8.2厭氧發(fā)酵制沼氣課件

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧消化是指在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(jī)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(jìn)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30－50％的有機(jī)物，并使之穩(wěn)定化?；S池厭氧消化發(fā)展8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧發(fā)酵歷史：1630年，歐洲海爾曼發(fā)現(xiàn)有機(jī)物腐爛過程中產(chǎn)生的一種可燃?xì)怏w---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(jī)廢料厭氧消化產(chǎn)沼氣有較大發(fā)展是進(jìn)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(jī)廢物達(dá)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)的研究重新受到人們的注目。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣我國厭氧消化技術(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8.2厭氧發(fā)酵制沼氣過程可控性、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(yùn)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)備體積龐大；厭氧消化技術(shù)的主要特點(diǎn)8.2厭氧發(fā)酵制沼氣有機(jī)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(dú)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(jī)物進(jìn)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(jī)物進(jìn)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(jìn)一步降解成甲烷和CO2，同時利用產(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8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧消化原理

堆肥有機(jī)物微生物

有機(jī)酸，醇類，O2，NH3，H2S等，能量，微生物

細(xì)胞物質(zhì)

CO2，CH4等，能量

細(xì)胞物質(zhì)

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧消化原理

細(xì)胞物質(zhì)(微生物繁殖)

有機(jī)酸、醇類、CO2、H2S、NH3、能量

堆肥有機(jī)物(C、N、O、H、P、S等)

細(xì)胞物質(zhì)

CO2、CH4等，能量

酸性發(fā)酵階段

堿性發(fā)酵階段

兩段理論8.2厭氧發(fā)酵制沼氣發(fā)酵原料

生活垃圾、有機(jī)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

甲烷產(chǎn)氣量為：

E=0.37A+0.49B+1.04C式中E:每克發(fā)酵原料的理論產(chǎn)甲烷量，L;A、B、C：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g。二氧化碳理論產(chǎn)量為：

D=0.37A+0.49B+0.36C8.2厭氧發(fā)酵制沼氣常見沼氣發(fā)酵原料的組分和理論產(chǎn)氣量8.2厭氧發(fā)酵制沼氣發(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。式中：MTS－沼氣發(fā)酵料漿中總固體百分含量；

X－各種原料（包括水）的重量；

M－各種原料總固體的百分含量。例題：人糞100kg，含總固體量20％；豬糞100kg，含總固體量20％；稻草98.9kg，含總固體量90％。將其配置成總固體含量為6％的發(fā)酵料漿，需加多少水（W）？解：根據(jù)上式有：W＝1851kg。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣原料的產(chǎn)氣率和甲烷含量常用總固體的量作原料單位表示原料的產(chǎn)氣量。原料的總固體百分含量和總固體量式中：MTS－發(fā)酵原料總固體百分含量，

W1—發(fā)酵原料樣品重量，

W2—樣品在105土2℃條件下烘干衡重量，

W—發(fā)酵原料重量，

WTS—發(fā)酵原料所含總固體量。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣例題：有1000kg豬糞，從中稱取10g樣品，在105℃烘至恒重后的量為1.95g，求其總固體百分含量和總固體量。解：8.2厭氧發(fā)酵制沼氣

原料的碳氮比

混合原料碳氮比的計算

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣常用發(fā)酵原料的碳氮比8.2厭氧發(fā)酵制沼氣例：人糞和豬糞各100kg，配合成碳氮比為25：1的混合發(fā)酵原料，需稻草多少kg？發(fā)酵原料碳素占原料重量，%氮素占原料的重量，%碳氮比(C：N)干稻草鮮人糞鮮豬糞422.57.80.630.850.6067:13:113:18.2厭氧發(fā)酵制沼氣影響厭氧消化的因素在有機(jī)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)平衡狀態(tài)。厭氧消化過程應(yīng)該對以下幾個因素加以控制。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣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(diǎn)是有機(jī)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(jī)物稱為貧氮有機(jī)物；C/N小的有機(jī)物稱為富氮有機(jī)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(jī)物進(jìn)行合理配比。厭氧發(fā)酵的C/N(20~30):1為宜，C/N35:1時產(chǎn)氣量明顯下降。磷含量一般為有機(jī)物量的1/1000為宜。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣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。溫度主要影響微生物的生化反應(yīng)速度，因而與有機(jī)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：中溫消化溫度為35~38℃；高溫消化溫度為50~65℃8.2厭氧發(fā)酵制沼氣影響厭氧發(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6.5~7.5。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(jìn)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。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣影響厭氧發(fā)酵的因素(6)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，從而提高反應(yīng)器的消化處理能力，加快有機(jī)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(dá)到料液量的5％以上。(7)添加物和抑制物在發(fā)酵液中添加少量的ZnSO4、磷礦粉、煉鋼渣、爐灰等，有助于促進(jìn)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等重金屬及氰化物也會抑制厭氧消化8.2厭氧發(fā)酵制沼氣對厭氧發(fā)酵具有抑制性的物質(zhì)

抑制物質(zhì)抑制濃度/(mg/L)抑制物質(zhì)抑制濃度/(mg/L)揮發(fā)性脂肪酸（VFA）>2000SO42-

5000氨氮1500-3000Na3500-5500ABS（烷基苯磺酸鹽）50Cu5五氯苯酚10Cd150溶解性硫化物1000Fe1710Ca2500-4500Cr3+

3Mg1000-1500Cr6+

500K2500-4500Ni28.2厭氧發(fā)酵制沼氣金屬離子濃度（mg/L）金屬離子濃度（mg/L）促進(jìn)作用中等抑制強(qiáng)抑制促進(jìn)作用中等抑制強(qiáng)抑制鈉100～2003500～55008000鈣100～2002500～45008000鉀200～4002500～450012000鎂75～1501000～150030008.2厭氧發(fā)酵制沼氣分別在發(fā)酵液中添加少量的硫酸鋅、磷礦粉、煉鋼渣、碳酸鈣、爐灰等，均可不同程度地提高產(chǎn)氣量、甲烷含量以及有機(jī)物質(zhì)的分解率，其中以添加磷礦粉的效果為最佳。添加過磷酸鈣，能促進(jìn)纖維素的分解，提高產(chǎn)氣量。為什么？添加少量鉀、鈉、鈣、鎂、鋅、磷等元素能促進(jìn)產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣率的原因為：①促進(jìn)沼氣發(fā)酵菌的生長；②增加酶的活性。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。Mn2+、Zn2+是水解酶的活化劑，能提高酶的活性和促進(jìn)酶的反應(yīng)速度，有利于纖維素等大分子化合物的分解。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧消化工藝（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47～55℃，此時有機(jī)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(jī)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8.2厭氧發(fā)酵制沼氣（2）自然消化工藝自然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8.2厭氧發(fā)酵制沼氣根據(jù)投料運(yùn)轉(zhuǎn)方式劃分工藝類型連續(xù)消化工藝半連續(xù)消化工藝兩步消化工藝投料啟動后，經(jīng)一段時間的消化產(chǎn)氣，連續(xù)定量的添加消化原料和排出舊料；其消化時間能夠長期連續(xù)進(jìn)行。工藝易于控制，能保持穩(wěn)定的有機(jī)物消化速率和產(chǎn)氣率，但該工藝要求較低的原料固形物濃度

啟動時一次性投入較多的消化原料，當(dāng)產(chǎn)氣量趨于下降時，開始定期或不定期添加新料和排出舊料，以維持比較穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。農(nóng)村較適用

兩個反應(yīng)器；根據(jù)兩段理論設(shè)計厭氧消化工藝8.2厭氧發(fā)酵制沼氣回流攪拌

厭氧消化反應(yīng)池

沉淀池

貯氣柜

備料池

有機(jī)固體廢物

回流備料

肥料

用戶

池底污泥或消化料液

消化產(chǎn)氣

加水封池

入池堆漚

大換料

拌料接種

備料

肥料

定期或不定期出料

定期或不定期加料

活性污泥或其他接種物

連續(xù)消化工藝半連續(xù)消化工藝8.2厭氧發(fā)酵制沼氣厭氧發(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(yù)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。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣消化器

紅泥塑料沼氣池：批量進(jìn)料半塑式沼氣池/二塊模式全塑沼氣池/袋式全塑沼氣池/干濕交替消化沼氣池

水壓式消化池水壓式沼氣池具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、施工方便；但由于溫度不穩(wěn)定，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，因此原料的利用率低。長方形甲烷消化池

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣水壓式沼氣池

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣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)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。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣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-A4.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(dá)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(dá)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(qiáng)，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。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣水壓式厭氧發(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-A4.出料間液面B-B5.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)酵間。這樣，不斷產(chǎn)氣和不斷用氣，發(fā)酵間和出料間液面總是在初始狀態(tài)和極限狀態(tài)間不斷上下升降。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣長方形甲烷消化池

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣紅泥塑料消化池

8.2厭氧發(fā)酵制沼氣浮罩型發(fā)酵裝置8.2厭氧發(fā)酵制沼氣常見現(xiàn)代厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼裝置歐美型：直徑與高度比大于1，對底部沉積層和表面浮渣層通過通入氣體產(chǎn)生強(qiáng)烈的環(huán)流來處理。經(jīng)典型：該結(jié)構(gòu)有利于發(fā)酵污泥處于均勻、完全循環(huán)的狀態(tài)。蛋型：有利于發(fā)酵污泥完全徹底地形成物料流的循環(huán)而避免有死角出現(xiàn)，不會產(chǎn)生過多的物料沉積。歐洲平底型：與歐美型比，直徑與高度比較為合理，但比經(jīng)典型施工費(fèi)用低。8.2厭氧發(fā)酵制沼氣城市糞便的厭氧消化處理（1）化糞池1）工作原理：主要是利用厭