1、3.1 3.1 沼氣發(fā)酵微生物學(xué)原理沼氣發(fā)酵微生物學(xué)原理利用厭氧微生物進(jìn)行有機(jī)廢棄物厭氧分解的工藝稱之為利用厭氧微生物進(jìn)行有機(jī)廢棄物厭氧分解的工藝稱之為厭氧處理厭氧處理；以產(chǎn)出沼氣為重要指標(biāo)的厭氧處理就是以產(chǎn)出沼氣為重要指標(biāo)的厭氧處理就是沼氣發(fā)酵工藝沼氣發(fā)酵工藝。氧氧簡單有機(jī)物簡單有機(jī)物特點：特點：厭氧分解過程產(chǎn)生的能量少，細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，厭氧分解過程產(chǎn)生的能量少，細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低，其優(yōu)點是能耗低、需要二次處理的污泥量少、運行費用低并且處理有機(jī)負(fù)其優(yōu)點是能耗低、需要二次處理的污泥量少、運行費用低并且處理有機(jī)負(fù)荷強(qiáng)度高。荷強(qiáng)度高。 能量代謝最終電子受體能量代謝最終電子受體有

2、機(jī)物有機(jī)物要經(jīng)過水解，產(chǎn)酸等多種不同的微生物要經(jīng)過水解，產(chǎn)酸等多種不同的微生物降解降解過程過程，最終由產(chǎn)甲烷細(xì)，最終由產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用而生成甲烷菌作用而生成甲烷和二氧化碳和二氧化碳。好氧好氧處理：處理：厭氧厭氧處理：處理：利用氫氣利用氫氣和和二氧化碳生成甲烷：二氧化碳生成甲烷： 4H2+CO2CH4+2H2O利用乙酸生成甲烷：利用乙酸生成甲烷： CH3COOHCH4+CO2有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷過程有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷過程 復(fù)雜的有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解成簡單的溶復(fù)雜的有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解成簡單的溶解性的有機(jī)物，并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)由胞內(nèi)酶分解為

3、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂解性的有機(jī)物，并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)由胞內(nèi)酶分解為乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂肪酸和乙醇等醇類，同時產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。起重要作用的第二類細(xì)菌是肪酸和乙醇等醇類，同時產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。起重要作用的第二類細(xì)菌是產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，它們把丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸。第三類微產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌，它們把丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸。第三類微生物是產(chǎn)甲烷細(xì)菌，它們分別通過以下兩種途徑之一生成甲烷。生物是產(chǎn)甲烷細(xì)菌，它們分別通過以下兩種途徑之一生成甲烷。顆粒物水解顆粒物水解產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)甲烷菌群液化液化CO2，H2，C2O2H4胞外酶胞外酶CO2，CH4，H2O

4、反應(yīng)鏈條各節(jié)的速反應(yīng)鏈條各節(jié)的速度應(yīng)該盡可能相等度應(yīng)該盡可能相等酸化酸化甲烷化甲烷化復(fù)雜有機(jī)物復(fù)雜有機(jī)物碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂類碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂類簡單溶解性有機(jī)物簡單溶解性有機(jī)物1水解1發(fā)酵脂肪酸、醇類脂肪酸、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%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(jī)理分段：按降解機(jī)理分段：按物性變化分段：按物性變化分段：3.1.1 厭氧消化三階段厭氧消化三階段厭氧消化厭氧消化4階段階段單糖單糖 碳水化合物碳水化合物 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 氨基酸氨基

5、酸 脂肪酸脂肪酸，甘油，甘油 甲醇甲醇 脂類脂類 甲酸甲酸甲甲 酸酸 H2/CO2 乙酸乙酸 乙醇乙醇 酪酸酪酸 乳酸乳酸 戊戊 酸酸 H H乙酸乙酸 丙酸丙酸 乙酸乙酸 CO2乙酸乙酸 H2/CO2水解菌水解菌產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸菌 產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌 CO2+CH4H2/CO2 在硫酸鹽存在的條件下，產(chǎn)甲烷和硫酸還原過程同時存在，并形成競在硫酸鹽存在的條件下，產(chǎn)甲烷和硫酸還原過程同時存在，并形成競爭爭 關(guān)系，大多研究表明，這時硫酸還原菌占優(yōu)勢，甲烷化過程受到抑制關(guān)系，大多研究表明，這時硫酸還原菌占優(yōu)勢，甲烷化過程受到抑制 。無硫酸鹽或極少時，形成共生系。無硫酸鹽或極少時，形成共

6、生系。3.1.2.與硫酸還原菌的競爭關(guān)系與硫酸還原菌的競爭關(guān)系單糖單糖 碳水化合物碳水化合物 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 氨基酸氨基酸 脂肪酸脂肪酸，甘油，甘油 甲醇甲醇 脂類脂類 甲酸甲酸甲甲 酸酸 H2/CO2 乙酸乙酸 乙醇乙醇 酪酸酪酸 乳酸乳酸 戊戊 酸酸 H H乙酸乙酸 丙酸丙酸 乙酸乙酸 CO2乙酸乙酸 H2/CO2水解菌水解菌產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸菌 產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌 H2/CO2 HS-/CO2醋酸醋酸HS-/CO2硫酸還原菌硫酸還原菌 好氧菌呼吸好氧菌呼吸 CH3COONa2O2NaHCO3H2OCO2 Go-848.08 KJ/mol 反硝化菌呼吸反硝化菌呼吸 5CH3CO

7、ONa8NaNO34N27NaHCO33Na2CO34H2O Go-782.78 KJ/mol 硫酸塩硫酸塩還原菌呼吸還原菌呼吸 CH3COONaNa2SO42NaHCO3NaHS Go-46.88 KJ/mol 產(chǎn)甲烷菌呼吸產(chǎn)甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 KJ/mol以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能0 05050100100150150200200250250酸素呼吸酸素呼吸硝酸呼吸硝酸呼吸硫酸呼吸硫酸呼吸発酵発酵可利用能量可利用能量（）（）以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能以醋酸鹽為代謝基質(zhì)時可獲取的自由能好氧菌

8、好氧菌反硝化菌反硝化菌 硫酸還原菌硫酸還原菌甲烷菌甲烷菌3.1.3 產(chǎn)酸菌、硝酸還原菌、硫酸還原菌和甲烷菌的關(guān)系產(chǎn)酸菌、硝酸還原菌、硫酸還原菌和甲烷菌的關(guān)系產(chǎn)酸、產(chǎn)氫菌、硝酸還原產(chǎn)酸、產(chǎn)氫菌、硝酸還原菌、硫酸還原菌、甲烷菌菌、硫酸還原菌、甲烷菌等菌群間形成了等菌群間形成了食物鏈生食物鏈生態(tài)關(guān)系態(tài)關(guān)系。比如各水層或各。比如各水層或各種菌落活動空間的適宜氧種菌落活動空間的適宜氧化還原電位及化還原電位及pHpH值，是各值，是各類微生物創(chuàng)造的；又比如類微生物創(chuàng)造的；又比如若沒有甲烷菌和硫酸還原若沒有甲烷菌和硫酸還原菌利用菌利用H H2 2，使氫氣分壓保持使氫氣分壓保持很低的水平，醋酸、很低的水平，醋酸

9、、H H2 2生生成菌無法生存，因為象丙成菌無法生存，因為象丙酸分解成醋酸、氫氣的反酸分解成醋酸、氫氣的反應(yīng)應(yīng), ,只有在氫氣分壓低于只有在氫氣分壓低于1010- -4 4atmatm時，自由能變化才小時，自由能變化才小于零，反應(yīng)才可能進(jìn)行。于零，反應(yīng)才可能進(jìn)行。這種必須與其它菌共存的這種必須與其它菌共存的關(guān)系，叫關(guān)系，叫共生關(guān)系共生關(guān)系（syntrophic syntrophic association).association).硫酸硫酸還原還原硝酸硝酸還原還原產(chǎn)甲烷產(chǎn)甲烷 CH4 光合成（藻類） 植食生物 水界面 有機(jī)物 有機(jī)物 2 加水分解 厭氧菌 糖、氨基酸 酸、脂肪酸 乳酸 乙醇

10、丙酸 酪酸 酢酸 乙酸 + 22 甲烷化 硫酸還原 酸化 4 mV 硝酸還原 水底的厭氧發(fā)酵碳源生態(tài)鏈(Holland , 1987) 硫酸塩硫酸塩還原菌呼吸還原菌呼吸 CH3COONaNa2SO42NaHCO3NaHS Go-46.88 kJ/mol 產(chǎn)甲烷菌呼吸產(chǎn)甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 kJ/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。十分重要。 如若沒有甲烷菌和硫酸還原菌利用如若沒有甲烷菌和硫酸還原菌利用H H2 2，使氫氣分壓保持很小，使氫氣分壓保持很小，醋酸

11、、醋酸、H H2 2生成菌無法生存，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。速度較慢，這是因為通過共生系可獲得的自由能較少。羧菌屬（羧菌屬（Clostridium）降解淀粉、蛋白質(zhì)等有機(jī)物，）降解淀粉、蛋白質(zhì)等有機(jī)物， 產(chǎn)產(chǎn)生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。似桿菌屬（似桿菌屬（Bacteroides） 降解纖維素或半纖維素。降解纖維素或半纖維素。丁酸弧菌屬（丁酸弧菌屬（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白質(zhì)等）降解脂肪、蛋白質(zhì)等真細(xì)

12、菌屬（真細(xì)菌屬（Eubacterium）蛋白質(zhì)、糖類等的分解）蛋白質(zhì)、糖類等的分解雙歧桿菌屬（雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）分解蛋白質(zhì)等。）分解蛋白質(zhì)等。3.1.4. 厭氧消化微生物厭氧消化微生物發(fā)酵細(xì)菌很多，以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些微發(fā)酵細(xì)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(jī)物水解成溶解有機(jī)物，再生物的主要功能是通過胞外酶的作用將固形有機(jī)物水解成溶解有機(jī)物，再將可溶性的大分子有機(jī)物降解成有機(jī)酸、醇等。將可溶性的大分子有機(jī)物降解成有機(jī)酸、醇等。主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有機(jī)物固形

13、有機(jī)物溶解有機(jī)物溶解有機(jī)物水水解解互營單細(xì)胞菌屬（互營單細(xì)胞菌屬（Syntrophomonas）互營桿菌屬（互營桿菌屬（Syntrophobacter）羧菌屬（羧菌屬（Clostridium）暗桿菌屬（暗桿菌屬（Pelobacter）等。）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H H2 2。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。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 + 2 H2主要功能主要功能胞內(nèi)酶作用胞內(nèi)酶作用揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)性脂肪酸乙酸和乙

14、酸和H2降降解解 自然界中最古老（36億年左右），分布最廣的微生物。 產(chǎn)甲烷菌在厭氧水系生態(tài)碳鏈中的最底層。 氫氣是多數(shù)甲烷菌種可共同利用的基質(zhì)，是厭氧條件下最普遍的能源物質(zhì)。工程中乙酸是產(chǎn)甲烷菌的主要基質(zhì)。 甲烷菌在400nM光源照射下，發(fā)出藍(lán)綠色熒光。 在熒光顯微鏡下，容易識別區(qū)分于其他細(xì)菌。熒光來源于甲烷菌體內(nèi)的輔酶F420( Methanothrix屬細(xì)菌的F420含量較低，熒光不易觀察)4H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH44H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH4“氧化還原電位在 -400 -150mV 之間”。另有說

15、法認(rèn)為必須小于-330mV1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。可見通過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(jìn)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。 到目前為止的認(rèn)知：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。甲烷菌中可代謝乙酸的甲烷菌數(shù)量極少表 1.2.1 菌（続） 代謝基質(zhì) 甲烷菌 形狀 最適溫度

16、（） pH H2/CO2 甲酸鹽 甲基化合物 酢酸鹽 2-Pro/CO2 2-But./CO2 其他 Methanococcus M.vannielii 不規(guī)則球菌 35-40 7.0-9.0 + + - - NT M.voltae 不規(guī)則球菌 35-40 6.5-8.0 + + - - - M.maripaludis 不規(guī)則球菌 35-40 6.5-8.0 + + - - - M.thermolithotrophicus 不規(guī)則球菌 65 6.5-8.0 + + - - NT M.jannaschii 不規(guī)則球菌 85 5.0-7.0 + - - - - M.frisius 不規(guī)則球菌 36

17、 6.5-7.2 + - + - NT M.deltae 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - NT Methanoculleus M.bourgense 不規(guī)則球菌 35-42 6.3-6.8 + + - - + M.marisnigri 不規(guī)則球菌 20-25 6.8-7.3 + + - - + M.thermophilicum 不規(guī)則球菌 55-60 6.5-7.2 + + - - + M.olentangyi 不規(guī)則球菌 37 7 + - - - (+) Methanogenium M.cariaci 不規(guī)則球菌 20-25 6.2-6.6 + + - - - M.liminatans

18、 不規(guī)則球菌 40 7 + + - - + M.tationis 不規(guī)則球菌 40 7 + + - - - M.organophilum 不規(guī)則球菌 39 6.4-7.3 + + - - + EtOH/CO2, 1-Pro/CO2 Methanomiocrobium M.mobile 糸狀菌 40 6.1-6.9 + + - - NT Methanolacinia M.paynteri 不規(guī)則桿菌 40 6.6-7.2 + - - - + CP/CO2 世代時間只有26分鐘，增殖速度最快的產(chǎn)甲烷菌。表 1.2.1 菌（続） 代謝基質(zhì) 菌 形狀 最適溫度（） pH H2/CO2 蟻酸塩 基化合物

19、 酢酸塩 2-Pro/CO2 2-But./CO2 他 Methanospirillum M.hungatei 鞘包桿菌 30-37 NT + + - - + Methanocorpusculum M.parvum 不規(guī)則球菌 37 6.8-7.5 + + - - + M.aggregans 不規(guī)則球菌 35-37 6.4-7.2 + + - - NT M.labreanum 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - NT M.sinense 不規(guī)則球菌 30 7 + + - - NT M.bavaricum 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - + CP/CO2 Methanoplanus M.

20、ednosymbiosus 狀 32 6.6-7.1 + + - - NT M.limicola 狀 40 7 + + - - NT Methanosarcina M.barkrei 八連球菌 30-40 7 + + + + - M.acetivorans 八連球菌 35-40 6.5-7 - - + + NT M.mazei 八連球菌 30-40 7.0-7.2 +,(-) - + +,(-) NT M.vacuolata 八連球菌 50 6 - - + + NT M.thermophila 八連球菌 40 7.5 + - + + NT Methanothrix M.soehngenii 鞘

21、包桿菌 35-40 7.4-7.8 - - + + NT M.thermophila 鞘包桿菌 55-65 7 - - + + NT 只有兩屬產(chǎn)甲烷菌可以代謝乙酸只有兩屬產(chǎn)甲烷菌可以代謝乙酸 表 1.2.1 菌（続） 代謝基質(zhì) 菌 形狀 最適溫度（） pH H2/CO2 蟻酸塩 基化合物 酢酸塩 2-Pro/CO2 2-But./CO2 他 Methanolobus M.tindarius 不規(guī)則球菌 25 6.5 - - + - NT M.siciliae 不規(guī)則球菌 40 5.5-6.8 - - + - NT M.vulcani 不規(guī)則球菌 37 7 - - + - NT Methanoc

22、occoides M.methylutens 不規(guī)則球菌 30-35 7 - - + - NT Methanohalophillus M.mahii 不規(guī)則球菌 35-37 7.4-7.8 - - + - NT M.zhilinae 不規(guī)則球菌 45 9.2 - - + - NT M.oregonense 不規(guī)則球菌 35-37 8.2-9.2 - - + - NT M.halpophilus 不規(guī)則球菌 26-36 6.6-7.4 - - + - NT Methanohalobium M.evestigatus NA 50 7 NA NA + NA NA Methanooyrus M.kan

23、dleri 長桿菌 98 6.5 + - - - NT NA: 詳細(xì)不明。 NT: 項目調(diào)意味。基質(zhì)資化性項目置 + 物質(zhì)利用、- 利用意味。2-Pro: 2-propanol； 2-But: 2-butanol； Etoh: ethanol； 1-pro: 1-propanol； CP: Cyclopentanol。 加利福尼亞灣海底200米的溫泉噴水口附近的堆積物中分離出的甲烷菌，可生存于110 的高溫環(huán)境中。極限微生物極限微生物產(chǎn)甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷八疊球菌（Methanosarcina ）索氏絲菌是厭氧處理工程中最重要的細(xì)菌，尤其在上流式污泥床反應(yīng)索氏絲菌是厭氧處理工程中最重要的細(xì)菌，尤

24、其在上流式污泥床反應(yīng)器中大量存在。它只能代謝醋酸，增殖速度很慢，世代時間器中大量存在。它只能代謝醋酸，增殖速度很慢，世代時間3-73-7天。天。產(chǎn)甲烷索氏絲菌產(chǎn)甲烷索氏絲菌（Methanothrix）1）氧化還原電位（）氧化還原電位（ORP） 由于產(chǎn)甲烷菌對環(huán)境的影響最敏感，世代時間相對較長，甲烷由于產(chǎn)甲烷菌對環(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。應(yīng)重點滿足甲烷化反應(yīng)速度較慢，常是厭氧消化過程的控制階段。應(yīng)重點滿足甲烷菌的環(huán)境要求。菌的環(huán)境要求。 常溫條件甲烷菌對氧化還原電位的要求一般為常溫條件甲烷菌對氧化還原電位的要求一般為-330mV以下。在高

25、以下。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。 溶氧是氧化還原電位升高的主要和直接原因。但應(yīng)注意，氧化劑或溶氧是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。等。3.6影響沼氣發(fā)酵的主要因素影響沼氣發(fā)酵的主要因素 3）pH值值 產(chǎn)甲烷菌適宜的產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值為值為7.0左右，大體在左右，大體在 6.8 7.4之間。之間。 厭氧反應(yīng)器中的厭氧反應(yīng)器中的pH值，取決于進(jìn)水的值，取決

26、于進(jìn)水的pH值，有機(jī)物濃度和三階段微生值，有機(jī)物濃度和三階段微生物群的生命物群的生命 活動過程建立的平衡及緩沖能力?；顒舆^程建立的平衡及緩沖能力。 反應(yīng)器的反應(yīng)器的pH值過低，常表現(xiàn)為揮發(fā)酸濃度過高；值過低，常表現(xiàn)為揮發(fā)酸濃度過高； pH值過高，常見于值過高，常見于NH4-濃度過高。濃度過高。2）溫度）溫度 溫度影響微生物生命活動，影響動力學(xué)過程。溫度影響微生物生命活動，影響動力學(xué)過程。 厭氧沼氣發(fā)酵一般存在兩個適宜溫度。為厭氧沼氣發(fā)酵一般存在兩個適宜溫度。為35 和和55 附近。附近。 沼氣池設(shè)計溫度存在三種：常溫（自然溫度）；中溫；高溫沼氣池設(shè)計溫度存在三種：常溫（自然溫度）；中溫；高溫

27、工程中的產(chǎn)甲烷菌以只能分解乙酸的工程中的產(chǎn)甲烷菌以只能分解乙酸的Methanothrix屬為主，其適宜溫度屬為主，其適宜溫度分為分為3540 和和5565 兩類。兩類。 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(yán)重受阻。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(yán)重受阻。表 1.2.1 菌（続） 代謝基質(zhì) 菌 形狀 最適溫度（） pH H2/CO2 蟻酸塩 基化合物 酢酸塩 2-Pro/CO2 2-But./CO2 他 Methanospirillum M.hungatei 鞘包桿菌 30-37 NT + + - - + Methanocorpusculum M.parv

28、um 不規(guī)則球菌 37 6.8-7.5 + + - - + M.aggregans 不規(guī)則球菌 35-37 6.4-7.2 + + - - NT M.labreanum 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - NT M.sinense 不規(guī)則球菌 30 7 + + - - NT M.bavaricum 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - + CP/CO2 Methanoplanus M.ednosymbiosus 狀 32 6.6-7.1 + + - - NT M.limicola 狀 40 7 + + - - NT Methanosarcina M.barkrei 八連球菌 30-40 7

29、+ + + + - M.acetivorans 八連球菌 35-40 6.5-7 - - + + NT M.mazei 八連球菌 30-40 7.0-7.2 +,(-) - + +,(-) NT M.vacuolata 八連球菌 50 6 - - + + NT M.thermophila 八連球菌 40 7.5 + - + + NT Methanothrix M.soehngenii 鞘包桿菌 35-40 7.4-7.8 - - + + NT M.thermophila 鞘包桿菌 55-65 7 - - + + NT 有機(jī)物有機(jī)物碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂類碳水化合物，蛋白質(zhì)，脂類簡單溶解性有機(jī)物

30、簡單溶解性有機(jī)物1水解1發(fā)酵脂肪酸、醇類脂肪酸、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有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷的過程圖有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷的過程圖C, H, O, S， N 揮發(fā)性脂肪酸CO2, pH NH3 pHH2S pH CH4+ CO2pH 硫酸鹽硝酸鹽N2顆粒物水解顆粒物水解產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)甲烷菌群液化液化CO2，H2，C2O2H4胞外酶胞外酶CO2，CH4，H2O反應(yīng)鏈條各節(jié)的速反應(yīng)鏈條各節(jié)的速度應(yīng)該盡可能相等度應(yīng)該盡可能相等酸化酸化甲烷化甲烷化4 4）有機(jī)負(fù)荷）有機(jī)負(fù)荷 有機(jī)負(fù)荷通

31、常是指容積有機(jī)負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有有機(jī)負(fù)荷通常是指容積有機(jī)負(fù)荷，即消化器單位有效容積每天接受的有機(jī)物量機(jī)物量kgCOD/m3.d。（此外也用污泥負(fù)荷，即。（此外也用污泥負(fù)荷，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(jǐn)慎的選擇有機(jī)負(fù)荷，不致形成揮發(fā)酸的積累。須十分謹(jǐn)慎的選擇有機(jī)負(fù)荷，不致形成揮發(fā)酸的積累。 厭氧處理有機(jī)負(fù)荷比好氧處理高得多，一般在厭氧處理有機(jī)負(fù)荷比好氧處理高得多，一般在 510kgCOD/m3.d, 甚至甚至可達(dá)可達(dá)50 kgCOD/m3.d

32、。5 5）攪拌和混合）攪拌和混合 混合攪拌是提高消化效率的工藝條件之一。攪拌可消除分層，促進(jìn)基質(zhì)混合攪拌是提高消化效率的工藝條件之一。攪拌可消除分層，促進(jìn)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。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(rèn)為有些研究認(rèn)為, ,攪拌強(qiáng)度不能過大；對于攪拌的頻度，則有完全不同的觀攪拌強(qiáng)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(dāng)攪拌為好，存在兩種研究結(jié)果與觀點，即頻頻攪拌為好，還是間歇的適當(dāng)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(rèn)為，甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環(huán)境。點。反對頻頻

33、攪拌的觀點認(rèn)為，甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環(huán)境。6 6）營養(yǎng)比）營養(yǎng)比 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。及其他微量元素。 一般工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。一般工程上主要控制進(jìn)料的碳、氮、磷的比例，其它元素不加以控制。 一般認(rèn)為，厭氧法中的碳、氫、磷的比例應(yīng)控制在一般認(rèn)為，厭氧法中的碳、氫、磷的比例應(yīng)控制在200 -300：5：1為為宜。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，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

34、且消化液的緩沖能力較低，在有機(jī)負(fù)荷較高等情況下，而且消化液的緩沖能力較低，在有機(jī)負(fù)荷較高等情況下，pH容易下降。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，會抑相反，若氮源過多，即碳氮比太低，反硝化過程將產(chǎn)生大量的氨，會抑制產(chǎn)甲烷菌的活性，使消化效率降低。制產(chǎn)甲烷菌的活性，使消化效率降低。 7 7）毒性物質(zhì)、重金屬）毒性物質(zhì)、重金屬毒性物毒性物對沼氣發(fā)酵的抑制作用研究較多集中在氨氮抑制；硫化物抑制；對沼氣發(fā)酵的抑制作用研究較多集中在氨氮抑制；硫化物抑制；重金屬抑制。重金屬抑制。 金屬毒性作用：金屬毒性作用：根據(jù)以往的研究，主要有兩種方式，一是通根據(jù)以往的研究，主要有兩種

35、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；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。二是通過金屬氫氧化物凝聚作用使酶沉淀。 HS-CH2CH2-SO3H, 輔酶輔酶M (HS-CoM) Mg (S-CoM)2乙?guī)€基乙烷磺酸乙?guī)€基乙烷磺酸 近年來的一些研究表明，近年來的一些研究表明，F(xiàn)e、Ni 、Co、 W 、Mo、 Se等金屬元素對厭等金屬元素對厭氧發(fā)酵有促進(jìn)作用，而且氧發(fā)酵有促進(jìn)作用，而且Fe、Ni、 Co 等元素不足時，會使一些重要的合等元素不足時，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(yán)重影響。成酶無

36、法形成，從而使厭氧反應(yīng)受到嚴(yán)重影響。 金屬營養(yǎng)作用：金屬營養(yǎng)作用： 氨氮抑制作用：氨氮抑制作用： 硫化物抑制作用：硫化物抑制作用：1）纖維素的生物降解）纖維素的生物降解 纖維素是纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分，約占植物殘體干重的植物細(xì)胞壁的主要成分，約占植物殘體干重的35-60，是天，是天然有機(jī)物中數(shù)量最大的一類污染物。然有機(jī)物中數(shù)量最大的一類污染物。 纖維素是由纖維素是由300-2500個葡萄糖分子組成的高分子縮聚物，性狀穩(wěn)定必須個葡萄糖分子組成的高分子縮聚物，性狀穩(wěn)定必須在纖維素酶的作用下才能分解成二糖或單糖。纖維素酶包括三類：在纖維素酶的作用下才能分解成二糖或單糖。纖維素酶包括三類：C1酶

37、，酶， Cx酶和酶和-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 。 在好氧環(huán)境中，葡萄糖可氧化成在好氧環(huán)境中，葡萄糖可氧化成CO2和水；在厭氧環(huán)境中葡萄糖進(jìn)行丁和水；在厭氧環(huán)境中葡萄糖進(jìn)行丁酸型發(fā)酵，變成丁酸，丁醇，乙酸，乙醇，酸型發(fā)酵，變成丁酸，丁醇，乙酸，乙醇，CO2, H2O等產(chǎn)物。等產(chǎn)物。(C6H10O5)nC12H12O11C6H12O6C1酶，酶， Cx酶酶+H2O+H2O-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶CO2+ H2OH2, CO2 ，丁酸等，丁酸等厭氧厭氧好氧好氧纖維素纖維素纖維二糖纖維二糖葡萄糖葡萄糖3.1.5. 有機(jī)基質(zhì)的降解與甲烷化有機(jī)基質(zhì)的降解與甲烷化2）木質(zhì)素的生物降解）木質(zhì)素的生物降解 木質(zhì)素是

38、一種高分子的芳香族木質(zhì)素是一種高分子的芳香族 聚合物，大量存在于植物木聚合物，大量存在于植物木質(zhì)化組織的細(xì)胞壁，與纖維素緊密的交織在一起，有增強(qiáng)機(jī)械質(zhì)化組織的細(xì)胞壁，與纖維素緊密的交織在一起，有增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的功能。強(qiáng)度的功能。 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，它是由以苯環(huán)為核心，帶有丙烷木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，它是由以苯環(huán)為核心，帶有丙烷支鏈組成的一種或多種芳香族化合物縮合而成，并常與多糖類支鏈組成的一種或多種芳香族化合物縮合而成，并常與多糖類結(jié)合在一起。結(jié)合在一起。 木質(zhì)素是植物體最難降解的物質(zhì)。一般先由木質(zhì)素降解菌木質(zhì)素是植物體最難降解的物質(zhì)。一般先由木質(zhì)素降解菌降解成芳香族化合物，然后再由多種微生物

39、繼續(xù)進(jìn)行分解。但降解成芳香族化合物，然后再由多種微生物繼續(xù)進(jìn)行分解。但分解速度極慢。并有一部分組分難以降解。分解速度極慢。并有一部分組分難以降解。3）碳水化合物的甲烷化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(jī)物，其消化過程如下：(C6H10O5)x+ xH2OxC6H12O6C6H12O6酶發(fā)酵有機(jī)酸+醇類有機(jī)酸醇類CH3COOH + H2第1階段第2階段這兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第3階段2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O上

40、兩階段綜合反應(yīng)為上兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第第3階段階段 2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O凈反應(yīng)為凈反應(yīng)為 C6H12O6 3CH4 + 3CO2 由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷約占甲烷總產(chǎn)量的由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷約占甲烷總產(chǎn)量的2/32）脂類的甲烷化）脂類的甲烷化 包括脂肪和油類，也是污水中常見的有機(jī)物。其消化過程如下：包括脂肪和油類，也是污水中常見的有機(jī)物。其消化過程如下：第第1階段階段第第2階段階段脂肪脂肪 油類油類+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH酶酶脂肪酸脂

41、肪酸甘油甘油CH3(CH2)16COOH + 16H2O 9CH3COOH + 16H2脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如第第3階段階段9CH3COOH 9CH4 + 9CO216H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O凈反應(yīng)為凈反應(yīng)為 CH3(CH2)16COOH + 8H2O 13CH4 + 5CO2 以脂質(zhì)為基質(zhì)時，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為以脂質(zhì)為基質(zhì)時，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%72%，其中，其中69%69%是由乙酸分解產(chǎn)生的。是由乙酸分解產(chǎn)生的。3）蛋白質(zhì)的甲烷化）蛋白質(zhì)的甲烷化 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：蛋白質(zhì)

42、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：第第1階段階段第第2階段階段蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)+ H2O 氨基酸（氨基酸（R）酶酶有機(jī)酸有機(jī)酸 CH3COOH + H2第第3階段階段CH3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的NH4和和CO2可生成可生成NH4HCO3， 這可提高消化液的堿度，并這可提高消化液的堿度，并提高提高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、形成臭味和一定的腐蝕性。臭味和一定的腐蝕性。氨基酸通式為氨基酸通式為發(fā)酵發(fā)酵有機(jī)酸有機(jī)酸

43、+ NH4HCO3沼氣甲烷含量為沼氣甲烷含量為73%，其中，其中72%是通過乙酸途徑產(chǎn)生的是通過乙酸途徑產(chǎn)生的R-C-COOH NH2 HR-C-COOH NH2 H 沼氣發(fā)酵時，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(fù)荷遠(yuǎn)高于好氧系統(tǒng)，產(chǎn)生的污泥量少，運行費用低。因此廢水厭氧發(fā)酵處理在食品、釀造和制糖等工業(yè)中得到廣泛運用。沼氣發(fā)酵基本工藝流程如圖所示。沼氣發(fā)酵工藝的核心是厭氧反應(yīng)器，目前已經(jīng)開發(fā)出多種厭氧反應(yīng)器，用來提高厭氧處理的能力。3.2 沼氣發(fā)酵基本工藝方法沼氣發(fā)酵基本工藝方法集氣構(gòu)造3.2.1 沼氣發(fā)酵基本工藝參數(shù)沼氣發(fā)酵基本工藝參數(shù)1)1)總

44、固體（總固體（TSTS）105，105，24小時小時TS600，600 2小時小時灰分灰分揮發(fā)性固體揮發(fā)性固體(VS)(VS)總固體總固體水水懸浮液懸浮液懸浮固體（懸浮固體（SS） 是指離心分離或過濾得到的懸浮物在是指離心分離或過濾得到的懸浮物在105 蒸發(fā)后剩余的固體量。蒸發(fā)后剩余的固體量。是指懸浮固體與溶解性固體的總和是指懸浮固體與溶解性固體的總和指指1L污水中的有機(jī)物在耗氧微生物的作用下進(jìn)行氧化分解污水中的有機(jī)物在耗氧微生物的作用下進(jìn)行氧化分解時所消耗的溶氧量時所消耗的溶氧量(mg/L) 。2) 生物化學(xué)需氧量（生物化學(xué)需氧量（BOD)廢水中有機(jī)物數(shù)量繁多，但大多數(shù)有機(jī)物都可在耗氧微生廢

45、水中有機(jī)物數(shù)量繁多，但大多數(shù)有機(jī)物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有機(jī)物數(shù)量同耗氧量成正比。物作用下氧化分解，有機(jī)物數(shù)量同耗氧量成正比。實際測定時常采用實際測定時常采用BOD5，即，即1L水樣在水樣在20 的條件下培養(yǎng)的條件下培養(yǎng)5天天的生化需氧量。的生化需氧量。BOD5 = NBOD + CBOD NBOD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。小得多。 30209day51020304050BOD(mg/L)50100200300第一階段第一階段第二階段第二階段BOD是重要的是重要的有機(jī)物濃度指標(biāo)和可生化性指標(biāo)有機(jī)物濃

46、度指標(biāo)和可生化性指標(biāo)實驗研究表明：第一階段實驗研究表明：第一階段中有機(jī)物在各個時刻的耗中有機(jī)物在各個時刻的耗氧速度與該時刻的污水中氧速度與該時刻的污水中有機(jī)物濃度成正比關(guān)系。有機(jī)物濃度成正比關(guān)系。有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 能量能量+ CO+ CO2 2 + H + H2 2O + NHO + NH3 3好氧菌好氧菌第一階段第一階段第二階段第二階段NHNH3 3 3O3O2 2 2HNO 2HNO2 2 + 2H + 2H2 2O O 亞硝化菌亞硝化菌2HNO2HNO2 2 O O2 2 2HNO 2HNO3 3 硝化菌硝化菌第一階段常溫下一般需要第一階段常溫下一般需要2020天接近完成天接近

47、完成第二階段常溫下一般需要近百天才能完成第二階段常溫下一般需要近百天才能完成（1 1）降解：）降解： 有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 CO CO2 2 + H + H2 2O + NHO + NH3 3微生物微生物第一階段的三部分第一階段的三部分BODBOD（2 2）合成：）合成： 有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 能量能量 新細(xì)胞新細(xì)胞 （3 3）內(nèi)源呼吸：）內(nèi)源呼吸：老細(xì)胞老細(xì)胞 O O2 2 CO2 + H2O + NH3 BOD表示有機(jī)污染物參數(shù)時存在明顯的缺陷，即使衡量耗表示有機(jī)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氧量時也是如此。因為內(nèi)源

48、呼吸耗氧量與硝化耗氧量可能引起很大誤差。很大誤差。 當(dāng)進(jìn)口當(dāng)進(jìn)口BOD200mg/L,出口出口BOD無硝化時無硝化時20mg/L，有硝化時，有硝化時40mg/L，則去除率分別為，則去除率分別為90%、80%，實際上有機(jī)物去除率應(yīng)，實際上有機(jī)物去除率應(yīng)該是一樣的。該是一樣的。進(jìn)口進(jìn)口BOD=200mg/L出口出口BOD=NBOD+CBOD=0+20mg/L=20mg/L污水含氮極低污水含氮極低進(jìn)口進(jìn)口BOD=200mg/L出口出口BOD=NBOD+CBOD=20+20mg/L=40mg/L污水含氮很高污水含氮很高去除去除BOD系統(tǒng)系統(tǒng)去除去除BOD系統(tǒng)系統(tǒng)BOD去除率去除率=90%BOD去除率去

49、除率=80%一般污水的一般污水的BOD5=NBOD+CBODCBOD5，與含氮量無關(guān)。，與含氮量無關(guān)。假設(shè)有假設(shè)有兩種污水除含氮量不同外其他成分完全一樣，則兩種污水除含氮量不同外其他成分完全一樣，則BOD5也相同。也相同。 在規(guī)定條件下，用強(qiáng)氧化劑化學(xué)氧化在規(guī)定條件下，用強(qiáng)氧化劑化學(xué)氧化1L水樣所消耗的氧水樣所消耗的氧量量(mg/L)。 氧化劑為重鉻酸甲（氧化劑為重鉻酸甲（K2Cr2O7)或高錳酸鉀（或高錳酸鉀（KMnO4)。 KMnO4 氧化力較弱。氧化力較弱。COD未加注明時，大多是指重鉻酸甲法未加注明時，大多是指重鉻酸甲法的的CODcr。 COD越高表明廢水的有機(jī)物越多。越高表明廢水的有

50、機(jī)物越多。COD一般高于一般高于BOD，其差，其差值可表征不能被微生物降解的有機(jī)物含量。值可表征不能被微生物降解的有機(jī)物含量。3 3）化學(xué)需氧量（）化學(xué)需氧量（COD)COD)廢水種類廢水種類ab生活污水生活污水1.6411.36家禽廢水家禽廢水1.4555.7啤酒廢水啤酒廢水2.3246.2 COD = a BOD5 + b廢水生物處理，上海環(huán)保局，同濟(jì)大學(xué)出版社，廢水生物處理，上海環(huán)保局，同濟(jì)大學(xué)出版社，1999，P21BOD5COD0.3適宜生物處理COD與與BOD常有相關(guān)關(guān)系，大多為線性關(guān)系。常有相關(guān)關(guān)系，大多為線性關(guān)系。可生化性判據(jù)可生化性判據(jù)4）揮發(fā)性脂肪酸（）揮發(fā)性脂肪酸（VFA

51、） 一般碳原子在一般碳原子在10以下的脂肪酸都具以下的脂肪酸都具有揮發(fā)性。在規(guī)定的的條件下測得的揮發(fā)性脂肪酸濃度用于表示厭氧發(fā)酵有揮發(fā)性。在規(guī)定的的條件下測得的揮發(fā)性脂肪酸濃度用于表示厭氧發(fā)酵的中間產(chǎn)物含量與原料性質(zhì)，也是工藝控制的重要指標(biāo)。的中間產(chǎn)物含量與原料性質(zhì)，也是工藝控制的重要指標(biāo)。5）水力停留時間（）水力停留時間（HRT） 水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間HRT=V/Q V：反應(yīng)器有效容積：反應(yīng)器有效容積m3Q：反應(yīng)器的廢水處理流量：反應(yīng)器的廢水處理流量m3/d6）污泥停留時間（）污泥停留時間（SRT）SRT = 反應(yīng)器內(nèi)污泥量反應(yīng)器內(nèi)污泥量 排出反應(yīng)器的污泥流量

52、排出反應(yīng)器的污泥流量7 7）反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷）反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷污泥負(fù)荷（污泥負(fù)荷（N Ns s）：Ns指單位時間內(nèi)，單位重量的活性污泥所處理的指單位時間內(nèi)，單位重量的活性污泥所處理的有機(jī)物數(shù)量有機(jī)物數(shù)量(BOD或或COD) ，用，用kg/kgd表示。污泥負(fù)荷有時也可稱為食物表示。污泥負(fù)荷有時也可稱為食物與微生物比值，用與微生物比值，用F/M表示。表示。容積負(fù)荷（容積負(fù)荷（NvNv）：）：Nv指單位反應(yīng)器容積在單位時間內(nèi)所處理指單位反應(yīng)器容積在單位時間內(nèi)所處理的有機(jī)物數(shù)量的有機(jī)物數(shù)量(BOD 或或 COD) ，用，用kg/m3d表示。表示。Nv =S0V kgBOD/m3d Ns =S0 ( V M

53、LVSS ) kgBOD/kgd MLVSS：反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性污泥濃度：反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性污泥濃度kg/m3Q：反應(yīng)器的廢水處理流量：反應(yīng)器的廢水處理流量m3/dV：反應(yīng)器有效容積：反應(yīng)器有效容積m3S0 料液濃度，料液濃度，kg /m3 (BOD或或COD) 1 根據(jù)有機(jī)負(fù)荷計算：根據(jù)有機(jī)負(fù)荷計算： V = Q S0/Nv V 有效容積，有效容積，m3Q 設(shè)計流量，設(shè)計流量，m3 d-1Nv 容積負(fù)荷，容積負(fù)荷，kg m-3 d-1 （BOD或或COD）S0 料液濃度，料液濃度，kg m-3 （BOD或或COD） 2 根據(jù)水力滯留時間計算：根據(jù)水力滯留時間計算： V = Q tt 水力滯留時間，水

54、力滯留時間，d8）沼氣池容積計算）沼氣池容積計算9）沼氣發(fā)酵溫度選擇）沼氣發(fā)酵溫度選擇反應(yīng)溫度的選擇十分重要反應(yīng)溫度的選擇十分重要高溫厭氧工藝與低溫比較：高溫厭氧工藝與低溫比較：處理負(fù)荷高處理負(fù)荷高時代時間短，代謝速度高，處理速度快時代時間短，代謝速度高，處理速度快污泥產(chǎn)量低（可低至中溫時的一半）污泥產(chǎn)量低（可低至中溫時的一半）沼氣中甲烷含量稍低沼氣中甲烷含量稍低啟動慢啟動慢對沖擊負(fù)荷、基質(zhì)變化、毒性物質(zhì)等作用的對沖擊負(fù)荷、基質(zhì)變化、毒性物質(zhì)等作用的穩(wěn)定性較弱穩(wěn)定性較弱高溫發(fā)酵中溫發(fā)酵常溫發(fā)酵工藝類型劇烈的溫度波動對沼氣發(fā)酵十分不利。一般中溫一旦超過劇烈的溫度波動對沼氣發(fā)酵十分不利。一般中溫一

55、旦超過45產(chǎn)甲烷菌失活。以后隨著溫度升高，高溫菌逐漸增殖。產(chǎn)甲烷菌失活。以后隨著溫度升高，高溫菌逐漸增殖。沼氣處理溫度必須考慮的因素：沼氣處理溫度必須考慮的因素：有機(jī)廢水的有機(jī)物濃度有機(jī)廢水的有機(jī)物濃度一般一般1000mgCOD/L有機(jī)物產(chǎn)生的甲烷燃燒后產(chǎn)生的熱量大有機(jī)物產(chǎn)生的甲烷燃燒后產(chǎn)生的熱量大約可使水溫升高約可使水溫升高3 1gBOG理論轉(zhuǎn)化理論轉(zhuǎn)化0.35L甲烷（不計細(xì)胞合成等其他消耗）甲烷（不計細(xì)胞合成等其他消耗）甲烷熱值：甲烷熱值：35.8kJ/L（標(biāo)態(tài)）（標(biāo)態(tài)）*BOD的的5-15%用于細(xì)胞合成用于細(xì)胞合成或稱普通消化池。當(dāng)無輔助攪拌裝或稱普通消化池。當(dāng)無輔助攪拌裝置時，固體停留

56、時間為置時，固體停留時間為30d30d60d60d，有機(jī)負(fù)荷為有機(jī)負(fù)荷為1.6kgVS1.6kgVS（揮發(fā)性固體）（揮發(fā)性固體）/m/m3 3d d；當(dāng)有輔助攪拌裝置時，水；當(dāng)有輔助攪拌裝置時，水力停留時間一般為力停留時間一般為7 7d d30d30d，有機(jī)，有機(jī)負(fù)荷為負(fù)荷為8kgVS/m8kgVS/m3 3d d。1 1普通厭氧反應(yīng)器（普通厭氧反應(yīng)器（APAP）特點：特點：在一個池內(nèi)完成厭氧消化在一個池內(nèi)完成厭氧消化和污泥分離。和污泥分離。沼沼氣氣出水出水排排泥泥原料原料普通厭氧反應(yīng)器普通厭氧反應(yīng)器3.2.2 沼氣發(fā)酵反應(yīng)器沼氣發(fā)酵反應(yīng)器 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

57、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。2厭氧接觸工藝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有機(jī)負(fù)荷：有機(jī)負(fù)荷： 為為 2.1 kg(BOD)/m3d 5.0 kg(BOD)/m3d 或或 12.5 kg(COD)/m3d 30.0 kg(COD)/m3d。適宜溫度：適宜溫度： 多數(shù)是在中溫范圍多數(shù)是在中溫范圍適宜濃度：適宜濃度： 該法適用于處理該法適用于處理 BOD5 大于大于 1500 mg/L 的廢水，出水的的廢水，出水的BOD5 在在 200 mg/L 1000 mg/L 之間。之間。

58、 污泥床反應(yīng)器內(nèi)沒有載體，絮狀污污泥床反應(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泥在上升水流和氣泡的作用下處于懸浮狀態(tài)。浮狀態(tài)。絮狀污泥是直徑為絮狀污泥是直徑為1mm5mm的顆的顆粒，反應(yīng)器中水流均勻分布，避免進(jìn)粒，反應(yīng)器中水流均勻分布，避免進(jìn)水短流。水短流。3 3厭氧污泥床反應(yīng)器（厭氧污泥床反應(yīng)器（ASBASB）由反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)和氣室區(qū)組成。由反應(yīng)區(qū)、沉淀區(qū)和氣室區(qū)組成。廢水從底部進(jìn)入，經(jīng)配水器均布后向廢水從底部進(jìn)入，經(jīng)配水器均布后向上運動。上運動。下部是濃度較高的污泥層，稱為污泥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床，污泥床上部是濃度較低的懸浮污泥

59、層。污泥床和懸浮污泥層常統(tǒng)稱為泥層。污泥床和懸浮污泥層常統(tǒng)稱為反應(yīng)區(qū)。反應(yīng)區(qū)。入水入水三相分離器三相分離器沼氣沼氣上流式厭氧污泥床上流式厭氧污泥床（UASB)沉淀區(qū)沉淀區(qū)反反應(yīng)應(yīng)區(qū)區(qū)出水出水懸浮區(qū)懸浮區(qū)污泥層污泥層 反應(yīng)器上部設(shè)置一個專門的氣反應(yīng)器上部設(shè)置一個專門的氣-液液-固三相分離固三相分離器，使污泥回到下面的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，上清液從上器，使污泥回到下面的反應(yīng)區(qū)內(nèi)，上清液從上部排出，氣體則在三相分離器下面進(jìn)入氣室而部排出，氣體則在三相分離器下面進(jìn)入氣室而排出。排出。 污泥層高度占反應(yīng)區(qū)總高度的污泥層高度占反應(yīng)區(qū)總高度的1/3左右，但其左右，但其污泥量占總污泥量的污泥量占總污泥量的2/3以上。污泥

60、層中底物濃以上。污泥層中底物濃度高、污泥活性和酶活性高，有機(jī)物的吸附代度高、污泥活性和酶活性高，有機(jī)物的吸附代謝速度快。據(jù)研究表明謝速度快。據(jù)研究表明80%的有機(jī)物是在污泥的有機(jī)物是在污泥層被吸附降解的。層被吸附降解的。 入水三相分離器沼氣沉淀區(qū)反應(yīng)區(qū)出水懸浮區(qū)污泥層污泥層產(chǎn)生大量氣泡，氣泡上升，同時不斷結(jié)合成較大氣泡，強(qiáng)烈的攪動污泥層產(chǎn)生大量氣泡，氣泡上升，同時不斷結(jié)合成較大氣泡，強(qiáng)烈的攪動形成了上部的懸浮層。懸浮層去除有機(jī)量不大，但其高度對產(chǎn)氣量和工藝形成了上部的懸浮層。懸浮層去除有機(jī)量不大，但其高度對產(chǎn)氣量和工藝過程的穩(wěn)定性十分重要。過程的穩(wěn)定性十分重要。可達(dá)到可達(dá)到15kg（COD）/