生物厭氧處理沼氣發(fā)酵

第九章沼氣發(fā)酵第一節(jié)概述第二節(jié)沼氣發(fā)酵原料第三節(jié)沼氣發(fā)酵的影響因素和工藝第四節(jié)沼氣池的設計與構建（自學）第五節(jié)沼氣發(fā)酵產(chǎn)物的綜合利用1、厭氧發(fā)酵（anaerobicfermentationm）厭氧發(fā)酵（或厭氧消化）是指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物轉(zhuǎn)化為CH4、CO2和穩(wěn)定物質(zhì)的生物化學過程。由于厭氧發(fā)酵的產(chǎn)物是以CH4為主要成分的沼氣，故又稱為甲烷發(fā)酵(firedampfermentation)。厭氧發(fā)酵技術最初的工業(yè)化應用是作為糞便和污泥的減量化和穩(wěn)定化的手段得以實施的。厭氧消化處理可以去除廢物中10～50％的有機物，并使之穩(wěn)定化。70年代初，由于能源危機和石油價格上漲，許多國家開始尋找新的能源，這時厭氧發(fā)酵技術顯示出其優(yōu)勢，普遍受到人們的關注。近20年來，我國許多城市相繼建成了大型厭氧發(fā)酵設施，用來處理城市污泥和糞便。第一節(jié)概述2、厭氧發(fā)酵技術的主要特點可將潛在于有機廢物中的低品位生物能轉(zhuǎn)化為可直接利用的高品位沼氣

；與好氧處理相比，厭氧消化不需要通風動力，設施簡單，運行成本低，屬于節(jié)能型處理方法；適用于處理高濃度有機廢水和廢物；經(jīng)厭氧處理后的廢物基本上是穩(wěn)定的，可以用作農(nóng)肥、飼料和堆肥化原料；厭氧微生物的生長速度慢，常規(guī)方法的處理效率低，設備體積大；厭氧處理過程中易產(chǎn)生H2S等惡臭氣體。3.基本原理與微生物學過程復雜有機物（碳水化合物、脂肪、蛋白質(zhì)）溶解性有機物（水解酸化階段）（糖類、脂肪酸、氨基酸、醇類等）產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段（H2、CO2、CH3COOH)產(chǎn)甲烷階段H2、CO2CH3COOHCH4CH4、CO2（1）沼氣發(fā)酵的微生物種類

第一類叫發(fā)酵細菌。包括各種有機物分解菌，它們能分泌胞外酶，主要作用是將復雜的有機物分解成較為簡單的物質(zhì)。例如多糖轉(zhuǎn)化為單糖，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化為肽或氨基酸，脂肪轉(zhuǎn)化為甘油和脂肪酸。第二類叫產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌。其主要作用是前一類細菌分解的產(chǎn)物進一步分解成乙酸和二氧化碳。第三類細菌稱產(chǎn)甲烷菌。它們的作用是利用乙酸、氫氣和二氧化碳產(chǎn)生甲烷。在實際的發(fā)酵過程中這三類微生物既相互協(xié)調(diào)，又相互制約，共同完成產(chǎn)沼氣過程。a.水解酸化階段在這一階段中復雜的有機高分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物等在水解細菌產(chǎn)生的胞外酶的作用下進行體外酶分解，使固體物質(zhì)變成可溶于水的簡單有機物。高分子有機物的水解速度很慢，主要受物料的性質(zhì)、微生物的濃度、溫度和pH等條件的制約。主要有機物的水解反應：蛋白質(zhì)+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S

（2）沼氣發(fā)酵過程b.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段液化階段產(chǎn)生的簡單的可溶性有機物，在產(chǎn)氫菌、產(chǎn)醋酸菌的作用下，進一步分解成揮發(fā)性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。反應式c.產(chǎn)甲烷階段(Methane-producingstage)產(chǎn)甲烷菌將產(chǎn)酸階段的產(chǎn)物進一步降解為CH4和CO2，同時把產(chǎn)酸階段所產(chǎn)生的H2和CO2轉(zhuǎn)化成CH4。產(chǎn)CH4階段的生化反應相當復雜，目前已得到驗證的主要反應有：第二節(jié)沼氣發(fā)酵原料

自然界中幾乎所有的有機物質(zhì)都可作為沼氣發(fā)酵的原料。人工制取沼氣的主要原料是畜禽糞便污水、食品加工業(yè)、制藥和化工廢水、生活污水等。在農(nóng)村，也用農(nóng)作物秸桿制取沼氣。但由于其來源和形成過程不同，它們的化學成分和結(jié)構也迥然不同，由此造成原料的發(fā)酵性能差異相當大富C原料。我國農(nóng)村的另一大類發(fā)酵原料是秸桿和秕殼等農(nóng)作物的殘余物。這類原料富含纖維素、半纖維素、果膠以及難降解的木質(zhì)素和植物蠟質(zhì)，含碳量高，其碳氮比多在40∶1以上，稱富碳原料。這些物質(zhì)發(fā)酵周期較長。秸稈類富C原料一般干物質(zhì)含量比富N原料高，且比重小，進沼氣池后容易飄浮形成死區(qū)─—浮殼層，這類原料在發(fā)酵前一般需要預處理按原料來源分：1．農(nóng)村發(fā)酵原料富N原料。通常是指人畜糞便，也包括青草等碳氮比低的原料。其含氮量高，碳氮比多在25∶1以下，即在沼氣發(fā)酵的適宜的碳氮比范圍內(nèi)或以下。這類原料中糞便經(jīng)過了人和動物的胃腸系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細小，含有大量的低分子化合物─—人和動物未吸收的中間產(chǎn)物，含水量較高。因此，在進行沼氣發(fā)酵時不必預處理，就容易厭氧分解，產(chǎn)氣速度快，發(fā)酵周期較短。一、發(fā)酵原料的種類2．城鎮(zhèn)有機廢物廢水主要包括人糞尿、生活污水、有機垃圾、有機工業(yè)廢水、廢渣和污泥等。

3．水生植物主要包括水葫蘆、水花生、水浮蓮和其它水草和藻類等。這些水生植物利用太陽能的能力很強，繁殖速度快、產(chǎn)量高。由于組織鮮嫩，容易厭氧分解，作沼氣原料，產(chǎn)氣快、周期短。但水葫蘆、水花生、水浮蓮等水生植物體內(nèi)有氣室，直接進沼氣池，容易飄浮。因此，用作沼氣發(fā)酵原料時，宜稍晾干或堆漚2天后入池，效果較好。

發(fā)酵原料的評估和計量，通常用總固體（TS）、揮發(fā)性固體（VS）、化學耗氧量（COD）和生物耗氧量（BOD）等指標評價和計量原料中有機物的含量和沼氣的產(chǎn)量。（1）總固體（TS）：濕式發(fā)酵6％－10％、干式發(fā)酵20%-35%（2）揮發(fā)性固體（VS）（3）產(chǎn)氣量（4）產(chǎn)氣速率：池容產(chǎn)氣率、原料產(chǎn)氣率、理論產(chǎn)氣率

二、產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣速率（1）產(chǎn)氣量（2）產(chǎn)氣速率：池容產(chǎn)氣率、原料產(chǎn)氣率、理論產(chǎn)氣率

沼氣發(fā)酵微生物要求有適宜的生活條件，對溫度、酸堿度、氧化還原勢及其他各種環(huán)境因素都有一定的要求。在工藝上只有滿足微生物的這些生活條件，才能達到發(fā)酵快、產(chǎn)氣量高的目的。實踐證明，往往由于某一條件沒有控制好而引起整個系統(tǒng)運行失敗。因此，控制好沼氣發(fā)酵的工藝條件是維持正常發(fā)酵產(chǎn)氣的關鍵。第三節(jié)沼氣發(fā)酵的影響因素和發(fā)酵工藝（1）厭氧環(huán)境

沼氣發(fā)酵微生物包括產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌兩大類，他們都是厭氧性細菌，尤其是產(chǎn)生甲烷甲烷菌是嚴格厭氧菌，對氧特別敏感。他們不能在有氧的環(huán)境中生存，哪怕只有微量的氧存在，微生物的生命活動也會受到抑制，甚至死亡。判斷厭氧程度一般用氧化還原電位Eh表示。厭氧條件下，Eh是負值。嚴格厭氧的甲烷菌要求的Eh為－300～－350mV，而一些兼性產(chǎn)酸的細菌則在Eh為－100～＋100mV就能正常生活。為了保證厭氧條件，必須修建嚴格密閉的沼氣池，保證沼氣池不漏水、漏氣。

一、沼氣發(fā)酵的影響因素（2）溫度(temperature)

溫度對有機物的分解速度影響較大，溫度增高，產(chǎn)氣量增大。沼氣發(fā)酵通常采用低溫、中溫和高溫三種發(fā)酵溫度。低溫發(fā)酵(<20℃)

溫度隨氣候變化，產(chǎn)氣率不高，病原微生物難于殺滅。中溫發(fā)酵(30～39℃)最佳溫度為37℃，這是甲烷菌的第一個最佳活性溫區(qū)，產(chǎn)氣量中等。中溫發(fā)酵過程要求15～30天的停留時間，由于易于管理因此普遍采用中溫發(fā)酵。在中溫發(fā)酵條件下，有機負荷為2.5～3.0kg/(m3.d)，甲烷產(chǎn)氣量約1～1.3m3/(m3.d)；

高溫發(fā)酵(50～55℃)適宜溫度為53℃左右,這是甲烷菌的第二個最佳活性溫區(qū)，產(chǎn)氣率最高。高溫發(fā)酵要求料漿和發(fā)酵設備有加熱保溫措施，管理復雜。但是高溫發(fā)酵對病原微生物的殺滅率較高，發(fā)酵過程的停留時間只需12～15天。在高溫發(fā)酵條件下，有機負荷為6.0～7.0kg/(m3.d)，甲烷產(chǎn)氣量約3.0～4.0m3/(m3.d)。厭氧消化過程中，甲烷的產(chǎn)生量通常隨溫度的升高而增加，但在45℃左右有一個間斷點（見圖9-4），這是由于中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵分別是由兩個不同的微生物種群在起作用。在45℃左右的溫度條件下對中溫菌和高溫的生長都不利，因此，產(chǎn)氣量突然下降。圖9-4甲烷產(chǎn)氣量隨溫度的變化

（3）pH值的影響產(chǎn)酸菌適于在酸性條件下生長，其最佳pH值為5.8，所以產(chǎn)酸階段也稱為酸性發(fā)酵。產(chǎn)甲烷菌需堿性條件下生長，稱為堿性發(fā)酵。當pH<6.2時，產(chǎn)甲烷菌就會失活性。因此，在產(chǎn)酸菌和產(chǎn)CH4菌共存的厭氧消化過程中，系統(tǒng)的pH值應控制在6.8～7.4之間。

在正常發(fā)酵過程中，依靠原料本身可以維持發(fā)酵所需的pH值。但在突然增加進料量或改變原料時，有機物負荷過高或消化系統(tǒng)中存在某些抑制物質(zhì)時,對環(huán)境要求荷刻的產(chǎn)甲烷菌首先受到影響，從而造成系統(tǒng)中揮發(fā)性脂肪酸積累，pH值下降。pH值的下降又反過來會影響產(chǎn)甲烷菌的生長。如此惡性循環(huán)，將導致消化過程停止。為了提高系統(tǒng)對pH值降低緩沖的能力，需要維持一定的堿度?？梢酝ㄟ^投加石灰或含氮的物料加以調(diào)節(jié)。一般情況下，堿度控制在2500～5000mg/L時，可獲得較好緩沖能力。圖9-5pH值對厭氧消化的影響攪拌的目的:

1)是發(fā)酵原料分布均勻，增加微生物與原料的接觸面，加快產(chǎn)氣速度，提高產(chǎn)氣量、提高原料利用率。

2)同時也可防止原料浮面結(jié)殼，產(chǎn)生的沼氣釋放不出來。我國農(nóng)村的沼氣發(fā)酵原料以秸桿、雜草和樹葉等為主，更需攪拌才能達到好的發(fā)酵效果。

3)防止局部酸的積累

（4）攪拌(mixround)攪抖方式有機械攪拌、充氣攪抖和充液攪拌三種。機械攪拌在池內(nèi)安裝葉輪進行攪拌。（不常用）氣攪拌將沼氣從池上部抽出后，又從池底壓進去，產(chǎn)生強大的氣流，達到攪拌的目的。液攪拌從出料間將發(fā)酵液抽出，然后從進料口沖入沼氣池，產(chǎn)生強大的液體回流，達到攪拌的目的。（5）接種物

正常沼氣發(fā)酵是一定數(shù)量和種類的微生物來完成的。含有豐富沼氣微生物數(shù)量的污泥叫接種物。沼氣發(fā)酵菌種在自然界廣泛存在（你認為哪些地方有豐富的沼氣發(fā)酵菌種？為什么？）。如：各種陰溝污泥，糞坑底腳污泥，沼氣池底污泥或消化漿液等處由于豐富的有機物質(zhì)和良好的嫌氣條件，形成了豐富的微生物群落。在新進料的沼氣池中加入接種物，可大大縮短停滯期。特別是新建沼氣池，第一次投料時微生物數(shù)量和種類都不夠，應人工添加接種物。使用工業(yè)廢水為原料的沼氣池起動時，特別要注意接種。（6）原料的C∶N比值和其它營養(yǎng)物質(zhì)

微生物所需的最適碳氮比為25∶1，由于沼氣發(fā)酵過程中原料的碳氮比可受到微生物的自動調(diào)節(jié)，因此，適宜碳氮比范圍較寬。據(jù)大量報道和實驗結(jié)果表明，沼氣發(fā)酵的碳氮比以20～30∶1為宜，超過35∶1產(chǎn)氣量明顯下降。但也有報道配料中碳氮比以6～30∶1仍然合適的。（7）壓力

甲烷菌能適應較大的靜水壓力，約40米或更高。但它對壓力變化極為敏感，需要工藝來穩(wěn)定壓力。

(你認為沼氣發(fā)酵過程中什么時候可能會發(fā)生壓力波動?)

在進料、出料和沼氣消耗時，沼池中的壓力發(fā)生變化，對甲烷菌的生命活動有抑制作用。怎么防止?（1）保留足夠的貯氣空間，使得用氣時氣壓變化不致過大；（2）進料和出料的速度盡量保持一致，所進新鮮原料和所排出的廢料體積應相等；（3）大型沼氣池應設置貯氣裝置。如我國農(nóng)村推廣的一種分離式浮罩沼氣池，可保持比較穩(wěn)定的氣壓。

（8）添加劑與抑制劑有些物質(zhì)少量添加于沼氣池后就可顯著促進產(chǎn)氣，這類物質(zhì)稱為添加劑。而另一些物質(zhì)少量添加于沼氣池后則顯著抑制產(chǎn)氣，這類物質(zhì)稱為抑制劑。添加劑的種類較多，包括一些酶類、無機鹽、有機物和無機物。如添加一定量的纖維素酶，可顯著促進產(chǎn)氣；添加5mg/Kg的稀土元素（R2O5）可提高產(chǎn)氣17%；添加適量的NH4HCO3等氮肥，可顯著提高秸桿類原料的產(chǎn)氣率；添加少量的活性炭或泥炭、或向發(fā)酵池通入氫氣都可顯著提高甲烷產(chǎn)量。抑制劑主要是指一些金屬離子、鹽類、殺菌劑和人工合成的化合物。

表9-3對厭氧消化有抑制作用的物質(zhì)抑制物質(zhì)抑制濃度(mg/L)抑制物質(zhì)抑制濃度(mg/L)抑制性脂肪酸氨氮溶解性硫化物CaMgKNaCU200020001500-30002002500-45001000—15002500-45003500-5500CdFeCr6+

Cr3+Ni015017103500二、發(fā)酵工藝

沼氣發(fā)酵是一種嚴格的厭氧發(fā)酵，從處理廢物的角度來說，通常稱為厭氧消化。按發(fā)酵溫度、發(fā)酵級差和發(fā)酵方式的不同，沼氣發(fā)酵劃分為以下不同的類型：（1）按發(fā)酵溫度可分為“自然溫度”發(fā)酵（變溫發(fā)酵）、中溫發(fā)酵（35℃左右）、高溫發(fā)酵（53℃左右）。

（2）按發(fā)酵級差可劃分為單級（一步）發(fā)酵、兩級（兩步）發(fā)酵和多級（多步）發(fā)酵。單級發(fā)酵是指最常見的發(fā)酵類型。簡單地說。就是產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷是在同一裝置中進行。單級發(fā)酵對處理廢水廢物中的BOD來說，不如兩級或多級理想，但從獲得能源的角度來說是可行的。

兩級發(fā)酵它是根據(jù)產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷兩個不同階段是由兩類不同的微生物所調(diào)節(jié)的原理而設計的。這兩類微生物在生理學、營養(yǎng)需要、生長和代謝特征、對環(huán)境的要求和對環(huán)境刺激的敏感性等方面有重大差異。兩級發(fā)酵能大大提高產(chǎn)氣量和揮發(fā)性固體的分解效率，縮短發(fā)酵周期，節(jié)約成本和運轉(zhuǎn)費用，還能更有效地進行廢物處理。（3）按進料方式分為批量發(fā)酵、連續(xù)發(fā)酵與半連續(xù)發(fā)酵。

批量發(fā)酵是指將發(fā)酵原料和接種物一次性裝滿沼氣池，中途不再添加新料，產(chǎn)氣結(jié)束后一次性出料。固體含量高的原料，如作物秸桿、有機垃圾等由于日常進、出料不方便，進行沼氣發(fā)酵常采用這一方法。產(chǎn)氣特點是初期少，以后逐漸增加，然后產(chǎn)氣保持基本穩(wěn)定，再后產(chǎn)氣又逐步減少，直到出料。

連續(xù)發(fā)酵是指沼氣池加滿料正常產(chǎn)氣后，每天分幾次或連續(xù)不斷地加入預先設計的原料，同時也排出相同體積的發(fā)酵料液。大中型沼氣工程通常采用。

半連續(xù)發(fā)酵是指沼氣池正常產(chǎn)氣后，不定期、不定量地添加新料，在發(fā)酵過程中，往往根據(jù)其它因素（如農(nóng)田用肥需要）不定量出料。我國農(nóng)村沼氣池通常采用這一方式。三、發(fā)酵裝置(fermentationplant)

不同的地區(qū)對沼氣發(fā)酵器的稱呼也不一樣。在農(nóng)村，習慣稱沼氣池，在城鎮(zhèn)則多稱厭氧消化器、消化器、發(fā)酵罐或反應器等等。按發(fā)酵器類型的不同，可分為常規(guī)消化器、厭氧接觸工藝、厭氧濾器、上流式厭氧污泥床等。這幾種發(fā)酵器的主要區(qū)別在于微生物的滯留方式與原料流動方式的不同。以下將對這幾種消化器加以討論。1、水壓式沼氣池

特點：合并發(fā)酵與貯氣于同一空間，下部為發(fā)酵間，上部為貯氣間。（1）結(jié)構與工作原理結(jié)構水壓式沼氣池是一種埋設在地下的立式圓筒形發(fā)酵池,池蓋、池底具有一定的曲率半徑，呈弧形。主要結(jié)構有：進料管，發(fā)酵間，出料管，水壓間，出料間，導氣管等幾部分。工作原理啟動前狀態(tài)（圖9-6a）：發(fā)酵間與水壓間（出料間）液面處在同一水平（O-O）；此時發(fā)酵間剩余的空間為死氣箱容積；啟動后狀態(tài)（圖9-6b）：發(fā)酵間產(chǎn)生的氣體造成水壓間液面高于發(fā)酵間，當產(chǎn)生的氣體量最大時，發(fā)酵間的液面下降到最低位置（A-A）；使用沼氣狀態(tài)（圖9-6c）：發(fā)酵間壓力減小，水壓間液面下降，停用沼氣時，繼續(xù)發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣又使水壓間液面上升，反復進行。極限工作壓強：水壓間液面上升到極限位置時與發(fā)酵間的最大液面差。圖9-6a水壓式沼氣池啟動前狀態(tài)

1-加料管；2-發(fā)酵間；3-初始液面；4-水壓間（出料間）圖9-6b水壓式沼氣池啟動后狀態(tài)

1-加料管；2-發(fā)酵間；3-初始液面；4-水壓間（出料間）圖9-6c水壓式沼氣池使用狀態(tài)

1-加料管；2-發(fā)酵間；5-導氣管；6-沼氣輸送管；7-控制閥2、浮罩式沼氣池分離浮罩式沼氣池頂浮罩式沼氣池3、長方形甲烷消化池4、紅泥塑料沼氣池

紅泥塑料沼氣池是我國一代新型沼氣池，建池材料采用紅泥塑料和混凝上制造，具有造價低廉、產(chǎn)氣率高等特點，適合于農(nóng)村家庭使用。紅泥塑料使用壽命可達15年以上，是一般塑料無法比擬的。紅泥塑料沼氣池是一種用紅泥塑料作池蓋或池體材料，該工藝多采用批量進料方式。紅泥塑料沼氣池有半塑式、兩模全塑式、袋式全塑式和干濕交替式等。5、化糞池(又名腐化池)用于處理糞便和污水工作原理 化糞池兼有污水沉淀和污泥發(fā)酵的雙重作用，糞水進入化糞池后大約可停留12～24小時，比重大的懸浮固體下沉到池底，在厭氧菌作用下分解，產(chǎn)生氣體上浮，并將分解后的疏松物質(zhì)牽引到液面，形成浮渣，當浮渣中的氣體逸散后，懸浮固體