1、動力工程多相流國家重點實驗室第九章厭氧過程與沼氣技術2021年11月17日紳靈倒咐帆噴蠟轍短糯占芥爐凋誦躁驚漏開咯癟莊赴慶五掄坐爬擬箕綽舍第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術9. 厭氧過程與沼氣技術 沼氣：有機物在厭氧和其他適宜條件下，經沼氣微生物分解化解，產生以甲烷和二氧化碳為主體的混合氣體。有機物是覆蓋地表植被在陽光作用下的產物，從光合作用的角度來說，沼氣是一種可再生能源。厭氧過程：有機物被厭氧菌在厭氧條件下分解產生甲烷和二氧化碳的過程。歌拷損駭呈錠急慕搶雛甭夏片氫信鄒訃痔魏戴縷迷型傲服籬橫蜀癥橢褐橫第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術9.1 厭氧過程的根本

2、原理早在19世紀人們就已經知道沼氣的產生是一個微生物學過程。1965年美國微生物學家Hungate教授創立了嚴格厭氧微生物培養技術，人們逐步開始認識到沼氣發酵的本質，揭示了沼氣發酵的微生物學原理:沼氣發酵過程由多個生理類群的微生物在無氧條件下共同參與完成，是微生物為適應缺氧環境，利用不同類群的不同分解作用，構成完整的生化反響系列，逐步將有機質降解，最終形成甲烷、氫氣和二氧化碳，即沼氣。 綠堯甫漚共密腋屁捶捻壯烈瑟苗撓術惦陳取憚陋膿發奏邏攏菜坦襖精崎鑲第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術9.1.1 沼氣的理化性質沼氣是一種混合氣體，其中主要成分是：甲烷(CH4)，占總體積的50%

3、-70%，二氧化碳(CO2)，占25%-45%。少量的氮氣(N2)、氫氣(H2)、氧氣(O2)、氨氣(NH3)、一氧化碳(CO)和硫化氫(H2S)等氣體。甲烷與沼氣的主要理化性質如下表：咆貓凍漏雌襟拭架措獲槽裔愁交散柒揀炮孽毆改贊達寢版族螟撒晚襖冶陋第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術9.1.2 厭氧發酵的主要歷程沼氣發酵是一個(微)生物學的過程各種有機質，包括農作物秸稈、人畜糞便以及工農業排放廢水中所含的有機物等，在厭氧及其他適宜的條件下，通過微生物的作用，最終轉化為沼氣，完成這個復雜的過釋，即為沼氣發酵。多糖脂類蛋白質液化單糖低聚糖脂肪酸氨基酸產酸丁酸丙酸乙酸乳酸產甲烷H2

4、+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCO2氣發酵的根本示意歷程沼氣發酵主要分為：液化；產酸；產甲烷三個階段進行，其發酵的根本示意歷程如圖以下圖所示:演祈雁吹梗殊壇欠灌貨瓣概管魚喲竣灶刑渾屑砷盤壺贛硅闖哉腸漣淺啞激第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術 液化階段有機物中大分子碳水化合物(淀粉、纖維素、蛋白質)微生物產生的胞外酶小分子化合物多糖分解成單糖或二糖蛋白質分解成膚或氨基酸 脂肪分解成甘油和脂肪酸 酶解纖維素酶肽酶脂肪酶農作物秸稈、人畜糞便、垃圾以及其他各種有機廢棄物必須通過微生物分泌的胞外酶進行酶解分解成可溶于水的小分子化合物，這些小分子化合物才能進人到微生物

5、細胞內 ，進行以后的一系列的生物化學反響，這個過程稱為液化。紹象楷質引悍虹醇晾鉚闖綽頑艾港露孿演犢東線謹火嗅被蝸圓丈娜弟籌狗第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術 產酸階段單糖類肽氨基酸甘油脂肪酸 產酸微生物群簡單的 有機酸甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等轉化醇甲醇乙醇等二氧化碳、氫氣、 氨氣和硫化氫等 在產酸微生物群的作用下小分子化合物轉化成簡單的有機酸、醇以及二氧化碳、氫氣、氨氣和硫化氫等。其中主要的產物是揮發性有機酸.以乙酸為主，約占80%，故稱為產酸階段。 加裳散趨指較襲廉摟僚村歡葵北誠遲喀寅院頒秘燙佩慫繕豺渤池呵滇制煙第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術

6、產甲烷階段有機酸、醇以及二氧化碳和氨等甲烷+二氧化碳產甲烷微生物群 上述三個階段的界線和參與作用的沼氣微生物都不是截然分開的。尤其是液化和產酸兩個階段，許多參與液化的微生物也會參與產酸過程。因此，有的學者把沼氣發酵根本過程分為產酸(含液化階段)和產甲烷兩個階段。 注意：隨后，這些有機酸、醇以及二氧化碳和氨氣等物質又被產甲烷微生物群利用，分解形成甲烷和二氧化碳。膜鄉瘴氮訪繳頁蟬綻櫥飲脊婆村費胞聯攔撥握掂頰研瓶痙髓尉吭鴕酚廄贓第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術9.1.3 沼氣發酵的微生物群1.發酵性細菌 復雜有機物如纖維素、蛋白質、脂類等不能溶解于水.必須首選被發酵性細菌所分泌的

7、胞外酶水解為可溶性糖類、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能為微生物所利用。 不能溶解于水的復雜有機物(如纖維素、蛋白質、脂類等)可溶于水的糖類、肽、氨基酸和脂肪酸 發酵性細菌所分泌的胞外酶 水解僥卒響陽蒲媳淑捆徐菌泄脯甜撓葉稿屋竿攆鬧寬范糯譽喘淘產雪厄冰喚傲第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術發酵性細菌將上述可溶性物質吸收進細胞內，經發酵分解，將它們轉化為乙酸、丙酸、丁酸等和醇類及一定量H2、CO2。 不能溶解于水的復雜有機物(如纖維素、蛋白質、脂類等)可溶于水的糖類、肽、氨基酸和脂肪酸 被發酵性細菌吸收至細胞內發酵分解參與這一水解發酵過程的微生物種類繁多，已研究過的就有幾百種，包括梭

8、狀芽抱桿菌、擬桿菌、丁酸菌、嗜熱雙歧桿菌、產氣梭狀芽抱桿菌、產琥珀酸梭菌、北京丙酸桿菌和產氫螺旋體等。這些細菌多數為厭氧菌，也有兼性厭氧菌。舵翠和覆蹭匝邦剔回呸鏈瞥綴萄悼艇喂渾鰓釩閣欣徽巧濤瑯也丙扶妄毋插第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術2.產氫乙酸菌 只有甲酸、乙酸和甲醇可被絕大局部產甲烷菌直接利用。 其他有機酸和醇類被產乙酸菌將分解轉化為乙酸、H2及CO2。 經研究說明，上述反響過程在標準狀況下不但不能產生能量，反而消耗能量，因而反響不能發生。由于技術上的困難，有關產氫產乙酸菌的報道不多，布賴恩特實驗室報道了兩個分別代謝丙酸鹽和丁酸鹽的共培養物。其中的產氫產乙酸菌分別為沃

9、氏互營桿菌和沃氏互營單胞菌。我國也別離到了沃氏夫氏互營單胞菌，并對其與甲烷菌互營聯合條件下降解丁酸鹽的反響進行了研究。誅午碰笨濫琳康勻毯修章鋼估蠕賦墾些舅項造哩滋翁泣捉盒鄖羨瘸某瘓創第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術3.耗氫乙酸菌耗氫乙酸菌既能代謝H2和CO2生成乙酸，也能代謝糖類產生乙酸。該細菌產生乙酸只占乙酸總量的1%-2%(40)、3%-4% (60)。已別離到的耗氫產乙酸菌有伍德乙酸桿菌、威林格乙酸桿菌、嗜熱自養梭菌等多種。耗氫產乙酸菌生長速度慢，在沼氣發酵過程中的作用可能并不重要。譏愧霹脾混脾滁切忠伶霓祟鞋駕巫嘩巷暈畜擄沏焊款安揮卒踴艷咀溉慎光第九章 厭氧過程與沼氣

10、技術第九章 厭氧過程與沼氣技術4.產甲烷菌產甲烷菌在生理上高度專化 在厭氧條件下，產甲烷菌將前三群細菌和代謝的終產物，在沒有外源受氫體的情況下，把乙酸和H2/CO2轉化為氣體產物(CH4、CO2)。絕大局部產甲烷菌只代謝甲酸、甲醇、乙酸，但局部產甲烷菌還可代謝甲胺、二甲胺和三甲胺產生甲烷。個別菌株可代謝乙醇/CO2、丙醇/CO2 等，研究說明在厭氧消化器中約有2/3的甲烷是由乙酸裂解形成的，其余的大多數是來自H2和CO2的復原。產甲烷菌厭氧， 暴露在空氣中會很快死亡。產甲烷菌種類多，據美國Oregon產甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)報道，該中心已收藏產甲烷菌215株，分屬于3目、6科、16屬

11、、55種。奶阜勃抬補俄咳嚨船鏡且稈骯吹勝呸輪枉乳蛋癢僳矗基斗夾疲待恒閨滋坤第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術通過對以上沼氣發酵各微生物類群的討論，可以認識到沼氣發酵過程是多種細菌協同完成的微生物學過程。因此，要提高沼氣發酵的效率:應注意所進原料與微生物之間的一致性，這在利用難降解有機物為原料時尤其重要。要注意活性污泥中產甲烷菌的數量 為厭氧消化微生物創造良好生長條件，如適宜的溫度、pH等，防止有毒物質的進人，特別是控制負荷以維持酸化和甲烷化速度的平衡，都是消化器正常運轉的重要因素。 托眷誦糾撞窟沿例裝采停慈絡術帕仿霓于侍狠尹穆傷掂幾項傈匯勵靳煙限第九章 厭氧過程與沼氣技術第九

12、章 厭氧過程與沼氣技術9.1.4 沼氣發酵的工藝條件1.嚴格的厭氧環境 沼氣發酵微生物包括：產酸菌；產甲烷菌,它們都是厭氧性細菌,尤其是產甲烷菌是嚴格慶氧菌，對氧特別敏感。 因此，建造一個不漏水、不漏氣的密閉沼氣池是人工制取沼氣的關鍵。在密閉的沼氣池內，好氧菌和兼性厭氧菌的活動，迅速消耗了溶解氧，從而創造了良好的氧化復原勢條件。挨黨屜家勻畦溺息叁燃怕趙頸稿純锨厄節基中棧軋烙皋獨今倚崔遲巖秦鐳第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術2.發酵溫度 沼氣發酵微生物可以在865產生沼氣。4050是沼氣微生物高溫菌和中溫菌活動的過渡區間，二者都不太適應，產氣速度會下降。5355時，沼氣微生物

13、中的高溫菌活潑，產沼氣的速度最快35左右中溫菌最活潑，產沼氣量出現峰值。高溫發酵低溫發酵犬禽辣踢藹竟滿殿衷頃柞七吳擬呈岳揖競照糊賒諺叼樊茫皮佰青區魚盛譜第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術3.發酵原料原料中水分、TS、VS和灰分之間的組成關系如以下圖所示：原料水分總固體(TS)可被微生物利用灰分揮發性固體(VS)TS和VS計算方法如下：式中：Wd-樣品中干物質質量，mgWs-樣品總質量，mgWh-樣品灰分質量，mg發凱邱憂假讀措嚙妹撫芋礁歪省試稼徹片摟期誕頹賂旗例訃舷司水吏敷丸第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術不同的原料，產氣量、產氣率和產氣速度都會不同。原料

14、種類產沼氣量/(m3/t干物質)甲烷含量/%原料種類產沼氣量/(m3/t干物質)甲烷含量/%豬糞560樹葉21029458馬糞200300廢物污泥61050青草63070酒廠廢水30060058亞麻稈359碳水化合物75049麥桿43259類脂化合物144072表1.發酵原料的產沼氣量幾種有機物質產氣量的比較 左徒姨假設峻葛懼虛屋汪掙惹葷奄箋漠珠念毯從膛釣跟劊跨賃嵌憨祭藹桑七第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術表2.幾種有機物質的產氣速度 為了使天然有機物質易于分解，以加強發酵菌的營養，要求培養基(為沼氣微生物提供生存營養的固性物質)有較大的反響外表，所以必須將含有不溶性物質的

15、原料粉碎。忙淤過畢某吩吳噶涅剛吼棋娜吶孩臟型喇草逝貼蹬卞節顛肉孝枯陌稠棉感第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術產氣率分為原料產氣率、料液產氣率、池容產氣率幾種 原料產氣率：是指單位原料重量在整個發酵過程中的產氣量口說明在一定的發酵條件下，原料被利用水平的上下，或發酵原料的產沼氣能力。原料產氣率的表示方法有三種： 式中RTS 發酵原料總固體產氣率，m3/kg；RVS發酵原料揮發性固體產氣率,m3/kg；RCOD 有機廢水單位COD產氣率，m3/kg；Vg沼氣產量，m3；TS一發酵原料總固體量，kg；VS發酵原料揮發性固體量，kg；COD用化學需氧量表示的有機物量，kg。采用哪種方

16、法表示，要根據測試手段的實際條件而選取。揮厚概律匈甄調甕刁輕餞胸槍輛樞涼例跌走牽抨貿氣墮均尉互婪襪畸之檄第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術料液產氣率：是指單位體積的發酵料液每天產沼氣的數量。料液中所含原料種類和質量(料液濃度)不同，產氣率差異較大。料液產氣率不能說明原料的利用水平的上下，也不能說明消化器容積被利用的水平，在大中型沼氣工程中不宜被采用。池容(對大中型沼氣工程而言，池容也為罐容)產氣率 是指消化器單位容積每天生產沼氣的多少，其表示單位為m3/(m3d)，池容產氣率說明消化器被利用水平上下。用原料產氣率和池容產氣率去評價兩種原料或兩個裝置被利用水平時，還要考慮兩者的

17、發酵條件和生產狀況，因為原料發酵好壞與接種物、發酵溫度、發酵時間、料液濃度等因素有關。 恍圖滬獲侯銥貪碎初嘿來異查甚豈馭謄秤駐澗跨例錠樟每套扣暢滲感聊既第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與沼氣技術4.料液濃度 料液中干物質含量的百分比為料液濃度 一般要求：夏季濃度在6%左右；冬季濃度在8%左右。濃度太低時，即含水量太多，有機物含量相對減少，會降低沼氣池單位容積中的沼氣產量濃度太高時，即含水量太少，不利于沼氣細菌的活動，發酵料液不易分解，使沼氣發醉受到阻礙，產氣慢而少。 發酵料液的濃度太低或太高，對產生沼氣都不利，因為：噪簽伯桅瞥慣象傘鴨藍道濕濘纓蓄繩痢趁嘛渙七安咳婚壞十吱恢聰匹廣規第九章 厭氧過程與沼氣技術第九章 厭氧過程與