生物质能利用原理与技术第三章厌氧过程与沼气技术

1、生物质能利用原理与技术目录第一章 总论第二章 生物质能资源与能源植物第三章 生物质直接燃烧技术第四章 厌氧过程与沼气技术第五章 生物质压缩成型燃料技术第六章 生物质气化技术第七章 生物质燃料乙醇技术第八章 生物质热裂解技术第九章 生物质制氢与间接液化技术第十章 植物油与生物柴油技术第十一章 城市有机垃圾能源第四章 沼气技术第一节 前言第二节 生物质资源量的估算方法第三节 我国生物质能资源第四节 能源植物 沼气是约含60%甲烷、40%二氧化碳和少量氮、氢、氧、氨、一氧化碳、硫化氢等气体的混合气体 。甲烷和一氧化碳是可以燃烧的气体，人类主要是利用它们来获得能量。一 前言1、沼气的综合利用 炊事和照

2、明； 供热和烘干； 加工与发电； 果菜二氧化碳施肥； 贮粮与果品保鲜；沼气主要用途沼气做饭沼气照明沼气养蚕沼气炒茶沼气二氧化碳施肥沼气贮粮沼气贮粮 沼液是沼气发酵后的水溶性物质，其中存留了丰富的氨基酸、水解酶、生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子，以及氮、磷、钾和微量元素等。2.沼液综合利用农作物浸种；果菜叶面肥；淡水养殖饵料；畜禽饲料添加剂；沼液主要用途沼液水稻浸种的工艺流程沼液浸种沼液施肥沼液施肥沼液施肥沼液施肥沼液养殖 沼渣是沼气发酵剩余的半固体物质，含有丰富的有机质、腐殖酸、氨基酸、氮、磷、钾和微量元素。 3.沼渣的综合利用 土壤改良剂 农作物基肥和追肥； 配制花卉和蔬菜育苗土； 养

3、殖蚯蚓、黄鳝等； 栽培食用菌。沼渣主要用途沼渣施肥沼渣种果沼渣养殖沼渣栽培二 . 厌氧过程与沼气技术 沼气： 有机物在厌氧和其他适宜条件下，经沼气微生物分解化解，产生以甲烷和二氧化碳为主体的混合气体。 有机物是覆盖地表植被在阳光作用下的产物，从光合作用的角度来说，沼气是一种可再生能源。厌氧过程： 有机物被厌氧菌在厌氧条件下分解产生甲烷和二氧化碳的过程。1 厌氧过程的基本原理 早在19世纪人们就已经知道沼气的产生是一个微生物学过程。1965年美国微生物学家Hungate教授创立了严格厌氧微生物培养技术，人们逐步开始认识到沼气发酵的本质，揭示了沼气发酵的微生物学原理: 沼气发酵过程由多个生理类群的

4、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。 1.1 沼气的理化性质沼气是一种混合气体，其中主要成分是：甲烷(CH4)，占总体积的50%-70%，二氧化碳(CO2)，占25%-45%。少量的氮气(N2)、氢气(H2)、氧气(O2)、氨气(NH3)、一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)等气体。甲烷与沼气的主要理化性质如下表：1.2 厌氧发酵的主要历程沼气发酵是一个(微)生物学的过程各种有机质，包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含的有机物等，在厌氧及其他适宜的条件下，通

5、过微生物的作用，最终转化为沼气，完成这个复杂的过释，即为沼气发酵。多糖脂类蛋白质液化单糖低聚糖脂肪酸氨基酸产酸丁酸丙酸乙酸乳酸产甲烷H2+CO2CH3COOHCH4+H2OCH4+H2OCO2气发酵的基本示意历程沼气发酵主要分为：液化；产酸；产甲烷三个阶段进行，其发酵的基本示意历程如图下图所示: 液化阶段有机物中大分子碳水化合物(淀粉、纤维素、蛋白质)微生物产生的胞外酶小分子化合物多糖分解成单糖或二糖蛋白质分解成肤或氨基酸 脂肪分解成甘油和脂肪酸 酶解纤维素酶肽酶脂肪酶农作物秸秆、人畜粪便、垃圾以及其他各种有机废弃物必须通过微生物分泌的胞外酶进行酶解分解成可溶于水的小分子化合物，这些小分子化合

6、物才能进人到微生物细胞内 ，进行以后的一系列的生物化学反应，这个过程称为液化。 产酸阶段单糖类肽氨基酸甘油脂肪酸 产酸微生物群简单的 有机酸甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等转化醇甲醇乙醇等二氧化碳、氢气、 氨气和硫化氢等 在产酸微生物群的作用下小分子化合物转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳、氢气、氨气和硫化氢等。其中主要的产物是挥发性有机酸.以乙酸为主，约占80%，故称为产酸阶段。 产甲烷阶段有机酸、醇以及二氧化碳和氨等甲烷+二氧化碳产甲烷微生物群 上述三个阶段的界线和参与作用的沼气微生物都不是截然分开的。尤其是液化和产酸两个阶段，许多参与液化的微生物也会参与产酸过程。因此，有的学者把沼气发酵基

7、本过程分为产酸(含液化阶段)和产甲烷两个阶段。 注意：随后，这些有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又被产甲烷微生物群利用，分解形成甲烷和二氧化碳。1.3 沼气发酵的微生物群1.发酵性细菌 复杂有机物如纤维素、蛋白质、脂类等不能溶解于水.必须首选被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能为微生物所利用。 不能溶解于水的复杂有机物(如纤维素、蛋白质、脂类等)可溶于水的糖类、肽、氨基酸和脂肪酸 发酵性细菌所分泌的胞外酶 水解发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进细胞内，经发酵分解，将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量H2、CO2。 不能溶解于水的复杂有机物(如纤维素、蛋

8、白质、脂类等)可溶于水的糖类、肽、氨基酸和脂肪酸 被发酵性细菌吸收至细胞内发酵分解参与这一水解发酵过程的微生物种类繁多，已研究过的就有几百种，包括梭状芽抱杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽抱杆菌、产琥珀酸梭菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等。这些细菌多数为厌氧菌，也有兼性厌氧菌。2.产氢乙酸菌 只有甲酸、乙酸和甲醇可被绝大部分产甲烷菌直接利用。 其他有机酸和醇类被产乙酸菌将分解转化为乙酸、H2及CO2。 经研究表明，上述反应过程在标准状况下不但不能产生能量，反而消耗能量，因而反应不能发生。由于技术上的困难，有关产氢产乙酸菌的报道不多，布赖恩特实验室报道了两个分别代谢丙酸盐和丁酸盐的共培

9、养物。其中的产氢产乙酸菌分别为沃氏互营杆菌和沃氏互营单胞菌。我国也分离到了沃氏夫氏互营单胞菌，并对其与甲烷菌互营联合条件下降解丁酸盐的反应进行了研究。3.耗氢乙酸菌耗氢乙酸菌既能代谢H2和CO2生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。该细菌产生乙酸只占乙酸总量的1%-2%(40)、3%-4% (60)。已分离到的耗氢产乙酸菌有伍德乙酸杆菌、威林格乙酸杆菌、嗜热自养梭菌等多种。耗氢产乙酸菌生长速度慢，在沼气发酵过程中的作用可能并不重要。4.产甲烷菌产甲烷菌在生理上高度专化 在厌氧条件下，产甲烷菌将前三群细菌和代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化为气体产物(CH4、CO2)。绝

10、大部分产甲烷菌只代谢甲酸、甲醇、乙酸，但部分产甲烷菌还可代谢甲胺、二甲胺和三甲胺产生甲烷。个别菌株可代谢乙醇/CO2、丙醇/CO2 等，研究表明在厌氧消化器中约有2/3的甲烷是由乙酸裂解形成的，其余的大多数是来自H2和CO2的还原。产甲烷菌厌氧， 暴露在空气中会很快死亡。产甲烷菌种类多，据美国Oregon产甲烷菌收藏巾心布恩(Boone)报道，该中心已收藏产甲烷菌215株，分属于3目、6科、16属、55种。通过对以上沼气发酵各微生物类群的讨论，可以认识到沼气发酵过程是多种细菌协同完成的微生物学过程。因此，要提高沼气发酵的效率:应注意所进原料与微生物之间的一致性，这在利用难降解有机物为原料时尤其

11、重要。要注意活性污泥中产甲烷菌的数量 为厌氧消化微生物创造良好生长条件，如合适的温度、pH等，防止有毒物质的进人，特别是控制负荷以维持酸化和甲烷化速度的平衡，都是消化器正常运转的重要因素。 1.4 沼气发酵的工艺条件1.严格的厌氧环境 沼气发酵微生物包括：产酸菌；产甲烷菌,它们都是厌氧性细菌,尤其是产甲烷菌是严格庆氧菌，对氧特别敏感。 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。在密闭的沼气池内，好氧菌和兼性厌氧菌的活动，迅速消耗了溶解氧，从而创造了良好的氧化还原势条件。2.发酵温度 沼气发酵微生物可以在865产生沼气。4050是沼气微生物高温菌和中温菌活动的过渡区间，二者都

12、不太适应，产气速度会下降。5355时，沼气微生物中的高温菌活跃，产沼气的速度最快35左右中温菌最活跃，产沼气量出现峰值。高温发酵低温发酵3.发酵原料原料中水分、TS、VS和灰分之间的组成关系如下图所示：原料水分总固体(TS)可被微生物利用灰分挥发性固体(VS)TS和VS计算方法如下：式中：Wd-样品中干物质质量，mgWs-样品总质量，mgWh-样品灰分质量，mg不同的原料，产气量、产气率和产气速度都会不同。原料种类产沼气量/(m3/t干物质)甲烷含量/%原料种类产沼气量/(m3/t干物质)甲烷含量/%猪粪560树叶21029458马粪200300废物污泥61050青草63070酒厂废水3006

13、0058亚麻秆359碳水化合物75049麦杆43259类脂化合物144072表1.发酵原料的产沼气量几种有机物质产气量的比较 表2.几种有机物质的产气速度 为了使天然有机物质易于分解，以加强发酵菌的营养，要求培养基(为沼气微生物提供生存营养的固性物质)有较大的反应表面，所以必须将含有不溶性物质的原料粉碎。产气率分为原料产气率、料液产气率、池容产气率几种 原料产气率：是指单位原料重量在整个发酵过程中的产气量口说明在一定的发酵条件下，原料被利用水平的高低，或发酵原料的产沼气能力。原料产气率的表示方法有三种： 式中RTS 发酵原料总固体产气率，m3/kg；RVS发酵原料挥发性固体产气率,m3/kg；

14、RCOD 有机废水单位COD产气率，m3/kg；Vg沼气产量，m3；TS一发酵原料总固体量，kg；VS发酵原料挥发性固体量，kg；COD用化学需氧量表示的有机物量，kg。采用哪种方法表示，要根据测试手段的实际条件而选取。料液产气率：是指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量。料液中所含原料种类和质量(料液浓度)不同，产气率差异较大。料液产气率不能说明原料的利用水平的高低，也不能说明消化器容积被利用的水平，在大中型沼气工程中不宜被采用。池容(对大中型沼气工程而言，池容也为罐容)产气率 是指消化器单位容积每天生产沼气的多少，其表示单位为m3/(m3d)，池容产气率说明消化器被利用水平高低。用原料产气率

15、和池容产气率去评价两种原料或两个装置被利用水平时，还要考虑两者的发酵条件和生产状况，因为原料发酵好坏与接种物、发酵温度、发酵时间、料液浓度等因素有关。 4.料液浓度 料液中干物质含量的百分比为料液浓度 一般要求：夏季浓度在6%左右；冬季浓度在8%左右。浓度太低时，即含水量太多，有机物含量相对减少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发醉受到阻碍，产气慢而少。 发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利，因为：5.酸碱度 研究工作表明，碳氮比以(2030):1为佳；碳、氮、磷比例以为宜。 农副产品的污水一般适当，工业污水应补充到

16、适宜值。6.碳、氮、磷比例沼气微生物最适宜的pH范围是 。在大中型沼气工程中给消化器投料时，要根据pH来控制投料量。例如：超负荷运行，会造成有机酸大量积累，pH下降，当时，产甲烷菌的生命活动将受到抑制，正常发酵将遭到破坏 。此时可采取：.停止进料，.投加碱性物质。7.添加剂和抑制剂挥发性酸过量，对发酵有阻抑作用。氨态氮(NH3-N)浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用。各种农药，都有极强的杀菌作用。盐类，特别是金属离子，都有强烈的抑制作用。 例如： 100200mg/L钠、200400mg/L钾、100200mg/L钙和75150mg/L镁能刺激发酵过程。而浓度增加至钠为35005500m

17、g/L、钾为25004500mg/L、钙为25004500mg/L和镁为10001500mg/L时，则产生中等强度的抑制。当浓度更大时，即钠为8000mg/L、钾12000mg/L、钙为8000mg/ L和镁为3000mg/L时，对发酵过程产生强烈抑制作用。8.搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加沼气微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量。同时也可防止大量原料浮渣结壳，致使原料利用率降低，使产生的沼气释放困难。搅拌的方法有三种: (1)机械搅拌 (2)气搅拌 (3)液搅拌9.接种物有机物厌氧发酵生产沼气，是由多种厌氧菌参与完成的。在发酵初期加人厌氧菌作为接种物(亦称为菌种)，其菌种

18、多少，直接影响产气的快慢。条件具备时，采用生态环境一致的厌氧污泥作为接种物；不具备这样条件时，需要进行菌种富集和培养。菌种富集和培养，是选择活性较强的污泥、污水等添加适量(菌种量的5%10%)、有机废水或作物桔秆，装入要密封的容器内，在适宜的温度(常温1525，中温35，高温54)条件下，厌氧培养78d,控制其，再加人适量的有机废水，重复操作，逐渐扩大。沼气微生物像其他生物一样，对环境有个适应范围。为沼气微生物群创造一个适宜的生活环境，以达到较高产气量的目的。 2 小型户用沼气池我国小型沼气技术的研究与应用，经过了漫长的岁月，其发展历程大体可划分为4个阶段。 我国沼气的研究起始于20世纪初期，

19、沼气进入实用阶段是20世纪30年代。（起步阶段）20世纪70年代初，解决了中国农村一些地方生活用能。（探索阶段）20世纪80年代初期，为适应沼气发展的需要，国家建立了一批沼气研究机构。（发展阶段）进人20世纪90年代，中国沼气已有了二十几年的丰富经验。 （推广沼气综合利用阶段） 据统计，到2002年底，全国小型沼气池保有量为1000万个，年产沼气近3108m3。2.1 小型沼气池类型1.水压式沼气池 主要由发酵间、进料营和水压间三部分组成。（见下图）发酵间中的是下部固、液混合料的液面，液面上的空间为储气室。在沼气池正常产气与向外供气过程中，这个液面的上下位置经常是变动的，但二者之和永远是发酵间

20、的容积。当储气室中气体压力增大时，下面的一部分料液被挤入水压间，液面下降;储气室中气体压力减小时，水压间里的一部分料液又返回到发酵间内，液面上升。主酵间、水压间和进料管， 三者相当于一个液体连通器。(1)水压式沼气池供气原理如下图：产气前，发酵原料未产气时， 储气室内的气体没有压力， 此时的发酵间液面、水压间液面和进料管液面处于同一水平面位置。产气不供气，料液发酵产气，储存在储气室内。随气量的增多，压力升高，气体挤压发酵间的液面，迫使水压间液面上升，发酵间液面下降，气体的压力大小决定了液面的高差值。产气同时供气，用气时打开阀门1，随着储气室气体的减少，压力降低， 水压间的液面下降，发酵间的液面

21、上升。 当气量与供给燃具的用气量相等时，发酵间液面与水压间液面.维持在一个相对稳定的高度差上。 当发酵液料不产气时，水压间的液面回落，同时发酵间的液面上升，直到三个液面达到同一个高度的水平面为止。(2)标准型水压式沼气池 圆筒形沼气池图(a)主要由圆筒形池身、削球壳地盖及池底的发酵间，进料管及圆形水压间三部分组成。球形沼气池图(b)。由球形发酵间、进料及矩形或扇形水压间三部分组成。椭球形沼气池图(c)主要由椭球形发酵间，进料管及矩形或扇形水压间三部分组成。 (3)设搅拌装置的水压式沼气池农村小型沼气池经常出现料液分层和结壳现象。料液结壳与分层一直是困扰沼气用户的一大难题。分层，下面干上面稀，不

22、利发酵，影响产气结壳，发酵产出的沼气不能顺利地进人储气室，转向从水压间、进料口冒出，造成气源的浪费。设搅拌装置的水压式沼气池能克服上述问题。水压式沼气池破壳搅拌装置，主要由两部分组成： 破壳笼：破壳笼为铁丝焊接而成，液面的浮渣层由于受到破壳笼的阻拦而破裂。搅拌器 ：搅拌的主要日的是防止料液分层，使原料和接种物充分接触，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量。搅拌器也具有防止浮渣层积厚结壳的作用。 图10所示是湖南省岳阳县农村能源技术服务站研制的水压式沼气池破壳搅拌装置 图9-11所示是贵州省桃县能源办研制的水压式沼气池的搅拌装置 (4)曲流布料水压式沼气池发酵原料入池先在进料口喉部

23、滤网过滤，进入池内经分流板进行半控或全控进行布料，目的要形成多路曲流使原料充分与污泥接触。池底呈斜坡，在坡面设隔板阻流，保留一定量的污泥。 在油拱中央设有伞架型破壳挂笼进行破壳。手动搅拌杠杆操纵伞架型挂笼破壳，并同时带动底部连杆推盘推出沉积物。(5)发酵液高位差自功循环水压式沼气池基本结构 如上图所示，该池由一个标准常规水压式沼气池和一个挂有软填料做菌床的生物滤池组成，两池军零压液面一高一低，并共用一个水压箱，特点：这种形式的沼气池和发酵工艺流程，具有许多独特的优点:a.用水压箱作发酵原料预沤池，使原料在好氧的条件下，加快违度产酸菌的分解，促进对原料的液化产酸，发酵后的酸液留下自动入池，沉渣留

24、下，解决了沉渣人池出料难的问题，同时好氧发酵产生的热量，有利于沼气池增温和保温；b.高位池设置的软填料作为厌氧池内的生物载体，能起到富集菌种、促进沼气发酵速度、提早产气、提高产气量的作用；c. 料液自动循环能起到搅拌发酵液的作用，提高产气量，防止液面结壳等；d.可利用循环发酵由冲刷与沼气池相结合的厕所蹲位及猪舍的地面， 同时可作为预处理池的接种物，促进发酵，节约用水。2.浮罩式沼气池 按其结构，可分为：直接储气浮罩式沼气池分离储气浮罩式沼气池浮罩内的沼气压力值,可用下式计算: 特点：罩内压力基本稳定式中：P-沼气压力，cmH2O;G-浮罩及其配重的质量，kg;D-圆筒形浮罩内直径，cm;100

25、0-由kgf/cm2H20 换算的系数。3.气袋式沼气池气袋式沼气池的发酵间没有储气部分，沼气直接输入储气袋储存起来。特点：池内沼气压力较低，在利于发酵和产气。4.印度 戈巴 沼气装置 其基本结构如下图所示:发酵间成井状，是地下建筑，井体直径一般为之间。 特点：出料靠池满自溢，可年不需大出料，节约劳力。 2.2 小型沼气池发酵工艺(1)半连续式发酵工艺（其工艺流程如下图）备料配料搅拌接种发酵产气加入封池入池堆沤活性污泥或其他接种物肥料池底污泥或发酵液大换料定期或不定期加料新池检验或旧池检验定期或不定期加料此发酵工艺的特点是：启动时，次投入较多的发酵原料，产气用气，经过一段时间，当产气量趋向下降

26、时，开始定期添加新料和排出旧料，以维持比较稳定的产气率。 (2)分层满装料泪气发酵 分层满装科沼气发酵属于学连续沼气盎酵工艺其主要特点是混合原料，分层装满(两层投料间隔2-3d)，池内堆沤，干湿发酵结合。该沼气发酵工艺启动用水少，操作简单，节省劳力。 (3)批量投料沼气发酵 批量投料沼气发酵是一种比较简单的沼气直酵形式，如红泥塑料沼气地，革璃铜沼气池就属于这种沼气发酵工艺。它的特点是将发酵原料一次性投入沼气池，当发酵周期结束后，取出旧料，再投入下一批新料 其工艺流程为: 玻璃钢沼气池 (4)干发酵工艺干发酵工艺属批量投料沼气发酵类型，优点是省水，池容产气率高，可以缩小沼气体积，方便进出料。 干

27、发酵工艺特点：合理的配料比，秸秆与粪便的质量比，般为3:1左右。原料预处理，将秸秆铡成5-7cm长的碎料。接种物，接种物质量般平能少于发酵原料的20% .井且要求接种物有良好的活性。发酵周期，发酵周期长短，要看发酵原料的数量和种类(5)两步发酵工艺 两步发酵工艺是指沼气发酵的产酸阶段相产甲皖阶段分别在两个池子里进行。 主要特点是：由于产甲烷池的产气率高，气中甲烷含量高，可缩小此池的建池容积，设施的造价低通过控制每天输入产甲烷池的酸液量，能人为地调节当天和第2 天的产气量，提高了产气量的时控性，实现了渣、液分离，便于出料和运肥。3 大中型沼气技术几种常见的消化器 中型：V50m3或日产量50m3

28、 大型：V1000m3或日产量1000m3 高速消化器 接触式厌氧工艺大中型沼气工程设计和建造 大中型沼气工程建设范围和内容集约化畜禽养殖场沼气工程工业有机废水沼气工程沼气民用：集中供气-炊事沼气供热：锅炉沼气发电：70厌氧处理方法的很多，按消化器的类型分，可分为常规型、污泥滞留型和附着膜型。常规型消化器包括常规消化器（也称常规沼气池）、完全混合式消化器（也称高效消化器）和塞流式消化器（也称推流式消化器）。污泥滞留型消化器包括厌氧接触工艺、升流式固体反应器（USR）、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）、折流式反应器等。附着膜型反应器包括厌氧滤器（AF）、流化床（FBR）和膨胀床（EBR）等。常

29、规型消化器一般适宜于料液浓度较大、悬浮物固体含量较高的有机废水。污泥滞留型和附着膜型消化器主要适用于料液浓度低、悬浮物固体含量少的有机废水。基本概念（2）厌氧消化器的分类：厌氧处理的方法很多，但目前国内在养殖场应用最多的还是完全混合式消化器和UASB工艺两种：完全混合工艺可使畜禽粪水全部进行厌氧处理，优点是处理量大，浓度高，产沼气量多，便于管理，易起动，运行费用低；缺点是需消化器容积大，投资多，后处理麻烦。一般适宜于以产沼气为主，有使用水肥习惯的地区。UASB工艺是先将粪水进行分离，只处理有机废水，优点是需消化器容积小，投资少，处理效果好；缺点是产沼气量相对较少，起动漫，管理复杂，运行费用稍高

30、，一般适宜于以废水达标排放，减少环境污染为目的的地方。升流式厌氧污泥床（UASB）有反应区、沉淀区和集气室三部分组成。废水从污泥床底部进入，与污泥床中的污泥进行混合接触，微生物分解废水中的有机物产生较强烈的搅动，在污泥床上部形成悬浮污泥层。气、水、泥的混合液上升至三相分离器内，沼气气泡碰到分离器下部的反射板时，折向气室而被有效地分离排出；污泥和水则经孔道进入三相分离器的沉淀区，在重力作用下，水和泥分离，上清液从沉淀区上部排出，沉淀区下部的污泥沿着斜壁返回到反应区内。在一定的水力负荷下，绝大部分污泥颗粒能保留在反应区内，是反应区具有足够的污泥量。UASB设计主要考虑的几个参数：（1）废水水质厌氧

31、污泥的颗粒化：COD含量；总固体浓度TSS高蛋白，高脂肪含量的废水：消泡设施和装置（2）反应器容积负荷废水浓度、不溶性COD比率、出水TSS浓度确定能否采用UASB。表7-5，7-6 UASB容积负荷推荐值 P176（3）水流上升速度主要取决于反应器的进水流量和反应器的水平截面积。允许出现短时间6m/h和2m/h的高峰值。（4）反应器容积和其他尺寸Vn=QS0/LorgVn：反应器液体部分的有效容积，m3Q：进液流量，m3/hS0：进水COD浓度，kgCOD/m3Lorg：反应器有机负荷率，kgCOD/(m3.d)VL=Vn/EVL反应器液体部分总容积；E：有效系数，在之间选取。HL=VL/A

32、HL：反应器液体部分高度：HT=HL=HGHT ：反应器总高度，m;HG :反应器集气部分高度，m。（5）布水器保证污水和污泥之间充分接触，一般采用多点进水方式。布水点数量的设计：表7-8 UASB反应器布水点数量的计算依据。进水方式设计：分为连续进水和脉冲进水（6）三相分离器功能：1.收集从分离器下的反应区产生的沼气；2.使在分离器之上的悬浮物沉淀下来。目前所采用三相分离器多为专利产品。升流式厌氧污泥床工艺 优点：（1）除三项分离器外消化器结构简单，没搅拌装置及填料；（2）长的SRT及MRT使其实现了很高负荷率；（3）颗粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；（4）出水SS含量低

33、。缺点：（1）需要安装三项分离器；（2）需要有效的布水器，使进料能均匀布于消化器底部；（3）进水要求低SS含量；（4）在高水力负荷或高SS负荷时易流失固体和微生物，运行技术要求较高。内循环厌氧反应器（IC）1986年由荷兰派克公司研究成功并用于生产内循环厌氧反应器，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和流化床反应器的优点于一身，利用反应器内所产沼气的提升力实现发酵料液内循环的一种新型反应器。IC厌氧反应器的基本构造如同把两个UASB反应器叠加在一起，反应器高度可达16-25m，高径比可达4-8。在其内部增设了沼气提升管和回流管，上部增加了气液分离器。该反应器启动时，投加

34、了大量颗粒污泥。运行过程中，用第一反应室所产沼气经集气罩收集并提升管上升作为动力，把第一反应室的发酵液和污泥提升至反应器顶部的气液分离器，分离出的沼气从导管排走，泥水混合液沿回流管返回第一反应室内，从而实现了下部料液的内循环。 集约化禽畜场沼气工程利用畜禽粪便制取沼气的全套工程设施 ，包括原料的预处理、厌氧消化、沼气净化及输配、发酵残留物后处理以及工艺流程的控制、监测五个部分组成。技术特点1.技术模式：热、电、肥联产，零排放模式冬季发电机余热增温，中温发酵，无需外加热源。TS 8%: 冬季余热80%用于增温；TS 10%: 冬季余热60%用于增温；TS 12%: 冬季余热40%用于增温。多余热

35、量还可用于蔬菜大棚的供暖。夏季利用余热烘干沼渣；沼液、沼渣全部用于有机肥料，实现零排放。热、电、肥联产，零排放模式2.发酵工艺：高浓度、全混合、中温发酵、有搅拌TS 8%-12%：节省投资、节约增温能源、降低运输能耗、产气率高，池容产气率可达到3/m3.d。有搅拌装置，解决含固率高，物料不均，易结壳的问题。3.装置结构：大型沼气工程，宜采用分体式厌氧罐和双模干式贮气装置；中小型沼气工程，宜采用发酵、贮气一体化沼气装置。4.关键设备工艺设计1.分体式沼气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

36、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蛋鸡粪中砂含量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.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.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

37、运输成本。c.停留时间中温发酵为20-25d，高温发酵10-15d。d.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

38、区冬季也能安全运行。工艺设计2.一体化沼气工程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沼气发酵、贮气一体化反应器（1）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：；安全可靠，检修维护方便。（2）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：通过支撑鼓风机的充气，调

39、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。平整地面为建造发酵罐进行挖掘水养护第一次灌浆铺设地热管道布的热管道线顺到墙外使用松木，可以不被硫腐蚀；木条有轻微的间隔，气可以缓慢的透过。使用防护材料防止混凝土被沼气腐蚀。在墙上制作空洞为管线，传感器，透视窗等用。宽21米，高6米，共28排加热管线，在集气层没有热管线。罐顶和中心柱注浆稳固美观，提供线路，内部安全观察保护。斜搅拌机贮气外膜：具有良好的抗紫外线、耐老化的性能，起到保护内膜、保持结构的作用。内膜具有良好抗甲烷渗透性能，防火性能良好，耐磨，乃褶并且耐硫化氢腐蚀。工艺设计（3）秸秆厌氧发酵制取车用沼气

40、工程技术机械收获秸秆青储蒸汽爆破两相高效厌氧发酵压缩脱二氧化碳高压储存加气机秸秆蒸汽爆破原理汽爆的物理学基础是气体膨胀做功降温，利用气体膨胀功去分离纤维素、半纤维素、木质素、糖链等，达到生物预处理目的。汽爆过程是将植物（被爆物）置于一直径相等、径高比为1：3-4的耐高压容器内，充入、220-250度的蒸汽，保压90秒，在内外压差的作用下爆炸，完成膨胀做功，破坏植物组织内部结构，从而完成木质素、纤维素、半纤维素等组织及糖链的分离。物料的物理形态、特性和结构发生了重大变化，物料温度也由250度降到了20度左右。物料首先要脱水自然干燥，约14-17%针式粉碎机效率2-4t/h，每吨耗电2-4度。粉碎

41、颗粒可调整。针式粉碎机斗式升料机斗式生料上部连接汽爆仓，下部连接粉碎机。反应器工程设备（1）钢结构的厌氧消化器工程设备（2）钢筋混凝土结构厌氧消化装置工程设备（3）各种专用配套设备工程设备（3）各种贮气装置湿式钢结构贮气柜球冠型贮气柜工程设备（4）沼气发电机组及余热回收装置现阶段，中国生产的沼气发电机组规格：24KW,80KW,100KW,120KW,180KW,200KW,300KW，500KW,潜水搅拌泵进料泵切碎机粪草进料装置增温保温装置钢筋混凝土罐体的增温管一般安装在罐壁内侧的下部。钢结构罐体的增温管一般安装在罐壁外侧。气暖热电肥联产的沼气工程典型案例（1）北京德青源健康养殖生态园2M

42、W沼气发电工程（2007）1.鸡粪资源量：212t/d，TS 30%；2.工程规模：3,000m3厌氧罐4座；3.设计沼气产量：20,000m3/d4.设计发电量：5.沼肥18万吨/年，供4万亩果园、饲料地。6.年减排温室气体80,000tCO2当量。7.现该项目已并网发电。（2）内蒙古蒙牛澳亚牧场1MW沼气发电工程（2700）1.牛粪资源量：280t/d，TS20%2.工程规模：2,500m3厌氧罐4座3.设计沼气产量：10,000m3/d4.设计发电量：5.年产有机肥：沼渣8,000吨，沼液18万吨。6.年减排温室气体30,000tCO2当量。7.该项目现已并网发电。（3）厌氧自然处理达标

43、示范工程新农村沼气集中供热工程秸秆沼气集中供气示范工程杭州灯塔养殖总场沼气与废水处理工程技术简介设计建造大中型沼气工程的公司：杭州能源环境工程有限公司北京兴星伟业工程有限公司青岛天人工程有限公司 背景 Background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 Design principle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