堆肥化及沼氣化處理技術(shù)

第二節(jié)固體廢物的生物處理概念：利用微生物的新陳代謝作用使固體廢物分解、礦化或氧化的過程，稱為固體廢物的生物處理技術(shù)。作用：可將大量的固體廢物通過各種工藝轉(zhuǎn)換為有用的物質(zhì)和能源。例如：提取各種有價金屬，生產(chǎn)肥料、沼氣、葡萄糖和微生物蛋白質(zhì)等。

生物轉(zhuǎn)化技術(shù)就是利用微生物的分解、轉(zhuǎn)化將固體廢物中易于生物降解的有機(jī)組分轉(zhuǎn)化為腐殖肥料、沼氣或其他化學(xué)轉(zhuǎn)化品，從而達(dá)到固體廢物無害化的一種處理方法。（一）堆肥化的定義與分類堆肥化(Composting)是在人工控制條件下，使來源于生物的有機(jī)廢物發(fā)生生物穩(wěn)定作用(Biostablization)的過程。具體講就是依靠自然界廣泛分布的細(xì)菌、放線菌、真菌等微生物，在一定的人工條件下，有控制地促進(jìn)可被生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)轉(zhuǎn)化的生物化學(xué)過程，其實(shí)質(zhì)是一種發(fā)酵過程。廢物經(jīng)過堆肥化處理，制得的成品叫做堆肥(Compost)。它是一類棕色的、泥炭般的腐殖質(zhì)含量很高的疏松物質(zhì)，故也稱為“腐殖土”。生物轉(zhuǎn)化技術(shù)之一—好氧堆肥分類：根據(jù)堆肥化過程中氧氣的供應(yīng)情況可以把堆肥化過程分成兩種。

1、好氧堆肥（高溫堆肥）：在通氣條件好，氧氣充足的條件下通過好氧微生物的代謝活動降解有機(jī)物。特點(diǎn)：一般在55～60℃時比較好，有時可高達(dá)80～90℃，堆制周期短，也稱為高溫堆肥或高溫快速堆肥。2、厭氧堆肥：是在氧氣不足的條件下借助厭氧微生物發(fā)酵堆肥。特點(diǎn)：堆制溫度低，工藝較簡單，厭氧堆肥中氮素保留比較多，但堆制周期過長，需3～12個月，異味濃烈，分解不夠充分。合成(同化作用)氧化堆肥有機(jī)物(含C、H、O、N、S、P)，氧，微生物細(xì)胞物質(zhì)(微生物繁殖)CO2，H2O，NH3

，PO42-，SO42-能量隨水或氣體排入環(huán)境釋放能量轉(zhuǎn)化為熱供生物合成用(異化作用)+腐殖物質(zhì)+（二）好氧堆肥原理1、好氧堆肥過程堆肥有機(jī)物分解過程圖（2）中溫階段（產(chǎn)熱或起始階段）

堆制初期，15～45℃，嗜溫性微生物利用堆肥中可溶性有機(jī)物進(jìn)行旺盛繁殖。溫度不斷上升，此階段以中溫、需氧型微生物為主，主要是一些無芽孢細(xì)菌，真菌和放線菌。在目前的堆肥化設(shè)備中，此階段一般在12小時以內(nèi)。（1）潛伏階段（亦稱馴化階段）

指堆肥化開始時微生物適應(yīng)新環(huán)境的過程，亦稱為馴化過程。（3）高溫階段45℃以上，嗜熱性微生物為主，復(fù)雜的有機(jī)物如半纖維素、纖維素和蛋白質(zhì)等開始被強(qiáng)烈分解。

50℃左右主要是嗜熱性真菌和放線菌；

60℃時，幾乎僅為嗜熱性放線菌和細(xì)菌在活動；

70℃以上大多數(shù)嗜熱性微生物不適應(yīng)，大批死亡、休眠。大多數(shù)微生物在45～65℃范圍內(nèi)最活躍，所以最佳溫度一般為55℃，最易分解有機(jī)物，病原菌和寄生蟲大多數(shù)可被殺死。微生物活性示意圖1.微生物活性

2.O2利用率0時間對數(shù)增長期減速增長期內(nèi)源呼吸期微生物在高溫階段的生長過程細(xì)分為：對數(shù)增長期、減速增長期和內(nèi)源呼吸期。此后，堆積層內(nèi)開始發(fā)生腐殖質(zhì)的形成過程。（4）降溫階段(腐熟階段)

在內(nèi)源呼吸后期，只剩下部分較難分解的有機(jī)物和新形成的腐殖質(zhì)，此時微生物的活性下降，發(fā)熱量減少，溫度下降。嗜溫性微生物又占優(yōu)勢，腐殖質(zhì)不斷增多且穩(wěn)定化，堆肥進(jìn)入腐熟階段，需氧量和含水量降低。堆肥物孔隙增大，氧擴(kuò)散能力增強(qiáng)，此時只須自然通風(fēng)，最終使堆肥穩(wěn)定，完成堆肥過程。2、影響堆肥化的因素（1）化學(xué)因素①C/N和C/P比:初始物料的C/N比在30:1較好，最佳為25:1~35:1;C/P比在75~150為宜。為保證成品肥料中的C/N比為10～20:1，初始原料的一般C/N比都高于最佳值，多為35:1。②氧濃度:適宜的氧濃度為18%,最低不應(yīng)小于8%。③營養(yǎng)元素:足夠的K和微量元素對于微生物的新陳代謝是必須的，一般它們不是限制條件。④pH值:堆肥微生物最佳的pH=5.5~8.5。（2）物理因素①溫度:一般認(rèn)為最佳溫度在50~65℃之間②顆粒尺寸:適宜的粒徑范圍是12~60mm。③含水率:堆肥原料的最佳含水率通常是在50%~60%（與原料的物理組成有關(guān)）。

（三）好氧堆肥工藝1、前處理以城市生活垃圾為堆肥原料時,包括破碎、分選、篩分等工序；以家畜糞便、污泥等為堆肥原料時，主要任務(wù)是調(diào)整水分和碳氮比，或者添加菌種和酶制劑，以促進(jìn)發(fā)酵過程正?；蚩焖龠M(jìn)行。

降低水分、增加透氣性、調(diào)整碳氮比的主要方法是添加有機(jī)調(diào)理劑和膨脹劑。2、主發(fā)酵（一次發(fā)酵）將堆肥化物料溫度升高到開始降低為止的階段，稱為主發(fā)酵階段（或主發(fā)酵期）。堆肥過程的中溫階段和高溫階段，時間約10～12天。3、后發(fā)酵（二次發(fā)酵）將主發(fā)酵尚未分解的易分解和較難分解的有機(jī)物進(jìn)一步分解，使之變成腐殖酸、氨基酸等較穩(wěn)定的有機(jī)物，得到完全成熟的堆肥制品。也稱為熟化階段，堆肥過程的腐熟階段，發(fā)酵時間通常在20～30天以上。4、后處理分選以去除雜物，并根據(jù)需要再破碎。5、脫臭化學(xué)除臭劑除臭、堿水和水溶液過濾、熟堆肥或活性炭、沸石等吸附劑過濾。例：土壤過濾器。6、貯存堆肥一般在春秋兩季使用，夏冬兩季生產(chǎn)的堆肥只能貯存，所以要建立可貯存6個月生產(chǎn)量的庫房。貯存方式可直接堆存在二次發(fā)酵倉中或袋裝，要求干燥而透氣。（五）堆肥的質(zhì)量控制指標(biāo)

1、發(fā)酵周期與堆肥腐熟度的概念（1）發(fā)酵周期指固體廢物經(jīng)好氧發(fā)酵過程由原材料成為穩(wěn)定無害的堆肥產(chǎn)品所需要的時間。堆肥發(fā)酵周期的長短是評價堆肥工藝好壞的一個重要指標(biāo)。碳氮比、通風(fēng)量、溫度和水分等是否處于最佳條件均能使發(fā)酵周期受到直接影響。傳統(tǒng)的靜態(tài)堆肥法，依靠自然通風(fēng)和翻堆來實(shí)現(xiàn)好氧堆肥的全過程，因此，發(fā)酵周期需時2~3個月，有時甚至長達(dá)半年。而目前一些高效快速動態(tài)堆肥技術(shù)，可使堆肥發(fā)酵周期控制在7d以內(nèi)，有的一次發(fā)酵時間僅需2~3d。（2）堆肥腐熟度堆肥腐熟度是指成品堆肥的穩(wěn)定程度。在工程上，它是衡量堆肥反應(yīng)完成的信號，在農(nóng)業(yè)上，它是堆肥質(zhì)量的指標(biāo)。腐熟度的基本含義是：（1）通過微生物的作用，堆肥的產(chǎn)品要達(dá)到穩(wěn)定化、無害化，亦即不對環(huán)境產(chǎn)生不良影響；（2）堆肥產(chǎn)品的使用不影響作物的成長和土壤耕作能力。2、評估成熟堆肥的常用方法、指標(biāo)和參數(shù)方法參數(shù)或項(xiàng)目表觀鑒別法1.溫度；2.顏色；3.氣味；4.質(zhì)地化學(xué)方法碳氮比（C/N）；氮化合物（總氮、NH4-N、NO3-N、NO2-N）；3.陽離子交換量（CEC）4.有機(jī)化合物（水溶性或可浸提有機(jī)碳、還原糖、脂類等化合物、纖維素、半纖維素、淀粉等）5.腐殖質(zhì)（腐殖質(zhì)指數(shù)、腐殖質(zhì)總量和功能基團(tuán)）生物活性法1.耗氧速率；2.微生物種群和數(shù)量；3.酶學(xué)分析；植物毒性分析法1、種子發(fā)芽2、植物生物量衛(wèi)生學(xué)檢測致病微生物指標(biāo)等（1）表觀鑒別法（物理）①溫度：與環(huán)境溫度趨于一致，不再有明顯變化②氣味：具有潮濕泥土的氣味。③顏色：黑褐色或黑色。④質(zhì)地：質(zhì)地疏松，手捏之成團(tuán)，松之即散；草莖樹葉之類用手一拉即斷。（2）化學(xué)方法①碳氮比

a、堆肥的固相C/N值從初始的25~30:1降低到15~20:1以下。

b、T=(終點(diǎn)C/N)/(初始C/N)<0.6。(有研究者認(rèn)為，腐熟的堆肥理論上應(yīng)趨向與微生物菌體的C/N，即16左右。但對一些原料，如污泥，其本身的C/N就不足15:1。所以，固相C/N就不適宜作評價腐熟度的參數(shù)，建議采用T=(終點(diǎn)C/N)/(初始C/N)來評價腐熟度，認(rèn)為當(dāng)T值小于0.6時堆肥達(dá)腐熟。)②氮化合物隨著堆肥化過程進(jìn)行，氨態(tài)氮(NH4-N)↓和硝態(tài)氮(NO3-N)↑，完全腐熟的堆肥，氮基本上以硝酸鹽形式存在，未腐熟的堆肥則含氨，而基本不含硝酸鹽。目前尚未得出一個具體指標(biāo)，只能相對比較。③陽離子交換量(CEC)陽離子交換量(CEC)能反應(yīng)有機(jī)質(zhì)的降低程度，是堆肥的腐殖化程度及新形成的有機(jī)質(zhì)的重要指標(biāo)，可作為評價腐熟度的參數(shù)。對城市垃圾堆肥，建議CEC>60mmol/100g樣品時，作為堆肥腐熟的指標(biāo)。④有機(jī)化合物在堆肥過程中，糖類首先消失，接著是淀粉，最后是纖維素。纖維素、半纖維素、脂類等經(jīng)過成功的堆肥過程，可降解50％~80％，蔗糖和淀粉的利用接近100％。一般認(rèn)為，淀粉的消失是堆肥腐熟的標(biāo)志，且它可用淀粉點(diǎn)狀檢測器來檢測。但是，堆肥物料中淀粉的存在并不多，被檢測的也只是物料中可腐爛物質(zhì)的一部分。所以完全腐熟的、穩(wěn)定的堆肥產(chǎn)品，以檢不出淀粉為基本條件，但是檢不出淀粉并不一定表示堆肥已腐熟。⑤腐殖質(zhì)用NaOH提取的腐殖質(zhì)(HS)可分為胡敏酸(HA)、富里酸(FA)及未腐殖化的組分(NHF)。堆肥開始時一般含有較高的非腐殖質(zhì)成分及FA，較低的HA，隨著堆肥過程的進(jìn)行，F(xiàn)A保持不變或稍有減少，而HA大量產(chǎn)生，成為腐殖質(zhì)的主要部分。一些腐殖質(zhì)參數(shù)相繼被提出，如腐殖化指數(shù)(HI)：HI=HA/FA；腐殖化率(HR)：HR=HA/(FA+NHF)

。當(dāng)HI值達(dá)到3，HR達(dá)到1.35時堆肥已腐熟。（3）生物學(xué)方法①耗氧速率

腐熟堆肥的耗氧速率基本穩(wěn)定在(0.03～0.5)mgO2/gVS·h的范圍。②

酶學(xué)分析在堆肥過程中，多種氧化還原酶和水解酶與C、N、P等基礎(chǔ)物質(zhì)代謝密切相關(guān)，所以通過分析相關(guān)酶的活力，可間接反映微生物的代謝活性和酶特定底物的變化情況。③微生物的數(shù)量及種群初期的中溫階段，主要是蛋白質(zhì)分解細(xì)菌，產(chǎn)氨細(xì)菌數(shù)量迅速增加；高溫期及降溫期分解纖維素的細(xì)菌和真菌最多；降溫期，硝化細(xì)菌活動最旺盛，直到堆肥最后仍存在；堆肥腐熟期主要以放線菌為主。所以在整個堆肥過程中微生物種群的演替可很好地指示堆肥的腐熟程度。常采用生物量測定的方法。①種子發(fā)芽可用發(fā)芽指數(shù)GI（germinationindex）來評價堆肥的腐熟程度：GI(％)=(堆肥處理的種子發(fā)芽率×種子原本的種子發(fā)芽率×種子根長)×100當(dāng)GI>50%時認(rèn)為堆肥基本腐熟并達(dá)到了可接受的程度；當(dāng)GI達(dá)到80%~85%時，堆肥完全腐熟。②植物生物量堆肥有明顯地促進(jìn)植物生長的作用，可以測定一些農(nóng)作物的生物量來測試堆肥的腐熟度。包括黑麥草、黃瓜、大白菜、胡蘿卜、向日葵、番茄和萵苣等都曾做過測試。（4）植物毒性分析法（5）衛(wèi)生學(xué)方法污泥和城市垃圾中含有大量致病細(xì)菌、霉菌、病毒及寄生蟲和草種等，它們都會直接影響堆肥的安全性。根據(jù)生活垃圾的特點(diǎn)，我國明確了無害化堆肥的溫度、蛔蟲卵死亡率和糞大腸菌值的衛(wèi)生學(xué)評價指標(biāo)。綜上所述，僅用某一個單一參數(shù)很難確定堆肥的化學(xué)及生物學(xué)的穩(wěn)定性，應(yīng)由幾個或多個參數(shù)共同確定。堆肥化產(chǎn)品的質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)CJ/T3059-1996《城市生活垃圾堆肥處理廠技術(shù)評價指標(biāo)》，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)：粒度：農(nóng)用堆肥產(chǎn)品粒度不大于12mm，山林果園用堆肥產(chǎn)品粒度不大于50mm含水率：≦35%pH值：6.5-8.5.全氮

(以N計(jì)：≧0.5%全磷(以P2O5計(jì))：≧0.3%全鉀

(以K2O計(jì))：≧1.0%有機(jī)質(zhì)(以全C計(jì))：≧10%（六）堆肥設(shè)備及輔助機(jī)械1、計(jì)量裝置2、存料區(qū)與貯料池3、給料裝置（1）起重機(jī)抓斗（2）扳式給料機(jī)（3）前端斗式裝載機(jī)4、堆肥廠內(nèi)運(yùn)輸與傳動裝置5、鐵金屬和其他可回收物資的分選設(shè)備6、堆肥設(shè)備（1）立式堆肥發(fā)酵塔：立式多層圓筒式發(fā)酵塔；立式多層板閉合門式發(fā)酵塔；立式多層漿葉刮板式發(fā)酵塔；立式多層移動床式發(fā)酵塔（2）筒倉式堆肥發(fā)酵倉：筒倉式靜態(tài)發(fā)酵倉；筒倉式動態(tài)發(fā)酵倉（3）臥式堆肥發(fā)酵滾筒：旋轉(zhuǎn)發(fā)酵池（4）箱式堆肥發(fā)酵池：臥式刮板發(fā)酵池；戽斗翻倒式發(fā)酵池；臥式漿葉發(fā)酵池（5）堆集式：氣流箱式；定箱槽式7、熟化設(shè)備8、后處理設(shè)備：造粒設(shè)備，除臭設(shè)備9、回返堆肥設(shè)備：（1）輸送機(jī)回返式；（2）倉貯存式；（3）直接回返式；（4）氣動運(yùn)輸式10、添料裝置11、污染防治主要污染因素有臭氣、污水、粉塵、振動和噪音。(1)粉塵

安裝粉塵去除設(shè)備,破碎設(shè)備配備收塵裝置，排氣中的粉塵濃度小于0.1g/m3(標(biāo))。(2)振動(3)噪音(4)廢水處理(5)脫臭堆肥化系統(tǒng)中產(chǎn)生的臭氣物質(zhì)主要是氨、硫化氫、甲硫醇、胺等。主要的脫臭技術(shù)有如下8種：①氣洗法：是將臭氣通入水、海水、酸(各種酸、臭氧水、二氧化氯、高錳酸鉀等)、堿(苛性堿、次氯酸鈉)等液體，臭氣成分被吸收或轉(zhuǎn)化為無味成分。②臭氧氧化法:利用臭氧的強(qiáng)氧化能力，同時依靠臭氧氣味起掩蔽作用。（七）堆肥過程的污染防治③直接燃燒法:將臭氣送入鍋爐燃燒室、焚燒爐等設(shè)備燃燒可燃成分。④吸附法和中和法:臭氣成分被具有強(qiáng)吸附能力的物質(zhì)吸附除去;中和法可降低總臭氣濃度，中和劑與臭氣成分進(jìn)行反應(yīng)及吸附。⑤氧化處理法:是用氯、次氯酸鈉、次氯酸鈣及二氧化氯等氧化劑進(jìn)行氧化脫臭。⑥空氣氧化法:用水吸收臭氣中硫化氫，硫化氫再經(jīng)空氣氧化成無臭無害的硫代硫酸鈉。⑦土壤氧化法:通過各種土壤細(xì)菌的生化作用分解和去除臭氣物質(zhì)。⑧離子交換樹脂法：臭氣成分被離子交換樹脂吸附并應(yīng)用帶電的離子交換去除。八、大型垃圾堆肥廠工藝流程圖

復(fù)習(xí)思考題1、解釋名詞：堆肥化；堆肥；高溫好氧快速堆肥；一次發(fā)酵；二次發(fā)酵；發(fā)酵周期；腐熟度。2、好氧堆肥過程可分為哪幾個階段？各階段的特點(diǎn)是什么？3、堆肥中發(fā)揮作用的微生物主要有哪些？各有什么作用？4、影響堆肥化的因素有哪些？如何控制？5、試比較條垛式系統(tǒng)、強(qiáng)制通風(fēng)靜態(tài)垛系統(tǒng)和反應(yīng)器系統(tǒng)的特點(diǎn)、主要技術(shù)環(huán)節(jié)及優(yōu)缺點(diǎn)。6、試述好氧堆肥的通風(fēng)供氧方式及其應(yīng)用場合。7、試述評價成熟堆肥的方法及其參數(shù)和指標(biāo)。8、試比較立式堆肥發(fā)酵塔、筒倉式堆肥發(fā)酵倉和臥式堆肥發(fā)酵滾筒的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及優(yōu)缺點(diǎn)。9、堆肥化的污染防治措施有哪些？堆肥化產(chǎn)品的應(yīng)用二、生物轉(zhuǎn)化技術(shù)——厭氧發(fā)酵

厭氧發(fā)酵：通過厭氧微生物的生物轉(zhuǎn)化作用，將固體廢物中大部分可生物降解的有機(jī)物質(zhì)分解，轉(zhuǎn)化為能源產(chǎn)品——沼氣的過程，或稱厭氧消化，沼氣發(fā)酵。微生物生理學(xué)定義：在沒有外加氧化劑的條件下，被分解的有機(jī)物作為還原劑被氧化，而另一部分有機(jī)物作為氧化劑被還原的生物學(xué)過程。沼氣的成分：主要為CH4：55～70％和CO2：25～40％。此外還有總量小于5%的CO、O2、H2、H2S、N2、NH3、PH3、碳?xì)浠衔?CmHn)等。（一）基本概念（二）厭氧發(fā)酵的有機(jī)物分解代謝過程1、碳水化合物的分解代謝一般的碳水化合物包括纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、糖類、淀粉和果膠質(zhì)等。①纖維素的分解纖維素酶可以把纖維素水解成葡萄糖，反應(yīng)式為：

(C6H10O5)n(纖維素)+nH2O=nC6H12O6(葡萄糖)葡萄糖經(jīng)細(xì)菌的作用繼續(xù)降解成丁酸、乙酸，最后生成甲烷和二氧化碳等氣體。總的產(chǎn)氣過程可用下述的綜合表達(dá)式表達(dá)：

C6H12O6=3CH4+3CO2②糖類的分解先由多糖分解為單糖，然后是葡萄糖的酵解過程，與上述相同。2、類脂化合物的分解代謝

類脂化合物（脂肪、磷脂、游離脂肪酸、蠟酯、油脂），含量很低。主要水解產(chǎn)物是脂肪酸和甘油。甘油轉(zhuǎn)變?yōu)榱姿岣视椭M(jìn)而生成丙酮酸。在沼氣菌的作用下，丙酮酸被分解成乙酸，然后形成甲烷和二氧化碳。3、蛋白質(zhì)類的分解代謝這類化合物主要是含氮的蛋白質(zhì)化合物，在厭氧發(fā)酵原料中占有一定的比例。在農(nóng)家污水和豬圈廢物中，蛋白質(zhì)的含量最高可達(dá)20%。它們的分解過程是在細(xì)菌的作用下水解成多肽和氨基酸。其中的一部分氨基酸繼續(xù)水解成硫醇、胺、苯酚、硫化氫和氮；另一部分分解成有機(jī)酸、醇等其他化合物，最后生成甲烷和二氧化碳；還有一些氨基酸作為產(chǎn)沼細(xì)菌的養(yǎng)分形成菌體。（三）厭氧發(fā)酵的過程首先，不溶性大分子有機(jī)物（如蛋白質(zhì)、纖維素、淀粉、脂肪等）經(jīng)水解酶的作用，在溶液中分解為水溶性的小分子有機(jī)物（如氨基酸、脂肪酸、葡萄糖、甘油等）。隨之，這些水解產(chǎn)物被發(fā)酵細(xì)菌攝入細(xì)胞內(nèi)，經(jīng)過一系列生化反應(yīng)，將代謝產(chǎn)物排出體外，由于發(fā)酵細(xì)菌種群不一，代謝途徑各異，故代謝產(chǎn)物也各不相同。眾多的代謝產(chǎn)物中，僅無機(jī)的CO2和H2及有機(jī)的“三甲一乙”（甲酸、甲醇、甲胺和乙酸）可直接被產(chǎn)甲烷細(xì)菌吸收利用，轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。其它眾多的代謝產(chǎn)物（主要是丙酸、丁酸、戊酸、乳酸等有機(jī)酸，以及乙醇、丙酮等有機(jī)物質(zhì)）不能為產(chǎn)甲烷細(xì)菌直接利用。它們必須經(jīng)過產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫和乙酸后，才能被甲烷細(xì)菌吸收利用，并轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳。1、兩階段理論將厭氧發(fā)酵分為產(chǎn)酸（酸性發(fā)酵）和產(chǎn)氣（堿性發(fā)酵）兩個階段，相應(yīng)起作用的微生物分為產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌。2、三階段理論

1979年由布賴恩提出，將厭氧發(fā)酵依次分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段。起作用的細(xì)菌分別稱為發(fā)酵細(xì)菌、醋酸分解菌、甲烷細(xì)菌。3、四階段理論①水解階段：復(fù)雜有機(jī)物(纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪)被發(fā)酵細(xì)菌分泌的水解酶（胞外酶）

(纖維素酶、纖維二糖酶、淀粉酶、蛋白酶、脂肪酶)分解為水溶性簡單化合物。限制整個過程速度。④甲烷化階段：乙酸和H2被甲烷細(xì)菌(乙酸分解甲烷細(xì)菌和H2氧化甲烷細(xì)菌)利用生成甲烷。②發(fā)酵酸化階段：發(fā)酵細(xì)菌對水解產(chǎn)物進(jìn)行胞內(nèi)代謝，主要產(chǎn)生有機(jī)酸和醇類（丙酸、丁酸、琥珀酸、乙酸和乳酸），還有CO2、NH3、H2S、H2。③產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段(厭氧氧化階段):專性厭氧的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌將上階段產(chǎn)生的有機(jī)酸和醇類生成乙酸、H2、CO2；同型乙酸細(xì)菌將H2和

CO2合成乙酸。（四）厭氧發(fā)酵的影響因素(1)溫度因素：隨著溫度升高有機(jī)物分解速度加快，產(chǎn)氣量增大。溫度變化范圍為(±1.5～2.0)℃。①低溫發(fā)酵：低于20℃，產(chǎn)氣量低，受氣候影響大，不加料情況下35d。②中溫發(fā)酵：37℃，產(chǎn)氣量約1~1.3m3/(m3·d)；發(fā)酵時間20d，衛(wèi)生化低。③高溫發(fā)酵：53℃，產(chǎn)氣量約3.0~4.0m3/(m3.d)；發(fā)酵時間10d，衛(wèi)生化高。[對寄生蟲卵的殺滅率較可達(dá)99%，大腸菌指數(shù)可達(dá)10～100，能滿足衛(wèi)生要求（蛔蟲卵的殺滅率在95%以上，大腸菌指數(shù)10～100）]。當(dāng)有±3℃的變化時，就會抑制發(fā)酵速率，有±5℃的急劇變化時，就會突然停止產(chǎn)氣，使有機(jī)酸大量積累而破壞厭氧發(fā)酵。(2)發(fā)酵細(xì)菌的營養(yǎng)及C/NC/N在(10~20):1為宜，太高，細(xì)胞氮量不足，系統(tǒng)的緩沖能力低，pH值易降低；太低，氮量過多，pH值可能上升，銨鹽容易積累，會抑制發(fā)酵進(jìn)程。(3)混合均勻程度厭氧發(fā)酵是由細(xì)菌體的內(nèi)酶和外酶與底物進(jìn)行的接觸反應(yīng)。因此必須使兩者充分混合。對于液態(tài)發(fā)酵用充液攪拌法；對于固態(tài)或半固態(tài)用充氣攪拌法和機(jī)械攪拌法等。（4）有毒物質(zhì)①重金屬離子對甲烷發(fā)酵的抑制－使酶發(fā)生變性或者沉淀。與酶結(jié)合產(chǎn)生變性；遇氫氧化物使酶沉淀。②陰離子的毒害：主要是S2-，來源：無機(jī)硫酸鹽還原；蛋白質(zhì)分解釋放出S2-。③氨的毒害：[NH4+]>150mg/L，發(fā)酵受抑制。物質(zhì)濃度毒域濃度界限/(mol/L)堿金屬和堿土金屬Ca2+，Mg2+，Na+，K+10―1～10+6重金屬Cu2+，Ni2+，Zn2+，Hg2+，F(xiàn)e2+10―5～10―3H+和OH―10―6～10―4胺類10―5～100有機(jī)物質(zhì)10―6～100（5）酸堿度、pH值和發(fā)酵液的緩沖作用水解、發(fā)酵菌及產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌對pH值的適應(yīng)范圍大致為5~6.5

，而甲烷菌對pH值的適應(yīng)范圍為6.6~7.5之間。發(fā)酵液中的碳酸及氨的存在，使其具有一定的緩沖性。堿度指沼氣發(fā)酵液結(jié)合H+的能力，是衡量發(fā)酵體系緩沖能力的尺度，由碳酸鹽(CO32-)、重碳酸鹽(HCO3-)、部分氫氧化物(OH-)組成，應(yīng)在2000mg/L以上。（6）不同發(fā)酵基質(zhì)上生長的發(fā)酵菌群種群不同(五)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)設(shè)備1、傳統(tǒng)的發(fā)酵系統(tǒng)（1）結(jié)構(gòu)發(fā)酵罐是核心，附屬設(shè)備有氣壓表、導(dǎo)氣管、出料機(jī)、預(yù)處理裝置、攪拌器、加熱管等。（2）工作原理物料從上部或頂部投入池內(nèi)，經(jīng)與池中原有的厭氧活性污泥混合接觸后，通過厭氧微生物的吸附、吸收和生物降解作用，使生污泥或廢水中的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為以甲烷和二氧化碳為主的氣態(tài)產(chǎn)物——生物氣（即沼氣）。（3）常用類型(5種)

①立式圓形水壓式沼氣池發(fā)酵間為圓形，兩側(cè)帶有進(jìn)出料口，容積為6m3、8m3、10m3、12m3；池頂有活動蓋板。池蓋和池底是具有一定曲率半徑的殼體，主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管等幾個部分。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡單，造價低，施工方便。缺點(diǎn)：氣壓不穩(wěn)定，對產(chǎn)氣不利；池溫低，影響產(chǎn)氣，原料利用率低（僅10%~20%）；大換料和密封都不方便；產(chǎn)氣率低[平均0.1~0.15m3/m3.d]，對防滲措施的要求較高給沼氣池的設(shè)計(jì)帶來一定困難。②立式圓形浮罩式沼氣池

將發(fā)酵間與貯氣間分開，產(chǎn)生的沼氣由浮沉式的氣罩貯存起來。氣罩可直接安裝在沼氣發(fā)酵池頂，也可安裝在沼氣發(fā)酵池側(cè)。浮沉式氣罩由水封池和氣罩兩部分組成。當(dāng)沼氣壓力大于氣罩重量時，氣罩便沿水池內(nèi)壁的導(dǎo)向軌道上升，直至平衡為止。當(dāng)用氣時，罩內(nèi)氣壓下降，氣罩也隨之下沉。特點(diǎn)：將發(fā)酵間與貯氣間分開，具有壓力低、發(fā)酵好、產(chǎn)氣多等優(yōu)點(diǎn)。頂浮罩式沼氣貯氣池造價比較低，但氣壓不夠穩(wěn)定。側(cè)浮罩式沼氣貯氣池氣壓穩(wěn)定，比較適合發(fā)酵工藝的要求，但對材料要求比較高，造價昂貴。③立式圓形半埋式沼氣發(fā)酵池組城市糞便沼氣發(fā)酵多用發(fā)酵池組。一般采用浮罩式貯氣，單池深度4m，直徑5m，為鋼筋混凝土構(gòu)筑物，埋入土內(nèi)1.3m，發(fā)酵池上安裝薄鋼浮罩，內(nèi)壁用玻璃纖維和環(huán)氧樹脂作防腐處理，外涂防銹漆。發(fā)酵池內(nèi)密封性好，總儲糞容積為340m3。④長方形（或方形）發(fā)酵池由發(fā)酵室、氣體貯藏室、儲水庫、進(jìn)料口和出料口、攪拌器、導(dǎo)氣喇叭口等部分組成。儲水庫的主要作用是調(diào)節(jié)氣體貯藏室的壓力。若室內(nèi)氣壓很高時，就可將發(fā)酵室內(nèi)經(jīng)發(fā)酵的廢液通過進(jìn)料間的通水穴，壓入貯水庫內(nèi)。反之，若氣體貯藏室內(nèi)壓力不足時，貯水庫中的水由于自重便流入發(fā)酵室，就這樣通過水量調(diào)節(jié)氣體貯藏的空間，使氣壓相對穩(wěn)定，保證供氣。⑤聯(lián)合沼氣池2、沼氣發(fā)酵池的管理（1）裝料：預(yù)先在池底鋪一層熟污泥。（2）攪拌：每日三、四次，不使物料下沉。（3）溫度：50~60℃，并保溫。（4）供料：每日加入適當(dāng)數(shù)量的原料。（5）水分：應(yīng)保持相對穩(wěn)定。（6）pH值：應(yīng)取樣分析并調(diào)節(jié)。（7）沼氣：初產(chǎn)沼氣不純，應(yīng)放掉，直到所產(chǎn)沼氣燃燒不熄為止。3、現(xiàn)代大型工業(yè)化沼氣發(fā)酵設(shè)備（1）常見幾種類型的發(fā)酵罐①歐美型(Anglo-Americanshape)；d/H>1，頂部具有浮罩，頂部和底部都有小的坡度，由四周