沼气发酵的原理与应用

1、沼气发酵的原理与应用摘 要 概述了沼气技术及应用现状。沼气作为重要的可再生能源，具有很高的经济价值和环境效益。沼气生产作为我国新农村建设中解决农村能源短缺问题的重要手段，具有广阔的发展前景。利用外来侵略植物作为沼气发酵原料可保护和改善生态环境，维护生态平衡。关键词 沼气 厌氧发酵 生物质 能源沼气发酵是利用农业生产剩余物、食品加工和工业生产等废弃物进行厌氧发酵,实现物质资源化再利用的重要过程,其在自然界也有着极为普遍的存在。各种有机物经沼气发酵,不断被分解代谢(同时生成沼气),构成了物质和能量循环的重要环节。在这一极为复杂的过程中,各类群微生物起着极为重要的作用。深入了解各类群微生物的作用特点

2、、生态功能及其彼此间的关联,将有助于更好地理解沼气发酵,进而为更有效地实施操控提供理论依据。一、沼气发酵的原理1、沼气成分及性质沼气是一种可燃性气体混合物主 要 成 分 是55 70%甲 烷25 40%co2 少量h2、h2s 、co、n等。沼气的主要成分是甲烷。甲烷是无色、无臭的气体，分子式ch4，分子量为16.04，在0 101325pa 标准状态下，甲烷对空气的相对密度为0.5548 沼气约为 0.94 甲烷的热值为35.9mj/m3，沼气低热值 2025mj/m3 。2、沼气发酵基本原理沼气是生物质经过多种微生物联合厌氧消化作用而生成的可燃气体。厌氧消化就是在无氧的条件下,由兼性厌氧菌

3、和专性厌氧菌联合降解有机物，最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议；目前较多人支持m.p.bryant提出的沼气发酵三个阶段理论。沼气发酵三个阶段理论将沼气发酵过程分为水解液化、 酸化和甲烷化三个阶段：第一阶段为水解液化阶段；这一阶段兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中较大分子的成分(如纤维素等)水解成可溶于水的有机酸和醇类等。第二阶段为酸化阶段；产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成简单的有机酸， 同时生成氢气和二氧化碳。第三阶段为甲烷化阶段；产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体， 即发酵的最终产物沼气。沼气的发酵过程2.1 第一阶

4、段是液化阶段 由微生物的包外酶（如纤维素酶、淀粉酶和蛋白酶等）对有机物质进行体外酶解，将多糖水解成单糖或二糖、蛋白质分解成多肽和氨基酸。通过体外酶解将固体物质转变成可溶于水的物质，这些物质进入微生物细胞，参与细胞内的生物化学反应。2.2 第二阶段是产酸阶段 上述的水解产物可以进入微生物细胞，在胞内酶的作用下，进一步分解成小分子化合物，例如低级挥发性脂肪酸、醇、醛、酮、脂类、中性化合物、氢气、二氧化碳、游离态氨。其中主要的挥发性酸乙酸最大。约占 80% ，参与这一阶段的细菌统称为产酸菌。2.3 第三阶段是产甲烷阶段 在这一阶段中，产氨细菌大量繁殖和活动，氨态氮浓度增高，挥发酸浓度下降，为产甲烷菌

5、创造了适宜的生活环境，产甲烷菌大量繁殖。a.由醇和二氧化碳形成甲烷2ch3ch2oh + co2 2ch3cooh + ch44ch3oh 3ch4 + co2 + 2h2ob.由挥发酸形成甲烷2ch3ch2ch2cooh + 2h2o+co2 4ch3cooh + ch4c.二氧化碳被氢还原形成的甲烷co2 + 4h2 ch4 + 2h2o 沼气发酵的三个阶段是相互连接、交替进行的，它们之间保持动态平衡。在正常情况下，有机物质的分解消化速度和产气速度相对稳定。如果平衡被破坏，就会影响产气。若液化阶段和产酸的发酵速度过慢，产气率就会很低，发酵周期就变长，原料分解不完全，料渣就多。但如果前两个阶

6、段的发酸速度过快而超过产甲烷的速度，则会有大量的有机酸积累起来，出现酸阻抑，也会影响产气，严重时会出现“酸中毒”，而不能产生沼气。3、沼气发酵微生物概况沼气发酵微生物种类繁多,大体可分为产甲烷菌群和不产甲烷菌群两类。产甲烷微生物菌群,通常称为产甲烷菌,依照其形态特征可分为甲烷球菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷杆菌属和甲烷螺菌属。在厌氧条件下,产甲烷菌可利用不产甲烷菌的中间代谢物和最终代谢产物作为其营养和能源物质,以此进行生长繁殖并最终产生甲烷。不产甲烷菌群主要是一大类兼性厌氧菌,从生理功能上又可分为挥发酸生成菌群和基质分解菌群。其中以细菌种类居多,目前已知的有18个属51个种,随着研究的深入和分离方

7、法的改进,还有新种不断被发现。它们具备水解和发酵大分子有机物并产酸的能力,在满足自身生长的同时,为产甲烷菌提供能量和物质。不产甲烷菌种类十分宽泛,包括化能自养菌、化能异养菌和光能异养菌,甚至还有真菌和原生动物的存在。二、沼气发酵工艺根据发酵原料和发酵条件的不同,所采用的发酵工艺也多种多样。1 沼气发酵的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)、出料的后处理和沼气的净化与储存等,如下图所示:2 沼气发酵工艺的基本条件2.1 适宜的发酵温度沼气池的温度条件分为:常温发酵(也称为低温发酵)1030,在这个温度条件下

8、,产气率可为0.150.3m3/m3·d。中温发酵3045,在这个温度条件下,池容产气率可达1m3/m3·d左右。高温发酵4560,在这个温度条件下,池容产气率可达22.5m3/m3·d左右。沼气发酵最经济的温度条件是35,即中温发酵。2.2 适宜的发酵液浓度发酵液的浓度范围是2%30%。浓度愈高产气愈多。发酵液浓度在20%以上称为干发酵。农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。夏季以温补料浓度为56%冬季以料补温1012%;曲流布料沼气池工艺要求发酵液浓度为58%。3 发酵原料中适宜的碳、氮比例(c:n)沼气发酵微生物对碳素需要量最

9、多,其次是氮素,我们把微生物对碳素和氮素的需要量的比值,叫做碳氮比,用“c:n”来表示。目前一般采用c:n=25:1。但并不十分严格, 20:1、25:1、30:1都可正常发酵。4 适宜的酸碱度(ph值)沼气发酵适宜的酸碱度为ph=6.57.5。为什么酸碱度会影响沼气发酵呢?主要是因为ph值影响酶的活性。5 足够量的菌种沼气发酵中菌种数量多少,质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。一般要求达到发酵料液总量的1030%,才能保证正常启动和旺盛产气。6 较低的氧化还原电位(厌氧环境)沼气甲烷菌要求在氧化还原电位大于-330mv的条件下才能生长。这个条件即:严格的厌氧环境。所以,沼气池要密封。三、沼气

10、发酵应用现状与前景展望欧洲沼气技术发展开始于20世纪70年代，当时人们开始重视可再生能源和绿色能源，但前期所建的厌氧消化设施普遍存在管道堵塞、配套设备质量差、沼气利用方式落后、效率不高等问题，从而导致沼气工程经济效益差。近十几年间，欧洲所建的沼气工程数量相对减少，但消化工艺和装备质量都明显提高，工程造价也相对降低。这些装置的厌氧消化工艺主要是全混合或推流式厌氧工艺，中温发酵、停留时间为2030天，消化处理单一原料，沼气主要用于室内供暖或热电联用。集中厌氧消化系统代表了目前欧洲沼气工程的发展趋势，发展较快的国家主要是丹麦、德国、英国和瑞典。我国大中型沼气发酵工程发展始于20世纪70年代末，整个发

11、展过程与我国养殖业的发展规模和集约化程度密切相关，也与整个社会对环境保护的关注程度有关。70年代末到80年代中期，这一阶段发展畜禽养殖场沼气工程主要是为了得到沼气能源，以缓解当时农村地区能源供应的严重不足。由于当时的大中型养殖场较少，早期工程所用的发酵原料除了粪便外，一部分工程还用秸秆作原料，采用常温发酵，池容产气率只有0.2m3/m3·d左右，发酵液不再处理，直接作为肥料。从90年代初开始，大中型沼气工程的建设重视强调工程的环境效益，并通过开展综合利用来增加工程的经济效益，研究开发出了多种新型高效发酵工艺，使厌氧消化器的处理能力提高210倍、产气率提高13倍、cod去除率提高10%20%。随着生产的发展和居住地的集中,工农业生产和人民生活过程中所产生的有机废物越来越多,为沼气发酵提供了充足的原料。随着人民生活水平的提高,居住条件的改善,人们要求方便而清洁的生活能源,燃气将成为今后城镇生活能源的一种主要形式。将当地所产生的有机废物集中起来进行沼气发酵,既可解决居民燃气,同时也可保护环境。因此,发展沼气实现农村燃气化是一项现实而又一举多得的科技事业。参考文献1张全国.沼气技术及应用 m . 北京; 化学