厌氧消化理论
厌氧消化的一般原理
厌氧消化的一般原理厌氧消化是一种在缺氧条件下进行的微生物分解有机物质的过程。
与有氧消化不同，厌氧消化不需要氧气，因此主要发生在一些缺氧的环境中，比如淤泥池、沼气池等。
厌氧消化的一般原理包括底物的分解、产物的生成以及微生物的生长和代谢过程。
首先，厌氧消化的起始阶段是有机废物的分解。
当有机废物进入厌氧消化系统时，最初需要经过一系列生物化学反应来将有机物质分解成更简单的化合物，比如有机酸、氨、硫化物等。
在这个过程中，一些厌氧菌和古菌积极参与，它们利用有机废物作为碳源和能源，进行代谢反应，释放出一定量的能量。
其次，底物的分解会产生一系列的产物，其中包括一些有机气体和溶解性有机物。
在厌氧条件下，厌氧菌、古菌和一些厌氧细菌能够将产生的有机物质进一步分解，生成一些有机酸、氨和硫化物等。
同时，在厌氧消化过程中，还会生成一定量的甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等气态产物，这些气体被称为沼气，可以作为可再生能源来利用。
最后，微生物的生长和代谢过程也是厌氧消化的重要原理之一。
在厌氧条件下，厌氧菌和古菌是主要的微生物群落，它们能够利用有机废物来生长和进行代谢活动。
在这个过程中，微生物会针对不同的底物进行代谢反应，产生能量来维持生长和代谢所需的化学活动。
通过不断地吸收和分解有机废物，微生物在厌氧消化系统中不断地生长和繁殖，从而促进有机废物的有效消化和降解。
总的来说，厌氧消化的一般原理主要包括底物的分解、产物的生成以及微生物的生长和代谢过程。
通过这些原理，有机废物能够在缺氧条件下得到有效的分解和处理，同时还能产生一定量的沼气作为可再生能源，具有很高的环保和经济价值。
因此，厌氧消化技术在生活污水处理、农业废弃物处理和工业废水处理等领域有着广泛的应用前景。
厌氧消化
甲烷菌对温度的急剧变化非常敏感
厌氧发酵过程还要求温度相对稳定，一天内的变化范围在 1.5~2℃以内为宜。
（2）pH值
厌氧发酵微生物细胞内细胞质的pH一般呈中性反应，但产 甲烷菌在偏碱性条件下有更好活性，因此，控制pH值在 6.5~7.5比较合适，最佳7.0~7.2。 一般通过控制碱度来控制pH值，通常碱度控制在 2500~5000mgCaCO3/L比较合适，碱度可以通过投加石灰 或含氮原料的办法来控制。
厌氧消化阶段
三段理论
1979年由布赖恩提出，将厌氧消化依次分为水解（液化） 阶段、产酸阶段、产甲烷阶段。起作用的细菌分别称为发 酵细菌、乙酸分解菌、产甲烷细菌。
四段理论 Zeikus于1979年提出四种群学说，他 认为在厌氧消化过程中共有四种群的 复杂微生物参与厌氧发酵过程，分别 是：水解发酵菌、产氢产乙酸菌，同 型产氢产乙酸菌和产甲烷菌。
传统发酵设备与现代发酵 设备的比较
（a)传统消化池 （b)现代消化池
第五章 厌氧消化
5.1 厌氧消化原理 5.1.1 厌氧消化基本理论 5.1.2 厌氧消化产物 5.2 厌氧消化影响因素
内
容 提
5.3 厌氧消化工艺与反应器 5.3.1 厌氧消化工艺 5.3.2 厌氧消化反应器 5.3.3 应用实例
要
厌氧消化（Anaerobic digestion, AD）
厌氧消化理论研究进展
厌氧消化理论研究进展在基础理论方面，研究人员对厌氧消化过程的微生物群落、代谢途径、降解机理等进行了深入研究。
研究发现，厌氧消化过程中主要涉及到厌氧菌、产甲烷菌、硫酸盐还原菌等多种微生物。
这些微生物能够利用有机废弃物中的可溶性有机物和可生物降解有机物进行代谢，产生甲烷等有机物质。
同时，微生物还能够通过一系列的酶催化反应将复杂的有机废弃物分解成简单的有机物质。
基于这些理论研究的进展，科研人员能够更好地了解和掌握厌氧消化过程的基本规律和机制。
在应用研究方面，厌氧消化理论已经在废水处理、农业废弃物处理和能源利用等领域得到了广泛应用。
例如，在废水处理领域，厌氧消化技术被广泛应用于城市污水和工业废水的处理中。
通过废水经过预处理后，进入到厌氧消化系统中，微生物能够对有机废弃物进行高效降解，同时产生甲烷等有机物质。
这种有机物质不仅可以被利用为能源，还可以减少处理过程中产生的废物量，实现资源的循环利用。
此外，厌氧消化技术还可以用于处理农业废弃物和生活垃圾等有机废弃物，有效地解决了环境污染和资源浪费的问题。
近年来，随着科学技术的不断发展，对厌氧消化理论的研究也越来越深入。
研究人员正在探索利用基因工程技术来改良和优化厌氧消化过程中的微生物群落和代谢途径，以提高降解效率和产甲烷率。
此外，研究人员还在不断探索新的厌氧消化技术和设备，如厌氧消化反应器的设计和优化等。
这些研究的进展有望为厌氧消化技术的应用提供更好的支撑和保障。
总的来说，厌氧消化理论的研究进展是一个持续发展的过程。
通过对厌氧消化过程中微生物群落和降解机理的深入研究，科研人员已经在废水处理、农业废弃物处理和能源利用等领域取得了一系列的应用成果。
未来，科研人员还需要加强对厌氧消化过程中微生物功能和代谢途径的研究，同时探索新的技术和设备，以更好地应对环境问题和能源需求。
固体废物的厌氧消化处理
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
4.2 高固体厌氧消化技术
高固体厌氧消化（High solid anaerobic digestion）： 固体含量大约在22%以上。 该技术相对较新，未大规模应用。 优点：反应器单位体种的需水量低，产气量高，消 化污泥的处理费用相对较低。
环境学院：固体废物处理与处置
3.1 厌氧条件
详见“三段理论”
环境学院：固体废物处理与处置
3.2 有机物组分与产气量
产气量的大小主要取决于物料的组分物性。
环境学院：固体废物处理与处置
3.3 有机物含量与去除率
在合适的温度和 有机物负荷的条 件下，有机物去 除率与废物的有 机物含量成正比。
环境学院：固体废物处理与处置
6、厌氧消化反应器
目前研究较多的厌氧消化反应器有三类：
一阶段系统消化反应器 两阶段系统消化反应器 序批式处理系统消化反应器
环境学院：固体废物处理与处置
6.1 一阶段系统消化反应器
反有的反应集中在一个消化反应器中完成。 可分为：
一阶段湿式（中固体）处理系统 一阶段干式（高固体）处理系统
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
环境学院：固体废物处理与处置
（2）一阶段干式系统
反应器中的固体废物含固率控制在20~40%内。
物料流动性差，要用特殊传送带、螺旋浆叶的强力 泵输送。这些传送设备对物料要求低，故原料的预 处理简单。 技术关键在于让进料和接种物充分混合。
环境学院：固体废物处理与处置
厌氧消化机理
厌氧消化机理
厌氧消化是一种微生物代谢过程，其中有机物在缺氧条件下被微生物降解产生能量和产物。
厌氧消化可以用于处理有机废弃物，并生产甲烷气体作为能源。
在厌氧消化过程中，有机物首先被厌氧微生物分解为有机酸，如乳酸、醋酸和丙酸等。
然后，这些有机酸进一步被其他厌氧微生物转化为二氧化碳、氢气和甲烷。
甲烷是一种可燃气体，可以用作燃料或发电。
厌氧消化的主要步骤包括：
1. 水解：在此步骤中，有机废弃物被水解成一些小分子有机物，如蛋白质、碳水化合物和脂肪。
这种水解作用由水解菌（如厌氧消化中的酸化菌）完成。
2. 酸化：在酸化步骤中，水解产物进一步被厌氧酸化菌转化为有机酸。
这些有机酸可以是乳酸、醋酸、丙酸等。
在这个步骤中，厌氧消化池内的pH值通常较低，维持在4.5-6.0左右。
3. 乙酸生成：在此步骤中，酸化产物主要是乙酸。
在乙酸生成步骤中，一些厌氧乙酸菌将有机酸进一步转化为乙酸，并生成一定量的二氧化碳和氢气。
4. 甲烷生成：在甲烷生成步骤中，乙酸被厌氧甲烷菌转化成甲烷气体。
这个过程还会产生二氧化碳。
总之，厌氧消化是一种微生物代谢过程，其中有机废弃物在缺氧条件下依次被水解、酸化、乙酸生成和甲烷生成，产生能量和产物。
这种过程可以用于处理有机废弃物，并产生可用作能源的甲烷气体。
污泥的厌氧消化
有机物浓度与污泥泥龄的关系：
S K s (1 b c ) c (Yk b) 1
8.3.3
进泥
厌氧消化池工作原理与影响因素
上清液
Gas 出泥
进泥 加热
标准负荷厌氧消化池 高负荷厌氧消化池 在厌氧消化池中３个阶段同时存在，甲烷发酵阶段的
速率最慢，因此甲烷发酵阶段是厌氧消化反应的控制因素， 影响厌氧消化池正常工作的主要因素如下：
生成甲烷 (产甲烷菌)
碳水化合物分解菌 CH3CH2COOH+2H2O---CH3COOH+3H2+CO2 蛋白质分解菌，脂肪分解菌)
产酸菌是兼性厌氧菌和专性厌氧菌，对 PH，VFA，温度变化适应性强，
增殖速度快；甲烷菌是专性厌氧菌，PH=6.4-7.4，对 PH，VFA，温度变化敏
感，增殖速度慢。
降解过程分为三个阶段：
三阶段理论：Toerien et al (1970）Substrate flow in anaerobic digestion, 5th
International Conference on water pollution research, San Francisco,CA. 书上:Bryant 1979
于维持细菌的生活,而只有很少能量由于细胞合
成.(这就是厌氧法产生剩余污泥量少的缘故)
虽然厌氧消化过程是要经历多个阶段,但是
在连续操作的厌氧消化反应器中这几个阶段同
时存在,并保持某种平衡状态.
8.3.2 厌氧消化动力学 （与好氧相似）
甲烷发酵阶段是厌氧消化速率的控制因素。
动力学方程式：
有机物降解
细菌增殖
复杂有机物
水解与发酵
(水解与发酵菌)
污泥厌氧消化概述
污泥厌氧消化概述一、基本原理污泥厌氧消化是指在无氧条件下依靠厌氧微生物将污泥中的有机物分解并稳定的一种生物处理方法，通过水解、产酸、产甲烷三个阶段达到有机物分解的目的，同时大部分致病菌和蛔虫卵被杀灭或作为有机物被分解。
一般厌氧消化分为中温和高温两种：中温厌氧消化，温度维持在35℃±2℃，固体停留时间应大于20d，有机容积负荷一般为 2.0～4.0kg/（m3·d），有机物分解率可达到35%～45%，产气率一般为0.75～1.10Nm3/kg VSS；高温厌氧消化，温度控制在55℃±2℃，适合嗜热产甲烷菌生长。
高温厌氧消化有机物分解速度快，可以有效杀灭各种致病菌和寄生虫卵。
二、消化过程污泥厌氧消化是一个极其复杂的过程，厌氧消化三阶段理论是当前较为公认的理论模式。
第一阶段，在水解与发酵细菌作用下，碳水化合物、蛋白质和脂肪等高分子物质水解与发酵成单糖、氨基酸、脂肪酸、甘油及二氧化碳、氢气等。
第二阶段，在产氢产乙酸细菌作用下，将第一阶段产物转化成氢气、二氧化碳和乙酸。
第三阶段，通过氢气营养性和乙酸营养性的甲烷菌的作用，将氢气和二氧化碳转化成甲烷，将乙酸脱酸产生甲烷。
在厌氧消化过程中、由乙酸形成的甲烷约占总量的 2/3，由二氧化碳还原形成的甲烷约占总量的 1/3。
三、影响因素（一）温度温度是影响厌氧消化的主要因素，温度适宜时，细菌发育正常，有机物分解完全，产气量高。
实际上，甲烷菌并没有特定的温度限制，然而在一定温度范围内被驯化以后，温度变化速率即使为每天1℃都可能严重影响甲烷消化作用，尤其是高温消化，对温度变化更为敏感。
因此，在厌氧消化操作运行过程中，应采取适当的保温措施。
大多数厌氧消化系统设计为中温消化系统，因为在此温度范围，有机物的产气速率比较快、产气量较大，而生成的浮渣较少，并且也比较容易实现污泥和浮渣的分离。
但也有少数系统设计在高温范围内操作，高温消化的优点包括：改善污泥脱水性能，增加病原微生物的杀灭率，增加浮渣的消化等。
厌氧消化原理
三阶段理论
有机物 碳水化合物、蛋白质、脂肪等
氨基酸、糖类
Step1:水解发酵
有机酸
乙酸
Step2:产氢产乙酸
Step3:甲烷化 甲烷、二氧化碳等
氢气
Copyright Wuhan University 2015
M. P. Bryant. Microbial Methane Production--Theoretical Aspects. J ANIM SCI. January 1979 vol. 48 no. 1: 193-201.
Copyright Wuhan University 2015
第III阶段——产甲烷阶段
通过两组不同的产甲烷菌作用，将乙酸、H2和碳酸、甲酸等转化 为CH4、CO2和新的细胞质
一类从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷（70%）
另一类利用H2还原CO2成甲烷（30%） 甲烷丝菌
4HCOOH CH3COOH CH4+3CO2＋2H2O CH4+CO2
Copyright Wuhan University 2015
Copyright Wuhan University 2015
产甲烷菌的共同特征----影响因素
生长缓慢。如甲烷八叠球菌在乙酸上生长其倍增时间为1-2天， 甲烷菌丝倍增时间为4-9天。 严格厌氧。对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就 不能生存或死亡。 只能利用少数简单的化合物作为营养。
What is a Septic Tank?
The invention of the septic tank is attributed to a French man named Jean-Louis Mouras who is believed to have built the first septic tank in Vesoul in 1860 everyday use of the septic tank in France dates back to 1881.
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2.厌氧消化的原理
厌氧消化是指在厌氧(无氧)条件下,利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质等简单化合物的生物化学过程。
在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。
20世纪70年代以来,大量学者和研究人员对厌氧消化过程中的微生物及其代谢过程进行了深入研究,并取得了很大的进步。
经研究探索，厌氧消化复杂有机物的厌氧消化过程可以分为两段理论、三段理论以及四段理论。
接下来我们将分别介绍各理论。
1).两段理论：
该理论是由Thumm.Reichie(1914)和Imhoff(1916)提出，经Buswell.NeaVe完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为水解酸化(酸性发酵)阶段和产甲烷(碱性发酵)两个阶段，相应起作用的微生物分别为产酸细菌和产甲烷细菌。
在第一阶段，复杂的有机物(如糖类、脂类和蛋白质等)在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物以及生成能量，这些中间产物主要是一些低分子有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和醇类(如乙醇)，并有氢、CO2, NH4＋、H2S等气体。
在这一阶段里，由于有机酸的大量积累，使发酵液的pH值降低，pH值可下降至6，甚至可达5以下。
所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。
在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2等。
由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4、CO2等，同时系统中有NH4＋存在，使发酵液的pH值迅速升高达到7～8，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。
厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。
图7.2.1二阶段理论示意图
2).三段理论：
随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。
1979年，M.P.Bryant(布赖恩)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。
该理论将厌氧发酵分
成三个阶段，三个阶段有不同的菌群。
该理论认为产甲烷菌不能直接利用除乙酸、H2/CO2和甲醇等以外的有机酸和醇类，长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、H2和CO2等后，才能被产甲烷菌利用。
三阶段理论突出地表明氢的产生和利用在发酵过程中占有的核心地位，较好地解决了两阶段的矛盾。
第一阶段，水解和发酵。
在这一阶段中复杂有机物（如多糖、淀粉、纤维素、烃类等）在微生物(发酵菌)作用下进行水解和发酵。
多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等。
蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨。
脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。
第二阶段，产氢、产乙酸(即酸化阶段)。
在产氢产乙酸菌的作用下，把除甲酸、乙酸、甲胺、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如脂肪酸(丙酸、丁酸)和醇类(乙醇)等水溶性小分子转化为乙酸、H2和CO2。
第三阶段，产甲烷阶段。
甲烷菌把甲酸、乙酸、甲胺、甲醇和(H2+CO2)等基质通过不同的路径转化为甲烷，其中最主要的基质为乙酸和(H2+CO2)。
厌氧消化过程约有70%甲烷来自乙酸的分解，少量来源于H2和CO2的合成。
从发酵原料的物性变化来看，水解的结果使悬浮的固态有机物溶解，称之为“液化”。
发酵菌和产氢产乙酸菌依次将水解产物转化为有机酸，使溶液显酸性，称之为“酸化”。
甲烷菌将乙酸等转化为甲烷和二氧化碳等气体，称之为“气化”。
三阶段理论是目前厌氧消化理论研究相对透彻，相对得到公认的一种理论。
图7.2.2三阶段理论示意图
3).四段理论：
1979年，J.GZeikus在第一届国际厌氧消化会议上提出了四种群说理论(四阶段理论)。
该理论认为参与厌氧消化菌，除水解发酵菌、产氢产乙酸菌、产甲烷菌外，还有一个同型产乙酸菌种群。
这类菌可将中间代谢物的H2和CO2(甲烷菌能直接利用的一组基质)转化成乙酸(甲烷菌能直接利用的另一组基质)。
厌氧发酵过程分为四个阶段，各类群菌的有效代谢均相互密切连贯，达到一定的平衡，不能单独分开，是相互制约和促进的过程。
四种群说理论如图7.3所示。
图7.2.3四阶段理论示意图
由图7.2.3可知，复杂有机物在第I类菌(水解发酵菌)作用下被转化为有机酸和醇类，有机酸和醇类在第II类菌(产氢产乙酸菌)作用下转化为乙酸、H2/CO2、甲醇、甲酸等。
第III类菌(同型产乙酸菌)将少部分H2和CO2转化为乙酸。
最后，第IV类菌(产甲烷菌)把乙酸、H2/CO2、甲醇、甲酸等分解为最终的产物—CH4和CO2。
在有硫酸盐存在的条件下，硫酸盐还原菌也将参与厌氧消化过程。