82厌氧发酵制沼气

8.2厌氧发酵制沼气厌氧消化是指在厌氧微生物的作用下，有控制地使废物中可生物降解的有机物转化为CH4、CO2和稳定物质的生物化学过程。由于厌氧消化可以产生以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵人类应用厌氧消化技术的历史十分悠久。早期大多是在农村利用人畜粪便和一些农业废物进行小规模的厌氧发酵，产生的沼气用于家庭取暖、照明和炊事等。厌氧消化技术最初的工业化应用是作为粪便和污泥的减量化和稳定化手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中30－50％的有机物，并使之稳定化。化粪池厌氧消化发展厌氧发酵历史：1630年，欧洲海尔曼发现有机物腐烂过程中产生的一种可燃气体---沼气。1896年，英国小城Exeter以污泥为原料建立厌氧消化池，沼气用于街道照明。19世纪80年代，中国广东沿海出现简易沼气发酵池，19世纪末出现瓦斯库。20世纪初，中国台湾罗国瑞从事天然瓦斯研究，于1920年建8m3小型沼气池。20世纪50年代,中国推广沼气，有机废料厌氧消化产沼气有较大发展是进20多年的事情。70年代末、80年代初，中国农村沼气建设迅速发展。1996年底，全国建池农户600万户以上，建成大中型沼气池460多座。仅大中型沼气池年处理有机废物达3000万吨左右。1980年，欧共体委员会曾经预测，欧洲10%--15%的能源将由新的替代能源产品提供，使得厌氧消化技术的研究重新受到人们的注目。我国厌氧消化技术的应用也有较长的历史。从50年代末期，就在农村地区开始兴建沼气池。据报道，目前全国建成的沼气池有700万个左右；有5.2%的农村人口使用沼气能源照明和炊事。近20年来，许多城市也相继建成了大型厌氧消化设施，用来处理城市污泥和粪便。厌氧消化发展过程可控性、生产过程全封闭；资源化效果好，低品位的生物能转化为高品位的沼气；易操作，与好氧处理相比，厌氧消化处理不需要通风动力，设施简单，运行成本低；产物可再利用，用作农肥、饲料或堆肥化原料；可杀死传染病细菌；厌氧过程中会产生H2S等恶臭气体；厌氧微生物的生长速率低，常规方法的处理效率低，设备体积庞大；厌氧消化技术的主要特点有机物厌氧消化一般可分为水解、产酸、产甲烷三个阶段，每一阶段各有其独特的微生物类群起作用。水解阶段起作用的细菌称为发酵细菌，产酸阶段起作用的细菌是醋酸分解菌。这两个阶段起作用的细菌统称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌是产甲烷细菌。在水解阶段，发酵细菌对有机物进行体外酶解，使固体物质变成可溶于水的物质，然后细菌再吸收可溶于水的物质，并将其酵解成为不同产物。在产酸阶段，产氢、产醋酸细菌把前一阶段产生的一些可溶性有机物进一步分解成挥发性脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸、长链脂肪酸）醇、酮、醛、CO2和H2等。在产甲烷阶段，产甲烷菌将第二阶段的产物进一步降解成甲烷和CO2，同时利用产酸阶段产生的H2将部分CO2转化成甲烷。厌氧消化原理厌氧消化原理堆肥有机物微生物有机酸，醇类，O2，NH3，H2S等，能量，微生物细胞物质CO2，CH4等，能量细胞物质厌氧消化原理细胞物质(微生物繁殖)有机酸、醇类、CO2、H2S、NH3、能量堆肥有机物(C、N、O、H、P、S等)细胞物质CO2、CH4等，能量酸性发酵阶段碱性发酵阶段两段理论发酵原料生活垃圾、有机污泥、人畜粪便、农林废物。常见发酵原料的理论产气量甲烷产气量为：E=0.37A+0.49B+1.04C式中E:每克发酵原料的理论产甲烷量，L;A、B、C：分别为每克发酵原料中碳水化合物、蛋白质、脂肪类化合物的重量g。二氧化碳理论产量为：D=0.37A+0.49B+0.36C常见沼气发酵原料的组分和理论产气量发酵料浆的配制•根据料浆中所要求的总固体百分含量，计算加水量。•式中：MTS－沼气发酵料浆中总固体百分含量；•X－各种原料（包括水）的重量；•M－各种原料总固体的百分含量。•例题：人粪100kg，含总固体量20％；猪粪100kg，含总固体量20％；稻草98.9kg，含总固体量90％。将其配置成总固体含量为6％的发酵料浆，需加多少水（W）？•解：根据上式有：•W＝1851kg。W9.98100100%909.98%20100%20100%6%100XXMMTS•原料的产气率和甲烷含量常用总固体的量作原料单位表示原料的产气量。•原料的总固体百分含量和总固体量式中：MTS－发酵原料总固体百分含量，W1—发酵原料样品重量，W2—样品在105土2℃条件下烘干衡重量，W—发酵原料重量，WTS—发酵原料所含总固体量。TSTSTSM%10012•例题：有1000kg猪粪，从中称取10g样品，在105℃烘至恒重后的量为1.95g，求其总固体百分含量和总固体量。•解：)(195%95.11000%5.19%1001095.1%10012kgM原料的碳氮比混合原料碳氮比的计算常用发酵原料的碳氮比例：人粪和猪粪各100kg，配合成碳氮比为25：1的混合发酵原料，需稻草多少kg？发酵原料碳素占原料重量，%氮素占原料的重量，%碳氮比(C：N)干稻草鲜人粪鲜猪粪422.57.80.630.850.6067:13:113:1iiiiXNXCK)(9.981:25100%6.0100%85.0%63.0100%8.7100%5.2%42111kgXXXK影响厌氧消化的因素在有机物的厌氧消化过程中，各个不同反应的反应阶段是相互衔接的，产甲烷菌、产酸菌和水解细菌的活动处于动态平衡状态。厌氧消化过程应该对以下几个因素加以控制。影响厌氧消化的因素（1）厌氧条件厌氧消化最显著的一个特点是有机物在无氧的条件下被某种微生物分解，最终转化成CH4、CO2。O2对产甲烷细菌有毒害作用，因此需要严格的厌氧环境，判断厌氧程度可用氧化还原电位(Eh)表示，Eh应维持在-300mV左右（2）原料配比C/N大的有机物称为贫氮有机物；C/N小的有机物称为富氮有机物。为了满足厌氧发酵的微生物对碳素和氮素的营养要求，需要将贫富氮有机物进行合理配比。厌氧发酵的C/N(20~30):1为宜，C/N35:1时产气量明显下降。磷含量一般为有机物量的1/1000为宜。影响厌氧消化的因素（3）温度温度是影响微生物生命活动过程的重要因素之一。温度主要影响微生物的生化反应速度，因而与有机物的分解速率有关。在一定温度范围内，温度越高，产气量越高；温度过高，微生物处于休眠状态，不利于消化。厌氧微生物的代谢速率最快的范围：中温消化温度为35~38℃；高温消化温度为50~65℃影响厌氧发酵的因素(4)pH值和酸碱度对产甲烷细菌来说，维持弱碱性环境是绝对必要的，它的最佳pH值范围是6.5~7.5。pH值低于6.2，产甲烷菌失去活性。为使发酵池内的pH值保持在最佳范围，可以加石灰或含氮原料调节。(5)搅拌搅拌目的是使池内各处温度均匀，进入的原料与池内熟料完全混合，底质与微生物密切接触，防止底部物料出现酸积累，并且使反应产物(H2S、NH3、CH4等)迅速排除。影响厌氧发酵的因素(6)接种物厌氧消化中细菌数量和种群会直接影响甲烷的生成。添加接种物可有效提高消化液中微生物的种类和数量，从而提高反应器的消化处理能力，加快有机物的分解速率，提高产气量，还可使开始产气的时间提前。用添加接种物的方法，开始发酵时，一般要求菌种量达到料液量的5％以上。(7)添加物和抑制物在发酵液中添加少量的ZnSO4、磷矿粉、炼钢渣、炉灰等，有助于促进厌氧发酵，提高产气量和原料利用率。同时添加少量K、Na、Mg、Zn、P等元素也能提高产气率。但是有些化学物质能抑制发酵微生物的生命活力，含氮化合物（蛋白质、氨基酸、尿素等）过多，抑制甲烷发酵（加碳源，调节C/N）；Cu、Zn、Cr等重金属及氰化物也会抑制厌氧消化对厌氧发酵具有抑制性的物质抑制物质抑制浓度/(mg/L)抑制物质抑制浓度/(mg/L)挥发性脂肪酸（VFA）2000SO42-5000氨氮1500-3000Na3500-5500ABS（烷基苯磺酸盐）50Cu5五氯苯酚10Cd150溶解性硫化物1000Fe1710Ca2500-4500Cr3+3Mg1000-1500Cr6+500K2500-4500Ni2金属离子的促进作用和抑制作用浓度范围金属离子浓度（mg/L）金属离子浓度（mg/L）促进作用中等抑制强抑制促进作用中等抑制强抑制钠100～2003500～55008000钙100～2002500～45008000钾200～4002500～450012000镁75～1501000～15003000分别在发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、炼钢渣、碳酸钙、炉灰等，均可不同程度地提高产气量、甲烷含量以及有机物质的分解率，其中以添加磷矿粉的效果为最佳。添加过磷酸钙，能促进纤维素的分解，提高产气量。为什么？添加少量钾、钠、钙、镁、锌、磷等元素能促进产气、提高产气率的原因为：①促进沼气发酵菌的生长；②增加酶的活性。尤其是镁、锌、锰等二价金属离子常常是酶活性中心的组成成分。Mn2+、Zn2+是水解酶的活化剂，能提高酶的活性和促进酶的反应速度，有利于纤维素等大分子化合物的分解。厌氧消化工艺（按消化温度）（1）高温消化工艺高温发酵工艺的最佳温度范围是47～55℃，此时有机物分解旺盛，发酵快，物料在厌氧池内停留时间短，非常适于城市垃圾、粪便和有机污泥的处理。其程序如下：1)高温发酵菌的培养2)高温的维持3)原料投入与排出4)发酵物料的搅拌（2）自然消化工艺自然温度厌氧消化指在自然界温度影响下消化温度发生变化的厌氧发酵。结构简单、成本低廉、施工容易、便于推广。但消化周期受季节和地区的影响。工艺流程如下：厌氧消化工艺（按消化温度）原料选择原料预处理配料入池消化产气大出料送农田定期出料定期加料加活性污泥根据投料运转方式划分工艺类型连续消化工艺半连续消化工艺两步消化工艺投料启动后，经一段时间的消化产气，连续定量的添加消化原料和排出旧料；其消化时间能够长期连续进行。工艺易于控制，能保持稳定的有机物消化速率和产气率，但该工艺要求较低的原料固形物浓度启动时一次性投入较多的消化原料，当产气量趋于下降时，开始定期或不定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。农村较适用两个反应器；根据两段理论设计厌氧消化工艺回流搅拌厌氧消化反应池沉淀池贮气柜备料池有机固体废物回流备料肥料用户池底污泥或消化料液消化产气加水封池入池堆沤大换料拌料接种备料肥料定期或不定期出料定期或不定期加料活性污泥或其他接种物连续消化工艺半连续消化工艺厌氧发酵装置的结构与工作原理厌氧消化池亦称厌氧消化器。厌氧消化池种类很多。按消化间的结构形式，有圆形池、长方形池；按贮气方式，有气袋式、水压式和浮罩式。其中，水压式沼气池是在我国农村推广的主要类型，特别受到发展中国家的欢迎，被誉为“中国式沼气池”。水压式沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池，主要结构包括加料管、发酵间、出料管、水压间、导气管几个部分。红泥塑料沼气池：批量进料半塑式沼气池/二块模式全塑沼气池/袋式全塑沼气池/干湿交替消化沼气池水压式消化池水压式沼气池具有结构简单、造价低、施工方便；但由于温度不稳定，产气量不稳定，因此原料的利用率低。长方形甲烷消化池水压式沼气池水压式厌氧消化装置的结构与工作原理1.加料管2.发酵间3.池内液面4.出料间液面启动前状态，发酵间的液面O-O水平，发酵间内尚存的空间为死气箱容积。水压式厌氧消化装置的结构与工作原理1.加料管2.发酵间3.池内料液液面A-A4.出料间液面B-B启动后状态。发酵池内开始发酵产气，发酵间的气压随产气量增大而增大，结果出料间液面高于发酵间液面。当发酵间内贮气量达到最大值时，发酵间的液面下降到最低位置A-A水平，出料间的液面上升到最高位置B-B水平，这时达到了极限工作状态。极限工作状态时两液面的高差最大，称为极限沼气压强，其值可表示如下：∆H=H1+H2式中：H1为发酵间液面最大下降值，H2为出料间液面最