厭氧發(fā)酵制沼氣

1、8.28.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧發(fā)酵制沼氣 厭氧消化是指在厭氧微生物厭氧微生物的作用下，有控制地使廢物中可生物降解的有機物轉(zhuǎn)化為ch4、co2和穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學(xué)過程。由于厭氧消化可以產(chǎn)生以ch4為主要成分的沼氣，故又稱為甲烷發(fā)酵 人類應(yīng)用厭氧消化技術(shù)的歷史十分悠久。早期大多是在農(nóng)村利用人畜糞便和一些農(nóng)業(yè)廢物進行小規(guī)模的厭氧發(fā)酵，產(chǎn)生的沼氣用于家庭取暖、照明和炊事等。厭氧消化技術(shù)最初的工業(yè)化應(yīng)用是作為糞便和污泥的減量化和穩(wěn)定化手段得以實施的。厭氧消化處理可以去除廢物中3050的有機物，并使之穩(wěn)定化。 化糞池厭氧消化發(fā)展 厭氧發(fā)酵歷史： 1630年，歐洲海爾曼發(fā)現(xiàn)有機物腐爛過程中產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w

2、-沼氣。 1896年，英國小城exeter以污泥為原料建立厭氧消化池，沼氣用于街道照明。 19世紀(jì)80年代，中國廣東沿海出現(xiàn)簡易沼氣發(fā)酵池，19世紀(jì)末出現(xiàn)瓦斯庫。 20世紀(jì)初，中國臺灣羅國瑞從事天然瓦斯研究，于1920年建8m3小型沼氣池。 20世紀(jì)50年代,中國推廣沼氣，有機廢料厭氧消化產(chǎn)沼氣有較大發(fā)展是進20多年的事情。 70年代末、80年代初，中國農(nóng)村沼氣建設(shè)迅速發(fā)展。1996年底，全國建池農(nóng)戶600萬戶以上，建成大中型沼氣池460多座。僅大中型沼氣池年處理有機廢物達3000萬噸左右。 1980年，歐共體委員會曾經(jīng)預(yù)測，歐洲10% -15%的能源將由新的替代能源產(chǎn)品提供，使得厭氧消化技術(shù)

3、的研究重新受到人們的注目。 我國厭氧消化技術(shù)的應(yīng)用也有較長的歷史。從50年代末期，就在農(nóng)村地區(qū)開始興建沼氣池。據(jù)報道，目前全國建成的沼氣池有700萬個左右；有5.2%的農(nóng)村人口使用沼氣能源照明和炊事。近20年來，許多城市也相繼建成了大型厭氧消化設(shè)施，用來處理城市污泥和糞便。厭氧消化發(fā)展 過程可控性、生產(chǎn)過程全封閉； 資源化效果好，低品位的生物能轉(zhuǎn)化為高品位的沼氣； 易操作，與好氧處理相比，厭氧消化處理不需要通風(fēng)動力，設(shè)施簡單，運行成本低； 產(chǎn)物可再利用，用作農(nóng)肥、飼料或堆肥化原料； 可殺死傳染病細(xì)菌； 厭氧過程中會產(chǎn)生h2s等惡臭氣體； 厭氧微生物的生長速率低，常規(guī)方法的處理效率低，設(shè)備體積龐

4、大；厭氧消化技術(shù)的主要特點有機物厭氧消化一般可分為水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷三個階段，每一階段各有其獨特的微生物類群起作用。水解階段起作用的細(xì)菌稱為發(fā)酵細(xì)菌，產(chǎn)酸階段起作用的細(xì)菌是醋酸分解菌。這兩個階段起作用的細(xì)菌統(tǒng)稱為不產(chǎn)甲烷菌。產(chǎn)甲烷階段起作用的細(xì)菌是產(chǎn)甲烷細(xì)菌。在水解階段，發(fā)酵細(xì)菌對有機物進行體外酶解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的物質(zhì)，然后細(xì)菌再吸收可溶于水的物質(zhì)，并將其酵解成為不同產(chǎn)物。在產(chǎn)酸階段，產(chǎn)氫、產(chǎn)醋酸細(xì)菌把前一階段產(chǎn)生的一些可溶性有機物進一步分解成揮發(fā)性脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸、長鏈脂肪酸）醇、酮、醛、co2和h2等。在產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將第二階段的產(chǎn)物進一步降解成甲烷和co2，同時利

5、用產(chǎn)酸階段產(chǎn)生的h2將部分co2轉(zhuǎn)化成甲烷。厭氧消化原理 堆肥有機堆肥有機物微生物物微生物有機酸，醇類，有機酸，醇類，o2，nh3，h2s等，能量，等，能量，微生物微生物細(xì)胞物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)co2，ch4等，等，能量能量細(xì)胞物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì) 細(xì)胞物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)(微生物繁殖微生物繁殖)有 機 酸 、 醇 類 、有 機 酸 、 醇 類 、co2、h2s、nh3、能量能量堆 肥 有 機堆 肥 有 機物物(c、n、o、h、p、s等等)細(xì)胞物質(zhì)細(xì)胞物質(zhì)co2、ch4等，能量等，能量酸性發(fā)酵階段酸性發(fā)酵階段堿性發(fā)酵階段堿性發(fā)酵階段兩段理論兩段理論發(fā)酵原料發(fā)酵原料 生活垃圾、有機污泥、人畜糞便、農(nóng)林廢物。生活垃圾、有

6、機污泥、人畜糞便、農(nóng)林廢物。 常見發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量常見發(fā)酵原料的理論產(chǎn)氣量 甲烷產(chǎn)氣量為：甲烷產(chǎn)氣量為： e=0.37a+0.49b+1.04c e=0.37a+0.49b+1.04c 式中式中e:e:每克發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷量，每克發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷量，l; l; a a、b b、c c：分別為每克發(fā)酵原料中碳水化合物、蛋白質(zhì)、：分別為每克發(fā)酵原料中碳水化合物、蛋白質(zhì)、脂肪類化合物的重量脂肪類化合物的重量g g。 二氧化碳理論產(chǎn)量為：二氧化碳理論產(chǎn)量為： d=0.37a+0.49b+0.36cd=0.37a+0.49b+0.36c常見沼氣發(fā)酵原料的組分和理論產(chǎn)氣量常見沼氣發(fā)酵原料的組分

7、和理論產(chǎn)氣量發(fā)酵料漿的配制發(fā)酵料漿的配制 根據(jù)料漿中所要求的總固體百分含量，計算加水量。根據(jù)料漿中所要求的總固體百分含量，計算加水量。 式中：式中：m mtsts沼氣發(fā)酵料漿中總固體百分含量；沼氣發(fā)酵料漿中總固體百分含量； x x各種原料（包括水）的重量；各種原料（包括水）的重量； m m各種原料總固體的百分含量。各種原料總固體的百分含量。 例題：人糞例題：人糞100kg100kg，含總固體量，含總固體量2020；豬糞；豬糞100kg100kg，含總固，含總固體量體量2020；稻草；稻草98.9kg98.9kg，含總固體量，含總固體量9090。將其配置成總。將其配置成總固體含量為固體含量為6

8、6的發(fā)酵料漿，需加多少水（的發(fā)酵料漿，需加多少水（w w）？）？ 解：根據(jù)上式有：解：根據(jù)上式有： w w1851kg1851kg。w9 .98100100%909 .98%20100%20100%6%100xxmmts 原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量 常用常用總固體的量作原料單位總固體的量作原料單位表示原料的產(chǎn)氣量。表示原料的產(chǎn)氣量。 原料的總固體百分含量和總固體量原料的總固體百分含量和總固體量 式中：式中：m mtsts發(fā)酵原料總固體百分含量，發(fā)酵原料總固體百分含量， w w1 1發(fā)酵原料樣品重量，發(fā)酵原料樣品重量， w w2 2樣品在樣品在105105土土22條件下烘干衡重

9、量，條件下烘干衡重量， ww發(fā)酵原料重量，發(fā)酵原料重量， w wtsts發(fā)酵原料所含總固體量。發(fā)酵原料所含總固體量。tststsmwwwwm%10012 例題：有例題：有1000kg1000kg豬糞，從中稱取豬糞，從中稱取10g10g樣品，在樣品，在105105烘至恒烘至恒重后的量為重后的量為1.95g1.95g，求其總固體百分含量和總固體量。，求其總固體百分含量和總固體量。 解：解：)(195%95. 11000%5 .19%1001095. 1%10012kgmwwwwmtststs 原料的碳氮比原料的碳氮比 混合原料碳氮比的計算混合原料碳氮比的計算 常用發(fā)酵原料的碳氮比常用發(fā)酵原料的碳氮

10、比例：例：人糞和豬糞各人糞和豬糞各100kg100kg，配合成碳氮比為，配合成碳氮比為2525：1 1的的混合發(fā)酵原料，需稻草多少混合發(fā)酵原料，需稻草多少kgkg？發(fā)酵原料發(fā)酵原料碳素占原料重量，碳素占原料重量，% %氮素占原料的重氮素占原料的重量，量，% %碳氮比碳氮比(c(c：n)n)干稻草干稻草鮮人糞鮮人糞鮮豬糞鮮豬糞4247.80.630.630.850.850.600.6067:167:13:13:113:113:1iiiixnxck)(9 .981:25100%6 . 0100%85. 0%63. 0100%8 . 7100%5 . 2%42111kgxxxk影

11、響厭氧消化的因素影響厭氧消化的因素 在有機物的厭氧消化過程中，各個不同反應(yīng)的反應(yīng)階段是相互銜接的，產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)酸菌和水解細(xì)菌的活動處于動態(tài)平衡動態(tài)平衡狀態(tài)。厭氧消化過程應(yīng)該對以下幾個因素加以控制。影響厭氧消化的因素（1）厭氧條件厭氧消化最顯著的一個特點是有機物在無氧的條件下被某種微生物分解，最終轉(zhuǎn)化成ch4、co2。o2對產(chǎn)甲烷細(xì)菌有毒害作用，因此需要嚴(yán)格的厭氧環(huán)境，判斷厭氧程度可用氧化還原電位(eh)表示， eh應(yīng)維持在-300mv左右（2）原料配比c/n大的有機物稱為貧氮有機物； c/n小的有機物稱為富氮有機物。為了滿足厭氧發(fā)酵的微生物對碳素和氮素的營養(yǎng)要求，需要將貧富氮有機物進行合理配比

12、。厭氧發(fā)酵的c/n (2030):1為宜，c/n 35:1時產(chǎn)氣量明顯下降。磷含量一般為有機物量的1/1000為宜。影響厭氧消化的因素（3）溫度 溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素之一。溫度主要影溫度是影響微生物生命活動過程的重要因素之一。溫度主要影響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機物的分解速率有關(guān)。響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機物的分解速率有關(guān)。 在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量越高；溫度過高，微生在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量越高；溫度過高，微生物處于休眠狀態(tài)，不利于消化。物處于休眠狀態(tài)，不利于消化。 厭氧微生物的代謝速率最快的范圍：厭氧微生物的代謝速率最快的范圍： 中溫消化

13、溫度為中溫消化溫度為3538； 高溫消化溫度為高溫消化溫度為5065影響厭氧發(fā)酵的因素 (4)ph值和酸堿度對產(chǎn)甲烷細(xì)菌來說，維持弱堿性環(huán)境是絕對必要的，它的最佳ph值范圍是6.57.5。ph值低于6.2，產(chǎn)甲烷菌失去活性。為使發(fā)酵池內(nèi)的ph值保持在最佳范圍，可以加石灰或含氮原料調(diào)節(jié)。 (5)攪拌攪拌目的是使池內(nèi)各處溫度均勻，進入的原料與池內(nèi)熟料完全混合，底質(zhì)與微生物密切接觸，防止底部物料出現(xiàn)酸積累，并且使反應(yīng)產(chǎn)物(h2s、nh3、ch4等)迅速排除。影響厭氧發(fā)酵的因素 (6) 接種物接種物厭氧消化中細(xì)菌數(shù)量和種群會直接影響甲烷的生成。添加接種物可有效提高消化液中微生物的種類和數(shù)量，從而提高反

14、應(yīng)器的消化處理能力，加快有機物的分解速率，提高產(chǎn)氣量，還可使開始產(chǎn)氣的時間提前。用添加接種物的方法，開始發(fā)酵時，一般要求菌種量達到料液量的5以上。(7)添加物和抑制物添加物和抑制物在發(fā)酵液中添加少量的znso4、磷礦粉磷礦粉、煉鋼渣、爐灰等，有助于促進厭氧發(fā)酵，提高產(chǎn)氣量和原料利用率。同時添加少量k、na、mg、zn、p等元素也能提高產(chǎn)氣率。但是有些化學(xué)物質(zhì)能抑制發(fā)酵微生物的生命活力，含氮化合物（蛋白質(zhì)、氨基酸、尿素等）過多，抑制甲烷發(fā)酵（加碳源，調(diào)節(jié)c/n）；cu、zn、cr等重金屬及氰化物重金屬及氰化物也會抑制厭氧消化對厭氧發(fā)酵具有抑制性的物質(zhì)對厭氧發(fā)酵具有抑制性的物質(zhì) 抑制物質(zhì)抑制物質(zhì)

15、抑制濃度抑制濃度/(mg/l)/(mg/l)抑制物質(zhì)抑制物質(zhì) 抑制濃度抑制濃度/(mg/l)/(mg/l)揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)性脂肪酸（vfavfa）20002000soso4 42-2- 50005000氨氮氨氮 1500-30001500-3000nana3500-55003500-5500absabs（烷基苯磺（烷基苯磺酸鹽）酸鹽） 5050cucu5 5五氯苯酚五氯苯酚 1010cdcd150150溶解性硫化物溶解性硫化物 10001000fefe17101710caca2500-45002500-4500crcr3+3+ 3 3mgmg1000-15001000-1500crcr6+6+

16、 500500k k2500-45002500-4500nini2 2金屬離金屬離子子 濃度（濃度（mg/lmg/l） 金屬離金屬離子子 濃度（濃度（mg/lmg/l） 促進作促進作用用 中等抑中等抑制制 強抑制強抑制 促進作促進作用用 中等抑中等抑制制 強抑制強抑制 鈉鈉 100100200200350035005500550080008000鈣鈣 100100200200250025004500450080008000鉀鉀 20020040040025002500450045001200012000鎂鎂 7575150150100010001500150030003000分別在發(fā)酵液中添加

17、少量的分別在發(fā)酵液中添加少量的硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰鈣、爐灰等，均可不同程度地提高產(chǎn)氣量、甲烷含量以及有等，均可不同程度地提高產(chǎn)氣量、甲烷含量以及有機物質(zhì)的分解率，其中以添加機物質(zhì)的分解率，其中以添加磷礦粉磷礦粉的效果為的效果為最佳最佳。添加。添加過過磷酸鈣磷酸鈣，能促進，能促進纖維素纖維素的分解，提高產(chǎn)氣量。的分解，提高產(chǎn)氣量。為什么？為什么？添加少量鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、磷等元素能促進產(chǎn)氣、提高添加少量鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、磷等元素能促進產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣率的原因為：產(chǎn)氣率的原因為：促進沼氣發(fā)酵菌的生長；促進沼氣發(fā)酵菌的生長；增加酶的活性。增加酶的活性。尤

18、其是鎂、鋅、錳等二價金屬離子常常是酶活性中心的組成尤其是鎂、鋅、錳等二價金屬離子常常是酶活性中心的組成成分。成分。mnmn2+2+、znzn2+2+是是水解酶的活化劑水解酶的活化劑，能提高酶的活性和促，能提高酶的活性和促進進酶的反應(yīng)速度，有利于纖維素等大分子化合物的分解。酶的反應(yīng)速度，有利于纖維素等大分子化合物的分解。厭氧消化工藝（按消化溫度）（1）高溫消化工藝高溫發(fā)酵工藝的最佳溫度范圍是4755，此時有機物分解旺盛，發(fā)酵快，物料在厭氧池內(nèi)停留時間短，非常適于城市垃圾、糞便和有機污泥的處理。其程序如下：1)高溫發(fā)酵菌的培養(yǎng)2)高溫的維持3)原料投入與排出4)發(fā)酵物料的攪拌（2）自然消化工藝自然

19、溫度厭氧消化指在自然界溫度影響下消化溫度發(fā)生變化的厭氧發(fā)酵。結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、施工容易、便于推廣。但消化周期受季節(jié)和地區(qū)的影響。工藝流程如下：厭氧消化工藝（按消化溫度）原料選擇原料預(yù)處理配料入池消化產(chǎn)氣大出料送農(nóng)田定期出料定期加料加活性污泥根據(jù)投料運轉(zhuǎn)方式劃分工藝類型根據(jù)投料運轉(zhuǎn)方式劃分工藝類型連續(xù)消化工藝連續(xù)消化工藝半連續(xù)消化工藝半連續(xù)消化工藝兩步消化工藝兩步消化工藝投料啟動后，經(jīng)一段時投料啟動后，經(jīng)一段時間的消化產(chǎn)氣，連續(xù)定間的消化產(chǎn)氣，連續(xù)定量的添加消化原料和排量的添加消化原料和排出舊料；其消化時間能出舊料；其消化時間能夠長期連續(xù)進行。工藝夠長期連續(xù)進行。工藝易于控制，能保持穩(wěn)定易于控

20、制，能保持穩(wěn)定的有機物消化速率和產(chǎn)的有機物消化速率和產(chǎn)氣率，但該工藝要求較氣率，但該工藝要求較低的原料固形物濃度低的原料固形物濃度 啟動時一次性投入較多啟動時一次性投入較多的消化原料，當(dāng)產(chǎn)氣量的消化原料，當(dāng)產(chǎn)氣量趨于下降時，開始定期趨于下降時，開始定期或不定期添加新料和排或不定期添加新料和排出舊料，以維持比較穩(wěn)出舊料，以維持比較穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。定的產(chǎn)氣率。 農(nóng)村較適用農(nóng)村較適用 兩個反應(yīng)器；根據(jù)兩兩個反應(yīng)器；根據(jù)兩段理論設(shè)計段理論設(shè)計 回流攪拌回流攪拌厭氧消化反應(yīng)池厭氧消化反應(yīng)池沉淀池沉淀池貯氣柜貯氣柜備料池備料池有機固有機固 體廢物體廢物回流備料回流備料肥料肥料用戶用戶池底污泥或消化料液池底污

21、泥或消化料液消化產(chǎn)氣消化產(chǎn)氣加水封池加水封池入池堆漚入池堆漚大換料大換料拌料接種拌料接種備料備料肥料肥料定期或不定期出料定期或不定期出料定期或不定期加料定期或不定期加料活性污泥或活性污泥或 其他接種物其他接種物厭氧發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理厭氧消化池亦稱厭氧消化器。厭氧消化池種類很多。按消化間的結(jié)構(gòu)形式，有圓形池、長方形池；按貯氣方式，有氣袋式、水壓式和浮罩式。其中，水壓式沼氣池是在我國農(nóng)村推廣的主要類型，特別受到發(fā)展中國家的歡迎，被譽為“中國式沼氣池”。水壓式沼氣池是一種埋設(shè)在地下的立式圓筒形發(fā)酵池，主要結(jié)構(gòu)包括加料管、發(fā)酵間、出料管、水壓間、導(dǎo)氣管幾個部分。消化器消化器 水壓式厭氧消化裝置的

22、結(jié)構(gòu)與工作原理1.加料管 2.發(fā)酵間 3.池內(nèi)液面 4.出料間液面啟動前狀態(tài)，發(fā)酵間的液面o-o水平，發(fā)酵間內(nèi)尚存的空間為死氣箱容積。水壓式厭氧消化裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理1.加料管 2.發(fā)酵間 3.池內(nèi)料液液面a-a 4.出料間液面b-b啟動后狀態(tài)。發(fā)酵池內(nèi)開始發(fā)酵產(chǎn)氣，發(fā)酵間的氣壓隨產(chǎn)氣量增大而增大，結(jié)果出料間液面高于發(fā)酵間液面。當(dāng)發(fā)酵間內(nèi)貯氣量達到最大值時，發(fā)酵間的液面下降到最低位置a-a水平，出料間的液面上升到最高位置b-b水平，這時達到了極限工作狀態(tài)。極限工作狀態(tài)時兩液面的高差最大，稱為極限沼氣壓強，其值可表示如下：h=h1+h2式中：h1為發(fā)酵間液面最大下降值，h2為出料間液面最大上升值，h為沼氣池最大液面差。水壓式厭氧發(fā)酵裝置的結(jié)構(gòu)與工作原理1.加料管 2.發(fā)酵間 3.池內(nèi)料液液面a-a 4.出料間液面b-b 5.導(dǎo)氣管 6.沼氣輸氣管 7.控制閥使用沼氣時發(fā)酵間壓力減小，出料間液體被壓回發(fā)