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文檔簡介

1、沼氣工程技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn):沼氣發(fā)酵原理 沼氣發(fā)酵工藝控制技術(shù) 大中型沼氣工程技術(shù)及項(xiàng)目設(shè)計(jì)Bornholm“十二五”規(guī)劃 起止時間:2011-2016 年 Y36) 生物燃?xì)飧咝е苽浼熬C合利用技術(shù) 目標(biāo):實(shí)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獾母咝a(chǎn)與高值化利用,形成自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)。 研究內(nèi)容:高濃度、混合原料的濕發(fā)酵、干發(fā)酵技術(shù);大型治氣及熱電聯(lián)供技術(shù);高效熱解氣化技術(shù);燃?xì)鈨艋案咧祷眉夹g(shù)。起止日期:2011-2015 年 S34) 農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物燃?xì)饧捌渚C合利用示范工程 目標(biāo):建設(shè)日產(chǎn)500010000m3農(nóng)業(yè)廢棄物制備生物燃?xì)饧捌渚C合利用示范工程,制定相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。 研究內(nèi)容:農(nóng)業(yè)廢棄物(畜

2、禽糞便、作物秱稈或農(nóng)業(yè)加工廢棄物等)高效制備甲烷化生物燃?xì)饧夹g(shù);生物燃?xì)鈨艋豳|(zhì)技術(shù);秱稈熱化學(xué)轉(zhuǎn)化合成車用燃?xì)饧夹g(shù);生物燃?xì)庵苽滠囉萌細(xì)庋芯颗c示范應(yīng)用。 沼氣發(fā)展簡史 沼氣微生物發(fā)酵原理及工藝條件 戶用沼氣池技術(shù) 大中型沼氣工程設(shè)計(jì)及可行性報告撰寫楚雄養(yǎng)殖場沼氣工程項(xiàng)目楚雄養(yǎng)殖場沼氣工程項(xiàng)目 楚雄市東華鎮(zhèn)楚雄市明宏生態(tài)科技工貿(mào)有限責(zé)任公司:存欄28,000頭豬,日排放500m3糞便廢水。糞便廢水收糞便廢水收集系統(tǒng)集系統(tǒng) 固液分離系統(tǒng)固液分離系統(tǒng) 固體部分固體部分加工有機(jī)復(fù)合肥加工有機(jī)復(fù)合肥液體部分液體部分厭氧消化厭氧消化沼沼 氣氣 沼電并網(wǎng)沼電并網(wǎng)太陽能集熱器太陽能集熱器商品肥料商品肥料沼沼

3、 液液有機(jī)液肥加工有機(jī)液肥加工脫脫 硫硫 貯氣柜貯氣柜 脫脫 水水 沼氣發(fā)電沼氣發(fā)電 用用 戶戶 集中供氣集中供氣 村民用電村民用電 農(nóng)田供肥農(nóng)田供肥沉淀調(diào)節(jié)池沉淀調(diào)節(jié)池好氧折流池好氧折流池排排 放放農(nóng)田灌溉水農(nóng)田灌溉水楚雄養(yǎng)殖場沼氣工程流程圖沼氣效益沼氣效益 集中供氣日集中供氣日150m3計(jì)計(jì)(0.8元元),年收入,年收入4.38萬元萬元 沼氣發(fā)電,日發(fā)電沼氣發(fā)電,日發(fā)電7500kWh(0.8元元),年收入,年收入219萬元萬元有機(jī)復(fù)合肥效益有機(jī)復(fù)合肥效益 日生產(chǎn)高效有機(jī)復(fù)合肥日生產(chǎn)高效有機(jī)復(fù)合肥10噸噸(600元元),年產(chǎn)值,年產(chǎn)值180萬元萬元 日提供粗加工有機(jī)肥日提供粗加工有機(jī)肥10噸

4、噸(300元元),年收入,年收入90萬元萬元效益分析效益分析有機(jī)液肥有機(jī)液肥 日生產(chǎn)高效有機(jī)液肥日生產(chǎn)高效有機(jī)液肥10噸噸(200元元),年產(chǎn)值,年產(chǎn)值60萬元萬元 年提供農(nóng)田液肥年提供農(nóng)田液肥2萬噸萬噸(20元元),年收入,年收入40萬元萬元CDM:溫室氣體減排:溫室氣體減排 南方每頭豬年排放南方每頭豬年排放CH44kg,年排放,年排放CO22352噸噸 沼氣及沼氣發(fā)電年產(chǎn)生沼氣及沼氣發(fā)電年產(chǎn)生2.8萬噸萬噸CO2減排減排(8歐元?dú)W元) 即該工程年減排即該工程年減排CO2約約3萬噸,其經(jīng)濟(jì)收益為:萬噸,其經(jīng)濟(jì)收益為:24萬歐萬歐元元Questions Why do you need a bi

5、ogas plant? What can be the alternative? Costs of a biogas plant?( Benefits/Animal husbandry/ P-Use of Biogas/ Construction & Operation & Maintenance) Planning?(biogas /digestate / Fermenter) 一、沼氣發(fā)展簡史重點(diǎn):英文命名與沼氣發(fā)展的四個階段沼氣發(fā)展簡史1.國際 Bechamp 甲烷形成是微生物過程1896 England(埃塞特) 沼氣街燈可發(fā)應(yīng)用1900 India 人糞沼氣池1927

6、 Germany 沼氣發(fā)電1936 Thames 厭氧消化技術(shù)1950-1955 England 高速消化期 厭氧接觸工藝1969-1979 厭氧濾器 厭氧污泥床20世紀(jì)70年代 沼氣發(fā)酵系統(tǒng)2 國內(nèi)國內(nèi)經(jīng)歷四個時期經(jīng)歷四個時期1880-1929民間制取瓦斯民間制取瓦斯1930-1949羅國瑞田立方羅國瑞田立方瓦斯庫、培訓(xùn)瓦斯庫、培訓(xùn)1950-1969姜子鋼姜子鋼高潮高潮-失敗失敗1970- -四個階段四個階段沼氣發(fā)展四個階段(1973-)沼氣發(fā)展史沼氣發(fā)展史1234倉促發(fā)展與回落倉促發(fā)展與回落1973-1983調(diào)整與重視科技調(diào)整與重視科技1984-1991回升與效益顯現(xiàn)回升與效益顯現(xiàn)1992

7、-1998全面提升與快速發(fā)展全面提升與快速發(fā)展1998-Expansion of biogas facilities in China數(shù)據(jù)來源:Biogas from waste and Renewable Resources(wiley)沼氣來源及常見命名二、沼氣發(fā)酵原理重點(diǎn):三階段發(fā)酵理論 發(fā)酵工藝條件Schematic of a biogas plant utilizing cow dung1: Compost storage, 2: pump, 3: internalheater, 4: digester, 5: combustor, 68: power generators1.沼氣燃

8、料的特點(diǎn) 沼氣是一種混合氣體,其中主要成分是CH4占總體積的50%70%,其次是CO2占25%45%。除此之外,還含有少量的N2、H2、O2、NH3、CO、和H2S等氣體。 1m3沼氣的用途1234發(fā)電發(fā)電1.5KW.h供供60W電燈照明電燈照明7h驅(qū)動驅(qū)動5.4*106J引擎引擎1h1m3沼氣開動開動300L冰箱冰箱3h 沼氣火焰顏色與甲烷含量對照表2.沼氣發(fā)酵微生物學(xué)原理2.1 2.1 沼氣發(fā)酵階段理論沼氣發(fā)酵階段理論利用厭氧微生物進(jìn)行有機(jī)廢棄物厭氧分解的工藝稱之為利用厭氧微生物進(jìn)行有機(jī)廢棄物厭氧分解的工藝稱之為厭氧處理厭氧處理;以產(chǎn)出沼氣為重要指標(biāo)的厭氧處理就是以產(chǎn)出沼氣為重要指標(biāo)的厭氧

9、處理就是沼氣發(fā)酵工藝沼氣發(fā)酵工藝。氧氧簡單有機(jī)物簡單有機(jī)物特點(diǎn):特點(diǎn):厭氧分解過程產(chǎn)生的能量少,細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低,厭氧分解過程產(chǎn)生的能量少,細(xì)胞產(chǎn)量和污染物分解速率低,其優(yōu)點(diǎn)是能耗低、需要二次處理的污泥量少、運(yùn)行費(fèi)用低并且處理有機(jī)負(fù)其優(yōu)點(diǎn)是能耗低、需要二次處理的污泥量少、運(yùn)行費(fèi)用低并且處理有機(jī)負(fù)荷強(qiáng)度高。荷強(qiáng)度高。 能量代謝最終電子受體能量代謝最終電子受體有機(jī)物要經(jīng)過水解,產(chǎn)酸等多種不同的微生物降解過程,最終由產(chǎn)甲烷細(xì)有機(jī)物要經(jīng)過水解,產(chǎn)酸等多種不同的微生物降解過程,最終由產(chǎn)甲烷細(xì)菌作用而生成甲烷和二氧化碳。菌作用而生成甲烷和二氧化碳。好氧處理:好氧處理:厭氧處理:厭氧處理:利用氫氣

10、和二氧化碳生成甲烷:利用氫氣和二氧化碳生成甲烷: 4H2+CO2CH4+2H2O利用乙酸生成甲烷:利用乙酸生成甲烷: CH3COOHCH4+CO2有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷過程有機(jī)污染物厭氧分解生成甲烷過程 復(fù)雜的有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解成簡單的溶復(fù)雜的有機(jī)物首先在發(fā)酵性細(xì)菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下分解成簡單的溶解性的有機(jī)物,并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)由胞內(nèi)酶分解為乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂解性的有機(jī)物,并進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)由胞內(nèi)酶分解為乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂肪酸和乙醇等醇類,同時產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。起重要作用的第二類細(xì)菌是肪酸和乙醇等醇類,同時產(chǎn)生氫氣和二氧化碳。起重要作用的第二類細(xì)菌是產(chǎn)氫

11、產(chǎn)乙酸菌,它們把丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸。第三類微產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌,它們把丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等轉(zhuǎn)化為乙酸。第三類微生物是產(chǎn)甲烷細(xì)菌,它們分別通過以下兩種途徑之一生成甲烷。生物是產(chǎn)甲烷細(xì)菌,它們分別通過以下兩種途徑之一生成甲烷。顆粒物水解顆粒物水解產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)酸產(chǎn)氫菌群產(chǎn)甲烷菌群產(chǎn)甲烷菌群液化液化CO2,H2,C2O2H4胞外酶胞外酶CO2,CH4,H2O反應(yīng)鏈條各節(jié)的速反應(yīng)鏈條各節(jié)的速度應(yīng)該盡可能相等度應(yīng)該盡可能相等酸化酸化甲烷化甲烷化厭氧消化階段理論厭氧消化階段理論P(yáng)roteinsCarbohydratesLipidsSugarsAmino acidsAlcoholsLong

12、-chain fatty acidsAlcoholsSuccinate, LactateAromatesVFAAcetateCarbon dioxideHydrogenMethaneCarbon dioxideHydrolysisAcidogenesisAcetogenesisMethanogenesis復(fù)雜有機(jī)物復(fù)雜有機(jī)物碳水化合物,蛋白質(zhì),脂類碳水化合物,蛋白質(zhì),脂類簡單溶解性有機(jī)物簡單溶解性有機(jī)物1水解1發(fā)酵脂肪酸、醇類脂肪酸、醇類11H2 ,CO2CH3COOH22產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌3 同型產(chǎn)乙酸菌 5 產(chǎn)甲烷菌CH4+ CO2產(chǎn)甲烷菌4甲烷產(chǎn)量的70%甲烷產(chǎn)量的30%水解發(fā)酵階段產(chǎn)酸產(chǎn)氫階

13、段產(chǎn)甲烷階段液化階段酸化階段氣化階段按降解機(jī)理分段:按降解機(jī)理分段:按物性變化分段:按物性變化分段:厭氧消化三階段系統(tǒng)圖厭氧消化三階段系統(tǒng)圖2.2 沼氣發(fā)酵微生物厭氧消化階段微生物厭氧消化階段微生物單糖單糖 碳水化合物碳水化合物 蛋白質(zhì)蛋白質(zhì) 氨基酸氨基酸 脂肪酸脂肪酸,甘油,甘油 甲醇甲醇 脂類脂類 甲酸甲酸甲甲 酸酸 H2/CO2 乙酸乙酸 乙醇乙醇 酪酸酪酸 乳酸乳酸 戊戊 酸酸 H H乙酸乙酸 丙酸丙酸 乙酸乙酸 CO2乙酸乙酸 H2/CO2水解菌水解菌產(chǎn)酸菌產(chǎn)酸菌 產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)乙酸產(chǎn)氫菌產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)甲烷菌 CO2+CH4H2/CO2 羧菌屬(羧菌屬(Clostridium)降解淀粉、

14、蛋白質(zhì)等有機(jī)物,)降解淀粉、蛋白質(zhì)等有機(jī)物, 產(chǎn)產(chǎn)生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氫氣。似桿菌屬(似桿菌屬(Bacteroides) 降解纖維素或半纖維素。降解纖維素或半纖維素。丁酸弧菌屬(丁酸弧菌屬(Butyrivibrio)降解脂肪、蛋白質(zhì)等)降解脂肪、蛋白質(zhì)等真細(xì)菌屬(真細(xì)菌屬(Eubacterium)蛋白質(zhì)、糖類等的分解)蛋白質(zhì)、糖類等的分解雙歧桿菌屬(雙歧桿菌屬(Bifidobacterium)分解蛋白質(zhì)等。)分解蛋白質(zhì)等。厭氧消化微生物厭氧消化微生物發(fā)酵細(xì)菌很多,以上只列出了見于厭氧消化中的主要的一小部分。這些微發(fā)酵細(xì)菌很多,以上只列出了見于厭氧消化中的主

15、要的一小部分。這些微生物的主要功能是通過胞外酶的作用將固形有機(jī)物水解成溶解有機(jī)物,再生物的主要功能是通過胞外酶的作用將固形有機(jī)物水解成溶解有機(jī)物,再將可溶性的大分子有機(jī)物降解成有機(jī)酸、醇等。將可溶性的大分子有機(jī)物降解成有機(jī)酸、醇等。主要功能主要功能胞外酶作用胞外酶作用固形有機(jī)物固形有機(jī)物溶解有機(jī)物溶解有機(jī)物水水解解互營單細(xì)胞菌屬(互營單細(xì)胞菌屬(Syntrophomonas)互營桿菌屬(互營桿菌屬(Syntrophobacter)羧菌屬(羧菌屬(Clostridium)暗桿菌屬(暗桿菌屬(Pelobacter)等。)等。這些微生物的主要功能是可將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和這些微生物的主要功能是可

16、將揮發(fā)性脂肪酸降解為乙酸和H H2 2。這些菌的產(chǎn)乙酸、產(chǎn)氫反應(yīng),只有在氫分壓很低時才能完成。這些菌的產(chǎn)乙酸、產(chǎn)氫反應(yīng),只有在氫分壓很低時才能完成。2CH3CH2COOH + 2H2O3CH3COOH + 2 H2主要功能主要功能胞內(nèi)酶作用胞內(nèi)酶作用揮發(fā)性脂肪酸揮發(fā)性脂肪酸乙酸和乙酸和H2降降解解 自然界中最古老(36億年左右),分布最廣的微生物。 產(chǎn)甲烷菌在厭氧水系生態(tài)碳鏈中的最底層。 氫氣是多數(shù)甲烷菌種可共同利用的基質(zhì),是厭氧條件下最普遍的能源物質(zhì)。工程中乙酸是產(chǎn)甲烷菌的主要基質(zhì)。 甲烷菌在400nM光源照射下,發(fā)出藍(lán)綠色熒光。 在熒光顯微鏡下,容易識別區(qū)分于其他細(xì)菌。熒光來源于甲烷菌體內(nèi)

17、的輔酶F420( Methanothrix屬細(xì)菌的F420含量較低,熒光不易觀察)4H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH44H2 + CO2 CH4 + H2O3CH3COOHCO2 + CH4氧化還原電位在 -400 -150mV 之間(另有說法認(rèn)為必須小于-330mV)1升30 、pH7.0的水在-330mV時,與大氣平衡的含氧濃度為1.48x10-56分子/升??梢娡ㄟ^除氧來獲取低電位十分困難。這使得甲烷菌的純分離培養(yǎng)有一定的難度。 產(chǎn)甲烷菌的研究,70年代后期才越來越受到重視,并取得了較快的進(jìn)展。比如80年時研究發(fā)現(xiàn)的甲烷菌共有4屬11種,世代時間最快的

18、為3小時;到1992年正式發(fā)表的甲烷菌就增加到了19屬59種,世代時間最快的僅為26分鐘。 甲烷菌中可代謝乙酸的甲烷菌不過兩屬。大多數(shù)甲烷菌是利用氫氣和二氧化碳生成甲烷。表 1.2.1 菌(続) 代謝基質(zhì) 甲烷菌 形狀 最適溫度() pH H2/CO2 甲酸鹽 甲基化合物 酢酸鹽 2-Pro/CO2 2-But./CO2 其他 Methanococcus M.vannielii 不規(guī)則球菌 35-40 7.0-9.0 + + - - NT M.voltae 不規(guī)則球菌 35-40 6.5-8.0 + + - - - M.maripaludis 不規(guī)則球菌 35-40 6.5-8.0 + + -

19、 - - M.thermolithotrophicus 不規(guī)則球菌 65 6.5-8.0 + + - - NT M.jannaschii 不規(guī)則球菌 85 5.0-7.0 + - - - - M.frisius 不規(guī)則球菌 36 6.5-7.2 + - + - NT M.deltae 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - NT Methanoculleus M.bourgense 不規(guī)則球菌 35-42 6.3-6.8 + + - - + M.marisnigri 不規(guī)則球菌 20-25 6.8-7.3 + + - - + M.thermophilicum 不規(guī)則球菌 55-60 6.5-7.

20、2 + + - - + M.olentangyi 不規(guī)則球菌 37 7 + - - - (+) Methanogenium M.cariaci 不規(guī)則球菌 20-25 6.2-6.6 + + - - - M.liminatans 不規(guī)則球菌 40 7 + + - - + M.tationis 不規(guī)則球菌 40 7 + + - - - M.organophilum 不規(guī)則球菌 39 6.4-7.3 + + - - + EtOH/CO2, 1-Pro/CO2 Methanomiocrobium M.mobile 糸狀菌 40 6.1-6.9 + + - - NT Methanolacinia M.

21、paynteri 不規(guī)則桿菌 40 6.6-7.2 + - - - + CP/CO2 世代時間只有26分鐘,增殖速度最快的產(chǎn)甲烷菌。表 1.2.1 菌(続) 代謝基質(zhì) 菌 形狀 最適溫度() pH H2/CO2 蟻酸塩 基化合物 酢酸塩 2-Pro/CO2 2-But./CO2 他 Methanospirillum M.hungatei 鞘包桿菌 30-37 NT + + - - + Methanocorpusculum M.parvum 不規(guī)則球菌 37 6.8-7.5 + + - - + M.aggregans 不規(guī)則球菌 35-37 6.4-7.2 + + - - NT M.labrea

22、num 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - NT M.sinense 不規(guī)則球菌 30 7 + + - - NT M.bavaricum 不規(guī)則球菌 37 7 + + - - + CP/CO2 Methanoplanus M.ednosymbiosus 狀 32 6.6-7.1 + + - - NT M.limicola 狀 40 7 + + - - NT Methanosarcina M.barkrei 八連球菌 30-40 7 + + + + - M.acetivorans 八連球菌 35-40 6.5-7 - - + + NT M.mazei 八連球菌 30-40 7.0-7.2 +,

23、(-) - + +,(-) NT M.vacuolata 八連球菌 50 6 - - + + NT M.thermophila 八連球菌 40 7.5 + - + + NT Methanothrix M.soehngenii 鞘包桿菌 35-40 7.4-7.8 - - + + NT M.thermophila 鞘包桿菌 55-65 7 - - + + NT 只有兩屬產(chǎn)甲烷菌可以代謝乙酸只有兩屬產(chǎn)甲烷菌可以代謝乙酸 表 1.2.1 菌(続) 代謝基質(zhì) 菌 形狀 最適溫度() pH H2/CO2 蟻酸塩 基化合物 酢酸塩 2-Pro/CO2 2-But./CO2 他 Methanolobus M

24、.tindarius 不規(guī)則球菌 25 6.5 - - + - NT M.siciliae 不規(guī)則球菌 40 5.5-6.8 - - + - NT M.vulcani 不規(guī)則球菌 37 7 - - + - NT Methanococcoides M.methylutens 不規(guī)則球菌 30-35 7 - - + - NT Methanohalophillus M.mahii 不規(guī)則球菌 35-37 7.4-7.8 - - + - NT M.zhilinae 不規(guī)則球菌 45 9.2 - - + - NT M.oregonense 不規(guī)則球菌 35-37 8.2-9.2 - - + - NT M

25、.halpophilus 不規(guī)則球菌 26-36 6.6-7.4 - - + - NT Methanohalobium M.evestigatus NA 50 7 NA NA + NA NA Methanooyrus M.kandleri 長桿菌 98 6.5 + - - - NT NA: 詳細(xì)不明。 NT: 項(xiàng)目調(diào)意味?;|(zhì)資化性項(xiàng)目置 + 物質(zhì)利用、- 利用意味。2-Pro: 2-propanol; 2-But: 2-butanol; Etoh: ethanol; 1-pro: 1-propanol; CP: Cyclopentanol。 加利福尼亞灣海底200米的溫泉噴水口附近的堆積物中

26、分離出的甲烷菌,可生存于110 的高溫環(huán)境中。極限微生物極限微生物產(chǎn)甲烷八疊球菌產(chǎn)甲烷八疊球菌(Methanosarcina )索氏絲菌是厭氧處理工程中最重要的細(xì)菌,尤其在上流式污泥床反應(yīng)索氏絲菌是厭氧處理工程中最重要的細(xì)菌,尤其在上流式污泥床反應(yīng)器中大量存在。它只能代謝醋酸,增殖速度很慢,世代時間器中大量存在。它只能代謝醋酸,增殖速度很慢,世代時間3-73-7天。天。產(chǎn)甲烷索氏絲菌產(chǎn)甲烷索氏絲菌(Methanothrix)1)纖維素的生物降解)纖維素的生物降解 纖維素是纖維素是植物細(xì)胞壁的主要成分,約占植物殘體干重的植物細(xì)胞壁的主要成分,約占植物殘體干重的35-60,是天,是天然有機(jī)物中數(shù)量

27、最大的一類污染物。然有機(jī)物中數(shù)量最大的一類污染物。 纖維素是由纖維素是由300-2500個葡萄糖分子組成的高分子縮聚物,性狀穩(wěn)定必須個葡萄糖分子組成的高分子縮聚物,性狀穩(wěn)定必須在纖維素酶的作用下才能分解成二糖或單糖。纖維素酶包括三類:在纖維素酶的作用下才能分解成二糖或單糖。纖維素酶包括三類:C1酶,酶, Cx酶和酶和-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶 。 在好氧環(huán)境中,葡萄糖可氧化成在好氧環(huán)境中,葡萄糖可氧化成CO2和水;在厭氧環(huán)境中葡萄糖進(jìn)行丁和水;在厭氧環(huán)境中葡萄糖進(jìn)行丁酸型發(fā)酵,變成丁酸,丁醇,乙酸,乙醇,酸型發(fā)酵,變成丁酸,丁醇,乙酸,乙醇,CO2, H2O等產(chǎn)物。等產(chǎn)物。(C6H10O5)nC1

28、2H12O11C6H12O6C1酶,酶, Cx酶酶+H2O+H2O-葡萄糖苷酶葡萄糖苷酶CO2+ H2OH2, CO2 ,丁酸等,丁酸等厭氧厭氧好氧好氧纖維素纖維素纖維二糖纖維二糖葡萄糖葡萄糖有機(jī)基質(zhì)的降解與甲烷化有機(jī)基質(zhì)的降解與甲烷化2)木質(zhì)素的生物降解)木質(zhì)素的生物降解 木質(zhì)素是一種高分子的芳香族木質(zhì)素是一種高分子的芳香族 聚合物,大量存在于植物木質(zhì)化聚合物,大量存在于植物木質(zhì)化組織的細(xì)胞壁,與纖維素緊密的交織在一起,有增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的功組織的細(xì)胞壁,與纖維素緊密的交織在一起,有增強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度的功能。能。 木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,它是由以苯環(huán)為核心,帶有丙烷支鏈木質(zhì)素的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,它是由以苯環(huán)

29、為核心,帶有丙烷支鏈組成的一種或多種芳香族化合物縮合而成,并常與多糖類結(jié)合在一組成的一種或多種芳香族化合物縮合而成,并常與多糖類結(jié)合在一起。起。 木質(zhì)素是植物體最難降解的物質(zhì)。一般先由木質(zhì)素降解菌降解木質(zhì)素是植物體最難降解的物質(zhì)。一般先由木質(zhì)素降解菌降解成芳香族化合物,然后再由多種微生物繼續(xù)進(jìn)行分解。但分解速度成芳香族化合物,然后再由多種微生物繼續(xù)進(jìn)行分解。但分解速度極慢。并有一部分組分難以降解。極慢。并有一部分組分難以降解。3)碳水化合物的甲烷化碳水化合物包括纖維素、半纖維素和淀粉等,屬于多糖類,同時可用(C6H10O5)x表示。這是污水中常見的有機(jī)物,其消化過程如下:(C6H10O5)x+

30、 xH2OxC6H12O6xC6H12O6酶發(fā)酵有機(jī)酸+醇類有機(jī)酸醇類CH3COOH + H2第1階段第2階段這兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第3階段2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O上兩階段綜合反應(yīng)為上兩階段綜合反應(yīng)為C6H12O6+ 2H2O 2CH3COOH + 4H2 +2CO2第第3階段階段 2CH3COOH 2CH4 + 2CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O凈反應(yīng)為凈反應(yīng)為 C6H12O6 3CH4 + 3CO2 由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷約占甲烷總產(chǎn)量的由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷約

31、占甲烷總產(chǎn)量的2/32)脂類的甲烷化)脂類的甲烷化 包括脂肪和油類,也是污水中常見的有機(jī)物。其消化過程如下:包括脂肪和油類,也是污水中常見的有機(jī)物。其消化過程如下:第第1階段階段第第2階段階段脂肪脂肪 油類油類+ H2O R-CH2COOH + CH2OHCHOHCH2OH酶酶脂肪酸脂肪酸甘油甘油CH3(CH2)16COOH + 16H2O 9CH3COOH + 16H2脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如脂肪酸分解成乙酸和氫氣。例如第第3階段階段9CH3COOH 9CH4 + 9CO216H2 + 4CO2 4CH4 + 8H2O凈反應(yīng)為凈反應(yīng)為 CH3(CH2)16COOH + 8H2O 13CH

32、4 + 5CO2 以脂質(zhì)為基質(zhì)時,最終甲烷化氣體中的甲烷含量為以脂質(zhì)為基質(zhì)時,最終甲烷化氣體中的甲烷含量為72%72%,其中,其中69%69%是由乙酸分解產(chǎn)生的。是由乙酸分解產(chǎn)生的。3)蛋白質(zhì)的甲烷化)蛋白質(zhì)的甲烷化 蛋白質(zhì)是由若干個氨基酸分子組成的高分子化合物,其消化過程如下:蛋白質(zhì)是由若干個氨基酸分子組成的高分子化合物,其消化過程如下:第第1階段階段第第2階段階段蛋白質(zhì)蛋白質(zhì)+ H2O 氨基酸(氨基酸(R)酶酶有機(jī)酸有機(jī)酸 CH3COOH + H2第第3階段階段CH3COOH CH4 + CO24H2 + CO2 CH4 + 2H2O蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的蛋白質(zhì)水解產(chǎn)生的NH4和和CO2可生成可

33、生成NH4HCO3, 這可提高消化液的堿度,并這可提高消化液的堿度,并提高提高pH值。有些含硫氨基酸,如胱氨酸、蛋氨酸等,可分解產(chǎn)生值。有些含硫氨基酸,如胱氨酸、蛋氨酸等,可分解產(chǎn)生H2S、形成、形成臭味和一定的腐蝕性。臭味和一定的腐蝕性。氨基酸通式為氨基酸通式為發(fā)酵發(fā)酵有機(jī)酸有機(jī)酸 + NH4HCO3沼氣甲烷含量為沼氣甲烷含量為73%,其中,其中72%是通過乙酸途徑產(chǎn)生的是通過乙酸途徑產(chǎn)生的R-C-COOH NH2 HR-C-COOH NH2 H 當(dāng)廢水中有機(jī)物濃度較高時,一般BOD5超過1500mg/L時,就不宜用好氧處理,而應(yīng)該采用厭氧處理的方法。同好氧處理相比,厭氧處理的主要特點(diǎn)為:厭

34、氧處理廢水時,去除1kgCOD能產(chǎn)生0.35m3的甲烷;厭氧反應(yīng)器不受氧傳遞的限制。單位容積負(fù)荷遠(yuǎn)高于好氧系統(tǒng),產(chǎn)生的污泥量少,運(yùn)行費(fèi)用低。因此廢水厭氧處理在食品、釀造和制糖等工業(yè)中得到廣泛運(yùn)用。厭氧處理基本工藝流程如圖所示。厭氧處理的核心是厭氧反應(yīng)器,目前已經(jīng)開發(fā)出多種厭氧反應(yīng)器,用來提高厭氧處理的能力。2.3 沼氣發(fā)酵基本工藝方法沼氣發(fā)酵基本工藝方法集氣構(gòu)造Factors Controlling the Conversion of Waste to Gas The type of waste being digested, Its concentration, Its temperatur

35、e, The presence of toxic materials, The pH and alkalinity, The hydraulic retention time, The solids retention time, The ratio of food to microorganisms, The rate of digester loading, And the rate at which toxic end products of digestion are removed.2. 3.1 沼氣發(fā)酵基本工藝參數(shù)沼氣發(fā)酵基本工藝參數(shù)1)1)總固體(總固體(TSTS)105,105

36、,24小時小時TS600,600 2小時小時灰分灰分揮發(fā)性固體揮發(fā)性固體(VS)(VS)總固體總固體水水懸浮液懸浮液懸浮固體(懸浮固體(SS) 是指離心分離或過濾得到的懸浮物在是指離心分離或過濾得到的懸浮物在105 蒸發(fā)后剩余的固體量。蒸發(fā)后剩余的固體量。是指懸浮固體與溶解性固體的總和是指懸浮固體與溶解性固體的總和指指1L污水中的有機(jī)物在耗氧微生物的作用下進(jìn)行氧化分解污水中的有機(jī)物在耗氧微生物的作用下進(jìn)行氧化分解時所消耗的溶氧量時所消耗的溶氧量(mg/L) 。2) 生物化學(xué)需氧量(生物化學(xué)需氧量(BOD)廢水中有機(jī)物數(shù)量繁多,但大多數(shù)有機(jī)物都可在耗氧微生廢水中有機(jī)物數(shù)量繁多,但大多數(shù)有機(jī)物都可

37、在耗氧微生物作用下氧化分解,有機(jī)物數(shù)量同耗氧量成正比。物作用下氧化分解,有機(jī)物數(shù)量同耗氧量成正比。實(shí)際測定時常采用實(shí)際測定時常采用BOD5,即,即1L水樣在水樣在20 的條件下培養(yǎng)的條件下培養(yǎng)5天的生化需氧量。天的生化需氧量。BOD5 = NBOD + CBOD NBOD是還原態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮的需氧量,通常較是還原態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮或亞硝態(tài)氮的需氧量,通常較CBOD小得多。小得多。 30209day51020304050BOD(mg/L)50100200300第一階段第一階段第二階段第二階段BOD是重要的是重要的有機(jī)物濃度指標(biāo)和可生化性指標(biāo)有機(jī)物濃度指標(biāo)和可生化性指標(biāo)實(shí)驗(yàn)研究表明:第一

38、階段實(shí)驗(yàn)研究表明:第一階段中有機(jī)物在各個時刻的耗中有機(jī)物在各個時刻的耗氧速度與該時刻的污水中氧速度與該時刻的污水中有機(jī)物濃度成正比關(guān)系。有機(jī)物濃度成正比關(guān)系。有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 能量能量+ CO+ CO2 2 + H + H2 2O + NHO + NH3 3好氧菌好氧菌第一階段第一階段第二階段第二階段NHNH3 3 3O3O2 2 2HNO 2HNO2 2 + 2H + 2H2 2O O 亞硝化菌亞硝化菌2HNO2HNO2 2 O O2 2 2HNO 2HNO3 3 硝化菌硝化菌第一階段常溫下一般需要第一階段常溫下一般需要2020天接近完成天接近完成第二階段常溫下一般需要近百天才能完

39、成第二階段常溫下一般需要近百天才能完成(1 1)降解:)降解: 有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 CO CO2 2 + H + H2 2O + NHO + NH3 3微生物微生物第一階段的三部分第一階段的三部分BODBOD(2 2)合成:)合成: 有機(jī)物有機(jī)物 O O2 2 能量能量 新細(xì)胞新細(xì)胞 (3 3)內(nèi)源呼吸:)內(nèi)源呼吸:老細(xì)胞老細(xì)胞 O O2 2 CO2 + H2O + NH3 BOD表示有機(jī)污染物參數(shù)時存在明顯的缺陷,即使衡量耗表示有機(jī)污染物參數(shù)時存在明顯的缺陷,即使衡量耗氧量時也是如此。因?yàn)閮?nèi)源呼吸耗氧量與硝化耗氧量可能引起氧量時也是如此。因?yàn)閮?nèi)源呼吸耗氧量與硝化耗氧量可能引起很大誤差

40、。很大誤差。 當(dāng)進(jìn)口當(dāng)進(jìn)口BOD200mg/L,出口出口BOD無硝化時無硝化時20mg/L,有硝化時,有硝化時40mg/L,則去除率分別為,則去除率分別為90%、80%,實(shí)際上有機(jī)物去除率應(yīng),實(shí)際上有機(jī)物去除率應(yīng)該是一樣的。該是一樣的。進(jìn)口進(jìn)口BOD=200mg/L出口出口BOD=NBOD+CBOD=0+20mg/L=20mg/L污水含氮極低污水含氮極低進(jìn)口進(jìn)口BOD=200mg/L出口出口BOD=NBOD+CBOD=20+20mg/L=40mg/L污水含氮很高污水含氮很高去除去除BOD系統(tǒng)系統(tǒng)去除去除BOD系統(tǒng)系統(tǒng)BOD去除率去除率=90%BOD去除率去除率=80%一般污水的一般污水的BOD

41、5=NBOD+CBODCBOD5,與含氮量無關(guān)。,與含氮量無關(guān)。假設(shè)有假設(shè)有兩種污水除含氮量不同外其他成分完全一樣,則兩種污水除含氮量不同外其他成分完全一樣,則BOD5也相同。也相同。 在規(guī)定條件下,用強(qiáng)氧化劑化學(xué)氧化在規(guī)定條件下,用強(qiáng)氧化劑化學(xué)氧化1L水樣所消耗的氧水樣所消耗的氧量量(mg/L)。 氧化劑為重鉻酸甲(氧化劑為重鉻酸甲(K2Cr2O7)或高錳酸鉀(或高錳酸鉀(KMnO4)。 KMnO4 氧化力較弱。氧化力較弱。COD未加注明時,大多是指重鉻酸甲法未加注明時,大多是指重鉻酸甲法的的CODcr。 COD越高表明廢水的有機(jī)物越多。越高表明廢水的有機(jī)物越多。COD一般高于一般高于BOD

42、,其差,其差值可表征不能被微生物降解的有機(jī)物含量。值可表征不能被微生物降解的有機(jī)物含量。3 3)化學(xué)需氧量()化學(xué)需氧量(COD)COD)廢水種類廢水種類ab生活污水生活污水1.6411.36家禽廢水家禽廢水1.4555.7啤酒廢水啤酒廢水2.3246.2 COD = a BOD5 + b廢水生物處理,上海環(huán)保局,同濟(jì)大學(xué)出版社,廢水生物處理,上海環(huán)保局,同濟(jì)大學(xué)出版社,1999,P21BOD5COD0.3適宜生物處理COD與與BOD常有相關(guān)關(guān)系,大多為線性關(guān)系。常有相關(guān)關(guān)系,大多為線性關(guān)系??缮耘袚?jù)可生化性判據(jù)4)揮發(fā)性脂肪酸()揮發(fā)性脂肪酸(VFA) 一般碳原子在一般碳原子在10以下的

43、脂肪酸都具以下的脂肪酸都具有揮發(fā)性。在規(guī)定的的條件下測得的揮發(fā)性脂肪酸濃度用于表示厭氧發(fā)酵有揮發(fā)性。在規(guī)定的的條件下測得的揮發(fā)性脂肪酸濃度用于表示厭氧發(fā)酵的中間產(chǎn)物含量與原料性質(zhì),也是工藝控制的重要指標(biāo)。的中間產(chǎn)物含量與原料性質(zhì),也是工藝控制的重要指標(biāo)。5)水力停留時間()水力停留時間(HRT) 水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間水在反應(yīng)器內(nèi)的平均停留時間HRT=V/Q V:反應(yīng)器有效容積:反應(yīng)器有效容積m3Q:反應(yīng)器的廢水處理流量:反應(yīng)器的廢水處理流量m3/d6)污泥停留時間()污泥停留時間(SRT)SRT = 反應(yīng)器內(nèi)污泥量反應(yīng)器內(nèi)污泥量 排出反應(yīng)器的污泥流量排出反應(yīng)器的污泥流量7 7)反應(yīng)器有機(jī)

44、負(fù)荷)反應(yīng)器有機(jī)負(fù)荷污泥負(fù)荷(污泥負(fù)荷(NsNs):Ns指單位時間內(nèi),單位重量的活性污泥所處理的指單位時間內(nèi),單位重量的活性污泥所處理的有機(jī)物數(shù)量有機(jī)物數(shù)量(BOD或或COD) ,用,用kg/kgd表示。污泥負(fù)荷有時也可稱為食物表示。污泥負(fù)荷有時也可稱為食物與微生物比值,用與微生物比值,用F/M表示。表示。容積負(fù)荷(容積負(fù)荷(NvNv):):Nv指單位反應(yīng)器容積在單位時間內(nèi)所處理指單位反應(yīng)器容積在單位時間內(nèi)所處理的有機(jī)物數(shù)量的有機(jī)物數(shù)量(BOD 或或 COD) ,用,用kg/m3d表示。表示。Nv =S0V kgBOD/m3d Ns =S0 ( V MLVSS ) kgBOD/kgd MLVS

45、S:反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性污泥濃度:反應(yīng)器內(nèi)揮發(fā)性污泥濃度kg/m3Q:反應(yīng)器的廢水處理流量:反應(yīng)器的廢水處理流量m3/dV:反應(yīng)器有效容積:反應(yīng)器有效容積m3S0 料液濃度,料液濃度,kg /m3 (BOD或或COD) 1 根據(jù)有機(jī)負(fù)荷計(jì)算:根據(jù)有機(jī)負(fù)荷計(jì)算: V = Q S0/Nv V 有效容積,有效容積,m3Q 設(shè)計(jì)流量,設(shè)計(jì)流量,m3 d-1Nv 容積負(fù)荷,容積負(fù)荷,kg m-3 d-1 (BOD或或COD)S0 料液濃度,料液濃度,kg m-3 (BOD或或COD) 2 根據(jù)水力滯留時間計(jì)算:根據(jù)水力滯留時間計(jì)算: V = Q tt 水力滯留時間,水力滯留時間,d8)沼氣池容積計(jì)算)沼氣池容

46、積計(jì)算9)沼氣發(fā)酵溫度選擇)沼氣發(fā)酵溫度選擇反應(yīng)溫度的選擇十分重要反應(yīng)溫度的選擇十分重要高溫厭氧工藝與低溫比較:高溫厭氧工藝與低溫比較:處理負(fù)荷高處理負(fù)荷高時代時間短,代謝速度高,處理速度快時代時間短,代謝速度高,處理速度快污泥產(chǎn)量低(可低至中溫時的一半)污泥產(chǎn)量低(可低至中溫時的一半)沼氣中甲烷含量稍低沼氣中甲烷含量稍低啟動慢啟動慢對沖擊負(fù)荷、基質(zhì)變化、毒性物質(zhì)等作用的對沖擊負(fù)荷、基質(zhì)變化、毒性物質(zhì)等作用的穩(wěn)定性較弱穩(wěn)定性較弱高溫發(fā)酵中溫發(fā)酵常溫發(fā)酵工藝類型劇烈的溫度波動對沼氣發(fā)酵十分不利。一般中溫一旦超過劇烈的溫度波動對沼氣發(fā)酵十分不利。一般中溫一旦超過45產(chǎn)甲烷菌失活。以后隨著溫度升高,

47、高溫菌逐漸增殖。產(chǎn)甲烷菌失活。以后隨著溫度升高,高溫菌逐漸增殖。沼氣處理溫度必須考慮的因素:沼氣處理溫度必須考慮的因素:有機(jī)廢水的有機(jī)物濃度有機(jī)廢水的有機(jī)物濃度一般一般1000mgCOD/L有機(jī)物產(chǎn)生的甲烷燃燒后產(chǎn)生的熱量大有機(jī)物產(chǎn)生的甲烷燃燒后產(chǎn)生的熱量大約可使水溫升高約可使水溫升高3 1gBOG理論轉(zhuǎn)化理論轉(zhuǎn)化0.35L甲烷(不計(jì)細(xì)胞合成等其他消耗)甲烷(不計(jì)細(xì)胞合成等其他消耗)甲烷熱值:甲烷熱值:35.8kJ/L(標(biāo)態(tài))(標(biāo)態(tài))*BOD的的5-15%用于細(xì)胞合成用于細(xì)胞合成產(chǎn)甲烷菌適宜的產(chǎn)甲烷菌適宜的pH值為值為7.0左右,大體在左右,大體在 6.8 7.4之間。之間。 厭氧反應(yīng)器中的厭

48、氧反應(yīng)器中的pH值,取決于進(jìn)水的值,取決于進(jìn)水的pH值,有機(jī)物濃度和三階段微值,有機(jī)物濃度和三階段微生物群的生命生物群的生命 活動過程建立的平衡及緩沖能力。活動過程建立的平衡及緩沖能力。 反應(yīng)器的反應(yīng)器的pH值過低,常表現(xiàn)為揮發(fā)酸濃度過高;值過低,常表現(xiàn)為揮發(fā)酸濃度過高; pH值過高,常見于值過高,常見于NH4-濃度過高。濃度過高。10.pH值值:溶液中氫離子濃度;pH是酸堿度大小的表示單位。這里的pH是指消化器內(nèi)料液的pH,而不是發(fā)酵原料的pH。(根據(jù)pH來控制投料量)調(diào)節(jié)方法:1.經(jīng)常少量出料進(jìn)新料; 2.加草木灰和適量氨水調(diào)節(jié); 3.用石灰水、碳酸鈉溶液或碳酸氫銨溶液調(diào)節(jié)11.11.攪拌

49、和混合攪拌和混合 混合攪拌是提高消化效率的工藝條件之一。攪拌一可消除分層,促進(jìn)混合攪拌是提高消化效率的工藝條件之一。攪拌一可消除分層,促進(jìn)基質(zhì)與微生物間的傳質(zhì)速度和甲烷、二氧化碳等產(chǎn)物的逸出速度;二可防基質(zhì)與微生物間的傳質(zhì)速度和甲烷、二氧化碳等產(chǎn)物的逸出速度;二可防止大量原料浮渣結(jié)殼,而降低原料利用率,使產(chǎn)生的沼氣難于釋放止大量原料浮渣結(jié)殼,而降低原料利用率,使產(chǎn)生的沼氣難于釋放 。 有些研究認(rèn)為有些研究認(rèn)為, ,攪拌強(qiáng)度不能過大;對于攪拌的頻度,則有完全不同的攪拌強(qiáng)度不能過大;對于攪拌的頻度,則有完全不同的觀點(diǎn),即頻頻攪拌為好,還是間歇的適當(dāng)攪拌為好,存在兩種研究結(jié)果與觀點(diǎn),即頻頻攪拌為好,還是間歇的適當(dāng)攪拌為好,存在兩種研究結(jié)果與觀點(diǎn)。反對頻頻攪拌的觀點(diǎn)認(rèn)為,甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環(huán)境。觀點(diǎn)。反對頻頻攪拌的觀點(diǎn)認(rèn)為,甲烷菌的生長需要相對較寧靜的環(huán)境。沼氣池內(nèi)的料液進(jìn)行攪拌的速度不要超過沼氣微生物生命的臨界速度0.5m/s 人工攪拌、機(jī)械攪拌氣體攪拌、液體攪拌12.12.重金屬重金屬 重金屬對厭氧系統(tǒng)的毒性作用有較多的研究。重金屬對厭氧系統(tǒng)的毒性作用有較多的研究。

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