沼气工程技术原理

课程名称：《沼气工程设计与施工》第二章沼气工程技术原理本章内容：几种常见厌氧反应器的原理及优缺点4基本概念与参数1沼气发酵原理2沼气发酵的基本条件3作业、拓展及预习内容5第一节基本概念与参数1、原料有机物含量和沼气产量评价指标（1）总固体（TS）又称干物质浓度，指将一定量的原料放置在100~105℃烘箱内，烘干至恒重，烘干物质占总重的百分比。单位：%（2）悬浮固体含量（SS）是指水中不能通过过滤器的固体物。测定方法：定量滤纸过滤水样，将滤渣于100~105℃烘干称重得出。单位：g/L或mg/L（3）挥发性固体（VS）和挥发性悬浮固体（VSS）将测过TS和SS的残留物进一步放于马弗炉中，于550±50℃灼烧至恒重，挥发部分占原烘干物的质量百分比。单位：%（4）总有机碳（TOC）样品中有机碳（物质）的含量，CH4的物质来源。单位：mg/L或mg/kg；第一节基本概念与参数（5）化学需氧量（COD）指在一定条件下，水中的有机物被强氧化剂（重铬酸钾）完全氧化，消耗氧化剂的量，以氧气（O2）表示。单位：mg/L（6）生化需氧量（COD）由于微生物活动，将水中的有机物氧化分解所消耗的氧的量。通常用在20℃恒温培养5d，所消耗的溶解氧的量来衡量，用BOD5。（7）BOD5/COD反应水中有机物被微生物分解程度。0.3～0.4～0.58。表2-1BOD5/COD值与可生物降解性参考数据（8）原料产气量（产气潜力）指单位质量或单位体积的原料，在适宜条件下经厌氧微生物完全消化所产生的沼气量。单位：L/（kg·TS）或L/（kg·VS）（9）产气速率指单位时间的产气量。单位：L/h第一节基本概念与参数（10）池容产气率指单位时间、单位发酵罐容积的产气量。单位：m3/m3·d2、厌氧反应器的运行参数（1）容积负荷消化器单位体积每天所承受（能消化分解）的有机物的量，通常以kgCOD/m3·d表示。沼气工程上常用kgTS/m3·d或kgVS/m3·d表示。容积负荷是消化器设计和运行的重要参数。（2）厌氧反应器污泥负荷指每千克厌氧活性污泥每天所承受的有机物的量，单位：kgCOD/（VSS·d）。是衡量厌氧活性污泥活性（对有机物分解能力）的重要指标。（3）水力滞留时间（HRT）指进入消化器的水在反应器内的平均停留时间，单位d或h。HRT（d）=消化器有效容积（m3）/每天进料量（m3）第一节基本概念与参数（4）污泥停留时间（SRT）单位生物量在处理系统中的平均停留时间。（5）污泥体积指数（SVI）曝气池出口处的混合液在静置30min后，每克悬浮固体所占的体积（mL）。或单位体积水样在静置30min后，污泥的体积数（mL）。是衡量污泥沉降性能的重要指标。（6）污泥的比产甲烷活性指单位质量的厌氧活性污泥产甲烷的最大速率。单位：m3·CH4/（kgVSS·d）。该参数表示了厌氧活性污泥所具有的潜在产甲烷能力。第二节沼气发酵原理沼气发酵是一个由多种类群细菌参与完成的，通过分解有机物并产生以CH4和CO2为主要产物的，复杂的微生物学过程。1、沼气发酵的特点沼气发酵是一个复杂的生物化学过程，具有以下特点：（1）参与发酵微生物种类繁多，混菌发酵。（2）发酵原料复杂，来源广泛，可处理高浓度有机废水（COD大于50000mg/L）；（3）厌氧发酵自身能耗低，相同条件下仅为好氧分解的1/30~1/20；（4）沼气发酵装置（厌氧反应器）种类繁多，条件适合，均可产气；（5）产甲烷菌要求氧化还原电位-330mv以下，即严格厌氧环境。2、参与沼气发酵的细菌（沼气发酵的微生物类群）（1）发酵性细菌水解纤维素、蛋白质、脂类为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸等。第二节沼气发酵原理水解菌（大多为厌氧菌，也有兼性菌）：梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽孢杆菌、产琥珀酸梭状菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等。（2）产氢产乙酸菌将上述分解物（主要为有机酸）进一步分解为乙酸、H2和CO2（3）耗氢产乙酸菌将H2和CO2合成为乙酸，以及代谢糖类产生乙酸。（4）产甲烷菌甲烷形成是由一群生理上高度专化的细菌——产甲烷菌所引起的。产甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的最后一组成员。将乙酸和H2/CO2转化为沼气。第二节沼气发酵原理第二节沼气发酵原理（5）不产甲烷菌在沼气发酵系统中，不直接产生甲烷的微生物，主要包括一些好氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌。主要作用为将复杂的大分子有机物降解成简单小分子有机物。二者的关系：①不产甲烷菌为产甲烷菌提供食物；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产甲烷菌为不产甲烷菌清除代谢废物，解除反馈抑制；⑤不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持发酵环境的pH值。第二节沼气发酵原理3、主要的沼气发酵理论：（1）二阶段理论1936年由Barker首次提出，简要描述了沼气的发酵过程，该理论认为沼气发酵可分为两个阶段，即产酸阶段和产甲烷阶段；由于两阶段理论解释了沼气发酵的主要过程，而且对实际工程有很好的指导作用，因此，目前应用仍较为广泛；不溶性有机物可溶性有机物有机酸、醇、CO2、H2细菌细胞细菌细胞其他产物CH4、CO2产酸阶段产甲烷阶段第二节沼气发酵原理（二）三阶段理论1979年，Bryant等人提出，将沼气发酵过程分成由三大代谢类群微生物引起的三阶段理论，即水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段；（三）四阶段理论与Bryant等人提出三阶段理论同时，Zeikus等人提出了沼气发酵四阶段理论，该理论在三阶段理论的基础上增加了耗氢产乙酸过程，即由耗氢产乙酸产乙酸菌把H2＋CO2转化为乙酸（CH3COOH），形成了水解阶段、发酵（或酸化）阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段；复杂有机物（碳水化合物、蛋白质、脂类）脂肪酸（丙酸、丁酸、乳酸等）、醇类乙酸H2＋CO2CH4＋CO2Ⅰ发酵性细菌Ⅱ产氢产乙酸细菌Ⅲ产甲烷细菌Ⅳ耗氢产乙酸细菌第二节沼气发酵原理产甲烷阶段的生化过程：乙酸CH3COOH＝CH4＋CO2H2＋CO2H2＋CO2＝CH4＋H2O甲酸4HCOOH＝CH4＋3CO2＋2H2O甲醇3CH3OH＝3CH4＋CO2＋2H2O在一般的厌氧反应器中，约70%的甲烷由乙酸分解而来，其余30%的甲烷大多来自H2对CO2的还原；第三节沼气发酵的基本条件1、严格的厌氧环境沼气发酵微生物当中产酸菌和产甲烷菌都是严格的厌氧性细菌，尤其是产甲烷菌，对氧气特别敏感。它们不能在有氧的环境下生存，即使微量氧存在，其生命活动也会受到抑制，甚至死亡。产甲烷菌要求在氧化还原电位-330mv以下的环境生活，即：严格的厌氧环境。2、适宜的发酵温度（8℃~65℃）常温：10~30℃中温：35-45℃左右高温：45-60℃左右3、充足的发酵原料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，是不断产生沼气的物质基础。第三节沼气发酵的基本条件4、适宜的料液浓度（以TS浓度计算）沼气发酵可在2～30%的范围内运行。浓度在20%以下称湿发酵，以上称为干发酵；夏季及南方地区气温较高，料液浓度可以低一些，6%~8%即可；冬季及北方地区气温较低，料液浓度要求高一些，一般可达10%~12%。5、中性略偏碱的pH值沼气微生物最适宜的pH值范围是6.8~7.5。6、适宜的C/N比例沼气发酵微生物对碳素需要量最多，其次是氮素。一般认为最佳的碳氮比为25：1，但并不十分严格，20：1到40：1的范围内都可正常发酵。粪便属于富含氮（N）的原料，秸秆属于富含碳（C）的原料，因此，可将秸秆、粪便按适当比例混合做发酵原料。第三节沼气发酵的基本条件7、足量、优质的接种物（活性污泥）引入产甲烷菌群，实现快速启动及正常产气的基础。一般要求接种物达到发酵料液总量的10～30%，才能保证正常启动和旺盛产气。常用的接种物来源包括：①正常使用的沼气工程内的活性污泥及沼液；②使用多年的厕所底泥；③阴沟底泥；④沤制半年以上的各种粪便的底泥；⑤人工厌氧堆沤方法制备的接种物。厌氧消化过程生成的H2S使污泥呈黑色，因此发育良好的污泥一般为油亮的黑色。一般采用每克VSS的每天最大甲烷产量750mL的污泥作为标准厌氧活性污泥。（实物展示）8、搅拌搅拌的目的是使发酵原料分布均匀，增加沼气发酵微生物与原料的接触，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，阻碍产生沼气的释放。（视频：沼气工程技术原理）第四节几种常见反应器的原理及优缺点概念：大中型沼气工程所采用的工程主体即厌氧反应器。经过近几十年国内外研究及工程实践，常规厌氧反应器、全混式反应器、塞流式反应器、升流式厌氧污泥床反应器、升流式反应器等5种类型比较适合于大中型沼气工程实际。一、常规厌氧反应器密闭池体，仅为沼气发酵提供厌氧环境，无搅拌装置，结构简单。原料自然沉降，从上到下依次分层为：浮渣层、上清液层、活性层、沉渣层。沼气发酵活动旺盛场所只限于活性层。发酵效率低，造价低廉，应用广泛；多于常温下运行，采用批量或半批量发酵工艺。第四节几种常见反应器的原理及优缺点二、全混式反应器（CSTR）又名高速消化器，是在常规厌氧反应器内安装了搅拌装置。优点：（1）可进入高SS原料（TS20%）；（2）消化器内物料混合均匀，活性区遍布整个消化器，增加了底物和微生物的接触机会，效率高；（3）消化器内温度分布均匀；（4）进入消化器的物料能够迅速分散，保持较低的浓度水平；（5）避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象；第四节几种常见反应器的原理及优缺点缺点：（1）消化器体积较大；（2）要有足够的搅拌，因此能耗较高；（3）生产用大型消化器难以做到完全混合；（4）底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失；三、塞流式反应器（PFR）亦称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合消化器。高浓度悬浮固体原料从一端进入，从另一段流出，发酵原料在消化器内的流动呈活塞式推移状态，随着料液的流动，原料依次经水解酸化阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段被逐步降解。实际应用中，为减少反应器占地及工程施工方便，常采用消化器内设置挡板的方式。第四节几种常见反应器的原理及优缺点优点：（1）不需搅拌，结构简单，能耗低；（2）除适用于高悬浮物的废物处理外，尤其适用于牛粪的消化；（3）运转方便，故障少，稳定性高；缺点：（1）固体物质可能沉于底部，影响消化器的有效体积；（2）需要固体和微生物的回流作为接种物；（3）由于反应器体积/面积的比值较小，难以保持温度恒定；（4）易产生结壳；第四节几种常见反应器的原理及优缺点四、升流式厌氧污泥床反应器（UASB）UASB是目前发展最快的消化器，其特征是自下而上流动的污水通过膨胀的颗粒状污泥床被消化分解，整个反应器分为三个区，即污泥床、污泥层和三相分离器。沼气工程发酵原料在污泥床和污泥层去被消化分解，产生的沼气随升流的固体、液体在三相分离器区实现分离并被收集。第四节几种常见反应器的原理及优缺点优点：（1）除三相分离器外，消化器结构简单，无搅拌装置及填料；（2）有机负荷大大提高；（3）颗粒污泥的形成使厌氧微生物天然固定化，增加了工艺的稳定性；（4）出水悬浮物含量低；缺点：（1）需要安装三相分离器；（2）需要安装布水装置；（3）要求进水固体悬浮物含量低；（4）在水力负荷较高或悬浮物较多时易流失活性污泥和微生物，运行技术要求较高。第四节几种常见反应器的原理及优缺点五、升流式反应器（USR）是一种结构简单、适用于高悬浮固体原料厌氧处理的反应器。发酵原料从底部进入反应器，与反应器内活性污泥接触，实现污染物的快速降解。未被消化降解的固体颗粒和活性污泥依靠自然沉降滞留在反映其内，上清液从反应器上部溢出。该反应器结构简单，无需搅拌，可进入高悬浮固体发酵原料（TS＞12%以上），而且不需出水回流和三相分离器装置，特别适用于高浓度、高悬浮物的有机废弃物厌氧处理。课外参考阅读文献：[1]刘荣厚，郝元元，叶子良，等.沼气发酵工艺参数对沼气及沼液成分影响的实验研究[J].农业工程学报，2006，22（增1）：85-88[2]张无敌，宋洪川，李建昌.水解酶提高猪粪沼气发酵产气率[J]