植物毒性，会妨碍种子的萌发和根的伸长。种子萌发实验的时间一般为24小时，它是评价堆肥稳定化程度最直接的指标之一。实验用的种子包括水芹、胡萝卜、芥菜、白菜、小麦、番茄等等，目

30、前国际上应用最多的是水芹（Cress）种子，它对环境的敏感性高，发芽快。种子萌发实验的结果一般用种子发芽指数来表示（%）：种子发芽指数（%）=(堆肥浸提液处理种子的发芽率处理种子的根长)(去离子水处理种子的发芽率去离子水种子的根长)100% 具体做法为：堆肥鲜样按水:物料比=1:2浸提，160rpm振荡1个小时后过滤，吸取5ml滤液于铺有滤纸的培养皿中，滤纸上放置10颗水芹(Cress)种子，25下暗中培养24h后，测定种子的根长，同时用去离子水做空白对照，按上述公式计算种子发芽指数。一般地，当水芹种子发芽指数达到50%以上时，被认为是已消除植物毒性，堆肥基本到达稳定化。 第三节 厌氧发酵制沼

31、气一、 概述（一）定义：沼气发酵，又称厌氧发酵或厌氧消化，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。（二）沼气的组成：沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷(CH4)，大约占60%，其次是二氧化碳(CO2)大约占35%，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。不同条件下产生的沼气，其成分有一定的差异。例如人粪、鸡粪、屠宰废水发酵时，所产生的甲烷含量可达70%以上，农作物秸杆发酵所产生的沼气中甲烷含量一般为55%左右。 二、沼气发

32、酵的微生物学过程 （一）沼气发酵的微生物种类：第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。 （二）沼气发酵过程的三个阶段三、沼气发酵原料的分类与特性 自然界中几乎所有的有机物质都可作为沼气发酵的原料。人工制取沼气的主要原料是畜禽粪便污水、食品加工

33、业、制药和化工废水、生活污水等。在农村，也用农作物秸杆制取沼气。但由于其来源和形成过程不同，它们的化学成分和结构也迥然不同，由此造成原料的发酵性能差异相当大 （一）按原料来源分：1农村发酵原料 富N原料。通常是指人、畜和家禽粪便，也包括青草等碳氮比低的原料。其含氮量高，碳氮比多在251以下，即在沼气发酵的适宜的碳氮比范围内或以下。这类原料中粪便经过了人和动物的胃肠系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量的低分子化合物人和动物未吸收的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时不必预处理，就容易厌氧分解，产气速度快，发酵周期较短。 富C原料。我国农村的另一大类发酵原料是秸杆和秕壳等农作物的残余物。

34、这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质，含碳量高，其碳氮比多在401以上，比沼气发酵适宜的碳氮比高，称富碳原料。这些物质的厌氧分解，比富N的粪便原料慢得多，发酵周期较长。秸秆类富C原料一般干物质含量比富N原料高，且比重小，进沼气池后容易飘浮形成死区浮壳层。为了提高原料的产气速率和利用率，这类原料在发酵前一般需要预处理 2城镇有机废物废水 主要包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等。3水生植物 主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其它水草和藻类等。这些水生植物利用太阳能的能力很强，繁殖速度快、产量高。由于组织鲜嫩，容易厌氧分解，作沼气原料，产气快、周期短。

35、但水葫芦、水花生、水浮莲等水生植物体内有气室，直接进沼气池，容易飘浮。因此，用作沼气发酵原料时，宜稍晾干或堆沤2天后入池，效果较好。 （二）按原料的形态分：1固体原料 秸杆类、城市有机垃圾等都是固形物，其干物质含量比较高。它们主要可用于干发酵、坑填发酵。我国农村还将秸杆用作水压式沼气池的主要启动原料。它可弥补粪料的不足，缓慢地分解产气，延续产气高峰期。但是，它也容易在池内结壳、沉渣，造成出料困难。我国常用原料所含的总固体（TS）的量，作为原料的单位来表示原料产气量。原料总固体又可分为：挥发性固体（VS）和灰分。挥发性固体是指总固体在高温灼烧（马福炉，55020）时挥发的部分，它含有原料中可转化

36、为甲烷的实际部分有机物。2浆液态原料 主要指人、畜和家禽粪便，它们一般随清洗水排入粪坑，呈浆液态。鲜粪干物质含量多在20%左右，与水混合后的浆液多在10%上下。它们可与固态原料混合，进行干发酵，同时也作为我国农村水压式沼气池的主要原料。另外，污水污泥也属于这一类。3有机废水 如酒精蒸馏废液、酵母厂废水、抗菌素厂废水、豆制品厂废水、制酱厂废水和纸浆废水等，它们含不同量的蛋白质、脂肪和碳水化合物，是产沼气的好原料，比天然有机物易于分解。一般用高效的厌氧消化器处理，如上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和厌氧过滤器（AF）等。PIC115-118 四、 描述沼气发酵过程用控制条件的常用参数 发酵工程的

37、总体原则是在发酵正常情况下，尽可能地采用高有机负荷率，以期获得高的池容产气率。描述沼气发酵过程用控制条件的常用参数主要有以下几种。（一）进料浓度浓度的表示单位主要有VS质量分数（%）、TS质量分数（%）、COD浓度（kg/m3）。进料浓度关系到发酵浓度，对不同的装置来说，所需的最佳浓度是不同的。例如，目前先进的以工业有机废水为原料的沼气池，如UASB（上流式厌氧污泥床）、AF（厌氧滤器）对原料的固体浓度要求很低，一般不超过1%，但对可溶性COD浓度则无限制。以工业废水为发酵原料的大中型沼气工程进料浓度通常是废水本身的浓度，因为浓度的调节在经济上是不合算的。畜禽场因粪便的收集方式不同，有时采用稀

38、释或浓缩措施。 （二）沼气池有机负荷率沼气池有机负荷率工程用单位是CODkg/(m3d)、VSkg/(m3d)和TSkg/(m3d)，即单位沼气池容积每天接纳的原料量。这一指标是评价沼气效率的重要指标。只有高的有机负荷才能有高的池容产气率。 （三）池容产气率池容产气率是每立方米发酵体积每天的沼气产量，单位是m3/(m3d)，这一指标也是评价沼气池效率的重要指标。这一指标通过沼气池每天的产气量除以沼气池容积来计算。 （四）原料产气率即单位质量发酵原料的产气量。此指标用每天沼气产量除以进料量得到的，例如某沼气池每天产气3m3，每天进料为10kg总固体。TS原料产气率为3/10=0.3（m3/kg）

39、。根据不同的情况可分为理论产气率和生产产气率。理论产气率可根据原料的化学成分来计算。生产产气率通常根据大量的实际情况来估计或实测。 甲烷的产量(E): E=0.37A + 0.49B + 1.04CCO2的产量(D): D=0.37A + 0.49B + 0.36CA-每克发酵原料碳水化合物含量, B-蛋白质含量, C-脂肪含量（五）水力滞留期（HRT）指水力学所计算出的原料在沼气池的停留时间，单位是天（d），仅从提高效率来说，此值越小越好，但小到一定程度会因沼气池内微生物的流失而使发酵失败。目前一些采用低浓度废水的高效沼气池，水力滞留期已降低至12小时以下。它的计算方法是用沼气池容积除以每天

40、的进料体积。由于建沼气池时每天的进料体积可以确定，因此，沼气池的容积决定于水力滞留期。例如，某沼气池计划采用35发酵，进料浓度为8%（总固体），每天的进料容积为50m3，水力滞留期20天，则沼气池的容积为5020=100（m3）。 （六）有机物去除率这一指标用于表征沼气池在去除污染方面所达到的水平。用进料浓度与出料浓度之差除以进料浓度（%）表示。当然，这一指标越高越好，但追求过高的有机物去除率，会带来有机负荷率、池容产气率降低。在进行工程方案设计时，可以利用以下数学关系：COD有机负荷率（kg/(m3d)）=进料COD浓度（kg/m3）水力滞留期（d）池容产气率（m3/(m3d)）=原料产气率

41、（m3/kg）COD有机负荷率kg/(m3d) 五 、沼气发酵的工艺学 将沼气发酵原料加工成沼气的全过程称为沼气发酵工艺。沼气发酵的优点：1 沼气发酵后残渣中有机物含量减少；2消化后残渣是一种气味很小的固体或流体，不吸引苍蝇或鼠类；3 可产生有用的终产物甲烷，它是清洁而方便的燃料；4 在沼气发酵过程中杂草种子和一些病原物被杀灭； 5 发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮，速效性养分增加；6 发酵残渣可作为饲料；7 沼气发酵在处理有机物可大量地节省曝气消化所消耗的能量；8 厌氧活性污泥可保存数月而无需投加营养物，当再次投料时可很快启动；沼气发酵的缺点：1 设

42、备较复杂，建设投资较高；2 要求高标准的施工、管理和保养；3 由于厌氧菌繁殖速度慢，工艺启动时间长；（一）沼气发酵的工艺条件及其控制 1温度沼气发酵可在较为广泛的温度范围内进行，465都能产气。随着温度的升高，产气速度加快，但不呈线性关系。4055是高温菌和中温菌的过渡区。5055是高温厌氧菌活动区，产气速度最快。例如，10下发酵90天，但其产气率只有30下发酵27天的59%。温度的突然变化会对产气发生很大影响。大中型沼气发酵工程，尤其是恒温工程，温度是必需监控指标。温度变化超过5，产气量显著降低，若变化过大则产气停止。例如，一个35下正常产气的沼气池，温度突然下降到20，则产气几乎完全停止。

43、 2接种物正常沼气发酵是一定数量和种类的微生物来完成的。含有丰富沼气微生物数量的污泥叫接种物。沼气发酵菌种在自然界广泛存在（你认为哪些地方有丰富的沼气发酵菌种？为什么？）。如：各种阴沟污泥，粪坑底脚污泥，沼气池底污泥或消化浆液等处由于丰富的有机物质和良好的嫌气条件，形成了丰富的微生物群落。在新进料的沼气池中加入接种物，可大大缩短停滞期。特别是新建沼气池，第一次投料时微生物数量和种类都不够，应人工添加接种物。使用工业废水为原料的沼气池起动时，特别要注意接种。3厌氧环境沼气发酵需要在厌氧环境下进行，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3003

44、50mV，而一些兼性产酸的细菌则在Eh为100100mV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。4料液的pH值甲烷菌要求的pH范围很窄， pH 为7左右，发酵过程一般维持在6.87.5。在正常情况下，沼气发酵的pH是一个自然平衡的过程，一般不需调节。只有在配料和管理不当的情况下才会出现挥发酸的大量积累，pH下降。调节措施有：（1）稀释发酵液的挥发酸，提高pH。（2）采用加草木灰或适量氨水来提高pH。（3）用石灰水调节pH，特别是当发酵液过酸时 5搅拌在常规的发酵池，发酵液通常自然分为四层，从上到下分别为浮渣层、上清层、活性层和沉渣层。搅拌的目的:1)是

45、发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快产气速度，提高产气量、提高原料利用率。2)同时也可防止原料浮面结壳，产生的沼气释放不出来。我国农村的沼气发酵原料以秸杆、杂草和树叶等为主，更需搅拌才能达到好的发酵效果。3)防止局部酸的积累搅拌的方法有三种：（1）机械搅拌 在池内安装叶轮进行搅拌。（2）气搅拌 将沼气从池上部抽出后，又从池底压进去，产生强大的气流，达到搅拌的目的。（3）液搅拌 从出料间将发酵液抽出，然后从进料口冲入沼气池，产生强大的液体回流，达到搅拌的目的。 6、原料的CN比值和其它营养物质微生物所需的最适碳氮比为251，由于沼气发酵过程中原料的碳氮比可受到微生物的自动调节，因此，

46、适宜碳氮比范围较宽。据大量报道和实验结果表明，沼气发酵的碳氮比以20301为宜，超过351产气量明显下降。但也有报道配料中碳氮比以6301仍然合适的。 7压力甲烷菌能适应较大的静水压力，约40米或更高。但它对压力变化极为敏感，需要工艺来稳定压力。你认为沼气发酵过程中什么时候可能会发生压力波动在进料、出料和沼气消耗时，沼池中的压力发生变化，对甲烷菌的生命活动有抑制作用。怎么防止（1）保留足够的贮气空间，使得用气时气压变化不致过大；（2）进料和出料的速度尽量保持一致，所进新鲜原料和所排出的废料体积应相等；（3）大型沼气池应设置贮气装置。如我国农村推广的一种分离式浮罩沼气池，可保持比较稳定的气压。8

47、添加剂与抑制剂有些物质少量添加于沼气池后就可显著促进产气，这类物质称为添加剂。而另一些物质少量添加于沼气池后则显著抑制产气，这类物质称为抑制剂。添加剂的种类较多，包括一些酶类、无机盐、有机物和无机物。如添加一定量的纤维素酶，可显著促进产气；添加5mg/Kg的稀土元素（R2O5）可提高产气17%；添加适量的NH4HCO3等氮肥，可显著提高秸杆类原料的产气率；添加少量的活性炭或泥炭、或向发酵池通入氢气都可显著提高甲烷产量。抑制剂主要是指一些金属离子、盐类、杀菌剂和人工合成的化合物。 （二）发酵工艺类型 沼气发酵是一种严格的厌氧发酵，从处理废物的角度来说，通常称为厌氧消化。按发酵温度、发酵级差和发酵方式的不同，沼气发酵划分为以下不同的类型： （1）按发酵温度可分为“自然温度”发酵（变温发酵）、中温发酵（35左右）、高温发酵（53左右）。