第九章厌氧过程与沼气技术

§9.1厌氧过程的基本原§9.1.1招气的理化性（CH4（N2（H2（O2（NH3（CH49-1所示。9-1甲烷与沼气的主要理化性l)甲烷甲烷是一种饱和烃类，由4个氢原子和1个碳原子组成，分子式为CH4。常温时呈气态无色无味化学性质比较稳定相对分子质量16.043，容重Y=0.717kg/m3(标准状态)0.555(与空气相比)。CH4+2O2—— (9-测得纯甲烷火焰的最高温度约2000每立方米纯甲烷的热值为35822kJ，接近lkg石二氧化碳对于水的溶解度极大，20℃时，10087.8§9.1.2厌氧沼气发醉的主要反应历9-1所示。、农作物秸秆、人畜粪便以及其他各种有机废弃物，都是以大分子状态存在的碳水、以乙酸为主，约占§9.1.3沼气发酵的微生物H2、CO2。2C2发生由于技术上的有关产氢产乙酸菌的不多布赖恩特了两个分别应进行了研究。H2CO2有人估计由这些菌形成的乙酸在一个40℃的牛粪消化器中只占总乙酸合成的1%~2%,在一60℃3%~4%。H2/CO2时也不如产甲烷菌生长快，因此它们在沼气发酵过程中的作用可能并不重要。—甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的最后一组成员，尽管它们具有各种各样的形2/C2转化为气体产物使厌氧消化系统中有机物的分解作用得以顺利进行。酸裂解形成的，而其余的大多数是来自H2和CO2的还原。因此，乙酸是厌氧消化器中最重产甲烷菌广泛存在于水底沉淀物和动物消化道等厌氧的环境中产甲烷菌对氧高度量半衰期仅为4min。在厌氧污泥的微生态颗粒中，产甲烷菌在颗粒，很容易得到低氧据Oregon产甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)，该中心已收藏产甲烷菌215株，分3目、6科、16属、55种口我国也分离到了十几株产甲烷菌。根据它们所利用的主要H2/CO2生成甲烷外，多H2的主要消耗者。食乙酸产甲烷菌主要为甲烷八叠球菌属和甲烷毛发菌属。相温度、pH等，防止物质的进人，特别是控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，都§9.1.3沼气发酵工艺条厌氧程度一般用氧化还原电位来表示。氧化还原电位(ORP,Eh,Rh)又称为氧化还原势。但由于在密闭的沼气池内，好氧菌和兼性厌氧菌(此在有氧气或无氧气环境里都能生存与活动)的活动，迅速消耗了溶解氧，使沼气池的氧化还原势逐渐降低，从而创造了良好的氧化还原势条件。2沼气发酵微生物是在一定的温度范围进行代谢活动的，可以在8~65℃产生沼气，温度高低不同产气速度不同。在8-65℃范围内，温度越高，产气速度越快，但不是线性关系。53~55℃时，沼气微生物中的高温菌活跃，产沼气产气的一个在35℃左右，另一个更高的在54℃左右。前者叫中温发酵.后者叫9-2原料中水分、TSVS9-3105℃的烘干箱中烘干至恒重，此时物质的质量就是该样品的总固体质量。TS一样品的干物质含量，%；Wd一样品中干物质质量，mg；体样品在500-550℃温度下灼烧1h，其减轻的质量就是该样品的挥发性固体量，余下的物质总固体中挥发性固体含量计算式Wh—样品灰分质量，mg。 (9-c——硫酸亚铁钱标准溶液的浓度，mol/L；V020℃培养时，完成此过程需100多天。目前国内外普遍规定(20士1)℃培养5d，分别测定样品培养前后的溶解氧，二者之差即为BOD5值，以氧(mg/L)表示。测定结果数据一般按下式BOD值 B1——稀释水（或接种稀释水)在培养前的溶解氧浓度，mg/L；B2一一稀释水(或接种稀释水)在培养后的溶解氧浓度，mg/L；C1一一水样在培养前的溶解氧浓度，mg/L；C2——水样在培养后的溶解氧浓度，mg/F1、f2的计算:3%,3份水样，97配制发酵料液的浓度，要根据发醉原料的含水量(9-2)和不同季节所要求的浓度，9-2dWd―发酵原料在池内停留时间，d；V一沼气池池容，m3；

9-4所示，产气快慢很不一致。像糟液、酵母厂废水、抗生素厂废水、制酱油的废水、制豆腐的废水、9-3图9-4几种有机物质产气量的比较(江苏武进沼气9-42.

Vg

RCOD—CODTS采用哪种方法表示，要根据测试的实际条件而选取池容()产气率是指消化器单位容积每天生m3/(m3·d)，池容产气率说明消化器被利用水平高低。用原料7044%1kgCODr(定原料中有机物含量的化学耗氧量0.35350%70%左右。酸碱度是指溶液中氢离子(H+)pHpH6.8～7.5pH是pHpHpH<6pH>8时，沼气发酵pH来控制投pH7pH6.56.0以下，则应大量投人次投料10%)为例，投料前发酵液的挥发酸以650mg/L以下为宜；超过800mg/L就要加以注1000mg/L，将会造成酸积累，直至料液酸化。应大量减少投料或pHpH提高消化器内的pH，使发酵过程得到比较快的恢复。因此，在发酵过程中对pH的是废水为发酵原料时，pH可适当放宽，只要适当控制进料负荷，发醉过程即可正常运行。酸pH9-5中。需要强调的是，pH的变化是由于被消化物组分瞬时变化而使两个阶段之间出现不平衡为了能准确、及时地控制pH，对沼气工程还应该做到：在消化器内的不同部位设置取pH6，所需恢复时间很长.碳氮比以(20～30):110:4:0.8为宜。对于以生产农副产品的污水为而另一些物质却抑制发酵的进行;还有些物质在低浓度时有刺激发酵作用，而在高浓度时产沼气发酵微生物的生命活动受很多因素的影响，很多物质都可抑制这些微生物的生命(20001063600106上作用；氨态氮(3)浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和作用；各种，特别是剧毒都有极强的杀菌作用即使微量也可使正常的沼气发酵完全破坏其他很多盐类，特别是金属离子，超过一定浓度时都有抑制作用。例如100200g/L200～400mgL100200mg/L75150mgL3500～5500mg/I.2500～4500mg/L钙为2500～4500mg/L和镁为1000～1500mg/L时，则产生中等强度的抑制。当浓度更大时，即钠为8000mg/L、钾12000mg/L、钙为8000mg/L3000mg/L时，对发酵过程产生强烈抑制作用。搅拌的方法有三种9-5气搅 9-7池(罐)底部取出的污泥，或是污水处理厂排出的污泥，或是人畜粪便等添加适量(菌种量的温35℃，高温54℃)厌氧培养7～8d,控制其pH=6.8～7.5，再加人适量的有机废水，§9.2小型户用沼气4个阶段。2020年的研究，解决了两个关键技术问题:抗日爆发，公司，中国早期沼气利用也告结束。。议事日程建立了相应的机构支持以解决能源为主以小型沼气为重点是这一时间沼气发展的主要特点。这一时期存在的主要问题是：①没有对沼气本身的技术进行系统研究.速度要快，成本要低。。20世纪80年代初期，为适应沼气发展的需要，国家建立了一批沼气研究机构。如1980在不断深入探索中形成了具有的发酵工艺适合不同情况的水压式沼气池池优质与低成本的目标。技术成是国家颁布了《中国水压式沼气池标准图集，《中国水压式沼气池验收标准《小型沼气灶》等一系列了一批沼气技术书籍和适合不同对象的培训，如《中国沼气工艺学《中国农村沼气技术》等。，进人20世纪90年代，中国沼气已有了二十几年的丰富经验。此外，市场经济正逐步取据统计，到2002年底，小型沼气池保有量为1000万个，年产沼气近3×108m3。沼400(如“四位一体")21户，南方生态模式(如“猪一沼一果”)81§9.2.1小型沼气池类);(和(1)以水柱高度表示的压力值。其供气原理如图9-8所示。①产气前图9-8（a）]②产气不供气[图9-8(b)]料液发酵产气，在储气室内.随气量的增多压力升高，(2)水压式沼气池 1984年国家发布、1985年实施了“农村小型水压式沼气池99(a)主要由圆筒形池身、削球壳地盖及池底的发酵间，进料管及圆形水压间三部分组成。球形沼气池图99(b)同特点是：储气室在发酵间内，发酵间的容积分别为4m3、6m3、8m3、10m3，用户自己选定。水压间设计可分别按产气率0.15m3(m3•d)、0.20m3(m3•d)、0.25m3(m3•d)、0.30m3(m3•d)考虑酌情选值。(3)设搅拌装置的水压式沼气池农村小型沼气池经常出气用户的一题。分层，下面干上面稀，不利发酵.影图910制的水压式沼气池破壳搅拌装置。它主要由两部分组成： 911示是省桃县能源办研制的水压式沼气池的搅拌装置，基本结构从图可见。其安装与操作是:中心预留1Ф75m2，再将4根侧枝固定在两根横杆上，这时安装人员出池。投料后，盖好活动盖，将封水管套在主轴上，用黏泥密封封水管与活功盖小孔之间的间。然后淹水养护，气池时，先取出封水管，再揭开活动盖将其拆出。曲流布料水压式沼气池曲流布料水压式沼气池在市试验、推广使用政果良在油拱设有伞架型破壳挂笼进行破壳。手动搅拌杠杆伞架型挂笼破壳，并同据实测，在地区，6m3曲流布料池，一年产气可达1692.6m3；池容最高产气率O.98m3m3.d)，相当于圆筒形普通水压池产气量的3～5发酵液差自功循环水压式沼气 管与水压箱平齐。池出水管为一U形管A，通往厕所蹲位及猪舍地面。水压箱底部有一U形管B.通往池。②循环过程沼气池在正常运行时，当停止供气，低位池的发酵液一部分被沼气挤压起流入进料口。当向用户供气时由于池液面低于水压箱液位，水压箱的发酵液便通过U形管B回流池，从而实现自动循环。温；b.池设置的软填料作为厌氧池内的生物载体，能起到富集菌种、促进沼气发酵速度、提早产气、提高产气量的作用；c.料液自动循环能起到搅拌发酵液的作用，提高产气面，同时可作为预处理池的接种物，促进发酵，节约用水。浮罩式沼气池是将发酵间产生的沼气由沉浮式气罩起来，按其结构，可分为直接储气浮罩式沼气池（图9-14)和分离储气浮罩式沼气池(图9-15)。罩便沿水封池内壁的导向轨道或升降轴上升，直至平衡；当用气时，罩内气压下降，气罩也随之下沉。的性能；建池和出渣容易；直接储气浮罩式沼气池保温性能不压式沼气池，在图914的浮罩内的沼气压力值，如果不考虑浸在料液中浮罩壁所受的浮力（浮罩壁p4

10001247

式 p—沼气压力，1000—由kgf/cm2H203（用聚氨乙烯薄蜡和橡胶加工〕起来，其余构造与水压式沼气池基本相同易老化，影响使用；由于气压较低，家庭使用不便，对于供动力用能的大、中型沼气"戈巴""戈巴'，语意为牛粪。图9-17是的一种以牛粪为发酵原料浮罩式沼气池，其发酵间成井状，是建筑，井体直径一般为1.5-6m之间。发酵间中间有隔墙，将井物秸秆、青草、生活污水、有机、污泥等都可作沼气发酵原料。不同种类的发酵原料.富氮原料富氮原料在农村主要是指人、畜和家禽粪便。这类原料颗粒较细，含有示)般都小于25:1，因此不必进行预处理，分解和产气速度较快。这种原科是我国农村沼富碳原料这类原料在农村主要指各种农作物秸秆。其碳素含量较高，原料的碳氮比一般都在30:1发现、随时收集；猪粪、人粪等可利用农村"三结合"(指沼气池、猪圈、厕所三者结合)式2铡短(或)作物秸轩用作沼气发酵原料时，必须经过铡短（或)处理，一般铡成2~3cm长即可。这样，能增大发酵原料与沼气细菌的接触面，加速原料的分解，同时也便于进料和出料。经过铡短和的作物秸秆，一般可提高产气量15%~20%。桔秤皮面的蜡质层，适当降低发酵原科的碳氮比，以利于沼气细菌时碳氧营养的需要，促进早产气。应对投入沼气池的作物秸忏等沼气发酵原料.进行堆沤处理，其方法有以下两种：2%的石灰澄清液和10%左右的沼液或粪水(加入的粪水茧，以料堆下不出水为宜).混合拌匀。料堆上覆盖塑料薄膜。在气温150'C左右时，堆沤4~5d;200'C以上时，堆讴2~3d.即可投料人池。2%的石灰澄清植和10%的沼液或粪水，搅拌均匀后.投入泪气池内堆沤。堆沤时间视气温而定，一般堆W1~2d为宜。池内堆沤，可以3（1)适当多加产出沼气中古甲烷多的发酵原料沼气质量主要指其中吉甲炕量的多少5各:作物秸秆等含纤维章多的秸秆吉碳素少，发酵快。实践证明，鲜粪和作物秸秆的重量比为2•1左右时，碳氮比为30:1.时沼气发酵比较适宜。这两类发酵原料应合理搭配，繁殖，同时可以中和发酵过程中所产生的有机酸（有机氧章分解时释放的有机酸有利于维峙适宜的酸耐度，在缺乏人粪尿的地区，可在沼气池中加入占主酵原料量0.3%以下的碳酸氢氨或0.1%以下的尿章，也能有政提高产气率。1m3容积的发酵原料配比为例，列表9-6供配料时

型沼气池发酵工艺类（1)备料作好原料准备.(2)（3)(TS%)和C/N加水封池堆沤原料温度上升至40~60LpH精密试纸检pH在6~7时.即可盖上活动盖，封闭沼气池。若pH<6时，可加草木灰、氨水或澄清石灰水调整至7左右，再盖好水封盖。封盖后应及时安装好输气管、开关和灯、2~3d后，在炉具上点火试气，如能点燃，即可使用，如若点不燃，则放掉池内气体，(非可燃气).次H再点火试气，直至点燃为止。添加料沼气池产气运行30d左右.5~6d加料l次.如I料是为主酵液的3%~5%。若是"三结合"的沼气池(猪吉、剧所、沼气池连为一体)以上是发酵原料的“入池堆沤“，若果取"池外堆沤"，则应按下述要求进行采用秸轩重量的1到~2%石灰，且成石蓝水，均匀施于秸轩上，再泼上粪（或沼液）。温度以不见1-2d，秋天3~5d。气植25'C左右堆植ld，堆抠温度到60C左右接种物量向池内投料时应加入占原料30%以上活性污泥，或10%底巧泥，或lO%~30%投料间隔2~3d).池内堆沤.干湿发酵结合("于发酵"吉立后面介绍)，其工艺过程如阁9-20所示町一个流程内分为启动、运行、大出料3个阶段，根据秸轩收获租用肥季节，南方地人池内即可回为了保证原料在池内充分分解，每立方米沼气池每天入地总固体量<0.7kg，池体容积>6m3;在运行期间没有粪就属于这种沼气发酵工艺。它的特点是将发酵原料投入沼气池，当发酵周期结束后，取出旧料，再投入下一批新料。其产气量韧期t升很快，维持段时间的产气后，即逗渐9-21F材料基本都是玻璃钢。璃铜=进料口和Hi科u的压盖用螺栓固坚沿口有橡胶密封阐，防止液、气的。雪雨等机械损伤和辐射所创起的光氧茬化，8r152投料与运行该池所用发酵产气原材料以人、高粪便和玉米轩为宅干物质浓度18%左右.菌种添加量不低于料植的30%。采用批量投抖，原料预处理、眼氧比、pH等.均按3~420~35°C3m'沼气池.最高产气量可达1.半塑红塑料沼气池〈见图9-22)由水泥料池和红泥度比水压式池温高。它的最点是①沼气地的地温，易受外界气泪的影响;2030%。优点是省水，池容产气率高，可以缩小沼气体积，方便进出料。适宜于习惯用固体肥料的在村和干旱地区.山东能源、l1l气科学和吉林省农业科学研究院等单位时干发酵工艺进行过较深入的研究。图9-23是吉林省在业科学等单位研制并推广的铁罐式沼气池，应用了F发酵工艺。现将干发酵工艺特点介绍如下:为3:1左右，不同秸秆、不同畜粪略有差别。5-7cm长的碎料，而定。在25"C时，一般堆讴9-5日，使秸秤原并且能使加快；(>20%)，接种物质量般平能少于发酵原料的205第一个池子为水解产酸池，它是敞口池.产血的酸液流进第二个池(见图9-24.示意图用虹吸管引输);第个池子是普通的水压式泪气池，为产甲惋池，它以第个池于产出的酸液且发酵沼气发酵过程的最优化。主要特点是z①由于产甲烷池的产气率高，气中甲烷含量高，可过控制每天输入产甲烷池的酸液量，能人为地调节当天和第2天的产气量，即提高产气量一、生物质气化发电方国外以生物质燃气为进行发电和供热近年来有较快的发展所用的发电机组基本上6-43～6-47分别是上述三种发电机组工作原理示意图。第一种是用内燃机的动力电机系统和汽轮机/发电机系统功率要大一些;而同时用燃气轮机/发电机轮机/发电机为大型;我国目前生物质气化发电属于这一类。在国外推广应用比较多的发展中国家是3.7k25kW70kW100kW3.7kW内燃机所用的有的是生物质燃气与柴油混合有的全用生质燃气单一口混合的燃气成分按热值计算可达80%～85%在100kW发电系统80时，原料(木屑0.951.2kg/(W·h);而全用燃气不混合柴油)13～1.6kg/(kh)的效率低下所致。最近的通用汽车公司研制出9120型发动机被能源部评价为世界上最先进的斯特林发动机，它可与小型生物质气化机组组成50kW30%右，并且噪声小、废气污染少。目前由干生产批量有限，成本较高。850的是天然气，工作介质