第八章-沼气发酵ppt课件

.,生物质能工程BIOMASSENERGYENGINEERING,建筑工程学院史宇亮,第三章沼气发酵,.,第八章沼气发酵,第一节概述一、沼气的发展历史什么是沼气？沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度等条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以称作沼气（biogas，marshgas，sludgegas）。,第三章沼气发酵,.,第一节概述,沼气含有多种气体，主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。沼气微生物分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。1776年意大利物理学家A.沃尔塔测出湖泊底部植物体腐烂而产生的气体中含有甲烷。1875年俄国学者波波夫首先利用河泥加入纤维素物质中，产生出甲烷，并发现了甲烷发酵是一个微生物学的过程。这一发现引起了微生物学家的广泛兴趣，为沼气发酵的应用奠定了基础。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,1896年在英国一个小城市建起了一座沼气池，用来处理生活污水所产生的污泥，所产的沼气用来照明一条街道。1900年在印度建造了用人粪做原料的沼气池。1914年美国大约有75个城市和许多机构都建造了沼气池。1927年德国开始用沼气发电，并用冷却发电机组的热水来加热沼气池。,第一节概述,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,随着对沼气发酵原理认识的深入，沼气池由开始时的简单化粪池发展到高速消化器（1950年）。1955年出现了使微生物回流的厌氧接触工艺，使厌氧消化的效率大大提高。1969年出现了厌氧滤器。1979年研制成功厌氧污泥床。这些新工艺使可溶性原料在沼气池内发酵时间大大缩短，从原来几十天缩短到一天，甚至几个小时，这样就使沼气发酵用于处理污水等工程成为可能，也为沼气生产创造了更好的办法。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,1920年罗国瑞在广东省汕头市建造生产沼气的沼气池，1929年开设了沼气商号，名为“中国天然气瓦斯灯行”。1930年取得了沼气专利权，在全国13个省修建了沼气池。20世纪50年代末，我国农村办沼气出现了高潮，全国很多省市都修建了沼气池，目的是解决农村炊事用能，收到了一定的成效。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,70年代初，由于农村生活燃料严重短缺，在四川、江苏和河南等省农村又一次掀起了发展沼气的热潮，一度发展到700多万个沼气池。到70年代后期，有大量池子报废，这种状况就难免使得一些人对沼气技术发生怀疑。1979年5月召开的全国沼气工作会议，认真总结了前一阶段发展沼气工作中的经验教训，提出了重视质量、稳步发展的方针。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,依靠科学技术，坚持建池质量，重视经济效益，建管并重，稳步发展，并逐步形成以能源、环境保护和生态农业为目标的中国沼气建设模式，从而使中国沼气建设出现了新的转机，走上了稳步、健康发展的道路。目前，中国沼气技术应用在全球处于领先地位。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,目前户用沼气池累计达1800万户；到2002年北方能源生态模式应用达36.89万户；南方能源生态模式应用达313.29万户。到2002年我国各地兴建了不同型式、处理各种不同原料的大中型沼气工程达1560处，总池容达到76.51万m3，年产沼气1.837亿m3。处理的原料由污泥、人畜粪便、酒精废液、屠宰废水等，扩大到食品、制药、轻工、化工等几十个行业的200多种废水。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,推广和利用沼气，既具有一定的经济效益，同时还可以取得以下综合效益：(1)扩大燃料资源，将原来不作燃料使用的人畜粪便及其他生活废料变成热能加以利用。(2)改变农村传统燃料的燃烧方式，提高了热量的有效利用。(3)节约秸秆用以还田，增加肥源，或用作粗饲料及轻工业、手工业原料等。(4)经过沼气池的发酵，提高了有机肥料的质量和肥效。(5)有利于环境卫生，减少疾病；有利于水土保持，改进生态平衡等。,沼气历史,第三章沼气发酵,.,第一节概述,二、沼气的成分沼气是一种混合气体，其组成不仅取决于发酵原料的种类及其相对含量，而且随发酵条件及发酵阶段的不同而变化。当沼气池处于正常稳定发酵阶段时，沼气的体积组成大致为：CH45070，C023040，少量的CO、氢H2、H2S、O2、N2等气体。沼气的组成中，可燃成分包括CH4、H2S、CO和重烃等气体；不可燃成分包括C02、N2和NH3等气体。在沼气成分中H2S平均含量为0.034。,第三章沼气发酵,.,第三章沼气发酵,.,第三章沼气发酵,.,第一节概述,三、沼气的理化性质,化学性质,第三章沼气发酵,.,第一节概述,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,一、沼气发酵（BiogasFermentation）的定义沼气发酵（又称厌氧消化anaerobicdigest），是一个复杂的微生物学过程，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程。沼气发酵在自然界中广泛存在，如在人和动物的肠道，腐烂树木的木质部，河流、湖泊和海洋的沉积物中，淹水的土壤、沼泽、污水、粪坑中都有沼气发酵微生物的存在。修建沼气发酵装置就是模仿自然环境为沼气发酵微生物创造合适的生活条件，使沼气池内能够生长繁殖出更多的沼气发酵微生物，成为用人工的办法生产沼气。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,二、沼气发酵的基本过程,第三章沼气发酵,.,（1）第一阶段是液化阶段，也称之为水解发酵阶段。各种固形有机物在微生物分泌出的各种胞外酶的作用下，固形有机物被分解成分子量较小的可溶性物质。（经水解作用之后，多糖分解为可溶性单糖，蛋白质分解为肽或氨基酸，脂肪酸分解为甘油和脂肪酸。）这些可溶性物质能够进入细胞之内被微生物所利用。（2）第二阶段是产酸阶段。进入细胞的各种可溶性物质，在各种胞内酶的作用下，进一步分解代谢，生成各种挥发性脂肪酸，其中主要是乙酸，同时还有氢、二氧化碳和少了其他产物（3）第三阶段是甲烷菌所完成的产甲烷阶段。甲烷菌分解乙酸形成甲烷和二氧化碳，或利用氢还原二氧化碳形成甲烷，或转化甲酸形成甲烷。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,有机酸的分解：CH3COOHCH4CO2醇的分解：4CH30H3CH4CO22H2O二氧化碳的还原：CO24H2CH42H2O醇的氧化使二氧化碳还原：2CH3CH2OHCO22CH3COOHCH4有机物生成甲烷的总反应：甲烷菌(C6H10C5)nnH2O3nCO23nCH4,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,沼气发酵的三个阶段中，液化阶段是沼气发酵速度的限速步骤。液化阶段是由水解反应来完成的，这些水解反应大多需要能量，而不能为微生物提供能量，所以成为沼气发酵的限速步骤。固体物质液化的快慢直接影响沼气生成的速度，而且液化的程度也直接影响沼气的产量。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,大多数发酵原料，尤其是各种农作物剩余物，其固形物含量高，可溶性成分少，因此必须采用某些预处理方法来加快液化阶段的进行和提高液化的程度，如将作物秸秆切碎或粉碎和进行堆沤处理等。一些工业废水如酒糟废液、合成脂肪酸废水等，其可溶性有机物较多，在入池发酵之前已完成了液化阶段。因此它们的发酵速度快，在池内滞留期可缩短到几十小时或几小时，因而可获得很高的体积产气率m3(m3料液d)。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,在实际的沼气发酵过程中，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，从而使基质不断分解，沼气不断形成。目前绝大多数沼气发酵都是使液化、产酸和产甲烷在一个发酵池中完成，因而在同一时间里实际上由各种不同的微生物进行着各种不同的发酵过程。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,三、沼气发酵的微生物按照沼气发酵过程，可以将参与沼气发酵的微生物分为两大类群，即不产甲烷的微生物类群和产甲烷的微生物类群。1.不产甲烷微生物类群包括细菌、真菌和原生动物三大类，其中主要是细菌类。不产甲烷细菌有许多种，按呼吸类型来分有专性厌氧菌、好氧性菌和兼性厌氧菌，其中以专性厌氧菌为主，数量最多。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,厌氧菌是不产甲烷阶段主要起作用的菌类，包括各种生理群，如厌氧性纤维分解菌、果胶分解细菌、丁酸细菌，以及在厌氧条件下分解蛋白质、脂肪、碳水化合物的各种细菌和硫酸还原细菌等等。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,2.产甲烷微生物类群是一群非常特殊的微生物，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，即使存在微量的氧都会对产甲烷菌造成不利影响。产甲烷菌只能利用比较简单的有机化合物和无机化合物，而不能利用大多数生物赖以生存的碳水化合物、蛋白质和脂肪。它们在代谢H2、CO2、甲酸、乙酸、甲醇、甲胺时，从中获得碳源和能源来维持细胞的生长繁殖。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,沼气发酵时，产甲烷菌靠其他细菌代谢作用的终产物而生存，这就使沼气发酵对各种复杂有机物具有广泛的适应性。产甲烷菌有中温类型，也有高温类型，适宜的pH为6.57.6，它们都以氨态氮为氮源。,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,在正常沼气发酵中，各类微生物是靠相互协同和相互制约来维持发酵过程的平衡。相互协同微生物的抑制作用包括自身抑制和种间的抑制,第三章沼气发酵,.,第二节沼气发酵的基本过程,四、沼气发酵的特点综合沼气发酵的生物过程和生物化学过程来看，与有机物在好氧条件下进行分解代谢相比较，沼气发酵有以下特点：（1）沼气微生物自身耗能少。（2）沼气发酵能处理高浓度的有机废物。（3）沼气微生物对营养要求较低，能处理的废物种类多。（4）沼气发酵受温度的影响较大。（5）发酵的主要终产物(CH4和CO2）很容易从发酵液中分离出来。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,发酵原料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农业、工业产品的废水废物（如豆制品的废水、酒糟和糖渣等水生植物,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,表示原料的有机质含量的方法：（一）总固体（TS）、挥发性固体(VS),第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,总固体(TS,totalsolid)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：把样品放在105的烘箱中烘干至恒重，此时物质的重量就是该样品的总固体重量。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,挥发性固体(VS，volatilesolid)，是指原料总固体中除去灰分以后剩下的物质。测定方法：将原料总固体样品在500550温度下灼烧1h，其减轻的重量就是该样品的挥发性固体含量，余下的物质是样品的灰分，其重量是该样品灰分的重量。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,在沼气发酵中，沼气微生物只能利用原料的挥发性固体，而灰分是不能利用的，因此用挥发性固体重量来表示原料重量更确切。测定挥发性固体含量要比测定总固体含量测试条件要求更高，在农村不具备这个条件。农村沼气发酵原料（粪便和秸秆）在风干状态下的总固体百分含量比较稳定，测定一次基本可以作为常数通用，一般就使用总固体重量表示农村原料重量，计算比较方便。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,表示原料的有机质含量的方法：（二）生化需氧量和化学需氧量生化需氧量(BOD)是指微生物将溶液中的有机质分解所消耗氧的量，称为生化需氧量(biochemicaloxygendemand)。测定生化需氧量要保持一定的温度和一定的时间，通常在20下，经5d（或20d）培养后所消耗的溶解氧量，用BOD5（或BOD20）表示，单位为kg/m3。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,化学需氧(COD)是指在一定条件下，溶液中有机质与强氧化剂重铬酸钾作用所消耗氧的量，称为化学需氧量（chemicaloxygendemand)，单位为kg/m3或mg/L。COD和BOD被普遍用来表示原料中含有机质的量，BOD基本上反映了能被微生物分解的有机质的量。不易被微生物分解的物质，其COD比BOD大得多。生活污水的BOD5与COD之比常在0.4-0.6之间。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,表示原料的有机质含量的方法：（三）原料的碳氮比（C/N）原料的碳氮比（ratioofcarbonandnitrogen）是指原料中碳素总量和氮素总量的比例。实践证明：投入的混合原料碳氮比应控制在（2030）：1，甚至可以略高一些。这样不仅有利于持久稳定的产气，同时起到对酸碱度的调节作用，还可以防止“跑氮”，有利于沼渣水肥的保存。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,表示原料的有机质含量的方法：（四）浓度沼气发酵料液浓度是指沼气发酵料液中发酵物质的百分含量。采用发酵物质总固体(TS)表示者称总固体浓度TS，采用挥发性固体(VS）表示者称挥发性VS浓度。在农村沼气发酵中，一般用总固体浓度表示发酵料液浓度，是指原料中的总固体重量与发酵料液重量的百分比。据原料的来源和数量，农村沼气发酵通常以67的发酵料液浓度为宜。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,（五）原料产气率、料液产气率、池容产气率1.原料产气率:指单位重量原料在整个发酵过程中的产气量。原料产气率说明了在一定的发酵条件（即配料、温度、时间、浓度等）下，原料被利用水平的高低。原料产气率的表示方法：,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,2.料液产气率：指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量，其单位为m3/(mLd)。料液中所含原料的种类和质量（料液浓度）不同，其产气率差异也较大。料液产气率不能说明原料利用水平的高低，也不能说明沼气池容积被利用的水平，不宜采用。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,3.池容产气率：指沼气池单位容积每天生产沼气的多少，其单位为m3/(m3d)生产中使用）或L/(Ld)（小型试验使用）。池容产气率说明装置被利用水平的高低。原料产气率和池容产气率说明了原料和装置被利用水平的高低，这两个指标是衡量沼气生产水平的重要参数。评价沼气池时，要考虑二者的发酵条件和生产状况。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,例1：甲池容产气率为0.1m3/(m3d)；乙池池容产气率为0.12m3/(m3d)。是否就能肯定乙池的比甲池好呢？这要分析一下乙池的原料质量、浓度和是否正处在产气高峰时期，然后再作结论。例2：甲池的原料产气率为0.25m3/(kgTS)，乙池为0.28m3/(kgTS)，能否说乙池的原料就比甲池的质量高?这要分析甲、乙两池的发酵条件和发酵滞留期的长短和发酵温度等，再来做出评价。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,（六）产气速度产气速度指发酵原料投入沼气池后产生沼气快慢的程度。知道了产气速度，便于掌握沼气池产气和用气的规律，确定沼气池添料、排料的时间。秸秆原料木质纤维含量高，碳氮比高，分解速度慢；粪便类原料碳氮比低，分解较快。,第三章沼气发酵,.,第三节沼气发酵原料和原料产气特性,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（一）严格的厌氧环境严格的厌氧环境是沼气发酵的先决条件产酸阶段的不产甲烷微生物，有好氧菌、厌氧菌和兼性厌氧菌，但大多数是厌氧菌，需要在无氧条件下，把复杂的有机物质分解成简单的有机酸等。产气阶段的产甲烷菌则更是专性厌氧菌，不仅不需要氧，氧对产甲烷菌反而有毒害作用。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,厌氧程度一般需用氧化还原电位（或称氧化还原势）来表示。一种物质的氧化程度愈高则电势趋于正，而物质还原程度愈高则电势趋于负。沼气发酵启动或新鲜原料入池时带进一部分氧，造成沼气池内较高的氧化还原势。但只要沼气池密封不漏气，由于好氧菌和兼性厌氧菌的活动，迅速将氧消耗掉，使沼气池氧化还原势逐渐降低，从而为产甲烷菌创造出良好的厌氧环境。修建的沼气池必须严格密封，这样一方面是保证不漏水、不漏气，同时也是为了保证严格的厌氧环境。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（二）温度条件一般来讲，池内发酵温度在10以上，只要其他条件配合得好（如酸碱度适宜、沼气发酵菌多）就可以开始发酵，产生沼气。在一定范围以内(1540）随温度的增高，产气量和产气速率都相应的增高。温度介于3060之间，沼气发酵的每日产气效率和每日负荷量产气不是与温度的增高呈正相关，而是在这个范围之内出现了两个产气的高峰。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,一个高峰在3040之间(中温发酵)，另一个更高峰介于5060之间(高温发酵)。在这两个最适的发酵温度中，是由两个不同的微生物群参与作用的，中温发酵和高温发酵相比较，后者比前者在一定容积的发酵容器中可能处理的有机物量和气体产量高22.5倍。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（三）适宜的酸碱度酸碱度是指溶液中氢离子（H）的浓度。溶液中氢离子多，呈酸性；氢离子少，则呈碱性。沼气微生物最适宜的酸碱度以pH6.57.5为宜（这里pH是指沼气池内发酵料液的pH，而不是发酵原料的pH）。当pH7.5时，沼气发酵就要受到抑制，甚至停止产气。料液的pH是监测发酵过程中进行其控制的一个重要技术参数。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,如果配料不适当，或缺乏正常操作管理，也可能使挥发酸大量积累，pH下降。此时便需要采取措施，进行调节，使pH恢复正常。调节的办法：经常少量出料并投入同量的新料，以稀释发酵液中的挥发酸，提高pH。农村中采用加草木灰和适量氨水调节pH。用石灰水调节pH，但要保证石灰与发酵液完全混合，否则在强碱区域内微生物活性受到破坏。加石灰的量也要严格控制。若pH高于8（过碱），可适当加入牛、马粪便（牛马粪便呈酸性，pH56)，并加水冲淡。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（四）沼气池的有机负荷1.容积有机负荷即每单位体积消化器每天所承受的有机物的量，通常以吨COD/m3d为单位，有时也用TS或VS来表示有机物的量。容积负荷是消化器设计和运行的重要参数。容积有机负荷的大小主要是由厌氧活性污泥的数量和活性决定的。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,2.污泥负荷即每千克厌氧活性污泥每天所承受的有机物的量，单位是kgCOD/kgVSd。在消化器运行过程中确定容积负荷的根据是污泥负荷。3.水力负荷即每单位体积消化器每天所承受污水的体积，单位是m3/m3d。在同样容积有机负荷的条件下，发酵原料浓度不同，投料体积则不一样，这就构成不同的水力负荷。有机物浓度高则水力负荷低，有机物浓度低则水力负荷高。当有机物浓度基本稳定时，水力负荷则成为工艺控制的主要条件。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,各种类型的沼气发酵有一定的有机物负荷能力。负荷太低，由于营养物质不足，会使细菌处于饥饿状态而使发酵效率下降；负荷太高，使其中的微生物处于超负荷状态，这时往往出现酸化速度大于甲烷化速度，造成有机酸的积累，使产气机制受到抑制，发酵不能继续进行。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,沼气发酵的处理能力：中温发酵为23kgCOD/m3d高温发酵为5kgCOD/m3d自然发酵则大大低于上两种发酵的处理能力，其处理能力还随自然温度的变化而异。在处理中如能提高污泥的浓度，在发酵罐内滞留大量微生物，则可以显著地提高处理能力。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,与有机负荷量密切相关的因素是投料率和滞留期。投料率：指每天向发酵罐单位容积投入的原料量kgTS/m3d，同时排出等量的旧料。滞留期：指原料在发酵罐内的相对停留时间，以d计或以h计。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（五）接种物沼气发酵中菌种数量的多少和质量的好坏直接影响沼气的产生。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,沼气发酵菌种在自然界中广泛存在，特别是各种阴沟污泥中，由于有丰富的有机物质和良好的厌氧条件，沼气发酵微生物大量繁殖，形成了丰富的微生物群落。农村沼气池大换料时，采用沼气发酵液作为接种物，也可以达到同样的效果。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,接种物添加的数量，要按不同的工艺要求来考虑。常温发酵接种物一般采用下水道污泥，添加量相当发酵液重的1015，若采用沼渣时，则应加10以上；如若使用较多的秸秆作发酵原料时，应该加大接种用量，其重量应大于秸秆的重量。中温发酵中温发酵菌种要由常温接种物中筛选，富集驯化来得到。高温发酵高温发酵菌种一般从中温发酵菌种富集驯化培养而得。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（六）压力沼气发酵与池内气体压力有密切的关系，沼气池内压力过高或处于变压状态对产气有一定的影响，使产气速度减慢。大型沼气发酵罐的底部常由于搅拌不到，水压使沼气和硫化物处于过饱和状态，从而使挥发酸积蓄，抑制了反应的进行。在小型沼气池中也有同样的现象。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,我国小型沼气池多为水压式沼气池，其贮气部分和发酵部分连在一起，没有固定的分界，发酵料液多，则贮气部分减小，反之，则贮气部分增大。沼气池常处于变动压力下工作，对产气有一定的影响。如果加以搅拌，则压力的影响就会减小。对于大型沼气池，应设置贮气装置，小型沼气池亦可采用上置式或分置式浮罩贮气，以保持比较稳定的气压。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（七）搅拌沼气池内料液一般分为三层。上层为结壳层，中层为清液层，下层为沉渣层。为了打破结壳层，使料液混合均匀，更好地与微生物接触，应该进行必要的搅拌。搅拌方法：(1)机械搅拌机械搅拌器安装在沼气池中，上、中、下均可，适用于单一原料（纯粪或粉碎后的作物秸秆原料）。(2)液搅拌用人工或泵从沼气池抽取一定量料液，再将其倾入沼气池内，以产生较强的液体回流，达到搅拌目的。(3)气搅拌将沼气池内产生的沼气，利用压力从池底部冲进去，产生较强的气体回流，以达到搅拌的目的。,第三章沼气发酵,.,第四节沼气发酵的工艺条件,（八）添加剂和抑制剂1.添加剂能促进有机物分解并提高沼气产量的物质。添加剂的种类很多，包括一些酶类、无机盐类、有机物和其他无机物等。如：纤维素酶、尿素、CaC03、钾、钠、钙、镁、活性炭粉2.抑制剂对沼气发酵微生物的生命活动起抑制作用的物质。已知的抑制剂有各种农药、金属离子、氨态氮等。,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,沼气发酵从配料入池到产出沼气的一系列操作步骤、过程和所控制的条件称为沼气发酵工艺。（一）按投料方式不同，沼气发酵分为三种类型1.批量发酵（可以观测发酵产气的全过程，但不能均衡产气这种类型适合于研究）,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,2.连续发酵（可以维持稳定的原料消化利用速率和稳定的产气率，大中型沼气发酵多采用此种方式）,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,3.半连续发酵（我国农村的家用水压式沼气池基本上属于这一类）,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,（二）按发酵温度不同，沼气发酵分为三种类型高温发酵发酵过程中控制温度，一般来讲，介于5060之间。中温发酵发酵过程中控制温度一般介于3040之间。常温发酵（也叫自然温度发酵）在发酵过程中不进行温度控制，发酵液的温度随自然温度有规律地进行变化。,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,三种发酵类型的优缺点：高温和中温发酵处理效率高，处理时间短，产气量高；缺点：设备比较复杂，需要消耗大量的能量用于加温和保温。常温发酵设备简单，不需加温，便于推广；缺点：产气率低，尤其在冬季由于温度过低，影响产气。,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,（三）按发酵的级差，沼气发酵分为三种类型单级式发酵物的发酵产气全过程只在一个沼气池内完成。两级式有两个沼气池，将第一个沼气池发酵后的发酵料液再送入第二个沼气池中继续发酵，以回收余气，并对有机废物进行较彻底的处理。以第一级产气为主。多级式可以有三级、四级甚至更多级的发酵处理。多级发酵只在污水处理上有这样的例子。,第三章沼气发酵,.,第五节沼气发酵工艺类型,（四）按作用方式，沼气发酵分为两种类型一步发酵沼气发酵的产酸与产甲烷阶段在同一装置内进行。通常的发酵工艺都属于一步发酵工艺，即原料的水解（液化）阶段、产酸阶段、产甲烷阶段都在同一个环境条件下进行。两步发酵沼气发酵的产酸阶段与产甲烷阶段分别在两个装置中进行，有利于高分子有机废水及有机物的处理，有机质转化效率高，但单位有机质的沼气产量稍低。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,一、固定拱盖水压式沼气池,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,一、固定拱盖水压式沼气池,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,水压式沼气池优点：(1)池体结构受力性能良好，而且充分利用土壤的承载能力，所以省工省料，成本比较低。（2)适于装填多种发酵原料，特别是大量的作物秸秆，对农村积肥十分有利。(3)为便于经常进料，厕所、猪圈可以建在沼气池上面，粪便随时都能打扫进池。(4)沼气池周围都与土壤接触，对池体保温有一定的作用。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,水压式沼气池缺点：(1)由于气压反复变化，而且一般在416kPa（即40160cm水柱）压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。(2)由于没有搅拌装置，池内浮渣容易结壳，又难于破碎，所以发酵原料的利用率不高，池容产气率（即每立方米池容积一昼夜的产气量）偏低，一般产气率每天仅为0.12m3/耐左右。(3)由于活动盖直径不能加大，对发酵原料以秸秆为主的沼气池来说，大出料工作比较困难。因此，出料的时候最好采用出料机械。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,二、变型的水压式沼气池1.中心吊管式沼气池,将活动盖改为钢丝网水泥进、出料吊管，使其有一管三用的功能（进料管、出料管和活动盖），简化了结构，降低了建池成本。料液使沼气池拱盖经常处于潮湿状态，有利于其气密性能的提高。出料方便，便于人工搅拌。新鲜的原料常和发酵后的旧料液混在一起，原料的利用率有所下降。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,二、变型的水压式沼气池2.曲流布料水压式沼气池,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,(1)在进料口咽喉部位设滤料盘。(2)原料进入池内由布料器进行半控或全控式布料，形成多路曲流，增加新料扩散面，充分发挥池容负载能力，提高了池容产气率。(3)池底由进料口向出料口倾斜。(4)扩大池墙出口，并在内部设隔板，塞流固菌。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,(5)池拱中央、天窗盖下部吊笼，输送沼气入气箱。同时，利用内部气压、气流产生搅拌作用，缓解上部料液结壳。（6)把池底最低点放在水压间底部。在倾斜池底作用下，发酵液可形成一定的流动推力，实现进出料自流，可以不打开天窗盖把全部料液由水压间取出。,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第六节家用沼气池的类型,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,一、沼气池的工作原理和设计依据（一）沼气池的工作原理产气时，气压水；用气时，水压气。,水压式沼气池初始工作状态,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,H1,H2,H,极限沼气压强,H沼气池最大液面差；H1发酵间液面最大下降值；H2水压间液面最大上升值。,水压式沼气池极限工作状态,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（二）沼气池的设计依据,1.沼气池装料（包括料液）的最高位置只能在沼气池处于初始工作状态时的液面高度，此时的液面为O-O液位。在O-O液位时，发酵间上部仍有部分气箱可以贮存沼气，但是这部分沼气由于无法被压出，因此无法被利用，所以称为“死气”。“死气”所占据的空间称作“无效气箱”或“死气箱”。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（二）沼气池的设计依据,2.水压间内的料液液面在O-O位置，即初始工作状态时，其液面处于最低位置，不可能再继续下降。因此，在水压间中如果存在低于O-O位置的料液的话，这部分料液没有势能，不具有压出气箱内沼气的作用，是“死液”。“死液”所占据的那部分水压间被称为“无效水压间”。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,无效气箱和无效水压间对沼气池运行不起任何作用，因此应当尽量控制其容积。在满足功能要求的情况下，无效气箱和无效水压间容积越小，沼气池的利用效率就越高，造价也越低。,（二）沼气池的设计依据,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（二）沼气池的设计依据,3.水压式沼气池的极限工作状态时的发酵间液面是最低液面A，而水压间液面是最高液面B，此时沼气池内的压强达到最高值。在设计中，称此时的压强为最高设计压强。沼气池在运行时其池内压强不应超过此值，否则将因超负荷而破坏沼气池。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（二）沼气池的设计依据,为防止沼气池超负荷运行，一般设计中采取的措施是：将进、出料管（或其中一管）上沿安装在A-A液位面与池身的交线上，这样，当贮气量超过最大贮气量，即液面低于A-A位置时，多余的沼气自行从进、出料管逸出，保持池内压强不大于最高设计压强；同时，将水压间的溢料口下沿设计在B-B位置上，这样即使水压间液面有超过B-B位置的可能时，超出的部分料液也会从溢料口中溢出，使两液面差始终保持在最大液差之内。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（三）设计参数设计水压式沼气池，除了掌握上述依据外，还需要掌握沼气发酵工艺中的有关参数。主要参数有：1.气压由于沼气燃烧器（包括沼气灯和沼气炉、灶等）需要在额定的压力范围内才能进行正常工作，因此在设计时应考虑气压值的大小。根据我国农村的具体情况，水压式沼气池的设计气压为7840Pa（即80cm水柱）为宜。气压过高容易损坏池体，造成渗漏：气压过低则不便沼气的输送和使用，同时会造成水压间占地面积过大。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（三）设计参数2.池容产气率即每立方米发酵间每昼夜的产气量（m3/m3d），它反应沼气池在一定条件下生产沼气的能力。在常温半连续发酵的条件下，池容产气率是在不断变动的。作为设计参数的池容产气率仅仅是为了设计的需要而估计确定的一个参数。根据我国实际，水压式沼气池通常采用的池容产气率有0.15、0.2、0.25、0.3几种。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（三）设计参数3.贮气量水压式沼气池的贮气量是指气箱内的最大贮存沼气量，它是根据沼气池的产气情况和用户用气情况而确定的，经过分析和验证认为，农村以炊事为目的的沼气池，最大贮气量以12小时产气量为宜。由于贮气量等于排出的料液量，因此它也等于有效水压间的容积。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（三）设计参数4.池容指的是发酵间的容积。它是根据家庭人口数、用气水平和池容产气率来确定的。根据目前我国农村的生活水平，每人每天用气量约在0.20.3m3之间，家庭人口约为35人，因此一般取池容为4、6、8、10m3等几种。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（三）设计参数5.投料率指的是最大限度投入的料液所占发酵间容积的百分比。投料率的大小确定了无效气箱的多少。投料率越大，无效气箱越小，则所建沼气池越经济。但要注意，投料率不能为100%，这是因为安装导气管时，为避免蛆虫爬进造成堵塞，导气管应露出活动盖下口35cm；同时，为避免料液或者浮渣堵塞导气管，液面应低于导气管1520cm。因此，投料率一般在8595%之间为好。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,（四）水压式沼气池的构造设计1.发酵间设计水压式沼气池发酵间设计可按下列步骤进行：确定池容池容的大小主要取决于家庭人口数、用气水平和预计池容产气率，其相互关系为：,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,确定贮气量,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,计算发酵间容积,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,综合圆筒型沼气池的内力结构计算、材料用量计算和施工管理、使用技术等诸种因素，一般认为：,当池盖矢跨比,池底矢跨比,池身高,（对于4、6、8、10m3容积的小型沼气池可取H=1m）时，沼气池的尺寸比例比较合理。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,这样，一旦发酵间某一尺寸被确定以后，我们即可以计算出其它部分的尺寸和发酵间各部分的容积。我们还可以用合理尺寸比例来确定已知容积的发酵件各部分尺寸。利用合理尺寸比例和容积计算公式可以得出：,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,确定进出料管安装位置进出料管位置的安装是否恰当，对沼气池的发酵和产气都会有很大的影响。水平位置安装不恰当，会引起发酵原料利用不充分；竖直位置安装错误，会引起跑气或者压力过高等现象。,第三章沼气发酵,.,第七节水压式沼气池的设计与施工,水平位置的确定目前水压式沼气池进、出料管的水平位置一般均确定在发酵间直径的两端上。这种对称布置使进出料口之间的距离最远，对于保证发酵原