生物质沼气技术

生物质资源开发与利用3.3生物转换技术－沼气技术第三章生物质能源利用原理与技术内容提要†概述†沼气发酵原理†小型户用沼气技术†大中型沼气工程†沼气综合利用第一节概述‹基本概念‹沼气的理化性质‹沼气的生态分布‹沼气发酵研究的历史‹沼气发酵的应用1.1基本概念‹什么是沼气？„一种可燃气体„生物质在厌氧和其他适宜条件下，经微生物分解代谢，产生的甲烷和二氧化碳为主体的混合气体。„生物质是地表植被在光合作用下的产物，因此从光合作用的角度来说，沼气是生物质能一种可再生能源。1.2沼气的理化性质‹沼气是一种混合气体，其主要成分：z甲烷CH4：55%-70%z二氧化碳CO2：25%-45％z少量N2、H2、O2、NH3、H2S和CO等气体‹CH4、H2和CO是可以燃烧的气体，主要是利用这部分气体的燃烧获得能量。‹甲烷是由碳和氢组成的化合物，化学式是CH4‹相对分子量16.043‹相对密度0.555(与空气相比）‹甲烷常温呈气态，无色、无味的气体，极难溶于水。‹甲烷具有可燃性，纯甲烷燃烧时，呈浅蓝色火焰。‹燃烧时生成二氧化碳和水，同时放出大量的热。CH4+2O2CO2+2H2O＋890kJ点燃1.3沼气的生态分布池沼1.3沼气的生态分布‹沼泽1.3沼气的生态分布‹粪窖、阴沟1.3沼气的生态分布‹水田、海洋深处以及人和动物的消化道中都有沼气存在。‹天然气含有约95%的甲烷。1.4沼气发酵研究的历史‹1776年，意大利物理学家A.沃尔塔测出湖泊底部植物体腐烂而产生的气体中含有甲烷。‹1875年，俄国学者波波夫首先发现将河泥加入纤维素物质中可产生沼气，并发现了甲烷发酵是一个微生物学过程。‹1901年，荷兰学者桑格明确了甲烷细菌的形态特征以及它们所能进行的转化作用，并发现氢和二氧化碳的混合物能发酵生成甲烷。‹1916年，俄国微生物学家奥梅梁斯基分离出第一株甲烷菌。‹1936年，巴克尔将其命名为奥氏甲烷杆菌，并发现沼气发酵分为产酸和分解酸形成沼气两个阶段。‹1950年，美国微生物学家亨格特教授创立了严格厌氧微生物培养技术，解决了甲烷菌的分离和培养难题。‹1967年，布赖恩特将奥氏甲烷杆菌进行分离纯化，获得甲烷杆菌MOH菌株和“S”有机体，证实了原奥氏甲烷杆菌是此两种菌的共生体，从而揭示了产氢细菌和产甲烷菌之间的相互依赖关系，即沼气发酵的微生物学原理。‹近年来，在甲烷菌研究方面的进展尤为突出，对甲烷菌的分离、培养、分类、生理代谢、细微结构和碱基序列等方面都有一定的研究成果。‹近几十年来，发展了许多新的厌氧处理工艺，如厌氧过滤器、上流式污泥床、两步发酵法等。1.5沼气发酵的应用‹1881年，摩热斯在法国建立了世界上第一个处理废水的厌氧消化器。随后，英国、美国和印度等过相继建立起大型的沼气发酵装置，处理城市污水。‹20世纪30年代，德国许多城市用钢瓶贮存压缩沼气，用作汽车的燃料。1.5沼气发酵的应用‹20世纪初，开始发展了许多类型的小型沼气池，主要以各种作物秸秆和人畜粪便为原料，生产沼气，供作生活燃料。‹小型沼气以我国和印度最为普遍。‹20世纪60年代，我国开始发展大中型沼气工程，集中供热‹目前，国外发达国家推行热电联产，实行沼气发电。视频：北方沼气工程思考问题？†什么农村生态模式？†主要组成机构？†沼气具体产生过程？†沼气池主要结构？z沼气的发酵过程z沼气发酵微生物及其作用z沼气发酵工艺条件第二节沼气发酵原理2.1沼气的发酵过程‹沼气发酵是复杂的微生物学过程，只有存在大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会在微生物的作用下转化为沼气。‹各种有机质(秸秆、人畜粪便等)在厌氧及其他适宜条件下，通过微生物作用，最终转化为沼气的复杂过程，即为沼气发酵。沼气发酵过程有机质液化产酸产甲烷沼气厌氧沼气发酵的主要反应历程多糖脂类蛋白质单糖低聚糖脂肪酸氨基酸液化产酸丁酸丙酸乙酸乳酸产甲烷H2+CO2CH3COOHCO2CH4+H2OCH4+H2O纤维素蛋白质脂肪纤维酶蛋白酶脂肪酶双糖或单糖多肽和氨基酸脂肪酸和甘油第一阶段第一阶段──液化液化液化阶段†各种有机废弃物都是以大分子状态存在的碳水化合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。†它们不能被微生物直接利用，必须通过微生物分泌的胞外酶（如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）作用，酶解成可溶于水的小分子化合物：„多糖分解成单糖或二糖„蛋白质分解成肽和氨基酸„脂肪分解成甘油和脂肪酸单糖氨基酸脂肪酸产酸菌乙酸丙酸＋CO2＋氢气醇类可溶性物质简单化合物第二阶段第二阶段────产酸产酸产酸阶段†在产酸微生物群的作用下将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸（如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和乳酸）、醇（如甲醇、乙醇等）以及二氧化碳、氢气、氨气和硫化氢等。†产酸阶段主要的产物是挥发性有机酸，以乙酸为主，约占80％。乙酸丙酸甲烷菌甲烷二氧化碳醇类简单化合物第三阶段第三阶段----产甲烷产甲烷产甲烷阶段†有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又被产甲烷微生物群（又称产甲烷细菌）利用。†产甲烷细菌分解乙酸、醇等形成甲烷和二氧化碳等。†以甲烷和二氧化碳为主的混合气体便称为沼气。‹实际沼气发酵过程中，上述三个阶段界线不明显，无法截然分开。‹液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，许多参与液化的微生物也会参与产酸过程，可统称为不产甲烷阶段。沼气发酵不产甲烷阶段产甲烷液化产酸2.2沼气发酵微生物及其作用沼气微生物不产甲烷菌产甲烷菌发酵性细菌产氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌食氢产甲烷菌食乙酸产甲烷菌1.沼气微生物的种类不产甲烷菌能将纤维、半纤维、淀粉、蛋白质、脂肪等复杂有机物分解成乙酸、丙酸、丁酸等简单的小分子量的物质。不产甲烷的细菌为产甲烷菌提供营养和为甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。不产甲烷菌不产甲烷菌产甲烷菌是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，适宜在中性环境中繁殖，依靠乙酸、二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷。产甲烷菌产甲烷菌不产甲烷细菌群‹发酵性细菌：将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等。‹产氢产乙酸菌：把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。‹耗氢产乙酸菌群：利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。产甲烷细菌群‹食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群‹已研究过的就有70多种产甲烷菌‹它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。产甲烷细菌群产甲烷菌的共同特征是：‹生长非常缓慢，如甲烷菌丝倍增时间为4-9天；‹严格厌氧，有空气的条件下不能生存或死亡；‹只能利用少数简单的化合物作为营养；‹要求中性偏碱和适宜温度环境条件；‹代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。生物和生命活动以新陈代谢为基础，沼气发酵微生物的生长和代谢过程分为适应期、对数生长期、平衡期、衰亡期四个时期。2.沼气微生物生长规律沼气微生物生长曲线酸化菌适应期较短，产甲烷菌适应期较长逐步以1、2、4、8、16......的级数上升，发酵产物的增长速度随细胞数量的增加而上升。细胞繁殖速度与死亡速度相对平衡。发酵料液内细胞总数达到最高水平营养物质减少，细胞死亡速度超过新生数目，活菌总数下降。‹充足的沼气发酵原料‹质优量多的沼气微生物‹严格厌氧的生态环境‹适宜的酸碱度（6.8～7.5）‹合适的负荷（料液浓度）‹持续的搅拌2.3沼气发酵的工艺条件沼气发酵原料原料是沼气微生物赖以生存和产生沼气的物质基础。原料液态原料固态原料富氮原料富碳原料物理形态营养成分动物粪便农作物秸秆等沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。因此，碳氮比例配成25～30:1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。原料碳氮比各种原料的碳氮比（C/N）13:1鲜猪粪29:1鲜羊粪10:1二沉池污泥24:1鲜马粪5:1初沉池污泥18:1牛厩肥碳氮比原料碳氮比原料合适的料液浓度‹料液中干物质含量的百分比为料液浓度。‹发酵料液浓度随季节的变化而要求不同。一般在夏季，发酵料液浓度可以低些，要求浓度在6％左右；冬季浓度应高一些，为8％左右。搅拌和混合‹搅拌可使物料分布均匀，温度均匀，加快消化速度，并使消化产物及时分离，从而提高消化效率、增加产气量。‹不搅拌，消化料液明显地分成结壳层、清液层、沉渣层，严重影响消化效果。‹搅拌方法：机械搅拌、气体搅拌、液体搅拌螺旋搅拌型†通过机械装置运转达到搅拌的目的†多用于大中型沼气工程气搅拌†将沼气从池底部冲进去，产生较强的气体回流，达到搅拌目的。液搅拌、泵循环†从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后又从进料管冲人沼气池内，产生较强的液体回流，达到搅拌目的第三节小型户用沼气技术†小型沼气技术的发展历程†小型沼气池类型†小型沼气池发酵工艺类型3.1小型沼气技术的发展历程‹我国小型沼气技术及其利用，无论技术水平还是实用范围，乃至应用数量，均处于国际领先地位。‹其发展历程分为4个阶段‹起步阶段‹探索阶段‹发展阶段‹推广及综合利用阶段起步阶段‹始于20世纪初期‹主要解决了2项关键技术‹沼气的储气技术‹沼气池的密封技术探索阶段‹20世纪70年代，源于农村生活用能的严重短缺‹存在的主要问题：‹技术缺乏系统研究‹知识普及不足‹片面强调建池数量‹建池质量得不到保证，沼气池寿命不长发展阶段‹20世纪80年代‹国家建立了一批沼气研究机构‹沼气研究列入国家攻关计划‹国际交流频繁‹形成了中国特色的发酵工艺、适合不同情况的水压式池型、完善了配套技术推广及综合利用阶段‹20世纪90年代以来‹沼气技术与农业生产，与环境、生态、资源综合利用等领域紧密结合‹2002年底，全国小型沼气池保有量超过1000万个。3.2小型沼气池类型†水压式沼气池†浮罩式沼气池†气袋式沼气池†玻璃钢沼气池†铁罐式沼气池†印度牛粪沼气装置水压式沼气池构造†由发酵间、进料管和水压间组成†储气室的气压靠水压间和发酵间的液面高度差实现。水压式沼气池供气原理标准型水压式沼气池84年发布、85年实施“农村小型水压式沼气池标准图集”，明确3种标准池型：设搅拌装置的水压式沼气池机械搅拌装置，用以解决料液分层和结壳现象浮罩式沼气池†直接储气浮罩式沼气池发酵间产生的沼气由沉浮式气罩储存主要特点：压力稳定建池出渣容易保温性能不如水压式金属浮罩易腐蚀沉浮式气罩浮罩式沼气池†分离储气浮罩式沼气池气袋式沼气池发酵间无储气部分，沼气直接输入储气袋，其余构造同水压式主要特点：池内气压低，有利于产气；料液溶积基本不变；气袋价格较贵；多用于大中沼气工程。玻璃钢沼气池铁罐式沼气池印度“戈巴”（牛粪）沼气池†结构特点：‹井状地下建筑，直径1.5-6m;‹浮罩由薄钢板制成，内装搅拌棍；‹可多年不需大出料，节约劳力。一种浮罩式沼气池3.3小型沼气池发酵工艺类型†半连续投料沼气发酵†分层满装料沼气发酵†批量投料沼气发酵†干发酵工艺†两步发酵工艺半连续投料沼气发酵工艺†工艺特点：启动时，一次投入较多原料，产气→用气，经过一段时间，当产气量下降时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持较稳定的产气率。分层满装料沼气发酵工艺†特点：混合原料，分层装满，池内堆沤，干湿发酵结合，启动用水少，操作简单，节省劳力。批量投料沼气发酵工艺†特点：„一次性投料，发酵周期结束后，取出旧料，再投入下一批新料。†玻璃钢沼气池干法沼气发酵工艺†属批量投料沼气发酵†特点„秸秆：粪便＝3：1„发酵原料总固体含量高(20％)，省水，池容产气率高，适宜于习惯用固体肥料的农村和干旱地区。„设备：铁罐式沼气池两步法沼气发酵工艺产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个池子里进行符合沼气微生物活动特点，实现了沼气发酵过程最优化产出酸液水压式沼气池无渣滓产气率高甲烷含量高第四节大中型沼气工程†沼气工程规模划分†大中型沼气工程现状与发展†大中型沼气工程实例4.1沼气工程规模划分100010001000大型50~100050~100050~1000中型505050小型日产气量单体容积之和单体容积规模沼气工程规模划分／m34.2大中型沼气工