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1、地球上甲烷的产生和分解循环沼气发酵原理沼气工程技术讨论与展望,第九章 沼气发酵,第一节 地球上甲烷的产生和分解循环,一、地球上甲烷的循环过程,二、地球上甲烷的产生和分解过程,产甲烷菌主要有两种途径利用底物生成甲烷：利用乙酸：H3C-COOH-CH4+CO2利用氢和二氧化碳：4H2+CO2-CH4+2H2O 甲烷的消耗有两种途径，在大气中与对羟自由基反应被清除，在土壤中被甲烷氧化菌氧化。,三、地球上甲烷的产生和分解量,在自然环境条件下，甲烷含量应处于“源汇”平衡的状态。但在过去200年中，大气中甲烷含量增长了一倍多，对流层甲烷浓度呈线性上升趋势。,四、地球上甲烷引起的温室效应,温室效应是指大气中
2、能使太阳短波辐射达到地面，但地表向外放出的长波热辐射却被大气吸收，这样就使得地表与低层大气温度增高。,第二节 沼气发酵原理,各种有机质（包括农作物秸秆、畜禽粪便以及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，做种转化成沼气，完成这一复杂的过程，即为沼气发酵。,一、沼气的理化性质,（1）甲烷,甲烷是无色、无味、可燃和微毒气体。甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可能偏绿。CH4+O2=CO2+2H2O+890KJ,（2）二氧化碳 常温下是一种无色无味气体，密度比空气略大，能溶于水。（3）硫化氢 有毒气体，微量时具有恶臭，沼气中的臭味主要来自硫化氢。,二、微生物学原理,
3、（一）沼气产生中的厌氧微生物及其作用五大生理类群的细菌参与发酵过程：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,1、不产甲烷菌及其作用,（1）发酵性细菌发酵性细菌将可溶性物质吸收进入细胞后，经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸脂肪酸和醇类，同时产生一定数量的氢和二氧化碳。参与水解反应的发酵性细菌是复杂的混合菌群，种类繁多。,发酵性细菌的主要功能：部分水解细菌分泌的胞外水解酶的催化作用下，将大分子不溶性有机物水解成小分子的水溶性有机物。发酵细菌将水解产物吸入细胞内，经细胞内复杂的酶系统的催化下将一部分有机物转化为代谢产物，排入细胞外的溶液，成为参与下一阶段生化反应的细菌菌群吸收
4、利用的基质。,（2）产氢产乙酸细菌,发酵性细菌将复杂有机物分解发酵产生的有机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不能被产甲烷菌所利用，其余的发酵产物必须由产氢、产乙酸菌将其分解转化成乙酸、氢和二氧化碳。,主要反应过程,丙酸 CH3CH2COOH+2H2O-CH3COOH+CO2+3H2丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O-2CH3COOH+2H2乙醇 CH3CH2OH+2H2O-CH3COOH+2H2乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O-CH3COOH+CO2+H2,产氢产乙酸菌主要有：脱硫弧菌普通脱硫弧菌沃尔夫互营单胞菌沃林互营杆菌,（3）产氢产乙酸细菌,也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生
5、活又能异氧生活的混合营养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。2CO2+4H2-CH3COOH+2H2OC6H12O6-CH3COOH,常见的同型产乙酸细菌,伍迪乙酸梭菌威林格乙酸梭菌乙酸梭菌威林格乙酸杆菌,2、产甲烷菌,产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成分，可以代谢H2和CO2及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧古菌。食氢产甲烷菌是乙酸产甲烷菌,产甲烷菌在厌氧条件下将前三群不产甲烷细菌代谢的产物，在没有外源氢受体的情况下，把乙酸和H2/CO2-CH4、CO2和水，使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺利完成。,产甲烷菌具有以下特性,生长在严格厌氧环境营养特性：利
6、用简单的碳素化合物；利用铵态氮为氮源；需要某些维生素和微量元素。偏中性的pH环境生长繁殖缓慢,3、产甲烷细菌与不产甲烷菌的相互作用,不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物。不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。产甲烷细菌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的适宜pH。,（二）沼气产生的生理生化机理,1、两阶段理论,酸性发酵阶段：主要功能是复杂的有机物如糖类、脂肪和蛋白质等，在产酸菌（厌氧或兼性厌氧）的作用下被分解成低分子的中间产物。产甲烷阶段：又称碱性发酵阶段。产甲烷菌（专性厌氧菌）利用前一阶段的中
7、间产物，并将其分解转化为CH4和CO2，同时系统中有NH4+的存在，使发酵液的pH不断升高。,2、三阶段理论,该理论认为产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2、CO2等，二碳物质中只有乙酸，而不能利用其他二碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙酸菌转化为乙酸、 H2、CO2等，才能被产甲烷菌利用。,第一阶段 水解酸化阶段：复杂的大分子、不溶性有机物在微生物胞外酶作用下水解成简单的可溶性小分子有机物，然后这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥发性有机酸和醇类、醛类等。,
8、第二阶段，产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类转化成乙酸、H2和CO2。第三阶段，产甲烷阶段。产甲烷菌利用乙酸、乙酸盐、H2和CO2产生甲烷。,三、沼气发酵条件,1、严格的厌氧环境建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池。是人工制取沼气的关键。厌氧程度用氧化还原电位来表示。,2、发酵温度,常温消化中温消化高温消化,3、发酵原料,（1）总固体和挥发性固体总固体：又称干物质，是指发酵原料除去水分后剩下的物质。测定方法：把样品放在105的烘干箱中烘干至恒重，此时物质的质量就是该样品的总固体重量。挥发性固体，是指原料总固体除去灰分以后剩下的
9、物质，测定方法为：将固体样品在550 温度下灼烧，其减轻的重量就是该样品的挥发性固体量，余下的物质是样品的灰分，其重量是该样品灰分的重量。,（2）适宜的料液浓度,（3）产气量、产气速度与产气率,产气率分为原料产气率：单位原料重量在整个发酵过程中的产气量。料液产气率：单位体积的发酵料液每天产沼气的数量池容产气率：厌氧消化器单位容积每天生产沼气的多少，说明厌氧消化器被利用水平高低。,（4）pH 通常厌氧发酵适宜的pH范围在6.0-6.8，pH过高或过低都会抑制厌氧微生物的生理活性，从而限制甲烷的产量。（5）原料营养钵 厌氧微生物在生长繁殖过程中需按一定的比例摄取碳、氮磷以及其他微量元素。工程上主要
10、控制的碳、氮磷比例不完全一致。,（6）接种物在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物。（7）有毒物质 常见的有毒物质如S2-、SO42-、NH3、NH4+、CN-、Cl-、有机氯化物等。（8）混合和搅拌机械搅拌、水力搅拌和沼气搅拌。,第三节 沼气工程技术,一、沼气工程的发展与现状（一）农村户用沼气发展和现状初始发展阶段技术突破和工艺完善阶段加快发展阶段,（二）大中型沼气工程的发展与现状,1、大中型沼气工程国内概况,20世纪60年代初期，出现第一个大型沼气发酵装置-南阳酒精厂。经历了由小到大（单位上万立方米），由少到多，由低效消化池到高效厌氧消化系统的发展历程。,2、大中型沼气工程国外概况,（1）
11、英国（2）德国（3）瑞典（4）奥地利（5）西班牙（6）法国,二、常见的沼气发酵工艺及装置,（一）农村户用沼气池1、装置类型 沼气池是沼气发酵过程中的核心部分，原料是发酵罐中最终转化成沼气。,（1）水压式沼气池,由发酵间、进料管和水压间三部分组成。工作原理：当有沼气产生后，气体的增多，池内的气压随之增加，出料间液面和池内液面形成压力差，将发酵间内的料液压到出料间，致使内外压力平衡；当用户使用沼气时池内压力减少，池外出料间的液体便压回池内，维持新的平衡。,（2）浮罩式沼气池,浮罩式沼气池是将发酵间产生的沼气用浮沉式气罩储存起来。一般有：活动浮罩式沼气池分离浮罩式沼气池,浮罩式沼气池由水封池和气罩两
12、部分组成。当沼气向上压力大于气罩自重和配重时，气罩将沿水封池内壁的导向轨道上升，直到平衡为止；当用气时，气罩内压力下降，气罩也随之下沉。,（3）强旋流液搅拌沼气池,针对静态发酵沼气池存在“微生物贫乏区”、“发酵盲区”和料液短路，池内原料分层严重，带来清渣出料困难、产气率低和管理不便等技术问题。将菌种强制回流，破壳与清渣、微生物富集增殖、消除发酵盲区和料液“短路”等技术优化组装配套。,2、发酵工艺类型,（1）半连续投料沼气池 在沼气池启动时一次性加入较多的发酵原料，正常产气后，定期不定量的添加新料和排除旧料，以维持稳定的产气率。（2）批量投料沼气池 将发酵原料一次性投入沼气池，当发酵周期结束后，
13、取出旧料。再投下一批新料，周而复始。,（3）干发酵工艺池中的发酵原料的总含固量达到20-30%。（4）两相发酵工艺 将沼气发酵的水解产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个池中进行。,（二）大中型沼气工程,1、装置类型（1）全混式厌氧消化池,在传统厌氧消化池的基础上使用了搅拌装置，使发酵原料与微生物充分接触并处于完全混合状态，整个消化池均处于活性区。采用连续投料或半连续投料运转，运用于含有大量悬浮固体的有机废水和废物。,（2）接触式厌氧工艺,在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速消化池后增设二沉池和污泥回收系统，并将其应用于有机废水的处理。最大特点是污泥回流。,厌氧接触法的特点,污泥浓度高，抗冲击负荷能力
14、强。有机容积负荷高出水水质较好。增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气设备，流程酵复杂。适合于处理悬浮物和有机物浓度均高的废水。,最大的问题：污泥沉淀。采取的改进措施：真空脱气设备增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌氧污泥的活性。,（3）厌氧生物滤池,AF内厌氧污泥的保留方式有两种：AF内固定的填料表面形成生物膜；在填料之间细菌聚集呈絮状。,厌氧滤池的优点,生物固体浓度高，有机负荷高；SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强启动时间较短，停止运行后的再启动也较容易；无需回流污泥，运行管理方便；运行稳定性好；缺点：容易堵塞。,（4） 上流式厌氧污泥床,将厌氧消化与固-气-液三相分离集中在一起。,整
15、个UASB由底部进水区、池内反应区、气-固-液三相分离器、沼气罩、出水区。在反应区，下部为颗粒污泥床，上部为悬浮污泥层。,UASB的特点,污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度为50g VSS/L，污泥龄一般为30d以上。反应器的水力停留时间相应较短，反应器具有很高的容积负荷。不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适合于处理低浓度的城市污水。UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧凑，构造简单，操作运行方便。 UASB处理系统不设机械搅拌设施，上升的水流和产生的沼气使污泥进行自身回流，因而动力消耗低。反应器内不需要装填料，节省了费用，构造简单，便于管理。,（5）内循环厌氧反应器（IC反应
16、器）,可以看作是由两个UASB反应器串联而成的。第一个UASB反应器产生的沼气作为提升的内动力，使升流管与回流管的混合液产生密度差，实现下部混合液的内循环，使出水达到预期的处理要求。上面的第二个UASB反应器对废水继续进行后处理，使出水达到预期的处理要求。,（6）膨胀颗粒污泥床,EGSB反应器是通过采用出水回流获得较高的表面液体升流速度。其典型特征是具有较大的高径比，而较大的高径比也是提高升流速度所需要的。,（7）折流式厌氧反应器,其构造是在反应器内设置竖向导流板，将反应器分隔成串联的几个反应室，每一个反应室都是一个相对独立的UASB系统，其中的污泥可以以颗粒化形式或以絮状形式存在。水流由导流
17、板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，进水中的底物与微生物充分接触而得以降解去除。,（8）两相厌氧消化反应器,将沼气发酵过程的水解酸化阶段和产甲烷阶段分隔开。第一个反应器称为产酸相反应器第二个反应器则称为产甲烷相反应器。,（9）固定床反应器,人为地将特定的微生物固定在载体表面或内部，菌体脱落少，又能利用那些具有高活性的、但不易形成沉降性能良好的絮体或生物膜的微生物，载体中微生物密度高。,生物膜固定床反应器的优点,能够在反应器内形成稳定的生态体系，维持高的微生物浓度。容易实现固液分离。投资低，剩余污泥量少，设备占地面积小，不产生二次污染。固定床厌氧生物膜反应器是通过反应器中填料上所生长
18、的生物膜来达到处理效果，可同时培养和利用增殖速度缓慢的微生物，具有良好的硝化、反硝化作用。,可利用适合特殊废水处理的微生物。降低毒性物质对生物的影响。处理效率高、运行管理简单、应用范围广、耐冲击性强。,2、发酵工艺类型,（1）进料方式不同连续发酵工艺：将厌氧消化反应器加满原料正常产气后，每天分几次或不断投入预先准备的原料，同时排走相同体积的发酵料液，从而使发酵过程连续进行下去。批量发酵工艺,（2）原料形态不同,湿式发酵工艺：固体含量在15%以下。干式发酵工艺：固体含量在20-40%。,（3）两相发酵工艺,产酸相反应器产甲烷相反应器,（4）共发酵工艺,将两种以上的原料混合在一起进行厌氧消化处理。
19、,第四节 讨论与展望,一、我国沼气生产中存在的问题（一）工艺类型多，效率普遍不高我国在发展沼气工程的过程中，户用沼气方面取得较大成就，但由于本身结构和工艺条件所限，户用沼气池运行管理比较复杂费时费力，同时存在着寿命短、故障多、低温下供气不稳和技术服务跟不上等缺点。,能保持正常运转的配套沼气工程不多，原因：在反应罐内不能形成比较固定的厌氧颗粒污泥物料的水解、酸化、产H2和产CH4等要求环境不同的过程混在一个反应罐内，互相牵制。反应罐内物料基本无搅拌；缺乏标准化的过程控制，操作凭经验；物料干物质浓度过低；运行温度一般低于中温发酵的要求。导致产气效率低，运行不稳定。,（二）产品利用率低，经济效益差,
20、为了实现治污和达标排放的目标，除了通过厌氧沼气发酵大幅度降解生化需氧量之外，还须想方设法继续降低生化需氧量，在脱氮、磷上下大工夫。为此，在畜禽养殖沼气工程的厌氧段之后，须附加一系列的设施。,（二）新型沼气原料的挖掘及沼气的高质化应用,世界各国都在大力发展沼气产业，其中挖掘来源更广泛的、产量更大的、产气效率更高的、成本更低的厌氧发酵原料和开发更为先进的沼气高质化利用的技术和方式是沼气产业持续快速发展的关键条件。,（一）新型沼气原料的挖掘,1、沼气发酵的五大传统原料：工业有机废液城镇生活污水城市填埋垃圾畜禽粪便农林收获/加工残余物,2、新资源：专用能源作物,（二）沼气高质化利用,1、沼气压缩纯化车用燃料-瑞典与瑞士,2、沼气发电-德国,3、中国高质化利用沼气的尝试,（1）沼气发电工程（2）生物天然气,Thank You !,
