生物质资源转化与利用生物质制沼气技术

1、生生 物物 质质 热化学法热化学法 物理化学法物理化学法压缩成型压缩成型 直接燃烧直接燃烧 液化液化 气化气化 微生物法微生物法 发酵发酵 生物化学法生物化学法 固体燃料固体燃料 高压蒸汽、热气流高压蒸汽、热气流 直接液化直接液化 间接液化间接液化 共液化共液化 氢气、木煤气氢气、木煤气 木炭、生物油、木煤气、醋液木炭、生物油、木煤气、醋液 氢气氢气 沼气、乙醇沼气、乙醇 燃烧供热、木炭燃烧供热、木炭 燃料油、化工原料燃料油、化工原料 甲醇、柴油、二甲醇、柴油、二 甲醚、氢气甲醚、氢气 化学品、液体燃料化学品、液体燃料 热裂解热裂解 7.1 7.1 沼气概述沼气概述 沼气的基本概念：由有机物质

2、（粪便、杂草、作物、秸秆、沼气的基本概念：由有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、 污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧 的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。 成分名称成分名称所占比重（体积比）所占比重（体积比） 甲烷甲烷5070%5070% 二氧化碳二氧化碳2545%2545% 其他（其他（N N2 2、H H2 2、O O2 2、NHNH3 3、 COCO、H H2 2S S） 很少很少 沼气的组成部分沼气的组成部分 能量SHNHCOCH细胞物质 厌氧微生

3、物 OH有机物 23242 CHCH4 4与沼气的主要理化性质对比与沼气的主要理化性质对比 特性特性CHCH4 4 标准沼气（含标准沼气（含CHCH4 4 60%60%，含，含COCO2 2 40% 40%） 热值热值(kJ/L)(kJ/L)35.8235.8221.5221.52 爆炸范围爆炸范围( (与空气混与空气混 合体积百分比合体积百分比 %)%) 5155158.33258.3325 密度密度(g/L)(g/L)0.720.721.221.22 临界温度临界温度( (o oC C) )-82.5-82.5-25.7-48.42-25.7-48.42 临界压力临界压力(10(105 5

4、Pa)Pa)46.446.459.3553.9359.3553.93 气味气味无无微臭微臭 沼气生产的历史及现状沼气生产的历史及现状 国外沼气生产的历史及现状国外沼气生产的历史及现状 我国沼气生产的历史及现状我国沼气生产的历史及现状 1 1）第一代反应器第一代反应器 18611861年法国人年法国人Louis MourasLouis Mouras将简易的沉淀池改进为污水处理将简易的沉淀池改进为污水处理 构筑物，降解生活污水中的悬浮物构筑物，降解生活污水中的悬浮物, 1881, 1881年被法国年被法国Gosmos Gosmos 杂杂 志报道；志报道； 18901890年，年，ScottScot

5、tMoncrieff Moncrieff 设计第一个初步的厌氧滤池；设计第一个初步的厌氧滤池； 18951895年年Donald Donald 设计了世界上第一个厌氧化粪池（设计了世界上第一个厌氧化粪池（Septic Septic Tank),Tank),是厌氧处理工艺发展史上一个重要的里程碑；是厌氧处理工艺发展史上一个重要的里程碑； 18961896年，英国小城年，英国小城Exeter Exeter 出现了第一座用于处理生活污水出现了第一座用于处理生活污水 的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明；的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明； 19031903年年TravisTravis发明了

6、发明了TravisTravis池，废水从一端进入，从另一端池，废水从一端进入，从另一端 流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化；流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化； 厌氧技术的发展历史厌氧技术的发展历史 1 1）第一代反应器第一代反应器 19041904年德国的年德国的ImhoffImhoff将其发展成为将其发展成为ImhoffImhoff双层沉淀池双层沉淀池( (即腐即腐 化池化池) )，这一工艺至今仍然在有效地利用；，这一工艺至今仍然在有效地利用； 19121912年，德国人年，德国人KremerKremer提出了加盖的密闭式二级消化池；提出了加盖的密闭式二级消化池； 至至1914

7、1914年，美国有年，美国有1414座城市建立了厌氧消化池；座城市建立了厌氧消化池； 19201920年，英国的年，英国的WatsonWatson采用沼气作为动力用泵对消化污泥采用沼气作为动力用泵对消化污泥 进行搅拌；进行搅拌； 19501950年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化反应池，加年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化反应池，加 快了厌氧技术的发展。快了厌氧技术的发展。 特点特点：发展较为缓慢，工艺简单。发展较为缓慢，工艺简单。污泥龄（污泥龄（SRTSRT）等）等 于水力停留时间（于水力停留时间（HRTHRT），反应器容积较大，处理），反应器容积较大，处理 效能较低效能较低 2 2）第

8、二代厌氧反应器第二代厌氧反应器 19561956年，年，Schroefer Schroefer 等人成功的开发了厌氧接触法工艺等人成功的开发了厌氧接触法工艺(Anaerobic (Anaerobic Contact Process)Contact Process)，标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生；，标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生； 19671967年，年，YoungYoung和和McCartyMcCarty等开发了厌氧生物滤池等开发了厌氧生物滤池(AF(AF ) )，将第二代反，将第二代反 应器推进了高速发展的进程中；应器推进了高速发展的进程中； 19741974年荷兰的年荷兰的L

9、ettingaLettinga开发了上流式厌氧污泥床反应器开发了上流式厌氧污泥床反应器(UASB)(UASB)，处理，处理 效率很高，得到了广泛的应用效率很高，得到了广泛的应用 1978 1978年年W. J.Jewell W. J.Jewell 等人和等人和19791979年年R. P. Bowker R. P. Bowker 分别开发了厌氧膨胀床分别开发了厌氧膨胀床 反应器反应器(Anaerobic Expanded Bed)(Anaerobic Expanded Bed)和厌氧流化床反应器和厌氧流化床反应器(Anaerobic (Anaerobic Fluidized Bed)Fluid

10、ized Bed)。反应器内均填充细颗粒载体，增加生物接触面积。反应器内均填充细颗粒载体，增加生物接触面积。 特点特点：污泥龄（：污泥龄（SRTSRT）大于水力停留时间（）大于水力停留时间（HRTHRT），）， 反应器内维持很高的生物量，处理效能较高反应器内维持很高的生物量，处理效能较高 3 3）第三代厌氧反应器第三代厌氧反应器 基于微生物固定化原理和提高污泥和废水混合效率为基于微生物固定化原理和提高污泥和废水混合效率为 基础的一系列高速厌氧反应器相继出现，即进入了第三代基础的一系列高速厌氧反应器相继出现，即进入了第三代 厌氧处理工艺。厌氧处理工艺。 19821982年出现了厌氧折流板反应器（

11、年出现了厌氧折流板反应器（ABRABR） 19851985年出现了厌氧内循环反应器（年出现了厌氧内循环反应器（ICIC） 特点特点：在：在UASBUASB基础上发展起来的，基础上发展起来的，反应器单位容积反应器单位容积 的生物量更高，能承受更高的水力负荷，的生物量更高，能承受更高的水力负荷， 7.27.2生物质制沼气发酵原理及工艺生物质制沼气发酵原理及工艺 19651965年美国微生物学家年美国微生物学家HungateHungate教授创立了严格厌氧微生物技教授创立了严格厌氧微生物技 术，揭示了沼气发酵的微生物原理：术，揭示了沼气发酵的微生物原理： 沼气发酵过程是由多个生理类群的微生物在无氧条

12、件下共同沼气发酵过程是由多个生理类群的微生物在无氧条件下共同 参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同 分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解，分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解， 最终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气。最终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气。 因此，沼气发酵是一个错综复杂的微生物生化过程。因此，沼气发酵是一个错综复杂的微生物生化过程。 7.2.17.2.1沼气发酵理论沼气发酵理论 沼气发酵理论沼气发酵理论 二段 理论 三段 理论 四段 理论 二段理论：认为沼气发酵分为产酸阶段和产二段理论

13、：认为沼气发酵分为产酸阶段和产 气阶段。气阶段。 三段理论：把沼气发酵分为三段理论：把沼气发酵分为3 3个阶段，即水解个阶段，即水解 发酵、产氢产乙酸、产甲烷阶段。发酵、产氢产乙酸、产甲烷阶段。 四段理论：把沼气发酵分为四段理论：把沼气发酵分为4 4个阶段，即水解个阶段，即水解 阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段、甲烷化阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段、甲烷化 阶段。阶段。 二段理论二段理论 第一阶段：第一阶段：酸性发酵阶段。酸性发酵阶段。复杂的有机物在复杂的有机物在产酸菌产酸菌 的作用下被分解成以有机酸为主的低分子的的作用下被分解成以有机酸为主的低分子的中间产物中间产物， 包括大量的低碳包括大量的

14、低碳脂肪酸脂肪酸和和H H2 2、COCO2 2、H H2 2S S等。等。 第二阶段：第二阶段：碱性发酵阶段。碱性发酵阶段。产甲烷菌将第一阶段产生产甲烷菌将第一阶段产生 的的中间产物中间产物继续分解成继续分解成甲烷（甲烷（CHCH4 4）和二氧化碳等。和二氧化碳等。 两阶段理论没有全面反映厌氧消化的本质两阶段理论没有全面反映厌氧消化的本质 研究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、研究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、 甲基胺类和甲基胺类和H H2 2/CO/CO2 2，但不能利用两碳以上的脂肪但不能利用两碳以上的脂肪 酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷，因此两阶段

15、理，因此两阶段理 论难以确切的解释这些脂肪酸或醇类是如何转化论难以确切的解释这些脂肪酸或醇类是如何转化 CHCH4 4和和COCO2 2的。的。 三段理论三段理论 一般参与沼气发酵的微生物分为一般参与沼气发酵的微生物分为3 3类：发酵性细菌、产氢产类：发酵性细菌、产氢产 乙酸菌、产甲烷菌。乙酸菌、产甲烷菌。 根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为3 3个阶段。个阶段。 第一阶段：第一阶段：水解阶段。水解阶段。由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵 性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；性细菌把纤维

16、素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸； 把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成 甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、H H2 2和和COCO2 2的过程。的过程。 第二阶段：第二阶段：产酸阶段。产酸阶段。由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段 产生的各种有机酸分解成乙酸、产生的各种有机酸分解成乙酸、H H2 2和和COCO2 2的过程，其中乙酸约占的过程，其中乙酸约占 90%90% 第三阶段：第三阶段：产甲烷阶段。产甲烷阶段。由严格厌氧的

17、产甲烷菌群利用一碳化由严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化 合物（合物（COCO2 2、甲醇、甲酸、甲基胺或、甲醇、甲酸、甲基胺或COCO）、二碳化合物（乙酸）、二碳化合物（乙酸） 和和H H2 2产生甲烷的过程。产生甲烷的过程。 有机物有机物 水解、发酵作用水解、发酵作用 A A类有机物类有机物B B类有机物类有机物COCO2 2、H H2 2NHNH3 3、H H2 2S S 产氢、产乙酸作用产氢、产乙酸作用 产甲烷作用产甲烷作用 COCO2 2、CHCH4 4 乙酸乙酸 氢氢 NHNH3 3、H H2 2S S 第一阶段第一阶段 第二阶段第二阶段 第三阶段第三阶段 四段理论四段理论 水解阶段水

18、解阶段：将不溶性大分子有机物分：将不溶性大分子有机物分 解为小分子水溶性的低脂肪酸；解为小分子水溶性的低脂肪酸； 酸化阶段酸化阶段：发酵细菌将水溶性低脂肪：发酵细菌将水溶性低脂肪 酸转化为酸转化为H H2 2、甲酸、乙醇等，酸化阶、甲酸、乙醇等，酸化阶 段料液段料液pHpH值迅速下降；值迅速下降； 产氢产乙酸阶段产氢产乙酸阶段：专性产氢产乙酸菌：专性产氢产乙酸菌 对还原性有机物的氧化作用，生成对还原性有机物的氧化作用，生成H H2 2、 乙酸等。同型产乙酸细菌将乙酸等。同型产乙酸细菌将H H2 2、HCOHCO3 3 转化为乙酸，此阶段由于大量有机酸转化为乙酸，此阶段由于大量有机酸 的分解导致

19、的分解导致pHpH值上升；值上升； 甲烷化阶段甲烷化阶段 7.2.27.2.2沼气发酵的微生物类群沼气发酵的微生物类群 发酵性细菌发酵性细菌 产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌 产甲烷菌产甲烷菌 n水解发酵菌群为一个十分复杂的水解发酵菌群为一个十分复杂的混合细菌群混合细菌群，该类细菌将各类复杂，该类细菌将各类复杂 有机质在发酵前首先进行有机质在发酵前首先进行水解水解，因此该类细菌也称为，因此该类细菌也称为水解细菌水解细菌。 n在厌氧消化系统中，水解发酵细菌的功能表现在两个方面：在厌氧消化系统中，水解发酵细菌的功能表现在两个方面： 1 1）将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下

20、水解成小分子的将大分子不溶性有机物在水解酶的催化作用下水解成小分子的 水溶性有机物水溶性有机物 2 2）将水解产物吸收进细胞内，经过胞内复杂的酶系统催化转化，将水解产物吸收进细胞内，经过胞内复杂的酶系统催化转化， 将一部分供能源使用将一部分供能源使用 有机物转化为代谢产物，如脂肪酸和醇类等，排有机物转化为代谢产物，如脂肪酸和醇类等，排 入细胞外的水溶液中，成为参与下一阶段生化反应的细菌菌群（主要入细胞外的水溶液中，成为参与下一阶段生化反应的细菌菌群（主要 是产氢产乙酸细菌）可利用的物质。是产氢产乙酸细菌）可利用的物质。 n水解发酵细菌主要是水解发酵细菌主要是专性厌氧菌和兼性厌氧菌专性厌氧菌和兼

21、性厌氧菌，属于异养菌，其优，属于异养菌，其优 势种属随环境条件基质的不同而有所差异。势种属随环境条件基质的不同而有所差异。 发酵性细菌发酵性细菌 n产氢产乙酸细菌能将产酸发酵第一阶段产生的丙酸、产氢产乙酸细菌能将产酸发酵第一阶段产生的丙酸、 丁酸、戊酸、乳酸和醇类等，进一步转化为乙酸，同时丁酸、戊酸、乳酸和醇类等，进一步转化为乙酸，同时 释放分子氢。产氢产乙酸反应主要在产甲烷相中进行。释放分子氢。产氢产乙酸反应主要在产甲烷相中进行。 产氢产乙酸菌产氢产乙酸菌 n也称为同型产乙酸菌。同型产乙酸细菌能代谢也称为同型产乙酸菌。同型产乙酸细菌能代谢H H2 2/CO/CO2 2为为 乙酸，为利用乙酸的

22、产甲烷菌提供了形成甲烷的基质，又能乙酸，为利用乙酸的产甲烷菌提供了形成甲烷的基质，又能 代谢分子氢，使厌氧消化系统中保持低的氢分压，有利于厌代谢分子氢，使厌氧消化系统中保持低的氢分压，有利于厌 氧发酵的进行。氧发酵的进行。 n产甲烷菌是一个特殊的、专门的生理群，具有特殊的产产甲烷菌是一个特殊的、专门的生理群，具有特殊的产 能代谢功能。也就是说产甲烷菌是能够有效地利用氧化氢时能代谢功能。也就是说产甲烷菌是能够有效地利用氧化氢时 形成的电子，并能在没有光或游离氧和诸如硝酸盐和硫酸盐形成的电子，并能在没有光或游离氧和诸如硝酸盐和硫酸盐 等外源电子受体的条件上，还原二氧化碳为甲烷的微生物。等外源电子受

23、体的条件上，还原二氧化碳为甲烷的微生物。 耗氢产乙酸菌耗氢产乙酸菌 产甲烷菌产甲烷菌 7.2.37.2.3影响沼气发酵的工艺条件影响沼气发酵的工艺条件 严格的厌氧环境严格的厌氧环境 发酵原料发酵原料 沼气发酵的温度沼气发酵的温度 料液料液pHpH值和发酵碱度值和发酵碱度 接种物接种物 搅拌搅拌 添加剂和抑制剂添加剂和抑制剂 严格的厌氧环境严格的厌氧环境 在厌氧发酵过程中，大多数不产甲烷微生物为厌氧菌，需在厌氧发酵过程中，大多数不产甲烷微生物为厌氧菌，需 要在无氧条件下，将复杂的有机物质分解成简单的有机酸。要在无氧条件下，将复杂的有机物质分解成简单的有机酸。 产甲烷菌则是专性厌氧菌，产甲烷菌则是

24、专性厌氧菌，氧对产甲烷菌不仅不会起促进氧对产甲烷菌不仅不会起促进 作用，相反会起到毒害、抑制作用。作用，相反会起到毒害、抑制作用。 厌氧程度一般用氧化还原电位或氧化还原势来表示，单位厌氧程度一般用氧化还原电位或氧化还原势来表示，单位 是是mVmV。一种物质的氧化程度越高，则电势趋于正，而物一种物质的氧化程度越高，则电势趋于正，而物 质还原程度越高则电势趋于负，质还原程度越高则电势趋于负，厌氧条件下，氧化还原电厌氧条件下，氧化还原电 位是负值。沼气正常发酵时，氧化还原电位一般均低于位是负值。沼气正常发酵时，氧化还原电位一般均低于- - 300mV300mV。 发酵原料发酵原料 在厌氧发酵过程中，

25、原料（有机物）是供给沼气发酵微生在厌氧发酵过程中，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，是不断产生沼气物进行正常生命活动所需的营养和能量，是不断产生沼气 的物质基础。除了矿物油和木质素之外，自然界中的有机的物质基础。除了矿物油和木质素之外，自然界中的有机 物质一般都能被微生物发酵产生沼气。物质一般都能被微生物发酵产生沼气。 原料的碳氮比、浓度对沼气发酵有较大影响。原料的碳氮比、浓度对沼气发酵有较大影响。 富氮原料：颗粒小，含大量低分子化合物，含水量较高，富氮原料：颗粒小，含大量低分子化合物，含水量较高， 产气快，发酵时间短。产气快，发酵时间短。 富碳原料：质地疏

26、松，相对密度下，在沼气池容易形成浮富碳原料：质地疏松，相对密度下，在沼气池容易形成浮 壳层，需要预处理，产气慢。壳层，需要预处理，产气慢。 沼气发酵的温度沼气发酵的温度 高温发酵：高温发酵：4660 4660 o oC C 中温发酵：中温发酵：2545 2545 o oC C 低温发酵：低温发酵：2525o oC C以下以下 随自然界温度变化而变化的发酵方式称为常温发酵。随自然界温度变化而变化的发酵方式称为常温发酵。 在一定温度范围内，发酵原料的分解消化速度随温度的升在一定温度范围内，发酵原料的分解消化速度随温度的升 高而挺高，即产气量随温度升高而提高，但不是始终与温高而挺高，即产气量随温度升

27、高而提高，但不是始终与温 度增高正相关。度增高正相关。 两个产气高峰：两个产气高峰：3040 3040 o oC C，5060 5060 o oC C，两个不同的微生物，两个不同的微生物 菌群在起作用。菌群在起作用。 料液的料液的pHpH和发酵碱度和发酵碱度 沼气微生物的正常生长、代谢需要适中的沼气微生物的正常生长、代谢需要适中的pHpH值（值（6.57.56.57.5），）， pHpH在在6.46.4以下和以下和7.67.6以上都会对产气有抑制作用，以上都会对产气有抑制作用，pHpH在在5.55.5以下以下 时，产甲烷菌的活动完全受到抑制。时，产甲烷菌的活动完全受到抑制。 调节调节pHpH值

28、的方法：值的方法： 经常换料（少量），以释放发酵液中的挥发酸，提高经常换料（少量），以释放发酵液中的挥发酸，提高pHpH 向池子中加入草木灰或氨水，调节向池子中加入草木灰或氨水，调节pHpH 适当加入粪便，并加水冲淡，此法可用于适当加入粪便，并加水冲淡，此法可用于pHpH过高过高 发酵液碱度与发酵液碱度与pHpH值不是一回事，是指发酵液吸收质子的能值不是一回事，是指发酵液吸收质子的能 力，即可发酵中和过酸或过碱的缓冲能力。碱度常用与发酵力，即可发酵中和过酸或过碱的缓冲能力。碱度常用与发酵 所相当的碳酸钙浓度。所相当的碳酸钙浓度。 接种物接种物 有机物厌氧发酵产生沼气，在发酵初期加入厌氧菌作为有

29、机物厌氧发酵产生沼气，在发酵初期加入厌氧菌作为 接种物，直接影响产气的快慢。接种物，直接影响产气的快慢。 搅拌搅拌 发酵池在不搅拌的情况下，发酵料液明显地分成浮渣层、发酵池在不搅拌的情况下，发酵料液明显地分成浮渣层、 上清液层、活性层和沉渣层，严重影响发酵效果。上清液层、活性层和沉渣层，严重影响发酵效果。 搅拌方法搅拌方法 机械搅拌机械搅拌 液搅拌液搅拌 气搅拌气搅拌 添加剂和抑制剂添加剂和抑制剂 能促进有机物分解，并能提高产气率的各种物质统称为能促进有机物分解，并能提高产气率的各种物质统称为 添加剂。包括酶类，无机盐类，有机物类和其他无机物添加剂。包括酶类，无机盐类，有机物类和其他无机物 类

30、。类。 日常操作中，向发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、日常操作中，向发酵液中添加少量的硫酸锌、磷矿粉、 炉灰等，可不同程度提高产气率及甲烷含量。炉灰等，可不同程度提高产气率及甲烷含量。 以牛粪为发酵原料的沼气池中，添加少量尿素，可加快以牛粪为发酵原料的沼气池中，添加少量尿素，可加快 产气速度，提高产气量和原料分解率，添加适量碳酸钙，产气速度，提高产气量和原料分解率，添加适量碳酸钙， 可促进沼气的产生，并会提高沼气中甲烷的含量。可促进沼气的产生，并会提高沼气中甲烷的含量。 物质浓度物质浓度 毒域浓度界限毒域浓度界限 /(mol/L)/(mol/L) 碱金属和碱土金碱金属和碱土金 属属CaCa2

31、+ 2+， ，MgMg2+ 2+， ， NaNa+ +，K K+ + 1010-1 -11010+6 +6 重金属重金属CuCu2+ 2+， ，NiNi2+ 2+， ， ZnZn2+ 2+， ，HgHg2+ 2+， ，FeFe2+ 2+ 1010-5 -51010-3 -3 H H+ +和和OHOH 1010-6 -61010-4 -4 胺类胺类1010-5 -510100 0 有机物质有机物质1010-6 -610100 0 重金属离子对甲烷消化会产重金属离子对甲烷消化会产 生抑制：使酶发生变性或者生抑制：使酶发生变性或者 沉淀；与酶结合产生变性；沉淀；与酶结合产生变性； 与氢氧化物作用使酶

32、沉淀。与氢氧化物作用使酶沉淀。 S S2- 2-等阴离子对甲烷消化有抑 等阴离子对甲烷消化有抑 制，氨也有 毒 害 作 用，当制，氨也有 毒 害 作 用，当 NHNH4+ 4+150mg/L 150mg/L时，消化受时，消化受 抑制。抑制。 添加少量的添加少量的K K、NaNa、MgMg、ZnZn、 P P等元素有助于提高产气率。等元素有助于提高产气率。 7.2.47.2.4沼气发酵产物的主要成分沼气发酵产物的主要成分 主要成分：主要成分：CHCH4 4和和COCO2 2 少量成分：少量成分：COCO、H H2 2、H H2 2S S、NHNH3 3、O O2 2、N N2 2 沼渣是发酵产生

33、沼气后残留的底层渣汁，主要包括：沼渣是发酵产生沼气后残留的底层渣汁，主要包括： 难以分解的有机残留物，如木质素、少量纤维素等难以分解的有机残留物，如木质素、少量纤维素等 由木质素、蛋白质、多糖类物质经微生物分解转化而成由木质素、蛋白质、多糖类物质经微生物分解转化而成 的腐殖酸类物质的腐殖酸类物质 灰分物质，包括可溶性灰分物质和难溶性灰分物质灰分物质，包括可溶性灰分物质和难溶性灰分物质 沼液是发酵后残留的液体，主要包括发酵过程中分解释放沼液是发酵后残留的液体，主要包括发酵过程中分解释放 的有机盐类、无机盐类，如铵盐、钾盐、磷酸盐等可溶性的有机盐类、无机盐类，如铵盐、钾盐、磷酸盐等可溶性 物质，总

34、固体含量约小于物质，总固体含量约小于1%1%。 7.2.57.2.5沼气发酵的工艺类型沼气发酵的工艺类型 沼气发酵沼气发酵 工艺类型工艺类型 按发酵温按发酵温 度划分度划分 按进料方按进料方 式划分式划分 按发酵阶按发酵阶 段划分段划分 按发酵级按发酵级 差划分差划分 按发酵含按发酵含 量划分量划分 按发酵规按发酵规 模划分模划分 高温发酵高温发酵 中温发酵中温发酵 常温发酵常温发酵 连续发酵连续发酵 半连续发酵半连续发酵 批量发酵批量发酵 单相发酵单相发酵 两相发酵两相发酵 单级沼气发酵单级沼气发酵 两级沼气发酵两级沼气发酵 多级沼气发酵多级沼气发酵 液体发酵液体发酵 干发酵干发酵 小型户用

35、沼气工程小型户用沼气工程 大中型沼气工程大中型沼气工程 7.2.67.2.6有机物转换为沼气的理论计算有机物转换为沼气的理论计算 C C6 6HH12 12O O6 63CH3CH4 4+3CO+3CO2 2 1kg1kg葡萄糖可以产生葡萄糖可以产生0.267kgCH0.267kgCH4 4和和0.733kgCO0.733kgCO2 2，各相当于，各相当于 16.67mol 16.67mol 。在标准状况下，约可产生。在标准状况下，约可产生0.750.75立方米沼气立方米沼气 几种有机物完全消化的几种有机物完全消化的CHCH4 4和和COCO2 2及沼气产量及沼气产量 有机物种类有机物种类 成

36、分（质量成分（质量%）每每kgkg有机物产气量（有机物产气量（m m3 3） CHCH4 4COCO2 2沼气沼气CHCH4 4 糖类糖类272773730.750.750.3750.375 脂类脂类484852521.441.441.041.04 蛋白质蛋白质272773730.980.980.490.49 1801804848132132 7.37.3生物质制沼气的反应器简介生物质制沼气的反应器简介 几个指标参数几个指标参数 1 1、水力停留时间（、水力停留时间（HRTHRT） 指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要指一个消化器内的发酵液按体积计算被全部置换所需要 的时间，通常以

37、天（的时间，通常以天（d d）或小时（）或小时（h h）为单位。）为单位。 HRT(d) = HRT(d) = 2 2、固体停留时间（、固体停留时间（SRTSRT） 指悬浮固体物质从消化器里被置换的时间。指悬浮固体物质从消化器里被置换的时间。 SRT(d) = SRT(d) = 3 3、微生物停留时间（、微生物停留时间（HRTHRT） 指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的时间。指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的时间。 u厌氧批式反应器厌氧批式反应器 u厌氧序批式反应器厌氧序批式反应器 u完全混合厌氧反应器完全混合厌氧反应器 u厌氧接触反应器厌氧接触反应器 u厌氧上流式污泥床反应器厌氧上流

38、式污泥床反应器 u厌氧推流式反应器厌氧推流式反应器 u厌氧膨胀床厌氧膨胀床 u膨胀颗粒污泥床反应器膨胀颗粒污泥床反应器 u内循环厌氧反应器内循环厌氧反应器 反应器的类型反应器的类型 Anaerobic Batch Reactor Anaerobic Batch Reactor （ABR)ABR) n厌氧批式反应器厌氧批式反应器 n进料方式是进料方式是批式批式进料。即每进料。即每 一次反应进料一次，直至本一次反应进料一次，直至本 次反应结束后才开始再进料次反应结束后才开始再进料 n一般用来研究某底物的产气一般用来研究某底物的产气 规律、潜力和动力学特性等规律、潜力和动力学特性等 出气口出气口 A

39、naerobic Sequencing Batch Reactor (ASBR)Anaerobic Sequencing Batch Reactor (ASBR) n厌氧序批式反应器厌氧序批式反应器 n每一个循环可以分为进料、反每一个循环可以分为进料、反 应、沉淀和出水应、沉淀和出水4 4个阶段，循个阶段，循 环运行。所以该反应器又叫环运行。所以该反应器又叫半半 连续反应器连续反应器 n固体去除率可达到固体去除率可达到90-93%90-93% （ArchanaArchana，19991999；HurHur，19991999） 出气口出气口 进料口进料口 出料口出料口 Anaerobic Com

40、pletely Stir Tank Reactor (CSTR)Anaerobic Completely Stir Tank Reactor (CSTR) 出气口出气口 进料口进料口 出料口出料口 完全混合厌氧反应器完全混合厌氧反应器 物料可以很快被稀释、均化，物料可以很快被稀释、均化， 原污水在水质、水量方面的变原污水在水质、水量方面的变 化对污泥产生的影响降低到极化对污泥产生的影响降低到极 小的程度，因此该反应器对小的程度，因此该反应器对冲冲 击负荷击负荷有有很强的适应能力很强的适应能力 7.47.4国内外典型生物质厌氧消化工艺国内外典型生物质厌氧消化工艺 利用利用 收集、分类、预处理收集

41、、分类、预处理厌氧反应器厌氧反应器 沼气沼气 固体固体液体液体 固液分离固液分离 处理排放处理排放 加工肥料加工肥料 美国美国19791979年建立的第一座年处理年建立的第一座年处理5000t5000t垃圾厂采用的工艺。垃圾厂采用的工艺。 5555高温下处理固体含量为高温下处理固体含量为25%25%垃圾。垃圾平均产气量为垃圾。垃圾平均产气量为 130m130m3 3/t /t，甲烷含量大于，甲烷含量大于50%50%，固体去除率约，固体去除率约52%52%。 美国实验工厂工艺美国实验工厂工艺 液体液体 处理排放处理排放 部分部分 回流回流 垃圾收集分类、垃圾收集分类、 预处理预处理 厌氧反应器厌

42、氧反应器 固液分离固液分离 加工肥料加工肥料 固体固体 沼气回流沼气回流 搅拌搅拌 沼气利用沼气利用 工艺工艺 针对城市生活垃圾针对城市生活垃圾 厌氧消化中存在的厌氧消化中存在的 搅拌难、固体含量搅拌难、固体含量 高抑制反应活性等高抑制反应活性等 特点特点 固固 体体 生物质生物质 原料原料 破碎破碎 分选分选 一级反一级反 应器应器 固液固液 分离分离 加工加工 肥料肥料 液液 体体 二级反二级反 应器应器 加工加工 液肥液肥 出出 售售 采用两阶段消化，中温发采用两阶段消化，中温发 酵，平均产气量酵，平均产气量150-175 m150-175 m3 3/t /t， VSVS去除率去除率60

43、%60%以上。丹麦以上。丹麦 19911991年建立的第一座工业规年建立的第一座工业规 模的城市垃圾厌氧处理厂。模的城市垃圾厌氧处理厂。 年处理垃圾量年处理垃圾量2020万吨。万吨。 40 Pilot Projects in CA, USA 19701970年代末开始在我国推进农村可再生能源建设年代末开始在我国推进农村可再生能源建设 2020世纪世纪9090年代以来，我国沼气建设一直处于稳定发展的势态年代以来，我国沼气建设一直处于稳定发展的势态 19991999年当年新建沼气池年当年新建沼气池9090万户，年底累计户用沼气池万户，年底累计户用沼气池763.5763.5万口万口 20002000

44、年农业沼气年农业沼气853853座，池容座，池容2222万万m m3 3，年处理粪便，年处理粪便15001500万万t t，年产沼气，年产沼气0.50.5亿亿m m3 3 20012001年工业沼气年工业沼气600600多座，池容多座，池容150150万万m m3 3 ，年处理废水，年处理废水1.51.5亿亿m m3 3 ，年产沼气，年产沼气10.010.0 亿亿m m3 3 20022002年当年新建户用沼气池达年当年新建户用沼气池达170170万口，到万口，到20022002年底达到年底达到11001100万口万口 20032003年年20062006年，国家共安排年，国家共安排5555亿

45、元国债资金在亿元国债资金在4.84.8万个村建设沼气万个村建设沼气573573万户万户 到到20062006年底，全国农村户用沼气达到年底，全国农村户用沼气达到22602260万户左右万户左右 到到20102010年，全国将有年，全国将有40004000万农户用沼气，达到适宜农户的万农户用沼气，达到适宜农户的3030左右；全国规左右；全国规 模化养殖场大中型沼气工程总数达到模化养殖场大中型沼气工程总数达到47004700处左右，达到适宜畜禽养殖场总处左右，达到适宜畜禽养殖场总 数的数的3939左右左右( (农业部农业部全国农村沼气工程建设规划全国农村沼气工程建设规划） 我国沼气开发状况我国沼气

46、开发状况 户用沼气池户用沼气池（6 61515平方米）平方米） 小型沼气工程小型沼气工程（3030200200平方米）平方米） 大中型沼气工程大中型沼气工程（200200平方米以上）平方米以上） 2021-7-1043 日光温室、猪舍、厕所、沼气池日光温室、猪舍、厕所、沼气池 投资少、见效快、经济效益高、社会生态效益好投资少、见效快、经济效益高、社会生态效益好 以农户为基础，把养殖业（猪）、农村能源建设（沼）、种植业（果）有以农户为基础，把养殖业（猪）、农村能源建设（沼）、种植业（果）有 机地结合起来。以沼气为纽带，带动生猪和果业等产业的发展，缓解水土机地结合起来。以沼气为纽带，带动生猪和果业

47、等产业的发展，缓解水土 流失区能源紧缺的矛盾，为水土流失治理开发提供优质高效的肥源，加快流失区能源紧缺的矛盾，为水土流失治理开发提供优质高效的肥源，加快 水土流失治理步伐，促进生态农业建设的一种水土保持模式化工程。水土流失治理步伐，促进生态农业建设的一种水土保持模式化工程。 南方南方“猪猪-沼沼-果果”生态模式生态模式 沼气池沼气池太阳能暖圈太阳能暖圈厕所厕所水窖水窖果园滴灌果园滴灌 国家要生态国家要生态 农民要生活农民要生活 8 m 沼气池沼气池 3 7.1 7.1 沼气概述沼气概述 沼气的基本概念：由有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、沼气的基本概念：由有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、 污

48、泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧 的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。 成分名称成分名称所占比重（体积比）所占比重（体积比） 甲烷甲烷5070%5070% 二氧化碳二氧化碳2545%2545% 其他（其他（N N2 2、H H2 2、O O2 2、NHNH3 3、 COCO、H H2 2S S） 很少很少 沼气的组成部分沼气的组成部分 能量SHNHCOCH细胞物质 厌氧微生物 OH有机物 23242 1 1）第一代反应器第一代反应器 18611861年法

49、国人年法国人Louis MourasLouis Mouras将简易的沉淀池改进为污水处理将简易的沉淀池改进为污水处理 构筑物，降解生活污水中的悬浮物构筑物，降解生活污水中的悬浮物, 1881, 1881年被法国年被法国Gosmos Gosmos 杂杂 志报道；志报道； 18901890年，年，ScottScottMoncrieff Moncrieff 设计第一个初步的厌氧滤池；设计第一个初步的厌氧滤池； 18951895年年Donald Donald 设计了世界上第一个厌氧化粪池（设计了世界上第一个厌氧化粪池（Septic Septic Tank),Tank),是厌氧处理工艺发展史上一个重要的

50、里程碑；是厌氧处理工艺发展史上一个重要的里程碑； 18961896年，英国小城年，英国小城Exeter Exeter 出现了第一座用于处理生活污水出现了第一座用于处理生活污水 的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明；的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明； 19031903年年TravisTravis发明了发明了TravisTravis池，废水从一端进入，从另一端池，废水从一端进入，从另一端 流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化；流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化； 厌氧技术的发展历史厌氧技术的发展历史 三段理论三段理论 一般参与沼气发酵的微生物分为一般参与沼气发酵的微生物分为3 3类：发酵性细菌、产氢产类：发酵性细菌、产氢产 乙酸菌、产甲烷菌。乙酸菌、产甲烷菌。 根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为3 3个阶段。个阶段。 第一阶段：第一阶段：水解阶段。水解阶段。由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵 性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸