大中型沼气工程技术讲座一+厌氧发酵及工艺条件.pdf

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1、收稿日期：!#$#%&中图分类号：&(；)!%$*+文献标识码：,文章编号：%$&%#-!.!（!）-#(-#-大中型沼气工程技术讲座（一）厌 氧 发 酵 及 工 艺 条 件田晓东，强 健，陆 军（吉林省能源研究所，长春%(%!）按语：建造大中型沼气工程/运用厌氧消化技术处理生产、生活污水及有机废弃物是促进城乡经济建设的持续发展，实现能源环保双重效益的重要手段。为此本刊从本期开始连载吉林省能源研究所高级工程师田晓东等撰写的大中型沼气工程技术讲座。本讲座从理论和实践相结合的角度，涉及厌氧发酵及工艺条件、工艺流程设计、发酵容器的设计、前处理及输配系统、工程启动及运行和工程应用实例等内容。!沼气发酵

2、沼气发酵技术确切的应该称为厌氧发酵技术，是指从发酵原料到产出沼气的整个过程，所采用的技术和方法。沼气发酵技术主要包括原料的预处理，接种物的选取和富集，消化器（在厌氧发酵过程中的消化器也称反应器，是沼气发酵罐、沼气池、厌氧发酵装置的统称）结构的设计，工程起动和日常运行管理等一系列技术措施。%*%沼气的理化性质沼气是一种混合气体，其中主要成分是甲烷（01+），占总体积的-2 3&2，其次是二氧化碳（04!），占!-2 3+-2。除此之外，还含有少量的氮（5!）、氢（1!）、氧（4!）、氨（51+）、一氧化碳（04）和硫化氢（1!)）等气体。甲烷（01+）、氢（1!）和一氧化碳（04）是可以燃烧的气

3、体，主要是利用这部分气体的燃烧来获得能量。甲烷与沼气的主要理化性质如表%所示。%*!沼气发酵沼气发酵是一个（微）生物作用的过程。各种有机质，包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机物等等，在厌氧及其它适宜的条件下，通过微生物的作用，最终转化成沼气，完成这个复杂的过程，即为沼气发酵。沼气发酵主要分为液化、产酸和产甲烷(个阶段进行。!年第-期6总第%-期7可 再 生 能 源(-农作物秸秆、人畜粪便、垃圾以及其它各种有机废弃物，通常是以大分子状态存在的碳水化合物，必须通过微生物分泌的胞外酶进行酶解，分解成可溶于水的小分子化合物，即多糖水解成单糖或双糖，蛋白质分解成肽和氨基酸，脂肪分解成

4、甘油和脂肪酸；这些小分子化合物才能进入到微生物细胞内，进行以后的一系列的生物化学反应，这个过程称为液化。接着在不产甲烷微生物群的作用下将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳、氢、氨和硫化氢等，其主要的产物是挥发性有机酸，其中以乙酸为主，约占!#，故此阶段称为产酸阶段。随后，这些有机酸、醇以及二氧化碳和氨等物质又被产甲烷细菌分解成甲烷和二氧化碳，或通过氢还原二氧化碳的作用，形成甲烷，这个过程称为产甲烷阶段，这种以甲烷和二氧化碳为主的混合气体便称为沼气。在发酵过程中，上述三个阶段的界线和参与作用的沼气微生物群都不是截然分开的。有的学者把沼气发酵基本过程分为产酸（

5、含液化阶段）和产甲烷两个阶段。!沼气发酵工艺类型对沼气发酵的工艺分类，从不同角度，有不同的分类方法。大中型沼气工程，强调从工程的运行温度、工程运行的最终目标以及所选用的处理原料进行分类，如图$所示。图$沼气发酵工艺类型沼气发酵工艺类型按处理原料分按工程目的分处理食品工业有机废水工程型处理畜禽粪污工程型处理其它工业有机废水工程型能源型环保型能源环保生态型常温%变温&发酵型中温%()&发酵型高温%(*)&发酵型按发酵温度分有的学者按投料运行方式又可将沼气发酵分为半连续投料沼气发酵、连续投料沼气发酵和批量投料沼气发酵等。沼气发酵工艺条件沼气发酵微生物要求适宜的生活条件，对温度、酸碱度、氧化还原势（见

6、下面解释）及其它各种环境因素都有一定的要求。在工艺上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。沼气池（或沼气发酵罐）发酵产气的好坏与发酵条件的控制密切相关。在发酵条件比较稳定的情况下产气旺盛，否则产气不好。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。+$严格的厌氧环境沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，它们都是厌氧性细菌，尤其是产生甲烷的甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感。它们不能在有氧的环境中生存，哪怕微量的氧存在，生命活动也会受到抑制，甚至死亡。因此，建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池（罐），是人工

7、制取沼气的关键。沼气发酵的起动或新鲜原料入池时会带进一部分氧，但由于在密闭的沼气池内，好氧菌和兼性厌氧菌的作用，迅速消耗了溶解氧，创造了良好的厌氧条件。+,发酵温度-./0/1234/0/.5607+(,%$(899:;&原料水分总固体!#$挥发性固体!%#$灰分沼气发酵微生物是在一定的温度范围进行代谢活动，可以在&()*产生沼气，温度高低不同产气速度不同。在&()*范围内，温度越高，产气速率越大，但不是线性关系。+,),*是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过度区间，它们在这个温度范围内都不太适应，因而此时产气速率会下降。当温度增高到)-)*时，沼气微生物中的高温菌活跃，产沼气的速率最快。沼气发

8、酵温度突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。一般常温发酵温度不会突变；对中温和高温发酵，则要求严格控制料液的温度。概括地讲，产气的一个高峰在-)*左右，另一个更高的高峰在)+*左右。这是因为在这两个最适宜的发酵温度中，由两个不同的微生物群参与作用的结果。前者叫中温发酵，后者叫高温发酵。-.-沼气发酵原料原料（有机物）是供给沼气发酵微生物进行正常生命活动所需的营养和能量，是不断生产沼气的物质基础。农业剩余物秸秆、杂草、树叶等，猪、牛、马、羊、鸡等家畜家禽的粪便，工农业生产的有机废水废物（如豆制品的废水、酒糟和糖渣等），还有水生植物都可以作为沼气发酵的原料。为了确切

9、地表示固体或液体中有机物含量/一般采用如下一些方法来测定原料的有机质含量。（0）总固体（#）和挥发性固体（%#）原料中总固体、挥发性固体、水分和灰分之间的组成关系如下：总固体（#），又称干物质，是指发酵原料除去水分以后剩下的物质。测定方法为：把样品放在 0,)*的烘干箱中烘干至恒重，此时物质的重量就是该样品的总固体重量。挥发性固体（%#），是指原料总固体中除去灰分以后剩下的物质。测定方法为：将原料总固体样品在),),*温度下灼烧 01，其减轻的重量就是该样品的挥发性固体量，余下的物质是样品的灰分，其重量是该样品灰分的重量。在沼气发酵中，沼气微生物只能利用原料中的挥发性固体，而灰分是不能被利用的

10、。（2）适宜的料液浓度料液中干物质含量的百分比为料液浓度。对沼气池内发酵料液浓度要求，随季节的变化而不同。在夏季，发酵料液浓度可以低些，要求浓度在(3左右；冬季浓度应高一些，为&3左右。发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利。因为浓度太低时，即含水量太多有机物相对减少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量，不利于沼气池的充分利用；浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发酵受到阻碍，产气慢而少。因此，一定要根据发酵料液含水量的不同，在进料时加入相应数量的水，使发酵料液的浓度适宜，以充分合理地利用发酵料液和获得比较稳定的产气率。配制发酵料液的浓度，要根据发酵原料的

11、含水量（见表 2）和不同季节所要求的浓度，再加入一定量的水。当沼气池容积一定时，如果发酵原料加水2,2 年第)期!总第 0,)期$可 再 生 能 源-4量过多，发酵料液过稀，滞留期短，原料未经充分发酵就被排出，这不但影响产气，还浪费了发酵原料；如果加水量太少，发酵料液过浓，使有机酸聚积过多，发酵受阻，产气率降低。（!）产气量、产气速度与产气率一般认为，自然界的有机物质除矿物油和木质素外，都能被微生物发酵产生沼气，但不同有机物质的产气量是不同的，如表!所示。因为各种有机物质分解的难易程度不同，所以产气速度相差很大，如表 所示。产气率分为原料产气率、料液产气率、池容产气率。原料产气率是指单位原料重

12、量在整个发酵过程中的产气量。说明在一定的发酵条件下，原料被利用水平的高低。料液产气率是指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量。料液中所含原料种类和质量（料液浓度）不同，产气率差异较大。料液产气率不能说明原料的利用水平的高低，也不能说明消化器容积被利用的水平，在大中型沼气工程中不宜被采用。池容产气率是指消化器单位容积每天生产沼气的多少，池容产气率说明消化器被利用水平高低，其表示单位为#!$（#!%）。用原料产气率和池容产气率去评价两种原料或两个装置被利用水平时，还要考虑两者的发酵条件和生产状况，因为原料发酵好坏与接种物、发酵温度、发酵时间、料液浓度等因素有关。各种原料实际产气量与理论产气量之间有一

13、定差异。猪粪、牛粪实际产气量约占理论计算值的&(，稻草仅占(左右。而从工程的角度，常把去除)*+,-./0（用重铬酸钾法测定原料中有机物含量的化学耗氧量）产甲烷1!2#!称为理论产气量，而产沼气量则要取决于沼气中甲烷含量的多少，一般甲烷占沼气总体积的 2(3&(左右。!1 适宜的酸碱度45 值是指消化器内料液的 45 值，而不是发酵原料的 45 值。沼气微生物最适宜的 45 值范围是 61 7 3&1 2。一般来说，当45 值 8 6 或97 时，沼气发酵就要受到抑制，甚至停止产气。建议采用测定挥发酸来控制投料量，这样可以做到精确管理。在大中型沼气工程中给消化器投料时，要根据 45 值来控制投

14、料量，若投料量过多，形成冲击负荷，会造成产酸过多。在间断投料时，料液的 45 值应在&上下为宜，当 45 低于 61 7时，产甲烷菌的生命活动将受到抑制，正常发酵将遭到破坏。当消化器出现超负荷情况时，一方面停止进料，一方面在必要时可以投加碱性物质（如石灰水），提高消化器内的 45 值，使发!7:;?;:/AKKL图!常用的几种搅拌方法酵过程得到比较快的恢复。在投料以后#值不应低于$%&。当#值在$%(时，则应大量投入接种物或重新进行起动。)%&碳、氮、磷的比例发酵料液中的碳、氮、磷元素含量的比例，对沼气生产有重要的影响。研究工作表明，碳氮比以!(*)(+,为佳；碳、氮、磷比例以,(+-+(%.

15、为宜。对于以生产农副产品的污水为原料的，一般氮、磷含量均能超过规定比例下限，不需要另外投加。但对一些工业污水，如果氮、磷含量不足，应补充到适宜值。)%$添加剂和抑制剂许多物质可以加速发酵过程，而有些物质却抑制发酵的进行；还有些物质在低浓度时有刺激发酵作用，而在高浓度时产生抑制作用。沼气池内挥发酸浓度过高（中温发酵(%!/以上；高温发酵(%)$/以上）时，对发酵有阻抑作用；氨态氮（0#)1 0）浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用；各种农药，特别是剧毒农药，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。很多盐类，特别是金属离子，在适当浓度时能刺激发酵过程，当超过一定浓度时对发酵过

16、程会产生强烈的抑制作用。)%2搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，防止大量原料浮渣结壳，增加沼气微生物与原料的接触面，提高原料利用率，加快发酵速度，提高产气量。图!表示了)种搅拌方法。机械搅拌，通过机械装置运转达到搅拌的目的，如图!1（,）。气搅拌，将沼气从池底部冲进去，产生较强的气体回流，达到搅拌目的，如图!1（!）。液搅拌，从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后又从进料管冲入沼气池内，产生较强的液体回流，达到搅拌目的，如图!1（)）。图!所示常用的几种搅拌方法。在设计搅拌装置时，应该注意沼气池内的物质移动速度不要超过(%&3 4 5，因为这个速度是沼气微生物生命的临界速度。)%.接种物在发酵运

17、行之初，要加入厌氧菌作为接种物（亦称为菌种）。在条件具备时，宜采用生态环境一致的厌氧污泥作为接种物。当没有适宜的接种物时，需要进行菌种富集和培养，即选择活性较强的污泥或是人畜粪便等，添加适量（菌种量的&/*,(/）有机废水或作物秸秆等，装入可密封的容器内，在适宜的条件下，重复操作，扩大接种数量。沼气发酵是沼气微生物群分解代谢有机物产生沼气的过程，沼气微生物像其它生物一样，对环境有个适应范围。上述各项是沼气微生物群维持正常活动所必须的条件，只有满足这些条件要求，沼气发酵方能正常运行下去。!(!年第&期6总第,(&期7可 再 生 能 源)86,7机械搅拌6!7气搅拌6)7液搅拌光伏销售赠款近日下发光伏销售赠款近日下发“国家经贸委 4 全球环境基金 4 世界银行中国可再生能源发展项目”已于!(,年,!月,!日正式生效并开始实施。根据项目实施计划，对入选的光伏销售公司在项目实施以来所销售的光伏户用系统，每峰瓦给予,%&美元的赠款。截止到!(!年$月,&日，项目办已收到,!家参加项目的光伏公司!(!年第一季度共计,!,2-套 6!(.9:7 户用光伏系统的销售赠款申请，项目办审查后，第一批销售赠款申请将于近期直接拨付给光伏公司。预计今年项目下发的销售赠款将达到,(万美元。这将对我国光伏产业的商业化起到推动作用。6项目办供稿7