沼氣發(fā)酵的原理與應用

1、沼氣發(fā)酵的原理與應用摘 要 概述了沼氣技術(shù)及應用現(xiàn)狀。沼氣作為重要的可再生能源，具有很高的經(jīng)濟價值和環(huán)境效益。沼氣生產(chǎn)作為我國新農(nóng)村建設中解決農(nóng)村能源短缺問題的重要手段，具有廣闊的發(fā)展前景。利用外來侵略植物作為沼氣發(fā)酵原料可保護和改善生態(tài)環(huán)境，維護生態(tài)平衡。關(guān)鍵詞 沼氣 厭氧發(fā)酵 生物質(zhì) 能源沼氣發(fā)酵是利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)剩余物、食品加工和工業(yè)生產(chǎn)等廢棄物進行厭氧發(fā)酵,實現(xiàn)物質(zhì)資源化再利用的重要過程,其在自然界也有著極為普遍的存在。各種有機物經(jīng)沼氣發(fā)酵,不斷被分解代謝(同時生成沼氣),構(gòu)成了物質(zhì)和能量循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。在這一極為復雜的過程中,各類群微生物起著極為重要的作用。深入了解各類群微生物的作用特點

2、、生態(tài)功能及其彼此間的關(guān)聯(lián),將有助于更好地理解沼氣發(fā)酵,進而為更有效地實施操控提供理論依據(jù)。一、沼氣發(fā)酵的原理1、沼氣成分及性質(zhì)沼氣是一種可燃性氣體混合物主 要 成 分 是55 70%甲 烷25 40%co2 少量h2、h2s 、co、n等。沼氣的主要成分是甲烷。甲烷是無色、無臭的氣體，分子式ch4，分子量為16.04，在0 101325pa 標準狀態(tài)下，甲烷對空氣的相對密度為0.5548 沼氣約為 0.94 甲烷的熱值為35.9mj/m3，沼氣低熱值 2025mj/m3 。2、沼氣發(fā)酵基本原理沼氣是生物質(zhì)經(jīng)過多種微生物聯(lián)合厭氧消化作用而生成的可燃氣體。厭氧消化就是在無氧的條件下,由兼性厭氧菌

3、和專性厭氧菌聯(lián)合降解有機物，最終生成二氧化碳和甲烷等氣體的過程。人們對于沼氣發(fā)酵過程的劃分仍存在爭議；目前較多人支持m.p.bryant提出的沼氣發(fā)酵三個階段理論。沼氣發(fā)酵三個階段理論將沼氣發(fā)酵過程分為水解液化、 酸化和甲烷化三個階段：第一階段為水解液化階段；這一階段兼性厭氧菌和發(fā)酵性細菌將原料中較大分子的成分(如纖維素等)水解成可溶于水的有機酸和醇類等。第二階段為酸化階段；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將第一階段生成的有機酸和醇繼續(xù)分解成簡單的有機酸， 同時生成氫氣和二氧化碳。第三階段為甲烷化階段；產(chǎn)甲烷菌將第二階段生成的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳氣體， 即發(fā)酵的最終產(chǎn)物沼氣。沼氣的發(fā)酵過程2.1 第一階

4、段是液化階段 由微生物的包外酶（如纖維素酶、淀粉酶和蛋白酶等）對有機物質(zhì)進行體外酶解，將多糖水解成單糖或二糖、蛋白質(zhì)分解成多肽和氨基酸。通過體外酶解將固體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成可溶于水的物質(zhì)，這些物質(zhì)進入微生物細胞，參與細胞內(nèi)的生物化學反應。2.2 第二階段是產(chǎn)酸階段 上述的水解產(chǎn)物可以進入微生物細胞，在胞內(nèi)酶的作用下，進一步分解成小分子化合物，例如低級揮發(fā)性脂肪酸、醇、醛、酮、脂類、中性化合物、氫氣、二氧化碳、游離態(tài)氨。其中主要的揮發(fā)性酸乙酸最大。約占 80% ，參與這一階段的細菌統(tǒng)稱為產(chǎn)酸菌。2.3 第三階段是產(chǎn)甲烷階段 在這一階段中，產(chǎn)氨細菌大量繁殖和活動，氨態(tài)氮濃度增高，揮發(fā)酸濃度下降，為產(chǎn)甲烷菌

5、創(chuàng)造了適宜的生活環(huán)境，產(chǎn)甲烷菌大量繁殖。a.由醇和二氧化碳形成甲烷2ch3ch2oh + co2 2ch3cooh + ch44ch3oh 3ch4 + co2 + 2h2ob.由揮發(fā)酸形成甲烷2ch3ch2ch2cooh + 2h2o+co2 4ch3cooh + ch4c.二氧化碳被氫還原形成的甲烷co2 + 4h2 ch4 + 2h2o 沼氣發(fā)酵的三個階段是相互連接、交替進行的，它們之間保持動態(tài)平衡。在正常情況下，有機物質(zhì)的分解消化速度和產(chǎn)氣速度相對穩(wěn)定。如果平衡被破壞，就會影響產(chǎn)氣。若液化階段和產(chǎn)酸的發(fā)酵速度過慢，產(chǎn)氣率就會很低，發(fā)酵周期就變長，原料分解不完全，料渣就多。但如果前兩個階

6、段的發(fā)酸速度過快而超過產(chǎn)甲烷的速度，則會有大量的有機酸積累起來，出現(xiàn)酸阻抑，也會影響產(chǎn)氣，嚴重時會出現(xiàn)“酸中毒”，而不能產(chǎn)生沼氣。3、沼氣發(fā)酵微生物概況沼氣發(fā)酵微生物種類繁多,大體可分為產(chǎn)甲烷菌群和不產(chǎn)甲烷菌群兩類。產(chǎn)甲烷微生物菌群,通常稱為產(chǎn)甲烷菌,依照其形態(tài)特征可分為甲烷球菌屬、甲烷八疊球菌屬、甲烷桿菌屬和甲烷螺菌屬。在厭氧條件下,產(chǎn)甲烷菌可利用不產(chǎn)甲烷菌的中間代謝物和最終代謝產(chǎn)物作為其營養(yǎng)和能源物質(zhì),以此進行生長繁殖并最終產(chǎn)生甲烷。不產(chǎn)甲烷菌群主要是一大類兼性厭氧菌,從生理功能上又可分為揮發(fā)酸生成菌群和基質(zhì)分解菌群。其中以細菌種類居多,目前已知的有18個屬51個種,隨著研究的深入和分離方

7、法的改進,還有新種不斷被發(fā)現(xiàn)。它們具備水解和發(fā)酵大分子有機物并產(chǎn)酸的能力,在滿足自身生長的同時,為產(chǎn)甲烷菌提供能量和物質(zhì)。不產(chǎn)甲烷菌種類十分寬泛,包括化能自養(yǎng)菌、化能異養(yǎng)菌和光能異養(yǎng)菌,甚至還有真菌和原生動物的存在。二、沼氣發(fā)酵工藝根據(jù)發(fā)酵原料和發(fā)酵條件的不同,所采用的發(fā)酵工藝也多種多樣。1 沼氣發(fā)酵的基本工藝流程一個完整的大中型沼氣發(fā)酵工程,無論其規(guī)模大小,都包括了如下的工藝流程:原料(廢水)的收集、預處理、消化器(沼氣池)、出料的后處理和沼氣的凈化與儲存等,如下圖所示:2 沼氣發(fā)酵工藝的基本條件2.1 適宜的發(fā)酵溫度沼氣池的溫度條件分為:常溫發(fā)酵(也稱為低溫發(fā)酵)1030,在這個溫度條件下

8、,產(chǎn)氣率可為0.150.3m3/m3d。中溫發(fā)酵3045,在這個溫度條件下,池容產(chǎn)氣率可達1m3/m3d左右。高溫發(fā)酵4560,在這個溫度條件下,池容產(chǎn)氣率可達22.5m3/m3d左右。沼氣發(fā)酵最經(jīng)濟的溫度條件是35,即中溫發(fā)酵。2.2 適宜的發(fā)酵液濃度發(fā)酵液的濃度范圍是2%30%。濃度愈高產(chǎn)氣愈多。發(fā)酵液濃度在20%以上稱為干發(fā)酵。農(nóng)村戶用沼氣池的發(fā)酵液濃度可根據(jù)原料多少和用氣需要以及季節(jié)變化來調(diào)整。夏季以溫補料濃度為56%冬季以料補溫1012%;曲流布料沼氣池工藝要求發(fā)酵液濃度為58%。3 發(fā)酵原料中適宜的碳、氮比例(c:n)沼氣發(fā)酵微生物對碳素需要量最多,其次是氮素,我們把微生物對碳素和

9、氮素的需要量的比值,叫做碳氮比,用“c:n”來表示。目前一般采用c:n=25:1。但并不十分嚴格, 20:1、25:1、30:1都可正常發(fā)酵。4 適宜的酸堿度(ph值)沼氣發(fā)酵適宜的酸堿度為ph=6.57.5。為什么酸堿度會影響沼氣發(fā)酵呢?主要是因為ph值影響酶的活性。5 足夠量的菌種沼氣發(fā)酵中菌種數(shù)量多少,質(zhì)量好壞直接影響著沼氣的產(chǎn)量和質(zhì)量。一般要求達到發(fā)酵料液總量的1030%,才能保證正常啟動和旺盛產(chǎn)氣。6 較低的氧化還原電位(厭氧環(huán)境)沼氣甲烷菌要求在氧化還原電位大于-330mv的條件下才能生長。這個條件即:嚴格的厭氧環(huán)境。所以,沼氣池要密封。三、沼氣發(fā)酵應用現(xiàn)狀與前景展望歐洲沼氣技術(shù)發(fā)

10、展開始于20世紀70年代，當時人們開始重視可再生能源和綠色能源，但前期所建的厭氧消化設施普遍存在管道堵塞、配套設備質(zhì)量差、沼氣利用方式落后、效率不高等問題，從而導致沼氣工程經(jīng)濟效益差。近十幾年間，歐洲所建的沼氣工程數(shù)量相對減少，但消化工藝和裝備質(zhì)量都明顯提高，工程造價也相對降低。這些裝置的厭氧消化工藝主要是全混合或推流式厭氧工藝，中溫發(fā)酵、停留時間為2030天，消化處理單一原料，沼氣主要用于室內(nèi)供暖或熱電聯(lián)用。集中厭氧消化系統(tǒng)代表了目前歐洲沼氣工程的發(fā)展趨勢，發(fā)展較快的國家主要是丹麥、德國、英國和瑞典。我國大中型沼氣發(fā)酵工程發(fā)展始于20世紀70年代末，整個發(fā)展過程與我國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展規(guī)模和集約化

11、程度密切相關(guān)，也與整個社會對環(huán)境保護的關(guān)注程度有關(guān)。70年代末到80年代中期，這一階段發(fā)展畜禽養(yǎng)殖場沼氣工程主要是為了得到沼氣能源，以緩解當時農(nóng)村地區(qū)能源供應的嚴重不足。由于當時的大中型養(yǎng)殖場較少，早期工程所用的發(fā)酵原料除了糞便外，一部分工程還用秸稈作原料，采用常溫發(fā)酵，池容產(chǎn)氣率只有0.2m3/m3d左右，發(fā)酵液不再處理，直接作為肥料。從90年代初開始，大中型沼氣工程的建設重視強調(diào)工程的環(huán)境效益，并通過開展綜合利用來增加工程的經(jīng)濟效益，研究開發(fā)出了多種新型高效發(fā)酵工藝，使厭氧消化器的處理能力提高210倍、產(chǎn)氣率提高13倍、cod去除率提高10%20%。隨著生產(chǎn)的發(fā)展和居住地的集中,工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活過程中所產(chǎn)生的有機廢物越來越多,為沼氣發(fā)酵提供了充足的原料。隨著人民生活水平的提高,居住條件的改善,人們要求方便而清潔的生活能源,燃氣將成為今后城鎮(zhèn)生活能源的一種主要形式。將當?shù)厮a(chǎn)生的有機廢物集中起來進行沼氣發(fā)酵,既可解決居民燃氣,同時也可保護環(huán)境。因此,發(fā)展沼氣實現(xiàn)農(nóng)村燃氣化是一項現(xiàn)實而又一舉多得的科技事業(yè)。參考文獻1張全國.沼氣技術(shù)及應用 m . 北京; 化學工