生物厌氧处理沼气发酵

第九章沼气发酵第一节概述第二节沼气发酵原料第三节沼气发酵的影响因素和工艺第四节沼气池的设计与构建（自学）第五节沼气发酵产物的综合利用1、厌氧发酵（anaerobicfermentationm）厌氧发酵（或厌氧消化）是指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。由于厌氧发酵的产物是以CH4为主要成分的沼气，故又称为甲烷发酵(firedampfermentation)。厌氧发酵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的手段得以实施的。厌氧消化处理可以去除废物中10～50％的有机物，并使之稳定化。70年代初，由于能源危机和石油价格上涨，许多国家开始寻找新的能源，这时厌氧发酵技术显示出其优势，普遍受到人们的关注。近20年来，我国许多城市相继建成了大型厌氧发酵设施，用来处理城市污泥和粪便。第一节概述2、厌氧发酵技术的主要特点可将潜在于有机废物中的低品位生物能转化为可直接利用的高品位沼气

；与好氧处理相比，厌氧消化不需要通风动力，设施简单，运行成本低，属于节能型处理方法；适用于处理高浓度有机废水和废物；经厌氧处理后的废物基本上是稳定的，可以用作农肥、饲料和堆肥化原料；厌氧微生物的生长速度慢，常规方法的处理效率低，设备体积大；厌氧处理过程中易产生H2S等恶臭气体。3.基本原理与微生物学过程复杂有机物（碳水化合物、脂肪、蛋白质）溶解性有机物（水解酸化阶段）（糖类、脂肪酸、氨基酸、醇类等）产氢产乙酸阶段（H2、CO2、CH3COOH)产甲烷阶段H2、CO2CH3COOHCH4CH4、CO2（1）沼气发酵的微生物种类

第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。a.水解酸化阶段在这一阶段中复杂的有机高分子物质，如蛋白质、脂肪、碳水化合物等在水解细菌产生的胞外酶的作用下进行体外酶分解，使固体物质变成可溶于水的简单有机物。高分子有机物的水解速度很慢，主要受物料的性质、微生物的浓度、温度和pH等条件的制约。主要有机物的水解反应：蛋白质+nH2O→氨基酸＋脂肪酸＋NH3＋CO2＋H2S

（2）沼气发酵过程b.产氢产乙酸阶段液化阶段产生的简单的可溶性有机物，在产氢菌、产醋酸菌的作用下，进一步分解成挥发性脂肪酸，主要是丙酸、丁酸、乳酸，醇、酮、醛、CO2和H2等。反应式c.产甲烷阶段(Methane-producingstage)产甲烷菌将产酸阶段的产物进一步降解为CH4和CO2，同时把产酸阶段所产生的H2和CO2转化成CH4。产CH4阶段的生化反应相当复杂，目前已得到验证的主要反应有：第二节沼气发酵原料

自然界中几乎所有的有机物质都可作为沼气发酵的原料。人工制取沼气的主要原料是畜禽粪便污水、食品加工业、制药和化工废水、生活污水等。在农村，也用农作物秸杆制取沼气。但由于其来源和形成过程不同，它们的化学成分和结构也迥然不同，由此造成原料的发酵性能差异相当大富C原料。我国农村的另一大类发酵原料是秸杆和秕壳等农作物的残余物。这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质，含碳量高，其碳氮比多在40∶1以上，称富碳原料。这些物质发酵周期较长。秸秆类富C原料一般干物质含量比富N原料高，且比重小，进沼气池后容易飘浮形成死区─—浮壳层，这类原料在发酵前一般需要预处理按原料来源分：1．农村发酵原料富N原料。通常是指人畜粪便，也包括青草等碳氮比低的原料。其含氮量高，碳氮比多在25∶1以下，即在沼气发酵的适宜的碳氮比范围内或以下。这类原料中粪便经过了人和动物的胃肠系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量的低分子化合物─—人和动物未吸收的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时不必预处理，就容易厌氧分解，产气速度快，发酵周期较短。一、发酵原料的种类2．城镇有机废物废水主要包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等。

3．水生植物主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其它水草和藻类等。这些水生植物利用太阳能的能力很强，繁殖速度快、产量高。由于组织鲜嫩，容易厌氧分解，作沼气原料，产气快、周期短。但水葫芦、水花生、水浮莲等水生植物体内有气室，直接进沼气池，容易飘浮。因此，用作沼气发酵原料时，宜稍晾干或堆沤2天后入池，效果较好。

发酵原料的评估和计量，通常用总固体（TS）、挥发性固体（VS）、化学耗氧量（COD）和生物耗氧量（BOD）等指标评价和计量原料中有机物的含量和沼气的产量。（1）总固体（TS）：湿式发酵6％－10％、干式发酵20%-35%（2）挥发性固体（VS）（3）产气量（4）产气速率：池容产气率、原料产气率、理论产气率

二、产气量与产气速率（1）产气量（2）产气速率：池容产气率、原料产气率、理论产气率

沼气发酵微生物要求有适宜的生活条件，对温度、酸碱度、氧化还原势及其他各种环境因素都有一定的要求。在工艺上只有满足微生物的这些生活条件，才能达到发酵快、产气量高的目的。实践证明，往往由于某一条件没有控制好而引起整个系统运行失败。因此，控制好沼气发酵的工艺条件是维持正常发酵产气的关键。第三节沼气发酵的影响因素和发酵工艺（1）厌氧环境

沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，他们都是厌氧性细菌，尤其是产生甲烷甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感。他们不能在有氧的环境中生存，哪怕只有微量的氧存在，微生物的生命活动也会受到抑制，甚至死亡。判断厌氧程度一般用氧化还原电位Eh表示。厌氧条件下，Eh是负值。严格厌氧的甲烷菌要求的Eh为－300～－350mV，而一些兼性产酸的细菌则在Eh为－100～＋100mV就能正常生活。为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼气池，保证沼气池不漏水、漏气。

一、沼气发酵的影响因素（2）温度(temperature)

温度对有机物的分解速度影响较大，温度增高，产气量增大。沼气发酵通常采用低温、中温和高温三种发酵温度。低温发酵(<20℃)

温度随气候变化，产气率不高，病原微生物难于杀灭。中温发酵(30～39℃)最佳温度为37℃，这是甲烷菌的第一个最佳活性温区，产气量中等。中温发酵过程要求15～30天的停留时间，由于易于管理因此普遍采用中温发酵。在中温发酵条件下，有机负荷为2.5～3.0kg/(m3.d)，甲烷产气量约1～1.3m3/(m3.d)；

高温发酵(50～55℃)适宜温度为53℃左右,这是甲烷菌的第二个最佳活性温区，产气率最高。高温发酵要求料浆和发酵设备有加热保温措施，管理复杂。但是高温发酵对病原微生物的杀灭率较高，发酵过程的停留时间只需12～15天。在高温发酵条件下，有机负荷为6.0～7.0kg/(m3.d)，甲烷产气量约3.0～4.0m3/(m3.d)。厌氧消化过程中，甲烷的产生量通常随温度的升高而增加，但在45℃左右有一个间断点（见图9-4），这是由于中温发酵和高温发酵分别是由两个不同的微生物种群在起作用。在45℃左右的温度条件下对中温菌和高温的生长都不利，因此，产气量突然下降。图9-4甲烷产气量随温度的变化

（3）pH值的影响产酸菌适于在酸性条件下生长，其最佳pH值为5.8，所以产酸阶段也称为酸性发酵。产甲烷菌需碱性条件下生长，称为碱性发酵。当pH<6.2时，产甲烷菌就会失活性。因此，在产酸菌和产CH4菌共存的厌氧消化过程中，系统的pH值应控制在6.8～7.4之间。

在正常发酵过程中，依靠原料本身可以维持发酵所需的pH值。但在突然增加进料量或改变原料时，有机物负荷过高或消化系统中存在某些抑制物质时,对环境要求荷刻的产甲烷菌首先受到影响，从而造成系统中挥发性脂肪酸积累，pH值下降。pH值的下降又反过来会影响产甲烷菌的生长。如此恶性循环，将导致消化过程停止。为了提高系统对pH值降低缓冲的能力，需要维持一定的碱度。可以通过投加石灰或含氮的物料加以调节。一般情况下，碱度控制在2500～5000mg/L时，可获得较好缓冲能力。图9-5pH值对厌氧消化的影响搅拌的目的:

1)是发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快产气速度，提高产气量、提高原料利用率。

2)同时也可防止原料浮面结壳，产生的沼气释放不出来。我国农村的沼气发酵原料以秸杆、杂草和树叶等为主，更需搅拌才能达到好的发酵效果。

3)防止局部酸的积累

（4）搅拌(mixround)搅抖方式有机械搅拌、充气搅抖和充液搅拌三种。机械搅拌在池内安装叶轮进行搅拌。（不常用）气搅拌将沼气从池上部抽出后，又从池底压进去，产生强大的气流，达到搅拌的目的。液搅拌从出料间将发酵液抽出，然后从进料口冲入沼气池，产生强大的液体回流，达到搅拌的目的。（5）接种物

正常沼气发酵是一定数量和种类的微生物来完成的。含有丰富沼气微生物数量的污泥叫接种物。沼气发酵菌种在自然界广泛存在（你认为哪些地方有丰富的沼气发酵菌种？为什么？）。如：各种阴沟污泥，粪坑底脚污泥，沼气池底污泥或消化浆液等处由于丰富的有机物质和良好的嫌气条件，形成了丰富的微生物群落。在新进料的沼气池中加入接种物，可大大缩短停滞期。特别是新建沼气池，第一次投料时微生物数量和种类都不够，应人工添加接种物。使用工业废水为原料的沼气池起动时，特别要注意接种。（6）原料的C∶N比值和其它营养物质

微生物所需的最适碳氮比为25∶1，由于沼气发酵过程中原料的碳氮比可受到微生物的自动调节，因此，适宜碳氮比范围较宽。据大量报道和实验结果表明，沼气发酵的碳氮比以20～30∶1为宜，超过35∶1产气量明显下降。但也有报道配料中碳氮比以6～30∶1仍然合适的。（7）压力

甲烷菌能适应较大的静水压力，约40米或更高。但它对压力变化极为敏感，需要工艺来稳定压力。

(你认为沼气发酵过程中什么时候可能会发生压力波动?)

在进料、出料和沼气消耗时，沼池中的压力发生变化，对甲烷菌的生命活动有抑制作用。怎么防止?（1）保留足够的贮气空间，使得用气时气压变化不致过大；（2）进料和出料的速度尽量保持一致，所进新鲜原料和所排出的废料体积应相等；（3）大型沼气池应设置贮气装置。如我国农村推广的一种分离式浮罩沼气池，可保持比较稳定的气压。

（8）添加剂与抑制剂有些物质少量添加于沼气池后就可显著促进产气，这类物质称为添加剂。而另一些物质少量添加于沼气池后则显著抑制产气，这类物质称为抑制剂。添加剂的种类较多，包括一些酶类、无机盐、有机物和无机物。如添加一定量的纤维素酶，可显著促进产气；添加5mg/Kg的稀土元素（R2O5）可提高产气17%；添加适量的NH4HCO3等氮肥，可显著提高秸杆类原料的产气率；添加少量的活性炭或泥炭、或向发酵池通入氢气都可显著提高甲烷产量。抑制剂主要是指一些金属离子、盐类、杀菌剂和人工合成的化合物。

表9-3对厌氧消化有抑制作用的物质抑制物质抑制浓度(mg/L)抑制物质抑制浓度(mg/L)抑制性脂肪酸氨氮溶解性硫化物CaMgKNaCU200020001500-30002002500-45001000—15002500-45003500-5500CdFeCr6+

Cr3+Ni015017103500二、发酵工艺

沼气发酵是一种严格的厌氧发酵，从处理废物的角度来说，通常称为厌氧消化。按发酵温度、发酵级差和发酵方式的不同，沼气发酵划分为以下不同的类型：（1）按发酵温度可分为“自然温度”发酵（变温发酵）、中温发酵（35℃左右）、高温发酵（53℃左右）。

（2）按发酵级差可划分为单级（一步）发酵、两级（两步）发酵和多级（多步）发酵。单级发酵是指最常见的发酵类型。简单地说。就是产酸和产甲烷是在同一装置中进行。单级发酵对处理废水废物中的BOD来说，不如两级或多级理想，但从获得能源的角度来说是可行的。

两级发酵它是根据产酸和产甲烷两个不同阶段是由两类不同的微生物所调节的原理而设计的。这两类微生物在生理学、营养需要、生长和代谢特征、对环境的要求和对环境刺激的敏感性等方面有重大差异。两级发酵能大大提高产气量和挥发性固体的分解效率，缩短发酵周期，节约成本和运转费用，还能更有效地进行废物处理。（3）按进料方式分为批量发酵、连续发酵与半连续发酵。

批量发酵是指将发酵原料和接种物一次性装满沼气池，中途不再添加新料，产气结束后一次性出料。固体含量高的原料，如作物秸杆、有机垃圾等由于日常进、出料不方便，进行沼气发酵常采用这一方法。产气特点是初期少，以后逐渐增加，然后产气保持基本稳定，再后产气又逐步减少，直到出料。

连续发酵是指沼气池加满料正常产气后，每天分几次或连续不断地加入预先设计的原料，同时也排出相同体积的发酵料液。大中型沼气工程通常采用。

半连续发酵是指沼气池正常产气后，不定期、不定量地添加新料，在发酵过程中，往往根据其它因素（如农田用肥需要）不定量出料。我国农村沼气池通常采用这一方式。三、发酵装置(fermentationplant)

不同的地区对沼气发酵器的称呼也不一样。在农村，习惯称沼气池，在城镇则多称厌氧消化器、消化器、发酵罐或反应器等等。按发酵器类型的不同，可分为常规消化器、厌氧接触工艺、厌氧滤器、上流式厌氧污泥床等。这几种发酵器的主要区别在于微生物的滞留方式与原料流动方式的不同。以下将对这几种消化器加以讨论。1、水压式沼气池

特点：合并发酵与贮气于同一空间，下部为发酵间，上部为贮气间。（1）结构与工作原理结构水压式沼气池是一种埋设在地下的立式圆筒形发酵池,池盖、池底具有一定的曲率半径，呈弧形。主要结构有：进料管，发酵间，出料管，水压间，出料间，导气管等几部分。工作原理启动前状态（图9-6a）：发酵间与水压间（出料间）液面处在同一水平（O-O）；此时发酵间剩余的空间为死气箱容积；启动后状态（图9-6b）：发酵间产生的气体造成水压间液面高于发酵间，当产生的气体量最大时，发酵间的液面下降到最低位置（A-A）；使用沼气状态（图9-6c）：发酵间压力减小，水压间液面下降，停用沼气时，继续发酵产生的沼气又使水压间液面上升，反复进行。极限工作压强：水压间液面上升到极限位置时与发酵间的最大液面差。图9-6a水压式沼气池启动前状态

1-加料管；2-发酵间；3-初始液面；4-水压间（出料间）图9-6b水压式沼气池启动后状态

1-加料管；2-发酵间；3-初始液面；4-水压间（出料间）图9-6c水压式沼气池使用状态

1-加料管；2-发酵间；5-导气管；6-沼气输送管；7-控制阀2、浮罩式沼气池分离浮罩式沼气池顶浮罩式沼气池3、长方形甲烷消化池4、红泥塑料沼气池

红泥塑料沼气池是我国一代新型沼气池，建池材料采用红泥塑料和混凝上制造，具有造价低廉、产气率高等特点，适合于农村家庭使用。红泥塑料使用寿命可达15年以上，是一般塑料无法比拟的。红泥塑料沼气池是一种用红泥塑料作池盖或池体材料，该工艺多采用批量进料方式。红泥塑料沼气池有半塑式、两模全塑式、袋式全塑式和干湿交替式等。5、化粪池(又名腐化池)用于处理粪便和污水工作原理 化粪池兼有污水沉淀和污泥发酵的双重作用，粪水进入化粪池后大约可停留12～24小时，比重大的悬浮固体下沉到池底，在厌氧菌作用下分解，产生气体上浮，并将分解后的疏松物质牵引到液面，形成浮渣，当浮渣中的气体逸散后，悬浮固体