沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化厌氧(共8页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷以酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。一、沼气发酵微生物沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的条件下转化为沼气。（一）沼气微生物的种类沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是：发酵性

2、细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。从复杂不机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用完成的。在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成一条食物链，从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（pH）的影响来看，沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。前三群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。1、不产甲烷菌在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它

3、们的种类繁多，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种。根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。2、产甲烷菌在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。如果说微生物是沼气发酵的核心，那么产甲烷菌又是沼气发酵微生物的核心，产甲烷菌是一

4、群常特殊的微生物。它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，适宜在中性或微碱性环境中生存繁殖。它们依靠二氧化碳和氢气生长，并以废物的形成排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。产甲烷菌的种类很多，目前已发现的产甲烷菌有3目、4科、7属和13种，根据它们的细胞形态、甲烷螺旋形菌类。产甲烷菌生长缓慢，繁殖倍增时间的15倍。由于产甲烷菌繁殖较慢、在发酵启动时，需加入大量甲烷菌种。产甲烷菌在自然界广泛分布，如土壤中，湖泊、沼泽中，反刍动物（牛羊等）的肠胃道，淡水或碱水池塘污泥中，下不道污泥，腐烂秸秆堆，牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。由于产甲烷菌的分离、培养和保存都有较大的困难，迄今为止，所获

5、得的产甲烷菌的纯种不多。一些菌的培养方法没有过关，所以对产甲烷菌的生理生化特征还不清楚，产甲烷菌的纯种还不能应用于生产，这些直接影响到沼气发酵研究的进展，也是影响沼气池产气率提高不快的重要原因。（二）沼气发酵微生物的作用在沼气发酵过程中，不产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖，互为对方创造维持生命活动所需的物质基础和适宜的环境条件；同时又相互制约，共同完成沼气发酵过程。它们之间的相互关系主要表现在下列几个方面；1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养原料中的碳水化合物、蛋白和脂肪等复杂有机物不能直接被产甲烷菌吸收利用，必须通过不产甲烷菌的水解作用，使其形成可溶性的简单化合物，并进一步分解，形成产甲烷菌的发酵基质

6、，这样，不产甲烷菌通过其生命活动为产甲烷菌源源不断地提供合成细胞的基质和能源。另一方面，产甲烷菌连续不断地将不产甲烷菌所产生的乙酸、氢和二氧化碳等发酵基质转化为甲烷，使厌氧消化中不致有酸和氢的积累，不产甲烷菌也就可以继续正常的生长和代谢。由于不产甲烷菌与产甲烷菌的协同作用，使沼气发酵过程达到产酸和产甲烷的动态平衡，维持维持沼气发酵的稳定运行。2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧生态环境在沼气发酵启动阶段，由于原料和水的加入，在沼气池中随时之进入了大量的空气，这显然是对产甲烷菌有害的，但是由于不产甲烷菌类群中的好氧和兼性厌氧微生物的活动，使发酵液的氧化还原电位（氧化还原电位愈低，厌氧条件愈好）

7、不断下降，逐步为产甲烷菌的生长和产甲烷菌创造厌氧生态环境。3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质在以工业废弃物为以酵原料时，其中往往含有酚类、苯甲酸、氰化物、长链脂肪酸和重金属等物质。这些物质对产甲烷菌是有毒害作用的。而不产甲烷菌中有许多菌能分解和利用上述物质，这样就可以解除对产甲烷菌的毒。此外，不产甲烷菌发酵产生的硫化氢（H2S）可以与重金属离子作用，生成不溶性的金属硫化物而沉淀下来，从而解除了某些重金属的毒害作用。4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度在沼气发酵初期，不产甲烷菌首先降解原料中的淀粉和糖类等，产生大量的有机酸。同时，产生的二氧化碳也部分溶于水，使发酵液的酸碱度（pH

8、）下降。但是，由于不产甲烷菌类群中的氨化细菌迅速进行氨化作用，产生的氨（NH3）可中和部分有机酸。同时，由于甲烷菌不断利用乙酸、氢和二氧化碳形成甲烷，而使发酵液中有机酸和二氧化碳的深度逐步下降。通过两类群细菌的共同作用，就可以使pH稳定在一个适宜的范围。因此，在正常发酵的沼气池中，pH始终能维持在适宜的状态而不用人为的控制。（三）沼气发酵微生物的特点理论和实践证明，沼气发酵过程实质上是多种类群微生物的物质代谢和能量代谢过程，在此过程中，沼气发酵微生物是核心，其发酵工艺条件的控制都以沼气发酵微生物学为理论指导。具有以下特点：1、分布广，种类多 上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物

9、的踪迹。目前，已被人们研究过的微生物约有3万4万种之多。沼气微生物在自然界中分布也很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200300种，它们是可利用的沼气发酵菌种的源泉。2、繁殖快，代谢强在适宜条件下，微生物有很高的繁殖速度。产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。微生物所以能够出现这样高的繁殖速度，主要因为它们具有极大的表面积和体积比值，例如直径为1微米的球菌，其面积和体积的比值为6万，而人的这种比值却不到1。所以，它能够以极快的速度与外界环境发生物质交换，使之具有很强的代谢能力。3、

10、适应性强，容易培养与高等生物相比，多数微生物适应较强，并且容易培养。在自然条件下，成群体状态生长的微生物更是如此。例如，沼气池里的微生物（主要是厌氧和兼性厌氧两大菌群）在1060度条件下，都可以利用多种多样的复杂有机物进行沼气发酵。有时经过驯化培养后的微生物可以加快这种反应，从而更有效地达到生产能源和保护环境的目的。农村家用沼气发酵工艺规程主题内容与适用范围 本标准规定了我国农村家用沼气池的沼气发酵工艺操作规程。本标准适用于我国农村池容为6m3、8m3、10m3的家用水压式沼气池，其他类型的常规沼气发酵装置可参照使用。所用沼气池必须符合GB 4750 农村家用水压式沼气池图集的质量要求。按照本

11、规程对沼气池进行科学管理，当池温在20以上时，产气率可达0.4m3/m3?d；当池温不低于15时，产气率不低于0.15m3/m3?d。2 沼气发酵原料2.1 发酵原料的种类和性质2.1.1 人畜禽粪、作物秸秆、杂草菜叶、有机污水等都可以作为沼气发酵原料。2.1.2 各种发酵原料的产气量有所不同（见表1）。在35条件下常用原料每千克干物质的产气量为0.30.5m3，在20条件下每千克干物质的产气量为表1的60。表 1 原料种类麦秸稻草玉米秸青草牛粪马粪猪粪人粪鸡粪产气量 m3/kg0.450.400.500.440.300.340.420.430.49试验条件：发酵温度为35。发酵时间粪便为60

12、d。秸秆为90d。2.1.3 年产300m3沼气需要干物质1200kg。2.2 发酵原料的预处理2.2.1 粪便原料不必进行预处理。作物秸秆必须铡短到6cm 以下或粉碎。2.2.2 在接种物用量小于20，鲜粪用量与风干秸秆的重量比小于11时。启动时所用的秸秆原料应进行堆沤处理。方法有：a. 池外堆沤：将原料加水拌匀。加水量以料堆下部不出水为宜，料堆上加盖塑料膜。气温在15左右时堆沤45d，气温在20以上时堆沤23d。b. 池内堆沤：将原料及接种物拌匀后。投入沼气池内进行堆沤，堆沤时间参照池外堆沤。2.3 原料配比2.3.1 沼气发酵启动时的CN比值为10301。当以秸秆原料为主进行沼气发酵启动

13、时。根据接种物用量的多少要加粪便来调节碳氮比。接种物用量在30或30以上时，可以不加粪便；接种物用量在20时，鲜粪与风干秸秆的比例应为11；接种物用量在10时，鲜粪与秸秆的比例应为21。以猪、牛粪为原料启动时加20的接种物；以鸡、人粪作发酵原料启动时加30的接种物。2.3.2 粪便不足时可在沼气池内加入料液总量0.100.30的碳酸氢铵或0.030.10的尿素。2.3.3 入池原料的碳氮比及干物质含量可根据公式（1）及公式（2）进行计算 ：a. 入池混合原料的碳氮比按公式（1）计算：K=（C1X1+C2X2+C3X3）/（N1X1+N2X2+N3X3）（1）式中：K混合原料的碳氮比；C各种原料

14、的碳素含量，；N各种原料的氮素含量，；X各种原料的重量，kg。b. 入池混合原料的干物质含量按公式（2）计算：D=（T1X1+T2X2+T3X3）/（X1+X2+X3）100（2）式中：D混合原料的干物质含量，；T各种原料的干物质含量，；X各种原料的重量，kg。上述两个公式也可以用来计算在配制一定的碳氮比或干物质含量时，某一原料的需要量。3 接种物3.1 沼气发酵启动时所使用的含有大量沼气发酵微生物的各种厌氧活性污泥称接种物。在沼气发酵启动时，料液中要添加1030的接种物。3.2 老沼气池中的悬浮污泥、各种有机废水沉淀污泥、河流湖泊底层的沉渣、坑塘污泥和积水粪坑的粪肥等，都可用来作接种物。所用

15、接种物的挥发性固体含量不低于3。3.3 不同来源的接种物，对沼气发酵的影响各不一致。为了比较接种物质量的好坏，可通过实验加以选择。方法是将等量的不同接种物接入发酵原料和环境条件完全相同的发酵瓶内，其用量为510，在35条件下发酵1520d，比较其产气多少，择优选择。3.4 接种物需要量较大时，可采用扩大培养的方法加以增殖。其方法是将选取的接种物按1030的比例加入发酵原料中。经过厌氧培养，到日产气量基本稳定，并且所产生气体甲烷含量在5060时即告完成。接种物经一次扩大培养仍不够用时，可按此法进行多次扩大培养。4 沼气发酵的启动4.1 新建成的或已大出料的沼气池，从进料开始，到能够正常而稳定地产

16、气过程称为沼气发酵的启动。4.2 投料：将预处理的原料和准备好的接种物混合在一起投入池内。启动时的料液干物质含量控制在46。如在大出料时将接种物留在了池内，将原料投入池内拌匀即可。4.3 加水封池：原料和接种物入池后，要及时加水封池。现有水压式沼气池以料液量约占沼气池总容积的90为宜。然后将池盖密封。加入沼气池的水可依次选用沼气发酵液、生活废水、河水或坑塘污水等；也可使用井水或自来水；但不得使用含有毒性物质的工业废水。4.4 放气试火：沼气发酵启动初期，通常不能点燃。因此，当水压表压力达到20cm水柱以上时，应进行放气试火。所产沼气可正常点燃使用时，沼气发酵的启动阶段即告完成。4.5 启动时，

17、一旦发生酸化现象，往往表现为所产气体长期不能点燃或产气量迅速下降，甚至完全停止产气，发酵液颜色变黄。根据酸化程度的不同，可采用不同的治理方法：a. 发酵pH值不低于6.0时，由于沼气发酵的自然调节作用，pH 值会逐渐上升，并恢复正常产气，但需要时间较长。为了加快正常产气，可向沼气池内增投一些接种物或老沼气水。b. 当pH值降至6.0以下时，则需抽出部分发酵液，重新加入较大量接种物或老沼气池发酵液，同时也可用石灰水或草木灰水调节pH值至6.0以上。以达到恢复产气的目的。5 沼气池的运转管理5.1 当沼气发酵启动之后，即进入正常运转阶段。为了维持沼气池的均衡产气，启动后30d左右就应定时进行补料。

18、5.2 平均每个沼气池每天补料48kg干物质，便可维持日产气1.5m3以上。如用气量大，池温在20以上时，每立方米沼气池平均每天可补料2kg。5.3 正常运转期间进池的秸秆原料，只要铡短或粉碎并用水或发酵液浸透即可。5.4 正常运转期间的进料浓度应当尽量大一些。干物质含量可以大于8。5.5 为了便于管理和均衡产气。可每隔57d补料一次。“三结合”沼气池每天都有一定量的人畜粪便进入沼气池，产气量不足时，则应每57d 添加秸秆或青草等原料一次。补加原料的量参照5.2进行。补料时要先出后进，每次出料的发酵液 可以循环使用。5.6 非三结合沼气池，若实行秋季一年一次大换料，并以成批投料为主时，启动投料

19、浓度在810，至次年春末不必添料，以后产气量不足时每月添料12次，每次进料4080kg干物质。5.7 水压式沼气池无搅拌装置，可通过进料口或水压间用木棍搅拌，也可以从水压间淘出料液，再从进料口倒入进行搅拌，每隔57d搅拌一次。若发生浮料结壳并严重影响产气时，则应打开活动盖进行搅拌。冬季减少或停止搅拌。6 沼气池的温度及增保温措施6.1 常温发酵沼气池，温度越高沼气产量越大。应尽量设法使沼气池背风向阳。6.2 冬季到来之前，防止池温大幅度下降和沼气池冻坏，应在沼气池表面覆盖柴草、塑料膜或塑料大棚。三结合沼气池，要在畜圈上搭保温棚，以防粪便冻结。6.3 作物秸秆等堆沤时产生大量热量。正常运转期间可

20、在池外大量堆沤秸秆，给沼气池进行保温和增温。6.4 采用覆盖法进行保温或增温，其覆盖面积都应大于沼气池的建筑面积，从沼气池壁向外延伸的长度应稍大于当地冻土层深度。7 沼气池的大换料7.1 根据农业生产用肥季节每年可进行大换料12次。大换料要于池温15以上季节进行，低温季节不宜进行大换料。7.2 大换料时应做到以下几点：7.2.1 大换料前510d应停止进料。7.2.2 要准备好足够的新料。待出料后立即重新进行启动。7.2.3 出料时尽量做到清除残渣，保留细碎活性污泥。留下1030的活性污泥为主的料液做为接种物。沼气发酵液可重复利用。8 安全注意事项8.1 沼气发酵启动过程中，试火应在灯、炉具上

21、进行，禁止在导气管口试火。8.2 沼气池在大换料及出料后维修时，要把所有盖口打开，使空气流通，在未通过动物实验证明池内确系安全时，不允许工作人员下池操作。8.3 池内操作人员不得使用明火照明，不准在池内吸烟。8.4 下池维修沼气池时不允许单人操作，下池人员要系安全绳，池上要有人监护。以防万一发生意外可以及时进行抢救。8.5 沼气池进出料口要加盖。8.6 输气管道、开关、接头等处要经常检修。防止输气管路漏气和堵塞。水压表要定期检查。确保水压表准确反映池内压力变化。要经常排放冷凝水收集器中的积水，以防管道发生水堵。8.7 在沼气池活动盖密封的情况下，进出料的速度不宜过快，保证池内缓慢升压或降压。在沼气池日常进出料时，不得使用沼气燃烧器和有明火接近沼气池.专心-专注-专业