农业废弃物处理工程工艺讲义讲稿.ppt

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1、关于农业废弃物处理工程工艺讲义第一页，讲稿共一百页哦主要污染项目：臭气 污水 粪便 集约化畜禽养殖高强度排污，超过周围环境系统纳污能力，使环境系统自净能力丧失，生态系统失衡进入恶性循环状态。8-1 畜牧生产废弃物及其对环境危害SH2 NH3第二页，讲稿共一百页哦8.1.1 8.1.1 污染物质与环境危害污染物质与环境危害1.可降解有机污染物 动植物性废弃物，几乎所有的非人工合成有机物，主要为碳水动植物性废弃物，几乎所有的非人工合成有机物，主要为碳水化合物，蛋白质、脂肪和木质素等。可在微生物作用下最终分解为化合物，蛋白质、脂肪和木质素等。可在微生物作用下最终分解为简单的无机物。简单的无机物。2.

2、2.难降解物质难降解物质 指那些人工合成的、难于被微生物分解的废弃物。比如化学农指那些人工合成的、难于被微生物分解的废弃物。比如化学农药、抗生素等药、抗生素等第三页，讲稿共一百页哦 3.3.植物营养物（富营养物）植物营养物（富营养物）主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包括钾、主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包括钾、硫等植物生长所必需的元素。硫等植物生长所必需的元素。水体生态的严重失衡水体生态的严重失衡污泥积累、湖水退化。污泥积累、湖水退化。蓝细菌的蛋白类毒素富集蓝细菌的蛋白类毒素富集食物链中毒食物链中毒供水质量下降、成本升高供水质量下降、成本升高化合态氮毒害作用化合态氮毒害作用第四页

3、，讲稿共一百页哦4.4.有毒物质有毒物质 汞、镉、铬、砷、铅都是毒性较大的重金属，还有铜、钴、锡、汞、镉、铬、砷、铅都是毒性较大的重金属，还有铜、钴、锡、锌也有一定的毒性。闻名于世的水俣病是受汞污染的水体通过藻类、锌也有一定的毒性。闻名于世的水俣病是受汞污染的水体通过藻类、浮游生物、贝类、鱼类食物链不断富集放大后最终进入人体的典型浮游生物、贝类、鱼类食物链不断富集放大后最终进入人体的典型的生物放大事例。隔取代骨中的钙引起骨痛病；氟可因起软骨病；的生物放大事例。隔取代骨中的钙引起骨痛病；氟可因起软骨病；长期饮用含铬水可致口角糜烂、腹泻和消化道机能紊乱。长期饮用含铬水可致口角糜烂、腹泻和消化道机能

4、紊乱。有毒重金属有毒重金属污泥积累污泥积累长期危害长期危害某些生物同化作用后毒性增加。某些生物同化作用后毒性增加。食物链的生物富集放大食物链的生物富集放大此外常见的有毒物质还有工业污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、此外常见的有毒物质还有工业污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多环芳烃等等。多环芳烃等等。第五页，讲稿共一百页哦甲基汞甲基汞(Methyl Mercury CH3Hg)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汞高了10100倍汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。食物链富集汞被水中微生物转化为甲基汞而进入浮游生物体内，再经过“浮游生物小鱼大鱼”食物

5、链的富集，使大鱼中有机汞浓度达到海水汞浓度的几万倍正常人即使在生活和工作中从未接触过汞，其体内及尿中仍可检出少量汞存在。据估计，自然界的汞循环量每年可达25至150万吨。第六页，讲稿共一百页哦1.1.5.5.酸碱及无机盐类酸碱及无机盐类 冶金、加工业的酸洗废水，冶金、矿山的硫化物氧化产生的酸性废水，冶金、加工业的酸洗废水，冶金、矿山的硫化物氧化产生的酸性废水，二氧化硫形成的酸雨，造纸、纺织、纤维、制革、洗涤剂、染料、制碱二氧化硫形成的酸雨，造纸、纺织、纤维、制革、洗涤剂、染料、制碱等工业排水。直接污染土壤、表面水体、地下水体，一旦污染影响长久，等工业排水。直接污染土壤、表面水体、地下水体，一旦

6、污染影响长久，不易治理。不易治理。1.1.6.6.色度色度 破坏景观、影响水质。破坏景观、影响水质。1.7.病原微生物病原微生物 生活、畜禽、养殖、食品、屠宰等。生活、畜禽、养殖、食品、屠宰等。第七页，讲稿共一百页哦8.1.2 8.1.2 环境系的自净化环境系的自净化作用与纳污容量作用与纳污容量污染自然污染人为污染自然地理因素等原因人类活动原因污染物在物系循环流动过程中发生演变，自然地减污染物在物系循环流动过程中发生演变，自然地减少消失或无害化，称为物系的少消失或无害化，称为物系的自净自净。污染物浓度自然降低的能力称为污染物浓度自然降低的能力称为自净能力自净能力环境系每年允许的最大纳污量称为该

7、环境系的环境系每年允许的最大纳污量称为该环境系的纳污容量纳污容量 环境容量环境容量 自净物理作用化学作用稀释，沉淀，挥发，凝聚，吸附，过滤生物作用分解与化合，氧化与还原，酸碱反应等使污染物浓度降低或毒性丧失。微生物代谢活动使污染物分解转化成无害物质物理污染化学污染生物污染污染物分类来源特性点源点源：主要指工业废水与都市生活排水，均有固定的排放口面源面源：主要指来源于流域广大面积上的降雨径流污染，如农药化肥 第八页，讲稿共一百页哦细菌群载体水底固形物氧气氧气有机物污染水有机物被各种微生物菌群分解代谢细菌群载体水底固形物虫有机物污染水微生物菌群被微小动物消耗，水体透明度好转细菌浓度升高水底固形物氧

8、气氧气水中有机物污染被细菌系分解净化水体透明度下降生生物物作作用用下下的的水水体体自自净净化化过过程程举举例例第九页，讲稿共一百页哦有毒重金属、难降解物质有毒重金属、难降解物质特别加以处理特别加以处理水质净化良性循环与生化处理方法原理水质净化良性循环与生化处理方法原理第十页，讲稿共一百页哦8.1.3 8.1.3 畜禽粪便特性畜禽粪便特性一一 物理学特性物理学特性1、颗粒尺寸 新收集畜禽粪便颗粒尺寸分布见表6-1（p274）直径m m m0.0030.3溶解固体胶质体悬浮体氯离子，乙酸、乙醇病毒细菌0.510 m砂201000 m沉降分离超滤分子筛离心膜过滤生物、化学方法详细讨论请参考废水工程处

9、理及回顾p31第十一页，讲稿共一百页哦2、TS、VS、灰分105，105，24小时TS600，600 2小时TS灰分VS（挥发性固体）总固体水悬浮液3、含水率、容重（鸡粪除外）一般鲜粪含水率高于80%，实际收集到的粪便含水率与收集方式有关。悬浮固体物与TS的区别？第十二页，讲稿共一百页哦二 生物化学特性生物化学需氧量（BOD)BOD是指1L污水中的有机物在耗氧微生物的作用下进行氧化分解时所消耗的溶氧量(mg/L)。废水中有机物数量繁多，但大多数有机物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有机物数量同耗氧量成正比。实际测定时常采用BOD5，即水样在20 的条件下培养5天的生化需氧量。BODBOD5 5

10、=NBOD+CBOD=NBOD+CBOD NBOD NBOD是还原态氮氧化成硝态氮或是还原态氮氧化成硝态氮或亚硝态氮的需氧量，通常较亚硝态氮的需氧量，通常较CBODCBOD小得多。小得多。实验研究表明：第一阶段中有实验研究表明：第一阶段中有机物在各个时刻的好氧速度与该时刻机物在各个时刻的好氧速度与该时刻的污水中有机物浓度成正比关系。的污水中有机物浓度成正比关系。30209day51020304050BOD(mg/L)50100200300第一阶段第二阶段污水的有机物浓度指标和可生化性指标污水的有机物浓度指标和可生化性指标更详细的讨论请参考废水工程处理及回顾p56第十三页，讲稿共一百页哦有机物

11、O2 能量 CO2+H2O+NH3好氧菌第一阶段第二阶段NH3 3O2 2HNO2+2H2O 亚硝化菌2HNO2 O2 2HNO3 硝化菌第一阶段常温下一般需要20天接近完成第二阶段常温下一般需要近百天才能完成第十四页，讲稿共一百页哦（1）降解：有机物 O2 CO2+H2O+NH3微生物第一阶段的三部分第一阶段的三部分BODBOD（2）合成：有机物 O2 能量 新细胞 （3）内源呼吸：老细胞 O2 CO2+H2O+NH3 BOD表示有机污染物参数时存在明显的缺陷，即使衡量耗氧量时也是如此。因为内源呼吸耗氧量与硝化耗氧量可能引起很大误差。当进口BOD200mg/L,出口BOD无硝化时20mg/L

12、，有硝化时40mg/L，则去除率分别为90%、80%，实际上有机物去除率应该是一样的。第十五页，讲稿共一百页哦进口进口BOD=200mg/L出口出口BOD=NBOD+CBOD=0+20mg/L=20mg/L污水含氮极低污水含氮极低进口进口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系统系统去除去除BOD系统系统BOD去除率去除率=90%BOD去除率去除率=80%一般污水的一般污水的BOD5=NBOD+CBODCBOD5，与含氮量无关。，与含氮量无关。假设有两种污水假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则

13、除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。也相同。第十六页，讲稿共一百页哦化学需氧量（COD)COD是指在酸性条件下，用强氧化剂使1L被测废水中有机物进行化学氧化时所消耗的氧量(mg/L)。COD越高表明废水的有机物越多，目前常用的氧化剂为重铬酸甲（K2Cr2O7)和高锰酸钾（KMnO4)。KMnO4 氧化力较弱，文献中COD未加注明时，大多是指重铬酸甲法的CODcr。COD一般较BOD为高，其差值表示不能被微生物降解的有机物含量。废水种类废水种类a ab b生活污水生活污水1.641.6411.3611.36家禽废水家禽废水1.451.4555.755.7啤酒废水啤酒废水2.322.

14、3246.246.2据Ademoroti(1986)研究认为，COD与BOD常有一定的相关关系，大多为线性关系。COD=a BOD5+b废水生物处理，上海环保局，同济大学出版社，1999，P21BOD5COD0.3适宜生物处理第十七页，讲稿共一百页哦三 化学特性肥料元素：N、P、K金属元素：Cu、Zn、Fe、B、As酸碱度:鸡粪偏酸pH=6-7,其他自猪、羊、牛、马粪为弱碱性pH=7.3-8.6。鸡粪、猪粪、牛粪相比较，鸡消化道很短未经彻底消化残留于粪中的营养物最多，含有大量的粗蛋白等，猪粪次之，牛粪有较高的粗纤维，含营养物最少，鸡粪还含较高的磷与硫。不同畜禽粪便沼气发酵等生物处理时，应注意C

15、、N、P、S比例与含水率等特点。牛粪：C/N/P比是否过高，某些微量元素是否欠缺猪粪：氨氮是否过高，抑制微生物发酵、BOD5误差问题等鸡粪：氨氮是否过高，是否含硫过高，腐蚀、臭气、抑制、硫酸盐还原菌竞争等问题第十八页，讲稿共一百页哦SOSO4 42-2-NO NO3 3-酸雨酸雨酸雨酸雨 是自然污染吗是自然污染吗2、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源 3、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气体污染物吗？体污染物吗？1、请请举举例例说说出出水水系系的的自自净净能能力力、纳纳污污容容量量点点源与面源污染。源与面源污染。4、“最优方法

16、最优方法”这种概念起码在理论上这种概念起码在理论上几乎没有价值。更应该关注的是特征，几乎没有价值。更应该关注的是特征，而不是一味追求理论上的普遍性。你同而不是一味追求理论上的普遍性。你同意以上观点吗？请发表你的观点。意以上观点吗？请发表你的观点。5、BOD5作为有机物参数有那些不足作为有机物参数有那些不足第十九页，讲稿共一百页哦8-2 粪污处理利用工程工艺与设施8.2.1 8.2.1 粪便收集与运输方式粪便收集与运输方式刮板式刮板式:自落积存式自落积存式自流式自流式水冲式水冲式分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水冲

17、式清粪为主冲式清粪为主清清粪粪方方法法与与设设备备第二十页，讲稿共一百页哦鸡笼鸡笼鸡笼鸡笼环流风机环流风机排气排气风机风机鸡粪鸡粪鸡粪鸡粪自落积存式自落积存式更换鸡群时一次性清理1.72.0m第二十一页，讲稿共一百页哦自流式清粪自流式清粪缝隙地板缝隙地板第二十二页，讲稿共一百页哦水冲式清粪水冲式清粪带仔带仔母猪母猪仔猪仔猪育肥猪育肥猪前期前期育肥猪育肥猪后期后期妊娠妊娠母猪母猪奶牛与奶牛与肉牛肉牛冲水量冲水量m m3 3/头头.天天 0.1330.1330.0150.0150.0380.0380.0570.0570.0950.0950.380.38表6-4 每日最少冲洗量最小用水量主要根据经验

18、资料得到最小用水量主要根据经验资料得到第二十三页，讲稿共一百页哦畜禽粪便产量畜禽粪便产量（p274 表表6-2）可参考设施农业工程工艺及建筑设计教材可参考设施农业工程工艺及建筑设计教材p216的计算公式以的计算公式以及表及表8-18-4。注意：注意：养殖畜禽工艺设计养殖畜禽工艺设计-小小粪污处理工艺设计粪污处理工艺设计-大大工艺设计中常见到的取值偏差现象的背后原因工艺设计中常见到的取值偏差现象的背后原因思考问题：思考问题：第二十四页，讲稿共一百页哦粪便输送方式粪便输送方式固态：固态：低于低于70%70%车车半固态半固态 ：70%-80%70%-80%输送带、螺旋输送机械输送带、螺旋输送机械半液

19、态：半液态：80%-90%80%-90%管道、污泥泵管道、污泥泵液态：液态：高于高于90%90%第二十五页，讲稿共一百页哦8.2.2 畜禽粪便处理工艺与设施畜禽粪便处理工艺与设施1、物理处理、物理处理一级处理一级处理大尺寸固形物，砂泥大尺寸固形物，砂泥格栅二沉池污泥超滤超滤第二十六页，讲稿共一百页哦沉降分离沉降分离固液分离固液分离机械分离（离心、压滤、筛分）机械分离（离心、压滤、筛分）干燥（常温干燥、高温干燥、微波干燥）干燥（常温干燥、高温干燥、微波干燥）工艺与设备设计工艺与设备设计（专业课程：（专业课程：化工原理化工原理或或单元操作单元操作过程）过程）物理处理物理处理主要用于一级处理主要用于

20、一级处理第二十七页，讲稿共一百页哦2、化学处理化学处理氧化法氧化法 （臭氧氧化；次氯酸、氯气消毒等等）（臭氧氧化；次氯酸、氯气消毒等等）絮凝沉淀法絮凝沉淀法（明矾、硫酸铝、硫酸亚铁等絮凝剂）（明矾、硫酸铝、硫酸亚铁等絮凝剂）酸碱中和法酸碱中和法 主要用于预处理或后期处理主要用于预处理或后期处理第二十八页，讲稿共一百页哦3 3、生物化学处理、生物化学处理二级处理的主体。二级处理的主体。成本低，应用广泛，技术成熟成本低，应用广泛，技术成熟微生物适宜的微生物适宜的环境特点分类环境特点分类好氧（微生物）法好氧（微生物）法兼氧（微生物）法兼氧（微生物）法厌氧（微生物）法厌氧（微生物）法比如实践常见的比如

21、实践常见的好氧好氧兼氧兼氧厌氧厌氧生物塘、反应器生物塘、反应器第二十九页，讲稿共一百页哦废水微生物处理方法很多，若根据起主要作用的微生物的呼吸类型，可分为好氧处理、厌氧处理和兼氧处理。如果根据微生物存在的状态，可分为悬浮生长系统和固定膜系统。稳定塘是一种藻类-细菌互生系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：第三十页，讲稿共一百页哦粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理系统有以下几种：种：第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿分离分别第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿分离分别进行处理。进行处理。第二种方式是猪粪尿直接进行

22、厌氧发酵处理后排放或利用。第二种方式是猪粪尿直接进行厌氧发酵处理后排放或利用。第三种方式是将猪粪尿通过自然沉淀而分离为浓稠物和稀第三种方式是将猪粪尿通过自然沉淀而分离为浓稠物和稀液分别进行处理。液分别进行处理。第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，然后分别第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，然后分别处理。处理。第三十一页，讲稿共一百页哦第三十二页，讲稿共一百页哦“能源生态型”工艺（Process of“energy ecological”disposing and using）畜禽养殖场污水经厌氧消化处理后作为农田水肥利用的处理利用工艺。“能源环保型”处理利用工艺一般在厌氧处理后

23、需再经好氧工艺处理以使排水达到国家标准。“能源环保型能源环保型”工艺工艺（Process of“energy environment”disposing and using）畜禽养殖场的畜禽污水处理后达标排放或以回用为最终目标的处理工艺。厌氧处理沼气沼渣、沼液作为肥料利用厌氧处理沼气达标排放好氧处理等第三十三页，讲稿共一百页哦qscsksqmax+cs=q qmaxmax称为基质最大比消耗速率。称为基质最大比消耗速率。MonodMonod方程方程c cs sk ks s=maxmax+c+cs s该方程描述了该方程描述了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，是由

24、现代细胞生，是由现代细胞生长动力学的奠基人长动力学的奠基人MonodMonod在在19421942年提出的经验方程年提出的经验方程。为细胞比生长速为细胞比生长速率率(1/s)(1/s)；maxmax 为最大细胞比生长速率；为最大细胞比生长速率；c cs s为限制性基质浓度为限制性基质浓度（g/Lg/L）；）；k ks s为饱和常数（为饱和常数（g/Lg/L），其值等于比生长速率恰等于最大比，其值等于比生长速率恰等于最大比生长速率的一半时的限制性基质浓度生长速率的一半时的限制性基质浓度。第三十四页，讲稿共一百页哦沼气池高产出率（小型高速产气）指标沼气池高产出率（小型高速产气）指标沼气池排水高净化

25、（高度降解率）指标沼气池排水高净化（高度降解率）指标反反应应器器设设计计无无法法同时获得高指标。同时获得高指标。第三十五页，讲稿共一百页哦沉降分离剩余污泥剩余污泥净化水气体产物（气体产物（CO2，N2，H2S等）等）污物污物+水污染物+水气体产物 +生物污泥+水沉降分离性能必须给以足够的重视！沉降分离性能必须给以足够的重视！处理净化系统第三十六页，讲稿共一百页哦净化水污泥污水一级处理大尺寸固形物，砂泥二级处理悬浮物、胶质体、溶解有机物格栅初沉池生物降解二沉池第三十七页，讲稿共一百页哦有机废水生物处理特点有机废水生物处理特点废水浓度废水浓度滞留時間滞留時間BODBOD除去率除去率动力动力主要副产

26、物主要副产物80-95%80-95%低低高质燃料高质燃料高浓度高浓度低浓度低浓度80-99%80-99%高出十倍高出十倍待处理污泥待处理污泥厌氧处理能量产出多少与原水温度、COD浓度、发酵温度有关。为了达到排放标准往往需要好氧处理工艺等进一步处理第三十八页，讲稿共一百页哦 耗氧菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONa2O2O2 2NaHCONaHCO3 3H H2 2O OCOCO2 2 Go-848.08 KJ/mol 反硝化菌呼吸 5CH5CH3 3COONaCOONa8NaNO8NaNO3 34N4N2 27NaHCO7NaHCO3 33Na3Na2 2COCO3 34H4H2 2O

27、O Go-782.78 KJ/mol 硫酸塩还原菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaNaNa2 2SOSO4 42NaHCO2NaHCO3 3NaHSNaHS Go-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaH H2 2OCHOCH4 4NaHCONaHCO3 3 Go-29.30 KJ/mol以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能第三十九页，讲稿共一百页哦以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能好氧菌好氧菌反硝化菌反硝化菌硫酸还原菌硫酸还原菌甲烷菌甲烷菌能量收支衡算表明：能量收支衡算表明：20 2

28、0 原水，原水，30 30 发酵，发酵，100m3/d100m3/d，活性污泥法耗氧量、供，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常规参数，氧效率等取常规参数，1270CODmg/L1270CODmg/L时厌氧与好氧处理能量投入相同。时厌氧与好氧处理能量投入相同。CODCOD小于小于1270mg/L1270mg/L时，厌氧处理更消耗能量。时，厌氧处理更消耗能量。第四十页，讲稿共一百页哦8.2.3 8.2.3 畜禽粪便沼气工程畜禽粪便沼气工程第四十一页，讲稿共一百页哦复杂有机物复杂有机物碳水化合物，蛋白质，脂类碳水化合物，蛋白质，脂类简单溶解性有机物简单溶解性有机物1水解1发酵脂肪酸、醇类脂肪酸、醇类1

29、1H2，CO2CH3COOH22产氢产乙酸菌3同型产乙酸菌 5 产甲烷菌CH4+CO2产甲烷菌4甲烷产量的70%甲烷产量的30%1、沼气发酵原理沼气发酵原理水解发酵阶段产酸产氢阶段产甲烷阶段液化阶段酸化阶段气化阶段按降解机理分段：按降解机理分段：按物性变化分段：按物性变化分段：（1 1）厌氧消化三阶段）厌氧消化三阶段第四十二页，讲稿共一百页哦（2 2）产酸菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌和甲烷菌的生态关系）产酸菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌和甲烷菌的生态关系水系中产酸、产氢菌、硝酸还原菌、硫酸还原菌、甲烷菌等菌群间形成了食物链似的生态关系。比如各水层或者说各种菌落活动空间的适宜氧化还原电位及Ph值，是各

30、类微生物创造的；又比如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很低的水平，醋酸、H2生成菌无法生存，因为象丙酸分解成醋酸、氢气的反应,只有在氢气分压低于10-4atm时，自由能变化才小于零，反应才可能进行。这种必须与其它菌共存的关系，叫共生关系（syntrophic association).硫酸还硫酸还原原硝酸还硝酸还原原产甲烷产甲烷第四十三页，讲稿共一百页哦O2好氧菌类好氧菌类硝酸还原菌硝酸还原菌硫酸还原菌硫酸还原菌产甲烷菌产甲烷菌NO3-SO4-2氧氧化化还还原原电电位位降降低低CO2，H2，C2O2H4空气空气反应器中菌群协作关系：适宜氧化还原电位形成反应器中菌群协作关系：适宜

31、氧化还原电位形成第四十四页，讲稿共一百页哦菌群的协作、共生、竞争关系菌群的协作、共生、竞争关系第四十五页，讲稿共一百页哦水解水解产酸产氢菌产酸产氢菌硫酸还原菌硫酸还原菌产甲烷菌产甲烷菌降降解，解，液液化化CO2，H2，C2O2H4H2醋酸、醋酸、H H2 2生成菌的生存要求极低的生成菌的生存要求极低的H H2 2分压分压竞竞争争共共生生协协作作第四十六页，讲稿共一百页哦 硫酸塩还原菌呼吸硫酸塩还原菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaNaNa2 2SOSO4 42NaHCO2NaHCO3 3NaHSNaHS G Go o-46.88 KJ/mol-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸产甲

32、烷菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaH H2 2OCHOCH4 4NaHCONaHCO3 3 G Go o-29.30 KJ/mol-29.30 KJ/mol 产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中 十分十分重要。重要。如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用如若没有甲烷菌和硫酸还原菌利用H H2 2，使氢气分压保持很，使氢气分压保持很 小，醋酸、小，醋酸、H H2 2生成菌无法生存，生成菌无法生存，甲烷菌的共生菌与硫酸还原菌的共生菌相比较，产乙酸产甲烷菌的共生菌与硫酸还原菌的共生菌相比较，产乙酸产 氢速度较慢，氢速度较慢，这是因

33、为通过共生系可获得的自由能较少。这是因为通过共生系可获得的自由能较少。第四十七页，讲稿共一百页哦（3 3）厌氧消化微生物）厌氧消化微生物主要发酵细菌主要发酵细菌羧菌属（羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物，）降解淀粉、蛋白质等有机物，产生丙产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。似杆菌属（似杆菌属（Bacteroides）降解纤维素或半纤维素。降解纤维素或半纤维素。丁酸弧菌属（丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解降解脂肪、蛋白质等脂肪、蛋白质等真细菌属（真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解）蛋白质、糖类等的分解双歧杆菌属（双歧杆

34、菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。）分解蛋白质等。发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。有机物降解成有机酸、醇等。参考（徐亚同、史家梁、张明，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）修改主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有机物固形有机物溶解有机物溶

35、解有机物水水解解第四十八页，讲稿共一百页哦主要产氢产乙酸菌主要产氢产乙酸菌互营单细胞菌属（互营单细胞菌属（Syntrophomonas）互营杆菌属（互营杆菌属（Syntrophobacter）羧菌属（羧菌属（Clostridium）暗杆菌属（暗杆菌属（Pelobacter）等。）等。这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。这些菌。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。2CH3CH2COOH+2H2O3CH3COOH+2 H2主要功能主要功能胞内酶作用胞内酶作用挥发性

36、脂肪酸挥发性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解第四十九页，讲稿共一百页哦 产甲烷菌是自然界中最古老（36亿年左右），分布最广的一种微生物。不但土壤、湖沼、动物消化道、水田、海水等普通环境，高浓度盐湖、深海、温泉等极限环境中都有甲烷菌生存。例如，已发现有可在4M NaCl浓度条件下生存的甲烷菌，可在110高温水体中生存的甲烷菌，甚至适宜生长温度高达85的甲烷菌。产甲烷菌在厌氧水系生态碳链中，使处于最底层的一类微生物。氢气是大多数甲烷菌种共同可以利用的基质，也是在厌氧条件下，最普遍存在的能源物质。甲烷菌在400nM光源照射下，发出蓝绿色荧光。利用这一特点，在荧光显微镜下，容易识别区分于其他细菌。甲烷菌

37、的荧光来源于甲烷菌体内的辅酶F420(Methanothrix属细菌的F420含量较低，荧光不易观察)产甲烷细菌产甲烷细菌4H2+CO2 CH4 +H2O3CH3COOHCO2 +CH4第五十页，讲稿共一百页哦4H2+CO2 CH4 +H2O3CH3COOHCO2 +CH4氧化还原电位在氧化还原电位在 -400 -400 -150mV -150mV 之间之间（另有说法认为必须小于（另有说法认为必须小于-330mV-330mV）1升30、pH7.0的水在-330mV时，与大气平衡的含氧浓度为1.48x10-56分子/升。可见通过除氧来获取低电位十分困难。这使得甲烷菌的纯分离培养有一定的难度。产甲

38、烷菌的研究，70年代后期才越来越受到重视，并取得了较快的进展。比如80年时研究发现的甲烷菌共有4属11种，世代时间最快的为3小时；到1992年正式发表的甲烷菌就增加到了19属59种，世代时间最快的仅为26分钟。甲烷菌中可代谢乙酸的甲烷菌不过两属。大多数甲烷菌是利用氢气和二氧化碳生成甲烷。第五十一页，讲稿共一百页哦八叠球菌第五十二页，讲稿共一百页哦Methanothrix属细菌Methanothrix属细菌在厌氧处理反应器中是最重要的细菌，尤其在上流式污泥床反应器中大量存在。它只能代谢醋酸，其增长速度很慢，世代时间为3-7天。第五十三页，讲稿共一百页哦第五十四页，讲稿共一百页哦（4 4）厌氧消化

39、降解的甲烷化）厌氧消化降解的甲烷化1）碳水化合物）碳水化合物碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用(C6H10O5)x表示。这是污表示。这是污水中常见的有机物，其消化过程如下：水中常见的有机物，其消化过程如下：(C6H10O5)x+（x-1)H2OxC6H12O6xC6H12O6酶酶发酵发酵有机酸有机酸+醇类醇类有机酸有机酸醇类醇类CH3COOH+H2第第1阶段阶段第第2阶段阶段这两阶段综合反应为这两阶段综合反应为C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+4H2+2CO2第第3阶段阶段2CH3COOH 2CH4

40、+2CO24H2 +CO2 CH4+2H2O第五十五页，讲稿共一百页哦上两阶段综合反应为上两阶段综合反应为C6H12O6+2H2O 2CH3COOH+4H2+2CO2第第3阶段阶段2CH3COOH 2CH4+2CO24H2 +CO2 CH4+2H2O净反应为净反应为 C6H12O6 3CH4+3CO2 由以上反应可见，由乙酸分解产生的甲烷约占甲烷总产量的2/3。第五十六页，讲稿共一百页哦2）脂类 包括脂肪和油类，也是污水中常见的有机物。其消化过程如下：第1阶段第2阶段脂肪 油类+H2O R-CH2COOH+CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油CH3(CH2)16COOH=16H2O 9CH

41、3COOH+16H2脂肪酸氧化成乙酸和氢气。例如第3阶段9CH3COOH 9CH4+9CO216H2+4CO2 4CH4+8H2O净反应为 CH3(CH2)16COOH+8H2O 13CH4+5CO2 可见，以脂质为基质时，最终甲烷化气体中的甲烷含量为72%，其中69%是由乙酸分解产生的。第五十七页，讲稿共一百页哦3 3）蛋白质）蛋白质 蛋白质是由若干个氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：蛋白质是由若干个氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：第第1 1阶段阶段第第2 2阶段阶段蛋白质蛋白质+H+H2 2O O 氨基酸（氨基酸（R R）酶酶有机酸有机酸 CHCH3 3COOH+

42、HCOOH+H2 2第第3 3阶段阶段CHCH3 3COOH CHCOOH CH4 4+CO+CO2 24H4H2 2+CO+CO2 2 CH CH4 4+2H+2H2 2O O蛋白质水解产生的蛋白质水解产生的NH4NH4和和CO2CO2可生成可生成NHNH4 4HCOHCO3 3，这可提高消化液的碱度，并提高这可提高消化液的碱度，并提高pHpH值。有些含硫氨基值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生H2SH2S、形成臭味和一定的腐蚀性。、形成臭味和一定的腐蚀性。氨基酸通式为氨基酸通式为R-C-COOHR-C-COOH NHNH2 2 H HR-C-

43、COOHR-C-COOH NHNH2 2 H H发酵发酵有机酸有机酸+NH+NH4 4HCOHCO3 3据蛋据蛋白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为73%，且，且72%来自乙酸。来自乙酸。第五十八页，讲稿共一百页哦2 2、沼气发酵池设计计算、沼气发酵池设计计算沼气池容积计算沼气池容积计算 1 1 根据有机负荷计算：根据有机负荷计算：V=QSV=QS0 0/Nv/Nv V V 有效容积，有效容积，m m3 3Q Q 设计流量，设计流量，m m3 3 d d-1-1Nv Nv 容积负荷，容积负荷，kg kg m m-3-3 d d-1-1（BODBOD或或CODCO

44、D）S S0 0 料液浓度，料液浓度，kg kg m m-3-3（BODBOD或或CODCOD）2 2 根据水力滞留时间计算：根据水力滞留时间计算：V=QtV=Qtt t 水力滞留时间，水力滞留时间，d d第五十九页，讲稿共一百页哦按每头猪排粪按每头猪排粪5kg5kg,TS,TS（干物质含量）（干物质含量）=25%25%计算计算 以你们已有的知识能否判断以你们已有的知识能否判断5kg/5kg/头天与头天与TS=25%TS=25%是否相互矛盾，造是否相互矛盾，造成的误差如何？成的误差如何？作业：试依据作业：试依据p274 表表6-2的数据计算的数据计算1200头猪粪便的头猪粪便的TS量，并与教材

45、量，并与教材310页的计算相比页的计算相比较较第六十页，讲稿共一百页哦8.2.4 畜禽粪便堆肥处理畜禽粪便堆肥处理第六十一页，讲稿共一百页哦生产有机肥料方式主要有生产有机肥料方式主要有4 4种：种：条形堆腐处理：在敞开的棚内或露天将畜禽粪便堆积成宽条形堆腐处理：在敞开的棚内或露天将畜禽粪便堆积成宽1.5 m1.5 m、高、高1m1m的的条形，进行自然发酵，根据堆内温度，人工翻倒，堆制时间约需条形，进行自然发酵，根据堆内温度，人工翻倒，堆制时间约需3 36 6个月个月大棚发酵槽处理：修筑宽大棚发酵槽处理：修筑宽8 810m10m，长，长606080m80m，高，高1.31.31.5m1.5m的水

46、泥的水泥槽，畜禽粪便置入槽内并覆盖塑料大棚，利用翻倒机倒料，堆腐需槽，畜禽粪便置入槽内并覆盖塑料大棚，利用翻倒机倒料，堆腐需要要20d20d左右。左右。密闭发酵塔堆腐处理：利用密闭型多层塔式发酵装置进行畜禽废弃密闭发酵塔堆腐处理：利用密闭型多层塔式发酵装置进行畜禽废弃物堆腐发酵处理，堆腐时间物堆腐发酵处理，堆腐时间7-10d7-10d。烘干处理：大多利用横式圆筒装置，烧煤直接烘干的处理方法，多烘干处理：大多利用横式圆筒装置，烧煤直接烘干的处理方法，多用于鸡粪处理。用于鸡粪处理。1 1、我国畜禽场堆肥的主要方式、我国畜禽场堆肥的主要方式第六十二页，讲稿共一百页哦密闭塔式发酵处理方法生产效率高，时

47、间短，占地少，生产现场环境要好于密闭塔式发酵处理方法生产效率高，时间短，占地少，生产现场环境要好于前两种方法，但生产成本也最高。前两种方法，但生产成本也最高。鸡粪烘干处理生产能力低，规模小，最大问题是臭气污染严重，受到群众的抱怨。鸡粪烘干处理生产能力低，规模小，最大问题是臭气污染严重，受到群众的抱怨。条堆形人工翻倒的方条堆形人工翻倒的方法经济成本低，但效率也低，法经济成本低，但效率也低，堆腐时间过长，生产规模小。堆腐时间过长，生产规模小。大棚堆腐发酵、机械翻倒大棚堆腐发酵、机械翻倒的生产方法与人工翻倒相比，规模的生产方法与人工翻倒相比，规模大、堆腐处理时间大幅度缩短、减大、堆腐处理时间大幅度缩

48、短、减轻体力劳动，但生产成本高于人工轻体力劳动，但生产成本高于人工翻倒，且排放的气体易造成空气污翻倒，且排放的气体易造成空气污染。染。第六十三页，讲稿共一百页哦2、基本控制参数条件基本控制参数条件a.a.水分控制水分控制 一一般般认认为为堆堆肥肥初初始始相相对对含含水水量量在在404070%70%能能保保证堆肥的顺利进行证堆肥的顺利进行,而最适宜含水量为而最适宜含水量为505060%60%。b.b.通风供氧的控制通风供氧的控制 文文献献中中推推荐荐的的通通风风供供氧氧范范围围广广泛泛:低低到到每每千千克克挥挥发发性性固固体体通通入入0.040.040.08L 0.08L minmin-1-1空

49、空气气,高高到到 0.870.871.87L 1.87L minmin-1-1;Mathur(1991)Mathur(1991)认认为为堆堆肥肥高高温温阶阶段段适适宜宜的的通通风风为为每每千千克克挥挥发发性性固固体体通通入入0.60.61.8 1.8 m3d-1(0.42m3d-1(0.421.25L min1.25L min-1-1)空气。空气。第六十四页，讲稿共一百页哦c.c.温度的控制温度的控制 温温度度是是堆堆肥肥化化过过程程重重要要的的操操作作控控制制参参数数 ,它它既既是是微微生生物物活活动动的的结结果果也也决决定定着着微微生生物物活活动动。堆堆肥肥过过程程中中温温度度的的调调控控

50、作作用用在在于于:(1)(1)堆堆肥肥初初期期在在30305050条条件件下下,中中温温性性微微生生物物活活动动产产生生热热量量,促促使使堆堆体体温温度度升升高高;(2)(2)在在454565,65,最最适适温温度度为为55556060的的条条件件下下,嗜嗜热热性性微微生生物物可可以以降解大量的有机物质降解大量的有机物质,而且短时间内能迅速分解纤维素。而且短时间内能迅速分解纤维素。堆堆肥肥的的最最佳佳温温度度,众众多多学学者者观观点点不不一一,一一般般认认为为,堆堆肥肥温温度应控制在度应控制在45456565之间之间,其中以其中以55556060之间较佳。之间较佳。第六十五页，讲稿共一百页哦d