第九章厭氧過程與沼氣技術

§9.1厭氧過程的基本原§9.1.1招氣的理化性（CH4（N2（H2（O2（NH3（CH49-1所示。9-1甲烷與沼氣的主要理化性l)甲烷甲烷是一種飽和烴類，由4個氫原子和1個碳原子組成，分子式為CH4。常溫時呈氣態(tài)無色無味化學性質比較穩(wěn)定相對分子質量16.043，容重Y=0.717kg/m3(標準狀態(tài))0.555(與空氣相比)。CH4+2O2—— (9-測得純甲烷火焰的最高溫度約2000每立方米純甲烷的熱值為35822kJ，接近lkg石二氧化碳對于水的溶解度極大，20℃時，10087.8§9.1.2厭氧沼氣發(fā)醉的主要反應歷9-1所示。、農(nóng)作物秸稈、人畜糞便以及其他各種有機廢棄物，都是以大分子狀態(tài)存在的碳水、以乙酸為主，約占§9.1.3沼氣發(fā)酵的微生物H2、CO2。2C2發(fā)生由于技術上的有關產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的不多布賴恩特了兩個分別應進行了研究。H2CO2有人估計由這些菌形成的乙酸在一個40℃的牛糞消化器中只占總乙酸合成的1%~2%,在一60℃3%~4%。H2/CO2時也不如產(chǎn)甲烷菌生長快，因此它們在沼氣發(fā)酵過程中的作用可能并不重要?！淄榫菂捬跸^程中所形成的食物鏈中的最后一組成員，盡管它們具有各種各樣的形2/C2轉化為氣體產(chǎn)物使厭氧消化系統(tǒng)中有機物的分解作用得以順利進行。酸裂解形成的，而其余的大多數(shù)是來自H2和CO2的還原。因此，乙酸是厭氧消化器中最重產(chǎn)甲烷菌廣泛存在于水底沉淀物和動物消化道等厭氧的環(huán)境中產(chǎn)甲烷菌對氧高度量半衰期僅為4min。在厭氧污泥的微生態(tài)顆粒中，產(chǎn)甲烷菌在顆粒，很容易得到低氧據(jù)Oregon產(chǎn)甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)，該中心已收藏產(chǎn)甲烷菌215株，分3目、6科、16屬、55種口我國也分離到了十幾株產(chǎn)甲烷菌。根據(jù)它們所利用的主要H2/CO2生成甲烷外，多H2的主要消耗者。食乙酸產(chǎn)甲烷菌主要為甲烷八疊球菌屬和甲烷毛發(fā)菌屬。相溫度、pH等，防止物質的進人，特別是控制負荷以維持酸化和甲烷化速度的平衡，都§9.1.3沼氣發(fā)酵工藝條厭氧程度一般用氧化還原電位來表示。氧化還原電位(ORP,Eh,Rh)又稱為氧化還原勢。但由于在密閉的沼氣池內，好氧菌和兼性厭氧菌(此在有氧氣或無氧氣環(huán)境里都能生存與活動)的活動，迅速消耗了溶解氧，使沼氣池的氧化還原勢逐漸降低，從而創(chuàng)造了良好的氧化還原勢條件。2沼氣發(fā)酵微生物是在一定的溫度范圍進行代謝活動的，可以在8~65℃產(chǎn)生沼氣，溫度高低不同產(chǎn)氣速度不同。在8-65℃范圍內，溫度越高，產(chǎn)氣速度越快，但不是線性關系。53~55℃時，沼氣微生物中的高溫菌活躍，產(chǎn)沼氣產(chǎn)氣的一個在35℃左右，另一個更高的在54℃左右。前者叫中溫發(fā)酵.后者叫9-2原料中水分、TSVS9-3105℃的烘干箱中烘干至恒重，此時物質的質量就是該樣品的總固體質量。TS一樣品的干物質含量，%；Wd一樣品中干物質質量，mg；體樣品在500-550℃溫度下灼燒1h，其減輕的質量就是該樣品的揮發(fā)性固體量，余下的物質總固體中揮發(fā)性固體含量計算式Wh—樣品灰分質量，mg。 (9-c——硫酸亞鐵錢標準溶液的濃度，mol/L；V020℃培養(yǎng)時，完成此過程需100多天。目前國內外普遍規(guī)定(20士1)℃培養(yǎng)5d，分別測定樣品培養(yǎng)前后的溶解氧，二者之差即為BOD5值，以氧(mg/L)表示。測定結果數(shù)據(jù)一般按下式BOD值 B1——稀釋水（或接種稀釋水)在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；B2一一稀釋水(或接種稀釋水)在培養(yǎng)后的溶解氧濃度，mg/L；C1一一水樣在培養(yǎng)前的溶解氧濃度，mg/L；C2——水樣在培養(yǎng)后的溶解氧濃度，mg/F1、f2的計算:3%,3份水樣，97配制發(fā)酵料液的濃度，要根據(jù)發(fā)醉原料的含水量(9-2)和不同季節(jié)所要求的濃度，9-2dWd―發(fā)酵原料在池內停留時間，d；V一沼氣池池容，m3；

9-4所示，產(chǎn)氣快慢很不一致。像糟液、酵母廠廢水、抗生素廠廢水、制醬油的廢水、制豆腐的廢水、9-3圖9-4幾種有機物質產(chǎn)氣量的比較(江蘇武進沼氣9-42.

Vg

RCOD—CODTS采用哪種方法表示，要根據(jù)測試的實際條件而選取池容()產(chǎn)氣率是指消化器單位容積每天生m3/(m3·d)，池容產(chǎn)氣率說明消化器被利用水平高低。用原料7044%1kgCODr(定原料中有機物含量的化學耗氧量0.35350%70%左右。酸堿度是指溶液中氫離子(H+)pHpH6.8～7.5pH是pHpHpH<6pH>8時，沼氣發(fā)酵pH來控制投pH7pH6.56.0以下，則應大量投人次投料10%)為例，投料前發(fā)酵液的揮發(fā)酸以650mg/L以下為宜；超過800mg/L就要加以注1000mg/L，將會造成酸積累，直至料液酸化。應大量減少投料或pHpH提高消化器內的pH，使發(fā)酵過程得到比較快的恢復。因此，在發(fā)酵過程中對pH的是廢水為發(fā)酵原料時，pH可適當放寬，只要適當控制進料負荷，發(fā)醉過程即可正常運行。酸pH9-5中。需要強調的是，pH的變化是由于被消化物組分瞬時變化而使兩個階段之間出現(xiàn)不平衡為了能準確、及時地控制pH，對沼氣工程還應該做到：在消化器內的不同部位設置取pH6，所需恢復時間很長.碳氮比以(20～30):110:4:0.8為宜。對于以生產(chǎn)農(nóng)副產(chǎn)品的污水為而另一些物質卻抑制發(fā)酵的進行;還有些物質在低濃度時有刺激發(fā)酵作用，而在高濃度時產(chǎn)沼氣發(fā)酵微生物的生命活動受很多因素的影響，很多物質都可抑制這些微生物的生命(20001063600106上作用；氨態(tài)氮(3)濃度過高時，對沼氣發(fā)酵菌有抑制和作用；各種，特別是劇毒都有極強的殺菌作用即使微量也可使正常的沼氣發(fā)酵完全破壞其他很多鹽類，特別是金屬離子，超過一定濃度時都有抑制作用。例如100200g/L200～400mgL100200mg/L75150mgL3500～5500mg/I.2500～4500mg/L鈣為2500～4500mg/L和鎂為1000～1500mg/L時，則產(chǎn)生中等強度的抑制。當濃度更大時，即鈉為8000mg/L、鉀12000mg/L、鈣為8000mg/L3000mg/L時，對發(fā)酵過程產(chǎn)生強烈抑制作用。攪拌的方法有三種9-5氣攪 9-7池(罐)底部取出的污泥，或是污水處理廠排出的污泥，或是人畜糞便等添加適量(菌種量的溫35℃，高溫54℃)厭氧培養(yǎng)7～8d,控制其pH=6.8～7.5，再加人適量的有機廢水，§9.2小型戶用沼氣4個階段。2020年的研究，解決了兩個關鍵技術問題:抗日爆發(fā)，公司，中國早期沼氣利用也告結束。。議事日程建立了相應的機構支持以解決能源為主以小型沼氣為重點是這一時間沼氣發(fā)展的主要特點。這一時期存在的主要問題是：①沒有對沼氣本身的技術進行系統(tǒng)研究.速度要快，成本要低。。20世紀80年代初期，為適應沼氣發(fā)展的需要，國家建立了一批沼氣研究機構。如1980在不斷深入探索中形成了具有的發(fā)酵工藝適合不同情況的水壓式沼氣池池優(yōu)質與低成本的目標。技術成是國家頒布了《中國水壓式沼氣池標準圖集，《中國水壓式沼氣池驗收標準《小型沼氣灶》等一系列了一批沼氣技術書籍和適合不同對象的培訓，如《中國沼氣工藝學《中國農(nóng)村沼氣技術》等。，進人20世紀90年代，中國沼氣已有了二十幾年的豐富經(jīng)驗。此外，市場經(jīng)濟正逐步取據(jù)統(tǒng)計，到2002年底，小型沼氣池保有量為1000萬個，年產(chǎn)沼氣近3×108m3。沼400(如“四位一體")21戶，南方生態(tài)模式(如“豬一沼一果”)81§9.2.1小型沼氣池類);(和(1)以水柱高度表示的壓力值。其供氣原理如圖9-8所示。①產(chǎn)氣前圖9-8（a）]②產(chǎn)氣不供氣[圖9-8(b)]料液發(fā)酵產(chǎn)氣，在儲氣室內.隨氣量的增多壓力升高，(2)水壓式沼氣池 1984年國家發(fā)布、1985年實施了“農(nóng)村小型水壓式沼氣池99(a)主要由圓筒形池身、削球殼地蓋及池底的發(fā)酵間，進料管及圓形水壓間三部分組成。球形沼氣池圖99(b)同特點是：儲氣室在發(fā)酵間內，發(fā)酵間的容積分別為4m3、6m3、8m3、10m3，用戶自己選定。水壓間設計可分別按產(chǎn)氣率0.15m3(m3?d)、0.20m3(m3?d)、0.25m3(m3?d)、0.30m3(m3?d)考慮酌情選值。(3)設攪拌裝置的水壓式沼氣池農(nóng)村小型沼氣池經(jīng)常出氣用戶的一題。分層，下面干上面稀，不利發(fā)酵.影圖910制的水壓式沼氣池破殼攪拌裝置。它主要由兩部分組成： 911示是省桃縣能源辦研制的水壓式沼氣池的攪拌裝置，基本結構從圖可見。其安裝與操作是:中心預留1Ф75m2，再將4根側枝固定在兩根橫桿上，這時安裝人員出池。投料后，蓋好活動蓋，將封水管套在主軸上，用黏泥密封封水管與活功蓋小孔之間的間。然后淹水養(yǎng)護，氣池時，先取出封水管，再揭開活動蓋將其拆出。曲流布料水壓式沼氣池曲流布料水壓式沼氣池在市試驗、推廣使用政果良在油拱設有傘架型破殼掛籠進行破殼。手動攪拌杠桿傘架型掛籠破殼，并同據(jù)實測，在地區(qū)，6m3曲流布料池，一年產(chǎn)氣可達1692.6m3；池容最高產(chǎn)氣率O.98m3m3.d)，相當于圓筒形普通水壓池產(chǎn)氣量的3～5發(fā)酵液差自功循環(huán)水壓式沼氣 管與水壓箱平齊。池出水管為一U形管A，通往廁所蹲位及豬舍地面。水壓箱底部有一U形管B.通往池。②循環(huán)過程沼氣池在正常運行時，當停止供氣，低位池的發(fā)酵液一部分被沼氣擠壓起流入進料口。當向用戶供氣時由于池液面低于水壓箱液位，水壓箱的發(fā)酵液便通過U形管B回流池，從而實現(xiàn)自動循環(huán)。溫；b.池設置的軟填料作為厭氧池內的生物載體，能起到富集菌種、促進沼氣發(fā)酵速度、提早產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣量的作用；c.料液自動循環(huán)能起到攪拌發(fā)酵液的作用，提高產(chǎn)氣面，同時可作為預處理池的接種物，促進發(fā)酵，節(jié)約用水。浮罩式沼氣池是將發(fā)酵間產(chǎn)生的沼氣由沉浮式氣罩起來，按其結構，可分為直接儲氣浮罩式沼氣池（圖9-14)和分離儲氣浮罩式沼氣池(圖9-15)。罩便沿水封池內壁的導向軌道或升降軸上升，直至平衡；當用氣時，罩內氣壓下降，氣罩也隨之下沉。的性能；建池和出渣容易；直接儲氣浮罩式沼氣池保溫性能不壓式沼氣池，在圖914的浮罩內的沼氣壓力值，如果不考慮浸在料液中浮罩壁所受的浮力（浮罩壁p4

10001247

式 p—沼氣壓力，1000—由kgf/cm2H203（用聚氨乙烯薄蠟和橡膠加工〕起來，其余構造與水壓式沼氣池基本相同易老化，影響使用；由于氣壓較低，家庭使用不便，對于供動力用能的大、中型沼氣"戈巴""戈巴'，語意為牛糞。圖9-17是的一種以牛糞為發(fā)酵原料浮罩式沼氣池，其發(fā)酵間成井狀，是建筑，井體直徑一般為1.5-6m之間。發(fā)酵間中間有隔墻，將井物秸稈、青草、生活污水、有機、污泥等都可作沼氣發(fā)酵原料。不同種類的發(fā)酵原料.富氮原料富氮原料在農(nóng)村主要是指人、畜和家禽糞便。這類原料顆粒較細，含有示)般都小于25:1，因此不必進行預處理，分解和產(chǎn)氣速度較快。這種原科是我國農(nóng)村沼富碳原料這類原料在農(nóng)村主要指各種農(nóng)作物秸稈。其碳素含量較高，原料的碳氮比一般都在30:1發(fā)現(xiàn)、隨時收集；豬糞、人糞等可利用農(nóng)村"三結合"(指沼氣池、豬圈、廁所三者結合)式2鍘短(或)作物秸軒用作沼氣發(fā)酵原料時，必須經(jīng)過鍘短（或)處理，一般鍘成2~3cm長即可。這樣，能增大發(fā)酵原料與沼氣細菌的接觸面，加速原料的分解，同時也便于進料和出料。經(jīng)過鍘短和的作物秸稈，一般可提高產(chǎn)氣量15%~20%。桔秤皮面的蠟質層，適當降低發(fā)酵原科的碳氮比，以利于沼氣細菌時碳氧營養(yǎng)的需要，促進早產(chǎn)氣。應對投入沼氣池的作物秸懺等沼氣發(fā)酵原料.進行堆漚處理，其方法有以下兩種：2%的石灰澄清液和10%左右的沼液或糞水(加入的糞水繭，以料堆下不出水為宜).混合拌勻。料堆上覆蓋塑料薄膜。在氣溫150'C左右時，堆漚4~5d;200'C以上時，堆謳2~3d.即可投料人池。2%的石灰澄清植和10%的沼液或糞水，攪拌均勻后.投入淚氣池內堆漚。堆漚時間視氣溫而定，一般堆W1~2d為宜。池內堆漚，可以3（1)適當多加產(chǎn)出沼氣中古甲烷多的發(fā)酵原料沼氣質量主要指其中吉甲炕量的多少5各:作物秸稈等含纖維章多的秸稈吉碳素少，發(fā)酵快。實踐證明，鮮糞和作物秸稈的重量比為2?1左右時，碳氮比為30:1.時沼氣發(fā)酵比較適宜。這兩類發(fā)酵原料應合理搭配，繁殖，同時可以中和發(fā)酵過程中所產(chǎn)生的有機酸（有機氧章分解時釋放的有機酸有利于維峙適宜的酸耐度，在缺乏人糞尿的地區(qū)，可在沼氣池中加入占主酵原料量0.3%以下的碳酸氫氨或0.1%以下的尿章，也能有政提高產(chǎn)氣率。1m3容積的發(fā)酵原料配比為例，列表9-6供配料時

型沼氣池發(fā)酵工藝類（1)備料作好原料準備.(2)（3)(TS%)和C/N加水封池堆漚原料溫度上升至40~60LpH精密試紙檢pH在6~7時.即可蓋上活動蓋，封閉沼氣池。若pH<6時，可加草木灰、氨水或澄清石灰水調整至7左右，再蓋好水封蓋。封蓋后應及時安裝好輸氣管、開關和燈、2~3d后，在爐具上點火試氣，如能點燃，即可使用，如若點不燃，則放掉池內氣體，(非可燃氣).次H再點火試氣，直至點燃為止。添加料沼氣池產(chǎn)氣運行30d左右.5~6d加料l次.如I料是為主酵液的3%~5%。若是"三結合"的沼氣池(豬吉、劇所、沼氣池連為一體)以上是發(fā)酵原料的“入池堆漚“，若果取"池外堆漚"，則應按下述要求進行采用秸軒重量的1到~2%石灰，且成石藍水，均勻施于秸軒上，再潑上糞（或沼液）。溫度以不見1-2d，秋天3~5d。氣植25'C左右堆植ld，堆摳溫度到60C左右接種物量向池內投料時應加入占原料30%以上活性污泥，或10%底巧泥，或lO%~30%投料間隔2~3d).池內堆漚.干濕發(fā)酵結合("于發(fā)酵"吉立后面介紹)，其工藝過程如閣9-20所示町一個流程內分為啟動、運行、大出料3個階段，根據(jù)秸軒收獲租用肥季節(jié)，南方地人池內即可回為了保證原料在池內充分分解，每立方米沼氣池每天入地總固體量<0.7kg，池體容積>6m3;在運行期間沒有糞就屬于這種沼氣發(fā)酵工藝。它的特點是將發(fā)酵原料投入沼氣池，當發(fā)酵周期結束后，取出舊料，再投入下一批新料。其產(chǎn)氣量韌期t升很快，維持段時間的產(chǎn)氣后，即逗漸9-21F材料基本都是玻璃鋼。璃銅=進料口和Hi科u的壓蓋用螺栓固堅沿口有橡膠密封闡，防止液、氣的。雪雨等機械損傷和輻射所創(chuàng)起的光氧茬化，8r152投料與運行該池所用發(fā)酵產(chǎn)氣原材料以人、高糞便和玉米軒為宅干物質濃度18%左右.菌種添加量不低于料植的30%。采用批量投抖，原料預處理、眼氧比、pH等.均按3~420~35°C3m'沼氣池.最高產(chǎn)氣量可達1.半塑紅塑料沼氣池〈見圖9-22)由水泥料池和紅泥度比水壓式池溫高。它的最點是①沼氣地的地溫，易受外界氣淚的影響;2030%。優(yōu)點是省水，池容產(chǎn)氣率高，可以縮小沼氣體積，方便進出料。適宜于習慣用固體肥料的在村和干旱地區(qū).山東能源、l1l氣科學和吉林省農(nóng)業(yè)科學研究院等單位時干發(fā)酵工藝進行過較深入的研究。圖9-23是吉林省在業(yè)科學等單位研制并推廣的鐵罐式沼氣池，應用了F發(fā)酵工藝?，F(xiàn)將干發(fā)酵工藝特點介紹如下:為3:1左右，不同秸稈、不同畜糞略有差別。5-7cm長的碎料，而定。在25"C時，一般堆謳9-5日，使秸秤原并且能使加快；(>20%)，接種物質量般平能少于發(fā)酵原料的205第一個池子為水解產(chǎn)酸池，它是敞口池.產(chǎn)血的酸液流進第二個池(見圖9-24.示意圖用虹吸管引輸);第個池子是普通的水壓式淚氣池，為產(chǎn)甲惋池，它以第個池于產(chǎn)出的酸液且發(fā)酵沼氣發(fā)酵過程的最優(yōu)化。主要特點是z①由于產(chǎn)甲烷池的產(chǎn)氣率高，氣中甲烷含量高，可過控制每天輸入產(chǎn)甲烷池的酸液量，能人為地調節(jié)當天和第2天的產(chǎn)氣量，即提高產(chǎn)氣量一、生物質氣化發(fā)電方國外以生物質燃氣為進行發(fā)電和供熱近年來有較快的發(fā)展所用的發(fā)電機組基本上6-43～6-47分別是上述三種發(fā)電機組工作原理示意圖。第一種是用內燃機的動力電機系統(tǒng)和汽輪機/發(fā)電機系統(tǒng)功率要大一些;而同時用燃氣輪機/發(fā)電機輪機/發(fā)電機為大型;我國目前生物質氣化發(fā)電屬于這一類。在國外推廣應用比較多的發(fā)展中國家是3.7k25kW70kW100kW3.7kW內燃機所用的有的是生物質燃氣與柴油混合有的全用生質燃氣單一口混合的燃氣成分按熱值計算可達80%～85%在100kW發(fā)電系統(tǒng)80時，原料(木屑0.951.2kg/(W·h);而全用燃氣不混合柴油)13～1.6kg/(kh)的效率低下所致。最近的通用汽車公司研制出9120型發(fā)動機被能源部評價為世界上最先進的斯特林發(fā)動機，它可與小型生物質氣化機組組成50kW30%右，并且噪聲小、廢氣污染少。目前由干生產(chǎn)批量有限，成本較高。850的是天然氣，工作介質