第九章厭氧過程與沼氣技術第一頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.厭氧過程與沼氣技術沼氣：有機物在厭氧和其他適宜條件下，經沼氣微生物分解化解，產生以甲烷和二氧化碳為主體的混合氣體。有機物是覆蓋地表植被在陽光作用下的產物，從光合作用的角度來說，沼氣是一種可再生能源。厭氧過程：有機物被厭氧菌在厭氧條件下分解產生甲烷和二氧化碳的過程。第二頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.1厭氧過程的基本原理早在19世紀人們就已經知道沼氣的產生是一個微生物學過程。1965年美國微生物學家Hungate教授創立了嚴格厭氧微生物培養技術，人們逐步開始認識到沼氣發酵的本質，揭示了沼氣發酵的微生物學原理:

沼氣發酵過程由多個生理類群的微生物在無氧條件下共同參與完成，是微生物為適應缺氧環境，利用不同類群的不同分解作用，構成完整的生化反應系列，逐步將有機質降解，最終形成甲烷、氫氣和二氧化碳，即沼氣。第三頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.1.1沼氣的理化性質沼氣是一種混合氣體，其中主要成分是：①甲烷(CH4)，占總體積的50%-70%，②二氧化碳(CO2)，占25%-45%。③少量的氮氣(N2)、氫氣(H2)、氧氣(O2)、氨氣(NH3)、一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)等氣體。甲烷與沼氣的主要理化性質如下表：第四頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.1.2厭氧發酵的主要歷程沼氣發酵是一個(微)生物學的過程各種有機質，包括農作物秸稈、人畜糞便以及工農業排放廢水中所含的有機物等，在厭氧及其他適宜的條件下，通過微生物的作用，最終轉化為沼氣，完成這個復雜的過釋，即為沼氣發酵。多糖脂類蛋白質液化單糖低聚糖脂肪酸氨基酸產酸丁酸丙酸乙酸乳酸產甲烷H2+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCO2氣發酵的基本示意歷程沼氣發酵主要分為：①液化；②產酸；③產甲烷三個階段進行，其發酵的基本示意歷程如圖下圖所示:第五頁，共四十五頁，2022年，8月28日①液化階段有機物中大分子碳水化合物(淀粉、纖維素、蛋白質)微生物產生的胞外酶小分子化合物①多糖分解成單糖或二糖②蛋白質分解成膚或氨基酸

③脂肪分解成甘油和脂肪酸

酶解①纖維素酶②肽酶③脂肪酶農作物秸稈、人畜糞便、垃圾以及其他各種有機廢棄物必須通過微生物分泌的胞外酶進行酶解分解成可溶于水的小分子化合物，這些小分子化合物才能進人到微生物細胞內，進行以后的一系列的生物化學反應，這個過程稱為液化。第六頁，共四十五頁，2022年，8月28日②產酸階段單糖類肽氨基酸甘油脂肪酸產酸微生物群①簡單的有機酸甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等轉化②醇甲醇乙醇等③二氧化碳、氫氣、氨氣和硫化氫等

在產酸微生物群的作用下小分子化合物轉化成簡單的有機酸、醇以及二氧化碳、氫氣、氨氣和硫化氫等。其中主要的產物是揮發性有機酸.以乙酸為主，約占80%，故稱為產酸階段。第七頁，共四十五頁，2022年，8月28日③產甲烷階段有機酸、醇以及二氧化碳和氨等甲烷+二氧化碳產甲烷微生物群

上述三個階段的界線和參與作用的沼氣微生物都不是截然分開的。尤其是液化和產酸兩個階段，許多參與液化的微生物也會參與產酸過程。因此，有的學者把沼氣發酵基本過程分為產酸(含液化階段)和產甲烷兩個階段。注意：隨后，這些有機酸、醇以及二氧化碳和氨氣等物質又被產甲烷微生物群利用，分解形成甲烷和二氧化碳。第八頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.1.3沼氣發酵的微生物群1.發酵性細菌復雜有機物如纖維素、蛋白質、脂類等不能溶解于水.必須首選被發酵性細菌所分泌的胞外酶水解為可溶性糖類、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能為微生物所利用。不能溶解于水的復雜有機物(如纖維素、蛋白質、脂類等)可溶于水的糖類、肽、氨基酸和脂肪酸

發酵性細菌所分泌的胞外酶水解第九頁，共四十五頁，2022年，8月28日發酵性細菌將上述可溶性物質吸收進細胞內，經發酵分解，將它們轉化為乙酸、丙酸、丁酸等和醇類及一定量H2、CO2。不能溶解于水的復雜有機物(如纖維素、蛋白質、脂類等)可溶于水的糖類、肽、氨基酸和脂肪酸

被發酵性細菌吸收至細胞內發酵分解參與這一水解發酵過程的微生物種類繁多，已研究過的就有幾百種，包括梭狀芽抱桿菌、擬桿菌、丁酸菌、嗜熱雙歧桿菌、產氣梭狀芽抱桿菌、產琥珀酸梭菌、北京丙酸桿菌和產氫螺旋體等。這些細菌多數為厭氧菌，也有兼性厭氧菌。第十頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.產氫乙酸菌只有甲酸、乙酸和甲醇可被絕大部分產甲烷菌直接利用。其他有機酸和醇類被產乙酸菌將分解轉化為乙酸、H2及CO2。經研究表明，上述反應過程在標準狀況下不但不能產生能量，反而消耗能量，因而反應不能發生。由于技術上的困難，有關產氫產乙酸菌的報道不多，布賴恩特實驗室報道了兩個分別代謝丙酸鹽和丁酸鹽的共培養物。其中的產氫產乙酸菌分別為沃氏互營桿菌和沃氏互營單胞菌。我國也分離到了沃氏夫氏互營單胞菌，并對其與甲烷菌互營聯合條件下降解丁酸鹽的反應進行了研究。第十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.耗氫乙酸菌耗氫乙酸菌既能代謝H2和CO2生成乙酸，也能代謝糖類產生乙酸。該細菌產生乙酸只占乙酸總量的1%-2%(40℃)、3%-4%(60℃)。已分離到的耗氫產乙酸菌有伍德乙酸桿菌、威林格乙酸桿菌、嗜熱自養梭菌等多種。耗氫產乙酸菌生長速度慢，在沼氣發酵過程中的作用可能并不重要。第十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日4.產甲烷菌產甲烷菌在生理上高度專化在厭氧條件下，產甲烷菌將前三群細菌和代謝的終產物，在沒有外源受氫體的情況下，把乙酸和H2/CO2轉化為氣體產物(CH4、CO2)。絕大部分產甲烷菌只代謝甲酸、甲醇、乙酸，但部分產甲烷菌還可代謝甲胺、二甲胺和三甲胺產生甲烷。個別菌株可代謝乙醇/CO2、丙醇/CO2

等，研究表明在厭氧消化器中約有2/3的甲烷是由乙酸裂解形成的，其余的大多數是來自H2和CO2的還原。產甲烷菌厭氧，暴露在空氣中會很快死亡。產甲烷菌種類多，據美國Oregon產甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)報道，該中心已收藏產甲烷菌215株，分屬于3目、6科、16屬、55種。第十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日通過對以上沼氣發酵各微生物類群的討論，可以認識到沼氣發酵過程是多種細菌協同完成的微生物學過程。因此，要提高沼氣發酵的效率:應注意所進原料與微生物之間的一致性，這在利用難降解有機物為原料時尤其重要。要注意活性污泥中產甲烷菌的數量為厭氧消化微生物創造良好生長條件，如合適的溫度、pH等，防止有毒物質的進人，特別是控制負荷以維持酸化和甲烷化速度的平衡，都是消化器正常運轉的重要因素。第十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.1.4沼氣發酵的工藝條件1.嚴格的厭氧環境沼氣發酵微生物包括：①產酸菌；②產甲烷菌,它們都是厭氧性細菌,尤其是產甲烷菌是嚴格慶氧菌，對氧特別敏感。因此，建造一個不漏水、不漏氣的密閉沼氣池是人工制取沼氣的關鍵。在密閉的沼氣池內，好氧菌和兼性厭氧菌的活動，迅速消耗了溶解氧，從而創造了良好的氧化還原勢條件。第十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.發酵溫度①沼氣發酵微生物可以在8～65℃產生沼氣。②40～50℃是沼氣微生物高溫菌和中溫菌活動的過渡區間，二者都不太適應，產氣速度會下降。③53～55℃時，沼氣微生物中的高溫菌活躍，產沼氣的速度最快④35℃左右中溫菌最活躍，產沼氣量出現峰值。高溫發酵低溫發酵第十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.發酵原料原料中水分、TS、VS和灰分之間的組成關系如下圖所示：原料水分總固體(TS)可被微生物利用灰分揮發性固體(VS)TS和VS計算方法如下：式中：Wd-樣品中干物質質量，mgWs-樣品總質量，mgWh-樣品灰分質量，mg第十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日不同的原料，產氣量、產氣率和產氣速度都會不同。原料種類產沼氣量/(m3/t干物質)甲烷含量/%原料種類產沼氣量/(m3/t干物質)甲烷含量/%豬糞560―樹葉210～29458馬糞200～300―廢物污泥61050青草63070酒廠廢水300～60058亞麻稈359―碳水化合物75049麥桿43259類脂化合物144072表1.發酵原料的產沼氣量幾種有機物質產氣量的比較第十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日表2.幾種有機物質的產氣速度為了使天然有機物質易于分解，以加強發酵菌的營養，要求培養基(為沼氣微生物提供生存營養的固性物質)有較大的反應表面，所以必須將含有不溶性物質的原料粉碎。第十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日產氣率分為原料產氣率、料液產氣率、池容產氣率幾種原料產氣率：是指單位原料重量在整個發酵過程中的產氣量口說明在一定的發酵條件下，原料被利用水平的高低，或發酵原料的產沼氣能力。原料產氣率的表示方法有三種：式中RTS—發酵原料總固體產氣率，m3/kg；RVS發酵原料揮發性固體產氣率,m3/kg；RCOD

—有機廢水單位COD產氣率，m3/kg；Vg—沼氣產量，m3；TS一發酵原料總固體量，kg；VS—發酵原料揮發性固體量，kg；COD—用化學需氧量表示的有機物量，kg。采用哪種方法表示，要根據測試手段的實際條件而選取。第二十頁，共四十五頁，2022年，8月28日料液產氣率：是指單位體積的發酵料液每天產沼氣的數量。料液中所含原料種類和質量(料液濃度)不同，產氣率差異較大。料液產氣率不能說明原料的利用水平的高低，也不能說明消化器容積被利用的水平，在大中型沼氣工程中不宜被采用。池容(對大中型沼氣工程而言，池容也為罐容)產氣率是指消化器單位容積每天生產沼氣的多少，其表示單位為m3/(m3·d)，池容產氣率說明消化器被利用水平高低。用原料產氣率和池容產氣率去評價兩種原料或兩個裝置被利用水平時，還要考慮兩者的發酵條件和生產狀況，因為原料發酵好壞與接種物、發酵溫度、發酵時間、料液濃度等因素有關。第二十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日4.料液濃度料液中干物質含量的百分比為料液濃度一般要求：夏季濃度在6%左右；冬季濃度在8%左右。濃度太低時，即含水量太多，有機物含量相對減少，會降低沼氣池單位容積中的沼氣產量濃度太高時，即含水量太少，不利于沼氣細菌的活動，發酵料液不易分解，使沼氣發醉受到阻礙，產氣慢而少。

發酵料液的濃度太低或太高，對產生沼氣都不利，因為：第二十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日5.酸堿度研究工作表明，碳氮比以(20～30):1為佳；碳、氮、磷比例以10:4:0.8為宜。

農副產品的污水一般適當，工業污水應補充到適宜值。6.碳、氮、磷比例①沼氣微生物最適宜的pH范圍是6.8～7.5

。②在大中型沼氣工程中給消化器投料時，要根據pH來控制投料量。例如：超負荷運行，會造成有機酸大量積累，pH下降，當pH<6.8時，產甲烷菌的生命活動將受到抑制，正常發酵將遭到破壞。此時可采取：Ⅰ.停止進料，Ⅱ.投加堿性物質。第二十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日7.添加劑和抑制劑揮發性酸過量，對發酵有阻抑作用。氨態氮(NH3-N)濃度過高時，對沼氣發酵菌有抑制和殺傷作用。各種農藥，都有極強的殺菌作用。鹽類，特別是金屬離子，都有強烈的抑制作用。

例如：100～200mg/L鈉、200～400mg/L鉀、100～200mg/L鈣和75～150mg/L鎂能刺激發酵過程。而濃度增加至鈉為3500～5500mg/L、鉀為2500～4500mg/L、鈣為2500～4500mg/L和鎂為1000～1500mg/L時，則產生中等強度的抑制。當濃度更大時，即鈉為8000mg/L、鉀12000mg/L、鈣為8000mg/L和鎂為3000mg/L時，對發酵過程產生強烈抑制作用。第二十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日8.攪拌攪拌的目的是使發酵原料分布均勻，增加沼氣微生物與原料的接觸面，加快發酵速度，提高產氣量。同時也可防止大量原料浮渣結殼，致使原料利用率降低，使產生的沼氣釋放困難。攪拌的方法有三種:(1)機械攪拌(2)氣攪拌(3)液攪拌第二十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.接種物有機物厭氧發酵生產沼氣，是由多種厭氧菌參與完成的。在發酵初期加人厭氧菌作為接種物(亦稱為菌種)，其菌種多少，直接影響產氣的快慢。條件具備時，采用生態環境一致的厭氧污泥作為接種物；不具備這樣條件時，需要進行菌種富集和培養。菌種富集和培養，是選擇活性較強的污泥、污水等添加適量(菌種量的5%～10%)、有機廢水或作物桔稈，裝入要密封的容器內，在適宜的溫度(常溫15～25℃，中溫35℃，高溫54℃)條件下，厭氧培養7～8d,控制其pH=6.8～7.5，再加人適量的有機廢水，重復操作，逐漸擴大。沼氣微生物像其他生物一樣，對環境有個適應范圍。為沼氣微生物群創造一個適宜的生活環境，以達到較高產氣量的目的。第二十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.2小型戶用沼氣池我國小型沼氣技術的研究與應用，經過了漫長的歲月，其發展歷程大體可劃分為4個階段。我國沼氣的研究起始于20世紀初期，沼氣進入實用階段是20世紀30年代。（起步階段）20世紀70年代初，解決了中國農村一些地方生活用能。（探索階段）20世紀80年代初期，為適應沼氣發展的需要，國家建立了一批沼氣研究機構。（發展階段）進人20世紀90年代，中國沼氣已有了二十幾年的豐富經驗。（推廣沼氣綜合利用階段）

據統計，到2002年底，全國小型沼氣池保有量為1000萬個，年產沼氣近3×108m3。第二十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.2.1小型沼氣池類型1.水壓式沼氣池主要由發酵間、進料營和水壓間三部分組成。（見下圖）發酵間中的是下部固、液混合料的液面，液面上的空間為儲氣室。在沼氣池正常產氣與向外供氣過程中，這個液面的上下位置經常是變動的，但二者之和永遠是發酵間的容積。當儲氣室中氣體壓力增大時，下面的一部分料液被擠入水壓間，液面下降;儲氣室中氣體壓力減小時，水壓間里的一部分料液又返回到發酵間內，液面上升。主酵間、水壓間和進料管，三者相當于一個"液體連通器"。第二十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日(1)水壓式沼氣池供氣原理如下圖：第二十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日產氣前，發酵原料未產氣時，儲氣室內的氣體沒有壓力，此時的發酵間液面、水壓間液面和進料管液面處于同一水平面位置。產氣不供氣，料液發酵產氣，儲存在儲氣室內。隨氣量的增多，壓力升高，氣體擠壓發酵間的液面，迫使水壓間液面上升，發酵間液面下降，氣體的壓力大小決定了液面的高差值。產氣同時供氣，用氣時打開閥門1，隨著儲氣室氣體的減少，壓力降低，水壓間的液面下降，發酵間的液面上升。當氣量與供給燃具的用氣量相等時，發酵間液面與水壓間液面.維持在一個相對穩定的高度差上。當發酵液料不產氣時，水壓間的液面回落，同時發酵間的液面上升，直到三個液面達到同一個高度的水平面為止。第三十頁，共四十五頁，2022年，8月28日(2)標準型水壓式沼氣池圓筒形沼氣池[圖(a)]主要由圓筒形池身、削球殼地蓋及池底的發酵間，進料管及圓形水壓間三部分組成。球形沼氣池[圖(b)]。由球形發酵間、進料及矩形或扇形水壓間三部分組成。橢球形沼氣池[圖(c)]主要由橢球形發酵間，進料管及矩形或扇形水壓間三部分組成。第三十一頁，共四十五頁，2022年，8月28日(3)設攪拌裝置的水壓式沼氣池農村小型沼氣池經常出現料液分層和結殼現象。料液結殼與分層一直是困擾沼氣用戶的一大難題。分層，下面干上面稀，不利發酵，影響產氣結殼，發酵產出的沼氣不能順利地進人儲氣室，轉向從水壓間、進料口冒出，造成氣源的浪費。設攪拌裝置的水壓式沼氣池能克服上述問題。第三十二頁，共四十五頁，2022年，8月28日水壓式沼氣池破殼攪拌裝置，主要由兩部分組成：①破殼籠：破殼籠為鐵絲焊接而成，液面的浮渣層由于受到破殼籠的阻攔而破裂。②攪拌器：攪拌的主要日的是防止料液分層，使原料和接種物充分接觸，增加微生物與原料的接觸面，加快發酵速度，提高產氣量。攪拌器也具有防止浮渣層積厚結殼的作用。圖10所示是湖南省岳陽縣農村能源技術服務站研制的水壓式沼氣池破殼攪拌裝置圖9-11所示是貴州省桃縣能源辦研制的水壓式沼氣池的攪拌裝置第三十三頁，共四十五頁，2022年，8月28日(4)曲流布料水壓式沼氣池發酵原料入池先在進料口喉部濾網過濾，進入池內經分流板進行半控或全控進行布料，目的要形成多路曲流使原料充分與污泥接觸。池底呈斜坡，在坡面設隔板阻流，保留一定量的污泥。在油拱中央設有傘架型破殼掛籠進行破殼。手動攪拌杠桿操縱傘架型掛籠破殼，并同時帶動底部連桿推盤推出沉積物。第三十四頁，共四十五頁，2022年，8月28日(5)發酵液高位差自功循環水壓式沼氣池基本結構如上圖所示，該池由一個標準常規水壓式沼氣池和一個掛有軟填料做菌床的生物濾池組成，兩池軍零壓液面一高一低，并共用一個水壓箱，第三十五頁，共四十五頁，2022年，8月28日特點：這種形式的沼氣池和發酵工藝流程，具有許多獨特的優點:a.用水壓箱作發酵原料預漚池，使原料在好氧的條件下，加快違度產酸菌的分解，促進對原料的液化產酸，發酵后的酸液留下自動入池，沉渣留下，解決了沉渣人池出料難的問題，同時好氧發酵產生的熱量，有利于沼氣池增溫和保溫；b.高位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、促進沼氣發酵速度、提早產氣、提高產氣量的作用；c.料液自動循環能起到攪拌發酵液的作用，提高產氣量，防止液面結殼等；d.可利用循環發酵由沖刷與沼氣池相結合的廁所蹲位及豬舍的地面，同時可作為預處理池的接種物，促進發酵，節約用水。第三十六頁，共四十五頁，2022年，8月28日2.浮罩式沼氣池按其結構，可分為：①直接儲氣浮罩式沼氣池②分離儲氣浮罩式沼氣池浮罩內的沼氣壓力值,可用下式計算:特點：罩內壓力基本穩定式中：P-沼氣壓力，cmH2O;G-浮罩及其配重的質量，kg;D-圓筒形浮罩內直徑，cm;1000-由kgf/cm2H20換算的系數。第三十七頁，共四十五頁，2022年，8月28日3.氣袋式沼氣池氣袋式沼氣池的發酵間沒有儲氣部分，沼氣直接輸入儲氣袋儲存起來。特點：池內沼氣壓力較低，在利于發酵和產氣。第三十八頁，共四十五頁，2022年，8月28日4.印度"戈巴"沼氣裝置其基本結構如下圖所示:發酵間成井狀，是地下建筑，井體直徑一般為1.5-6m之間。特點：出料靠池滿自溢，可年不需大出料，節約勞力。第三十九頁，共四十五頁，2022年，8月28日9.2.2小型沼氣池發酵工藝(1)半連續式發酵工藝（其工藝流程如下圖）備料配料攪拌接種發酵產