重庆市沼气发酵技术培训班(一).ppt

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1、重庆市沼气技术培训班,沼气发酵原理及条件 李 志重庆市农业局 联系电话：023-89133397,绪 言,沼气的生成是一种古老的生物现象，是自然界中普遍发生的生物降解有机物的过程，而不是人类发明的一项技术。据资料显示,人们发现沼气至今约有2000多年的历史。但是，采用人工方法，把沼气收集起来或根据沼气产生的原理，模拟自然环境，建造沼气池制取沼气并加以综合利用，还是近几十年逐步发展起来的一项利国利民的建设事业。,绪 言,沼气建设事业的发展概况沼气发酵技术的作用沼气建设的重要意义,绪 言,沼气建设事业的发展概况一、国外沼气建设事业发展概况二、中国沼气建设事业发展概况,绪 言 沼气建设事业的发展概况

2、,一、国外沼气建设事业发展概况据资料记载，早在意大利的古罗马帝国时期，有人发现池塘中有可燃气体冒出到现在已有2000多年历史。1667年，席勒将这种气体称为沼泽气。1866年认识到沼气是微生物在无氧环境中分解纤维素产生的气体。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,二、中国沼气建设事业发展概况第一个发展时期(1930年前后)首次试点第二个发展时期（1958前后)起步发展,技术不成熟第三个发展时期（19701978年)出现建设热潮,技术仍不成熟第四个发展时期（1978至今)稳步健康发展,技术逐渐成熟第一个阶段(19781990年)能源需求阶段第二阶段（199120世纪末）效益吸引阶段第三阶段（21世纪

3、之初）小康必须阶段,第一个发展时期（1930年前后,首次试点）1929年夏季，台湾的罗国瑞先生在汕头开设了我国第一个沼气商号“中国天然气瓦斯行”。从1930年起，罗国瑞先后在十几个省建立了分行，沼气池的修建遍及13个省，所用池型与我国目前使用的水压式沼气池基本相似，均为混凝土结构，至今有的沼气池还可以使用。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,第二个发展时期（1958前后 起步发展,技术不成熟）湖北省开始兴办沼气，沼气池型结构为混凝土长方形。在安徽省阜阳县设计了另一种浮罩式沼气池，开展了 发酵池和发酵工艺的研究，为在我国发展沼气事业奠定了基础。但是，由于严格厌氧微生物技术上的困难未能突破，理论研究

4、未能深入下去，修建的沼气池又缺乏正确的技术管理，留下来能够使用的沼气池为数很少。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,第三个发展时期（19701978年,出现建设热潮,技术仍不成熟）这一时期，由于国际能源出现危机，我国能源短缺、生态恶化的问题也日趋严重。在这种情况下，四川省中江县龙台区部分农民为解决生活能源短缺，重新办起了沼气，并获得了很好的效果，受到了国务院有关部门的高度重视,绪 言 沼气建设事业的发展概况,这一时期的特点是：来势猛，速度快，不到10年全国农村沼气池就发展到700多万个。但由于技术不成熟，沼气池是老式的“远、大、深”池子，加上急于求成、土法上马等原因，建成的沼气池使用年限很短，导

5、致大量沼气池成为“怄气池”，曾一度引起一些人对沼气技术的疑虑,严重地影响了沼气建设的发展。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,第四个发展时期（1979至今稳步健康发展)第一个阶段(19791990年能源需求阶段)为全面贯彻“以经济建设为中心”的方针，国家科委在杭州召开了能源工作座谈会。经过这次会议，农村能源的严重性和紧迫性受到政府和社会各界的关注。加大了科技投入和技术创新力度，使我国农村能源建设由自发的单项技术开发利用发展到了有组织、有计划、多项技术的综合开发利用阶段。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,1984年，国家正式以中华人民共和国国家标准颁布了全国通用的农村家用水压式沼气池标准图集、农村

6、家用水压式沼气池质量检查验收标准、农村家用水压式沼气池施工操作规程（GB 4750-4752-84）。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,这一阶段我国沼气建设沼气建设逐步走上依靠科学技术，保证建设质量，重视经济效益，建管并重，稳步发展的道路。形成了以能源、环境保护和生态农业为目标的发展方向。沼气池为“圆、小、浅”池子。此时，还研究出了隧道式沼气池、上流式沼气池、折流式沼气池等大中型处理城市污水、粪便和工业废水的沼气池，取得了显著的环境效益、能源效益和社会效益。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,第二阶段（199120世纪末效益吸引阶段）90年代初，可持续发展提到了世界各国发展战略的高度。为适应能源

7、、环境和生态建设可持续发展的需要，有效地推动了管理的规范化和现代化。沼气建设以效益吸引农户，开展以沼气为纽带的综合利用技术，近10年时间，全国发展农村户用沼气池近800万个。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,至此我国沼气从无到有，经历了从老式的远、大、深，到圆、小、浅，到小型高效“三结合”一体化；从分散建设到集中建设，形成规模；从过去的三合土到钢筋混凝土；从土模拱顶到砖拱顶、钢模拱顶的应用。并探索出了以沼气为纽带的生物质能综合开发利用的全面发展格局。由此形成了我国农村经济发展和改善生态环境的新亮点。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,第三阶段（21世纪之初，小康必须阶段）我国开始全面建设小康社会

8、。根据可再生能源发展战略，以及农业结构调整需要，农业部提出了在农村实施以沼气建设为纽带的“生态家园富民计划”重大决策，注入大量资金予以支持，为沼气建设提供了良好的发展机遇。期间，于2002年新颁布了中华人民共和国国家标准户用沼气池标准图集（GB/T 4750-2002）。,绪 言 沼气建设事业的发展概况,“生态家园富民计划”，指的是以沼气建设为核心，在广大农村实现“家居温暖清洁化、庭院经济高效化、农业生产无害化”的目标，最终达到农户基本生活、生产单元内部生态良性循环、发展现代农业、增加农民收入、提高农民生活质量多重效益的目的。因此，我国沼气的开发和利用如雨后春笋，发展势头越来越好。,绪 言 沼

9、气建设事业的发展概况,绪 言,沼气发酵技术的作用一、生产沼气提供清洁能源，缓解 燃料困难二、扩大肥源提高造肥质量，发展 农业生产三、杀灭虫卵改善卫生条件，保护 生态环境,一、生产沼气提供清洁能源，缓解 燃料困难 农村办沼气，可为农村提供清洁廉价的能源，对缓解农村燃料困难，提高生活质量有重要作用。,绪 言沼气发酵技术的作用,图1 沼气清洁卫生效能高,二、扩大肥源提高造肥质量，发展 农业生产 过去农民往往把农作物的秸秆当燃料烧掉。建了沼气池后，就可以将其作为发酵原料，投入沼气池后，既产气又造肥。沼气肥是一种优质有机肥，含有N、P、K等多种营养成分，肥效较高，既能有效地促进农作物增产，又可降低生产成

10、本，减少污染。,绪 言沼气发酵技术的作用,图2 施用沼肥增产效果示意图,三、杀灭虫卵改善卫生条件，保护 生态环境 农村办沼气，人畜粪便、杂草、垃圾等入池发酵，有利于除虫灭病，改善农村卫生条件。据卫生部门化验，粪液中的寄生虫卵，经过沼气池发酵后，出料时比进料前减少了95%。在沼气池内血吸虫卵14-37天死亡，副伤寒杆菌3天就被杀灭。,绪 言沼气发酵技术的作用,图3 沼气发酵对寄生虫卵的杀灭效果,上述说明，农村沼气发酵技术具有产气、造肥、杀灭虫卵三大功能,即三大直接作用。通过沼气的综合利用能够显示出更多的间接作用：1、“一气”（沼气）带“三料”（燃料、肥料、饲料）2、“三料”兴“五业”（农、林、牧

11、、副、渔业）3、“五业”出“效益”（经济效益、环境效 益、社会效益）,绪 言沼气发酵技术的作用,1、“一气”（沼气）带“三料”（燃料、肥料、饲料）通过办沼气，基本解决了燃料困难；能产沼肥，养分齐全，可代替化肥；节约的农作物秸秆，增加了饲料来源。,绪 言沼气发酵技术的作用,2、“三料”兴“五业”（农、林、牧、副、渔业）（1）沼肥，养分齐全，可杀蚜虫可用于改土增产，发展农业；（2）沼气，作生活燃料使用，清洁卫生，无烟无灰，有利于封山育林；（3）使用沼气，节约的秸秆可还田，并可作饲料发展畜牧业；（4）利用沼气，作为热源，为菇房、蚕房、药房、孵化室进行、育秧、孵化蚕卵、禽、蛋，发展多种经营、副业生产；

12、（5）所产沼液，可作为饲料添加剂养猪、养鱼，还可用来防治蚜虫或作为诱杀害虫的光源使用（只诱不杀）。,绪 言沼气发酵技术的作用,3、“五业”出“效益”（经济效益、环境效 益、社会效益）农村办沼气是一项重要的能源建设、肥料建设、环境保护和卫生建设。农村办沼气，对促进农业生产，改善人民生活，建设小康社会都有着积极的作用。,绪 言沼气发酵技术的作用,绪言,沼气建设的重要意义一、沼气建设能有效地实现有机废物资 源化达到农业生产无害化二、沼气建设能逐步地实现农村燃料燃 气化达到家居温暖清洁化三、沼气建设能迅速地加强生态环境建 设 达到庭院经济高效化,一、沼气建设能有效地实现有机废物 资源化达到农业生产无害

13、化 人类在生产和生活过程中，都会有废物生成，人们对废物的认识可分为三个阶段：一是早期，人类居住分散，生产活动以农业为主，所生成的废物对环境影响不大，并可循环利用，因而未引起人们的注意。二是后来，随着人口的增长和居住的集中，所生成的废物污染了环境，引起了人们的注意，开始设法对废物进行处理，例如，城市修建污水处理厂和垃圾处理站等。三是近年来，人们开始认识到废物也是一种资源，大多数废物可以作为资源而加以再利用。将有机废物作为沼气发酵原料来生产沼气，就是一个很好的证明。,绪言沼气建设的重要意义,二、沼气建设能逐步地实现农村燃料燃气化达到家居温暖清洁化 沼气建设可提供方便而清洁的生活能源，改善农户居住环

14、境，提高人们的生活水平。经沼气发酵后所产生的有机肥料又是生产绿色食品的肥源。,绪言沼气建设的重要意义,绪言沼气建设的重要意义,三、沼气建设能促进多种经营达到庭院经济高效化 将沼气发酵副产物沼液、沼渣进行综合利用，推广“猪沼果”、“猪沼鱼”等模式，可促进种植业、养殖业、加工业多种经营的发展，提高经济效益。,上述说明，沼气发酵技术能有效地将有机废物变成燃气和肥料，解决农民燃料短缺和有机肥料不足等问题，因而可有效地保护山林植被，增加土壤有机肥养分，减少水土流失，并可因减少烧煤和柴而减轻大气污染。而且有助于山川变绿、河水变清、天空变蓝，促进生态农业的可持续发展。,绪言沼气建设的重要意义,第一章 沼气发

15、酵原理及条件,第一节 沼气发酵的原理第二节 沼气发酵条件,沼气发酵原理及条件,第一节 沼气发酵的原理沼气的基本概念沼气发酵的过程（三阶段发酵理论）沼气发酵的微生物沼气发酵的特点沼气发酵的分类,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,一、基本概念(一)沼气的概念 沼气是有机物在厌氧条件下经微生物的作用而生成的一种可燃性气体。主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量占5070%,平均60%左右;二氧化碳占40%左右。此外还有氢气、硫化氢、一氧化碳、氮气和氨等。由于最先发现于沼泽，故称为沼气。沼气可分为天然沼气和人工沼气两大类。,1、沼气的物理性质 沼气是无色气体、有轻微的臭鸡蛋味，燃烧后臭鸡蛋味消除。,

16、沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,2、沼气的化学性质 沼气是一种可燃性混合气体。由于在沼气中含有少量的硫化氢（H2S），因此在燃烧前有一定的臭味。但与氧气混合燃烧后就会生成无臭、无毒的氧化物释放到大气中去。2H2S+3O2 2H2O+2SO2 硫化氢 氧气 水 二氧化硫,沼气中的甲烷（CH4），是一种最简单的有机化合物。具有易燃性、与一定量的空气混合可以燃烧并产生大量热量。CH4+2O2 CO2+2H2O+212.6 千卡 甲烷 氧气 二氧化碳 水 热 量,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,（二）沼气发酵的基本概念 沼气发酵，又称厌氧消化。它是指：各种有

17、机物在厌氧条件下，经各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成混合气体（沼气）的过程，在这里讲的是人工制取沼气的过程 微 生 物（C5H10O5）n+nH2O 3nCH4+3nCO2+热量 分解发酵 有机物 水 甲烷 二氧化碳,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,二、沼气发酵过程三阶段发酵理论 沼气发酵过程：主要有二阶段理论、三阶段理论。但比较完善，被公认的观点是三阶段理论。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,沼气发酵的三阶段理论：液化（水解）阶段：指大分子有机固形物液化，如多糖、蛋白质、脂肪被分解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂肪酸等小分子物质。酸化（产酸）阶段：可溶于水的物质，进入微生物细胞，液化

18、产物转变成小分子化合物，主要是乙酸等挥发酸。气化（产甲烷）阶段：简单的小分子有机物转变成甲烷、二氧化碳和水。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质类）,可溶性物质（多糖、脂类、蛋白质类）,丙酸、丁酸等长链脂肪酸,H2+CO2,CH3COOH,CH4、H2O,CH4、CO2,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,图4 沼气发酵过程中五群细菌的作用示意图,三、参与沼气发酵的微生物（一）发酵性细菌：参与沼气发酵第一阶段发酵过程，约有几百种，按其结构特征分为细菌、真菌和原生动物。（二）产酸菌：主要包括产氢产乙酸菌群、耗氢产乙酸菌群，参与沼气

19、发酵第二阶段产酸过程。由于以上两类菌群不直接产生甲烷，统称为不产甲烷菌。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,不产甲烷菌的作用：1、为产甲烷菌提供营养。2、为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件。3、为产甲烷菌消除部分有毒物。4、参与产酸过程，并和产甲烷菌一起，共 同维持发酵 液 的 pH值。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,（三）产甲烷菌：主要包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大菌群，参与沼气发酵第三阶段产甲烷过程。到目前为止已分离出70多种，其中我国已分离出近20种,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,产甲烷菌的特性及作用：1、甲烷菌的基本形态：球状、杆状、螺 旋状。2、甲烷菌的主要生理特性

20、 3、产甲烷菌的作用 4、不产甲烷菌与产甲烷菌的增长速度决 定产酸与产甲烷的速度平衡。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,1、甲烷菌的基本形态：球状、杆状、螺 旋状。,图5 产甲烷菌类群形态示意图,巴氏甲烷八叠球菌,奥氏纤维素甲烷芽孢杆菌及氢发酵菌的显微照片（放大750倍）,产甲烷细菌的几种形态,弱氧化甲烷杆菌及丙酸甲烷杆菌显微照片,食氢产甲烷菌,食乙酸产甲烷菌（10000）,图6 食氢、食乙酸产甲烷菌,沼气发酵原理及条件,沼气发酵的原理2、甲烷菌的主要生理特性(1)要求厌氧条件严格：是绝对严格的厌氧型细菌，安置于空气中，仅2分钟就会死亡。(2)只能代谢少

21、数几种底物生成甲烷（H2/CO2、甲酸、甲醇、乙酸等）(3)要求较高的温度：其范围在10 60之间(4)要求中性和微碱性环境：p为6.87.4。(5)繁殖速度比较慢：大多数微生物是 20分钟左右繁殖一代，而甲烷菌是繁殖一代需要25天，平均是4天一代，有的达半月以上。,沼气发酵原理及条件,沼气发酵的原理3、产甲烷菌的作用（1）裂解乙酸产生甲烷。（2）为不产甲烷菌生化反应解除反馈抑制。（3）和不产甲烷菌一起，共同维持发酵液 的pH值。,沼气发酵原理及条件,沼气发酵的原理4、不产甲烷菌与产甲烷菌的增长速度决定产酸与产甲烷的速度平衡。（1）在正常运行的沼气发酵系统中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖，相互

22、制约使产酸与产甲烷的速度处于一个相对平衡状态，在发酵液内既无过多的有机酸积累，又可以保持较高的甲烷产率。,（2）控制产酸和产甲烷的速度平衡的方法：投入原料底物的浓度不能太高 投入大量的厌氧活性污泥,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,总之，在沼气发酵过程中，五大类微生物构成一条食物链，有机物经微生物分解，最终生成了CH4、CO2和H2O，大部分有机物经厌氧消化而去除，只有小部分难以降解的物质及微生物细胞以厌氧污泥的形式残存。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,四、沼气发酵的特点（一）沼气发酵是一种严格的厌氧消化过程（二）沼气发酵的参与微生物多种多样。（三）沼气发酵是一种喜温发酵。（四）沼气发酵的原料种类丰富,来源广泛。（五）沼气发酵产物（CH4、CO2）自动从发酵液中分离出来。（六）沼气发酵微生物自身耗能少。,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,五、沼气发酵的分类（一）按投料的方式分连续发酵半连续发酵批量发酵（二）按发酵的温度分高温发酵中温发酵常温发酵,沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理,