现代固体废物处理处置技术-6制取沼气

6.1概述厌氧生物处理过程又称厌氧消化，是在厌氧条件下由活性污泥中的多种微生物共同作用，使有机物分解并生成CH4和CO2的过程。人们对有机物厌氧消化的认识不断深化：两段说三段说四种群说一、厌氧消化的机理1、两段说1930年Buswell和Neave肯定了Thumm和Reichie(1914)与Imhoff(1916)的看法，把有机物厌氧消化过程分为:酸性发酵和碱性发酵两个阶段。两阶段厌氧消化过程有机物厌氧消化过程中pH的变化2、三阶段理论1979年布利安特(Bryant)等人提出了厌氧消化的三阶段理论。三阶段理论认为，厌氧消化过程是按以下步骤进行的：三阶段厌氧消化过程第一阶段，水解、发酵阶段复杂有机物在微生物作用下进行水解和发酵。例如，多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸，如丙酸、丁酸、乳酸等；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。第二阶段，产氢、产乙酸阶段由一类专门的细菌，称为产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2和C02。第三阶段，产甲烷阶段由产甲烷细菌利用乙酸和H2、C02，产生CH4。研究表明，厌氧生物处理过程中约有70%CH4产自乙酸的分解，其余少量则产自H2和CO2的合成。三阶段理论是对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。几乎与Bryant提出三阶段理论的同时，Zeikus(1979)在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论。3、四种群说理论复杂有机物厌氧消化过程有四种群厌氧微生物参与，四种群即是：水解发酵菌，产氢产乙酸菌，同型产乙酸菌（又称耗氢产乙酸菌），以及产甲烷菌。四种群说有机物厌氧降解示意图总结6.2甲烷发酵的工艺条件由于产甲烷菌对环境因素的影响较非产甲烷菌(包括发酵细菌和产氢产乙酸细菌)敏感得多，产甲烷反应常是厌氧消化的控制阶段。1．厌氧环境（溶解氧DO和氧化还原电位ORP）绝对的厌氧环境是产甲烷菌进行正常活动的基本条件，可以用氧化还原电位表示厌氧反应器中含氧浓度。不产甲烷菌可以在氧化还原电位为+100～—100mV的环境下进行正常的生理活动；产甲烷菌的最适氧化还原电位为：—150～—400mV，培养产甲烷菌的初期，氧化还原电位不能高于－320mV。2.沼气发酵原料有机固体物质（微生物的食物）总固体TS=灰分（无机物）+挥发性组分VS（有机物）3．温度温度是影响微生物生命活动最重要因素之一，其对厌氧微生物尤为显著。可见，厌氧消化速率随温度的变化比较复杂，在厌氧消化过程中存在着两个不同的最佳稳度范围：一为55℃左右，一为35℃左右。厌氧微生物分为嗜热菌(高温细菌)和嗜温菌(中温细菌)两大类，相应的厌氧消化则被称为高温消化(55℃左右)和中温消化(35℃左右)。高温消化的反应速率约为中温消化的1.5～1.9倍，产气率也高。但气体中甲烷所占百分率却较中温消化为低。当处理含有病原菌和寄生虫卵的废水或污泥时，采用高温消化可取得较理想的卫生效果，消化后污泥的脱水性能也较好。在工程实践中，当然还应考虑经济因素，采用高温消化需要消耗较多的能量，当处理废水量很大时，往往不宜采用。随着各种新型厌氧反应器的开发，温度对厌氧消化的影响由于生物量的增加而变得不再显著。因此处理废水的厌氧消化反应常在常温条件(20—25℃)下进行，以节省能量的消耗和运行费用。4.pH产甲烷菌最适pH范围为6.8～7.2。在pH=6.5以下或pH=8.2以上的环境中，厌氧消化会受到严重的抑制，这主要是对产甲烷菌的抑制。水解细菌和产酸菌也不能承受低pH的环境。厌氧发酵体系中的pH除受进水pH的影响外，还取决于代谢过程中自然建立的缓冲平衡。影响酸碱平衡的主要参数：挥发性脂肪酸、碱度和CO2含量。但产甲烷细菌的作用会产生HCO3－，使系统的pH回升。系统中没有足够的HCO3－，将使挥发酸积累，导致系统缓冲作用的破坏，即所谓的“酸化”。5．食料/微生物比与好氧生物处理相似，厌氧生物处理过程中的食料/微生物比对其进程影响很大。在实际中常以有机负荷(COD/VSS)表示，单位为kg/(kg．d)。在有机负荷、处理程度和产气量三者之间，存在着密切的联系和平衡关系。一般，较高的有机负荷可获得较大的产气量，但处理程度会降低。再者，由于厌氧消化过程中产酸阶段的反应速率比产甲烷阶段的反应速率高得多，必须十分谨慎地选择有机负荷，使挥发酸的生成及消耗平衡，不致形成挥发酸的积累。有机负荷处理程度产气量为保持系统的平衡，有机负荷的绝对值不宜太高。随着反应器中生物量(厌氧污泥)浓度的增加，有可能在保持相对较低污泥负荷的条件下得到较高的容积负荷。这样，能够在满足一定处理程度的同时，缩短消化时间，减少反应容积。总的说来，（厌氧生物）处理可采用较（好氧生物）处理高得多的有机负荷。一般COD浓度可达5～10kg/(m3·d)，有的甚至可高达50kg/(m3·d)。6．营养厌氧微生物对碳、氮等营养物质的要求略低于好氧微生物。但大多数厌氧菌不具有合成某些必要的维生素或氨基酸的功能。为了保证细菌的增殖和活动，还需要补充某些专门的营养，如钾、钠、钙等金属盐类是形成细胞或非细胞的金属络合物所必需的，而镍、铝、钴、钼等微量金属，则可提高若干酶系统的活性，使产气量增加。（对工业废料，废水）7．有毒物质有毒物质会对厌氧微生物产生不同程度的抑制，使厌氧消化过程受到影响甚至遭到破坏。最常见的抑制性物质为硫化物、氨氮、重金属、氰化物以及某些人工合成的有机物。如：铜。硫酸盐和其他硫的氧化物容易在厌氧消化过程中被还原为硫化物。可溶性的硫化物和H2S气体在达到一定浓度时，对产甲烷过程产生抑制。如何减轻硫化物的抑制作用？氨是厌氧消化的缓冲剂，但高浓度的氨对厌氧消化有害。有人认为NH3-N浓度50～200mg/L即能产生控制，但通过对产甲烷细菌的驯化，厌氧过程对氨的适应能力能够得到加强。重金属常能使厌氧消化过程失效，表现为产气量降低和挥发酸的积累。原因是细菌的代谢酶受到破坏而失活，是一种非竞争性抑制。不同重金属离子及其不同的存在形态，会产生不同的抑制作用。据报道277mg/L的硫酸镍不会引起消化过程的变化，而30mg/L的硝酸镍却能使产气量减少80%。重金属的浓度也会显著影响其抑制作用。当氯化镍的浓度为500mg/L时，其对沼气产量的影响可以忽略不计，而浓度为1000mg/L时会使产气量大大减少。氰化物对厌氧消化的抑制作用决定于其浓度和接触时间。如浓度小于10mg/L，接触时间为1h，抑制作用不明显。浓度如增高到100mg/L，气体产量会明显降低。8.搅拌方式三种机械搅拌气体搅拌水力搅拌6.3.1甲烷发酵工艺流程沼气工程的目标1.产生和利用沼气2.达到环保要求，使排水达到国家标准3.前两者结合，实现沼气，沼渣和沼液的综合利用1.以固体废弃物为原料的工艺两相厌氧发酵工艺6.3.2以活性污泥为原料的发酵活性污泥：微生物群落+？6.3.3以高浓度有机废水为原料的工艺