☆沼气工程技术

1沼气工程技术沼气工程技术农业部沼气科学研究所：颜丽2•处理畜禽粪污的沼气工程概念以厌氧消化为核心技术，集粪便处理、沼气生产、沼气和沼肥资源化利用为一体的系统工程。认识与理念3解决重点区域畜禽粪污对周围环境的污染问题；改善项目实施区农业生产和人民生活环境质量。带动相关产业发展：沼气工程专业制造，沼肥加工与销售，社会化服务体系等。替代化石能源，降低温室气体排放；对提高国家能源供应安全性有积极作用。沼气工程的作用认识与理念4沼气工程建设内容（一池三建）：¾“一池”：沼气发酵池（也称厌氧消化器），即在厌氧条件下，利用厌氧微生物分解有机物并生产沼气的装置。¾“三建”：9预处理系统，包括格栅、沉砂、调节水质和水量、计量、进料等设施；9沼气利用系统，包括沼气净化、储存、输配和利用（发电、民用、烧锅炉）等设施；9沼肥利用系统，包括沼渣、沼液的中转、调蓄、综合利用或进一步处理的设施。认识与理念5™产业链与循环经济（第三产业）社会环境农业（第一产业）工业（第二产业）养殖业贸易、运输、生活、科研等生物质（粪污）生产沼气、有机肥自然环境能能肥肥粪污土地环境友好物（H2O、CO2、N…）服务业（第三产业）认识与理念6基础知识研讨内容厌氧消化器类型厌氧消化工艺7ⅠⅠ基础知识基础知识81.11.1沼气发酵的生物作用沼气发酵的生物作用沼气发酵微生物是人工制取沼气的最重要因素，有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物获得基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的作用下转化为沼气。沼气发酵过程中主要有五大菌群（发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、产甲烷菌）参与活动。1基础知识9不溶性有机物溶解性有机物细菌细胞挥发酸(乙酸、丙酸等)H2、CO2其他产物细菌细胞CH4、CO2产甲烷细菌产氢产乙酸细菌水解发酵细菌内源代谢产物液化阶段产氢产乙酸阶段产甲烷阶段1基础知识沼气发酵基本原理图10五大菌群：①发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2②产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳1基础知识11五大菌群：③耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。④产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2、CO2转化成CH4+CO2。产甲烷菌广泛存在于水沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。1基础知识12水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌的作用—为甲烷菌提供营养（将发酵原料的碳水化合物、蛋白质和脂肪等复杂有机物水解后形成可溶性的简单化合物，该类菌为产甲烷菌提供合成细胞的基质和能源。--为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境（该类菌群中的好氧和兼性厌氧菌的活动，使发酵液的氧化还原电位不断下降，逐步为产甲烷菌创造厌氧生态环境。--为产甲烷菌清除有毒物质。--与甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度（氨化细菌进行氨化作用，产生的氨可以中和部分有机酸；产甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳生成甲烷；通过这两类菌群的共同作用，使发酵液的pH值稳定在适宜范围。1基础知识13产甲烷菌（食氢、食乙酸菌）将水解发酵细菌、产氢产乙酸细菌的产物（乙酸、氢气和二氧化碳等）发酵基质转化为甲烷。1基础知识141.21.2沼气发酵的条件沼气发酵的条件沼气发酵就是培养和积累厌氧消化细菌，使细菌具有良好的生活条件；只有首先做到了这一点，才有可能获得较好的沼气产量或污水处理效率。微生物的生命活动要求多种条件，其中主要条件包括发酵原料、厌氧活性污泥、消化器负荷、发酵温度、pH值、碳氮比、有害物质的控制及均质等。1基础知识15(1)发酵原料的种类及其碳、氮配比发酵原料既是产生沼气的底物，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源。沼气工程沼气工程发酵原料发酵原料人畜粪便、污水人畜粪便、污水食品废水食品废水好氧剩余污泥好氧剩余污泥工业有机废水工业有机废水制药废水制药废水酿酒废水酿酒废水淀粉废水淀粉废水有机垃圾有机垃圾作物秸秆作物秸秆1基础知识16发酵原料的C:N比：是指原料中有机碳素与氮素含量的比例关系，因为微生物生长对碳和氮有一定要求，其利用速度是20-30倍的关系，因此发酵原料的碳氮比20‾30:1，或者BODBOD55:N:P=200:5:1:N:P=200:5:1为宜。。1基础知识17(2)(2)足够的接种物足够的接种物((微生物量微生物量))厌氧活性污泥是由厌氧消化菌与悬浮物质和胶体物质结合在一起形成的具有很强分解有机物能力的凝絮体，颗粒体或附着膜。厌氧微生物(厌氧活性污泥)是沼气发酵的主体。接种量一般为发酵液10%‾50%；当采用老沼气池发酵液体作为接种物时，接种量应占总发酵液的30%以上。1基础知识18(3)严格的厌氧环境沼气微生物的核心菌群沼气微生物的核心菌群------产甲烷菌是一产甲烷菌是一种厌氧性细菌种厌氧性细菌，对氧特别敏感，这类菌群的，对氧特别敏感，这类菌群的生长、发育、繁殖、代谢等生命活动过程中生长、发育、繁殖、代谢等生命活动过程中都不需要空气。空气中的氧会使其生命活动都不需要空气。空气中的氧会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。因此正常沼气发酵，受到抑制，甚至死亡。因此正常沼气发酵，其发酵液的氧化还原电位越低越好（不产甲其发酵液的氧化还原电位越低越好（不产甲烷阶段烷阶段+100~+100~--100mV,100mV,产甲烷阶段产甲烷阶段--150~150~--400mV400mV），），发酵环境处于无氧状态发酵环境处于无氧状态。。1基础知识19(4)适宜的发酵温度高度温发酵：50-65℃，最适温度为55±2°C；中温发酵：20-45℃，最适温度为35±2°C；偏低温发酵：10-20℃；常温发酵：随自然温度而变化的发酵。温度对产气率的影响1基础知识中温段高温段常温段20(5)pH值与碱度pH值：厌氧消化最适宜的厌氧消化最适宜的pHpH值为值为6.86.8——7.47.4。。当当pHpH值值6.46.4以下或以下或7.67.6以上，都会对厌氧微生以上，都会对厌氧微生物产生不同程度的抑制作用，导致产气减少或物产生不同程度的抑制作用，导致产气减少或中止。中止。碱度：指消化液中含有能与强酸相作用的所有指消化液中含有能与强酸相作用的所有物质的含量。主要以重碳酸盐，碳酸盐，氢氧物质的含量。主要以重碳酸盐，碳酸盐，氢氧化物三种形式存在。化物三种形式存在。这些物质可与挥发酸发生反应，使这些物质可与挥发酸发生反应，使pHpH值值不会有太大变动。不会有太大变动。1基础知识21一般情况下，农作物秸秆中不会含有大量一般情况下，农作物秸秆中不会含有大量有毒物质，但畜禽养殖场和工厂中的有机废水有毒物质，但畜禽养殖场和工厂中的有机废水中常含有消毒和防疫的药物或者重金属等有毒中常含有消毒和防疫的药物或者重金属等有毒物质物质，这些有毒物质会抑制厌氧微生物的生长、，这些有毒物质会抑制厌氧微生物的生长、代谢及繁殖等。代谢及繁殖等。例如，有些有机氯（例如，有些有机氯（CHCH22ClCl22,CHCl,CHCl33和和CClCCl44等）毒性很强，如氯甲烷浓度在等）毒性很强，如氯甲烷浓度在1mg/L,1mg/L,左右，左右，常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败。常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败。(6)(6)毒性化合物毒性化合物1基础知识22总固体(TS)是悬浮固体(SS)和溶解固体(DS)的总和，以单位体积水样在103-105oC蒸发干后残留物的重量表示。悬浮固体(悬浮物SS)，指水样经离心或过滤后得到的悬浮物经蒸发后所剩余固体物质的量。挥发性固体(VS)，表示样品中悬浮物、胶体和溶解性物质中有机物的量。它是总固体(TS)在600ºC灼烧2小时后损失的量。1.3主要调控指标（1）固体物1.31.3主要调控指标主要调控指标（1）固体物1基础知识23（2）化学需氧量化学需氧量(COD)(COD)是指水样中能被化学氧化剂氧化的物是指水样中能被化学氧化剂氧化的物质，在规定条件下进行化学氧化过程中所质，在规定条件下进行化学氧化过程中所消耗的氧的数量，以每升水样中消耗氧的消耗的氧的数量，以每升水样中消耗氧的毫克数表示。毫克数表示。常用的化学氧化剂有重铬酸钾和高锰常用的化学氧化剂有重铬酸钾和高锰酸钾。酸钾。1基础知识24（（33）生化需氧量）生化需氧量(BOD(BOD55))指水样中微生物分解有机物过程中所消耗指水样中微生物分解有机物过程中所消耗的水中溶解氧的量，以每升水样消耗溶解氧的的水中溶解氧的量，以每升水样消耗溶解氧的毫克数表示。一般都以毫克数表示。一般都以2020℃℃条件下，培养条件下，培养55天天所消耗的氧来表示，记为所消耗的氧来表示，记为BODBOD55。。1基础知识（4）挥发性有机酸(VFA)（4）挥发性有机酸(VFA)挥发性有机酸(VFA)是厌氧消化过程中重要的中间产物，甲烷菌主要利用VFA生成甲烷，只有少部分甲烷由CO2和H2生成，但CO2和H2的生成也经过高分子有机物形成VFA的中间过程。VFA在厌氧反应器中的积累能反映出甲烷菌的不活跃状态或反应器操作条件的恶化，较高的VFA(如乙酸)对甲烷菌有抑制作用。因此反应器运行中，出水VFA是重要的监控制指标。1基础知识26（5）pH值pH值是氢离子活度的负对数，pH=-log[H+]（6）碱度表示水样中能与强酸中的氢离子结合的物质的含量。包括：强碱、弱碱（如氨、苯胺、吡啶等）、弱酸阴离子（如CO32-、HCO3-、H2PO4-、HPO4-、SO32-、HSO3-腐殖酸阴离子、HS-、S2-)等。1基础知识（7）水力停留时间水力停留时间简写作HRT，指进入反应器的废水在反应器内的平均停留时间，如果反应器的有效容积为V(m3)，则：HRT=V/Q（8）污泥停留时间污泥停留时间简写作SRT，也称为泥龄。SRT=反应器内污泥总量/排出反应器的污泥量。1基础知识（9）微生物停留时间微生物停留时间简写作MRT,指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。采取可能的措施，尽可能达到：MRTSRTHRT1基础知识29（（1010））原料产气率原料产气率原料产气率是指单位原料在一定条件下的产气量。原料产气率是衡量原料分解好坏的一个重要指标。农村沼气原料产气率的单位通常用“m3/kg（TS）”原料产气率有理论值、实验值和生产运行值三类。1基础知识30表8原料产气速率随时间变化产气参数各原料产气速率（%）发酵天数1020304060猪粪74.286.397.698.0100人粪40.781.594.298.2100马粪63.780.289.094.5100牛粪34.474.686.292.7100玉米秸75.990.796.398.1100麦秸48.271.885.991.8100稻草46.269.284.691.0100青草75.093.597.898.91001基础知识（11）反应器的有机负荷反应器的有机负荷分为容积负荷Nv和污泥负荷Ns。容积负荷Nv：单位反应器，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的废水中有机物的量，其单位为kgCOD/m3.d或KgBOD5/m3.d，则计算公式：Nv=QS/V式中：进料浓度S(kgCOD/m3或kgBOD5/m3)，流量Q(m3/d)，反应器有效容积V(m3)。1基础知识污泥负荷Ns：反应器的单位重量污泥，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的废水中有机物的量，其单位为kgCOD/(kgMLSS.d)或KgBOD5/(kgMLSS.d)，则计算公式：Ns=QS/(Vρs)式中：进料浓度S(kgCOD/m3或kgBOD5/m3)，流量Q(m3/d)，反应器体积V(m3)，反应器污泥浓度ρs(kgMLSS/m3或kgMLVSS/m3)1基础知识33容积产气率是指在一定条件下，厌氧消化器单位容积的产气量，单位：m3/m3.d。容积产气率是评价厌氧消化器反应效率的一个重要指标。它与发酵原料入池