第九章厌氧过程与沼气技术课件.ppt

9. 厌氧过程与沼气技术厌氧过程与沼气技术 沼气： 有机物在厌氧和其他适宜条件下，经沼气微生物分解化解，产生以甲烷和二氧化碳为主体的混合气体 有机物是覆盖地表植被在阳光作用下的产物，从光合作用的角度来说，沼气是一种可再生能源厌氧过程： 有机物被厌氧菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程9.1 厌氧过程的基本原理厌氧过程的基本原理 早在19世纪人们就已经知道沼气的产生是一个微生物学过程1965年美国微生物学家Hungate教授创立了严格厌氧微生物培养技术，人们逐步开始认识到沼气发酵的本质，揭示了沼气发酵的微生物学原理: 沼气发酵过程由多个生理类群的微生物在无氧条件下共同参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解，最终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气 9.1.1 沼气的理化性质沼气的理化性质沼气是一种混合气体，其中主要成分是：①甲烷(CH4)，占总体积的50%-70%，②二氧化碳(CO2)，占25%-45%③少量的氮气(N2)、氢气(H2)、氧气(O2)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)等气体。

甲烷与沼气的主要理化性质如下表：9.1.2 厌氧发酵的主要历程厌氧发酵的主要历程沼气发酵是一个(微)生物学的过程各种有机质，包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机物等，在厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的作用，最终转化为沼气，完成这个复杂的过释，即为沼气发酵多糖多糖脂类脂类蛋白质蛋白质液化液化单糖单糖低聚糖低聚糖脂肪酸脂肪酸氨基酸氨基酸产酸产酸丁酸丁酸丙酸丙酸乙酸乙酸乳酸乳酸产甲烷产甲烷H2+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCO2气发酵的基本示意历程气发酵的基本示意历程沼气发酵主要分为：①液化；②产酸；③产甲烷三个阶段进行，其发酵的基本示意历程如图下图所示:① 液化阶段有机物中有机物中大分子碳大分子碳水化合物水化合物(淀粉、纤淀粉、纤维素、蛋维素、蛋白质白质)微生物微生物产生的产生的胞外酶胞外酶小分子小分子化合物化合物①①多糖分解成多糖分解成单糖或二糖单糖或二糖②②蛋白质分解蛋白质分解成肤或氨基酸成肤或氨基酸 ③③脂肪分解成脂肪分解成甘油和脂肪酸甘油和脂肪酸 酶解酶解①①纤维素酶纤维素酶②②肽酶肽酶③③脂肪酶脂肪酶农作物秸秆、人畜粪便、垃圾以及其他各种有机废弃物必须通过微生物分泌的胞外酶进行酶解分解成可溶于水的小分子化合物，这些小分子化合物才能进人到微生物细胞内 ，进行以后的一系列的生物化学反应，这个过程称为液化。

② 产酸阶段单糖类单糖类肽肽氨基酸氨基酸甘油甘油脂肪酸脂肪酸 产酸微产酸微生物群生物群①①简单的简单的 有机酸有机酸甲酸、乙酸、甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、丙酸、丁酸、乳酸等乳酸等转化转化②②醇醇甲醇甲醇乙醇等乙醇等③③二氧化碳、氢气、二氧化碳、氢气、 氨气和硫化氢等氨气和硫化氢等 在产酸微生物群的作用下小分子化合物转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳、氢气、氨气和硫化氢等其中主要的产物是挥发性有机酸.以乙酸为主，约占80%，故称为产酸阶段 ③ 产甲烷阶段有机酸、有机酸、醇以及二醇以及二氧化碳和氧化碳和氨等氨等甲烷甲烷+二氧化碳二氧化碳产甲烷微生物群产甲烷微生物群 上述三个阶段的界线和参与作用的沼气微生物都不是截然分开的尤其是液化和产酸两个阶段，许多参与液化的微生物也会参与产酸过程因此，有的学者把沼气发酵基本过程分为产酸(含液化阶段)和产甲烷两个阶段 注意：随后，这些有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又被产甲烷微生物群利用，分解形成甲烷和二氧化碳9.1.3 沼气发酵的微生物群沼气发酵的微生物群1.发酵性细菌 n复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂类等不能溶解于水.必须首选被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能为微生物所利用。

不能溶解于不能溶解于水的复杂有水的复杂有机物机物( (如纤维如纤维素、蛋白质、素、蛋白质、脂类等脂类等) )可溶于水的可溶于水的糖类、肽、糖类、肽、氨基酸和脂氨基酸和脂肪酸肪酸 发酵性细菌所分泌的胞外酶发酵性细菌所分泌的胞外酶 水解水解n发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进细胞内，经发酵分解，将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量H2、CO2 不能溶解于不能溶解于水的复杂有水的复杂有机物机物( (如纤维如纤维素、蛋白质、素、蛋白质、脂类等脂类等) )可溶于水的可溶于水的糖类、肽、糖类、肽、氨基酸和脂氨基酸和脂肪酸肪酸 被发酵性细菌吸收至细胞内被发酵性细菌吸收至细胞内发酵分解发酵分解n参与这一水解发酵过程的微生物种类繁多，已研究过的就有几百种，包括梭状芽抱杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽抱杆菌、产琥珀酸梭菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等n这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌2.产氢乙酸菌 n只有甲酸、乙酸和甲醇可被绝大部分产甲烷菌直接利用 n其他有机酸和醇类被产乙酸菌将分解转化为乙酸、H2及CO2 n经研究表明，上述反应过程在标准状况下不但不能产生能量，反而消耗能量，因而反应不能发生。

n由于技术上的困难，有关产氢产乙酸菌的报道不多，布赖恩特实验室报道了两个分别代谢丙酸盐和丁酸盐的共培养物其中的产氢产乙酸菌分别为沃氏互营杆菌和沃氏互营单胞菌我国也分离到了沃氏夫氏互营单胞菌，并对其与甲烷菌互营联合条件下降解丁酸盐的反应进行了研究3.耗氢乙酸菌n耗氢乙酸菌既能代谢H2和CO2生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸n该细菌产生乙酸只占乙酸总量的1%-2%(40℃)、3%-4% (60℃)n已分离到的耗氢产乙酸菌有伍德乙酸杆菌、威林格乙酸杆菌、嗜热自养梭菌等多种n耗氢产乙酸菌生长速度慢，在沼气发酵过程中的作用可能并不重要4.产甲烷菌n产甲烷菌在生理上高度专化 n在厌氧条件下，产甲烷菌将前三群细菌和代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化为气体产物(CH4、CO2)n绝大部分产甲烷菌只代谢甲酸、甲醇、乙酸，但部分产甲烷菌还可代谢甲胺、二甲胺和三甲胺产生甲烷个别菌株可代谢乙醇/CO2、丙醇/CO2 等，研究表明在厌氧消化器中约有2/3的甲烷是由乙酸裂解形成的，其余的大多数是来自H2和CO2的还原n产甲烷菌厌氧， 暴露在空气中会很快死亡n产甲烷菌种类多，据美国Oregon产甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)报道，该中心已收藏产甲烷菌215株，分属于3目、6科、16属、55种。

n通过对以上沼气发酵各微生物类群的讨论，可以认识到沼气发酵过程是多种细菌协同完成的微生物学过程n因此，要提高沼气发酵的效率:①应注意所进原料与微生物之间的一致性，这在利用难降解有机物为原料时尤其重要②要注意活性污泥中产甲烷菌的数量 ③为厌氧消化微生物创造良好生长条件，如合适的温度、pH等，防止有毒物质的进人，特别是控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，都是消化器正常运转的重要因素 9.1.4 沼气发酵的工艺条件沼气发酵的工艺条件1.严格的厌氧环境 n沼气发酵微生物包括：①产酸菌；②产甲烷菌,它们都是厌氧性细菌,尤其是产甲烷菌是严格庆氧菌，对氧特别敏感 n因此，建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池是人工制取沼气的关键n在密闭的沼气池内，好氧菌和兼性厌氧菌的活动，迅速消耗了溶解氧，从而创造了良好的氧化还原势条件2.发酵温度 ①沼气发酵微生物可以在8～65℃产生沼气②40～50℃是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过渡区间，二者都不太适应，产气速度会下降③53～55℃时，沼气微生物中的高温菌活跃，产沼气的速度最快④35℃左右中温菌最活跃，产沼气量出现峰值高温发酵低温发酵3.发酵原料原料中水分、TS、VS和灰分之间的组成关系如下图所示：原料原料水分水分总固体总固体(TS)(TS)可被微生物利用可被微生物利用灰分灰分挥发性固体挥发性固体(VS)(VS)TS和VS计算方法如下：式中：式中：W Wd d- -样品中干物质质量，样品中干物质质量，mgmgW Ws s- -样品总质量，样品总质量，mgmgW Wh h- -样品灰分质量，样品灰分质量，mgmg不同的原料，产气量、产气率和产气速度都会不同。

原料种类原料种类产沼气量产沼气量/(m3/t干物质干物质)甲烷含量甲烷含量/%原料种类原料种类产沼气量产沼气量/(m3/t干物质干物质)甲烷含量甲烷含量/%猪粪猪粪560―树叶树叶210～～29458马粪马粪200～～300―废物污泥废物污泥61050青草青草63070酒厂废水酒厂废水300～～60058亚麻秆亚麻秆359―碳水化合物碳水化合物75049麦杆麦杆43259类脂化合物类脂化合物144072表表1.1.发酵原料的产沼气量发酵原料的产沼气量几种有机物质产气量的比较几种有机物质产气量的比较 表表2.2.几种有机物质的产气速度几种有机物质的产气速度 为了使天然有机物质易于分解，以加强发酵菌的营养，要求培养基(为沼气微生物提供生存营养的固性物质)有较大的反应表面，所以必须将含有不溶性物质的原料粉碎产气率分为原料产气率、料液产气率、池容产气率几种 ①原料产气率：是指单位原料重量在整个发酵过程中的产气量口说明在一定的发酵条件下，原料被利用水平的高低，或发酵原料的产沼气能力原料产气率的表示方法有三种： 式中式中RTS —发酵原料总固体产气率，发酵原料总固体产气率，m3/kg；；RVS发酵原料挥发性固体产气率发酵原料挥发性固体产气率,m3/kg；；RCOD —有机废水单位有机废水单位COD产气率，产气率，m3/kg；；Vg—沼气产量，沼气产量，m3；；TS一发酵原料总固体量，一发酵原料总固体量，kg；；VS—发酵原料挥发性固体量，发酵原料挥发性固体量，kg；；COD—用化学需氧量表示的有机物量，用化学需氧量表示的有机物量，kg。

采用哪种方法表示，要根据测试手段的实际条件而选取②料液产气率：是指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量料液中所含原料种类和质量(料液浓度)不同，产气率差异较大料液产气率不能说明原料的利用水平的高低，也不能说明消化器容积被利用的水平，在大中型沼气工程中不宜被采用③池容(对大中型沼气工程而言，池容也为罐容)产气率 是指消化器单位容积每天生产沼气的多少，其表示单位为m3/(m3·d)，池容产气率说明消化器被利用水平高低用原料产气率和池容产气率去评价两种原料或两个装置被利用水平时，还要考虑两者的发酵条件和生产状况，因为原料发酵好坏与接种物、发酵温度、发酵时间、料液浓度等因素有关 4.料液浓度n 料液中干物质含量的百分比为料液浓度 n 一般要求：夏季浓度在6%左右；冬季浓度在8%左右①浓度太低时，即含水量太多，有机物含量相对减少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量②浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发醉受到阻碍，产气慢而少n 发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利，因为：5.酸碱度n 研究工作表明，碳氮比以(20～30):1为佳；碳、氮、磷比例以10:4:0.8为宜。

n 农副产品的污水一般适当，工业污水应补充到适宜值6.碳、氮、磷比例①①沼气微生物最适宜的沼气微生物最适宜的pHpH范围是范围是6.86.8～～7.57.5 ②②在大中型沼气工程中给消化器投料时，要根据在大中型沼气工程中给消化器投料时，要根据pHpH来控制投来控制投料量料量例如：超负荷运行，会造成有机酸大量积累，pH下降，当pH<6.8时，产甲烷菌的生命活动将受到抑制，正常发酵将遭到破坏 此时可采取：Ⅰ.停止进料，Ⅱ.投加碱性物质7.添加剂和抑制剂n挥发性酸过量，对发酵有阻抑作用n氨态氮(NH3-N)浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用n各种农药，都有极强的杀菌作用n盐类，特别是金属离子，都有强烈的抑制作用 例如： •100～200mg/L钠、200～400mg/L钾、100～200mg/L钙和75～150mg/L镁能刺激发酵过程•而浓度增加至钠为3500～5500mg/L、钾为2500～4500mg/L、钙为2500～4500mg/L和镁为1000～1500mg/L时，则产生中等强度的抑制•当浓度更大时，即钠为8000mg/L、钾12000mg/L、钙为8000mg/ L和镁为3000mg/L时，对发酵过程产生强烈抑制作用。

8.搅拌n搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加沼气微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量同时也可防止大量原料浮渣结壳，致使原料利用率降低，使产生的沼气释放困难n搅拌的方法有三种: (1)机械搅拌 (2)气搅拌 (3)液搅拌9.接种物n有机物厌氧发酵生产沼气，是由多种厌氧菌参与完成的在发酵初期加人厌氧菌作为接种物(亦称为菌种)，其菌种多少，直接影响产气的快慢条件具备时，采用生态环境一致的厌氧污泥作为接种物；不具备这样条件时，需要进行菌种富集和培养n菌种富集和培养，是选择活性较强的污泥、污水等添加适量(菌种量的5%～10%)、有机废水或作物桔秆，装入要密封的容器内，在适宜的温度(常温15～25℃，中温35℃，高温54℃)条件下，厌氧培养7～8d,控制其pH=6.8～7.5，再加人适量的有机废水，重复操作，逐渐扩大n沼气微生物像其他生物一样，对环境有个适应范围为沼气微生物群创造一个适宜的生活环境，以达到较高产气量的目的 9.2 小型户用沼气池小型户用沼气池我国小型沼气技术的研究与应用，经过了漫长的岁月，其发展历程大体可划分为4个阶段 1.我国沼气的研究起始于20世纪初期，沼气进入实用阶段是20世纪30年代。

起步阶段）2.20世纪70年代初，解决了中国农村一些地方生活用能探索阶段）3.20世纪80年代初期，为适应沼气发展的需要，国家建立了一批沼气研究机构发展阶段）4.进人20世纪90年代，中国沼气已有了二十几年的丰富经验 （推广沼气综合利用阶段）5. 6.据统计，到2002年底，全国小型沼气池保有量为1000万个，年产沼气近3×108m39.2.1 小型沼气池类型小型沼气池类型1.水压式沼气池 n主要由发酵间、进料营和水压间三部分组成见下图）n发酵间中的是下部固、液混合料的液面，液面上的空间为储气室n在沼气池正常产气与向外供气过程中，这个液面的上下位置经常是变动的，但二者之和永远是发酵间的容积n当储气室中气体压力增大时，下面的一部分料液被挤入水压间，液面下降;储气室中气体压力减小时，水压间里的一部分料液又返回到发酵间内，液面上升n主酵间、水压间和进料管， 三者相当于一个"液体连通器"(1)水压式沼气池供气原理如下图：①产气前，发酵原料未产气时， 储气室内的气体没有压力， 此时的发酵间液面、水压间液面和进料管液面处于同一水平面位置②产气不供气，料液发酵产气，储存在储气室内随气量的增多，压力升高，气体挤压发酵间的液面，迫使水压间液面上升，发酵间液面下降，气体的压力大小决定了液面的高差值。

③产气同时供气，用气时打开阀门1，随着储气室气体的减少，压力降低， 水压间的液面下降，发酵间的液面上升 当气量与供给燃具的用气量相等时，发酵间液面与水压间液面.维持在一个相对稳定的高度差上 n当发酵液料不产气时，水压间的液面回落，同时发酵间的液面上升，直到三个液面达到同一个高度的水平面为止(2)标准型水压式沼气池 ①圆筒形沼气池[图(a)]主要由圆筒形池身、削球壳地盖及池底的发酵间，进料管及圆形水压间三部分组成②球形沼气池[图(b)]由球形发酵间、进料及矩形或扇形水压间三部分组成③椭球形沼气池[图(c)]主要由椭球形发酵间，进料管及矩形或扇形水压间三部分组成 (3)设搅拌装置的水压式沼气池n农村小型沼气池经常出现料液分层和结壳现象n料液结壳与分层一直是困扰沼气用户的一大难题n分层，下面干上面稀，不利发酵，影响产气n结壳，发酵产出的沼气不能顺利地进人储气室，转向从水压间、进料口冒出，造成气源的浪费n设搅拌装置的水压式沼气池能克服上述问题水压式沼气池破壳搅拌装置，主要由两部分组成： ①破壳笼：破壳笼为铁丝焊接而成，液面的浮渣层由于受到破壳笼的阻拦而破裂②搅拌器 ：搅拌的主要日的是防止料液分层，使原料和接种物充分接触，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量。

搅拌器也具有防止浮渣层积厚结壳的作用 图图1010所示是湖南省岳阳县农村能源技术服务站研制所示是湖南省岳阳县农村能源技术服务站研制的水压式沼气池破壳搅拌装置的水压式沼气池破壳搅拌装置 图图9-119-11所示是贵州省桃县能源办研制的水压式沼气所示是贵州省桃县能源办研制的水压式沼气池的搅拌装置池的搅拌装置 (4)曲流布料水压式沼气池n发酵原料入池先在进料口喉部滤网过滤，进入池内经分流板进行半控或全控进行布料，目的要形成多路曲流使原料充分与污泥接触池底呈斜坡，在坡面设隔板阻流，保留一定量的污泥 n在油拱中央设有伞架型破壳挂笼进行破壳手动搅拌杠杆操纵伞架型挂笼破壳，并同时带动底部连杆推盘推出沉积物(5)发酵液高位差自功循环水压式沼气池①基本结构 如上图所示，该池由一个标准常规水压式沼气池和一个挂有软填料做菌床的生物滤池组成，两池军零压液面一高一低，并共用一个水压箱，②特点：这种形式的沼气池和发酵工艺流程，具有许多独特的优点:a.用水压箱作发酵原料预沤池，使原料在好氧的条件下，加快违度产酸菌的分解，促进对原料的液化产酸，发酵后的酸液留下自动入池，沉渣留下，解决了沉渣人池出料难的问题，同时好氧发酵产生的热量，有利于沼气池增温和保温；b.高位池设置的软填料作为厌氧池内的生物载体，能起到富集菌种、促进沼气发酵速度、提早产气、提高产气量的作用；c. 料液自动循环能起到搅拌发酵液的作用，提高产气量，防止液面结壳等；d.可利用循环发酵由冲刷与沼气池相结合的厕所蹲位及猪舍的地面， 同时可作为预处理池的接种物，促进发酵，节约用水。

2.浮罩式沼气池 按其结构，可分为：①直接储气浮罩式沼气池②分离储气浮罩式沼气池浮罩内的沼气压力值,可用下式计算: 特点：罩内压力基本稳定式中：P-沼气压力，cmH2O;G-浮罩及其配重的质量，kg;D-圆筒形浮罩内直径，cm;1000-由kgf/cm2H20 换算的系数3.气袋式沼气池气袋式沼气池的发酵间没有储气部分，沼气直接输入储气袋储存起来特点：池内沼气压力较低，在利于发酵和产气4.印度" 戈巴" 沼气装置 其基本结构如下图所示:发酵间成井状，是地下建筑，井体直径一般为1.5-6m之间 特点：出料靠池满自溢，可年不需大出料，节约劳力 9.2.2 小型沼气池发酵工艺小型沼气池发酵工艺(1)半连续式发酵工艺（其工艺流程如下图）备备料料配配料料搅搅拌拌接接种种发发酵酵产产气气加加入入封封池池入入池池堆堆沤沤活性污泥或活性污泥或其他接种物其他接种物肥肥料料池底污泥或发酵液池底污泥或发酵液大大换换料料定期或不定期加料定期或不定期加料新池检验或旧池检验新池检验或旧池检验定期或不定期加料定期或不定期加料n此发酵工艺的特点是：启动时，次投入较多的发酵原料，产气→用气，经过一段时间，当产气量趋向下降时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。

(2)分层满装料泪气发酵 n分层满装科沼气发酵属于学连续沼气盎酵工艺其主要特点是混合原料，分层装满(两层投料间隔2-3d)，池内堆沤，干湿发酵结合n该沼气发酵工艺启动用水少，操作简单，节省劳力 (3)批量投料沼气发酵 n批量投料沼气发酵是一种比较简单的沼气直酵形式，如红泥塑料沼气地，革璃铜沼气池就属于这种沼气发酵工艺它的特点是将发酵原料一次性投入沼气池，当发酵周期结束后，取出旧料，再投入下一批新料 其工艺流程为: n 玻璃钢沼气池 (4)干发酵工艺n干发酵工艺属批量投料沼气发酵类型，优点是省水，池容产气率高，可以缩小沼气体积，方便进出料 干发酵工艺特点：①合理的配料比，秸秆与粪便的质量比，般为3:1左右②原料预处理，将秸秆铡成5-7cm长的碎料③接种物，接种物质量般平能少于发酵原料的20% .井且要求接种物有良好的活性④发酵周期，发酵周期长短，要看发酵原料的数量和种类(5)两步发酵工艺 n两步发酵工艺是指沼气发酵的产酸阶段相产甲皖阶段分别在两个池子里进行 主要特点是：n由于产甲烷池的产气率高，气中甲烷含量高，可缩小此池的建池容积，设施的造价低n通过控制每天输入产甲烷池的酸液量，能人为地调节当天和第2 天的产气量，提高了产气量的时控性，n实现了渣、液分离，便于出料和运肥。

精品课件精品课件！精品课件精品课件！9.3 大中型沼气技术大中型沼气技术几种常见的消化器n 中型：V>50m3或日产量>50m3n 大型：V>1000m3或日产量>1000m3① 高速消化器② 接触式厌氧工艺。