资源的可再生利用——沼气工程

1、沼气工程与资源利用沼气工程与资源利用班级班级：组员组员：一、沼气及其相关知识一、沼气及其相关知识二、沼气工程应用实例二、沼气工程应用实例三、我国沼气工程的发展机三、我国沼气工程的发展机遇与挑战遇与挑战沼气沼气一种可燃气体，由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以一种可燃气体，由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。称为沼气。是有机物在隔绝空气和一定的温度、湿度、酸碱度等的条件是有机物在隔绝空气和一定的温度、湿度、酸碱度等的条件下，经过沼气细菌的作用产生的一种可燃气体。下，经过沼气细菌的作用产生的一种可燃气体。一、沼气及其相关知识一、沼气及其相关知识沼气成分组成沼气成分组成沼气的主要成分是

2、沼气的主要成分是甲烷甲烷。沼气由沼气由50508080甲烷甲烷(CH4)(CH4)、20204040二氧化碳二氧化碳(CO2)(CO2)、0 05 5氮气氮气(N2)(N2)、小于、小于1 1的氢气的氢气(H2)(H2)、小于、小于0 04 4的氧气的氧气(O2)(O2)与与0 01 13 3硫化硫化氢氢(H2S)(H2S)等气体组成等气体组成 。含量甲烷（CH4）二氧化碳（CO2）氮气(N2)氢气(H2)氧气(O2)硫化氢(H2S)甲烷（CH4）二氧化碳（CO2）氮气(N2)氢气(H2)氧气(O2)硫化氢(H2S)沼气的物理、化学性质沼气的物理、化学性质沼气的主要成分是甲烷。甲烷是无色、无臭

3、的气体，分子式沼气的主要成分是甲烷。甲烷是无色、无臭的气体，分子式CH4CH4，分子量为，分子量为1616. .0404，在，在0 00 0C C、101325Pa101325Pa标准状态下，甲烷对标准状态下，甲烷对空气的相对密度为空气的相对密度为0.55480.5548，沼气约为，沼气约为0.940.94；甲烷的热值为；甲烷的热值为35.9MJ/m335.9MJ/m3，沼气低热值，沼气低热值20-25MJ/m320-25MJ/m3。 沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。与适量空气混合后即对燃烧。每立

4、方米纯甲烷的发热最为每立方米纯甲烷的发热最为 3400034000千焦，每立方米沼气的发千焦，每立方米沼气的发热量约为热量约为20800208002360023600千焦。即千焦。即1 1立方米沼气完全燃烧后，立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于能产生相当于0.70.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四焊等外，还可作内燃机的燃

5、料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。沼气的用途沼气的用途沼气的发现沼气的发现沼气是由意大利物理学家沼气是由意大利物理学家A.A.沃尔塔于沃尔塔于17761776年在沼泽地发现的。年在沼泽地发现的。19161916年俄国人年俄国人.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。中国于不是纯种）。中国于19801980年首次分离甲烷八叠球菌成功。目年首次分离甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离

6、出的甲烷菌种近前世界上已分离出的甲烷菌种近2020株。株。沼气发酵的发展沼气发酵的发展世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.L.穆拉于穆拉于18601860年将简易沉淀池改进而成的年将简易沉淀池改进而成的。19251925年在德国、年在德国、19261926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌沼气发酵技术

7、曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。人们重视。19551955年新的沼气发酵工艺流程年新的沼气发酵工艺流程高速率厌氧消化工艺产高速率厌氧消化工艺产生。生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量( (即产气率即产气率) )在中在中温下由每天温下由每天1 1立方米容积产生立方米容积产生0.70.71.51.5立方米沼气立方米沼气, ,提高到提高到4 48 8立方米立方米沼气，滞留时间由沼气，滞留时间由1515天或

8、更长的时间缩短到几天甚至几个小时。天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。沼气发酵在中国沼气发酵在中国中国于中国于2020世纪世纪2020年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池第一个沼气池, ,随之成立了中华国瑞瓦斯总行随之成立了中华国瑞瓦斯总行, ,以推广沼气技以推广沼气技术。目前中国农村户用沼气池的数量达术。目前中国农村户用沼气池的数量达 13001300万座。而高速万座。而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行。率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行。沼气发酵沼气发酵沼气发酵微生物沼气发酵微生物沼气发酵微生物是一

9、个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产沼气发酵微生物是一个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液动对发酵液pHpH值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统阶段。前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后二类群细

10、菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷，因称为不产甲烷菌。后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌此，将其统称为产甲烷菌。（1）不产甲烷菌）不产甲烷菌不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。（2）产甲烷菌）产甲烷菌产甲烷菌是沼

11、气发酵的主要成分产甲烷菌是沼气发酵的主要成分-甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心，甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的pH值范围为中性或微碱性。值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。的微生物。18681868年，年，E E贝香提出沼气是由微生物降解有机质而产生的。贝香提出沼气是由微生物降解有机质而产生的。沼气微生物是一群种类庞杂、对缺氧程度要求不同的细菌。沼气微生物是一群

12、种类庞杂、对缺氧程度要求不同的细菌。在复杂有机质转化为沼气的过程中，它们协同地在在复杂有机质转化为沼气的过程中，它们协同地在4 4个阶段起个阶段起作用作用沼气微生物降解有机质产生沼气的沼气微生物降解有机质产生沼气的4个阶段个阶段水解作用水解作用：由梭菌属、拟杆菌属等细：由梭菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、质降解为小分子有机化合物，如葡萄糖、氨基酸等；氨基酸等；发酵作用发酵作用：由梭菌属、拟杆菌属及其：由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进他细菌（如乳酸菌类、丙酸杆菌属）进一步将水解的产物

13、降解为小分子的醇类、一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等；产乙酸和产氢作用产乙酸和产氢作用：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪：把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少，甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与身进一步生长繁殖有抑制作用。因此，产乙酸和氢的细菌，必须与能利用氢的细菌，

14、如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存；能利用氢的细菌，如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存；产甲烷作用产甲烷作用：由产甲烷细菌将前：由产甲烷细菌将前3 3阶段所产生的氢气、二氧化碳以阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样，但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物但生理特性却大致相同，在缺氧条件下，均以甲烷为主要代谢产物沼气的综合利用沼气的综合利用有机污染治理有物理化学和生化处理方法有机污染治理有物理化学和生化处理方法物理化学办法物理化学办法过滤、凝聚沉淀等，成本极高且难

15、以达标过滤、凝聚沉淀等，成本极高且难以达标生化处理方法生化处理方法厌氧、好氧和厌氧厌氧、好氧和厌氧- -好氧并用好氧并用采用厌氧处理设备投资少，可同时获得环境、经济和社会效益采用厌氧处理设备投资少，可同时获得环境、经济和社会效益我国适合厌氧消化的高浓度有机废水排放量年我国适合厌氧消化的高浓度有机废水排放量年25.225.2亿立方米以上，亿立方米以上，年废渣年废渣74007400万万m3m3，可转化为沼气，可转化为沼气108108亿亿m3m3，热值相当于，热值相当于800800万万tcetce，可装机可装机5050万万kWkW，年发电，年发电150150亿亿kWhkWh大中型废水、养殖业污水、村

16、镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围建立拓宽了沼气的生产和使用范围, ,大废弃物发酵沼气工程仍将是大废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生产、加工产、加工 ，沼液用料、饲料、生物农药，沼液用料、饲料、生物农药 、培养料液、培养料液 的生产，沼的生产，沼渣用于肥料、的生产，我渣用于肥料、的生产，我 国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜国北方

17、推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的舍和相结合的“四位一体四位一体 ” ”沼气生沼气生 态农业模式、中部地区的以态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的“猪一果猪一果”模式模式 、以及、以及其他地其他地 区因地制宜建立的区因地制宜建立的“养殖一沼气植养殖一沼气植”、“猪一沼一鱼猪一沼一鱼”和和 “草一牛一沼草一牛一沼” ” 等模式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、等模式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模式，沼气发酵综合利用生沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模式，沼气发酵综合利用生态农业模建立使

18、农村沼气和农业生态紧密结合起来，是改善农村态农业模建立使农村沼气和农业生态紧密结合起来，是改善农村环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有效途径环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有效途径 ，已成为农村经济新的增长点。已成为农村经济新的增长点。一、沼气及其相关知识一、沼气及其相关知识二、沼气工程应用实例二、沼气工程应用实例三、我国沼气工程的发展机三、我国沼气工程的发展机遇与挑战遇与挑战二、沼气工程应用实例二、沼气工程应用实例1、鸡场沼气发电工程2、一体化沼气工程3、杭州某养殖场沼气与废水处理工程生物脱硫塔双膜干式贮气柜沼气增压风机沼气发电机组余热锅炉热水贮藏余热利用发电并网沼

19、气火炬鸡粪收集冲洗污水集水池水解沉沙池一级厌氧反应罐二级厌氧反应罐后发酵罐 固液分离固态有机肥液态有机肥沼液池某鸡场沼气发电工程流程图沼气冷水热水（1）预处理水解除砂工艺 鸡粪中砂含量8%，分离难度大。通过中温水解工艺除砂后可去除80-90%的砂，避免贝壳粉和砂在厌氧罐和管道内的沉积、堵塞，保证后续工艺正常运行。（2）发酵工艺a.a.厌氧发酵罐厌氧发酵罐完全混合厌氧反应器（CSTR）高浓度发酵原料：TS 8-12%有搅拌装置发酵原料和微生物完全混合处理量大，停留时间长，产沼气多b.b.进料浓度进料浓度大中型沼气工程进料TS浓度较高，在8%-12%之间：（1）可以提高装置利用率和产气率；（2）减

20、少反应器容积，节省工程投资；（3）减少冬季增温能耗；（4）减少沼液、沼渣的运输量，降低运输成本。c.c.停留时间停留时间中温发酵为20-25d，高温发酵10-15d。d.d.发酵温度发酵温度（1）高温发酵：最佳温度范围50-55；（2）中温发酵：温度范围为32-42。发酵温度每升高10，厌氧反应速度约增加1倍。（3）沼气生物脱硫技术采用生物脱硫工艺，可使沼气中的H2S含量降至200ppm以下，脱硫效率95%。脱硫成本0.03元/m3，比传统化学脱硫降低70%。生物脱硫原理H2S+1/2O2S+H2OH2S+3/2O2H2SO3沼气生物脱硫装置（4）双膜干式贮气柜 双层膜干式贮气柜由外膜、内膜和

21、底膜组成，外膜构成贮气柜外部球体形状，内膜与底膜围成内腔贮存沼气。 贮气柜可抵抗强风、积雪、冰冻等恶劣天气的影响，在寒冷地区冬季也能安全运行。脱硫塔沼气发电机组民用燃气余热利用发电并网换热水箱粪便及污水收集匀浆水解池发酵、贮气一体化厌氧反应罐固液分离沼液池固态有机肥液态有机肥沼气冷水热水一体化沼气工程流程图沼气发酵、贮气一体化沼气发酵、贮气一体化反应器反应器（1 1）主要优势：）主要优势： 适合于各种高浓度发酵原料； 占地面积小，节省占地面积30%； 节省工程造价15%； 建设工期短，缩短工期50%； 寒冷第七冬季也能正常运行； 产气率高：1.0-1.5m3/m3.d； 安全可靠，检修维护方便

22、。（2）结构特点：）结构特点： 装置下部为发酵部分，上部贮气。 罐体常用径高比为2：1-3：1。 中温发酵，常年稳定运行 罐内安装侧搅拌器或斜搅拌器 生物脱硫 罐底和罐壁上安装增温管。（3）工作原理：）工作原理： 通过支撑鼓风机的充气，调整并维持内外膜之间夹层的空气压力，以保护维持贮气柜的结构，并将内膜的沼气送入输气管道。3、杭州某养殖场沼气与废水处理工程背景背景 养殖场地处城郊，环境敏感 年出栏200,000头猪，存栏120,000头猪 日排放185t猪粪和3,000t污水 污水性质：CODcr=10,000mg/L， SS=4,000mg/L， NH3-N=900mg/L 排放标准：畜禽养

23、殖业污染物排放标准GB18596-2001 1999年列入UNDP/GEF工业化沼气与水处理示范项目。 设计原则设计原则 减量化 清洁生产，将猪粪污染物的排放量减少到最小， 实现固体物的充分利用 资源化 沼气：锅炉燃气、食堂用气 猪粪和分离后的固形物：生产复合有机肥 无害化 厌氧出水：进行生物脱氮和好氧生物处理，并进行深度净 化，使最终出水达到排放标准，并对处理后的出水回用。气水分离器 脱硫塔贮气柜稀污水集水池输气泵、阻火器猪粪污水稀污水烧锅炉或发电鼓风机SBR池配水池厌氧消化池水解调节池沉淀池浓污水集水池格栅去复合肥料厂达标排放沉淀池污泥浓缩池污泥池脱水机运泥机SBR生物反应池主要工艺单元的

24、技术介绍主要工艺单元的技术介绍-1 实行清洁生产，改进饲养工艺。 优点：1、减少工程投资和运行费用； 2、减少猪舍的冲洗水量，节省水费； 3、新鲜猪粪生产的有机肥肥效高，可提 高资源化利用程度。主要工艺单元的技术介绍主要工艺单元的技术介绍-2 猪粪生物堆肥制作复合有机肥 生产工艺：新鲜猪粪+生物菌群 特点： 1、可机械化连续生产 2、发酵周期：15d 3、能量释放多，堆肥温度达650900 C， 足以杀灭病原菌 4、有机物总量35%，氮磷钾养分含量6%， 水分200C常温发酵，冬季增温； 包括：布水系统、循环系统、三相分离器、溢 流系统等； 有效容积：6000m3； HRT=2d； CODcr

25、去除率：85%； 日产沼气biogas：8500m3 /d厌氧池（UASB）主要工艺单元的技术介绍主要工艺单元的技术介绍-4 SBR生物反应池 aerobic digester 包括：布气系统、污泥搅拌器、滗水器等 有效容积：每座1500m3，共4座， PLC控制，交替运行 运行周期：8h，进水1h，搅拌、曝气4h，沉淀1h， 排水1h。 去除效率：CODcr: 90%，NH3-N: 99.2%SBR生化反应池 主要工艺单元的技术介绍主要工艺单元的技术介绍-5-5 沼气的利用 biogas usage 沼气（Q=8500m3/d）经气水分离、脱硫后，主要用于： 1、锅炉燃气（ 67%） 2、肥

26、料烘干（24%） 3、食堂炊事（3%） 4、猪舍生产用能（6%） 沼气利用 biogas usage项目技术经济指标项目技术经济指标 沼气产量(biogas product ) ：3,100,000m3/a 削减COD：18450t/a 复合有机肥(compost)：40,000t/a 收益benefit： 1、民用燃气：6000 m3/天0.6元/ m3365天=131万元/年 2、有机肥原料：142吨/天40元/吨365天=207万元/年 吨污水运行费用：2.27元 工程总投资：1497万元最终出水 工程对污染物总的去除效果（2000年9月2001年9月） 项目 厌氧进水 厌氧处理 SBR 物化处理 总去除（%） COD (mg/L) 56169965 8791423 179321 69113 98 BOD5 (mg/L) 39604460 168278 11.219.9 99 NH3-N (mg/L) 6361114 6901210 3.56.3 99 TN (mg/L) 7541415 590917 51.851.9 93 SS(mg/L) 23105410 510960 70110 60