周孟津沼气发酵的基本原理和工艺

沼气发酵的基本原理和工艺全国大中型沼气工程技术培训班周孟津教授首都师范大学生物系2005-10-20主要内容1沼气发酵基本原理2沼气发酵工艺装置1沼气发酵基本原理1.1沼气发酵细菌：目前公认的沼气发酵过程复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质等）可溶性物质（糖类、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOH③⑤④①①①②②CH4H2O丙酸、丁酸等长链脂肪酸CH4CO2主要有五大菌群参与活动五大菌群：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的糖、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CO2以纤维素为例，反应过程如下：（C6H10O5）+nH2O——→n(C6H12O6)2C6H12O6——→CH3COOH+CH3CH2COOH+CH3CH2CH2COOH+3CO2+3H2②.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、氢和二氧化碳反应过程如下：CH3CH2COOH+2H2O——→CH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2O——→2CH3COOH+2H2五大菌群：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。2CO2+4H2——→CH3COOH+2H2OC6H12O6——→3CH3COOH④.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底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下：CH3COOH——→CH4+CO24H2+CO2——→CH4+2H2O4HCOOH——→CH4+3CO2+2H2O4CH3OH——→3CH4+CO2+2H2O五大菌群各种发酵性细菌玉米秸发酵时的发酵性细菌五大菌群食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌产酸与产甲烷的速度平衡在稳定运行的厌氧消化器内，产酸与分解酸产生甲烷饿速度处于一个相对平衡的状态，它们之间的平衡依赖于产酸菌和产甲烷菌的增长速度。经大量试验公认下列计算细菌增长速度的公式（莫诺公式）：上式中u与Ks均为常数，根据测定，在不同底物条件下，各类群细菌u与Ks的值如下表：从表中的一系列数据可以看出：裂解乙酸的产甲烷菌可能出现的最大繁殖速度比葡萄糖酸化菌群要慢得多，这种在繁殖速度上的差距，是构成产酸与产甲烷速度失调的主要原因。控制产酸与产甲烷阶段的速度平衡一般是通过控制S和X来实现，如：消化器启动时：1投入原料底物的浓度不能太高，尤其是葡萄糖类等物质不能太多。2投入大量厌氧活性污泥，是消化器内一开始就有很多产甲烷菌群。消化器运行阶段：1控制消化器负荷，即每单位体积消化器每日投入有机物的量波动不能太大。2设法减少消化器出料是产甲烷菌的流失。以上这些措施也要根原料的不同、不同的厌氧消化工艺等因素相配合使用。1.2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，才有可能得到较好的沼气生产率或污水净化效率。微生物的生命活动要求多种条件，其中条件主要包括发酵原料、厌氧活性污泥、消化器负荷、发酵温度、PH值、碳氮比、有害物的控制及搅拌等。原料类型固体物质含量（%）举例可溶性的〈1酒精滤液，豆制品废水低固体的1-5酒醪，丙丁醪，鸡，猪舍冲洗水中固体的6-20牛粪，马粪高固体低木质的〉20玉米秸，生物质垃圾高固体高木质的〉20杂白场，锯末（1）原料类型1.2.1沼气发酵原料：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（2）有机物沼气产量的测定和计算发酵原料的组分决定了沼气发酵时所产沼气的量和成分碳水化合物的沼气产量计算公式C6H12O6——3CH4+CO2180g：3×22.4L1000g：x在标准状态下每摩尔气体的体积均为22.4L则每kg葡萄糖可产CH4及CO2均为x)1(31.3731804.2231000x气体成分（%）每kgTS产气量（L）CH4CO2CH4沼气糖类5050370740脂肪722810401400蛋白5050490980主要有机物沼气产量与成分农村常用原料的产气量及产气速度产气速率各原料气速率（%）产气量发酵天数102093.54060(m3/kgTS)猪粪74.286.397.698.01000.42人粪40.781.594.298.21000.43马粪63.780.289.094.51000.34牛粪34.474.686.292.71000.30玉米秸75.990.796.398.11000.50麦秸48.271.885.991.81000.45稻草46.269.284.691.01000.40青草75.093.597.898.91000.441.2.2厌氧活性污泥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。（见后面图片展示）由于在厌氧消化过程中H2S的生成，使厌氧活性污泥呈现黑色，发育良好的污泥呈油亮的黑色。在带有搅拌或悬浮固体较多的消化器里，厌氧污泥呈絮状，黑色或灰黑色。在升流式厌氧污泥床（UASB）消化器中，发育良好的污泥呈颗粒状，直径一般在3mm左右。图片：絮状污泥颗粒污泥生物膜厌氧活性污泥的形态厌氧活性污泥在厌氧活性污泥中，细菌以菌胶团形式存在。产酸菌固定于菌胶团内，或分散于菌胶团外。甲烷丝菌或多或少地分布于各种污泥的内外，而甲烷八叠球菌则往往被网络其中，或游离存在。初形成的污泥中，悬浮物质较多，细菌较少，因而产甲烷活性较低，发育良好的污泥中细菌很多，特别是甲烷丝菌普遍分布，悬浮物质较少，并具有良好的结构，因而产甲烷活性也较高。图片：厌氧活性污泥中的细菌活性污泥及其放大颗粒污泥形成的五个阶段生物膜中的产甲烷菌1.2.3温度：沼气发酵可分为3个温度范围，50-65℃称高度温发酵，20-45℃称中温发酵，20℃以下称低温发酵，此外随自然温度变化而变化的发酵方式称为常温发酵。高温发酵的产气率较高，但就能量角度讲不划算，一般只用于余热可利用的单位或是需要杀害有害生物的废物处理。中温发酵的最适温度为35℃左右。40-45℃对中温或高温发酵来说均属于效率较低的范围温度对产气率的影响1.2.4pH值与碱度pH值沼气发酵是在中性条件下的厌氧发酵，这与乳酸发酵不同，PH值下降沼气发酵就会中止。沼气发酵的最适PH值为6.8—7.4。6.4以下7.6以上都对产气由抑制作用。在沼气池启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足时，以及在消化器运行阶段突然升高负荷。都会因产酸与产甲烷的速度失调而导致PH下降，这一般是启动失败的主要原因。碱度：是指水中含有的能与强酸相作用的所有物质的含量。可用标准盐酸或硫酸滴定至pH=4.0时测出。它们可与挥发酸发生反应，使pH值不会有太大变动。主要以重碳酸盐，碳酸盐，氢氧化物三种形式存在1.2.5负荷厌氧消化时的负荷通常是指发酵器的容积有机负荷（kgCOD/m3·d）。容积负荷是消化器设计和运行的重要参数，它的大小主要是由厌氧活性污泥的数量和活性决定，因此在运行过程中确定容积负荷的根据是污泥的负荷（kgCOD/kgVSS）。在一定的容积负荷条件下，发酵原料浓度不同，投料体积就不一样，这就构成不同的水力负荷（m3/m3.d）。在同样有机负荷的条件下，有机物浓度高则水力负荷低，有机物浓度低则水力负荷高。当有机物浓度基本稳定时，水力负荷则成为工艺控制的主要参数。1.2.6C:N比值发酵原料的C:N比值，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氮比有一定要求，一般认为在启动阶段C/N不应大于30：1，在处理废水时，COD:N:P的比值一般为350：5：1。表农村常用原料的C/N值种类碳素含量（％）氮素含量（％）C/N猪粪7.80.6013：1牛粪7.30.2925：1羊粪160.5529：1马粪100.2424：1人粪2.50.652.9：1干麦秸460.3587：1干稻草420.6367：1玉米秸400.7553：1树叶411.041：11.2.7搅拌在生物反应器中，生物是依靠微生物的代谢活动而进行，这就要微生物不断接触新的食料。因此，搅拌是有效手段。主要作用：使微生物与原料充分接触，同时打破分层现象，使活动性层扩大到全部发酵液内，防止沉渣沉淀，防止产生或破坏浮渣层，保证池温均一，促进气液分离1.2.8毒性化合物一般情况下，农业剩余物中不会含有大量有毒物质，但畜禽场消毒、防疫中常会有较多药物或是工厂有机废水中常含有毒物质。这些物质会毒害或抑制沼气发酵过程。例如，有些有机氯毒性很强，如：CH2CL2,CHCL3和CCL4等，浓度在1mg/L,左右则有较强的抑制作用，因此以三氯甲烷（CHCL3）为容积粘接的发酵器，常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败。2沼气发酵工艺装置2.1沼气发酵基本工艺流程一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程，原料（废水）的收集、预处理、消化器（沼气池）、出料的后处理、沼气的净化、贮存和输配等有机废物剩余污泥（可用作肥料）储存沼气净化调节池预处理厌氧消化器后处理用户排放2.1.1原料的收集充足而稳定的原料供应是沼气发酵工艺的基础，不少沼气工程因原料来源的变化被迫停止运转或报废。原料的收集方式义直接影响原料的质量，如一个猪场采用自动化冲洗其TS浓度一般只有1.5%-3.5%，若采用刮粪板刮出，则原料浓度可达5%-6%，如手工清运则浓度可达20%左右。因此，在禽畜场或工厂设计时就应当根据当地条件合理安排废物的收集方式及集中地点，以便就近进行沼气发酵处理。2.1.2原料的预处理原料中常混有各种杂物，如牛粪中的杂草，鸡粪中的鸡毛和砂砾等。为了便于用泵输及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。酒精和丙酮丁醇废醪，有条件时可采用固液分离机将固体残渣分出用做饲料，有较好经济效益。2.1.3消化器消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备，微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成都是在消化器里进行的，因此消化器的结构和运行情况是一个沼气工程设计的重点。消化器的工艺类型，根据消化器水力滞留期（HRT）、固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）相关性的不同，分为三大类（见下页表）。在一定HRT条件下，设法延长SRT和MRT,并使微生物与原料充分混合,是厌氧消化器科技水平提高的主要方向。厌氧消化器的类型类型滞留期特征消化器举例常规型MRT=SRT=HRT常规消化器、连续搅拌罐、塞流式污泥滞留型（MRT和SRT）HRT厌氧接触、UASB、USR、折流式IC附着膜型MRT(SRT和HRT)厌氧滤器、流化床、膨胀床2.2常规型消化器这类消化器的典型特征是发酵料中的液体、固体和微生物靠搅拌作用均匀混合在一起，在出水的同时固体和微生物一起被淘汰，即HRT、SRT和MRT完全相等，消化器内由于没有足够的微生物，并且固体物质得不到充分的消化，因而效率较低。此类消化器包括我们通常所说的常规消化器、完全混合式和塞流式消化器等。2.2.1常规消化器该消化器无搅拌装置原料在消化器内呈自沉淀状态，一般分为4层，从上到下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层，其中厌氧消化活动旺盛的场所只限于活性层内，因而效率较低。2.2.2连续搅拌罐反应器（CSTR）CSTR又称完全混合式，它是当前用于污水处理的典型常规消化器，在该反应器里原料的进入和流出处于动态平衡状态，并且发酵液中的液体、固体和微生物处于混合状态，出水有机物浓度与反庆器内料液浓度相等连续搅拌罐反应器（CSTR）优缺点：优点：1.该反应器可以进入高悬浮固体（SS）含量的原料；2.消化器内底物均匀分布，增加了底物与微生物的接触机会；3.消化器内温度分布均匀；4.进入消化器内的任何一点的抑制物质，会迅速分散保持在最低水平；5.避免了堵塞、沟流和气体逸出不畅现象；6.易于建立