8.1 厌氧消化概念及特点在线视频

大家好 从这节课开始

我们学习

固体废物生物处理的技术另外一种

就是厌氧消化技术

这节课我们先来学习

厌氧消化的概念及特点

厌氧消化是指

在微生物的作用下

有控制地使废物中

可生物降解的有机物

转化为甲烷 二氧化碳

和稳定物质的生物化学过程

由于厌氧消化可以产生

以甲烷为主要成分的沼气

所以又称为甲烷发酵

我们来看一下厌氧消化的历史

人类应用厌氧消化的历史非常悠久

从世界范围内来看

早期大多是在农村

利用人畜粪便和农业废物

进行小规模的厌氧发酵

产生的沼气用于取暖 照明以及炊事等

最初的工业应用

是作为粪便和污泥的减量化

和稳定化的手段

厌氧消化可以去除

废物当中30～50％的有机物

并且使之稳定化

20世纪70年代初

能源危机和石油价格上涨

许多国家开始寻找新的替代能源

厌氧消化优势凸显

近几十年

国际上已建成数百座厌氧消化装置

来处理可生物降解的有机垃圾

特别是将可生物降解有机垃圾

作为可再生资源进行利用

受到了高度的重视

那么 从我国来看

厌氧消化应用的历史也很长

在50年代末期

就在农村开始兴建沼气池

目前全国沼气池有700万个左右

有5.2%的农村人口使用沼气能源

来进行照明和炊事

近20年来

许多城市也建成了大型的设施

来处理城市污泥和粪便

目前

也开始系统研究厌氧消化技术

处理可生物降解的

有机垃圾和农业废物

厌氧消化的优点很多

它可以

将潜在于废弃的

有机物中的低品位的生物能

转化为可以直接利用的

高品位的沼气

再一个因为是厌氧消化

所以不需要进行通风

设施比较简单

运行的成本比较低

所以比较节能

它比较适于

处理高浓度的有机废水和废物

经过厌氧消化处理的废物

基本比较稳定

可以用作农肥 饲料

或者是堆肥化的原料

不过厌氧消化也有一些缺点

因为厌氧微生物生长速度比较慢

所以常规的方法处理效率比较低

需要的设备的体积比较大

而且在厌氧消化的过程当中

会产生硫化氢等恶臭的气体

那么 在厌氧消化过程当中

起主要作用的是微生物

微生物主要分为两大类

一类是产甲烷菌

一类是不产甲烷菌

在厌氧消化过程当中

不直接参与甲烷形成的微生物

我们把它统称为不产甲烷菌

它包括的种类比较繁多

有细菌 真菌和原生动物三大类

其中细菌的种类最多

作用也最大

不产甲烷菌按呼吸类型分为

专性的厌氧菌

兼性厌氧菌和好氧菌

以专性厌氧菌为主

不产甲烷菌的主要作用有下面几点

一个它是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的有机化合物

为产甲烷菌提供营养的基质

再一个它可以为产甲烷菌

创造适宜的氧化还原条件

第三个是为产甲烷菌消除部分有毒物质

再一个它可以和产甲烷菌

一起维持发酵的pH值

也就是说

不产甲烷菌主要是为产甲烷菌服务的

产甲烷菌是指在原核生物当中

由于它们能厌氧代谢产生甲烷

而成为一个独特的类群

它的功能是将有机酸转变为甲烷

那么 这类微生物它是绝对厌氧菌

产甲烷菌的主要特点是

严格厌氧

而且对温度 抑制物的存在等外部条件

相当敏感

再一个它要求中性偏碱性的环境条件

而且产甲烷菌的菌体倍增时间比较长

有的4～5天才繁殖一代

而且产甲烷菌

只能利用

少数的简单的化合物作为营养

而且它能利用分子氢

它的代谢的主要产物是甲烷和二氧化碳

所以我们从产甲烷菌的特点就可以看出

不产甲烷菌主要是为产甲烷菌服务的

再一个我们来看一下厌氧消化的原理

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

两阶段理论认为厌氧消化过程

包括水解酸化阶段和产甲烷阶段

三阶段理论认为包括水解阶段

产氢产酸阶段和产甲烷三个阶段

四阶段理论认为包括

水解阶段 酸化阶段

乙酸化阶段和甲烷化阶段

一般以三阶段理论为主

三阶段理论就是把有机物的厌氧分解过程

大致分为三个阶段

就是水解阶段 产酸阶段和产甲烷阶段

那么 水解阶段是在水解和发酵细菌的作用下

将大分子的有机物分解为小分子的有机物

有利于微生物吸收和利用

产酸阶段是在产氢和产乙酸菌的作用下

把第一阶段的产物转化成

氢 二氧化碳和乙酸等

产甲烷阶段是在产甲烷菌的作用下

把第二阶段的产物转化为甲烷等等

我们再进一步来看

在水解阶段 是将复杂的大分子的有机物

比如说蛋白质 脂肪 碳水化合物等

通过水解菌产生的胞外酶的作用

分解为简单的 可溶性的有机物

蛋白质可以分解为氨基酸和多肽

脂肪可以分解为脂肪酸和甘油

碳水化合物分解为双糖

再进一步分解为单糖

那么 高分子有机物的水解速度很慢

它取决于物料的性质 微生物的浓度

温度 pH值等环境条件

水解阶段产生的简单的 可溶性的有机物

在产氢产酸菌的作用下

把第一阶段产物

进一步分解成挥发性的脂肪酸

主要是乙酸 丙酸 丁酸

同时还分解成为醇 酮 醛

二氧化碳 氢气等等

产酸菌它包括兼性的厌氧菌

和绝对的厌氧菌

产甲烷阶段是产甲烷菌将产酸阶段的产物

进一步转化成甲烷和二氧化碳

同时它利用产酸阶段所产生的氢气

将二氧化碳再转变成甲烷

产甲烷阶段的生化反应相当的复杂

目前已经得到验证的主要反应有

乙酸分解成甲烷

氢气转化为甲烷

甲酸转化为甲烷等等

在这里

乙酸是产生甲烷的主要物质

也就是说大约有70％的甲烷

来自乙酸的降解

二氧化碳和氢反应也能产生一部分甲烷

少量来自于其它物质的转化

由于产甲烷菌具有高效的氢化酶

所以它能够利用产酸菌所产生的氢气

来产生甲烷

产甲烷菌是绝对的厌氧菌

那么 从前面的分析我们可以看出来

有机物厌氧分解过程

可以用下面这个图来表示

也就是说碳水化合物 蛋白质 脂肪

在水解菌的作用下

分解成为糖类 氨基酸 脂肪酸 甘油等等

继续在产酸菌的作用下

分解为挥发性的脂肪酸 醇类

以及一些中性的化合物

和氢气 二氧化碳等等

然后在产甲烷菌的作用下

进一步分解成甲烷 二氧化碳

其中水解菌和产酸菌它属于兼性厌氧菌

产甲烷菌属于绝对的厌氧菌

对于以不溶性高分子有机物为主

的污泥 垃圾等废物

水解阶段是厌氧消化过程的控制步骤

而对于以可溶性有机物为主的

有机废水来说

由于产甲烷菌生长速度比较慢

对环境和基质的要求比较苛刻

所以产甲烷阶段

是整个厌氧消化过程的控制步骤

对于厌氧消化来讲

产气量是人们比较关注的

所以我们来看一下产气量的计算

有机物厌氧消化的过程非常复杂

中间的反应以及中间的产物有几百种

每种反应都是在酶

或者是其他物质的催化作用下进行的

总的生化反应我们可以表示为

有机物在厌氧微生物的作用下

生成新的细胞物质

还有一些残留的难降解的有机物

同时生成甲烷 二氧化碳 氨气 硫化氢

并且放出能量

如果有机物分子式用CHONS表示

残留的有机物也用CHONS来表示

只是它们的底下的角标不一样

我们可以把上面这个式子写成

CHONS在厌氧微生物的作用下

生成这种残留的有机物CHONS

加上甲烷加上二氧化碳

然后加上氨气和硫化氢

如果有机物被完全分解

没有任何残留的有机物

上面的式子可以简化为

CHONS在微生物的作用下

生成甲烷 二氧化碳 氨气和硫化氢

一般来说

有机物当中S的含量通常很少

可以忽略不计

所以对于以CHON表示的有机物

它的完全分解的厌氧生化反应可以表示为

CHON然后生成甲烷 二氧化碳和氨气

有机物厌氧消化所产生的气体当中

甲烷的含量大约为50～60％

1公斤可降解的有机物可以产生

0.63到1.0立方米的沼气

这节课就到这里

谢谢大家