畜牧兽医]第三章 生物沼气.ppt

第三章 生物沼气 我国沼气发展历程 我国沼气事业开始于1930年，水压式沼气池早在20世纪 30年代就有研究，目前农村中使用较多的是池型，并且受 到国际上的重视，通常把它称作“中国式沼气池”。 1958年全国不少省市曾推广过沼气，但因技术不成熟和 缺乏经验而没能发展起来。 70年代，由于农村燃料严重缺乏，国家又一次重视并大 力推进沼气建设，再次掀起了沼气建设高潮。 但由于技术不成熟，没有专业施工队，多数沼气池质 量问题突出，只能使用13年，出现了边建设边报废的情 况；到80年代中期，土法建设的沼气池基本上全部报废。 20世纪80年代以后，我国开展了大量有关沼气发酵的理 论和应用技术的研究，并取得了可喜的研究成果，沼气建 设开始稳步发展。 从20世纪90年代开始，大中型沼气工程的建设重视工程 的环境效应并通过开展综合利用来增加工程的经济效益， 把沼气工程作为一个有多种作用的系统工程进行设计和管 理，通过高质量的设计、建造和优质配套设备来实现沼气 工程的综合效益。 目前，沼气技术的目标已从“能源回收”转移到“环境保 护”，沼气的利用不仅仅局限于点灯、做饭，已经发展到乡 村集中供气和沼气发电，并且开展了沼渣、沼液的综合利 用，形成了以沼气为纽带的生态家园富民工程，引导农民 改变传统的生活和生产方式，提高了农民生活质量。 3.1 沼气燃料的特性 沼气实质上是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等有机 物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，经沼气微生物的 发酵转换而成的一种方便、清洁、优质、高品位气体燃料 ，可以直接用于炊事和照明，也可以供热、烘干、储粮。 3.1.1 沼气的主要成分及其特性 无论是天然产生的，还是人工制取的沼气，都是以甲 烷为主要成分的混合气体，其成分不仅随发酵原料的种类 及相对含量不同而有变化，而且因发酵条件及发酵阶段各 有差异。 沼 气 CH4 CO2 H2S H2 CO N2 占50%70% 占30%40% 可以燃烧的气体 甲烷是一种热值相当高的优质气体燃料。 与空气相比，甲烷的相对密度为0.55，标准沼气的相对 密度为0.94. 甲烷在水中的溶解度很小。 气体从气态变成液态时，所需要的温度和压力分别称为 临界温度和临界压力。标准沼气的平均临界温度为-37， 平均临界压力为56.64105Pa（55.90个大气压）。这说明 沼气液化的条件是相当苛刻的，也是沼气只能以管道输气 ，不能液化装罐作为商品能源交易的原因。 甲烷的分子结构是一个碳原子和四个氢原子构成的等边 三角四面体，相对分子质量为16.04。其分子直径为 3.7610-10m。 甲烷是一种优质气体燃料，一个体积的甲烷需要两个体 积的氧气才能完全燃烧。氧气约占空气的1/5，而沼气中甲 烷含量为60%70%，所以，1个体积的沼气需要67个 体积的空气才能充分燃烧。 在常压下，标准沼气与空气混合的爆炸极限是8.80% 24.4%；沼气与空气按1:10的比例混合，在封闭条件下， 遇到火会迅速燃烧、膨胀，产生很大的推动力，因此，沼 气除了可以用于炊事、照明外，还可以用做动力燃料。 了解和熟悉沼气的上述主要理化性质，对于制取和利用 沼气很有必要。 3.1.2 沼气的成分对其燃烧特性的影响 沼气的着火。 沼气着火的浓度极限。 3.1.3 影响着火浓度极限的因素 混合气体的温度。 混合气体的压力。 混合气体中惰性气体的含量。 3.2 沼气发酵原理 3.2.1 沼气发酵过程 沼气发酵是自然界广泛存在的，是在厌氧条件下， 由微生物分解转化动植物有机质产生的一种可燃性气体 的过程。 农作物秸 秆、人畜 粪便、工 农业排放 废水中所 含有机物 等 厌氧 微生物作用 沼气 沼气发酵 水解 产酸 产甲烷 （1）水解阶段。又称液化阶段。 复杂的有机物质 结构比较简单的化合物 （不能被产甲烷 细菌直接利用） 微生物作用 （2）产酸阶段。水解阶段产生的可溶于水的物质进入微生 物细胞，在胞内酶的作用下进一步将它们转化成为小分子 化合物。 小分子化合物 乙酸、丙酸、丁酸、氢和CO2等 发酵性细菌 丙酸、丁酸 产氢、产乙酸菌 乙酸、氢和CO2 氧气和二氧化碳 产乙酸菌群 乙酸 （3）产甲烷阶段。 在此阶段中，产甲烷细菌群（产甲烷菌有70多种），可以分 为食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群，这两大菌群可以 将甲酸、乙酸、氢和二氧化碳等小分子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，这种以甲烷和二 氧化碳为主的混合气体便称为沼气。 液化和产酸阶段是一个连续过程，在这个过程中， 不产甲烷的细菌种类繁多、数量巨大，它们主要的作用 是为产甲烷菌提供营养和创造适宜的厌氧条件，消除部 分有毒物质。 3.2.2 沼气发酵的微生物学 沼气发酵是由微生物引起的。沼气发酵微生物学就 是阐明沼气发酵过程中微生物学的原理和微生物的种类 、生理生化特性、作用及各类微生物群体间的相互关系 、沼气发酵微生物的分离培养技术的科学。 有机物的沼气发酵并不是由单一的甲烷产生菌完成 的，而是由五类分别在各阶段发挥作用的不同细菌协作 的结果，它们分别是：初级发酵菌；氧化氢的甲烷 产生菌；裂解乙酸的甲烷产生菌；次级发酵菌； 同型乙酸产生菌。 复杂有机物 发酵细菌 可溶性简单有机物 产酸菌 挥发性脂肪酸 （丙酸、异丁酸、异戊酸） 专性质子还原菌 H2+HCO3-乙酸 CH4 + HCO3- CH4 + H2O 纯乙酸菌 甲烷菌 H-+HCO3-H2CO3H2O+CO2 图3.1 甲烷发酵过程 3.2.2.1 水解阶段与发酵前期细菌菌群 发酵前期各细菌生理群主要包括蛋白质氨化菌、纤维素 分解细菌、梭状芽孢杆菌、硫酸盐还原细菌、硝酸盐还原细菌 和脂肪分解细菌等。 3.2.2.2 产氢产酸阶段与产氢产酸菌 产氢与产酸菌将单糖类、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，其中，挥发性乙酸约占80%。 产酸细菌有梭菌属、芽孢杆菌属、葡萄球菌属、变形菌 属、杆菌属等。 活性污泥是研究产酸菌的很好材料，其中的微生物菌群 主要由细菌、放线菌、真菌以及原生动物和后生动物等构成。 经典纯培养方法培养的细菌数量只占活性污泥微生物总数的 1%15%，20世纪80年代后期，随着细菌分子分类学的发展 ，活性污泥中起关键作用的微生物群被陆续发现。 3.2.2.3 产甲烷阶段与产甲烷菌 前两个阶段生成的有机酸等物质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，或以 甲基化合物为原料生物合成甲烷，这个过程称为产甲烷阶段。 产甲烷细菌在沼气生产过程中起着决定性作用。 迄今为止，已经分离鉴定的产甲烷细菌有70中左右，有人 根据它们的形态和代谢特征划分为3目、7科、19属，见表3.4。 此外，还有一些不属于这三个目的产甲烷细菌。 产甲烷杆菌的细胞呈细长弯曲的杆状、链状或丝状，两端 钝圆，细胞大小为(0.40.8)m (315)m； 甲烷短杆菌的细菌呈短杆或球杆状，两端锥形，细胞大小 为0.7m（0.81.7）m； 甲烷球菌的细胞为不规则球形，直径为1.2-2.0m； 甲烷螺菌细胞呈对称弯杆状，常结合在一起成为长度几十 到几百微米的波浪丝状； 甲烷八叠球菌的菌体呈球状，而且常常有很多菌体不规则 地聚集在一起，形成直径可达几百微米的球体； 甲烷丝菌细胞呈杆状，两端扁平，能形成很长的丝状体。 甲烷菌的生理生化特征： 甲烷菌是自养型严格厌氧菌，属于水生古细菌门，不能 利用糖类等有机物作为能源和碳源，以NH4+作为氮源。 大多数产甲烷菌只能利用硫化物，许多产甲烷菌的生长 还需要生物素。 甲烷菌分布广，最适宜生长的pH是6.87.5，生长温度 为1598。 从产甲烷菌的营养需求看，它们能利用的碳源和能源非 常有限。 常见的底物有：H2/CO2、甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等 。 它们中的有些种能利用CO作为碳源，但生长很差； 有些种则能利用异丙醇和CO2； 也有一些种能以甲硫醇或二甲基硫化物为底物合成甲烷 。 产甲烷菌的共同特征： 生长非常缓慢，如甲烷八叠球菌在乙酸上生长时，其倍 增时间为12天，甲烷菌丝倍增时间为49天； 严格厌氧，对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件 下就不能生存； 只能利用少数简单的化合物作为营养； 它们要求在中性偏碱和适宜环境条件； 代谢活动主要终产物是以甲烷和二氧化碳为主要成分的 沼气。 表3.4 产甲烷细菌的分类 甲烷杆菌目 Methanobacteriales 甲烷杆菌科 Methanobacteraceae 甲烷杆菌属Methanobacterium 甲烷短杆菌属Mdthanobrevibacter 甲烷球状属Methanosphaera 高温甲烷杆菌科 Methanothermaceae 高温甲烷属Methanlthermus 甲烷球菌目 Methanococcates 甲烷球菌科 Methanococcaceae 甲烷球菌属Methanococcus 甲烷微菌目 Methanomicrobiales 甲烷微菌科 Methanomicrobiaceae 甲烷微菌属Methanomicrobium 甲烷螺菌属Methanospirillum 产甲烷菌属Methanogenium 甲烷叶状菌属Methanolacinia 甲烷袋形菌属Methanoculleus 甲烷八叠球菌科 Methanosarcinaceae 甲烷八叠球菌属Methanosarcina 甲烷叶菌属Methanollbus 甲烷丝菌属Methanothrix 甲烷拟球菌属Methanococcoides 甲烷毛状菌属Methanosaela 甲烷嗜盐菌属Methanohalophilus 甲烷片菌科 Methanoplanaeae 甲烷片菌属Methanoplanus 甲烷盐菌属Methanohalobirm 甲烷球粒菌科 Methanocorpusculaceae 甲烷球粒菌科Methanocorpusculum 3.2.3 沼气发酵的条件 人工制取沼气的基本条件是：严格的厌氧环境、适 宜的发酵温度、碳氮比适宜的发酵原料、适宜的发酵液 浓度、适当的酸碱度（pH）和质优足量的菌种等。沼气 池发酵产气的好坏与发酵条件的控制密切相关。 3.2.3.1 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性细菌 ，对氧特别敏感。它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活 动中都不需要氧气，哪怕是微量的氧存在，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，是人工制取沼气的关键。 3.2.3.2 发酵温度 温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则细菌繁殖 旺盛、活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多 ；如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气就少或不产 气。从这个意义上讲。温度是生产沼气的重要条件。 研究发现，沼气发酵微生物是在一定的温度范围进行代 谢活动的，一般为865，均能正常发酵产生沼气，温度高 低不同产气速度不同。人们把沼气发酵划分为三个发酵区： 即常温发酵区826，也称低温发酵，在这个条件下 产气率可为0.150.3m3 / (m3 d)； 中温发酵区2838，最适温度为35，在这个温度条 件下，池容产气率可为1.0m3/(m3 d)左右； 高温发酵区4665，在这个温度条件下，池容产气率 可为2.02.5m3/(m3 d)。 4050是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过渡区间 ，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。当温度提高到5355时，沼气微生物中的高温菌活 跃，产沼气的速率最快。 概括地讲，产气的一个高峰在35左右，另一个更高的 高峰在54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。 3.2.3.3 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（如秸秆、杂草、树叶等）、家畜家禽粪便、工农业生 产的有机废水废物（如豆制品的废水、酒槽和糖渣等）以及 水生植物都可以作为沼气发酵的原料。为了确切地表示固体 或液体中有机物含量，一般采用如下方法来测定原料的有机 质含量。 1）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： 原料 水分 总固体 灰分 挥发性固体 总固体（TS），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105的烘箱中烘干 至恒重，此时物质的质量就是该样品的总固体质量。 挥发性固体（VS），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500550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 下的物质是样品的灰分，其质量是该样品灰分的质量。 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。 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。发酵液浓度的范围是 2%30%。浓度越高产气越多。发酵液浓度在20%以上称为干 发酵。实践证明，农村沼气池一般采用6%10%的发酵料液浓 度较适宜。 3）产气量、产气速率与产气率 一般认为，自然界的有机物质除矿物油和木质素外，都能 被微生物发酵而产生沼气，但不同有机质的产气量不同。因为 各种有机物质分解的难易程度不同，所以产气速率相差很大。 产气率分为原料产气率、料液产气率、池容产气率。发酵原料 的产沼气量以及不同物质的产期速率见表3.6和表3.7。 原料种类产沼气量/(m3/t干物质)甲烷含量/% 畜牧肥2602805060 猪类561 马类200300 青草63070 亚麻杆359 麦秆43259 树叶21029458 废物污泥64050 酒厂废水30060058 碳水化合物75049 脂类140072 蛋白质98050 表3.6 发酵原料的产沼气量 表3.7 几种物质的产气速率 发酵原料 产气速率（占总产气量%） 015天1645天4675天76135天 牛粪1133.820.934.3 水葫芦8317 水花生234532 水浮莲236215 猪粪19.631.825.523.1 干青草13114333 稻草9501625 人粪452227.35.7 3.2.3.4 适宜的pH pH是指消化器内料液的pH，而不是发酵原料的pH。沼气 发酵微生物最适宜的pH是6.87.5。一般来说，当pH在6以下 或8以上时，沼气发酵就要受到抑制，甚至停止产气。 在沼气发酵的过程中，pH变化规律一般是：在发酵初期 ，由于产酸细菌的迅速活动产生大量的有机酸，使pH下降； 随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分 有机酸，另一方面甲烷菌群利用有机酸转化成甲烷，这样使 pH又恢复到正常。这样循环继续下去，使沼气池内的pH一直 保持7.07.5，使发酵正常运行。所以，一般情况下，沼气 池内的料液发酵时，只要保持一定的浓度、接种物和适宜的 温度，它就会正常发酵，不需要进行调整。 3.2.3.5 碳、氮、磷的比例 富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便，这类 原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化，一般颗粒细小， 含有大量低分子化合物人和动物未吸收消化的中间产物， 含水量较高。因此，在进行沼气发酵时，它们不必进行预处 理，就容易厌氧分解，产气很快，发酵期较短。 富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残 余物，这类原料富含纤维素、半纤维、果胶以及难降解的木 质素和植物蜡质。干物质含量比富氮的粪便原料高，且质地 疏松，相对比重小，进沼气池后容易漂浮形成发酵死区浮 壳层，发酵前一般需经预处理。富碳原料厌氧分解比富氮原 料慢，产气周期较长。 氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料，碳素是 构成微生物细胞质的重要组分，而且提供生命活动的能量。 发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。从营 养学和代谢作用角度看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗 氮的速度要快2030倍。因此，沼气发酵时，原料不仅需要 充足，而且需要适当搭配。 发酵料液中的碳、氮、磷元素含量的比例，对沼气生产 也有重要的影响。研究工作表明，碳、氮、磷比例以 10:4:0.8为宜。 3.2.3.6 添加剂和抑制剂 许多物质可以加速沼气发酵过程，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（中温发酵为0.2%以上；高温 发酵为0.36%以上）时，对发酵有阻遏抑制作用； 氨态氮浓度过高时，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 使微量存在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，在适当浓度时刺激发酵过 程，当超过一定浓度时对发酵过程会产生强烈的抑制作用。 3.2.3.7 搅拌 搅拌对沼气发酵也是很重要的。如果不搅拌，池内会明 显地呈现三层，即浮渣层、液体层、污泥层。这种分层现象 将导致原料发酵不均匀，出现死角，产生的甲烷难以释放。 搅拌可增加微生物与原料的接触机会，加快发酵速度； 可提高沼气产量； 防止大量原料漂浮结壳。 搅拌主要包括机械搅拌、沼气搅拌和水射搅拌三种方式 。 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。 机械搅拌，通过机械装置运转达到搅拌的目的； 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； 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 。 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0.5m/s，因为这个速度是沼气微生物生存的临 界速度。 3.2.3.8 接种物 在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物（亦称为菌 种）。在条件具备时，宜采用与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 选择沼气池、湖泊、沼泽、池塘底部、阴沟污泥和积水粪坑 之中活性较强的污泥； 或是人畜粪便等，添加适量（菌种量的5%10%）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。 制取沼气必须有沼气细菌。如果没有沼气细菌作用，沼 气池内的有机物本身是不会转变成沼气的，所以沼气发酵启 动时，要有足够数量含优良沼气菌种的接种物，这是人工制 取沼气的内因条件，一切外因条件都是通过基本的内因条件 才能起作用。 综上所述，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，沼气微生物像其他生物一样，对环境有一个 适应范围。上述各项是沼气微生物群维持正常活动所必需的 条件。 3.3 沼气发酵工艺（自学） 3.4 沼气发酵的综合利用 随着国家对农村沼气投