第八章-沼气发酵.ppt

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1、生物质能工程 BIOMASS ENERGY ENGINEERING,建筑工程学院 史宇亮,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，marsh gas，sludge gas）。,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

2、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

3、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

4、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

5、，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1 800万户； 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

6、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，

7、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：CH4 5070，C02 3040，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（Biogas Fermentatio

8、n）的定义 沼气发酵（又称厌氧消化anaerobic digest），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

9、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

10、的分解： CH3COOH CH4 CO2 醇的分解： 4CH30H 3CH4 CO2 2H2O 二氧化碳的还原： CO2 4H2 CH4 2H2O 醇的氧化使二氧化碳还原： 2CH3 CH2 OH CO2 2CH3 COOH CH4 有机物生成甲烷的总反应： 甲烷菌 (C6H10C5)n nH2O 3nCO2 3nCH4,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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、料和原料产气特性,总固体(TS, total solid)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，volatile solid)，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1 h，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