1、第六章畜禽废弃物处理与利用6-1 6-1 畜禽粪便环境危害与特性畜禽粪便环境危害与特性6-2 6-2 畜禽粪便收集、输送畜禽粪便收集、输送6-3 6-3 畜禽粪便处理工艺方法畜禽粪便处理工艺方法6-4 6-4 厌氧生物处理厌氧生物处理6-5 6-5 好氧生物处理好氧生物处理6-6 6-6 堆肥堆肥张燕生 第六章畜禽废弃物处理与利用主要污染项目： 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。SH2 NH3第六章畜禽废弃物处理与利用6.1.1 6.1.1 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
2、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简单的无机物。2. 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。比如化学农药、抗生素等第六章畜禽废弃物处理与利用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，有时也包钾、主要是指各种形态的氮、磷等元素，有时也包钾、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
3、下降、成本升高化合态氮毒害作用化合态氮毒害作用第六章畜禽废弃物处理与利用 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。隔取代骨中的钙引起铜、钴、锡、锌也有一定的毒性。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。闻名于世的水俣病是受汞烂、腹泻和消化道机能紊乱。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
4、典型的生物放大事例。断富集放大后最终进入人体的典型的生物放大事例。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、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。硝基苯、多环芳烃等等。第六章畜禽废弃物处理与利用甲基汞甲基汞(Methyl Mercury CH(Methyl Mercury CH3 3Hg )Hg )甲基化：甲基化：食物链富集：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
5、小鱼大鱼”等食物链的富集，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。 甲基汞（有机态）甲基汞（有机态）微生物微生物短链烷基汞易渗入细胞烷基汞与-SH基等的亲和力使其毒性比可溶性无机汞高10100倍汞化物毒性排行榜上烷基汞第一名。（无机态）汞（无机态）汞第六章畜禽废弃物处理与利用4. 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、纤生的酸性废水，二氧化硫形
6、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，不易土壤、表面水体、地下水体，一旦污染影响长久，不易治理。治理。5. 色度色度 破坏景观、影响水质。破坏景观、影响水质。6. 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。第六章畜禽废弃物处理与利用6.1.2 自净化作用自净化作用与纳污容量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
7、，称为物系的然地减少消失或无害化，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环境环境系每年允许的最大纳污量称为该环境系的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 第六章畜禽废弃物处理与利用细菌群
8、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氧气气水中有机物污染被细菌系分解净化水体透明度下降生物作用下的水体自净化过程举例生物作用下的水体自净化过程举例第六章畜禽废弃物处理与利用有毒重金属、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六章畜禽废弃物处理与利用6.1.3 6.1.3 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
9、m mm0.0030.3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、化学方法请参考废水工程处理及回顾p31第六章畜禽废弃物处理与利用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？第六章畜禽废弃物处理与利用二 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
10、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=NBOD+CBOD =NBOD+CBOD NBOD NBOD是还原态氮氧化成是还原态氮氧化成硝态氮或亚硝态氮的需氧量，硝态氮或亚硝态氮的需氧量，通常较通常较CBODCBOD小得多。小得多。 实验研究表明：第一阶实验研究表明：第一阶段中有机物在各个时刻的好氧段中有机物在各个时刻的好氧速度与该时刻的污水中有机物速度与该时刻的污水中有机物浓度成正比关系。浓度成正比关系。30209day51020304050BOD(mg/L)501
11、00200300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第六章畜禽废弃物处理与利用有机物 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六章畜禽废弃物处理与利用（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 O
12、2 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，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。第六章畜禽废弃物处理与利用进口进口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BO
13、D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。假设有，与含氮量无关。假设有两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则两种污水除含氮量不同外其他成分完全一样，则BOD5也相同。也相同。第六章畜禽废弃物处理与利用化学需氧量（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CODc
14、r。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2.322.3246.246.2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适宜生物处理第六章畜禽废弃物处理与利用三 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=67；猪、羊、牛、马粪
15、为弱碱性pH=7.38.6。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、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，含沙量高猪粪：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，高含沙量问题第六章畜禽废弃物处理与利用SOSO4 42- 2- NONO3 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
16、源还是面、大型畜禽养殖场污染是点源还是面源源 3、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸、酸雨是自然污染吗？畜禽养殖有酸性气体污染物吗？性气体污染物吗？1、请举例说出水系的自净能力、纳污、请举例说出水系的自净能力、纳污容量点源与面源污染。容量点源与面源污染。4、“最优方法最优方法”这种概念起码在这种概念起码在理论上几乎没有价值。更应该关注理论上几乎没有价值。更应该关注的是特征，而不是一味追求理论上的是特征，而不是一味追求理论上的普遍性。你同意以上观点吗？请的普遍性。你同意以上观点吗？请发表你的观点。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六章畜禽废弃物处理与利用6.
17、2.1 6.2.1 粪便收集方式粪便收集方式分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达分干清粪和水冲粪两种清粪方式。我国多为干清粪，发达国家以水冲式清粪为主国家以水冲式清粪为主清粪方法与设清粪方法与设备备刮板式刮板式: : 自落积存式自落积存式自流式自流式水冲式水冲式第六章畜禽废弃物处理与利用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第六章畜禽废弃物处理与利用自流式清粪自流式清粪缝隙地板缝隙地板第六章畜禽废弃物处理与利用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
18、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资料得到最小用水量主要根据经验资料得到第六章畜禽废弃物处理与利用畜禽粪便产量畜禽粪便产量 （p274 表表6-2）可参考可参考设施农业工程工艺及建筑设计设施农业工程工艺及建筑设计教材教材p216的计算公的计算公式以及表式以及表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原因工艺设计
19、中常见到的取值偏差现象的原因思考问题：思考问题：第六章畜禽废弃物处理与利用6.2.2 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%第六章畜禽废弃物处理与利用6.3.1 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，砂泥格栅格栅二沉池二沉池污泥污泥超滤超滤第六章畜禽废弃物处理与利用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、
20、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）6.3.1 物理处理物理处理主要用于一级处理主要用于一级处理第六章畜禽废弃物处理与利用6.3.2 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六章畜禽废弃物处理与利用6.3.3 6.3.3 生物化学处理生物
21、化学处理二级处理的主体。成本低，应用广泛，技术成熟二级处理的主体。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、反应器第六章畜禽废弃物处理与利用废水微生物处理方法很多，若根据微生物的呼吸类型，可分为好氧废水微生物处理方法很多，若根据微生物的呼吸类型，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
22、统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：生长系统和固定膜系统。对于废水微生物处理方法综合归纳如下：第六章畜禽废弃物处理与利用粪尿处理系统也不尽相同，较为典型的粪尿处理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：系统有以下几种：第一种方式处理系统靠人工清扫或机械刮粪，粪尿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。分离分别进行处理。第二种方式是猪粪尿直接进行厌氧发酵处理后排放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。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。物和稀液分别进行处理。
23、第四种方式则通过固液分离机把粪尿水固液分离，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。然后分别处理。第六章畜禽废弃物处理与利用第六章畜禽废弃物处理与利用“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
24、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六章畜禽废弃物处理与利用沼气池高产出率（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（高度降解率）指标沼气池排水高净化（高度降解率）指标反应器设计无法反应器设计无法同时获得高指标。同时获得高指标。第六章畜禽废弃物处理与利用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 该方程描述了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，该方程描述
25、了细胞生长速率与限制性基质浓度的关系，是由现代细胞生长动力学的奠基人是由现代细胞生长动力学的奠基人MonodMonod在在19421942年提出的经年提出的经验方程。验方程。 为细胞比生长速率为细胞比生长速率(1/s)(1/s)；maxmax 为最大细胞比为最大细胞比生长速率；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生长速率的一，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。半时的限制性基质浓度。第六章畜禽废弃物处理与利用沉降分离剩余污泥剩余污泥净化水气
26、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！处理净化系统第六章畜禽废弃物处理与利用净化水污泥污水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六章畜禽废弃物处理与利用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
27、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六章畜禽废弃物处理与利用 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 硫酸塩硫酸塩还原菌呼吸还原菌呼吸 CH3COONaNa2SO42NaHCO3NaHS Go-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸产甲烷菌呼吸 CH3COONaH2OCH4NaHCO3 Go-29.30 KJ/mol以醋酸盐为代谢基质时可获取的自
28、由能以醋酸盐为代谢基质时可获取的自由能第六章畜禽废弃物处理与利用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 20 原水，原水，30 30 发酵，发酵，100m3/d100m3/d，活性污泥，活性污泥法耗氧量、供氧效率等取常规参数，法耗氧量、供氧效率等取常规参数，1270CODmg/L1270CODmg/L时厌氧与好氧处时厌氧
29、与好氧处理能量投入相同。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。第六章畜禽废弃物处理与利用6.4 畜禽粪便沼气工程畜禽粪便沼气工程第六章畜禽废弃物处理与利用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11H2 ，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%6.4.1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
30、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六章畜禽废弃物处理与利用 CH4 光合成（藻类） 植食生物 水界面 有機物 有机物 2 加水分解 厌氧菌 糖、氨基酸 酸、脂肪酸 乳酸 乙醇 丙酸 酪酸 酢酸 乙酸 + 22 甲烷化 硫酸还原 酸化 4 mV 硝酸还原 水底的厌氧发酵碳源生态链(Holland, 1987) 2.2.厌氧发酵中重要菌群之间的生态关系厌氧发酵中重要菌群之间的生态关系产酸、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。 甲烷菌和硫酸还原菌利用H2，使氢气分压保持很低的水平，象丙酸分解成醋酸
31、、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。 这种必须与其它菌共存的关系叫共生关系（syntrophic association）硫酸硫酸还原还原硝酸硝酸还原还原产甲烷产甲烷第六章畜禽废弃物处理与利用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：适宜氧化还原电位形成第六章畜禽废弃物处理与利用菌群的协作、共生、竞争关系菌群的协作、共生、竞争关系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
32、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六章畜禽废弃物处理与利用 硫酸塩硫酸塩还原菌呼吸还原菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaNaNa2 2SOSO4 42NaHCO2NaHCO3 3NaHSNaHS G Go o-46.88 KJ/mol-46.88 KJ/mol 产甲烷菌呼吸产甲烷菌呼吸 CHCH3 3COONaCOONaH H2 2OCHOCH4 4NaHCONaHCO3 3 G Go o-29.30 KJ/mol-29.30 KJ/mol 产乙
33、酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化产乙酸产氢菌与硫酸还原菌或产甲烷菌共生，在厌氧消化中中 十分重要。十分重要。 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，这是因为通过共生系可获得的自由能较少。氢速度较慢，这是因为通过共生系可获得的自由能较少。第六章畜禽废弃物处理与利用3. 3. 厌氧消化微生物厌氧消化微生物1）主要发酵细菌）主要发酵细菌羧
34、菌属（羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有）降解淀粉、蛋白质等有机物，机物， 产生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。产生丙酮、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降解纤维素或半纤维素。素。丁酸弧菌属（丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解降解脂肪、蛋白质脂肪、蛋白质等等真细菌属（真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分）蛋白质、糖类等的分解解双歧杆菌属（双歧杆菌属（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。这些发酵细菌很多，以上只列出了见
35、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，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有机物降解成有机酸、醇等。再将可溶性的大分子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解有机物水水解解第六章畜禽废弃物处理与利用2）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
36、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。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才。这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。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脂肪酸挥发性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解第六章畜禽废弃物处理与利用 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
37、、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)3) 3) 产甲烷细菌产甲烷细
38、菌4H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH4第六章畜禽废弃物处理与利用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
39、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。第六章畜禽废弃物处理与利用八叠球菌八叠球菌第六章畜禽废弃物处理与利用Methanothrix属细菌属细菌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。第六章畜禽废弃物处理与利用第六章畜禽废弃物处理与利用4. 4. 厌氧消化降解的甲烷化厌氧消化降解的甲烷化1 1）碳水化合物）碳水化合物 碳水化合物包括纤
40、维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时碳水化合物包括纤维素、半纤维素和淀粉等，属于多糖类，同时可用可用(C(C6 6H H1010O O5 5) )x x表示。这是污水中常见的有机物，其消化过程如下：表示。这是污水中常见的有机物，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 + 2CO24H2 + CO
41、2 CH4 + 2H2O第六章畜禽废弃物处理与利用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 由乙酸分解产生的甲烷约占甲烷总产量的2/3。第六章畜禽废弃物处理与利用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 9CH3C
42、OOH + 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。第六章畜禽废弃物处理与利用3）蛋白质）蛋白质 蛋白质是由氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：蛋白质是由氨基酸分子组成的高分子化合物，其消化过程如下：第第1阶段阶段第第2阶段阶段蛋白质蛋白质 + H2O 氨基酸（氨基酸（R）酶酶有机酸有机酸 CH3COOH + H2第第3阶段阶段C
43、H3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O蛋白质水解产生的蛋白质水解产生的NH4和和CO2可生成可生成NH4HCO3， 这可提高消化液的碱度，并这可提高消化液的碱度，并提高提高pH值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生值。有些含硫氨基酸，如胱氨酸、蛋氨酸等，可分解产生H2S、形成、形成臭味和一定的腐蚀性。臭味和一定的腐蚀性。氨基酸通式为氨基酸通式为 R-C-COOH NH2 HR-C-COOH NH2 H发酵发酵有机酸有机酸 + NH4HCO3据蛋白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为据蛋白质一般组成计算，沼气的甲烷含量为73%，且，且72%来自乙酸。来自
44、乙酸。第六章畜禽废弃物处理与利用 当废水中有机物浓度较高时，一般当废水中有机物浓度较高时，一般BODBOD5 5超过超过1500mg/L1500mg/L时，时，就不宜用好氧处理，而应该采用厌氧处理的方法。就不宜用好氧处理，而应该采用厌氧处理的方法。 厌氧处理厌氧处理1kgCOD1kgCOD能产生能产生0.35m0.35m3 3的甲烷；单位容积负荷远高的甲烷；单位容积负荷远高于好氧系统，产生的污泥量少，运行费用低。因此厌氧处理于好氧系统，产生的污泥量少，运行费用低。因此厌氧处理在在畜禽养殖畜禽养殖等等废弃物处理废弃物处理中得到广泛运用。中得到广泛运用。6.4.2 6.4.2 厌氧生物处理基本工艺
45、方法厌氧生物处理基本工艺方法集气设备第六章畜禽废弃物处理与利用1 1）氧化还原电位（）氧化还原电位（ORPORP） 由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，由于产甲烷菌在厌氧处理的各个阶段中，对环境的影响最敏感，世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常是厌氧消化过程的控制世代时间相对较长，甲烷化反应速度较慢，常是厌氧消化过程的控制阶段。应重点满足产甲烷菌的环境要求。阶段。应重点满足产甲烷菌的环境要求。 产产甲烷菌一般要求氧化还原电位低于甲烷菌一般要求氧化还原电位低于-330nV-330nV，此参数可用于常温或，此参数可用于常温或中温反应器的设计。在高温反应器中适宜的氧化还原电位
46、要低得多，中温反应器的设计。在高温反应器中适宜的氧化还原电位要低得多，一般应低于一般应低于-500mV-500mV。 6.4.3 6.4.3 影响厌氧反应器处理效果的主要因素影响厌氧反应器处理效果的主要因素一般溶氧是系统氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧一般溶氧是系统氧化还原电位升高的主要和直接原因。但应注意，氧化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如化剂或氧化物质的存在，同样可使氧化还原电位升高。如NO3-、SO42-、CrO72-、Fe3+等。等。第六章畜禽废弃物处理与利用2 2）温度）温度 温度是影响微生物生命活动的重要因素之一，也是动力学的重要影温度是影响微生物生
47、命活动的重要因素之一，也是动力学的重要影响因素。响因素。 好氧生物处理只有一个最适宜温度，而厌氧生物处理一般存在两个好氧生物处理只有一个最适宜温度，而厌氧生物处理一般存在两个最适宜温度。分别为最适宜温度。分别为35 35 附近和附近和55 55 附近。附近。 是以产甲烷菌的适宜温度为主要因素所决定的，而一般厌氧反应器是以产甲烷菌的适宜温度为主要因素所决定的，而一般厌氧反应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属为主，其适宜温度分为属为主，其适宜温度分为3535 40 40 和和5555 65 65 两类。两类。 工程上的厌氧反应器
48、有常温、中温、高温三种方式。中温处理一般工程上的厌氧反应器有常温、中温、高温三种方式。中温处理一般为为33 33 38 38 ，高温处理为，高温处理为5050 60 60 。突然的温度变化可使甲烷化。突然的温度变化可使甲烷化严重受阻。严重受阻。 温度影响倍增时间温度影响倍增时间表 1.2.1 菌（続） 代謝基質 菌 形状 最適温度（） 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 状 32 6.6-7.1 + + - - NT M.limicola 状 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 第六章畜禽废弃物处理与利用 3 3）pHpH值值 产甲烷菌适宜的产甲烷菌适宜的pH值为值为7
