蛋白质+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S
C 3 H 5 ( RCOO ) 3 + 3H 2 O → C 3 H 5 (OH ) 3 + 3RCOOH (脂肪） （碳水化合物） （甘油） （双糖） （脂肪酸） （单糖） 2(C 6 H 10 O5 )n + nH 2 O → nC12 H 22 O11 → 2nC 6 H 12 O6
液化阶段(Liquefaction a. 液化阶段(Liquefaction stage)
• 在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、 在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、 碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外 酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。 酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。 • 高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生 高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、 物的浓度、温度和pH等条件的制约。 pH等条件的制约 物的浓度、温度和pH等条件的制约。 • 主要有机物的水解反应： 主要有机物的水解反应：
6.2厌氧发酵 6.2厌氧发酵
• • • • 概述 厌氧发酵的原理 厌氧发酵的原理 厌氧发酵的影响因素 发酵工艺
• 发酵装置 • 城市污水污泥与粪便的厌氧发酵处理
6.3.1 概述 • 定义 • 主要特点
(1)厌氧发酵（anaerobic fermentationm） (1)厌氧发酵（ fermentationm） 厌氧发酵
• 厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用下，有控制地使废物 厌氧发酵（或厌氧消化）是指厌氧微生物的作用下， 中可生物降解的有机物转化为CH 和稳定物质的生物化学过程。 中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。 • 由于厌氧发酵的产物是以 CH4 为主要成分的沼气， 故又称为甲烷发酵 由于厌氧发酵的产物是以CH 为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵 fermentation)。 (firedamp fermentation)。 • 厌氧发酵技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化和稳定化 的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中10 50％ 10～ 的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中10～50％的有机物 ，并使之稳定化。 并使之稳定化。 • 70年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻找新的能 70年代初，由于能源危机和石油价格上涨， 年代初 发酵技术显示出其优势，普遍受到人们的关注。 源，这时厌氧 发酵技术显示出其优势，普遍受到人们的关注。 • 近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用来处理城 20年来 我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施， 年来， 市污泥和粪便。 市污泥和粪便。
厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加， 厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加， 但在45℃ 45℃左右有一个间断点这是由于中温发酵和高温发酵分 但在45℃左右有一个间断点这是由于中温发酵和高温发酵分 别是由两个不同的微生物种群在起作用。 45℃左右的温度 别是由两个不同的微生物种群在起作用。在45℃左右的温度 条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此， 条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此，产气量突然下 降。
简单可溶性有机物 产氢菌、产醋酸菌 →甲醇＋甲酸＋乙酸＋CO 2＋H 2
c. 产甲烷阶段(Methane-producing stage) 产甲烷阶段(Methanestage)
• 产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2，同时把产酸阶 产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH 段所产生的H 转化成CH 段所产生的H2和CO2转化成CH4。 阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的主要反应有： • 产CH4阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的主要反应有：
6.3.3 厌氧发酵的影响因素
为了保证厌氧消化的ຫໍສະໝຸດ 佳运行状态， 为了保证厌氧消化的最佳运行状态 ， 除了应保持反应 系统的厌氧状态外，还必须控制以下几个因素。 系统的厌氧状态外，还必须控制以下几个因素。 • 发酵原料(raw material) 发酵原料(raw • 温度(temperature) 温度(temperature) • pH值 pH值 • 抑制物质(stayer) 抑制物质(stayer) • 搅拌(mix round) 搅拌(mix
（1）发酵原料
• 用作堆肥的原料都可以用作厌氧发酵，即沼气发酵原料。 用作堆肥的原料都可以用作厌氧发酵，即沼气发酵原料。 • 厌氧消化过程中的产气量是厌氧消化处理效率的重要指标。 厌氧消化过程中的产气量是厌氧消化处理效率的重要指标。 • 一般来说,产气量的大小主要取决于物料的组分特性 一般来说, • 不同原料的有机组分不同，其理论产气量也不同 不同原料的有机组分不同， • 配制发酵原料时要进行理论产气量和总固体量等的计算。 配制发酵原料时要进行理论产气量和总固体量等的计算。
d. 三个阶段的主次地位
• 在产甲烷反应中，乙酸(醋酸)是产生CH 的主要物质，大约70 70％ 在产甲烷反应中 ， 乙酸 (醋酸) 是产生 CH4的主要物质， 大约 70 ％ 的 CH4来自乙 酸的降解。 酸的降解。 • 的反应也能产生一部分CH 少量CH 是由其它一些物转化而来。 CO2和H2的反应也能产生一部分CH4。少量CH4是由其它一些物转化而来。例如 有机胺必须转化成NH 后才能被产甲烷菌所吸收。 有机胺必须转化成NH3后才能被产甲烷菌所吸收。 • • 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的环节。 产甲烷阶段在厌氧消化过程中是十分重要的环节。 甲烷菌除了产生CH4外，还有分解脂肪酸调节pH值的作用。同时，通过将H2转 还有分解脂肪酸调节pH值的作用。同时，通过将H pH值的作用 甲烷菌除了产生CH 化成CH 减少氢的分压,也有利于产酸菌的活动。 化成CH4，减少氢的分压,也有利于产酸菌的活动。 • 三个阶段的主次地位 • 对于以不溶性高分子有机物为主的污泥 、垃圾等废物 ，水解阶段是整个 对于以不溶性高分子有机物为主的污泥、垃圾等废物， 厌氧消化过程的控制步骤。 厌氧消化过程的控制步骤。 • 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慢,对 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慢, 环境和基质要求苛刻,产甲烷阶段是整个厌氧消化过程的控制步骤。 环境和基质要求苛刻,产甲烷阶段是整个厌氧消化过程的控制步骤。
b. 产酸阶段(Acid-producing stage) 产酸阶段(Acid(Acid
• 液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸菌的作用 液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、 进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸， 下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、 酮、醛、CO2和H2等。 • 反应式
(2) 厌氧发酵技术的主要特点
可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可直接利用 的高品位； 的高品位； 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单， 与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单， 运行成本低，属于节能型处理方法； 运行成本低，属于节能型处理方法； 适用于处理高浓度有机废水和废物； 适用于处理高浓度有机废水和废物； 经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农肥、 经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农肥、饲 料和堆肥化原料； 料和堆肥化原料； 厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大； 厌氧微生物生长速度慢，处理效率低，设备体积大； 厌氧处理过程中易产生H 等恶臭气体。 厌氧处理过程中易产生H2S等恶臭气体。
（3）pH值的影响 pH值的影响
pH值对厌氧消化的影响 pH值对厌氧消化的影响
• 产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH 值为5.8 ，所以产酸阶段也 产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH值为5 pH值为 称为酸性发酵。 称为酸性发酵。 • 产甲烷菌需碱性条件下生长，称为碱性发酵。当pH<6.2时，产甲烷菌 产甲烷菌需碱性条件下生长，称为碱性发酵。 pH<6 就会失活性。因此，在产酸菌和产CH 菌共存的厌氧消化过程中， 就会失活性。 因此 ，在产酸菌和产 CH4 菌共存的厌氧消化过程中 ， 系 统的pH值应控制在6 统的pH值应控制在6．5～7.5之间，最佳值为7.0～7.2。 pH值应控制在 之间，最佳值为7 • 在正常发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值。但在突 在正常发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH pH值 然增加进料量或改变原料时，有机物负荷过高， 然增加进料量或改变原料时，有机物负荷过高，或消化系统中存在某 些抑制物质时,对环境要求荷刻的产甲烷菌首先受到影响， 些抑制物质时, 对环境要求荷刻的产甲烷菌首先受到影响，从而造成 系统中挥发性脂肪酸积累，pH值下降。 系统中挥发性脂肪酸积累，pH值下降。 值下降 • pH值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长。如此恶性循环，将导致 pH值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长。如此恶性循环， 值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长 消化过程停止。 消化过程停止。 • 为了提高系统对pH值降低缓冲的能力，需要维持一定的碱度。可以通 为了提高系统对pH值降低缓冲的能力，需要维持一定的碱度。 pH值降低缓冲的能力 过投加石灰或含氮的物料加以调节。一般情况下，碱度控制在2500 2500～ 过投加石灰或含氮的物料加以调节。一般情况下，碱度控制在2500～ 5000mg/L时 可获得较好缓冲能力。 5000mg/L时，可获得较好缓冲能力。 mg/L
• 高温发酵(50～55℃) 高温发酵(50～55℃ 适宜温度为53 左右, 53℃ 适宜温度为53℃左右,这是甲烷菌的第二个最佳活 性温区，产气率最高。 性温区，产气率最高。 高温发酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施， 高温发酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施 ， 管理复杂。 管理复杂。 但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高， 但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高 ， 发酵 过程的停留时间只需12 15天 12～ 过程的停留时间只需12～15天。