固体废物处理与处置(厌氧发酵)ppt课件.ppt
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1、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CH4,5570和CO2,2540。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。纤
2、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
3、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
4、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
5、酵细菌、醋酸分解菌、甲烷细菌。,3、四阶段理论,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。,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。,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。,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。
6、,(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(1.52.0)。低温发酵:低于20 ,产气量低,受气候影响大,不加料情况下35d。中温发酵:37,产气量约11.3m3/(m3d);发酵时间20d,卫生化低。高温发酵:53 ,产气量约3.04.0m3/(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10100,能满足卫生要求(蛔虫卵的杀灭率在95%以上,大肠菌指数10100)。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
7、C/N C/N在(1020):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。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-。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
8、及产氢产乙酸菌对pH值的适应范围大致为56.5 ,而甲烷菌对pH值的适应范围为6.67.5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投入池内,经与池中原有的厌氧活性污泥混合接触后,通过厌氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用
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