清洁能源的开发与利用.doc

清洁生产之清洁能源的开发与利用姓名;指导教师：***班级:*****学号:******目录简介成分组成发现与沼气发酵的发展沼气发酵沼气发酵微生物沼气发酵的原理三阶段理论沼气发酵过程的液化阶段沼气发酵过程的产酸阶段沼气发酵过程中的产甲烷阶段四类群理论水解作用发酵作用产乙酸和产氢作用产甲烷作用发酵工艺沼气发酵的基本工艺流程沼气发酵工艺的基本条件沼气发电技术沼气燃料电池技术污染治理发展前景中国发展沼气产业的现实意义相关用途产生与使用配制原料修建好处农村应用应用意义常见问题可行建议我国农村沼气的开发现状我的家乡的沼气建设情况清洁新能源沼气气候变化是当今世界面临的重大挑战，温室气体减排问题在国际上已引起了广泛关注和高度重视在哥本哈根气候变化大会前夕，中国政府提出了控制温室气体排放的行动目标：到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%—45%甲烷的温室效应是CO2的21倍,矿井中巨量、低浓度甲烷的直接排放不仅浪费资源，还会加剧温室效应，更是一个巨大的安全隐患因此，开发相应的技术，以解决安全生产、环境保护和低品位能源有效利用等问题迫在眉睫沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。

由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气人畜粪便、秸秆、污水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧（没有氧气）条件下发酵，即被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，从而产生沼气沼气是一种混合气体，可以燃烧沼气是有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50〜70%，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等其特性与天然气相似空气中如含有8.6〜20.8%（按体积计）的沼福尔马林、四氯化碳等化工原营养物质，可用作肥料和饲气时,就会形成爆炸性的混合气体沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、料经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的料沼气是一些有机物质，在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体它含有少量硫化氢，所以略带臭味发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与反应大致分两个阶段：（1）微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等2）由甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。

沼气池必须符合多种条件首先，沼气池要密闭有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水其次，沼气池里要元素，农作物的秸秆等原料中含水80%左右，过维持20〜40C,因为通常在这种温度下产气率最高第三，沼气池要有充足的养分微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮纤维素能提供碳元素第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵多或过少都对产气不利第五，沼气池的pH值一般控制在7〜8.5成分组成沼气的主要成分是甲烷沼气由50%〜80%甲烷（CH4）、20%〜40%二氧化碳（CO2）、0%〜5%氮气（N2）、小于1%的氢气（H2）、小于0.4%的氧气（O2）与0.1%〜3%硫化氢（H2S）等气体组成由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味其特性与天然气相似空气中如含有8.6〜20.8%（按体积计）的沼气时，就会形成爆炸性的混合气体沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为20800—23600千焦。

即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料发现与沼气发酵的发展沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的1916年俄国人B.n.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视1955年新的沼气发酵工艺流程一一速率厌氧消化工艺产生它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量（即产气率）在中温下由每天1立方米容积产生0.7〜1.5立方米沼气，提高到4〜8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。

中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池，随之成立了中华国瑞瓦斯总行，以推广沼气技术目前中国农村户用沼气池的数量达1300万座而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行沼气发酵沼气发酵微生物（联想细菌之间的关系：促进、抑制、竞争等）沼气发酵微生物是一个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌1）不产甲烷菌不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等2）产甲烷菌产甲烷菌是沼气发酵的主要成分--甲烷的产生者是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的pH值范围为中性或微碱性。

它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物沼气发酵的原理（联想微生物生长代谢）沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程目前为大家所公认的沼气发酵的过程如图所示（说明：①I、丨I为三阶段理论，②I、II、II、IV、为四类群理论）三阶段理论沼气发酵过程的液化阶段用作沼气发酵原料的有机物种类繁多，如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水，以及酒精废料等，其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类其中多糖类物质是发酵原料的主要成分，它包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质等这些复杂有机物大多数在水中不能溶解，必须首先被发酵细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后，经过发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳在沼气发酵测定过程中，发酵液中的乙酸、丙酸、丁酸总量称为中挥发酸（TVA）蛋白质类物质被发酵性细菌分解为氨基酸，又可被细菌合成细胞物质而加以利用，多余时也可以进一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氢等蛋白质含量的多少，直接影响沼气中氨及硫化氢的含量，而氨基酸分解时所生成的有机酸类，则可继续转化而生成甲烷、二氧化碳和水。

脂类物质在细菌脂肪酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可进一步按糖代谢途径被分解，脂肪酸则进一步被微生物分解为多个乙酸沼气发酵过程的产酸阶段3.2.1产氢产乙酸菌发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类，除甲酸、乙酸和甲醇外，均不能被产甲烷菌所利用，必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳3.2.2耗氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌它们既能利用Hz+cOz生成乙酸，也能代谢产生乙酸通过上述微生物的活动，各种复杂有机物可生成有机酸和Hz/cOz等沼气发酵过程中的产甲烷阶段3.3.1产甲烷菌的类群产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群在沼气发酵过程中，甲烷的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起的，产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形态，但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物，在没有外源受氢体的情况下把乙酸和H2/C02转化为气体产生-CH4/C02,使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利完成。

目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成① 由C02和H2产生甲烷反应为：C02+4H4—CH4+H20② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：CH3C00H—CH4+CO2;CH3COONH4+H20—CH4+NH4HC033.3.2产甲烷菌的生理特性① 产甲烷菌的生长要求严格厌氧环境产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中② 产甲烷菌食物简单产甲烷菌只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷③ 产甲烷菌适宜生存在pH值中性条件下产甲烷菌生长缓慢四类群理论有人按生物化学转化过程（如下图）将发酵过程分为：水解作用由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等；发酵作用由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；产乙酸和产氢作用把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存；产甲烷作用由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。

产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物沼气发酵微生物之间的生态关系在沼气发酵过程中，不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间，相互依赖，互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件，但它们之间又互相制约，在发酵过程中总处于平衡状态它们之间的主要关系表现在下列几方面：① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质② 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质④ 产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值发酵工艺根据发酵原料和发酵条件的不同，所采用的发酵工艺也多种多样沼气发酵的基本工艺流程一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料（废水）的收集、预处理、消化器（沼气池）、出料的后处理和沼气的净化与储存等,如下图所示：沼气发酵工艺的基本条件（联想微生物培养条件和培养基的制备）（1）适宜的发酵温度沼气池的温度条件分为::①常温发酵（也称为低温发酵)10C〜30C,在这个温度条件下，产气率可为0.15〜0.3m3/m3?d。