第6章生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的生物學(xué)方法

1、第第6章章 生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化的生物學(xué)方法生物學(xué)方法第第1節(jié)節(jié) 概述概述l 燃燒、熱解、汽化和液化等燃燒、熱解、汽化和液化等熱化學(xué)方法熱化學(xué)方法，是利用，是利用外部的外部的熱量熱量將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用的將生物質(zhì)轉(zhuǎn)化為有用的燃料燃料。l 與與熱化學(xué)方法不同，用生物學(xué)熱化學(xué)方法不同，用生物學(xué)(或稱生物化學(xué)或稱生物化學(xué))方方法轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能，是利用法轉(zhuǎn)化生物質(zhì)能，是利用微生物微生物來進(jìn)行的來進(jìn)行的。因此。因此該方法也叫該方法也叫微生物方法微生物方法。l 微生物微生物對(duì)生物質(zhì)內(nèi)的碳和水的還原通常發(fā)生在缺對(duì)生物質(zhì)內(nèi)的碳和水的還原通常發(fā)生在缺少空氣的水環(huán)境中，該過程分若干步驟，并產(chǎn)生少空氣的水環(huán)境中，

2、該過程分若干步驟，并產(chǎn)生多種代謝產(chǎn)物。多種代謝產(chǎn)物。l 生物質(zhì)在生物質(zhì)在缺少空氣缺少空氣的情況下的消化稱為的情況下的消化稱為厭氧消化厭氧消化，主要靠主要靠厭氧菌厭氧菌；l 在在有空氣有空氣的情況下的消化的情況下的消化(腐爛腐爛)稱為稱為需氧消化需氧消化，主要靠主要靠好氧菌好氧菌。有機(jī)質(zhì)。有機(jī)質(zhì)在在有氧有氧情況下的情況下的腐爛腐爛，比，比如堆肥，溫度可以達(dá)到如堆肥，溫度可以達(dá)到90。在。在生物圈的二氧化生物圈的二氧化碳循環(huán)中，好氧菌起到了很大的作用碳循環(huán)中，好氧菌起到了很大的作用。l 微生物微生物對(duì)有機(jī)質(zhì)的還原也稱為對(duì)有機(jī)質(zhì)的還原也稱為發(fā)酵發(fā)酵。l 從從技術(shù)和能量的角度，有兩種最重要的生物質(zhì)能技

3、術(shù)和能量的角度，有兩種最重要的生物質(zhì)能生物學(xué)轉(zhuǎn)化方法：生物學(xué)轉(zhuǎn)化方法：l (1)生物質(zhì)生物質(zhì)發(fā)酵發(fā)酵制制甲烷甲烷(沼氣沼氣)；l (2)生物質(zhì)生物質(zhì)發(fā)酵發(fā)酵制制乙醇乙醇。第第2節(jié)節(jié) 沼氣的生產(chǎn)沼氣的生產(chǎn)l 在自然界中，沼氣的生成是一種在自然界中，沼氣的生成是一種古老古老的現(xiàn)象的現(xiàn)象。l 由于由于人們最先注意到在湖泊和沼澤中常常有氣泡人們最先注意到在湖泊和沼澤中常常有氣泡從水底的污泥中冒出，這些氣體收集起來可以點(diǎn)從水底的污泥中冒出，這些氣體收集起來可以點(diǎn)燃，便稱這種氣體為燃，便稱這種氣體為“沼氣沼氣”。l 沼氣沼氣是多種微生物在是多種微生物在厭氧厭氧條件下對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行條件下對(duì)有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行分解代

4、謝的產(chǎn)物，其主要成分是分解代謝的產(chǎn)物，其主要成分是甲烷甲烷(約約60%)和和二二氧化碳氧化碳(約約35%)，還有少量的，還有少量的水蒸氣、硫化氫、一水蒸氣、硫化氫、一氧化碳、氫氣、氮?dú)庋趸肌錃?、氮?dú)獾绕渌麣怏w。等其他氣體。l 沼氣的生產(chǎn)過程也稱為沼氣的生產(chǎn)過程也稱為沼氣發(fā)酵沼氣發(fā)酵。l 沼氣發(fā)酵是有機(jī)物質(zhì)在一定溫度、濕度、酸堿度沼氣發(fā)酵是有機(jī)物質(zhì)在一定溫度、濕度、酸堿度和厭氧條件下，經(jīng)過沼氣菌群和厭氧條件下，經(jīng)過沼氣菌群發(fā)酵發(fā)酵(消化消化)，生產(chǎn)，生產(chǎn)沼氣沼氣、消化液消化液和和消化污泥消化污泥的過程的過程。l 沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的三種物質(zhì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的三種物質(zhì)應(yīng)用價(jià)值應(yīng)用價(jià)值都很高都很高。l 沼

5、氣沼氣以甲烷為主，可作以甲烷為主，可作燃料燃料，是一種清潔能源，是一種清潔能源。l 消化液消化液(沼液沼液)含有可溶性氧、磷、鉀速效肥分，含有可溶性氧、磷、鉀速效肥分，是優(yōu)質(zhì)是優(yōu)質(zhì)肥料肥料。l 消化消化污泥污泥(沼渣沼渣)的主要成分是菌體、難分解的有的主要成分是菌體、難分解的有機(jī)殘?jiān)蜔o機(jī)物，是一種優(yōu)良遲效機(jī)殘?jiān)蜔o機(jī)物，是一種優(yōu)良遲效有機(jī)肥有機(jī)肥，并有，并有改良土壤改良土壤的功效。的功效。一、沼氣發(fā)酵的基本過程一、沼氣發(fā)酵的基本過程l 沼氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物學(xué)過程沼氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的微生物學(xué)過程。l 沼氣沼氣發(fā)酵在自然界中廣泛存在，如在人和動(dòng)物的發(fā)酵在自然界中廣泛存在，如在人和動(dòng)物的腸道

6、，腐爛樹木的木質(zhì)部，河流、湖泊和海洋的腸道，腐爛樹木的木質(zhì)部，河流、湖泊和海洋的沉積物中，水淹的土壤、沼澤、污水、糞坑中都沉積物中，水淹的土壤、沼澤、污水、糞坑中都有沼氣發(fā)酵微生物的存在有沼氣發(fā)酵微生物的存在。l 修建修建沼氣池就是模仿自然環(huán)境為沼氣發(fā)酵微生物沼氣池就是模仿自然環(huán)境為沼氣發(fā)酵微生物創(chuàng)造合適的生存條件，使沼氣池內(nèi)能夠生長繁殖創(chuàng)造合適的生存條件，使沼氣池內(nèi)能夠生長繁殖出更多的沼氣發(fā)酵微生物，從而用人工的辦法生出更多的沼氣發(fā)酵微生物，從而用人工的辦法生產(chǎn)沼氣。產(chǎn)沼氣。1、沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段、沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段l 沼氣發(fā)酵的有機(jī)物種類很多，如畜禽糞便、食品沼氣發(fā)酵的有機(jī)物種類很多，如畜

7、禽糞便、食品加工的有機(jī)廢物和廢水、居民生活的有機(jī)廢物和加工的有機(jī)廢物和廢水、居民生活的有機(jī)廢物和廢水、作物秸稈等廢水、作物秸稈等。l 這些這些有機(jī)物的化學(xué)成分主要為多糖、蛋白質(zhì)和脂有機(jī)物的化學(xué)成分主要為多糖、蛋白質(zhì)和脂類類。l 它們它們變?yōu)檎託獾恼麄€(gè)過程通常分為三個(gè)階段，即變?yōu)檎託獾恼麄€(gè)過程通常分為三個(gè)階段，即液化液化(水解水解)階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)甲烷階段階段、產(chǎn)酸階段、產(chǎn)甲烷階段。l 液化液化階段和產(chǎn)酸階段合稱為不產(chǎn)甲烷階段，有時(shí)階段和產(chǎn)酸階段合稱為不產(chǎn)甲烷階段，有時(shí)也簡稱為產(chǎn)酸也簡稱為產(chǎn)酸階段。階段。l 第一階段是液化階段，也稱為水解發(fā)酵階段第一階段是液化階段，也稱為水解發(fā)酵階段。l 各種

8、各種固形有機(jī)物通常不能進(jìn)入微生物體內(nèi)而為微固形有機(jī)物通常不能進(jìn)入微生物體內(nèi)而為微生物所利用生物所利用。l 許多許多微生物能分泌各種胞外酶微生物能分泌各種胞外酶(大多是水解酶類大多是水解酶類)。在這些胞外酶的作用下，固形有機(jī)物被水解成分在這些胞外酶的作用下，固形有機(jī)物被水解成分子量較小的可溶性物質(zhì)子量較小的可溶性物質(zhì)。l 經(jīng)過經(jīng)過水解作用之后，多糖分解為可溶性單糖，蛋水解作用之后，多糖分解為可溶性單糖，蛋白質(zhì)分解為肽或氨基酸，脂肪分解為甘油和脂肪白質(zhì)分解為肽或氨基酸，脂肪分解為甘油和脂肪酸。這些可溶性物質(zhì)就可以進(jìn)入細(xì)胞之內(nèi)而被微酸。這些可溶性物質(zhì)就可以進(jìn)入細(xì)胞之內(nèi)而被微生物利用。生物利用。l 第

9、二階段是產(chǎn)酸階段第二階段是產(chǎn)酸階段。l 進(jìn)入進(jìn)入細(xì)胞的各種可溶性物質(zhì)在各種胞內(nèi)酶的作用細(xì)胞的各種可溶性物質(zhì)在各種胞內(nèi)酶的作用下進(jìn)一步分解代謝，生成各種揮發(fā)性脂肪酸，其下進(jìn)一步分解代謝，生成各種揮發(fā)性脂肪酸，其中主要是乙酸中主要是乙酸(CH3COOH)，同時(shí)也有氧、二氧化，同時(shí)也有氧、二氧化碳和少量其他產(chǎn)物碳和少量其他產(chǎn)物。l 由于由于有機(jī)酸的生成是其主要特點(diǎn)，故稱為產(chǎn)酸階有機(jī)酸的生成是其主要特點(diǎn)，故稱為產(chǎn)酸階段。段。l 第三階段是由甲烷菌所完成的產(chǎn)甲烷階段第三階段是由甲烷菌所完成的產(chǎn)甲烷階段。l 甲烷甲烷菌分解乙酸形成甲烷和二氧化碳，或利用氫菌分解乙酸形成甲烷和二氧化碳，或利用氫還原二氧化碳形

10、成甲烷，或轉(zhuǎn)化甲醇形成甲烷還原二氧化碳形成甲烷，或轉(zhuǎn)化甲醇形成甲烷。l 在在形成的甲烷中，約形成的甲烷中，約30%來自氫還原二氧化碳，來自氫還原二氧化碳，70%來自乙酸的分解來自乙酸的分解。l 乙酸乙酸(鹽鹽)的降解在甲烷形成過程中具有重要作用，的降解在甲烷形成過程中具有重要作用，是主要代謝途徑是主要代謝途徑。l 和和液化階段相比較，這一階段進(jìn)行得較快液化階段相比較，這一階段進(jìn)行得較快。l 不同不同的有機(jī)基質(zhì)物生成甲烷的速度也不相同。的有機(jī)基質(zhì)物生成甲烷的速度也不相同。l 沼氣發(fā)酵中幾種典型的產(chǎn)生甲烷的反應(yīng)沼氣發(fā)酵中幾種典型的產(chǎn)生甲烷的反應(yīng)如下如下：l 甲酸的分解甲酸的分解：乙酸的分解：乙酸的

11、分解：甲醇的分解：甲醇的分解：二氧化碳的還原：二氧化碳的還原：乙醇的氧化使二氧化碳還原：乙醇的氧化使二氧化碳還原：l 纖維素纖維素(C6H10O5)n 也是沼氣發(fā)酵的一種多糖原料。也是沼氣發(fā)酵的一種多糖原料。其發(fā)酵最終生成甲烷的過程分幾個(gè)階段其發(fā)酵最終生成甲烷的過程分幾個(gè)階段：l 首先首先被發(fā)酵性細(xì)菌所分泌的胞外酶水解為可溶被發(fā)酵性細(xì)菌所分泌的胞外酶水解為可溶性的葡萄糖性的葡萄糖(C6H12O6)；l 葡萄糖被吸收進(jìn)發(fā)酵性細(xì)菌的細(xì)胞，經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)葡萄糖被吸收進(jìn)發(fā)酵性細(xì)菌的細(xì)胞，經(jīng)發(fā)酵轉(zhuǎn)化為乙酸化為乙酸(CH3COOH)、丙酸、丙酸(CH3CH2COOH)、丁酸、丁酸(CH3CH2CH2COOH)和

12、一定量的氫、二氧化碳和一定量的氫、二氧化碳；l 丙酸和丁酸由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分解轉(zhuǎn)化為乙酸、丙酸和丁酸由產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌分解轉(zhuǎn)化為乙酸、二氧化碳及二氧化碳及/或氫或氫；l 乙酸在產(chǎn)甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化乙酸在產(chǎn)甲烷菌的作用下轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳碳。l 纖維素纖維素發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的總反應(yīng)式為發(fā)酵產(chǎn)生沼氣的總反應(yīng)式為l 上述沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段中，液化階段是沼氣發(fā)上述沼氣發(fā)酵的三個(gè)階段中，液化階段是沼氣發(fā)酵速度的限速步驟酵速度的限速步驟。l 因?yàn)橐驗(yàn)橐夯A段是由水解反應(yīng)來完成的，這些水解液化階段是由水解反應(yīng)來完成的，這些水解反應(yīng)大多需要能量，而不能為微生物提供能量，反應(yīng)大多需要能量，而不能為微生物提

13、供能量，所以成為沼氣發(fā)酵的限速步驟所以成為沼氣發(fā)酵的限速步驟。l 固體固體物質(zhì)水解的快慢直接影響沼氣生成的速度，物質(zhì)水解的快慢直接影響沼氣生成的速度，而且水解的程度也直接影響沼氣的產(chǎn)量。而且水解的程度也直接影響沼氣的產(chǎn)量。l 大多數(shù)發(fā)酵原料，尤其是各種農(nóng)作物剩余物，其大多數(shù)發(fā)酵原料，尤其是各種農(nóng)作物剩余物，其固形物含量高，可溶性成分少，因此必須采用某固形物含量高，可溶性成分少，因此必須采用某些預(yù)處理方法來加快液化階段的進(jìn)行和提高液化些預(yù)處理方法來加快液化階段的進(jìn)行和提高液化的程度，如將作物秸稈切碎或粉碎和進(jìn)行堆漚處的程度，如將作物秸稈切碎或粉碎和進(jìn)行堆漚處理等理等。l 某些工業(yè)廢水如酒糟廢液、

14、合成脂肪酸廢水等，某些工業(yè)廢水如酒糟廢液、合成脂肪酸廢水等，其可溶性有機(jī)物較多，在入池發(fā)酵之前已完成了其可溶性有機(jī)物較多，在入池發(fā)酵之前已完成了液化階段，因此它們的發(fā)酵速度快，在池內(nèi)滯留液化階段，因此它們的發(fā)酵速度快，在池內(nèi)滯留期可縮短到幾十小時(shí)或幾小時(shí)，因而可獲得很高期可縮短到幾十小時(shí)或幾小時(shí)，因而可獲得很高的體積產(chǎn)氣率的體積產(chǎn)氣率(m3/(m3料液料液天天)。l 在在實(shí)際的沼氣發(fā)酵過程中，三個(gè)階段是相互銜接實(shí)際的沼氣發(fā)酵過程中，三個(gè)階段是相互銜接和相互制約的，它們之間保持著動(dòng)態(tài)平衡，從而和相互制約的，它們之間保持著動(dòng)態(tài)平衡，從而使基質(zhì)不斷分解，沼氣不斷產(chǎn)生使基質(zhì)不斷分解，沼氣不斷產(chǎn)生。l

15、目前目前絕大多數(shù)沼氣發(fā)酵都是使液化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲絕大多數(shù)沼氣發(fā)酵都是使液化、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷在一個(gè)發(fā)酵池中完成，因而在同一時(shí)間里實(shí)際烷在一個(gè)發(fā)酵池中完成，因而在同一時(shí)間里實(shí)際上由各種不同的微生物菌群進(jìn)行著各種不同的發(fā)上由各種不同的微生物菌群進(jìn)行著各種不同的發(fā)酵過程。酵過程。2、沼氣發(fā)酵的微生物、沼氣發(fā)酵的微生物l 按照上述的沼氣發(fā)酵過程，可以將參與沼氣發(fā)酵按照上述的沼氣發(fā)酵過程，可以將參與沼氣發(fā)酵的微生物分為兩大類群，即不產(chǎn)甲烷的微生物分為兩大類群，即不產(chǎn)甲烷(產(chǎn)酸產(chǎn)酸)的和的和產(chǎn)甲烷的微生物類群產(chǎn)甲烷的微生物類群。l (1)不產(chǎn)甲烷微生物類群不產(chǎn)甲烷微生物類群l 沼氣發(fā)酵過程中，參與產(chǎn)酸階段的不產(chǎn)

16、甲烷微生沼氣發(fā)酵過程中，參與產(chǎn)酸階段的不產(chǎn)甲烷微生物的種類繁多，包括細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物三大物的種類繁多，包括細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物三大類，其中主要是細(xì)菌類，真菌和原生動(dòng)物數(shù)量少，類，其中主要是細(xì)菌類，真菌和原生動(dòng)物數(shù)量少，作用也不大作用也不大。l 不不產(chǎn)甲烷細(xì)菌有許多種，按呼吸類型來分有專性產(chǎn)甲烷細(xì)菌有許多種，按呼吸類型來分有專性厭氧菌、兼性厭氧菌和好氧性菌，其中以專性厭厭氧菌、兼性厭氧菌和好氧性菌，其中以專性厭氧菌為主，數(shù)量最多。氧菌為主，數(shù)量最多。l 厭氧菌是不產(chǎn)甲烷階段主要起作用的菌類，根據(jù)厭氧菌是不產(chǎn)甲烷階段主要起作用的菌類，根據(jù)作用基質(zhì)來分，有纖維分解菌、半纖維分解菌、作用基質(zhì)來分，

17、有纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌、果膠淀粉分解菌、蛋白質(zhì)分解菌、脂肪分解菌、果膠分解菌和一些特殊的細(xì)菌，如產(chǎn)氫菌、產(chǎn)乙酸菌分解菌和一些特殊的細(xì)菌，如產(chǎn)氫菌、產(chǎn)乙酸菌等等。l 對(duì)對(duì)不同的發(fā)酵原料和不同的發(fā)酵條件，發(fā)酵設(shè)備不同的發(fā)酵原料和不同的發(fā)酵條件，發(fā)酵設(shè)備中各種微生物群的數(shù)量和發(fā)酵效率都有較大的變中各種微生物群的數(shù)量和發(fā)酵效率都有較大的變化化。l 由于由于產(chǎn)甲烷菌不能直接利用發(fā)酵原料中的有機(jī)物，產(chǎn)甲烷菌不能直接利用發(fā)酵原料中的有機(jī)物，而只能利用由不產(chǎn)甲烷菌分解生成的簡單的小分而只能利用由不產(chǎn)甲烷菌分解生成的簡單的小分子化合物，所以不產(chǎn)甲烷微生物在沼氣發(fā)酵中的子

18、化合物，所以不產(chǎn)甲烷微生物在沼氣發(fā)酵中的地位十分重要。地位十分重要。l (2)產(chǎn)甲烷微生物類群產(chǎn)甲烷微生物類群l 產(chǎn)甲烷菌是一群非常特殊的微生物。它們嚴(yán)格厭產(chǎn)甲烷菌是一群非常特殊的微生物。它們嚴(yán)格厭氧，對(duì)氧和氧化劑非常敏感，即使存在微量的氧氧，對(duì)氧和氧化劑非常敏感，即使存在微量的氧都會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成不利影響都會(huì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌造成不利影響。l 產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌是厭氧消化過程鏈中最后的菌群，將少是厭氧消化過程鏈中最后的菌群，將少數(shù)幾種由不產(chǎn)甲烷菌群代謝得到的終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為數(shù)幾種由不產(chǎn)甲烷菌群代謝得到的終產(chǎn)物轉(zhuǎn)化為甲烷甲烷。l 它們它們?cè)诖x在代謝H2、CO2、甲酸、乙酸、甲醇、甲胺時(shí)，、甲酸、乙酸、甲醇

19、、甲胺時(shí)，從中獲得碳源和能源來維持細(xì)胞的生長繁殖。從中獲得碳源和能源來維持細(xì)胞的生長繁殖。l 根據(jù)這一特點(diǎn)，有人認(rèn)為甲烷菌是更為古老的生根據(jù)這一特點(diǎn)，有人認(rèn)為甲烷菌是更為古老的生物，原始甲烷菌出現(xiàn)時(shí)，碳水化合物還未被選擇物，原始甲烷菌出現(xiàn)時(shí)，碳水化合物還未被選擇用來作為能量代謝的基質(zhì)，它們只能靠簡單的有用來作為能量代謝的基質(zhì)，它們只能靠簡單的有機(jī)酸、醇分子或機(jī)酸、醇分子或H2、CO2來生活來生活。l 由于由于它們專門以形成甲烷的代謝方式生活于厭氧它們專門以形成甲烷的代謝方式生活于厭氧環(huán)境中，靠其他微生物代謝的終產(chǎn)物而生存，沒環(huán)境中，靠其他微生物代謝的終產(chǎn)物而生存，沒有相應(yīng)的菌類與它們競爭，因而

20、得以長期生存下有相應(yīng)的菌類與它們競爭，因而得以長期生存下來來。l 沼氣發(fā)酵時(shí)，產(chǎn)甲烷菌靠其他細(xì)菌代謝作用的終沼氣發(fā)酵時(shí)，產(chǎn)甲烷菌靠其他細(xì)菌代謝作用的終產(chǎn)物而生存，這就使沼氣發(fā)酵對(duì)各種復(fù)雜有機(jī)物產(chǎn)物而生存，這就使沼氣發(fā)酵對(duì)各種復(fù)雜有機(jī)物具有廣泛的適應(yīng)性。產(chǎn)甲烷菌有中溫具有廣泛的適應(yīng)性。產(chǎn)甲烷菌有中溫(3537)類類型，也有高溫型，也有高溫(5055)類型；適宜生長的類型；適宜生長的pH值大值大致為致為6.57.6；它們都以；它們都以NH4+作為主要氮素來源作為主要氮素來源。l 在正常沼氣發(fā)酵中，各類微生物相互協(xié)同和相互在正常沼氣發(fā)酵中，各類微生物相互協(xié)同和相互制約，共同維持發(fā)酵過程的平衡制約，共

21、同維持發(fā)酵過程的平衡。l 例如例如，食氫甲烷菌利用，食氫甲烷菌利用H2還原還原CO2成成CH4而獲得能而獲得能量，使有機(jī)質(zhì)發(fā)酵分解過程中釋放出來的量，使有機(jī)質(zhì)發(fā)酵分解過程中釋放出來的H2不斷不斷得到利用，有助于各種基質(zhì)和中間產(chǎn)物的不斷降得到利用，有助于各種基質(zhì)和中間產(chǎn)物的不斷降解解。l 而而H2連續(xù)不斷地被利用又可提高產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫量，連續(xù)不斷地被利用又可提高產(chǎn)氫菌的產(chǎn)氫量，這樣就使沼氣發(fā)酵中產(chǎn)甲烷過程和產(chǎn)氫過程達(dá)到這樣就使沼氣發(fā)酵中產(chǎn)甲烷過程和產(chǎn)氫過程達(dá)到平衡平衡。l 又又如食酸產(chǎn)甲烷菌不斷利用不產(chǎn)甲烷菌提供的代如食酸產(chǎn)甲烷菌不斷利用不產(chǎn)甲烷菌提供的代謝產(chǎn)物，使不產(chǎn)甲烷微生物和產(chǎn)甲烷微生物達(dá)到

22、謝產(chǎn)物，使不產(chǎn)甲烷微生物和產(chǎn)甲烷微生物達(dá)到平衡，產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷達(dá)到平衡。平衡，產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷達(dá)到平衡。l 微生物的抑制作用包括自身抑制和種間的抑制。氫的微生物的抑制作用包括自身抑制和種間的抑制。氫的積累可抑制產(chǎn)氫菌繼續(xù)產(chǎn)氫；酸的積累可抑制產(chǎn)酸菌積累可抑制產(chǎn)氫菌繼續(xù)產(chǎn)氫；酸的積累可抑制產(chǎn)酸菌繼續(xù)產(chǎn)酸繼續(xù)產(chǎn)酸。l 而而產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌要求的最適條件不同，因而彼此產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌要求的最適條件不同，因而彼此相互矛盾相互矛盾。l 在在發(fā)酵初期產(chǎn)酸菌有較適宜的生活條件，生長旺盛，發(fā)酵初期產(chǎn)酸菌有較適宜的生活條件，生長旺盛，是這一階段的優(yōu)勢微生物，但產(chǎn)氫細(xì)菌大量產(chǎn)生氫后，是這一階段的優(yōu)勢微生物，但產(chǎn)氫細(xì)菌大量

23、產(chǎn)生氫后，pH值和氧化還原勢變得有利于產(chǎn)甲烷菌生長，甲烷菌值和氧化還原勢變得有利于產(chǎn)甲烷菌生長，甲烷菌數(shù)量大大增加數(shù)量大大增加。l 這就是說這就是說產(chǎn)氫細(xì)菌的活動(dòng)對(duì)產(chǎn)酸菌有抑制作用而對(duì)甲產(chǎn)氫細(xì)菌的活動(dòng)對(duì)產(chǎn)酸菌有抑制作用而對(duì)甲烷菌有協(xié)同作用，從而使產(chǎn)酸到產(chǎn)甲烷這一過程的微烷菌有協(xié)同作用，從而使產(chǎn)酸到產(chǎn)甲烷這一過程的微生物的消長和生物化學(xué)反應(yīng)的變化達(dá)到平衡生物的消長和生物化學(xué)反應(yīng)的變化達(dá)到平衡。l 在在正常發(fā)酵的沼氣池中，正常發(fā)酵的沼氣池中，pH值始終能維持適宜的狀態(tài)值始終能維持適宜的狀態(tài)而不需人為的控制而不需人為的控制。3、沼氣發(fā)酵的特點(diǎn)、沼氣發(fā)酵的特點(diǎn)l 綜合沼氣發(fā)酵的生物過程和生物化學(xué)過程來

24、看，綜合沼氣發(fā)酵的生物過程和生物化學(xué)過程來看，與有機(jī)物在好氧條件下進(jìn)行分解代謝相比較，沼與有機(jī)物在好氧條件下進(jìn)行分解代謝相比較，沼氣發(fā)酵有以下幾個(gè)特點(diǎn)。氣發(fā)酵有以下幾個(gè)特點(diǎn)。l (1)沼氣微生物自身耗能少沼氣微生物自身耗能少。l 在在基質(zhì)分解代謝為沼氣的過程中，沼氣微生物獲基質(zhì)分解代謝為沼氣的過程中，沼氣微生物獲得的能量和物質(zhì)足以滿足自身生長繁殖的需要得的能量和物質(zhì)足以滿足自身生長繁殖的需要。l 在在基質(zhì)條件相同的情況下，厭氧消化所釋放的能基質(zhì)條件相同的情況下，厭氧消化所釋放的能量僅為好氧分解的量僅為好氧分解的1/301/20。l 由于由于獲得的能量少，沼氣微生物自身的生長繁殖獲得的能量少，沼

25、氣微生物自身的生長繁殖較慢，生成的污泥量也少較慢，生成的污泥量也少。l 基質(zhì)基質(zhì)中大約中大約90%的的COD被轉(zhuǎn)化成了沼氣，這樣一被轉(zhuǎn)化成了沼氣，這樣一方面減少了發(fā)酵的后處理量，另一方面也使人們方面減少了發(fā)酵的后處理量，另一方面也使人們利用廢物中的能量成為可能利用廢物中的能量成為可能。l 另外另外，由于沼氣微生物生長繁殖緩慢，所以厭氧，由于沼氣微生物生長繁殖緩慢，所以厭氧消化要有較長的滯留期和較大體積的厭氧消化器消化要有較長的滯留期和較大體積的厭氧消化器。l (2)沼氣發(fā)酵能處理高濃度的有機(jī)廢物沼氣發(fā)酵能處理高濃度的有機(jī)廢物。l 好好氧條件下一般只能處理氧條件下一般只能處理COD含量為含量為1

26、000mg/L以以下的有機(jī)廢水，而沼氣發(fā)酵處理的廢物下的有機(jī)廢水，而沼氣發(fā)酵處理的廢物COD含量含量可以高達(dá)可以高達(dá)10000mg/L以上以上。l 除除各種廢水外，用沼氣發(fā)酵還可以處理固形物含各種廢水外，用沼氣發(fā)酵還可以處理固形物含量較高的農(nóng)業(yè)廢物和城市垃圾。量較高的農(nóng)業(yè)廢物和城市垃圾。l (3)沼氣微生物對(duì)營養(yǎng)要求較低，能處理的廢物種沼氣微生物對(duì)營養(yǎng)要求較低，能處理的廢物種類多類多。l 除除城市下水道污泥、各種農(nóng)作物廢物以外，酒廠城市下水道污泥、各種農(nóng)作物廢物以外，酒廠廢液、合成脂肪酸廢水、皮革污泥等都可以用來廢液、合成脂肪酸廢水、皮革污泥等都可以用來進(jìn)行沼氣發(fā)酵。進(jìn)行沼氣發(fā)酵。l (4)沼

27、氣發(fā)酵受溫度的影響較大沼氣發(fā)酵受溫度的影響較大。l 沼氣沼氣微生物分為高溫菌群、中溫菌群和低溫菌群微生物分為高溫菌群、中溫菌群和低溫菌群。l 高溫高溫和中溫菌群有較強(qiáng)的代謝能力，因此滯留期和中溫菌群有較強(qiáng)的代謝能力，因此滯留期縮短，但必須給沼氣池輸入能量縮短，但必須給沼氣池輸入能量。l 溫度溫度的變動(dòng)對(duì)沼氣發(fā)酵影響較大，一般大中型沼的變動(dòng)對(duì)沼氣發(fā)酵影響較大，一般大中型沼氣工程都是采用比常溫發(fā)酵工藝的溫度高的恒定氣工程都是采用比常溫發(fā)酵工藝的溫度高的恒定的溫度發(fā)酵。的溫度發(fā)酵。l (5)發(fā)酵的主要終產(chǎn)物發(fā)酵的主要終產(chǎn)物(CH4和和CO2)很容易從發(fā)酵液很容易從發(fā)酵液中分離出來中分離出來。l 甲烷

28、甲烷是極有用的氣體燃料，并容易從發(fā)酵液中分是極有用的氣體燃料，并容易從發(fā)酵液中分離，這就為人們利用廢物能量創(chuàng)造了條件。離，這就為人們利用廢物能量創(chuàng)造了條件。二、沼氣發(fā)酵的工藝條件二、沼氣發(fā)酵的工藝條件l 沼氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)和生物化學(xué)過程，沼氣發(fā)酵是一個(gè)復(fù)雜的生物學(xué)和生物化學(xué)過程，要保持這個(gè)過程的正常進(jìn)行，就必須保持和控制要保持這個(gè)過程的正常進(jìn)行，就必須保持和控制各項(xiàng)有關(guān)的工藝條件各項(xiàng)有關(guān)的工藝條件。l 這些這些條件包括以下條件包括以下幾種幾種：1、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境、嚴(yán)格的厭氧環(huán)境l 沼氣發(fā)酵微生物包括不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌兩大沼氣發(fā)酵微生物包括不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌兩大類類。l 產(chǎn)產(chǎn)酸階段的

29、不產(chǎn)甲烷微生物，有好氧菌、厭氧菌酸階段的不產(chǎn)甲烷微生物，有好氧菌、厭氧菌和兼性厭氧菌，但大多數(shù)是厭氧菌，需要在無氧和兼性厭氧菌，但大多數(shù)是厭氧菌，需要在無氧條件下把復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成簡單的有機(jī)酸等條件下把復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)分解成簡單的有機(jī)酸等。l 產(chǎn)產(chǎn)氣階段的產(chǎn)甲烷菌則更是專性厭氧菌，不僅不氣階段的產(chǎn)甲烷菌則更是專性厭氧菌，不僅不需要氧，氧對(duì)產(chǎn)甲烷菌反而有毒害作用需要氧，氧對(duì)產(chǎn)甲烷菌反而有毒害作用。l 嚴(yán)格嚴(yán)格的厭氧環(huán)境是沼氣發(fā)酵的先決條件。的厭氧環(huán)境是沼氣發(fā)酵的先決條件。l 厭氧程度一般需用氧化還原電位或稱氧化還原勢厭氧程度一般需用氧化還原電位或稱氧化還原勢來表示來表示。l 一一種物質(zhì)的氧化程

30、度越高則電勢趨于正，而物質(zhì)種物質(zhì)的氧化程度越高則電勢趨于正，而物質(zhì)還原程度越高則電勢趨于負(fù)還原程度越高則電勢趨于負(fù)。l 沼氣沼氣發(fā)酵啟動(dòng)或新鮮原料入池時(shí)帶進(jìn)一部分氧，發(fā)酵啟動(dòng)或新鮮原料入池時(shí)帶進(jìn)一部分氧，造成沼氣池內(nèi)較高的氧化還原勢造成沼氣池內(nèi)較高的氧化還原勢。l 但但只要沼氣池密封不漏氣，由于好氧菌和兼性厭只要沼氣池密封不漏氣，由于好氧菌和兼性厭氧菌的活動(dòng)，迅速將氧消耗掉，使沼氣池氧化還氧菌的活動(dòng)，迅速將氧消耗掉，使沼氣池氧化還原勢逐漸降低，從而為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造出良好的厭原勢逐漸降低，從而為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造出良好的厭氧環(huán)境。氧環(huán)境。l 據(jù)測定，發(fā)酵開始時(shí)，沼氣池中氧化還原電位據(jù)測定，發(fā)酵開始時(shí)，沼

31、氣池中氧化還原電位(Eh)為為-121mV，則發(fā)酵，則發(fā)酵947天便可降低到天便可降低到-353-410mV。l 修建修建的沼氣池必須嚴(yán)格密封，這樣一方面是保證的沼氣池必須嚴(yán)格密封，這樣一方面是保證不漏水、不漏氣，同時(shí)也是為了保證嚴(yán)格的厭氧不漏水、不漏氣，同時(shí)也是為了保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。環(huán)境。2、發(fā)酵原料、發(fā)酵原料l 在沼氣發(fā)酵過程中，原料既是產(chǎn)生沼氣的基質(zhì)，在沼氣發(fā)酵過程中，原料既是產(chǎn)生沼氣的基質(zhì)，又是沼氣發(fā)酵微生物賴以生存的養(yǎng)料來源又是沼氣發(fā)酵微生物賴以生存的養(yǎng)料來源。l 一般一般認(rèn)為，自然界中有機(jī)物質(zhì)除礦物油和木質(zhì)素認(rèn)為，自然界中有機(jī)物質(zhì)除礦物油和木質(zhì)素外都能被微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，但不同

32、的有機(jī)物外都能被微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，但不同的有機(jī)物有不同的產(chǎn)氣量和不同的產(chǎn)氣速度有不同的產(chǎn)氣量和不同的產(chǎn)氣速度。l 較較難分解產(chǎn)氣的有機(jī)物在加入沼氣池前要經(jīng)過切難分解產(chǎn)氣的有機(jī)物在加入沼氣池前要經(jīng)過切碎、堆漚等預(yù)處理過程。碎、堆漚等預(yù)處理過程。l 而有些有機(jī)物經(jīng)牲畜腸胃消化、陰溝厭氧消化和而有些有機(jī)物經(jīng)牲畜腸胃消化、陰溝厭氧消化和工業(yè)發(fā)酵后變得比較簡單，進(jìn)入沼氣池后就可以工業(yè)發(fā)酵后變得比較簡單，進(jìn)入沼氣池后就可以很快產(chǎn)氣，如糞便、陰溝污泥、酒廠廢液、酵母很快產(chǎn)氣，如糞便、陰溝污泥、酒廠廢液、酵母廠廢水、抗菌素廠廢水、豆制品廠廢水、紙漿廢廠廢水、抗菌素廠廢水、豆制品廠廢水、紙漿廢水等都比天然有機(jī)

33、物質(zhì)易于分解，是產(chǎn)生沼氣的水等都比天然有機(jī)物質(zhì)易于分解，是產(chǎn)生沼氣的好原料好原料。l 沼氣微生物的生長、代謝需要各種營養(yǎng)物質(zhì)，除沼氣微生物的生長、代謝需要各種營養(yǎng)物質(zhì)，除水分外，主要是碳源、氮源、無機(jī)鹽和某些生長水分外，主要是碳源、氮源、無機(jī)鹽和某些生長元素，特別是碳、氮和磷元素更為必需元素，特別是碳、氮和磷元素更為必需。l 其中其中碳元素為微生物生命活動(dòng)提供能源，并是形碳元素為微生物生命活動(dòng)提供能源，并是形成甲烷的主要物質(zhì)；氮元素則是構(gòu)成微生物細(xì)胞成甲烷的主要物質(zhì)；氮元素則是構(gòu)成微生物細(xì)胞的主要物質(zhì)來源的主要物質(zhì)來源。l 正常正常的沼氣發(fā)酵要求一定的原料碳氮比。的沼氣發(fā)酵要求一定的原料碳氮比

34、。l 有些有機(jī)物含氮多，含碳少，碳氮比值小，稱為有些有機(jī)物含氮多，含碳少，碳氮比值小，稱為富氮原料，如人糞尿等；有些則含碳多，含氮少，富氮原料，如人糞尿等；有些則含碳多，含氮少，碳氮比值大，稱為貧氮原料，如農(nóng)作物秸稈等碳氮比值大，稱為貧氮原料，如農(nóng)作物秸稈等。l 大量大量報(bào)道和實(shí)驗(yàn)表明，沼氣發(fā)酵要求的碳氮比例報(bào)道和實(shí)驗(yàn)表明，沼氣發(fā)酵要求的碳氮比例并不嚴(yán)格，一般原料碳氮比例介于并不嚴(yán)格，一般原料碳氮比例介于(1530)：1即即可以正常發(fā)酵可以正常發(fā)酵。l 單純單純用人糞尿或只用含氮量少的秸稈為原料進(jìn)行用人糞尿或只用含氮量少的秸稈為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵時(shí)，由于碳氮比例不合適，雖可以發(fā)酵，沼氣發(fā)酵時(shí)，由

35、于碳氮比例不合適，雖可以發(fā)酵，但產(chǎn)氣率不高，如能適當(dāng)調(diào)整，則可以顯著改善但產(chǎn)氣率不高，如能適當(dāng)調(diào)整，則可以顯著改善產(chǎn)氣情況。產(chǎn)氣情況。l 在沼氣發(fā)酵中保持適宜的發(fā)酵料液濃度對(duì)于提高在沼氣發(fā)酵中保持適宜的發(fā)酵料液濃度對(duì)于提高產(chǎn)氣量、維持產(chǎn)氣高峰是十分重要的產(chǎn)氣量、維持產(chǎn)氣高峰是十分重要的。l 用用總體濃度來表示發(fā)酵料液濃度是指原料的總固總體濃度來表示發(fā)酵料液濃度是指原料的總固體重量占發(fā)酵料液重量的百分比體重量占發(fā)酵料液重量的百分比。l 對(duì)對(duì)人畜糞便原料，通常沼氣發(fā)酵的干物質(zhì)濃度以人畜糞便原料，通常沼氣發(fā)酵的干物質(zhì)濃度以6%10%為宜。為宜。l 根據(jù)我國農(nóng)村沼氣池的實(shí)際情況，熱天由于氣溫根據(jù)我國農(nóng)

36、村沼氣池的實(shí)際情況，熱天由于氣溫高，原料分解快，配料濃度可以稍低一些，為高，原料分解快，配料濃度可以稍低一些，為6%；冬季則適當(dāng)加濃，通常以冬季則適當(dāng)加濃，通常以10%為宜為宜。l 沼氣池沼氣池中隨著原料不斷分解產(chǎn)氣，干物質(zhì)濃度逐中隨著原料不斷分解產(chǎn)氣，干物質(zhì)濃度逐漸減少，可用于產(chǎn)生沼氣的干物質(zhì)越來越少，沼漸減少，可用于產(chǎn)生沼氣的干物質(zhì)越來越少，沼氣產(chǎn)量便下降氣產(chǎn)量便下降。l 為了為了保持適宜的原料濃度，維持產(chǎn)氣正常而持久，保持適宜的原料濃度，維持產(chǎn)氣正常而持久，必須定期地補(bǔ)充新鮮原料并同時(shí)排出廢料。必須定期地補(bǔ)充新鮮原料并同時(shí)排出廢料。l 將發(fā)酵料液中總固體含量增高至將發(fā)酵料液中總固體含量增

37、高至20%以上、以上、30%以以下的沼氣發(fā)酵稱為干發(fā)酵，適宜于高纖維素含量下的沼氣發(fā)酵稱為干發(fā)酵，適宜于高纖維素含量原料，如玉米秸、生物質(zhì)垃圾等原料，如玉米秸、生物質(zhì)垃圾等。l 這種這種發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)是省水，適于干旱地區(qū)，池容產(chǎn)發(fā)酵的優(yōu)點(diǎn)是省水，適于干旱地區(qū)，池容產(chǎn)氣率較高，可以縮小沼氣池體積，方便進(jìn)出料，氣率較高，可以縮小沼氣池體積，方便進(jìn)出料，沼肥適合北方施用固體肥料的習(xí)慣沼肥適合北方施用固體肥料的習(xí)慣。l 但但干發(fā)酵要求工藝條件較高，若發(fā)酵原料酸化會(huì)干發(fā)酵要求工藝條件較高，若發(fā)酵原料酸化會(huì)導(dǎo)致沼氣發(fā)酵的失敗。導(dǎo)致沼氣發(fā)酵的失敗。3、發(fā)酵溫度、發(fā)酵溫度l 沼氣發(fā)酵與溫度有密切的關(guān)系沼氣發(fā)酵與溫

38、度有密切的關(guān)系。l 在在一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量也越高一定溫度范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣量也越高。l 但但產(chǎn)氣量并不是與溫度的增高呈正相關(guān)，而是在產(chǎn)氣量并不是與溫度的增高呈正相關(guān)，而是在3060 范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)產(chǎn)氣高峰范圍內(nèi)出現(xiàn)兩個(gè)產(chǎn)氣高峰。l 一一個(gè)高峰介于個(gè)高峰介于3040 之間，另一個(gè)更高的高峰之間，另一個(gè)更高的高峰介于介于5060之間，這是由于兩個(gè)不同的微生物群之間，這是由于兩個(gè)不同的微生物群參與作用的結(jié)果參與作用的結(jié)果。l 但但豬糞在中溫下消化時(shí)，凈能產(chǎn)量最高的溫度約豬糞在中溫下消化時(shí)，凈能產(chǎn)量最高的溫度約為為25。l 一般認(rèn)為一般認(rèn)為4560為高溫沼氣發(fā)酵，為高溫沼氣發(fā)酵，30

39、45為中為中溫沼氣發(fā)酵溫沼氣發(fā)酵。l 我國我國農(nóng)村中的沼氣池都在自然溫度下進(jìn)行發(fā)酵，農(nóng)村中的沼氣池都在自然溫度下進(jìn)行發(fā)酵，發(fā)酵溫度隨氣溫和季節(jié)而變化，故稱為常溫發(fā)酵溫度隨氣溫和季節(jié)而變化，故稱為常溫(自然自然溫度溫度)發(fā)酵發(fā)酵。l 大中型大中型沼氣工程多采用恒溫的中溫發(fā)酵或高溫發(fā)沼氣工程多采用恒溫的中溫發(fā)酵或高溫發(fā)酵酵。l 高溫高溫(或有時(shí)中溫或有時(shí)中溫)發(fā)酵需要消耗由沼氣工程自供發(fā)酵需要消耗由沼氣工程自供或外供的能量或外供的能量。l 處理處理有余熱可以利用的工廠廢水和含有害生物的有余熱可以利用的工廠廢水和含有害生物的廢物常用高溫發(fā)酵廢物常用高溫發(fā)酵。l 如如糞便及生活污水污泥經(jīng)糞便及生活污水

40、污泥經(jīng)55左右發(fā)酵處理后，左右發(fā)酵處理后，可以殺死絕大多數(shù)有害生物，如寄生蟲卵及腸道可以殺死絕大多數(shù)有害生物，如寄生蟲卵及腸道致病細(xì)菌等。致病細(xì)菌等。l 沼氣發(fā)酵溫度的突然上升或下降對(duì)產(chǎn)氣量都有明沼氣發(fā)酵溫度的突然上升或下降對(duì)產(chǎn)氣量都有明顯的影響顯的影響。l 一般一般認(rèn)為，溫度突然上升或下降認(rèn)為，溫度突然上升或下降5，產(chǎn)氣量顯著，產(chǎn)氣量顯著降低，若變化過大則產(chǎn)氣停止降低，若變化過大則產(chǎn)氣停止。l 為為防止沼氣發(fā)酵溫度的突然上升或下降，農(nóng)村沼防止沼氣發(fā)酵溫度的突然上升或下降，農(nóng)村沼氣池必須采取適當(dāng)?shù)谋卮胧獬乇仨毑扇∵m當(dāng)?shù)谋卮胧?、pH值值l 沼氣發(fā)酵的最適沼氣發(fā)酵的最適pH值為值為6.

41、87.4，pH值在值在6.4以下以下和和7.6以上都對(duì)產(chǎn)氣有抑制作用以上都對(duì)產(chǎn)氣有抑制作用。l pH值在值在5.5以下時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)則完全受到抑以下時(shí)，產(chǎn)甲烷菌的活動(dòng)則完全受到抑制制。l 在在沼氣發(fā)酵過程中，沼氣發(fā)酵過程中，pH值呈有規(guī)律的變化值呈有規(guī)律的變化。l 發(fā)酵發(fā)酵初期，大量產(chǎn)酸，初期，大量產(chǎn)酸，pH值下降值下降。隨后。隨后，由于氨，由于氨化作用的進(jìn)行，產(chǎn)生的氨中和一部分有機(jī)酸化作用的進(jìn)行，產(chǎn)生的氨中和一部分有機(jī)酸。由。由于于產(chǎn)甲烷活動(dòng)利用了大量的揮發(fā)酸，這樣就可使產(chǎn)甲烷活動(dòng)利用了大量的揮發(fā)酸，這樣就可使pH值回到正常值。值回到正常值。l 在正常情況下沼氣發(fā)酵的在正常情況下沼氣發(fā)酵

42、的pH值有一個(gè)自然平衡過值有一個(gè)自然平衡過程，一般不需要進(jìn)行人為的調(diào)節(jié)程，一般不需要進(jìn)行人為的調(diào)節(jié)。l 但但如果配料不適當(dāng)，或缺乏正常操作管理，也可如果配料不適當(dāng)，或缺乏正常操作管理，也可能使揮發(fā)酸大量積累，能使揮發(fā)酸大量積累，pH值下降值下降。l 此時(shí)此時(shí)便需要采取措施，進(jìn)行調(diào)節(jié)，使便需要采取措施，進(jìn)行調(diào)節(jié)，使pH值恢復(fù)正值恢復(fù)正常常。l 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)的辦法有以下的辦法有以下幾種幾種：l (1)經(jīng)常少量出料并投入相同當(dāng)量的新料，以稀釋經(jīng)常少量出料并投入相同當(dāng)量的新料，以稀釋發(fā)酵液中的揮發(fā)酸，提高發(fā)酵液中的揮發(fā)酸，提高pH值。值。l (2)農(nóng)村中常采用加草木灰和適量氨水調(diào)節(jié)農(nóng)村中常采用加草木灰和適

43、量氨水調(diào)節(jié)pH值。值。l (3)用石灰水調(diào)節(jié)用石灰水調(diào)節(jié)pH值，但要保證石灰與發(fā)酵液完值，但要保證石灰與發(fā)酵液完全混合，否則在強(qiáng)堿區(qū)域內(nèi)微生物活性受到破壞。全混合，否則在強(qiáng)堿區(qū)域內(nèi)微生物活性受到破壞。加石灰的量也要嚴(yán)格控制，如果加量過度就會(huì)造加石灰的量也要嚴(yán)格控制，如果加量過度就會(huì)造成成pH值過高，超過微生物的適宜值過高，超過微生物的適宜pH范圍，使產(chǎn)氣范圍，使產(chǎn)氣量降低，甚至停止產(chǎn)氣。量降低，甚至停止產(chǎn)氣。l 若若pH值高于值高于8時(shí)時(shí)(過堿過堿)，可適當(dāng)加入牛、馬糞便，可適當(dāng)加入牛、馬糞便(牛馬糞便呈酸性，牛馬糞便呈酸性，pH為為56)，并加水沖淡，并加水沖淡。5、有機(jī)負(fù)荷量、有機(jī)負(fù)荷量l

44、 有機(jī)負(fù)荷量是指廢水處理中每單位體積有機(jī)負(fù)荷量是指廢水處理中每單位體積(m3)廢水廢水或單位發(fā)酵罐的容積每天可以除去的廢水中的總或單位發(fā)酵罐的容積每天可以除去的廢水中的總固體固體(TS)，或揮發(fā)性固體，或揮發(fā)性固體(VS)，或全部被氧化所需，或全部被氧化所需要的化學(xué)耗氧量要的化學(xué)耗氧量(COD)的有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量，常用的有機(jī)物質(zhì)的數(shù)量，常用kg(TS)/(m3天天)或或kg(VS)/(m3天天)及及kg(COD)/(m3天天)來表示。來表示。l 各種類型的沼氣發(fā)酵有一定的有機(jī)物負(fù)荷能力各種類型的沼氣發(fā)酵有一定的有機(jī)物負(fù)荷能力。l 如如負(fù)荷太低，由于營養(yǎng)物質(zhì)不足，會(huì)使細(xì)菌處于負(fù)荷太低，由于營養(yǎng)物質(zhì)

45、不足，會(huì)使細(xì)菌處于饑餓狀態(tài)而使發(fā)酵效率下降；但如負(fù)荷太高，使饑餓狀態(tài)而使發(fā)酵效率下降；但如負(fù)荷太高，使其中的微生物處于超負(fù)荷狀態(tài)，這時(shí)往往出現(xiàn)酸其中的微生物處于超負(fù)荷狀態(tài)，這時(shí)往往出現(xiàn)酸化速度大于甲烷化速度，造成有機(jī)酸的積累，使化速度大于甲烷化速度，造成有機(jī)酸的積累，使產(chǎn)氣機(jī)制受到抑制，發(fā)酵不能繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)氣機(jī)制受到抑制，發(fā)酵不能繼續(xù)進(jìn)行。l 因此因此，處理時(shí)首先不能超負(fù)荷。，處理時(shí)首先不能超負(fù)荷。l 沼 氣 發(fā) 酵 的 處 理 能 力 ， 中 溫 發(fā) 酵 為沼 氣 發(fā) 酵 的 處 理 能 力 ， 中 溫 發(fā) 酵 為23kg(COD)/(m3.天天)，高溫發(fā)酵為，高溫發(fā)酵為5kg(COD)/(m

46、3.天天)。l 自然自然發(fā)酵則大大低于以上兩種發(fā)酵的處理能力，發(fā)酵則大大低于以上兩種發(fā)酵的處理能力，其處理能力還隨自然溫度的變化而異其處理能力還隨自然溫度的變化而異。l 在在處理中如能提高污泥的濃度，在發(fā)酵罐內(nèi)滯留處理中如能提高污泥的濃度，在發(fā)酵罐內(nèi)滯留大量微生物，則可以顯著地提高處理能力。大量微生物，則可以顯著地提高處理能力。l 與有機(jī)負(fù)荷量密切相關(guān)的因素是投料率和滯留期。與有機(jī)負(fù)荷量密切相關(guān)的因素是投料率和滯留期。投料率是指每天向發(fā)酵罐單位容積投入的原料量，投料率是指每天向發(fā)酵罐單位容積投入的原料量，單位為單位為kg(TS)/(m3天天)，同時(shí)排出等當(dāng)量的舊料；，同時(shí)排出等當(dāng)量的舊料；滯留

47、期則是指原料在發(fā)酵罐內(nèi)的相對(duì)停留時(shí)間，滯留期則是指原料在發(fā)酵罐內(nèi)的相對(duì)停留時(shí)間，以天計(jì)或以小時(shí)計(jì)以天計(jì)或以小時(shí)計(jì)。6、接種物、接種物l 沼氣發(fā)酵中菌種數(shù)量的多少和質(zhì)量的好壞直接影沼氣發(fā)酵中菌種數(shù)量的多少和質(zhì)量的好壞直接影響沼氣的產(chǎn)生響沼氣的產(chǎn)生。l 微生物微生物菌種菌種(接種物接種物)的數(shù)量決定沼氣發(fā)酵的成敗，的數(shù)量決定沼氣發(fā)酵的成敗，而接種物中的有效成分和活性直接關(guān)系到發(fā)酵過而接種物中的有效成分和活性直接關(guān)系到發(fā)酵過程的好壞程的好壞。l 特別是特別是在處理廢水時(shí)，由于廢水中含有的沼氣菌在處理廢水時(shí)，由于廢水中含有的沼氣菌數(shù)量比較少，所以開始時(shí)必須接種數(shù)量比較少，所以開始時(shí)必須接種。l 對(duì)于對(duì)

48、于糞便和其他發(fā)酵原料，沼氣發(fā)酵微生物由原糞便和其他發(fā)酵原料，沼氣發(fā)酵微生物由原料帶入沼氣池。料帶入沼氣池。l 原料經(jīng)過一段時(shí)間漚制后，可起到富集菌種的作原料經(jīng)過一段時(shí)間漚制后，可起到富集菌種的作用用。l 若若原料經(jīng)過漚制而又添加活性污泥作接種體，則原料經(jīng)過漚制而又添加活性污泥作接種體，則產(chǎn)甲烷的速度更快產(chǎn)甲烷的速度更快。l 據(jù)據(jù)試驗(yàn)，發(fā)酵第試驗(yàn)，發(fā)酵第6天所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量即達(dá)天所產(chǎn)沼氣中的甲烷含量即達(dá)50%以上，而且?guī)缀醭芍本€上升。發(fā)酵以上，而且?guī)缀醭芍本€上升。發(fā)酵33天，甲天，甲烷含量達(dá)到烷含量達(dá)到70%左右。這說明沼氣發(fā)酵必須有大左右。這說明沼氣發(fā)酵必須有大量菌種。量菌種。l 沼氣發(fā)酵

49、菌種在自然界中廣泛存在，特別是各種沼氣發(fā)酵菌種在自然界中廣泛存在，特別是各種陰溝污泥中，由于有豐富的有機(jī)物質(zhì)和良好的厭陰溝污泥中，由于有豐富的有機(jī)物質(zhì)和良好的厭氧條件，沼氣發(fā)酵微生物大量繁殖，形成了豐富氧條件，沼氣發(fā)酵微生物大量繁殖，形成了豐富的微生物群落的微生物群落。l 在在新進(jìn)料的沼氣池中加入屠宰場陰溝污泥、糞坑新進(jìn)料的沼氣池中加入屠宰場陰溝污泥、糞坑底腳污泥、沼氣池底腳污泥作為接種物都能取得底腳污泥、沼氣池底腳污泥作為接種物都能取得良好的效果良好的效果。l 農(nóng)村農(nóng)村沼氣池大換料時(shí)，采用沼氣發(fā)酵液作為接種沼氣池大換料時(shí)，采用沼氣發(fā)酵液作為接種物，也可以達(dá)到同樣的效果。物，也可以達(dá)到同樣的效

50、果。l 加入接種物的數(shù)量隨接種物來源不同而有差異加入接種物的數(shù)量隨接種物來源不同而有差異。l 對(duì)對(duì)農(nóng)村沼氣發(fā)酵來說，采用下水道污泥作為接種農(nóng)村沼氣發(fā)酵來說，采用下水道污泥作為接種物時(shí)，接種量一般為發(fā)酵料液的物時(shí)，接種量一般為發(fā)酵料液的10%15%；l 當(dāng)當(dāng)采用老沼氣池發(fā)酵液作為接種物時(shí)，接種量應(yīng)采用老沼氣池發(fā)酵液作為接種物時(shí)，接種量應(yīng)占總發(fā)酵料液的占總發(fā)酵料液的30%以上以上；l 若若采用底層沉渣作接種物時(shí)，接種量應(yīng)占總發(fā)酵采用底層沉渣作接種物時(shí)，接種量應(yīng)占總發(fā)酵料液的料液的10%以上以上。l 使用使用較多秸稈作為發(fā)酵原料時(shí)，需要加大接種物較多秸稈作為發(fā)酵原料時(shí)，需要加大接種物數(shù)量，其接種量一

51、般應(yīng)大于秸稈重量。數(shù)量，其接種量一般應(yīng)大于秸稈重量。7、壓力、壓力l 沼氣發(fā)酵與池內(nèi)氣體壓力有密切的關(guān)系，沼氣池沼氣發(fā)酵與池內(nèi)氣體壓力有密切的關(guān)系，沼氣池內(nèi)壓力過高或處于變壓狀態(tài)對(duì)產(chǎn)氣有一定的影響，內(nèi)壓力過高或處于變壓狀態(tài)對(duì)產(chǎn)氣有一定的影響，使產(chǎn)氣速度減慢使產(chǎn)氣速度減慢。l 大型大型沼氣發(fā)酵罐的底部常由于攪拌不到，水壓使沼氣發(fā)酵罐的底部常由于攪拌不到，水壓使沼氣和硫化物處于過飽和狀態(tài)，從而使揮發(fā)酸積沼氣和硫化物處于過飽和狀態(tài)，從而使揮發(fā)酸積蓄，抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。蓄，抑制了反應(yīng)的進(jìn)行。l 在小型沼氣池中也可觀察到同樣的現(xiàn)象在小型沼氣池中也可觀察到同樣的現(xiàn)象。l 我國我國小型沼氣池多為水壓式沼氣池

52、，其儲(chǔ)氣部分小型沼氣池多為水壓式沼氣池，其儲(chǔ)氣部分和發(fā)酵部分連在一起，沒有恒定的分界，發(fā)酵料和發(fā)酵部分連在一起，沒有恒定的分界，發(fā)酵料液多，則儲(chǔ)氣部分減小，反之，則儲(chǔ)氣部分增大，液多，則儲(chǔ)氣部分減小，反之，則儲(chǔ)氣部分增大，使沼氣池常處于變動(dòng)的壓力下工作使沼氣池常處于變動(dòng)的壓力下工作。l 如果如果加以攪拌，則壓力的影響就會(huì)減小加以攪拌，則壓力的影響就會(huì)減小。l 據(jù)據(jù)試驗(yàn)，儲(chǔ)氣的壓力保持在試驗(yàn)，儲(chǔ)氣的壓力保持在10cm水柱的發(fā)酵池比水柱的發(fā)酵池比70cm水柱的對(duì)照池總產(chǎn)氣量高水柱的對(duì)照池總產(chǎn)氣量高15%。l 對(duì)于對(duì)于大型沼氣池，應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)氣裝置，小型沼氣池大型沼氣池，應(yīng)設(shè)置儲(chǔ)氣裝置，小型沼氣池亦可采

53、用上置式或分置式浮罩儲(chǔ)氣，以保持比較亦可采用上置式或分置式浮罩儲(chǔ)氣，以保持比較穩(wěn)定的氣壓穩(wěn)定的氣壓。8、攪拌、攪拌l 沼氣池在不攪拌情況下，發(fā)酵料液明顯地分為沼氣池在不攪拌情況下，發(fā)酵料液明顯地分為3層：層：上層為結(jié)殼層，中層為清液層，下層為沉渣層上層為結(jié)殼層，中層為清液層，下層為沉渣層。l 對(duì)對(duì)沼氣池進(jìn)行攪拌具有以下效果沼氣池進(jìn)行攪拌具有以下效果：l 使使池內(nèi)溫度均勻，使細(xì)菌與發(fā)酵原料充分接觸，池內(nèi)溫度均勻，使細(xì)菌與發(fā)酵原料充分接觸，加快發(fā)酵速度，提高產(chǎn)氣量和處理效率加快發(fā)酵速度，提高產(chǎn)氣量和處理效率。l 攪拌攪拌還能破壞結(jié)殼層，使原料充分被消化，并有還能破壞結(jié)殼層，使原料充分被消化，并有利

54、于排出產(chǎn)生的氣體利于排出產(chǎn)生的氣體。l 許多許多研究都證明，攪拌對(duì)產(chǎn)氣有明顯的影響，攪研究都證明，攪拌對(duì)產(chǎn)氣有明顯的影響，攪拌比不攪拌的總產(chǎn)氣量可提高拌比不攪拌的總產(chǎn)氣量可提高15%35%。l 目前采用的攪拌方法主要有目前采用的攪拌方法主要有3種種：l (1)機(jī)械攪拌機(jī)械攪拌。l 機(jī)械機(jī)械攪拌器安裝在沼氣池內(nèi)料液中，定位上、中、攪拌器安裝在沼氣池內(nèi)料液中，定位上、中、下皆可，料液濃度高則要偏下下皆可，料液濃度高則要偏下。l 可用可用動(dòng)力驅(qū)動(dòng)攪拌器，使物料上下翻動(dòng)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)攪拌器，使物料上下翻動(dòng)。l 小型小型沼氣池則多用人力提升式簡易攪拌器。沼氣池則多用人力提升式簡易攪拌器。l (2)液攪拌液攪拌

55、。l 在在沼氣池的出料與進(jìn)料之間用人工或泵使料液循沼氣池的出料與進(jìn)料之間用人工或泵使料液循環(huán)，產(chǎn)生較強(qiáng)的液體回流，以達(dá)到攪拌的目的。環(huán)，產(chǎn)生較強(qiáng)的液體回流，以達(dá)到攪拌的目的。l (3)氣攪拌氣攪拌。l 將將沼氣池內(nèi)產(chǎn)生的沼氣利用壓力從池底部沖進(jìn)去，沼氣池內(nèi)產(chǎn)生的沼氣利用壓力從池底部沖進(jìn)去，產(chǎn)生較強(qiáng)的氣體回流，以達(dá)到攪拌的目的。產(chǎn)生較強(qiáng)的氣體回流，以達(dá)到攪拌的目的。l 液攪拌和氣攪拌較適合于大中型沼氣工程液攪拌和氣攪拌較適合于大中型沼氣工程。l 對(duì)對(duì)沼氣池的攪拌不應(yīng)過于強(qiáng)烈。沼氣池的攪拌不應(yīng)過于強(qiáng)烈。9、添加劑和抑制劑、添加劑和抑制劑l 能促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分解并提高產(chǎn)氣量的各種物質(zhì)統(tǒng)能促進(jìn)有機(jī)物質(zhì)分

56、解并提高產(chǎn)氣量的各種物質(zhì)統(tǒng)稱為添加劑。添加劑的種類很多，包括一些酶類、稱為添加劑。添加劑的種類很多，包括一些酶類、無機(jī)鹽類、有機(jī)物和其他無機(jī)物等無機(jī)鹽類、有機(jī)物和其他無機(jī)物等。l 例如例如，分別在發(fā)酵液中添加少量的硫酸鋅、磷礦，分別在發(fā)酵液中添加少量的硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰等均可不同程度地提粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰等均可不同程度地提高產(chǎn)氣量和甲烷含量以及有機(jī)物的分解率，其中高產(chǎn)氣量和甲烷含量以及有機(jī)物的分解率，其中以添加磷礦粉的效果最佳。以添加磷礦粉的效果最佳。l 添加過磷酸鈣，能促進(jìn)纖維素的分解。添加少量添加過磷酸鈣，能促進(jìn)纖維素的分解。添加少量鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、磷等元素能促

57、進(jìn)產(chǎn)氣，提鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、磷等元素能促進(jìn)產(chǎn)氣，提高產(chǎn)氣率高產(chǎn)氣率。l 在在發(fā)酵液中添加纖維素酶，能促進(jìn)纖維素分解，發(fā)酵液中添加纖維素酶，能促進(jìn)纖維素分解，提高產(chǎn)氣量提高產(chǎn)氣量。l 添加添加少量活性炭粉末可提高產(chǎn)氣量達(dá)少量活性炭粉末可提高產(chǎn)氣量達(dá)24倍倍。l 以以牛糞為原料的沼氣發(fā)酵中添加尿素，能得到較牛糞為原料的沼氣發(fā)酵中添加尿素，能得到較高的產(chǎn)氣速度、較大產(chǎn)氣量和分解率；添加高的產(chǎn)氣速度、較大產(chǎn)氣量和分解率；添加CaCO3可促進(jìn)沼氣的產(chǎn)生和提高沼氣中的甲烷含量，等可促進(jìn)沼氣的產(chǎn)生和提高沼氣中的甲烷含量，等等。等。l 與上述情況相反，有許多化學(xué)物質(zhì)能抑制發(fā)酵微與上述情況相反，有許多化學(xué)物質(zhì)

58、能抑制發(fā)酵微生物的生命活動(dòng)，這些物質(zhì)就稱為抑制劑生物的生命活動(dòng)，這些物質(zhì)就稱為抑制劑。l 抑制劑抑制劑種類也很多種類也很多。l 上面上面已講過沼氣池有機(jī)酸濃度過高，或氨態(tài)氮濃已講過沼氣池有機(jī)酸濃度過高，或氨態(tài)氮濃度過高，都對(duì)沼氣發(fā)酵菌有抑制和殺傷作用度過高，都對(duì)沼氣發(fā)酵菌有抑制和殺傷作用。l 還還常常由于添加了一些有害物質(zhì)而使沼氣發(fā)酵受常常由于添加了一些有害物質(zhì)而使沼氣發(fā)酵受到抑制，這些物質(zhì)有酸類、醇類、苯、硫酸鹽、到抑制，這些物質(zhì)有酸類、醇類、苯、硫酸鹽、氰化物、去垢劑等。氰化物、去垢劑等。l 各種各種農(nóng)藥，特別是劇毒農(nóng)藥，都有極強(qiáng)的殺菌作農(nóng)藥，特別是劇毒農(nóng)藥，都有極強(qiáng)的殺菌作用，即使微量也

59、可能使正常的沼氣發(fā)酵完全破壞用，即使微量也可能使正常的沼氣發(fā)酵完全破壞。l 其他其他很多鹽類，特別是很多金屬離子，如鈉、鉀、很多鹽類，特別是很多金屬離子，如鈉、鉀、鈣、鎂等，在低濃度時(shí)對(duì)發(fā)酵過程有刺激作用，鈣、鎂等，在低濃度時(shí)對(duì)發(fā)酵過程有刺激作用，而在高濃度時(shí)則產(chǎn)生抑制作用而在高濃度時(shí)則產(chǎn)生抑制作用。l 當(dāng)當(dāng)鈉、鉀、鈣、鎂的濃度分別大于鈉、鉀、鈣、鎂的濃度分別大于8000mg/L、12000mg/L、8000mg/L和和3000mg/L時(shí)，對(duì)發(fā)酵過時(shí)，對(duì)發(fā)酵過程將產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用程將產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用。三、沼氣發(fā)酵工藝和發(fā)酵裝置三、沼氣發(fā)酵工藝和發(fā)酵裝置l 1、沼氣發(fā)酵工藝的類型、沼氣發(fā)酵工

60、藝的類型l 對(duì)各種沼氣發(fā)酵原料采用相應(yīng)的工程措施，在厭對(duì)各種沼氣發(fā)酵原料采用相應(yīng)的工程措施，在厭氧條件下，利用微生物的活動(dòng)，生產(chǎn)沼氣并使有氧條件下，利用微生物的活動(dòng)，生產(chǎn)沼氣并使有機(jī)物得到處理的全過程稱為沼氣發(fā)酵工藝機(jī)物得到處理的全過程稱為沼氣發(fā)酵工藝。l 因?yàn)橐驗(yàn)檎託獍l(fā)酵是在密閉條件下嚴(yán)格的厭氧發(fā)酵，沼氣發(fā)酵是在密閉條件下嚴(yán)格的厭氧發(fā)酵，使有機(jī)廢物得到處理，所以通常又把沼氣發(fā)酵稱使有機(jī)廢物得到處理，所以通常又把沼氣發(fā)酵稱為厭氧消化，發(fā)酵裝置也稱為消化器為厭氧消化，發(fā)酵裝置也稱為消化器(沼氣池或沼氣池或罐罐)。l 按不同的特點(diǎn)，可將沼氣發(fā)酵工藝進(jìn)行分類按不同的特點(diǎn)，可將沼氣發(fā)酵工藝進(jìn)行分類如下