厌氧消化

环境工程技术术语

厌氧消化指有机质在无氧条件下，由兼性菌和厌氧细菌将可生物降解的有机物分解为CH4、CO2、H2O和H2S的消化技术。厌氧消化被广泛应用于污水畜禽粪便和城市有机废弃物处理等方面沼气工程技术有可以实现循环经济发展、环境保护、减少温室气体排放和生产可再生能源等目标。

技术简介

厌氧消化技术是最重要的生物质能利用技术之一，它使固体有机物变为溶解性有机物，再将蕴藏在废弃物中的能量转化为沼气用来燃烧或发电，以实现资源和能源的回收；厌氧消化后残澄量少，性质稳定；反应设备密闭，可控制恶臭的散发。厌氧消化极大地改善了有机废弃物处理过程的能量平衡，在经济上和环境上均有较大优势。

发展历史

用有机废物生产沼气已有一百多年的历史，但其发现是在三百多年前。早在1630年海尔曼(Van Helmont)首先发现有机物腐烂过程中可以产生一种可燃气体，并发现动物肠道也存在这种气体。其后，C.A.Voltal于1776年认定可降解有机物的数量与可燃气体的产生量有直接联系，1808年，H. Davy 在牛粪厌氧消化气体中也检测到甲烷气体的存在。1859年，印度孟买建成世界上第一座消化厂；1896年，在英国一座小城市(Exeter)中建起一座处理生活污水污泥的厌氧消化池，所产沼气被当作一条街道的照明燃料。据有关调查，世界上已有600～800万个家庭式或低技术含量的厌氧消化器，厌氧消化产生的沼气主要用于炊事和照明。

基本原理

生物质的有机物组成主要为三类：碳水化合物、蛋白质及脂肪。碳水化合物由C、H、O三种元素组成，主要包括淀粉类物质、纤维素类物质、多糖及单糖等，大分子糖降解生成小分子单糖。蛋白质是一种复杂的有机化合物，主要是由C、H、O、N组成，一般还会含有P、S等元素。氨基酸是蛋白质的基本单位，通过脱水缩合肽链连接组成。脂肪由C、H、O三种元素组成。脂肪是由甘油和脂肪酸组成的三丑甘油酯，甘油组成比较简单，脂肪酸的种类和长短却不相同。在厌氧消化过程中，不同的有机物的降解途径不同。四阶段理论的反应机理见图它将整个过程分为水解、酸化、乙酸化和甲烷化。

水解阶段

水解过程是指复杂的固体有机物在水解酶的作用下被转化为简单的溶解性单体或二聚体。微生物无法直接代谢碳水化合物（如淀粉、木质纤维素等）、蛋白和脂肪等生物大分子，必须先降解为可溶性聚合物或者单体化合物才能被酸化菌群利用。淀粉在淀粉酶作用下被水解成麦芽糖、葡萄糖和糊精。纤维素是由糖苦键结合成纤维二糖再聚合而成的，在多种纤维素酶的协同作用下水解成糖。由于自然状态下的纤维素一般都与木质素结合成高度聚合状态，以抵抗微生物的分解，所以纤维素降解是沼气发酵限速步骤之一。蛋白质是植物合成的一种重要产物，它在蛋白酶作用下肽键断裂生成二肽和多肽，再生成各种氨基酸。脂肪首先在脂肪水解酶的作用下水解为长链脂肪酸及甘油，甘油在甘油激酶催化下生成怜酸甘油，继而被氧化为怜酸二轻丙酮，再经异构化生成磷酸甘油酸，经糖酵解途径转化为丙酮酸，最终进入糖酵解途径实现彻底氧化及利用。

酸化阶段

产酸发酵过程是指将溶解性单体或二聚体形式的有机物转化为以短链脂肪酸或醇为主的末端产物。这些水解成的单体会进一步被微生物降解成挥发性脂肪酸、乳酸、醇、氨等酸化产物和氢、二氧化碳，并分泌到细胞外。产酸菌是一类快速生长的细菌，它们倾向于生产乙酸，这样能获取最高的能量以维持自身生长。末端产物组成取决于灰氧降解条件、底物种类和参与生化反应的微生物种类同时氨基酸的降解首先通过氧化还原氮反应实现脱氨基作用，生成有机酸、氢气及二氧化碳。

产氢产乙酸阶段

该阶段主要是将水解产酸阶段产生的两个碳以上的有机酸或醇类等物质，转化为乙酸、和等可为甲烷菌直接利用的小分子物质的过程。标准情况下，有机酸的产氢产乙酸过程不能自发进行，氢气会抑制此步反应的进行，降低系统的氢分压有利于产物产生。如果氢分压超过大气压，有机酸浓度增大，甲烷产量受到抑制。避免氢气在此阶段的积累尤其重要。在厌氧过程中，氢分压的降低必须依靠氢营养菌来完成。

甲烷化阶段

产甲烷阶段是由严格专性厌氧的产甲烷细菌将乙酸、一碳化合物和H2、CO2等转化为CH4和CO2的过程。大约的甲烷来自于乙酸的分解，是由乙酸歧化菌通过代谢乙酸盐的甲基基团生成，剩下的28%由CO2和H2合成。产甲烷细菌的代谢速率一般较慢，对于溶解性有机物厌氧消化过程，产甲烷阶段是整个厌氧消化工艺的限速。

影响因素

温度

在厌氧消化过程中，温度的范围是很宽泛的，从低温到高温都存在。例如北极下水道中发现有极低温度下存活的甲烷菌。通常我们依据微生物活性把温度范围分为三类：一类是嗜寒的，温度范围从10℃~20℃；一类是嗜温的，温度范围从20℃~45℃，通常使用37℃；一类是嗜热的，温度范围从50~65℃，通常是55℃。

碳氮比

碳氮比的关系是指有机原料中总碳和总氮的比例。厌氧消化过程中碳氮比是有最适范围的，一般是从20:1到30:1，既不能太高也不能太低，否则都会对厌氧发酵过程产生影响。不合适的碳氮比会造成大量的氨态氮的释放或是挥发性脂肪酸的过度累积，而氨态氮和挥发性脂肪酸都是厌氧消化中重要的中间产物，不合适的浓度都会抑制甲烷发酵过程。

酸碱度

pH值是反映水相体系中酸浓度的重要指标之一。厌氧发酵菌尤其是产甲烷菌对反应体系中的酸浓度是极为敏感的。较低pH值条件下，甲烷菌的生长就会受到抑制。许多研究者己经研究厌氧消化中不同阶段的最佳pH值。甲烷菌的最佳pH值是7.20左右。

有机负荷量

有机负荷是指消化反应器单位容积单位时间内所承受的挥发性有机物量，它是消化反应器设计和运行的重要参数。有机负荷的高低与处理物料的性质、消化温度、所采用的工艺等有关。研究表明，对于处理蔬菜、水果、厨余等易降解的有机垃圾，有机负荷一般为1～6.8kg VS/(m3·d)。

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