沼氣發酵的基本原理和工藝培訓課件(共52頁).ppt

1、 沼氣發酵的根本原理和工藝 全國大中型沼氣工程技術培訓班 周孟津 教授 首都師范大學生物系 2005-10-20主要內容主要內容1 沼氣發酵根本原理2 沼氣發酵工藝裝置 1 沼氣發酵根本原理1.1 沼氣發酵細菌：目前公認的沼氣發酵過程 復雜有機物（多糖、脂類、蛋白質等）可溶性物質（糖類、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOHCH4H2O丙酸、丁酸等長鏈脂肪酸CH4CO2主要有五大菌群參與活動五大菌群：l.發酵性細菌：一些不溶性物質被發酵性細菌所分泌的胞外酶水解為可l 溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再將吸入細胞，發酵為l 乙酸、丙酸、丁 酸等和醇類及一定量的H2及CO2l以纖維素為例，反響過程

2、如下：l C6H10O5+ nH2O n(C6H12O6)l2 C6H12O6 CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2l.產氫產乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物質均不能被產甲烷菌所 l 利用，所以必須由產氫產乙酸菌將其分解轉化為乙 l 酸、氫和二氧化碳 l 反響過程如下：l CH3CH2COOH + 2H2O CH3COOH + CO2 + 3H2l CH3CH2CH2COOH + 2H2O 2CH3COOH + 2H2五大菌群：.耗氫產乙酸菌：它們既能利用H2+ CO2 生成乙酸，也能代謝糖類生 成乙酸。 2CO2 + 4H2 CH3C

3、OOH + 2H2O C6H12O6 3CH3COOH .產甲烷菌食氫、食乙酸：它們在厭氧條件下將前三群細菌代謝的 終產物，在沒有外源受氫體的情況下，把乙酸 和H2/CO2轉化成CH4/ CO2。產甲烷菌廣泛存在于水底 沉積物和動物消化道等極端厭氧的環境中。 生成CH4的主要反響如下： CH3COOH CH4 + CO2 4H2 + CO2 CH4 + 2H2O 4HCOOH CH4 +3CO2 + 2H2O 4CH3OH 3CH4+ CO2 + 2H2O 五大菌群各種發酵性細菌 玉米秸發酵時的發酵性細菌 五大菌群食氫產甲烷菌 甲烷八疊球菌甲烷絲菌產酸與產甲烷的速度平衡產酸與產甲烷的速度平衡

4、在穩定運行的厭氧消化器內，產酸與分解酸產生甲烷餓速度處于一個相對平衡的狀態，它們之間的平衡依賴于產酸菌和產甲烷菌的增長速度。經大量試驗公認以下計算細菌增長速度的公式莫諾公式： 上式中u與Ks均為常數，根據測定，在不同底物條件下，各類群細菌u與Ks的值如下表： 從表中的一系列數據可以看出：裂解乙酸的產甲烷菌可能出現的最大繁殖速度比葡萄糖酸化菌群要慢得多，這種在繁殖速度上的差距，是構成產酸與產甲烷速度失調的主要原因。 控制產酸與產甲烷階段的速度平衡一般是通過控制S和X來實現，如：消化器啟動時：1 投入原料底物的濃度不能太高，尤其是葡 萄糖類等物質不能太多。 2 投入大量厭氧活性污泥，是消化器內一開

5、 始就有很多產甲烷菌群。消化器運行階段：1 控制消化器負荷，即每單位體積消化器 每日投入有機物的量波動不能太大。 2 設法減少消化器出料是產甲烷菌的流失。 以上這些措施也要根原料的不同、不同的厭氧消化工藝等因素相配合使用。 1.2 沼氣發酵的條件 沼氣發酵就是培養和積累厭氧消化細菌，使細菌具有良好的生活條件；只有首先做到了這一點，才有可能得到較好的沼氣生產率或污水凈化效率。微生物的生命活動要求多種條件，其中條件主要包括發酵原料、厭氧活性污泥、消化器負荷、發酵溫度、PH值、碳氮比、有害物的控制及攪拌等。 原料類型固體物質含量 （%） 舉例 可溶性的 1 酒精濾液，豆制品廢水 低固體的1-5 酒醪

6、，丙丁醪，雞，豬舍沖洗水 中固體的6-20 牛糞，馬糞 高固體低木質的20 玉米秸，生物質垃圾 高固體高木質的20 雜白場，鋸末 1原料類型1.2.1 沼氣發酵原料： 發酵原料既是產生沼氣的底物，又是沼氣發酵細菌賴以 生存的養料來源 2有機物沼氣產量的測定和計算 發酵原料的組分決定了沼氣發酵時所產沼氣的量和成分碳水化合物的沼氣產量計算公式 C6H12O6 3CH4+CO2 180g ： 322.4L 1000g ： x在標準狀態下每摩爾氣體的體積均為22.4L那么每kg葡萄糖可產CH4及CO2均為x) 1 (31.3731804 .2231000 x 氣體成分（%） 每kgTS產氣量（L） C

7、H4 CO2 CH4 沼氣 糖 類 50 50 370 740 脂 肪 72 28 1040 1400 蛋 白 50 50 490 980 主要有機物沼氣產量與成分 農村常用原料的產氣量及產氣速度 產氣速率 各原料氣速率（%） 產氣量 發酵天數 10 20 93.5 40 60 (m3/kgTS) 豬糞 74.2 86.3 97.6 98.0 1000.42人糞 40.7 81.5 94.2 98.2 1000.43馬糞 63.7 80.2 89.0 94.5 1000.34牛糞 34.4 74.6 86.2 92.7 1000.30玉米秸 75.9 90.7 96.3 98.1 1000.5

8、0麥秸 48.2 71.8 85.9 91.8 1000.45稻草 46.2 69.2 84. 691.0 1000.40青草 75.0 93.5 97.8 98.9 1000.44 厭氧活性污泥 厭氧活性污泥是由厭氧消化菌與懸浮物質和膠體物質結合在一起形成的具有很強分解有機物能力的凝絮體，顆粒體或附著膜。見后面圖片展示 由于在厭氧消化過程中H2S的生成，使厭氧活性污泥呈現黑色，發育良好的污泥呈油亮的黑色。在帶有攪拌或懸浮固體較多的消化器里，厭氧污泥呈絮狀，黑色或灰黑色。在升流式厭氧污泥床UASB消化器中，發育良好的污泥呈顆粒狀，直徑一般在3mm左右。 圖片： 絮狀污泥 顆粒污泥 生物膜 厭氧

9、活性污泥的形態 厭氧活性污泥 在厭氧活性污泥中，細菌以菌膠團形式存在。產酸菌固定于菌膠團內，或分散于菌膠團外。甲烷絲菌或多或少地分布于各種污泥的內外，而甲烷八疊球菌那么往往被網絡其中，或游離存在。初形成的污泥中，懸浮物質較多，細菌較少，因而產甲烷活性較低，發育良好的污泥中細菌很多，特別是甲烷絲菌普遍分布，懸浮物質較少，并具有良好的結構，因而產甲烷活性也較高。圖片：厭氧活性污泥中的細菌 活性污泥及其放大 顆粒污泥形成的五個階段 生物膜中的產甲烷菌 1.2.3 溫度： 沼氣發酵可分為3個溫度范圍，50-65 稱高度溫發酵，20-45稱中溫發酵，20以下稱低溫發酵，此外隨自然溫度變化而變化的發酵方式

10、稱為常溫發酵。 高溫發酵的產氣率較高，但就能量角度講不劃算，一般只用于余熱可利用的單位或是需要殺害有害生物的廢物處理。中溫發酵的最適溫度為35左右。40-45對中溫或高溫發酵來說均屬于效率較低的范圍 溫度對產氣率的影響 1.2.4 pH值與堿度 pH值 沼氣發酵是在中性條件下的厭氧發酵，這與乳酸發酵不同， PH值下降沼氣發酵就會中止。沼氣發酵的最適PH值為6.87.4。6.4以下7.6以上都對產氣由抑制作用。 在沼氣池啟動時投料濃度過高，接種物中的產甲烷菌數量又缺乏時，以及在消化器運行階段突然升高負荷。都會因產酸與產甲烷的速度失調而導致PH下降，這一般是啟動失敗的主要原因。 堿度： 是指水中含

11、有的能與強酸相作用的所有物質的含量。可用標準鹽酸或硫酸滴定至pH=4.0時測出。它們可與揮發酸發生反響，使pH值不會有太大變動。主要以重碳酸鹽，碳酸鹽，氫氧化物三種形式存在 1.2.5 負荷 厭氧消化時的負荷通常是指發酵器的容積有機負荷kgCOD/m3d 。容積負荷是消化器設計和運行的重要參數，它的大小主要是由厭氧活性污泥的數量和活性決定，因此在運行過程中確定容積負荷的根據是污泥的負荷kgCOD/kgVSS 。 在一定的容積負荷條件下，發酵原料濃度不同，投料體積就不一樣，這就構成不同的水力負荷m3/m3.d 。在同樣有機負荷的條件下，有機物濃度高那么水力負荷低，有機物濃度低那么水力負荷高。當有

12、機物濃度根本穩定時，水力負荷那么成為工藝控制的主要參數。 1.2.6 C:N比值 發酵原料的C:N比值，是指原料中有機碳素與氮素含量的比例關系，因為微生物生長對碳氮比有一定要求，一般認為在啟動階段C/N不應大于30：1，在處理廢水時，COD:N:P的比值一般為350：5：1。表 農村常用原料的C/N值 種類 碳素含量（） 氮素含量（） C/N豬糞 7.8 0.60 13：1牛糞 7.3 0.29 25：1羊糞 16 0.55 29：1馬糞 10 0.24 24：1人糞 2.5 0.65 2.9：1干麥秸 46 0.35 87：1干稻草 42 0.63 67：1玉米秸 40 0.75 53：1樹

13、葉 41 1.0 41：11.2.7 攪拌 在生物反響器中，生物是依靠微生物的代謝活動而進行，這就要微生物不斷接觸新的食料。因此，攪拌是有效手段。 主要作用：使微生物與原料充分接觸，同時打破分層現象，使活動性層擴大到全部發酵液內，防止沉渣沉淀，防止產生或破壞浮渣層，保證池溫均一，促進氣液別離1.2.8 毒性化合物 一般情況下，農業剩余物中不會含有大量有毒物質，但畜禽場消毒、防疫中常會有較多藥物或是工廠有機廢水中常含有毒物質。這些物質會毒害或抑制沼氣發酵過程。 例如，有些有機氯毒性很強，如：CH2CL2 ,CHCL3和CCL4等，濃度在1mg/L,左右那么有較強的抑制作用，因此以三氯甲烷 CHC

14、L3為容積粘接的發酵器，常引起產甲烷菌的中毒而使發酵失敗。2 沼氣發酵工藝裝置沼氣發酵工藝裝置 2.1 沼氣發酵根本工藝流程 一個完整的大中型沼氣發酵工程，無論其規模大小，都包括了如下的工藝流程，原料廢水的收集、預處理、消化器沼氣池、出料的后處理、沼氣的凈化、貯存和輸配等 有機廢物剩余污泥（可用作肥料）儲存沼氣凈化調節池預處理厭 氧消 化器后處理用戶排放原料的收集 充足而穩定的原料供給是沼氣發酵工藝的根底，不少沼氣工程因原料來源的變化被迫停止運轉或報廢。原料的收集方式義直接影響原料的質量，如一個豬場采用自動化沖洗其TS濃度一般只有1.5%-3.5%，假設采用刮糞板刮出，那么原料濃度可達5%-6

15、%，如手工清運那么濃度可達20%左右。因此，在禽畜場或工廠設計時就應當根據當地條件合理安排廢物的收集方式及集中地點，以便就近進行沼氣發酵處理。2.1.2 原料的預處理 原料中常混有各種雜物，如牛糞中的雜草，雞糞中的雞毛和砂礫等。為了便于用泵輸及防止發酵過程中出現故障，或為了減少原料中的懸浮固體含量，有的在進入消化器前還要進行升溫或降溫等，因而要對原料進行預處理。酒精和丙酮丁醇廢醪，有條件時可采用固液別離機將固體殘渣分出用做飼料，有較好經濟效益。2.1.3 消化器 消化器或稱沼氣池是沼氣發酵的核心設備，微生物的繁殖，有機物的分解轉化，沼氣的生成都是在消化器里進行的，因此消化器的結構和運行情況是一

16、個沼氣工程設計的重點。 消化器的工藝類型，根據消化器水力滯留期HRT、固體滯留期SRT和微生物滯留期MRT相關性的不同，分為三大類 見下頁表。在一定HRT條件下，設法延長SRT和MRT,并使微生物與原料充分混合,是厭氧消化器科技水平提高的主要方向。 厭氧消化器的類型 類 型 滯留期特征 消化器舉例 常規型 MRT = SRT = HRT 常規消化器、連續攪拌罐、塞流式 污泥滯留型 （MRT 和 SRT） HRT 厭氧接觸、UASB、USR、折流式 IC 附著膜型 MRT (SRT 和 HRT) 厭氧濾器、流化床、膨脹床 2.2 常規型消化器 這類消化器的典型特征是發酵料中的液體、固體和微生物靠

17、攪拌作用均勻混合在一起，在出水的同時固體和微生物一起被淘汰，即HRT、SRT和MRT完全相等，消化器內由于沒有足夠的微生物，并且固體物質得不到充分的消化，因而效率較低。此類消化器包括我們通常所說的常規消化器、完全混合式和塞流式消化器等。 2.2.1 常規消化器 該消化器無攪拌裝置原料在消化器內呈自沉淀狀態，一般分為4層，從上到下依次為浮渣層、上清液層、活性層和沉渣層，其中厭氧消化活動旺盛的場所只限于活性層內，因而效率較低。 連續攪拌罐反響器CSTR CSTR又稱完全混合式，它是當前用于污水處理的典型常規消化器，在該反響器里原料的進入和流出處于動態平衡狀態，并且發酵液中的液體、固體和微生物處于混

18、合狀態，出水有機物濃度與反慶器內料液濃度相等 連續攪拌罐反響器CSTR優缺點：優點：1.該反響器可以進入高懸浮固體SS含量的原料； 2.消化器內底物均勻分布，增加了底物與微生物的接觸時機； 3.消化器內溫度分布均勻； 4.進入消化器內的任何一點的抑制物質，會迅速分散保持在最低水平； 5.防止了堵塞、溝流和氣體逸出不暢現象；6. 易于建立數學模型；缺點：1.由于該消化器無法做到使SRT和MRT在大于HRT的情況下運行，所需消 化器體積較大； 2.要有足夠的攪拌，所以能量消化耗較高；3.生產用大型消化器難以做 到完全混合； 4.出水底物濃度與反響器內底物濃度相等，底物流出該系統時未完全消 化，微生

19、物隨出料而流失。 2.2.3 塞流式消化器PFR2.2.3 塞流式消化器PFR PFR是一種長方形的非完全混合式消化器，原料從一端進入，呈活塞式推移狀態從另一端流出。由于消化器內沼氣的產生，呈現垂直的攪拌作用，而縱向攪拌作用甚微。在進料端呈現較強的水解酸化作用，甲烷的產生隨著向出料方向的流動而增強。由于該體系進料端缺乏接種物，所以要進行固體的回流。為減少微生物的沖出，在消化器內應設置擋板以有利于運行的穩定。 塞流式消化器塞流式消化器PFR優缺點優點：1.不需要攪拌裝置，結構簡單，能耗低； 2.適用于高SS的廢水處理，尤其適用于牛糞的消化，用于農場有 較好的經濟效益； 3.運轉方便，故障少，穩定

20、性高；缺點：1.固體物可能沉淀于底部，影響反響器的有效體積，使HRT和SRT 降低； 2.需要固體和微生物的再循環； 3.因該消化器面積/體積比值大，難以保持一致的溫度，效率較 低； 4.易產生厚的浮渣結殼。 2.3 污泥滯留型消化器 該類消化器的特征為通過各種固液別離方式將SRT、MRT與HRT加以別離，從而使消化器有較長的SRT和MRT和較短的HRT，提高了產氣量并縮小了消化器體積。包括固體回流式CSTR又稱厭氧接觸工藝、升流式厭氧污泥床UASB、膨脹顆粒污泥床(EGSB)、內循環厭氧反響器IC、升流式固體反響器USR和折流式反響器等。2.3.1 固體回流式CSTRCSTR/SR厭氧接觸工

21、藝 該工藝是CSTR的改進，通過沉淀和回流增加了微生物和未反響固體的滯留期，它廣泛應用于工業廢水的處理，如酒精廢液等。該工藝需要額外的設備來使固體和活性微生物沉淀與回流,又稱厭氧接觸工藝。 2.3.2 升流式厭氧污泥床 UASB UASB是目前開展最快的消化器，其特征是自下而上流動的污水穿流過膨脹的顆粒狀的污泥床。消化器分為三個區，即污泥床、污泥層和氣/固別離器 。升流式厭氧污泥床UASB升流式厭氧污泥床UASB的優缺點： 優點：1.除氣/固別離器外結構簡單，沒有攪拌裝置和填料 2.長的STR及MRT使其實現了很高負荷率 3.顆粒污泥的形成使微生物天然固定化，增加了工藝的穩定性 4.出水SS含

22、量低，5.適用于低SS含量廢水的處理 缺點：1.需要安裝氣/固別離器 2.需要有效的布水器，使進料能均布于消化器底部 3.進水要求低SS含量 4.在高水力負荷或高SS負荷時易流失固體和微生物，運行技術 要求較高 2.3.3 膨脹顆粒污泥床EGSB 膨脹顆粒污泥床實際上是改進的UASB。該工藝采用高達2030m的反響器或配以出水回流以獲得高的上升流速，使厭氧顆粒污泥在反響器內呈膨脹狀態從而保證了進水與顆粒污泥的充分接觸，使容積負荷可高達2030KgCOD/m.d。 在常溫下處理生活污水時，水力滯留期HRT達1.52h，COD去除率可高達90%。 EGSB工藝在低溫條件下處理生活污水時，也可以得到

23、比其它工藝更好的效果。 近年來他們的研究說明，在溫度為8。C的條件下，進水COD濃度 為5501100mg/L,反響器上升流速為10m/h時，其有機負荷達 5.16.7kgCOD/L.d，COD去除率達97%。 內循環IC厭氧反響器 IC反響器如同把兩個UASB反響器疊加在一起，在其內部增設了沼氣提升管和回流管，上部增加了氣液別離器。該反響器啟動時，投加了大量顆粒污泥。運行過程中，用第一反響室所產沼氣做動力，從而實現了下部料液的內循環。使處理低濃度廢水時循環流量可達進水流量的23倍，處理高濃度廢水時循環流量可達進水流量的1020倍 2.3.5 升流式固體反響器 USR USR是一種簡單而又低值的反響器，它能自動形成比HRT較高的SRT和MRT，未反響生物固體和微生物靠自然沉淀滯留于反響器內，可進入高SS原料如畜禽糞水和酒清廢液等，而且