发酵工程作业.doc

沼气发酵关键词：沼气工程，发酵，主要菌种，发酵工艺流程，发酵机制以及未来展望。Keywords: biogas project, fermentation, yeast, fermentation processes, mechanisms, and future prospects of fermentation. 中文摘要：农村沼气工程作为一项实用性强的利国富民生态工程，近年来处于快速发展时期,受到各地的高度重视和广大农村的普遍欢迎。沼气发酵属于厌氧发酵，这是根据发酵过程中微生物的生活习性决定的。本文主要介绍发酵工程中所需的主要菌种、发酵机制以及发酵工艺流程，以及沼气发酵的未来展望。沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵，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）、主要菌种沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等 。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌即含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就好比工厂里生产一种产品的两道工序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半 成品结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品 即生成甲烷（二）、沼气发酵机制是指各种固态的有机废物经过沼气微生物发酵产生沼气的过程。一般可大致分为液化阶段、产酸阶段和产甲烷阶段三个阶段。其中又可以把液化阶段和产酸阶段合称为产酸阶段，就可以把整个沼气发酵机制划分为产酸和产甲烷两个阶段。 1、液化阶段 各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用，必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，将固体有机质水解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。2 、产酸阶段 各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸），在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质；同时也有部分氢(H2)、二氧化碳(CO2)和氨(NH4)等无机物的释放。但在这个阶段中，主要的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。参加这一阶段的细菌称之为产酸菌。 3 、产甲烷阶段 由产甲烷菌将第二阶段分解出来的乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产气阶段，或叫产甲烷阶段。 沼气发酵的三个阶段是相互衔接和相互制约的，它们之间保持着动态平衡，从而使固态的有机废物不断分解，沼气不断形成。（三）沼气发酵的基本工艺流程一个完整的大中型沼气发酵工程，无论其规模大小，都包括了如下的工艺流程：原料（废水）的收集、预处理、消化器（沼气池）、出料后的处理和沼气的净化与储存等（图11-5）.用户预处理调节池排放后处理厌氧消化器有机废物沼气净化存储剩余污染图11-5 沼气发酵的基本工艺流程图(周孟津等，2004)1.原料的收集充足而稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础，原料的收集方式又直接影响原料的质量。收集到的原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天内均匀分配。所以，调节池的大小一般要能储存24h废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化作用，这对改善原料性能和加速厌氧消化有好处。2.原料的预处理原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的浮沉固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。在预处理时，应将牛粪和猪粪中较长的草，鸡粪中的鸡毛去除，否则极易引起管道堵塞。再配用切割泵进一步切短残留的较长纤维和杂草，可有效地防止管路堵塞。鸡粪中还含有较多贝壳粉和沙砾等，必须沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部并且难以排除。乙醇和丙酮丁醇废醪因加热蒸馏，排除温度高达100，因此需要降温后才能进入消化器，有条件时还可以采用各种固液分离机械将固体残渣分出用作饲料，有较好的经济效益。有些高强度的无机酸碱废水在进料前还应进行中和，最好采用酸性和碱性废水混合处理，如将酸性的味精废水和碱性的造纸废水加以混合即可收到良好效果。3.消化器（沼气池）消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备。微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成都是在消化器里进行的，因此，消化器的结构和运行情况是沼气工程设计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。目前应用较多的工艺类型及消化器结构有三类。4. 出料的后处理出料的后处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分，过去有些工程未考虑出料的后处理问题，造成出料的二次污染。出料后处理的方式多种多样，最简便的是直接用作肥料施入土壤或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理。可靠的方法是将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于各种花果的复合肥料；清夜部分可经曝气池、氧化塘等好氧处理后排放，也可用于灌溉或再回用为生产用水。目前采用的固液分离方式有沙滤式干化槽、卧螺式离心机、水力筛、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。5沼气的净化、储存和输配沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢（HS）气体生成并进入沼气。大型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和HS。水的冷凝会造成管路堵塞，有时气体流量计中也充满了水，脱水通常采用脱水装置进行。HS是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。HS本身及燃烧时生成的SO对人体也有毒害作用。沼气的HS含量在112/m之间，蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的HS含量就较高。硫化氢的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。 沼气的储存通常采用浮罩式储气柜，以调节产气和用气的时间差别，以便稳定供应用气。沼气的输配是指将沼气输送分配至各用气户（点）输送管道通常采用金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管。目前，我国的沼气发酵利用主要是两个方面：规模化发酵和农户个体发酵。在整个发酵过程中仍然存在很多问题，比如社会知度低、规模化发酵的一次性投资大、产业化程度低、服务体系不健全、运行管理不完善等。综合以上的不足，未来沼气发酵应从以下方面着手：一、 加强宣传力度，让社会对沼气工程的认识加深，提高人们对沼气发酵在能源与环境治理中的重要作用的认识，以获得更多的支持。二、 依靠政府支持，解决资金问题，实行设备产业化。这是目前发展遇到的重大难题，也是未来必须解决的问题。整个发酵生产、售后服务体系应该达到相应的标准，增强市场竞争力，使整个体系的稳定发展得到保障。从而解决“一年建池，三年荒废”的现象。三、 以沼气发酵为依托，发展形成产业链。目前的沼气工程主要侧重于单纯的沼气发酵，这样的沼气工程效益非常低。未来发展应该以沼气发酵为依托，建立产业链的多产业组合，充分发挥产业优势，形成产业互补，从而实现利益的最大化。产业链的建立可以从两个方面考虑：一个方面，以原料和残渣为主线。该链可以从原料预利用、发酵、残渣续利用三个方面着手。另一方面则是以沼气的后续利用为主线的产业链。目前的沼气利用主要是作为燃料，这是很浪费的，未来的利用必然会向多方向进行。四、 沼气工程规模化。沼气工程产业化的一个重要方面就是规模化。我国的沼气发酵必须从现在的局限于农村农户的个体发展模式向规模化生产转变。农村农户发酵模式设备简单、发酵不稳定、经济效益低。而工程化发酵具有等级化、规模化的特点，可以专人管理、综合利用，大大的提高了其经济效益。五、 加强人才培训与科技研发。总体而言，我国现阶段