1、第六章畜禽廢棄物處理與利用6-1 6-1 畜禽糞便環境危害與特性畜禽糞便環境危害與特性6-2 6-2 畜禽糞便收集、輸送畜禽糞便收集、輸送6-3 6-3 畜禽糞便處理工藝方法畜禽糞便處理工藝方法6-4 6-4 厭氧生物處理厭氧生物處理6-5 6-5 好氧生物處理好氧生物處理6-6 6-6 堆肥堆肥張燕生 第六章畜禽廢棄物處理與利用主要污染項目： 臭氣 污水 糞便 集約化畜禽養殖高強度排污，超過周圍環境系統納污能力，使環境系統自凈能力喪失，生態系統失衡進入惡性循環狀態。SH2 NH3第六章畜禽廢棄物處理與利用6.1.1 6.1.1 污染物質與環境危害污染物質與環境危害1. 可降解有機污染物 動植

2、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、脂肪和木質素等。可在微生物作用下最終分解為簡單的無機物。2. 難降解物質 指那些人工合成的、難于被微生物分解的廢棄物。比如化學農藥、抗生素等第六章畜禽廢棄物處理與利用3 .3 .植物營養物（富營養物）植物營養物（富營養物） 主要是指各種形態的氮、磷等元素，有時也包鉀、主要是指各種形態的氮、磷等元素，有時也包鉀、硫等植物生長所必需的元素。硫等植物生長所必需的元素。水體生態的嚴重失衡水體生態的嚴重失衡污泥積累、湖水退化。污泥積累、湖水退化。藍細菌的蛋白類毒素富集藍細菌的蛋白類毒素富集食物鏈中毒食物鏈中毒供水質量下降、成本升高供水質量

3、下降、成本升高化合態氮毒害作用化合態氮毒害作用第六章畜禽廢棄物處理與利用 4 4、有毒物質、有毒物質 汞、鎘、鉻、砷、鉛都是毒性較大的重金屬，還有汞、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。隔取代骨中的鈣引起銅、鈷、錫、鋅也有一定的毒性。隔取代骨中的鈣引起骨痛病；氟可因起軟骨病；長期飲用含鉻水可致口角糜骨痛病；氟可因起軟骨病；長期飲用含鉻水可致口角糜爛、腹瀉和消化道機能紊亂。聞名于世的水俁病是受汞爛、腹瀉和消化道機能紊亂。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

4、典型的生物放大事例。斷富集放大后最終進入人體的典型的生物放大事例。有毒重金屬有毒重金屬污泥積累污泥積累長期危害長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。食物鏈的生物富集放大食物鏈的生物富集放大此外常見的有毒物質還有工業污染物中的氰化物、酚、吡啶、此外常見的有毒物質還有工業污染物中的氰化物、酚、吡啶、硝基苯、多環芳烴等等。硝基苯、多環芳烴等等。第六章畜禽廢棄物處理與利用甲基汞甲基汞(Methyl Mercury CH(Methyl Mercury CH3 3Hg )Hg )甲基化：甲基化：食物鏈富集：食物鏈富集：汞被水中微生物轉化為甲基汞而進入浮游生物體內，再經過“浮游生物

5、小魚大魚”等食物鏈的富集，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，其體內及尿中仍可檢出少量汞存在。據估計，自然界的汞循環量每年可達25至150萬噸。 甲基汞（有機態）甲基汞（有機態）微生物微生物短鏈烷基汞易滲入細胞烷基汞與-SH基等的親和力使其毒性比可溶性無機汞高10100倍汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。（無機態）汞（無機態）汞第六章畜禽廢棄物處理與利用4. 酸堿及無機鹽類酸堿及無機鹽類 冶金、加工業的酸洗廢水，冶金、礦山的硫化物氧化產冶金、加工業的酸洗廢水，冶金、礦山的硫化物氧化產生的酸性廢水，二氧化硫形成的酸雨，造紙、紡織、纖生的酸性廢水，二氧化硫形

6、成的酸雨，造紙、紡織、纖維、制革、洗滌劑、染料、制堿等工業排水。直接污染維、制革、洗滌劑、染料、制堿等工業排水。直接污染土壤、表面水體、地下水體，一旦污染影響長久，不易土壤、表面水體、地下水體，一旦污染影響長久，不易治理。治理。5. 色度色度 破壞景觀、影響水質。破壞景觀、影響水質。6. 病原微生物病原微生物 生活、畜禽、養殖、食品、屠宰等。生活、畜禽、養殖、食品、屠宰等。第六章畜禽廢棄物處理與利用6.1.2 自凈化作用自凈化作用與納污容量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流動過程中發生演變，自污染物在物系循環流動過程中發生演變，自然地減少消失或無害化

7、，稱為物系的然地減少消失或無害化，稱為物系的自凈自凈。污染物濃度自然降低的能力稱為污染物濃度自然降低的能力稱為自凈能力自凈能力環境系每年允許的最大納污量稱為該環境環境系每年允許的最大納污量稱為該環境系的系的納污容量納污容量 環境容量環境容量 自凈物理作用化學作用稀釋，沉淀，揮發，凝聚，吸附，過濾生物作用分解與化合，氧化與還原，酸堿反應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化成無害物質物理污染化學污染生物污染污染物分類來源特性點源點源：主要指工業廢水與都市生活排水，均有固定的排放口面源面源：主要指來源于流域廣大面積上的降雨徑流污染，如農藥化肥 第六章畜禽廢棄物處理與利用細菌群

8、載體水底固形物氧氣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，水體透明度好轉細菌濃度升高水底固形物氧氧氣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生物作用下的水體自凈化過程舉例第六章畜禽廢棄物處理與利用有毒重金屬、難降解物質有毒重金屬、難降解物質特別加以處理特別加以處理水質凈化良性循環與生化處理方法原理水質凈化良性循環與生化處理方法原理第六章畜禽廢棄物處理與利用6.1.3 6.1.3 畜禽糞便特性畜禽糞便特性一一 物理學特性物理學特性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

9、m mm0.0030.3溶解固體膠質體懸浮體氯離子，乙酸、乙醇病毒細菌0.510 m砂201000 m沉降分離超濾分子篩離心膜過濾生物、化學方法請參考廢水工程處理及回顧p31第六章畜禽廢棄物處理與利用2、TS、VS、灰分105，105，24小時TS600，600 2小時TS灰分VS（揮發性固體）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。懸浮固體物與TS的區別？第六章畜禽廢棄物處理與利用二 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

10、量繁多，但大多數有機物都可在耗氧微生物作用下氧化分解，有機物數量同耗氧量成正比。 實際測定時常采用BOD5，即水樣在20 的條件下培養5天的生化需氧量。BODBOD5 5=NBOD+CBOD =NBOD+CBOD NBOD NBOD是還原態氮氧化成是還原態氮氧化成硝態氮或亞硝態氮的需氧量，硝態氮或亞硝態氮的需氧量，通常較通常較CBODCBOD小得多。小得多。 實驗研究表明：第一階實驗研究表明：第一階段中有機物在各個時刻的好氧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速度與該時刻的污水中有機物濃度成正比關系。濃度成正比關系。30209day51020304050BOD(mg/L)501

11、00200300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第六章畜禽廢棄物處理與利用有機物 O2 能量 CO2 + H2O + NH3好氧菌第一階段第二階段NH3 3O2 2HNO2 + 2H2O 亞硝化菌2HNO2 O2 2HNO3 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六章畜禽廢棄物處理與利用（1）降解： 有機物 O2 CO2 + H2O + NH3微生物第一階段的三部分第一階段的三部分BODBOD（2）合成： 有機物 O2 能量 新細胞 （3）內源呼吸：老細胞 O

12、2 CO2 + H2O + NH3 BOD表示有機污染物參數時存在明顯的缺陷，即使衡量耗氧量時也是如此。因為內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該是一樣的。第六章畜禽廢棄物處理與利用進口進口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口進口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系統系統去除去除BO

13、D系統系統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，與含氮量無關。假設有，與含氮量無關。假設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。第六章畜禽廢棄物處理與利用化學需氧量（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CODc

14、r。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。廢水種類廢水種類a ab b生活污水生活污水1.641.6411.3611.36家禽廢水家禽廢水1.451.4555.755.7啤酒廢水啤酒廢水2.322.3246.246.2據Ademoroti(1986)研究認為，COD與BOD常有一定的相關關系，大多為線性關系。 COD = a BOD5 + b廢水生物處理，上海環保局，同濟大學出版社，1999，P21BOD5COD0.3適宜生物處理第六章畜禽廢棄物處理與利用三 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=67；豬、羊、牛、馬糞

15、為弱堿性pH=7.38.6。雞糞、豬糞、牛糞相比較，雞消化道很短未經徹底消化殘留于糞中的營養物最多，含有大量的粗蛋白等，豬糞次之，牛糞有較高的粗纖維，含營養物最少，雞糞還含較高的磷與硫。不同畜禽糞便沼氣發酵等生物處理時，應注意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，含沙量高豬糞：氨氮是否過高，抑制微生物發酵、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，高含沙量問題第六章畜禽廢棄物處理與利用SOSO4 42- 2- NONO3 3- -酸雨酸雨酸雨酸雨 是自然污染嗎是自然污染嗎2、大型畜禽養殖場污染是點

16、源還是面、大型畜禽養殖場污染是點源還是面源源 3、酸雨是自然污染嗎？畜禽養殖有酸、酸雨是自然污染嗎？畜禽養殖有酸性氣體污染物嗎？性氣體污染物嗎？1、請舉例說出水系的自凈能力、納污、請舉例說出水系的自凈能力、納污容量點源與面源污染。容量點源與面源污染。4、“最優方法最優方法”這種概念起碼在這種概念起碼在理論上幾乎沒有價值。更應該關注理論上幾乎沒有價值。更應該關注的是特征，而不是一味追求理論上的是特征，而不是一味追求理論上的普遍性。你同意以上觀點嗎？請的普遍性。你同意以上觀點嗎？請發表你的觀點。發表你的觀點。5、BOD5作為有機物參數有那些不足作為有機物參數有那些不足第六章畜禽廢棄物處理與利用6.

17、2.1 6.2.1 糞便收集方式糞便收集方式分干清糞和水沖糞兩種清糞方式。我國多為干清糞，發達分干清糞和水沖糞兩種清糞方式。我國多為干清糞，發達國家以水沖式清糞為主國家以水沖式清糞為主清糞方法與設清糞方法與設備備刮板式刮板式: : 自落積存式自落積存式自流式自流式水沖式水沖式第六章畜禽廢棄物處理與利用雞籠雞籠環流風機環流風機排氣排氣風機風機雞糞雞糞雞糞雞糞自落積存式自落積存式更換雞群時一次性清理1.72.0m第六章畜禽廢棄物處理與利用自流式清糞自流式清糞縫隙地板縫隙地板第六章畜禽廢棄物處理與利用水沖式清糞水沖式清糞帶仔帶仔母豬母豬仔豬仔豬育肥豬育肥豬前期前期育肥豬育肥豬后期后期妊娠妊娠母豬母豬

18、奶牛與奶牛與肉牛肉牛沖水量沖水量m m3 3/ /頭頭. .天天 0.1330.1330.0150.0150.0380.0380.0570.0570.0950.0950.380.38表6-4 每日最少沖洗量最小用水量主要根據經驗資料得到最小用水量主要根據經驗資料得到第六章畜禽廢棄物處理與利用畜禽糞便產量畜禽糞便產量 （p274 表表6-2）可參考可參考設施農業工程工藝及建筑設計設施農業工程工藝及建筑設計教材教材p216的計算公的計算公式以及表式以及表8-18-4。注意：注意：養殖畜禽工藝設計養殖畜禽工藝設計-小小糞污處理工藝設計糞污處理工藝設計-大大工藝設計中常見到的取值偏差現象的原因工藝設計

19、中常見到的取值偏差現象的原因思考問題：思考問題：第六章畜禽廢棄物處理與利用6.2.2 糞便輸送方式糞便輸送方式固態：固態： 低于低于70% 70% 車車半固態半固態 ： 70%-80% 70%-80% 輸送帶、螺旋輸送機械輸送帶、螺旋輸送機械半液態：半液態： 80%-90% 80%-90% 管道、污泥泵管道、污泥泵液態：液態： 高于高于90%90%第六章畜禽廢棄物處理與利用6.3.1 物理處理物理處理一級處理一級處理大尺寸固形物，砂泥大尺寸固形物，砂泥格柵格柵二沉池二沉池污泥污泥超濾超濾第六章畜禽廢棄物處理與利用沉降分離沉降分離固液分離固液分離機械分離（離心、壓濾、篩分）機械分離（離心、壓濾、

20、篩分）干燥（常溫干燥、高溫干燥、微波干燥）干燥（常溫干燥、高溫干燥、微波干燥）工藝與設備設計工藝與設備設計（專業課程：（專業課程：化工原理化工原理或或單元操作單元操作過程）過程）6.3.1 物理處理物理處理主要用于一級處理主要用于一級處理第六章畜禽廢棄物處理與利用6.3.2 化學處理化學處理氧化法氧化法 （臭氧氧化；次氯酸、氯氣消毒等等）（臭氧氧化；次氯酸、氯氣消毒等等）絮凝沉淀法絮凝沉淀法 （明礬、硫酸鋁、硫酸亞鐵等絮凝劑）（明礬、硫酸鋁、硫酸亞鐵等絮凝劑）酸堿中和法酸堿中和法 主要用于預處理或后期處理主要用于預處理或后期處理第六章畜禽廢棄物處理與利用6.3.3 6.3.3 生物化學處理生物

21、化學處理二級處理的主體。成本低，應用廣泛，技術成熟二級處理的主體。成本低，應用廣泛，技術成熟微生物適宜的微生物適宜的環境特點分類環境特點分類好氧（微生物）法好氧（微生物）法兼氧（微生物）法兼氧（微生物）法厭氧（微生物）法厭氧（微生物）法比如實踐常見的比如實踐常見的好氧好氧兼氧兼氧厭氧厭氧生物塘、反應器生物塘、反應器第六章畜禽廢棄物處理與利用廢水微生物處理方法很多，若根據微生物的呼吸類型，可分為好氧廢水微生物處理方法很多，若根據微生物的呼吸類型，可分為好氧處理、厭氧處理和兼氧處理。如果根據微生物存在的狀態，可分為懸浮處理、厭氧處理和兼氧處理。如果根據微生物存在的狀態，可分為懸浮生長系統和固定膜系

22、統。對于廢水微生物處理方法綜合歸納如下：生長系統和固定膜系統。對于廢水微生物處理方法綜合歸納如下：第六章畜禽廢棄物處理與利用糞尿處理系統也不盡相同，較為典型的糞尿處理糞尿處理系統也不盡相同，較為典型的糞尿處理系統有以下幾種：系統有以下幾種：第一種方式處理系統靠人工清掃或機械刮糞，糞尿第一種方式處理系統靠人工清掃或機械刮糞，糞尿分離分別進行處理。分離分別進行處理。第二種方式是豬糞尿直接進行厭氧發酵處理后排放第二種方式是豬糞尿直接進行厭氧發酵處理后排放或利用。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。物和稀液分別進行處理。

23、第四種方式則通過固液分離機把糞尿水固液分離，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。然后分別處理。第六章畜禽廢棄物處理與利用第六章畜禽廢棄物處理與利用“能源生態型”工藝（ Process of “energy ecological” disposing and using）畜禽養殖場污水經厭氧消化處理后作為農田水肥利用的處理利用工藝。“能源環保型”處理利用工藝一般在厭氧處理后需再經好氧工藝處理以使排水達到國家標準。“能源環保型能源環保型”工藝工藝 （Process of “energy environment” disposing and using）畜禽養殖場的畜禽污水處理

24、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六章畜禽廢棄物處理與利用沼氣池高產出率（小型高速產氣）指標沼氣池高產出率（小型高速產氣）指標沼氣池排水高凈化（高度降解率）指標沼氣池排水高凈化（高度降解率）指標反應器設計無法反應器設計無法同時獲得高指標。同時獲得高指標。第六章畜禽廢棄物處理與利用qscsksqmax+ cs =q qmaxmax稱為基質最大比消耗速率。稱為基質最大比消耗速率。MonodMonod方程方程c cs sk ks s = =maxmax+ c+ cs s 該方程描述了細胞生長速率與限制性基質濃度的關系，該方程描述

25、了細胞生長速率與限制性基質濃度的關系，是由現代細胞生長動力學的奠基人是由現代細胞生長動力學的奠基人MonodMonod在在19421942年提出的經年提出的經驗方程。驗方程。 為細胞比生長速率為細胞比生長速率(1/s)(1/s)；maxmax 為最大細胞比為最大細胞比生長速率；生長速率； c cs s為限制性基質濃度（為限制性基質濃度（g/Lg/L）；）； k ks s為飽和常數為飽和常數（g/Lg/L） ，其值等于比生長速率恰等于最大比生長速率的一，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濃度。半時的限制性基質濃度。第六章畜禽廢棄物處理與利用沉降分離剩余污泥剩余污泥凈化水氣

26、體產物（氣體產物（CO2，N2，H2S等）等）污物污物+水污染物 +水氣體產物 + 生物污泥 + 水沉降分離性能必須給以足夠的重視！沉降分離性能必須給以足夠的重視！處理凈化系統第六章畜禽廢棄物處理與利用凈化水污泥污水污水一級處理大尺寸固形物，砂泥二級處理懸浮物、膠質體、溶解有機物格柵初沉池生物降解二沉池第六章畜禽廢棄物處理與利用有機廢水生物處理特點有機廢水生物處理特點廢水濃度廢水濃度滯留時間滯留時間BODBOD除去率除去率動力動力主要副產物主要副產物80-95%80-95%低低高質燃料高質燃料高濃度高濃度低濃度低濃度80-99%80-99%高出十倍高出十倍待處理污泥待處理污泥厭氧處理能量產出多

27、少與原水溫度、COD濃度、發酵溫度有關。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六章畜禽廢棄物處理與利用 耗氧菌呼吸耗氧菌呼吸 CH3COONa2O2NaHCO3H2OCO2 Go-848.08 KJ/mol 反硝化菌呼吸反硝化菌呼吸 5CH3COONa8NaNO34N27NaHCO33Na2CO34H2O 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 產甲烷菌呼吸產甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 KJ/mol以醋酸鹽為代謝基質時可獲取的自

28、由能以醋酸鹽為代謝基質時可獲取的自由能第六章畜禽廢棄物處理與利用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時可獲取的自由能以醋酸鹽為代謝基質時可獲取的自由能好氧菌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能量收支衡算表明：能量收支衡算表明：20 20 原水，原水，30 30 發酵，發酵，100m3/d100m3/d，活性污泥，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常規參數，法耗氧量、供氧效率等取常規參數，1270CODmg/L1270CODmg/L時厭氧與好氧處時厭氧

29、與好氧處理能量投入相同。理能量投入相同。CODCOD小于小于1270mg/L1270mg/L時，厭氧處理更消耗能量。時，厭氧處理更消耗能量。第六章畜禽廢棄物處理與利用6.4 畜禽糞便沼氣工程畜禽糞便沼氣工程第六章畜禽廢棄物處理與利用復雜有機物復雜有機物碳水化合物，蛋白質，脂類碳水化合物，蛋白質，脂類簡單溶解性有機物簡單溶解性有機物1水解1發酵脂肪酸、醇類脂肪酸、醇類11H2 ，CO2CH3COOH22產氫產乙酸菌3 同型產乙酸菌 5 產甲烷菌CH4+ CO2產甲烷菌4甲烷產量的70%甲烷產量的30%6.4.1沼氣發酵原理沼氣發酵原理水解發酵階段產酸產氫階段產甲烷階段液化階段酸化階段氣化階段按降

30、解機理分段：按降解機理分段：按物性變化分段：按物性變化分段：1. 1. 厭氧消化三階段厭氧消化三階段第六章畜禽廢棄物處理與利用 CH4 光合成（藻類） 植食生物 水界面 有機物 有機物 2 加水分解 厭氧菌 糖、氨基酸 酸、脂肪酸 乳酸 乙醇 丙酸 酪酸 酢酸 乙酸 + 22 甲烷化 硫酸還原 酸化 4 mV 硝酸還原 水底的厭氧發酵碳源生態鏈(Holland, 1987) 2.2.厭氧發酵中重要菌群之間的生態關系厭氧發酵中重要菌群之間的生態關系產酸、產氫菌、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關系。 甲烷菌和硫酸還原菌利用H2，使氫氣分壓保持很低的水平，象丙酸分解成醋酸

31、、氫氣的反應,只有在氫氣分壓低于10-4atm時，自由能變化才小于零。 這種必須與其它菌共存的關系叫共生關系（syntrophic association）硫酸硫酸還原還原硝酸硝酸還原還原產甲烷產甲烷第六章畜禽廢棄物處理與利用O2好氧菌類好氧菌類硝酸還原菌硝酸還原菌硫酸還原菌硫酸還原菌產甲烷菌產甲烷菌NO3-SO4-2氧氧化化還還原原電電位位降降低低CO2，H2，C2O2H4空氣空氣反應器中菌群協作關系：適宜氧化還原電位形成反應器中菌群協作關系：適宜氧化還原電位形成第六章畜禽廢棄物處理與利用菌群的協作、共生、競爭關系菌群的協作、共生、競爭關系水解水解產酸產氫菌產酸產氫菌硫酸還原菌硫酸還原菌產甲

32、烷菌產甲烷菌降降解，解，液液化化CO2，H2，C2O2H4H2醋酸、醋酸、H H2 2生成菌的生存要求極低的生成菌的生存要求極低的H H2 2分壓分壓競競爭爭共共生生協協作作第六章畜禽廢棄物處理與利用 硫酸塩硫酸塩還原菌呼吸還原菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaNaNa2 2SOSO4 42NaHCO2NaHCO3 3NaHSNaHS G Go o-46.88 KJ/mol-46.88 KJ/mol 產甲烷菌呼吸產甲烷菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaH H2 2OCHOCH4 4NaHCONaHCO3 3 G Go o-29.30 KJ/mol-29.30 KJ/mol 產乙

33、酸產氫菌與硫酸還原菌或產甲烷菌共生，在厭氧消化產乙酸產氫菌與硫酸還原菌或產甲烷菌共生，在厭氧消化中中 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，使氫氣分壓保持很 小，醋酸、小，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，產乙酸產甲烷菌的共生菌與硫酸還原菌的共生菌相比較，產乙酸產 氫速度較慢，這是因為通過共生系可獲得的自由能較少。氫速度較慢，這是因為通過共生系可獲得的自由能較少。第六章畜禽廢棄物處理與利用3. 3. 厭氧消化微生物厭氧消化微生物1）主要發酵細菌）主要發酵細菌羧

34、菌屬（羧菌屬（Clostridium）降解淀粉、蛋白質等有）降解淀粉、蛋白質等有機物，機物， 產生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。產生丙酮、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降解纖維素或半纖維素。素。丁酸弧菌屬（丁酸弧菌屬（Butyrivibrio）降解降解脂肪、蛋白質脂肪、蛋白質等等真細菌屬（真細菌屬（Eubacterium）蛋白質、糖類等的分）蛋白質、糖類等的分解解雙歧桿菌屬（雙歧桿菌屬（Bifidobacterium）分解蛋白質等。）分解蛋白質等。發酵細菌很多，以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些發酵細菌很多，以上只列出了見

35、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，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。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）修改主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有機物固形有機物溶解有機物溶解有機物水水解解第六章畜禽廢棄物處理與利用2）主要產氫產乙酸菌）主要產氫產乙酸菌互營單細胞菌屬（互營單細胞菌屬（Syntrophomonas）互營桿菌屬（互營

36、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性脂肪酸降解為乙酸和H2。這些菌的產乙酸、產氫反應，只有在氫分壓很低時才。這些菌的產乙酸、產氫反應，只有在氫分壓很低時才能完成。能完成。2CH3CH2COOH + 2H2O3CH3COOH + 2 H2主要功能主要功能胞內酶作用胞內酶作用揮發性脂肪酸揮發性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解第六章畜禽廢棄物處理與利用 產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

37、、湖沼、動物消化道、水田、海水等普通環境，高濃度鹽湖、深海、溫泉等極限環境中都有甲烷菌生存。 例如，已發現有可在4M NaCl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。 產甲烷菌在厭氧水系生態碳鏈中，使處于最底層的一類微生物。 氫氣是大多數甲烷菌種共同可以利用的基質，也是在厭氧條件下，最普遍存在的能源物質。 甲烷菌在400nM光源照射下，發出藍綠色熒光。利用這一特點，在熒光顯微鏡下，容易識別區分于其他細菌。甲烷菌的熒光來源于甲烷菌體內的輔酶F420( Methanothrix屬細菌的F420含量較低，熒光不易觀察)3) 3) 產甲烷細菌產甲烷細

38、菌4H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH4第六章畜禽廢棄物處理與利用4H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH4氧化還原電位在氧化還原電位在 -400 -400 -150mV -150mV 之間之間（另有說法認為必須小于（另有說法認為必須小于-330mV-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。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有一定的難度。 產甲烷菌的研究，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年時研究發現的甲烷菌共有4屬

39、11種，世代時間最快的為3小時；到1992年正式發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。大多數甲烷菌是利用氫氣和二氧化碳生成甲烷。第六章畜禽廢棄物處理與利用八疊球菌八疊球菌第六章畜禽廢棄物處理與利用Methanothrix屬細菌屬細菌Methanothrix屬細菌在厭氧處理反應器中是最重要的細菌，尤其在上流式污泥床反應器中大量存在。它只能代謝醋酸，其增長速度很慢，世代時間為3-7天。第六章畜禽廢棄物處理與利用第六章畜禽廢棄物處理與利用4. 4. 厭氧消化降解的甲烷化厭氧消化降解的甲烷化1 1）碳水化合物）碳水化合物 碳水化合物包括纖

40、維素、半纖維素和淀粉等，屬于多糖類，同時碳水化合物包括纖維素、半纖維素和淀粉等，屬于多糖類，同時可用可用(C(C6 6H H1010O O5 5) )x x表示。這是污水中常見的有機物，其消化過程如下：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酶酶發酵發酵有機酸有機酸+醇類醇類有機酸有機酸醇類醇類CH3COOH + H2第第1階段階段第第2階段階段這兩階段綜合反應為這兩階段綜合反應為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第第3階段階段2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO

41、2 CH4 + 2H2O第六章畜禽廢棄物處理與利用上兩階段綜合反應為上兩階段綜合反應為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第第3階段階段2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O凈反應為凈反應為 C6H12O6 3CH4 + 3CO2 由乙酸分解產生的甲烷約占甲烷總產量的2/3。第六章畜禽廢棄物處理與利用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+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH酶脂肪酸甘油CH3(CH2)16COOH = 16H2O 9CH3C

42、OOH + 16H2脂肪酸氧化成乙酸和氫氣。例如第3階段9CH3COOH 9CH4 + 9CO216H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O凈反應為 CH3(CH2)16COOH + 8H2O 13CH4 + 5CO2 可見，以脂質為基質時，最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%，其中69%是由乙酸分解產生的。第六章畜禽廢棄物處理與利用3）蛋白質）蛋白質 蛋白質是由氨基酸分子組成的高分子化合物，其消化過程如下：蛋白質是由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階段階段蛋白質蛋白質 + H2O 氨基酸（氨基酸（R）酶酶有機酸有機酸 CH3COOH + H2第第3階段階段C

43、H3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O蛋白質水解產生的蛋白質水解產生的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，可分解產生值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解產生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 R-C-COOH NH2 HR-C-COOH NH2 H發酵發酵有機酸有機酸 + NH4HCO3據蛋白質一般組成計算，沼氣的甲烷含量為據蛋白質一般組成計算，沼氣的甲烷含量為73%，且，且72%來自乙酸。來自

44、乙酸。第六章畜禽廢棄物處理與利用 當廢水中有機物濃度較高時，一般當廢水中有機物濃度較高時，一般BODBOD5 5超過超過1500mg/L1500mg/L時，時，就不宜用好氧處理，而應該采用厭氧處理的方法。就不宜用好氧處理，而應該采用厭氧處理的方法。 厭氧處理厭氧處理1kgCOD1kgCOD能產生能產生0.35m0.35m3 3的甲烷；單位容積負荷遠高的甲烷；單位容積負荷遠高于好氧系統，產生的污泥量少，運行費用低。因此厭氧處理于好氧系統，產生的污泥量少，運行費用低。因此厭氧處理在在畜禽養殖畜禽養殖等等廢棄物處理廢棄物處理中得到廣泛運用。中得到廣泛運用。6.4.2 6.4.2 厭氧生物處理基本工藝

45、方法厭氧生物處理基本工藝方法集氣設備第六章畜禽廢棄物處理與利用1 1）氧化還原電位（）氧化還原電位（ORPORP） 由于產甲烷菌在厭氧處理的各個階段中，對環境的影響最敏感，由于產甲烷菌在厭氧處理的各個階段中，對環境的影響最敏感，世代時間相對較長，甲烷化反應速度較慢，常是厭氧消化過程的控制世代時間相對較長，甲烷化反應速度較慢，常是厭氧消化過程的控制階段。應重點滿足產甲烷菌的環境要求。階段。應重點滿足產甲烷菌的環境要求。 產產甲烷菌一般要求氧化還原電位低于甲烷菌一般要求氧化還原電位低于-330nV-330nV，此參數可用于常溫或，此參數可用于常溫或中溫反應器的設計。在高溫反應器中適宜的氧化還原電位

46、要低得多，中溫反應器的設計。在高溫反應器中適宜的氧化還原電位要低得多，一般應低于一般應低于-500mV-500mV。 6.4.3 6.4.3 影響厭氧反應器處理效果的主要因素影響厭氧反應器處理效果的主要因素一般溶氧是系統氧化還原電位升高的主要和直接原因。但應注意，氧一般溶氧是系統氧化還原電位升高的主要和直接原因。但應注意，氧化劑或氧化物質的存在，同樣可使氧化還原電位升高。如化劑或氧化物質的存在，同樣可使氧化還原電位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。等。第六章畜禽廢棄物處理與利用2 2）溫度）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溫度是影響微生物生

47、命活動的重要因素之一，也是動力學的重要影響因素。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。分別為最適宜溫度。分別為35 35 附近和附近和55 55 附近。附近。 是以產甲烷菌的適宜溫度為主要因素所決定的，而一般厭氧反應器是以產甲烷菌的適宜溫度為主要因素所決定的，而一般厭氧反應器中的甲烷菌以只能分解乙酸的中的甲烷菌以只能分解乙酸的MethanothrixMethanothrix屬為主，其適宜溫度分為屬為主，其適宜溫度分為3535 40 40 和和5555 65 65 兩類。兩類。 工程上的厭氧反應器

48、有常溫、中溫、高溫三種方式。中溫處理一般工程上的厭氧反應器有常溫、中溫、高溫三種方式。中溫處理一般為為33 33 38 38 ，高溫處理為，高溫處理為5050 60 60 。突然的溫度變化可使甲烷化。突然的溫度變化可使甲烷化嚴重受阻。嚴重受阻。 溫度影響倍增時間溫度影響倍增時間表 1.2.1 菌（続） 代謝基質 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.parvum 不規則球菌

49、 37 6.8-7.5 + + - - + M.aggregans 不規則球菌 35-37 6.4-7.2 + + - - NT M.labreanum 不規則球菌 37 7 + + - - NT M.sinense 不規則球菌 30 7 + + - - NT M.bavaricum 不規則球菌 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 + + + +

50、- 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 第六章畜禽廢棄物處理與利用 3 3）pHpH值值 產甲烷菌適宜的產甲烷菌適宜的pH值為值為7

51、.0左右，大體在左右，大體在 6.8 7.4之間。之間。 厭氧反應器中的厭氧反應器中的pH值，取決于進水的值，取決于進水的pH值，有機物濃度值，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。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。 反應器的反應器的pH值過低，常表現為揮發酸濃度過高；值過低，常表現為揮發酸濃度過高； pH值過值過高，常見于高，常見于NH4-濃度過高。濃度過高。 微環境的微環境的pH第六章畜禽廢棄物處理與利用4）有機負荷）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

52、效容積每天接受的有機物量荷，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，即此外也有用污泥負荷表達的，即kgCOD/kgVSS.d。 厭氧消化過程中，產酸階段反應速率比產甲烷階段反應速率厭氧消化過程中，產酸階段反應速率比產甲烷階段反應速率快得多，必須十分謹慎的選擇有機負荷，使揮發性脂肪酸的生快得多，必須十分謹慎的選擇有機負荷，使揮發性脂肪酸的生成和消耗不致失調，形成揮發酸的積累。為保持系統的平衡，成和消耗不致失調，形成揮發酸的積累。為保持系統的平衡，有機負荷不能過高。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，一厭氧生物處理可采

53、用比好氧生物處理高得多的有機負荷，一般在般在510 kgCOD/m3.d,甚至可達甚至可達50 kgCOD/m3.d。第六章畜禽廢棄物處理與利用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。沒有攪拌的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，常有料液分層現象。攪拌可消除分層，促厭氧消化器內，常有料液分層現象。攪拌可消除分層，促進基質與微生物間的傳質速度和甲烷、二氧化碳等產物的進基質與微生物間的傳質速度和甲烷、二氧化碳等產物的逸出速度。逸出速度。 有些研究認為有些研究認為, ,攪拌強度不能過大；對于攪拌的頻度，攪拌強度不能過大；對于攪拌的頻度，則有完全

54、不同的觀點，即頻頻攪拌為好，還是間歇的適當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，存在兩種研究結果與觀點。反對頻頻攪拌的觀攪拌為好，存在兩種研究結果與觀點。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境。點認為，甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環境。第六章畜禽廢棄物處理與利用6）重金屬）重金屬 重金屬對厭氧系統的毒性作用有較多的研究。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。HS-CH2CH2-SO3H, 輔酶M (HS-CoM) Mg (S-CoM)2乙巰基乙烷磺酸 近年來的一些研

55、究表明，Fe、Ni 、Co、 W 、Mo、 Se等金屬元素對厭氧發酵有促進作用，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，從而使厭氧反應受到嚴重影響。第六章畜禽廢棄物處理與利用 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，反硝化過程將產生大量的氨，使

56、值升高。當值升高到7.9以上時，會抑制產甲烷菌的活性，使消化效率降低。 7）營養比）營養比第六章畜禽廢棄物處理與利用 當無輔助攪拌時，固體停留時間為30d60d，有機負荷為1.6kgVS（揮發性固體）/m3d；當有輔助攪拌裝置時，水力停留時間一般為6d30d，有機負荷為8kgVS/m3d。6.4.4 6.4.4 厭氧反應器厭氧反應器 消化池的特點是在一個池內完成厭氧消化和液體與污泥的分離。沼氣出水排泥污水或污泥普通厭氧反應器（AP）1 1 普通厭氧反應器（普通厭氧反應器（APAP）第六章畜禽廢棄物處理與利用 厭氧接觸反應器排出的混合液在沉淀池中分離后再回流到反應器中。與普通消化池相比，它不需要

57、很長的水力停留時間或很大的反應器容積。有效處理的關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/L1000mg/L之間。運行溫度大多數是在中溫范圍，有機負荷為2.1kg（BOD）/m3d5.0kg（BOD）/m3d或12.5kg（COD）/m3d30.0kg（COD）/m3d。2 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第六章畜禽廢棄物處理與利用 絮狀污泥在上升水流和氣泡的作用下處于懸浮狀態。絮狀污泥是直徑為1mm5mm的顆粒，水流均勻分布，避免進水短流。3 厭氧污泥床反應器厭氧污泥床反應器（

58、ASB） 其 中 上 流 式 厭 氧 污 泥 床 反 應 器（UASB）應用普及很快。 UASB由反應區、沉淀區和氣室區組成。廢水從底部經配水器均勻分布進入。反應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稱為反應區。 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（USAB)USAB)沉淀區沉淀區反反應應區區出水出水懸浮區懸浮區污泥層污泥層第六章畜禽廢棄物處理與利用6.4.5 6.4.5 沼氣發酵池設計計算沼氣發酵池設計計算u306頁的設計的頁的設計的“一般要求一般要求”u沼氣池容積計算沼氣池容積計算 1 根據有機負荷

59、計算：根據有機負荷計算：V = QS0/Nv V 有效容積，有效容積，m3Q 設計流量，設計流量，m3 d-1Nv 容積負荷，容積負荷，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 根據水力滯留時間計算：根據水力滯留時間計算：V = Qtt 水力滯留時間，水力滯留時間，d第六章畜禽廢棄物處理與利用P310頁：工藝參數設計中的問題頁：工藝參數設計中的問題按每頭豬排糞按每頭豬排糞5kg, TS（干物質含量）（干物質含量）= 25% 計算計算 以你們已有的知識能否判斷以你們已有的知識能否判斷5kg/頭天與頭天與TS=25%是否相互是否相互

60、矛盾，造成的誤差如何？矛盾，造成的誤差如何？作業：試依據作業：試依據p274 表表6-2的數據計算的數據計算1200頭豬糞便的頭豬糞便的TS量，并與教量，并與教材材310頁的計算相比較頁的計算相比較第六章畜禽廢棄物處理與利用6.5 污水好氧處理污水好氧處理第六章畜禽廢棄物處理與利用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，并將這些物質攝入細胞體內，在氧的作用下，將這些物質同化為菌體組分，或完全氧化為二氧化碳、水等物質。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。