04-05农业废弃物利用沼气技术

1农业废弃物综合利用IntegratedUtilizationofAgriculturalWaste姜存仓2第二章我国的生物质能资源在农业废弃物方面的利用第一节生物质能概况第二节生物柴油技术第三节沼气利用技术第四节秸秆综合利用技术3第三节沼气利用技术4•在人们的印象中，“做饭烟熏火燎，粪坑臭气冲天，污水四处横流，房屋苍蝇乱飞”就是不少农村生活的基本写照。5•随着党中央对“三农”问题的高度重视，国家对农村沼气事业发展的支持力度逐年增大，以沼气为纽带的“生态家园富民计划”已被列入农业七大建设体系之一。现在，越来越多的农民已经用上了沼气。•目前，沼气池的推广应用规模居世界首位，国家计划到2010年，要达到2600万口。由此，建池数量将占到全国适宜沼气发展农户的20%。7•从上个世纪９０年代开始，广西在全区大力推进恭城县“养殖—沼气—种植”三位一体的能源生态模式，完成了１００个能源生态村、５０个能源生态乡和２０个能源生态县的沼气项目建设。生态家园8•今年要再解决3200万农村人口的安全饮水问题，增加500万农村沼气用户，支持建设一批大中型沼气项目。温家宝:要加强农业基础建设促进农业发展和农民增收2008年03月05日10:31来源：新华社2009年,再解决6000万人安全饮水问题，增加500万沼气用户，继续加强农村电网、邮政通信和社会事业等基础建设。沼气的制取和利用12生产清洁能源—高效、可再生能源治理环境污染—处理粪便、垃圾、有机废水、废渣提高企业经济效益—综合利用、改善生产条件形成新的产业—设计、施工、副产品生产销售、配套设备加工沼气工程的作用13第一讲沼气发酵基础知识主要内容•第一节沼气的概念与特性•第二节沼气发酵基本原理•第三节沼气发酵基本条件•第四节沼气池类型与结构15第一节沼气的概念与特性一、什么是沼气二、沼气的成分三、沼气的性质16一、什么是沼气沼气是各种有机物质在一定的温度、水分、酸碱度和隔绝空气的条件下，经过嫌气性细菌的发酵作用，产生的一种可燃气体。在含腐烂有机质较多的沼泽、池塘、污水沟和粪坑里，经常可以看到有气泡冒出。把这种冒出的气泡收集起来，可以用火点燃。因为这种可燃气体最初是在池沼中发现的，所以称它为沼气。17•1776年，意大利科学家沃尔塔发现沼泽地里腐烂的生物质发酵，从水底冒出一连串的气泡，分析其主要成分为甲烷和二氧化碳等气体。由于这种气体产生于沼泽地，故俗称“沼气”。18二、沼气的成分沼气是一种混合气体。它的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50-70%、二氧化碳约占30-40%，其他成分含量极少。19三、沼气的性质沼气的主要成分是甲烷，甲烷是一种简单的碳氢化合物。它的化学性质极为稳定，不溶于水，比空气轻一半，是一种无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体。20沼气未燃烧时略有蒜味或臭鸡蛋气味，是因为沼气中含有少量硫化氢气体的缘故。甲烷的分子式是CH4，是由一个碳原子和四个氢原子构成的化合物，不含氮、磷、钾等元素，所以在燃烧时不会把发酵原料中的肥分烧掉。21当甲烷完全燃烧时，呈蓝白色火焰，燃烧温度可达1400℃，能够产生大量的热。1立方米人工沼气的发热量为5000卡左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量。沼气是一种优良的气体燃料，不仅能用来烧菜、煮饭、点灯，还可以用作动力燃料，开动内燃机。1立方米的人工沼气，能供3-4口之家三餐饭菜的燃料，能使一马力的内燃机工作2小时，能发电1.25度。第二节沼气发酵基本原理23一、什么是沼气发酵★沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧的条件下，被种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合气体（沼气）的复杂的生物化学过程。24只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活的需要。25二、沼气发酵微生物（细菌）（一）沼气微生物的种类★在沼气发酵过程中，主要有：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌”等五大菌群参与活动。26五大菌群：①.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下：（C6H10O5）+nH2O——→n(C6H12O6)2C6H12O6——→CH3COOH+CH3CH2COOH+CH3CH2CH2COOH+3CO2+3H2②.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下：CH3CH2COOH+2H2O——→CH3COOH+CO2+3H2CH3CH2CH2COOH+2H2O——→2CH3COOH+2H227五大菌群：③.耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。2CO2+4H2——→CH3COOH+2H2OC6H12O6——→3CH3COOH④.产甲烷菌（食氢、食乙酸）：在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化成CH4/CO2。产甲烷菌存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下：CH3COOH——→CH4+CO24H2+CO2——→CH4+2H2O4HCOOH——→CH4+3CO2+2H2O4CH3OH——→3CH4+CO2+2H2O28产甲烷细菌：必须生活在厌氧环境下并伴有甲烷产生的古细菌。(甲烷杆菌属、甲烷球菌属、甲烷短杆菌属、甲烷八叠球菌属……)利用底物:CO2类:CO2,CO,CHOOH甲基类:甲醇、甲基胺、二甲基乙酸类：乙酸29五大菌群：各种发酵性细菌玉米秸发酵时的发酵性细菌30五大菌群：食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌31（二）沼气发酵微生物的作用1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养；2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境；3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。32（三）沼气发酵微生物的特点1、分布广，种类多上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹；沼气微生物在自然界分布也很广，种类达200-300种。2、繁殖快，代谢强产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。3、适应性强，容易培养与高等生物相比，多种微生物适应性较强，并且容易培养。例如，沼气池里的微生物在10-60°C条件下，都能进行沼气发酵。★三、沼气发酵过程目前公认的沼气发酵过程复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质等）可溶性物质（糖类、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOH③⑤④①①①②②CH4H2O丙酸、丁酸等长链脂肪酸CH4CO21.水解2.产酸3.产气34（一）液化（水解）阶段在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对有机物进行体外酶解；也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫液化阶段。35（二）产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用；先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。36液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统常称之为不产甲烷阶段，它是复杂的有机物转化成沼气的先决条件。在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多、数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。37（三）产甲烷阶段在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。38产甲烷菌的共同特征①生长缓慢。如甲烷八叠球菌在乙酸上生长其倍增时间为1-2天，甲烷菌丝倍增时间为4-9天。②严格厌氧。对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡。③只能利用少数简单的化合物作为营养。④要求在中性偏碱和适宜温度环境条件。⑤代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。第三节沼气发酵基本条件40沼气发酵是由多种细菌群参加完成的，它们在沼气池中进行新陈代谢和生长繁殖过程中，需要一定的生活条件，只有用人工为其创造适宜生长条件，使大量的微生物迅速的繁殖，加快沼气池内的有机物分解。因此，只有满足微生物的生长条件和沼气池正常运行条件才能获得产气率高、沼气和有机沼肥多的效果。41★人工制取沼气的基本条件一、适宜的发酵原料二、质优足量的菌种三、严格的厌氧环境四、适宜的发酵温度五、适度的发酵浓度六、适宜的酸碱度42•工艺流程一般包括五部分：原料的收集；原料的预处理；消化器（沼气池）；出料的后处理；沼气的净化、储存和输配沼气工程工艺流程43一、适宜的发酵原料沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源。用于沼气发酵的原料主要是各种有机废弃物，如农作物秸杆、禽畜粪便、人粪尿、有机废水、树叶杂草等。44农作物秸杆由于难以消化，必须顾先经过堆沤才有利于沼气发酵。•首先将秸杆铡成3厘米（一寸长）左右，踩紧堆成30厘米（一尺）厚左右，泼2％的石灰澄清液并加10％的粪水（即100公斤秸杆，用2公斤石灰澄清液，10公斤粪水）。•照此方法铺3～4层，堆好后用塑料薄膜覆盖，堆沤半月左右，便可作发酵原料。45切割秸秆，用作沼气池的发酵原料46•畜禽粪便资源总量（干物质）约1.8亿吨，实际可利用量约4000万吨，可产沼气近100亿立方米，用于发电可装机500万kW，年发电量150亿kWh•高浓度有机废水排放量年25.2亿立方米以上，年废渣7400万m3，可转化为沼气108亿m3，可装机50万kW，年发电150亿kWh顾树华,教授清华大学能源环境经济研究院电话：[phone]Email:[e-mail]47沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充分的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和生长素等到，用于生命活动，成倍繁殖细菌和产生沼气。48有机物中的碳水化合物如秸秆中的纤维素和淀粉是细菌的碳素营养，有机物中的有机氮如人畜粪尿中的含氮物质则是细菌的氮素营养。当有机物被细菌分解时，其中一部分有机物的碳素和氮素被同化成菌体细胞，以及组成其他新的物质，另一部分有机物则被产酸细菌分解为简单有机物，后经甲烷菌的作用产生甲烷。49因此，沼气发酵时，原料不仅需要充足，而且需要适当搭配。保持一定的碳氮比例（最适宜C/N=25：1），这样才不会因缺碳素或缺氮素营养而影响沼气的产生和细菌正常繁殖。50•不能放入沼气池的植物•大多数植物都可用来作沼气池的原料，但并非所有植物都可以入池。如核桃叶、银杏叶、猫儿眼、黄花蒿(hao)、臭椿叶、泡桐叶、水杉、梧桐叶、苦楝(lian)叶、断肠草、辣蓼子、烟梗等植物要严禁入池，因为他们中含有抑制或杀死甲烷菌的成分。•同样，沼气池内更不能用农药、柴油。否则，会造成池内长期不产气。•另外，豆饼、生豆饼、棉子饼等在空气不足的条件下会产生硫化氢，这是一种有毒的气体，