農(nóng)業(yè)廢棄物處理工程工藝講義

關(guān)于農(nóng)業(yè)廢棄物處理工程工藝講義第一頁，共一百頁，2022年，8月28日主要污染項目：臭氣污水糞便集約化畜禽養(yǎng)殖高強度排污，超過周圍環(huán)境系統(tǒng)納污能力，使環(huán)境系統(tǒng)自凈能力喪失，生態(tài)系統(tǒng)失衡進入惡性循環(huán)狀態(tài)。8-1畜牧生產(chǎn)廢棄物及其對環(huán)境危害SH2

NH3第二頁，共一百頁，2022年，8月28日8.1.1污染物質(zhì)與環(huán)境危害可降解有機污染物

動植物性廢棄物，幾乎所有的非人工合成有機物，主要為碳水化合物，蛋白質(zhì)、脂肪和木質(zhì)素等。可在微生物作用下最終分解為簡單的無機物。難降解物質(zhì)

指那些人工合成的、難于被微生物分解的廢棄物。比如化學農(nóng)藥、抗生素等第三頁，共一百頁，2022年，8月28日3.植物營養(yǎng)物（富營養(yǎng)物）

主要是指各種形態(tài)的氮、磷等元素，有時也包括鉀、硫等植物生長所必需的元素。水體生態(tài)的嚴重失衡污泥積累、湖水退化。藍細菌的蛋白類毒素富集食物鏈中毒供水質(zhì)量下降、成本升高化合態(tài)氮毒害作用第四頁，共一百頁，2022年，8月28日有毒物質(zhì)汞、鎘、鉻、砷、鉛都是毒性較大的重金屬，還有銅、鈷、錫、鋅也有一定的毒性。聞名于世的水俁病是受汞污染的水體通過藻類、浮游生物、貝類、魚類食物鏈不斷富集放大后最終進入人體的典型的生物放大事例。隔取代骨中的鈣引起骨痛病；氟可因起軟骨?。婚L期飲用含鉻水可致口角糜爛、腹瀉和消化道機能紊亂。有毒重金屬污泥積累長期危害某些生物同化作用后毒性增加。食物鏈的生物富集放大此外常見的有毒物質(zhì)還有工業(yè)污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多環(huán)芳烴等等。第五頁，共一百頁，2022年，8月28日甲基汞(MethylMercuryCH3Hg)

甲基化短鏈烷基汞較易滲入細胞中烷基汞與-SH基之親和力使其毒性比可溶性的無機型態(tài)汞高了10～100倍汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。食物鏈富集汞被水中微生物轉(zhuǎn)化為甲基汞而進入浮游生物體內(nèi)，再經(jīng)過“浮游生物——小魚——大魚”食物鏈的富集，使大魚中有機汞濃度達到海水汞濃度的幾萬倍正常人即使在生活和工作中從未接觸過汞，其體內(nèi)及尿中仍可檢出少量汞存在。據(jù)估計，自然界的汞循環(huán)量每年可達25至150萬噸。

第六頁，共一百頁，2022年，8月28日5.酸堿及無機鹽類

冶金、加工業(yè)的酸洗廢水，冶金、礦山的硫化物氧化產(chǎn)生的酸性廢水，二氧化硫形成的酸雨，造紙、紡織、纖維、制革、洗滌劑、染料、制堿等工業(yè)排水。直接污染土壤、表面水體、地下水體，一旦污染影響長久，不易治理。6.色度

破壞景觀、影響水質(zhì)。7.病原微生物

生活、畜禽、養(yǎng)殖、食品、屠宰等。第七頁，共一百頁，2022年，8月28日8.1.2環(huán)境系的自凈化作用與納污容量污染自然污染人為污染自然地理因素等原因人類活動原因污染物在物系循環(huán)流動過程中發(fā)生演變，自然地減少消失或無害化，稱為物系的自凈。污染物濃度自然降低的能力稱為自凈能力環(huán)境系每年允許的最大納污量稱為該環(huán)境系的納污容量環(huán)境容量

自凈物理作用化學作用稀釋，沉淀，揮發(fā)，凝聚，吸附，過濾生物作用分解與化合，氧化與還原，酸堿反應(yīng)等使污染物濃度降低或毒性喪失。微生物代謝活動使污染物分解轉(zhuǎn)化成無害物質(zhì)物理污染化學污染生物污染污染物分類來源特性點源：主要指工業(yè)廢水與都市生活排水，均有固定的排放口面源：主要指來源于流域廣大面積上的降雨徑流污染，如農(nóng)藥化肥

第八頁，共一百頁，2022年，8月28日細菌群載體水底固形物氧氣有機物污染水有機物被各種微生物菌群分解代謝細菌群載體水底固形物蟲有機物污染水微生物菌群被微小動物消耗，水體透明度好轉(zhuǎn)細菌濃度升高水底固形物氧氣水中有機物污染被細菌系分解凈化水體透明度下降生物作用下的水體自凈化過程舉例第九頁，共一百頁，2022年，8月28日有毒重金屬、難降解物質(zhì)特別加以處理水質(zhì)凈化良性循環(huán)與生化處理方法原理第十頁，共一百頁，2022年，8月28日8.1.3畜禽糞便特性一物理學特性1、顆粒尺寸新收集畜禽糞便顆粒尺寸分布見表6-1（p274）直徑μmμm0.0030.3溶解固體膠質(zhì)體懸浮體氯離子，乙酸、乙醇病毒細菌0.5－10μm砂20－1000μm沉降分離超濾分子篩離心膜過濾生物、化學方法詳細討論請參考《廢水工程處理及回顧》p31第十一頁，共一百頁，2022年，8月28日2、TS、VS、灰分105℃，105℃，24小時TS600℃，600℃2小時TS灰分VS（揮發(fā)性固體）總固體水懸浮液3、含水率、容重（雞糞除外）一般鮮糞含水率高于80%，實際收集到的糞便含水率與收集方式有關(guān)。懸浮固體物與TS的區(qū)別？第十二頁，共一百頁，2022年，8月28日二生物化學特性生物化學需氧量（BOD)

BOD是指1L污水中的有機物在耗氧微生物的作用下進行氧化分解時所消耗的溶氧量(mg/L)。廢水中有機物數(shù)量繁多，但大多數(shù)有機物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有機物數(shù)量同耗氧量成正比。實際測定時常采用BOD5，即水樣在20℃的條件下培養(yǎng)5天的生化需氧量。BOD5=NBOD+CBODNBOD是還原態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮的需氧量，通常較CBOD小得多。實驗研究表明：第一階段中有機物在各個時刻的好氧速度與該時刻的污水中有機物濃度成正比關(guān)系。30℃20℃9℃day51020304050BOD(mg/L)50100200300第一階段第二階段污水的有機物濃度指標和可生化性指標更詳細的討論請參考《廢水工程處理及回顧》p56第十三頁，共一百頁，2022年，8月28日有機物＋O2能量CO2+H2O+NH3好氧菌第一階段第二階段NH3＋3O22HNO2+2H2O亞硝化菌2HNO2＋O22HNO3

硝化菌第一階段常溫下一般需要20天接近完成第二階段常溫下一般需要近百天才能完成第十四頁，共一百頁，2022年，8月28日（1）降解：有機物＋O2CO2+H2O+NH3微生物第一階段的三部分BOD（2）合成：有機物＋O2

＋能量

新細胞

（3）內(nèi)源呼吸：老細胞＋O2

CO2+H2O+NH3

BOD表示有機污染物參數(shù)時存在明顯的缺陷，即使衡量耗氧量時也是如此。因為內(nèi)源呼吸耗氧量與硝化耗氧量可能引起很大誤差。當進口BOD200mg/L,出口BOD無硝化時20mg/L，有硝化時40mg/L，則去除率分別為90%、80%，實際上有機物去除率應(yīng)該是一樣的。第十五頁，共一百頁，2022年，8月28日進口BOD=200mg/L出口BOD=NBOD+CBOD=0+20mg/L=20mg/L污水含氮極低進口BOD=200mg/L出口BOD=NBOD+CBOD=20+20mg/L=40mg/L污水含氮很高去除BOD系統(tǒng)去除BOD系統(tǒng)BOD去除率=90%BOD去除率=80%一般污水的BOD5=NBOD+CBOD≈CBOD5，與含氮量無關(guān)。假設(shè)有兩種污水除含氮量不同外其他成分完全一樣，則BOD5也相同。第十六頁，共一百頁，2022年，8月28日化學需氧量（COD)

COD是指在酸性條件下，用強氧化劑使1L被測廢水中有機物進行化學氧化時所消耗的氧量(mg/L)。COD越高表明廢水的有機物越多，目前常用的氧化劑為重鉻酸甲（K2Cr2O7)和高錳酸鉀（KMnO4)。KMnO4氧化力較弱，文獻中COD未加注明時，大多是指重鉻酸甲法的CODcr。COD一般較BOD為高，其差值表示不能被微生物降解的有機物含量。廢水種類ab生活污水1.6411.36家禽廢水1.4555.7啤酒廢水2.3246.2據(jù)Ademoroti(1986)研究認為，COD與BOD常有一定的相關(guān)關(guān)系，大多為線性關(guān)系。COD=aBOD5+b廢水生物處理，上海環(huán)保局，同濟大學出版社，1999，P21BOD5COD0.3適宜生物處理第十七頁，共一百頁，2022年，8月28日三化學特性肥料元素：N、P、K金屬元素：Cu、Zn、Fe、B、As酸堿度:雞糞偏酸pH=6-7,其他自豬、羊、牛、馬糞為弱堿性pH=7.3-8.6。雞糞、豬糞、牛糞相比較，雞消化道很短未經(jīng)徹底消化殘留于糞中的營養(yǎng)物最多，含有大量的粗蛋白等，豬糞次之，牛糞有較高的粗纖維，含營養(yǎng)物最少，雞糞還含較高的磷與硫。不同畜禽糞便沼氣發(fā)酵等生物處理時，應(yīng)注意C、N、P、S比例與含水率等特點。牛糞：C/N/P比是否過高，某些微量元素是否欠缺豬糞：氨氮是否過高，抑制微生物發(fā)酵、BOD5誤差問題等雞糞：氨氮是否過高，是否含硫過高，腐蝕、臭氣、抑制、硫酸鹽還原菌競爭等問題第十八頁，共一百頁，2022年，8月28日SO42-NO3-酸雨酸雨是自然污染嗎2、大型畜禽養(yǎng)殖場污染是點源還是面源3、酸雨是自然污染嗎？畜禽養(yǎng)殖有酸性氣體污染物嗎？1、請舉例說出水系的自凈能力、納污容量點源與面源污染。4、“最優(yōu)方法”這種概念起碼在理論上幾乎沒有價值。更應(yīng)該關(guān)注的是特征，而不是一味追求理論上的普遍性。你同意以上觀點嗎？請發(fā)表你的觀點。5、BOD5作為有機物參數(shù)有那些不足第十九頁，共一百頁，2022年，8月28日8-2糞污處理利用工程工藝與設(shè)施8.2.1糞便收集與運輸方式刮板式:自落積存式自流式水沖式分干清糞和水沖糞兩種清糞方式。我國多為干清糞，發(fā)達國家以水沖式清糞為主清糞方法與設(shè)備第二十頁，共一百頁，2022年，8月28日雞籠雞籠環(huán)流風機排氣風機雞糞雞糞自落積存式更換雞群時一次性清理1.7~2.0m第二十一頁，共一百頁，2022年，8月28日自流式清糞縫隙地板第二十二頁，共一百頁，2022年，8月28日水沖式清糞帶仔母豬仔豬育肥豬前期育肥豬后期妊娠母豬奶牛與肉牛沖水量m3/頭.天0.1330.0150.0380.0570.0950.38表6-4每日最少沖洗量最小用水量主要根據(jù)經(jīng)驗資料得到第二十三頁，共一百頁，2022年，8月28日畜禽糞便產(chǎn)量（p274表6-2）可參考《設(shè)施農(nóng)業(yè)工程工藝及建筑設(shè)計》教材p216的計算公式以及表8-1~8-4。注意：養(yǎng)殖畜禽工藝設(shè)計-----小糞污處理工藝設(shè)計-----大工藝設(shè)計中常見到的取值偏差現(xiàn)象的背后原因思考問題：第二十四頁，共一百頁，2022年，8月28日糞便輸送方式固態(tài)：低于70%車半固態(tài)：70%-80%輸送帶、螺旋輸送機械半液態(tài)：80%-90%管道、污泥泵液態(tài)：高于90%第二十五頁，共一百頁，2022年，8月28日8.2.2畜禽糞便處理工藝與設(shè)施1、物理處理一級處理大尺寸固形物，砂泥格柵二沉池污泥超濾第二十六頁，共一百頁，2022年，8月28日沉降分離固液分離機械分離（離心、壓濾、篩分）干燥（常溫干燥、高溫干燥、微波干燥）工藝與設(shè)備設(shè)計（專業(yè)課程：化工原理或單元操作過程）物理處理主要用于一級處理第二十七頁，共一百頁，2022年，8月28日2、化學處理氧化法（臭氧氧化；次氯酸、氯氣消毒等等）絮凝沉淀法（明礬、硫酸鋁、硫酸亞鐵等絮凝劑）酸堿中和法主要用于預(yù)處理或后期處理第二十八頁，共一百頁，2022年，8月28日3、生物化學處理二級處理的主體。成本低，應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟微生物適宜的環(huán)境特點分類好氧（微生物）法兼氧（微生物）法厭氧（微生物）法比如實踐常見的好氧兼氧厭氧生物塘、反應(yīng)器第二十九頁，共一百頁，2022年，8月28日廢水微生物處理方法很多，若根據(jù)起主要作用的微生物的呼吸類型，可分為好氧處理、厭氧處理和兼氧處理。如果根據(jù)微生物存在的狀態(tài)，可分為懸浮生長系統(tǒng)和固定膜系統(tǒng)。穩(wěn)定塘是一種藻類-細菌互生系統(tǒng)。對于廢水微生物處理方法綜合歸納如下：第三十頁，共一百頁，2022年，8月28日糞尿處理系統(tǒng)也不盡相同，較為典型的糞尿處理系統(tǒng)有以下幾種：第一種方式處理系統(tǒng)靠人工清掃或機械刮糞，糞尿分離分別進行處理。第二種方式是豬糞尿直接進行厭氧發(fā)酵處理后排放或利用。第三種方式是將豬糞尿通過自然沉淀而分離為濃稠物和稀液分別進行處理。第四種方式則通過固液分離機把糞尿水固液分離，然后分別處理。第三十一頁，共一百頁，2022年，8月28日第三十二頁，共一百頁，2022年，8月28日“能源生態(tài)型”工藝（Processof“energyecological”disposingandusing）畜禽養(yǎng)殖場污水經(jīng)厭氧消化處理后作為農(nóng)田水肥利用的處理利用工藝?！澳茉喘h(huán)保型”處理利用工藝一般在厭氧處理后需再經(jīng)好氧工藝處理以使排水達到國家標準。“能源環(huán)保型”工藝（Processof“energyenvironment”disposingandusing）畜禽養(yǎng)殖場的畜禽污水處理后達標排放或以回用為最終目標的處理工藝。厭氧處理沼氣沼渣、沼液作為肥料利用厭氧處理沼氣達標排放好氧處理等第三十三頁，共一百頁，2022年，8月28日qscsksqmax+cs=qmax稱為基質(zhì)最大比消耗速率。Monod方程csksμ=μmax+cs該方程描述了細胞生長速率與限制性基質(zhì)濃度的關(guān)系，是由現(xiàn)代細胞生長動力學的奠基人Monod在1942年提出的經(jīng)驗方程。μ為細胞比生長速率(1/s)；μmax為最大細胞比生長速率；cs為限制性基質(zhì)濃度（g/L）；ks為飽和常數(shù)（g/L），其值等于比生長速率恰等于最大比生長速率的一半時的限制性基質(zhì)濃度。第三十四頁，共一百頁，2022年，8月28日沼氣池高產(chǎn)出率（小型高速產(chǎn)氣）指標沼氣池排水高凈化（高度降解率）指標反應(yīng)器設(shè)計無法同時獲得高指標。第三十五頁，共一百頁，2022年，8月28日沉降分離剩余污泥凈化水氣體產(chǎn)物（CO2，N2，H2S等）污物+水污染物+水氣體產(chǎn)物+生物污泥+水沉降分離性能必須給以足夠的重視！處理凈化系統(tǒng)第三十六頁，共一百頁，2022年，8月28日凈化水污泥污水一級處理大尺寸固形物，砂泥二級處理懸浮物、膠質(zhì)體、溶解有機物格柵初沉池生物降解二沉池第三十七頁，共一百頁，2022年，8月28日有機廢水生物處理特點厭氧處理好氧處理廢水濃度滯留時間BOD除去率動力主要副產(chǎn)物5-20日3-10時間80-95%低高質(zhì)燃料高濃度低濃度80-99%高出十倍待處理污泥厭氧處理能量產(chǎn)出多少與原水溫度、COD濃度、發(fā)酵溫度有關(guān)。為了達到排放標準往往需要好氧處理工藝等進一步處理第三十八頁，共一百頁，2022年，8月28日

①耗氧菌呼吸

CH3COONa＋2O2→NaHCO3＋H2O＋CO2

△Go＝-848.08KJ/mol②反硝化菌呼吸

5CH3COONa＋8NaNO3→4N2＋7NaHCO3＋3Na2CO3＋4H2O

△Go＝-782.78KJ/mol③硫酸塩還原菌呼吸

CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS

△Go＝-46.88KJ/mol④產(chǎn)甲烷菌呼吸

CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3

△Go＝-29.30KJ/mol以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能第三十九頁，共一百頁，2022年，8月28日以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能好氧菌反硝化菌硫酸還原菌甲烷菌能量收支衡算表明：20℃原水，30℃發(fā)酵，100m3/d，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常規(guī)參數(shù)，1270CODmg/L時厭氧與好氧處理能量投入相同。COD小于1270mg/L時，厭氧處理更消耗能量。第四十頁，共一百頁，2022年，8月28日8.2.3畜禽糞便沼氣工程第四十一頁，共一百頁，2022年，8月28日復雜有機物碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂類簡單溶解性有機物1水解1發(fā)酵脂肪酸、醇類11H2，CO2CH3COOH22產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌3同型產(chǎn)乙酸菌5產(chǎn)甲烷菌CH4+CO2產(chǎn)甲烷菌4甲烷產(chǎn)量的70%甲烷產(chǎn)量的30%1、沼氣發(fā)酵原理水解發(fā)酵階段產(chǎn)酸產(chǎn)氫階段產(chǎn)甲烷階段液化階段酸化階段氣化階段按降解機理分段：按物性變化分段：（1）厭氧消化三階段第四十二頁，共一百頁，2022年，8月28日（2）產(chǎn)酸菌、硝酸還原菌、硫酸還原菌和甲烷菌的生態(tài)關(guān)系水系中產(chǎn)酸、產(chǎn)氫菌、硝酸還原菌、硫酸還原菌、甲烷菌等菌群間形成了食物鏈似的生態(tài)關(guān)系。比如各水層或者說各種菌落活動空間的適宜氧化還原電位及Ph值，是各類微生物創(chuàng)造的；又比如若沒有甲烷菌和硫酸還原菌利用H2，使氫氣分壓保持很低的水平，醋酸、H2生成菌無法生存，因為象丙酸分解成醋酸、氫氣的反應(yīng),只有在氫氣分壓低于10-4atm時，自由能變化才小于零，反應(yīng)才可能進行。這種必須與其它菌共存的關(guān)系，叫共生關(guān)系（syntrophicassociation).硫酸還原硝酸還原產(chǎn)甲烷第四十三頁，共一百頁，2022年，8月28日O2好氧菌類硝酸還原菌硫酸還原菌產(chǎn)甲烷菌NO3-SO4-2氧化還原電位降低CO2，H2，C2O2H4空氣反應(yīng)器中菌群協(xié)作關(guān)系：適宜氧化還原電位形成第四十四頁，共一百頁，2022年，8月28日菌群的協(xié)作、共生、競爭關(guān)系第四十五頁，共一百頁，2022年，8月28日水解產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌硫酸還原菌產(chǎn)甲烷菌降解，液化CO2，H2，C2O2H4H2醋酸、H2生成菌的生存要求極低的H2分壓競爭共生協(xié)作第四十六頁，共一百頁，2022年，8月28日③硫酸塩還原菌呼吸

CH3COONa＋Na2SO4→2NaHCO3＋NaHS△Go＝-46.88KJ/mol④產(chǎn)甲烷菌呼吸

CH3COONa＋H2O→CH4＋NaHCO3△Go＝-29.30KJ/mol產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌與硫酸還原菌或產(chǎn)甲烷菌共生，在厭氧消化中十分重要。如若沒有甲烷菌和硫酸還原菌利用H2，使氫氣分壓保持很小，醋酸、H2生成菌無法生存，甲烷菌的共生菌與硫酸還原菌的共生菌相比較，產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫速度較慢，這是因為通過共生系可獲得的自由能較少。第四十七頁，共一百頁，2022年，8月28日（3）厭氧消化微生物主要發(fā)酵細菌羧菌屬（Clostridium）降解淀粉、蛋白質(zhì)等有機物，產(chǎn)生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。似桿菌屬（Bacteroides）降解纖維素或半纖維素。丁酸弧菌屬（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白質(zhì)等真細菌屬（Eubacterium）蛋白質(zhì)、糖類等的分解雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）分解蛋白質(zhì)等。發(fā)酵細菌很多，以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些微生物的主要功能是通過胞外酶的作用將固形有機物水解成溶解有機物，再將可溶性的大分子有機物降解成有機酸、醇等。參考（徐亞同、史家梁、張明，污染控制微生物工程，化工出版社，2001，pp41-47；永井史朗、嫌気性微生物、1993）修改主要功能胞外酶作用固形有機物溶解有機物水解第四十八頁，共一百頁，2022年，8月28日主要產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌互營單細胞菌屬（Syntrophomonas）互營桿菌屬（Syntrophobacter）羧菌屬（Clostridium）暗桿菌屬（Pelobacter）等。這些微生物的主要功能是可將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H2。這些菌的產(chǎn)乙酸、產(chǎn)氫反應(yīng)，只有在氫分壓很低時才能完成。2CH3CH2COOH+2H2O3CH3COOH+2H2主要功能胞內(nèi)酶作用揮發(fā)性脂肪酸乙酸和H2降解第四十九頁，共一百頁，2022年，8月28日

產(chǎn)甲烷菌是自然界中最古老（36億年左右），分布最廣的一種微生物。不但土壤、湖沼、動物消化道、水田、海水等普通環(huán)境，高濃度鹽湖、深海、溫泉等極限環(huán)境中都有甲烷菌生存。例如，已發(fā)現(xiàn)有可在4MNaCl濃度條件下生存的甲烷菌，可在110℃高溫水體中生存的甲烷菌，甚至適宜生長溫度高達85℃的甲烷菌。產(chǎn)甲烷菌在厭氧水系生態(tài)碳鏈中，使處于最底層的一類微生物。氫氣是大多數(shù)甲烷菌種共同可以利用的基質(zhì)，也是在厭氧條件下，最普遍存在的能源物質(zhì)。甲烷菌在400nM光源照射下，發(fā)出藍綠色熒光。利用這一特點，在熒光顯微鏡下，容易識別區(qū)分于其他細菌。甲烷菌的熒光來源于甲烷菌體內(nèi)的輔酶F420(Methanothrix屬細菌的F420含量較低，熒光不易觀察)產(chǎn)甲烷細菌4H2+CO2CH4+H2O3CH3COOHCO2+CH4第五十頁，共一百頁，2022年，8月28日4H2+CO2CH4+H2O3CH3COOHCO2+CH4氧化還原電位在-400~-150mV之間（另有說法認為必須小于-330mV）1升30℃、pH7.0的水在-330mV時，與大氣平衡的含氧濃度為1.48x10-56分子/升?？梢娡ㄟ^除氧來獲取低電位十分困難。這使得甲烷菌的純分離培養(yǎng)有一定的難度。產(chǎn)甲烷菌的研究，70年代后期才越來越受到重視，并取得了較快的進展。比如80年時研究發(fā)現(xiàn)的甲烷菌共有4屬11種，世代時間最快的為3小時；到1992年正式發(fā)表的甲烷菌就增加到了19屬59種，世代時間最快的僅為26分鐘。甲烷菌中可代謝乙酸的甲烷菌不過兩屬。大多數(shù)甲烷菌是利用氫氣和二氧化碳生成甲烷。第五十一頁，共一百頁，2022年，8月28日八疊球菌第五十二頁，共一百頁，2022年，8月28日Methanothrix屬細菌Methanothrix屬細菌在厭氧處理反應(yīng)器中是最重要的細菌，尤其在上流式污泥床反應(yīng)器中大量存在。它只能代謝醋酸，其增長速度很慢，世代時間為3-7天。第五十三頁，共一百頁，2022年，8月28日第五十四頁，共一百頁，2022年，8月28日（4）厭氧消化降解的甲烷化1）碳水化合物碳水化合物包括纖維素、半纖維素和淀粉等，屬于多糖類，同時可用(C6H10O5)x表示。這是污水中常見的有機物，其消化過程如下：(C6H10O5)x+（x-1)H2OxC6H12O6xC6H12O6酶發(fā)酵有機酸+醇類有機酸醇類CH3COOH+H2第1階段第2階段這兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+2H2O2CH3COOH+4H2+2CO2第3階段2CH3COOH2CH4+2CO24H2+CO2CH4+2H2O第五十五頁，共一百頁，2022年，8月28日上兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+2H2O2CH3COOH+4H2+2CO2第3階段2CH3COOH2CH4+2CO24H2+CO2CH4+2H2O凈反應(yīng)為C6H12O63CH4+3CO2由以上反應(yīng)可見，由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷約占甲烷總產(chǎn)量的2/3。第五十六頁，共一百頁，2022年，8月28日2）脂類包括脂肪和油類，也是污水中常見的有機物。其消化過程如下：第1階段第2階段脂肪油類+H2OR-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油CH3(CH2)16COOH=16H2O9CH3COOH+16H2脂肪酸氧化成乙酸和氫氣。例如第3階段9CH3COOH9CH4+9CO216H2+4CO24CH4+8H2O凈反應(yīng)為CH3(CH2)16COOH+8H2O13CH4+5CO2可見，以脂質(zhì)為基質(zhì)時，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%，其中69%是由乙酸分解產(chǎn)生的。第五十七頁，共一百頁，2022年，8月28日3）蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)是由若干個氨基酸分子組成的高分子化合物，其消化過程如下：第1階段第2階段蛋白質(zhì)+H2O氨基酸（R）酶有機酸

CH3COOH+H2第3階段CH3COOHCH4+CO24H2+CO2CH4+2H2O蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的NH4和CO2可生成NH4HCO3，這可提高消化液的堿度，并提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解產(chǎn)生H2S、形成臭味和一定的腐蝕性。氨基酸通式為R-C-COOH

NH2

HR-C-COOH

NH2

H發(fā)酵有機酸+NH4HCO3據(jù)蛋白質(zhì)一般組成計算，沼氣的甲烷含量為73%，且72%來自乙酸。第五十八頁，共一百頁，2022年，8月28日2、沼氣發(fā)酵池設(shè)計計算沼氣池容積計算

1根據(jù)有機負荷計算：V=QS0/Nv

V有效容積，m3 Q設(shè)計流量，m3．d-1 Nv容積負荷，kg．m-3．d-1（BOD或COD）

S0料液濃度，kg．m-3（BOD或COD）

2根據(jù)水力滯留時間計算：V=Qt t水力滯留時間，d第五十九頁，共一百頁，2022年，8月28日按每頭豬排糞5kg,TS（干物質(zhì)含量）=25%計算以你們已有的知識能否判斷5kg/頭天與TS=25%是否相互矛盾，造成的誤差如何？作業(yè)：試依據(jù)p274表6-2的數(shù)據(jù)計算1200頭豬糞便的TS量，并與教材310頁的計算相比較第六十頁，共一百頁，2022年，8月28日8.2.4畜禽糞便堆肥處理第六十一頁，共一百頁，2022年，8月28日生產(chǎn)有機肥料方式主要有4種：條形堆腐處理：在敞開的棚內(nèi)或露天將畜禽糞便堆積成寬1.5m、高1m的條形，進行自然發(fā)酵，根據(jù)堆內(nèi)溫度，人工翻倒，堆制時間約需3～6個月大棚發(fā)酵槽處理：修筑寬8～10m，長60～80m，高1.3～1.5m的水泥槽，畜禽糞便置入槽內(nèi)并覆蓋塑料大棚，利用翻倒機倒料，堆腐需要20d左右。密閉發(fā)酵塔堆腐處理：利用密閉型多層塔式發(fā)酵裝置進行畜禽廢棄物堆腐發(fā)酵處理，堆腐時間7-10d。烘干處理：大多利用橫式圓筒裝置，燒煤直接烘干的處理方法，多用于雞糞處理。1、我國畜禽場堆肥的主要方式第六十二頁，共一百頁，2022年，8月28日密閉塔式發(fā)酵處理方法生產(chǎn)效率高，時間短，占地少，生產(chǎn)現(xiàn)場環(huán)境要好于前兩種方法，但生產(chǎn)成本也最高。雞糞烘干處理生產(chǎn)能力低，規(guī)模小，最大問題是臭氣污染嚴重，受到群眾的抱怨。條堆形人工翻倒的方法經(jīng)濟成本低，但效率也低，堆腐時間過長，生產(chǎn)規(guī)模小。大棚堆腐發(fā)酵、機械翻倒的生產(chǎn)方法與人工翻倒相比，規(guī)模大、堆腐處理時間大幅度縮短、減輕體力勞動，但生產(chǎn)成本高于人工翻倒，且排放的氣體易造成空氣污染。第六十三頁，共一百頁，2022年，8月28日2、基本控制參數(shù)條件a.水分控制一般認為堆肥初始相對含水量在40～70%能保證堆肥的順利進行,而最適宜含水量為50～60%。b.通風供氧的控制文獻中推薦的通風供氧范圍廣泛:低到每千克揮發(fā)性固體通入0.04～0.08Lmin-1空氣,高到0.87～1.87Lmin-1;Mathur(1991)認為堆肥高溫階段適宜的通風為每千克揮發(fā)性固體通入0.6～1.8m3d-1(0.42～1.25Lmin-1)空氣。第六十四頁，共一百頁，2022年，8月28日c.溫度的控制溫度是堆肥化過程重要的操作控制參數(shù),它既是微生物活動的結(jié)果也決定著微生物活動。堆肥過程中溫度的調(diào)控作用在于:(1)堆肥初期在30～50℃條件下,中溫性微生物活動產(chǎn)生熱量,促使堆體溫度升高;(2)在45～65℃,最適溫度為55～60℃的條件下,嗜熱性微生物可以降解大量的有機物質(zhì),而且短時間內(nèi)能迅速分解纖維素。堆肥的最佳溫度,眾多學者觀點不一,一般認為,堆肥溫度應(yīng)控制在45～65℃之間,其中以55～60℃之間較佳。第六十五頁，共一百頁，2022年，8月28日d.揮發(fā)性物質(zhì)的控制一般認為,高溫好氧堆肥適宜的含量為20%～80%,當含量低于20%時,不能為微生物提供足夠的能源物質(zhì),影響其活動,產(chǎn)熱量下降,無法達到高溫無害化的目的;高于80%,堆肥過程中對供氧的要求高,往往達不到良好的好氧條件而產(chǎn)生惡臭。e.C/N比的控制堆料應(yīng)控制適宜的C/N,若C/N比過高,微生物增殖時由于氮不足,生長受到限制,堆溫降低,有機物降解速度變得緩慢,堆肥時間變長;若C/N比過低,可利用的碳完全被利用,而過量的氮以氨氣形式損失,不僅影響環(huán)境而且造成氮素肥效的降低,影響堆肥產(chǎn)品品質(zhì)。第六十六頁，共一百頁，2022年，8月28日f.容積密度的控制堆肥容積密度是堆料孔隙度指標，影響著堆肥的氣質(zhì)阻力,從而影響堆肥過程。容積密度常被用來作為設(shè)計托運堆肥和翻堆混合堆肥時所需能量的考慮，它與水分含量、堆料的強度和可壓縮性有關(guān)。當容積密度太低時,堆體內(nèi)有太多的通氣孔隙,堆體溫度過低;當容積密度太高時,通氣孔隙不足,導致厭氧條件。g.pH值的控制堆肥初期,pH影響細菌的活動,豬糞和鋸屑混合堆肥,以6為界點,pH<6抑制二氧化碳和熱量產(chǎn)生;>6時二氧化碳和熱量產(chǎn)生量快速增加。堆肥進入高溫期后,高pH和高溫共同作用導致了NH3幾乎不溶于水,造成NH3揮發(fā)。第六十七頁，共一百頁，2022年，8月28日以天津為例：現(xiàn)有廠家中商品有機肥生產(chǎn)能力為5萬噸以上，實際年生產(chǎn)量不足7500噸/年，僅占設(shè)計生產(chǎn)量的15％。設(shè)計生產(chǎn)能力廠家數(shù)占總生產(chǎn)能力的比率3000t／年以上960％2000-3000t／年13．3％2000t／年以下26．7％。實際生產(chǎn)量廠家數(shù)占總生產(chǎn)量的比率3000t／年以上16.7％1000t／年320％500t／年13.3％200t／年213.3％50t／年213.3％停產(chǎn)533.3％3、有機肥料生產(chǎn)現(xiàn)狀與問題第六十八頁，共一百頁，2022年，8月28日存在問題(1)工藝落后，部分廠家屬于作坊，效率低，產(chǎn)品質(zhì)量差。(2)大棚堆腐發(fā)酵槽的翻倒機械基本上都是旋轉(zhuǎn)攪拌式機械，翻倒深度淺，效率低，混勻效果差。(3)無論是條堆型還是大棚發(fā)酵槽方法，甚至有的發(fā)酵塔式處理，都沒有通風設(shè)備。對影響堆腐發(fā)酵進程的關(guān)鍵因素，如C／N比、含水量以及溫度調(diào)控等環(huán)節(jié)，幾乎都沒有調(diào)控，致使處理效果及肥料品質(zhì)降低。(4)商品性較差，66.7％的產(chǎn)品為粉狀劑，施用不便，效果也差；造粒產(chǎn)品只占總產(chǎn)量的1／3，其中的3／4是擠壓造粒，在搬運、存儲過程中極易粉碎。(5)管理不規(guī)范，多沒有產(chǎn)品標準、工業(yè)規(guī)程和檢測規(guī)程，如有機肥腐熟度檢定、品質(zhì)檢定等，生產(chǎn)帶有盲目性和隨意性，直接影響產(chǎn)品質(zhì)量。(6)生產(chǎn)操作環(huán)境差，污染環(huán)境。(7)市場銷售不暢。第六十九頁，共一百頁，2022年，8月28日重金屬問題以豬糞原料生產(chǎn)的有機肥的銅、鋅含量分別是部分歐洲國家、加拿大、日本有機堆肥最大允許值的5-9倍和3～7倍。砷含量也有超標現(xiàn)象。雞糞有機肥的汞含量已接近最大允許值。牛糞為原料的有機肥重金屬含量在允許范圍之內(nèi)。質(zhì)量問題66．7％為粉狀，即堆腐發(fā)酵處理后粉碎，包裝；20％為擠壓造粒，堆腐發(fā)酵處理后粉碎，經(jīng)擠壓成柱狀，烘干包裝；6.7％為圓盤滾動造粒，堆腐發(fā)酵處理后粉碎，經(jīng)圓盤滾動成圓粒狀，篩分、包裝；雞糞直接烘干成粒的占6.7％。運輸問題

經(jīng)濟運輸距離的限制。第七十頁，共一百頁，2022年，8月28日4、有機肥經(jīng)濟運輸距離運輸費用2003年價格2.52元／t·km曾悅，洪華生，曹文志，陳能汪，王衛(wèi)平；畜禽養(yǎng)殖廢棄物資源化的經(jīng)濟可行性分析。廈門大學學報(自然科學版)Vo1．43，（2004）195-200按肥料營養(yǎng)成分換算化肥當量，植物種類不同肥料用量不同，化肥價格、運費按2003年計算第七十一頁，共一百頁，2022年，8月28日8-3農(nóng)作物秸稈再利用工程與設(shè)備秸稈還田利用

秸稈氨化處理技術(shù)

秸稈氣化技術(shù)

秸稈的壓縮成型技術(shù)第七十二頁，共一百頁，2022年，8月28日8-4有機污水處理新技術(shù)第七十三頁，共一百頁，2022年，8月28日當廢水中有機物濃度較高時，一般BOD5超過1500mg/L時，就不宜用好氧處理，而應(yīng)該采用厭氧處理的方法。同好氧處理相比，厭氧處理的主要特點為：厭氧處理廢水時，去除1kgCOD能產(chǎn)生0.35m3的甲烷；厭氧反應(yīng)器不受氧傳遞的限制。單位容積負荷遠高于好氧系統(tǒng)，產(chǎn)生的污泥量少，運行費用低。因此厭氧處理在畜禽養(yǎng)殖等廢棄物處理中得到廣泛運用。

8.4.1厭氧生物處理基本工藝方法集氣構(gòu)造第七十四頁，共一百頁，2022年，8月28日1）氧化還原電位（ORP）

由于產(chǎn)甲烷菌在厭氧處理的各個階段中，對環(huán)境的影響最敏感，世代時間相對較長，甲烷化反應(yīng)速度較慢，常是厭氧消化過程的控制階段。厭氧反應(yīng)其應(yīng)重點滿足甲烷菌的環(huán)境要求。甲烷菌對氧化還原電位的要求一般為-330nV以下，但這個氧化還原電位通常是指常溫條件的數(shù)值?？捎糜诔鼗蛑袦胤磻?yīng)器的設(shè)計與運行管理指標。但是在高溫反應(yīng)器中適宜的氧化還原電位要低得多，一般應(yīng)低于-500mV。

1、影響厭氧反應(yīng)器處理效果的主要因素一般情況下，氧的溶入是引起發(fā)酵系統(tǒng)的氧化還原電位升高的主要和直接原因。但應(yīng)注意，氧化劑或氧化物質(zhì)的存在，同樣可使氧化還原電位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。第七十五頁，共一百頁，2022年，8月28日2）溫度溫度是影響微生物生命活動的重要因素之一，也是動力學的重要影響因素。好氧生物處理只有一個最適宜溫度，而厭氧生物處理一般存在兩個最適宜溫度。分別為35℃附近和55℃附近。這是由反應(yīng)器中存在的厭氧消化微生物的適宜溫度，是以產(chǎn)甲烷菌的適宜溫度為主要因素所決定的，而一般厭氧反應(yīng)器中的甲烷菌以只能分解乙酸的Methanothrix屬為主，這種甲烷菌的適宜溫度分為35

~

40℃和55

~

65℃兩類。工程上的厭氧反應(yīng)器有常溫、中溫、高溫三種方式。中溫處理一般為33~

38℃，高溫處理為50

~

60℃。厭氧發(fā)酵對溫度突變比較敏感，突然的溫度變化可使甲烷化嚴重受阻。第七十六頁，共一百頁，2022年，8月28日第七十七頁，共一百頁，2022年，8月28日3）pH值

產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值為7.0左右，大體在6.8

~

7.4之間。厭氧反應(yīng)器中的pH值，取決于進水的pH值，有機物濃度和三階段微生物群的生命活動過程建立的平衡及緩沖能力。反應(yīng)器的pH值過低，常表現(xiàn)為揮發(fā)酸濃度過高；pH值過高，常見于NH4-濃度過高。第七十八頁，共一百頁，2022年，8月28日4）有機負荷

在厭氧法中，有機負荷通常是指容積有機負荷，簡稱容積負荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機物量[kgCOD/m3.d]。此外也有用污泥負荷表達的，即[kgCOD/kgVSS.d]。厭氧消化過程中，產(chǎn)酸階段反應(yīng)速率比產(chǎn)甲烷階段反應(yīng)速率快得多，必須十分謹慎的選擇有機負荷，使揮發(fā)性脂肪酸的生成和消耗不致失調(diào)，形成揮發(fā)酸的積累。為保持系統(tǒng)的平衡，有機負荷不能過高。厭氧生物處理可采用比好氧生物處理高得多的有機負荷，一般在5~10[kgCOD/m3.d],甚至可達50[kgCOD/m3.d]。第七十九頁，共一百頁，2022年，8月28日5）攪拌和混合混合攪拌是提高消化效率的工藝條件之一。沒有攪拌的厭氧消化器內(nèi)，常有料液分層現(xiàn)象。攪拌可消除分層，促進基質(zhì)與微生物間的傳質(zhì)速度和甲烷、二氧化碳等產(chǎn)物的逸出速度。有些研究認為,攪拌強度不能過大；對于攪拌的頻度，則有完全不同的觀點，即頻頻攪拌為好，還是間歇的適當攪拌為好，存在兩種研究結(jié)果與觀點。反對頻頻攪拌的觀點認為，甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環(huán)境。第八十頁，共一百頁，2022年，8月28日6）重金屬

重金屬對厭氧系統(tǒng)的毒性作用有較多的研究。根據(jù)以往的研究，金屬毒性作用主要有兩種方式，一是通過與微生物酶的巰基、氨基、羧基等相結(jié)合，而使酶失去活性；二是通過金屬氫氧化物凝聚作用使酶沉淀。近年來的一些研究表明，F(xiàn)e、Ni、Co、W、Mo、Se等金屬元素對厭氧發(fā)酵有促進作用，而且Fe、Ni、Co等元素不足時，會使一些重要的合成酶無法形成，從而使厭氧反應(yīng)受到嚴重影響。HS-CH2CH2-SO3H,輔酶M(HS-CoM)Mg(S-CoM)2乙?guī)€基乙烷磺酸第八十一頁，共一百頁，2022年，8月28日厭氧微生物的生長繁殖，需要按一定的比例攝取碳、氫、氧、氮、磷及其他微量元素。一般工程上主要控制進料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般認為，厭氧法中的碳、氫、磷的比例應(yīng)控制在200-300：5：1為宜。其中以碳氮比的控制較為重要。碳氮比過高，不僅厭氧菌增值緩慢，而且消化液的緩沖能力較低，在有機負荷較高等情況下，pH容易下降。相反，若氮源過多，即碳氮比太低，反硝化過程將產(chǎn)生大量的氨，使值升高。當值升高到7.9以上時，會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，使消化效率降低。7）營養(yǎng)比第八十二頁，共一百頁，2022年，8月28日

厭氧接觸反應(yīng)器排出的混合液在沉淀池中分離后再回流到反應(yīng)器中。與普通消化池相比，它不需要很長的水力停留時間或很大的反應(yīng)器容積。有效處理的關(guān)鍵在于污泥沉淀性能和污泥分離效率。該法適用于處理BOD5大于1500mg/L的廢水，出水的BOD5在200mg/L～1000mg/L之間。運行溫度大多數(shù)是在中溫范圍，有機負荷為2.1kg（BOD）/m3·d～5.0kg（BOD）/m3·d或12.5kg（COD）/m3·d～30.0kg（COD）/m3·d。2、厭氧接觸工藝沼氣出水排泥污水或污泥真空脫氣器沉淀池出水回流污泥第八十三頁，共一百頁，2022年，8月28日污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒有載體，絮狀污泥在上升水流和氣泡的作用下處于懸浮狀態(tài)。絮狀污泥是直徑為1mm～5mm的顆粒，反應(yīng)器中水流均勻分布，避免進水短流。3、厭氧污泥床反應(yīng)器（ASB）上流式厭氧污泥床反應(yīng)器（UASB；70年代初首先在荷蘭研制開發(fā)）是厭氧污泥床反應(yīng)器中有代表性的一種形式，已在許多廢水處理廠中得到應(yīng)用。這種反應(yīng)器有反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)和氣室區(qū)組成。廢水從底部經(jīng)配水器均勻分布進入后，向上運動。反應(yīng)器下部是濃度較高的污泥層，稱為污泥床，污泥床上部是濃度較低的懸浮污泥層。污泥床和懸浮污泥層常統(tǒng)稱為反應(yīng)區(qū)。

入水三相分離器沼氣上流式厭氧污泥床（USAB)沉淀區(qū)反應(yīng)區(qū)出水懸浮區(qū)污泥層第八十四頁，共一百頁，2022年，8月28日8.4.2污水好氧處理第八十五頁，共一百頁，2022年，8月28日

活性污泥法是利用微生物在生長繁殖過程中形成表面積較大的菌膠團，大量絮凝和吸附廢水中懸浮的膠體或溶解的污染物，并將這些物質(zhì)攝入細胞體內(nèi)，在氧的作用下，將這些物質(zhì)同化為菌體組分，或完全氧化為二氧化碳、水等物質(zhì)。這種具有活性的微生物菌膠團或絮狀泥粒狀的微生物群體即稱為活性污泥。以活性污泥為主體的廢水處理法就叫活性污泥法。1活性污泥法

活性污泥的微生物有細菌、霉菌和原生動物等組成。細菌是活性污泥中最重要的成員，除一般的球菌、桿菌、螺旋菌外，還有許多比較高級的絲狀細菌。

細菌的種類隨污水性質(zhì)變化一．活性污泥中的微生物

第八十六頁，共一百頁，2022年，8月28日

在活性污泥中，細菌以菌膠團的形式存在，它是一個相當復雜的微生物群落。雖然一種活性污泥中也許只有一種或幾種菌占優(yōu)勢，但是，要有效地降低廢水中的BOD和COD，還需要菌膠團中多種微生物的相互配合。在活性污泥中常含有酵母和霉菌，它們能在酸性條件下生長繁殖，且需氧量比細菌少，所以在處理某些特種工業(yè)廢水及有機固體廢渣中起到重要作用。但總的來講，在廢水處理中真菌種類并不多，數(shù)量也較少。常見的為酵母、假絲酵母、青霉菌和鐮刀霉菌。在活性污泥處理系統(tǒng)中，有大量的原生動物和微型動物，它們以游離的細菌和有機微粒作為食物，因此可以起到提高出水水質(zhì)的作用。原生動物和微型動物還可作為指示生物來推測廢水處理的效果和系統(tǒng)運行是否正常。如果活性污泥系統(tǒng)運轉(zhuǎn)不正常，出水水質(zhì)差，則原生動物以游泳型的纖毛類為主，如草履蟲（Paramecium）。如果運轉(zhuǎn)正常，出水良好，原生動物則以固著的纖毛類為主，例如鐘蟲、累枝蟲（Epistylis）等，并有后生動物出現(xiàn)，如輪蟲、甲殼蟲和線蟲。第八十七頁，共一百頁，2022年，8月28日污泥性狀不好時出現(xiàn)的一種原生動物第八十八頁，共一百頁，2022年，8月28日ボルティケラ污泥狀態(tài)良好時常見到的一種原生動物第八十九頁，共一百頁，2022年，8月28日第九十頁，共一百頁，2022年，8月28日二活性污泥的性質(zhì)特征及有關(guān)組成性質(zhì)特征正常工作的活性污泥一般呈黃褐色絮絨狀顆粒有機物占75-85%，主要為微生物，無機物占15-25%較大比表面積：20-200cm2/ml