沼气发酵
沼气发酵
食品院轻化071 肖小根
目录
?课程感言
?沼气发酵简介
?沼气发酵机理
?沼气发酵工艺
?沼气发酵工艺条件
?沼气池的类型
?沼气的利用与前景
?中国发展沼气产业的现实意义
课程感言
“发酵工程原理与技术”这门课程内容分为五篇，前三篇从原料到产物阐述了发酵的整个过程后两篇是对发酵工程的延伸。第五篇讲述的“发酵工厂废物处理和清洁生产技术”是目前我们国家及至全世界都在致力于发展的技术，以应对日趋严重的能源、资源和环境危机。
整本书的主要内容侧重于对发酵工程原理的介绍，大部分内容与“工业微生物学”和“生物化工”相类似，可以说是以往学习的相关知识的综合，在学习过程中也是一种巩固。我认为学习这门课程的目的最重要还是要知道如何去运用它。在本教中关于发酵工程的应用内容不多主要集中在第五篇：关于发酵工厂废物处理和清洁生产技术的介绍。这部分内容我也大略地看过，由于全球环境污染日趋严重，节能减排、防污治污技术必然成为全球的聚集点。对于这方面的内容我也比较感兴趣，我希望能找到一种技术，通过查找一些资料来系统地它认识和了解，同时也希望以此作为一根主线用具体的例子来串连起教材的所有内容，最终我选择了沼气发酵。选择它的理由有三点：1、更贴近于实际生活；2、它能够在节能减排、资源循环利用的条件下有效地改善农村居民的生活；3、该技术已经成熟，相关资料比较多，但亟待大力推广，学习它在将来更有可能用得上。
在介绍沼气发酵这一技术中，我主要引用了：《微生物学教程》（第二版高教出版社周德庆主编）和《发酵工程》（科学出版社韦革宏杨祥主编）和百度关于沼气发酵的内容。
我希望能够通过对“沼气发酵”的全面了解，以后自己可以来建造沼气池。
沼气发酵简介
沼气成分组成
沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(C O2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。
沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为2080 0－23600千焦。即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。
沼气的发现与沼气发酵的发展
沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。
世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。1955年新的沼气发酵工艺流程──高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7～1.5立方米沼气,提高到4～8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。
中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。目前中国农村户用沼气池的数量达13 00万座。而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已
在糖厂和酒厂正常运行。
沼气发酵机理
沼气（marsh gas ,swamp gas )又称生物气（biogas)，
是一种混合可燃气体，主要成分为甲烷，另有少量H2 、
N2和CO2。沼气发酵又称甲烷形成（methanogenesis)，
其生物化学本质是：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H 2还原 CO 2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废物——CH 4的过程。CH 4是其厌氧呼吸链的还原产物。CH 4形成可分3个阶段（图1）：
1、发酵性细菌
2、产甲烷细菌 （厌氧，兼性厌氧） （厌氧）
1 2产氢产乙酸
细菌（厌氧）
图1 甲烷形成的3个阶段
（微生物学教程第二版 周德庆）
（1）水解阶段 由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、H 2和CO 2。参与本阶段的水解性细菌包括专性厌氧菌如Clostridium （梭菌属）、Bacteroides （拟杆菌属）、Butyrivibrio （丁酸弧菌属）、Eubacterium （真杆菌属）和Bifidobacterium （双歧杆菌属）等；兼性厌氧菌如Streptococcus （链球菌属）和一些肠道杆菌等。
（2） 产酸阶段 由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、H 2和CO 2的过程。产氢产乙酸细菌旧称“Methanobacterium omelianskii ”（奥氏甲烷杆菌），1967年，M.P.Bryant 发现它实为两种细菌的共生体，其一是产氢产乙酸菌，称“S 菌”（G -，厌氧，能运动，杆状，能发酵乙醇产乙酸和H 2，当环境中H 2浓度高于0.5大气压时，生长受抑制）；另一称“MOH 菌（methanobacterium-oxidising hydrogen ，革兰氏染色可变，厌氧性杆菌，不能利用乙醇，但能利用H 2产甲烷）。
（3） 产气阶段 由严格厌氧的产甲烷菌群（methanogens ) 利用一碳化合物（CO 2、甲醇、甲酸、甲基胺或CO ）、二碳化合物（乙酸）和H 2产生甲烷的过程。
沼气发酵工艺
沼气发酵的基本工艺流程
图2 沼气发酵的基本工艺流程图 生物质： 多糖 蛋白质 脂肪
H 2 CO 2 乙酸 CH 4 CO 2 丙酸 丁酸 琥珀酸 乙醇 有机废物 调节池
预处理 厌氧消化器 后处理 排放
沼气 净化 储存 用户
剩余污泥
（周孟津等，2004）
1、原料处理
充足而稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础，原料的收集方式又直接影响原料的质量。收集到的原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天内均匀分配。所以，调节池的大小一般要能储存24小时废物量。在温暖季节，调节池常可兼有酸化的作用，这对改善原料性能和加速厌氧消化有好处。
2、原料的预处理
原料常混有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。在预处理时，应将牛粪或猪粪中较长的草、鸡粪中的鸡毛去除，否则极易引起管道堵塞。再配用切割泵进一步切短残留的较长的纤维或草，可有效地防止管路堵塞。鸡粪中还含有较多贝壳粉和砂砾等，必须沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部并且难以排除。乙醇和丙酮丁醇废醪因加热蒸馏，排出温度高达100摄氏度，因此需要降温后才能进入消化器，有条件时还可采用各种固液分离机械将固体残渣分出用作饲料，有较好的经济效益。有些高强度的无机酸碱废水在进料前还应进行中和，最好采用酸性废水和碱性废水混合处理，如将酸性味精废水和碱性造纸废水加以混合即可收到良好效果。
3、消化器（沼气池）
消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备。微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成都是在消化器时进行的，因此，消化器的结构和运行情况是沼气工程设计的重点。首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。目前应用较多的工艺类型及消化器结构有三类。
4、出料处理
出料后的处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分，过去有些工程未考虑出料的处理，导致二次污染。出料后处理的方式多种多样，最简便的是直接用作肥料施入土壤或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理。可靠的方法是将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于各种花果的复合肥；清液部分可经曝气池、氧化塘等好氧处理后排放，也可用于灌溉或再回用于生产用水。目前采用的固液分离方式有沙滤式干化槽、卧螺式离心机、水力筛、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。
5、沼气的净化、储存和输配
沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢气体生成并进入沼气。大型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和硫化氢。水的冷凝会造成管路堵塞，有时气体流量计中也充满了水，脱水通常采用脱水装置进行。H2S是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。H2S本身及燃烧时生成的SO2对人也有毒害作用。沼气中的H2S含量在1~12%/m3之间，蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的H2S含量就较高。H2S的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。
沼气的储存通常用浮罩式储气柜，以调节产气和用气的时间差别，以便稳定供应用气。沼气的输配是指将沼气输送分配至各用气户（点），输送管道通常采用金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管。
沼气发酵工艺条件
沼气发酵工艺的基本条件（联想微生物培养条件和培养基的制备）
（1）适宜的发酵温度
沼气池的温度条件分为：①常温发酵(也称为低温发酵)10℃～30℃，在这个温度条件下，产气率可为0．15～0．3 m3／m3?d。②中温发酵30℃～45℃，在这个温度条件下，池容产气率可达1m3 ／m3?d左右。③高温发酵45℃～6O℃，在这个温度条件下，池容产气率可达2～2．5 m3／m3?d左右。沼气发酵最经济的温度条件是35℃，即中温发酵。
（2）适宜的发酵液浓度
发酵液的浓度范围是2～30% 。浓度愈高产气愈多。发酵液浓度在20%以上称为干发酵。农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。夏季以温补料浓度为5～6%；冬季以料补温10～12%。
（3）发酵原料中适宜的碳、氮比例(C：N)
沼气发酵微生物对碳素需要量最多，其次是氮素，我们把微生物对碳素和氮素的需要量的比值，叫做碳氮比，用C：N来表示。目前一般采用C：N=25：1。但并不十分严格，20：1、25：1、30：1都可正常发酵。
（4）适宜的酸碱度(pH值)
沼气发酵适宜的酸碱度为pH=6．5～7．5 。pH值响酶的活性，所以影响发酵速率。
（5）足够量的菌种
沼气发酵中菌种数量多少，质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。一般要求达到发酵料液总量的10～30%，才能保证正常启动和旺盛产气。
（6）较低的氧化还原电位(厌氧环境)
沼气甲烷菌要求在氧化还原电位大于一330mv的条件下才能生长。这个条件即：严格的厌氧环境。所以，沼气池要密封。
沼气池的类型
经过多年的研究和生产实践上的应用，我国已经掌握了各种各样的厌氧消化工艺类型。同样一种沼气发酵原料或有机废水，可以使用不同的工艺类型或不同结构的消化器进行沼气发酵，从而实现不同的水力滞留期（HRT），固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），并得到不同的负荷和去除率。因为HRT，SRT和MRT的长短直接影响着消化器的性能，根据HRT，SRT和MRT的不同，可将厌氧消化器的特征为MRT，SRT和HRT相等，即液体、固体和微生物混合在一起，在出料时同时被淘汰，消化器内没有足够的微生物，并且固体物质由于滞留期较短而得不到充分消化，因而效率低；第二类消化器为污泥滞留型消化器，其特征是通过各种固液分离方式，将MRT和SRT与HRT加以分离，从而在较短的HRT的情况下获得较长的MRT和SRT，即在发酵液排出时，微生物和固体物质所构成的污泥得到保留；第三类消化器为附着于支持物表面，从而在进料中的液体和固体穿流而过的情况下固着滞留微生物于消化器内，从而消化器有较高的效率。
（一）常规型消化器
常规消化器也称常规沼气池，是一种结构简单、应用
广泛的发酵装置。该消化器无搅拌装置，自上而下分为浮
渣层、上清液层、活动层和沉渣层共四层，原料在消化器
内呈自然沉淀状态。而厌氧微生物活动旺盛的区域仅限于
活动层，因此效率较低。常规消化器多于常温条件下进行
运行。我国农村使用最多的水压式沼气池（如图3）就属常
规消化器。常规消化器有的采用分批投料运行，有的采用
图-3
半连续投料运行。
（1）分批投料分批投料是在沼气发酵应用上最普遍简单的工艺，其特点为在消化器启动时将原料和接种物一次投入消化器，直到产气停止或产气甚微时为止，再将发酵后的残余物全部取出，然后再重新投料进行启动。例如，农村用的水压式沼气池，在以秸杆为主要原料时，多进行分批投料发酵。这种工艺控制的主要参数为启动浓度、发酵周期及接种物的比例。启动浓度按总固体计算一肌应高于20%，发酵周期应根据原料来源、温度情况、用肥季节而定。一般夏秋季的发酵周期为100天左右。
分批投料的优缺点：1、优点：适用于季节性产物和高固体原料，消化器结构简单、造价低，使用管理简单，适用于农村家庭及农场；2、缺点：投料启动后，微生物牌自然繁殖状态，产气量无法控制，因百难以做以均衡产气，高浓原料启动时可能导致产酸和产甲烷的不平衡，从而导致因酸化使发酵失败。
（2）半连续投料即在消化器启动时一次性加入较多原料（一般占整个发酵周期投料总量的1/4~1/2），正常产气后，每隔一定时间进行一次投料，这样可使成批投料时无法控制的产气量等到控制。这种发酵工艺采用的主要原料是粪便和秸杆，应控制的主要参数是启动浓度、接种物的比例及发酵周期。启动浓度一般小于6%，接种物一般点料10%以上。在常温条件下，池温在20摄氏度以上时有机负荷为1~2kg/(m3·d)，产沼气率为0.2~0.5m3/(m3·d)。
2、完全混合式消化器
沼气
出水
进料
排泥
图4 完全混合式消化器示意图
完全混合式消化器也称高速消化器，是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，与常规消化器相比其效率比常规消化器有明显提高，故名高速消化器（如图4）。完全混合式消化器是一种使用最多，适用范围最广的消化器，但由于该消化器能耗大、效率比较低，应用范围逐渐缩小。完全混合式消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理，如汗水处理厂好氧活性污泥的厌氧消化装置，过去多采用该工艺。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用，很快与发酵器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。而其排出的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器最典型的HRT，SRT和MRT完全相等的消化器，为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，所以要求HRT较长。一般要求10~15天或更长时间。中温发酵时负荷为3~4kg/(COD/m3·d)，高温发酵负荷为5~6kg/(COD/m3·d)。由于人们认识了完全混合
式消化器的缺点，所以在应用过程中常加以改进，以延长SRT，从而达到提高产气率的目的。
该工艺的优缺点：1、优点，可以进入高悬浮固体含量的原料，消化器内物料均匀分布，避免了分层状态，增加底物和微生物接触的机会，消化器内温度分布均匀，进入消化器内任何一点的抑制物质，能够迅速分散保持在最低浓度水平，避免了浮渣结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象，易于建立数学模型；2、缺点，由于该消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大，要有足够的搅拌，所以能量消耗较高，生产用大型消化器难以做到完全混合，底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。
3、塞流式消化器
塞流式消化器亦称推流式消化器，是一种长方形的非完全混合式消化器，高浓度悬浮固体原料从一端进入，从另一端流出。由于消化器内沼气的产生，呈现垂直的搅拌作用，而横向搅拌作用甚微，原料在消化器的流动呈活塞式推移状态。在进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。由于进料缺乏接种物，所以要进行固体回流。为了减少微生物的冲出，在消化器内应设置挡板，有利于运行的稳定（如图5）。
塞流式消化器在我国已有多种应用，最早用于酒精废醪的厌氧消化，并推广至全国各地。后来用于牛粪厌氧消化效果较好，因牛粪质轻、浓度高，长草多，本身含有较多产甲烷菌，不易酸化，所以，用塞流式消化器处理牛粪较为适宜。
该工艺优缺点：1、优点：不需搅拌装置，结构简单，能耗低，适用于高SS悬浮固体废物的处理，尤其适用于牛粪的消化，用于农场效益佳，运转方便，故障少，稳定性高；2、缺点：固体物可能沉淀底部，影响反应器的有效体积，使HRT和SRT降低；需要固体和微生物的回流作为接种物；因该消化器面积/体积比值较大，难以保持一致的温度，效率较低；易产生厚的结壳。
(二）污泥滞留型消化器
通过采用各种固液分享方式使污泥滞留于消化器内，提高消化效率，缩小消化器体积。包括厌氧接触工艺、升流式厌氧污泥床、升流式固体反应器和内循环反应器等。
1、厌氧接触工艺
该工艺是在完全混合消化器之外加了一个沉淀池来收集污泥，由消化器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，上清液由沉淀池上部排出，沉淀下的污泥再回流至消化器内，这样既减少出水的固体物含量，又提高了消化器内的污泥浓度，从而在一定程度上提高了设备的有机负荷和处理效率，故在生产上被普遍采用。其工艺流程如图（4）所示。也被称为带有污泥回流的连续搅拌罐反应器。实践表明，该工艺允许污水中含有较高的悬浮固体，耐冲负荷，具有较大缓冲能力，操作过程比较简单，工艺运行比较稳定。
该工艺优缺点：1、优点：与完全混合式消化器相同，并可采用较高负荷率运行；2、缺点，需要额外的设备来使固体和微生物沉淀与回流。
2、升流式厌氧污泥床（UASB）
UASB是Lettinga等于1974~1978所研究成功的一项新工艺，是目前世界上发展最快的消化器，由于该消化器结构简单，运行费用低，处理效率高而引起人们的普遍兴趣。该消化器适用于处理可溶性废水，要求较低的悬浮固体含量。
UASB的工作原理：UASB消化器内部分为3个区，从下至上为污泥床、污泥层和气、液、固三相分离器。消化器的底部是浓度很高并具有良好沉淀性能和凝聚性的絮状或颗粒状污泥形成的污泥床。污水从底部经布水管进入污泥床，向上穿流并与污泥床内的污泥混合，污泥中的微生物分解污水中的有机物，将其转化为沼气。沼气以微小气泡形式不断放出，产基上升过程中不断全并成大气泡，在上升的气泡和水流的搅动下，消化器上部的污泥处于悬浮状态，形成一个浓度较低的污泥悬浮层。在消化器的上部高有气、液、固三相分离器。在消化器内生成的沼气气泡受反射板的阻挡进入三相分离器下面的气室内，再由管道经水封而
排出固、液混合液经分离器的窄缝进入沉淀区，在沉淀区内由于污泥沉淀至斜壁上的污泥沿着斜壁滑回污泥层内，使消化器内积累大师的污泥。分离出污泥后的液体从沉淀区上表面进入溢流槽而流出。见图（5）所示。
UASB的优缺点：1、优点，除三相分离器外，消化器结构简单，无搅拌装置及供微生物附着的填料，长的SRT和MRT使其达到很高的负荷率，颗粒污泥的形成，使微生物天然固定化，改善了微生物的环境条件，增加了工艺的稳定性，出水的悬浮固体含量低；2、缺点：需要安装三相分离器，进水中只能含有低浓度的悬浮固体，需要有效的布水器使进料能均布于消化器的底部，当冲击负荷或进料中悬浮固体含量升高，以及遇到过量有毒物质时，会引起污泥流失。
3、膨胀颗粒污泥床（EGSB）
膨胀颗粒床实际上是改进的UASB，是Lettinga等在观察到UASB内可形成颗粒污泥后百实验研究出的一种新工艺。该工艺采用高达20~30m的反应器或配以出水回流以获得高的上升流速，使厌氧颗粒污泥在反应器内呈膨胀状态而得名。EGSB的上升流速高达6~12m/h，而UASB的上升流速通常只有1~2m/h，高的上升流速使颗粒污泥在反应器内处于悬浮状态，从而保证了进水与颗粒污泥的充分接触，使容积负荷COD可高达20~30㎏/（m3·d)。DGSB 工艺在低温条件下处理低浓度污水时，可以得到比其他工艺更好的效果。近年来研究表明，在温度为8o C的条件下，进水COD浓度为550~1100mg/L，反应器上升流速为10m/h时，其有机负荷COD1.5~6 .7g/(L·d),COD去除率达97%。
4、内循环（IC）厌氧反应器
内循环（Internal Circulation)厌氧反应器，简称IC，见图（6）。1986年由荷兰某公司研究成功并用于生产，是目前世界上效能最高的厌氧反应器。该反应器是集UASB反应器和液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并已投料液内循环的一种新型反应器。近年来，清华大学对该反应器进行了深入的研究并已投入生产使用。
IC反应器的技术优点：具有很高的容积负荷北，其进水有机负荷率远比普通的UASB 反应器高，一般可高出3倍左右；节省基建投资和占地面积，IC反应器的体积仅为普通UASB 反应器的1/4~1/3，不仅体积小，而且高径比大，所以占地面积较少，投资省；IC反应器是以自身产生的沼气作为提升的动力实现强制循环，从而可节省能耗；抗冲击负荷能力强，IC 反应器实现了内循环，由于循环流量与进水在第一反应室充分混合，使原废水中的有害物质等到充分稀释，大大降低了有害程度，对pH起缓冲作用，使反应器内的pH保持稳定，可减少进水的投碱量；出水稳定性好，IC反应器相当于两级UASB工艺处理，所以出水水质较稳定。
（三）附着膜型消化器
这类反应器的突出特点是微生物固着于安放在消化器内的惰性介质上，在允许原料中的液体和固体穿流而过的情况下，固定微生物于消化器内。应用或研究较多的附着膜反应器有厌氧滤器（AF）、流化床（FBR）和膨胀床（FBR）。
1、厌氧滤器（AF）
厌氧滤器是在它的内部安置有惰性介质（又称填料），过去多采用石块、焦炭、煤渣或蜂窝状塑料制品，现在多采用合成纤维填料。沼气发酵细菌，尤其是产甲烷菌具有在固体表面附着的习性，它们呈膜状附着于惰性介质上，并在介质之间的空隙里互相黏附成颗粒状或絮状存留下来，当浸水自下而上或自上而下流动通过生物膜时，胡机物被细菌利用而生成沼气如图（6）。生物膜由种类繁多的细菌组成，随着污水的流动，固着的微生物群体也有所变化。在AF内，填料的主要功能是为厌氧微生物提供附着生长的表面积，一般来说，单位体积消化器内载体的表面积越大，可承受的有机负荷越高。除此之外，填料还要有相当的空隙率，空隙率高，则在同样的负荷条件下HRT越长，有机物去除率越高，另外，高空隙率对
防止滤池堵塞和产生短流均有好处。生物膜的过多积累和在填料空隙中污泥的沉积，以及高SS原料的进入都会导致滤器的堵塞，特别是当使用石块、煤渣做填料时堵塞现象尤为严重；若使用纤维填料，这种情况会有所改善。
该工艺优缺点；1、优点，不需要搅拌操作，由于具有较高的负荷率，使消化器体积缩小，微生物呈膜状固着在惰性介质上，MRT长，污泥浓度高，运行稳定，技术要求较低，更能够承受负荷变化；长期停运后可更快地重新启动；2、缺点，填料的费用较高，安装施工较复杂，填料寿命一般1~5年，要定进更换，易产生堵塞和短路，只能处理低SS 自变量的废水，对高SS废水效果不佳并易造成堵塞。
目前厌氧滤器在国内外的应用都较少，其发展前途将视其与UASB性能的综合比较而决定，一些新型填料的应用还有待长期运行的考验。
2、流化床和膨胀床（FBR和EBR）
流化床和膨胀床都属于附着生长型生物膜反应器，在反应器内部填有像砂粒一样大小的（0.2~0.5㎜）惰性（如细砂）或活性的（如活性炭）颗粒供微生物附着，如焦炭粉、硅藻土、粉煤灰工合成材料等。当有机污水自下而上穿流过细小的颗粒层时，污水及所产气体的气流颗粒表面都被生物膜所覆盖其比表面积可达300㎡/m3。能支持更多的微生物附着，创造了比HRT更长的MRT，因而使消化器具有更高的效率。这两种反应器要以在相当短的HRT的情况下，允许进料中的液体和少量固体物穿流而过。适用于容易消化的低固体物含量的有机污水的处理如图（7）
该工艺优缺点：1优点，有更在的比表面积供微生物附着，可以达到更高的负荷，因为有高浓度的微生物使运行更稳定，能承受负荷的变化，在长时间停运后可更快的启动，可以利用固体物含量低的原料，消化器内混合状态较好；2、缺点，为使颗粒膨胀或流态化需要高的能耗和维持费，支持介质可能被冲出，损坏泵或其他设备，在出水中回收介质颗粒势必要花更多钱，不能接受高固体含量的原料，需要长的启动期，可能需要脱气装置从出水有效地分开介质颗粒和悬浮固体。
（四）其他沼气发酵工艺
两阶段厌氧消化在中国又称两步发酵或两相厌氧消化，是将沼气的水解酸化阶段和产甲烷加以隔离，分别在两个消化器内进行的沼气发酵工艺，如图（8）所示。
由于水解酸化菌繁殖较快，所以酸化发酵器体积较小，通常靠强烈的产酸作用将发酵液pH降低到5.5以下，这样在该发酵器内就足以抑制产甲烷菌的活动。产甲烷菌繁殖速度慢，常成为厌氧消化器的限速步骤，因而产甲烷消化器体积较大。因其进料是经酸化和分离后的胡机酸溶液，悬浮固体含量很低，所以采用了UASB。两阶段厌氧消化适用于固体物含量高并且产酸较多的废物的处理。这样才能保持酸化反应器的低pH，从而抑制产甲烷菌的活动，做到酸化阶段和产甲烷阶段的分离。
固体废弃物的两步发酵，先将秸杆等固体物置于喷淋固体床内进行酸化，淋洗出的酸液进入甲烷化发酵器产生沼气。利用甲烷
化UASB的出水再循环喷淋固体床，固
体甲烷化UASB产气率为3.12L/（L·d）。
该工艺流程见图（8）
沼气的利用及前景
1沼气传统利用和综合利用技术
沼气作为能源利用已有很长的历
史。我国的沼气最初主要为农村户用沼气池，20世纪70年代初，为解决秸秆焚烧和燃料供应不足的问题，我国政府在农村推广沼气事业，沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。目前，户用沼气在我国农村仍在广泛使用。我国的大中型沼气工程始于1936年，此后，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围。随着我国经济发人民生活水平的提高，工业、农业、养殖业的发展，大废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。
自80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术沼气为纽带，物质多层次利用、能量合理流动的高效农产模式，巳逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的有效方法。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生产、加工，沼液用料、饲料、生物农药、培养料液的生产，沼渣用于肥料、的生产，我国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体”沼气生态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的“猪一果”模式、以及其他地区因地制宜建立的“养殖一沼气植”、“猪一沼一鱼”和“草一牛一沼”等模式都是以业为龙头，以沼气为纽带，对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模式，沼气发酵综合利用生态农业模建立使农村沼气和农业生态紧密结合起来，是改善农村环境卫生的有效措施，是发展绿色种植业、养殖业的有效途径，已成为农村经济新的增长点。
2沼气发电技术
沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术，它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上，并装有综合发电装置，以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点，是一种分布广泛且价廉的分布式能源。
沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。生物质能发电并网在西欧一些国家占能源总量的10%左右。
我国沼气发电有30多年的历史，在“十五”期间研制出20～600kW纯燃沼气发电机组系列产品，气耗率0．6～0．8m0／kw h(沼气热值~>21MJ／m0)。但国内沼气发电研究和应用市场都还处于不完善阶段，特别是适用于我国广大农村地区小型沼气发电技术研究更少，我国农村偏远地区还有许多地方严重缺电，如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难，而这些地区却有着丰富的生物质原料。如能因地制宜地发展小沼电站，则可取长补短就地供电。
3沼气燃料电池技术
燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能，直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时，它可以连续发电。依据电解质的不同，燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)等。
燃料电池不受卡诺循环限制，能量转换效率高，洁净、无污染、噪声低，模块结构、积木性强、比功率高，既可以集中供电，也适合分散供电。燃料电池将是21世纪最有竞争力的高效、清洁的发电方式，它将在洁净煤燃料电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面，有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。
沼气燃料电池是最新出现的一种清洁、高效、低噪音的电装置，与沼气发电机发电相比，不仅出电效率和能量利用率高，而且振动和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物浓度低，因此是很有发展前途的沼气利用工艺，将沼气用于燃料电池发电，是有效利用沼气资源的一条重要途。我国的燃料电池研究始于1958年。但是，由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少，就燃料电池技术的总体水平来看，与发达国家尚有较大差距。燃料电池的出现与发展，将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命，并且还会波及到汽车业、住宅以及社会各方面的集中供电系统。
4污染治理
对于以农业为主的中国，沼气技术在农业领域正发挥着很大的作用，目前，国家制定法律法规中有许多发展农村沼气的有关政策规定，并在全国各地大力推动大中型沼气工程建设，并且进一步提高设计、工艺和自动控制技术水平。预计到2015年，处理工业有机废水的大中型沼气工程达2500座，形成年生产沼气能力40亿立方米，相当于343万吨标准煤，年处理工业有机废水37500万立方米。农业废弃物沼气工程到2015年累计建成近4100个，形成年生产沼气能力4.5亿立方米，相当于58万吨标准煤，年处理粪便量1．23亿吨，从而解决全国集约化养殖场的污染治理问题，使粪便得到资源化利用。
中国发展沼气产业的现实意义
沼气是可再生的清洁能源，既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。
中国农业资源和环境的承载力十分有限，发展农业和农村经济，不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来，促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气，优化广大农村地区能源消费结构，是中国能源战略的重要组成部分，对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。沼气知识的普及和应用并非纸上谈兵，是一个任重而道远的过程！
二○一○年六月六日星期日
沼气生产工艺流程
沼气生产工艺流程 图7-1工艺流程简图二、工艺流程简述
厌氧消化的主要粪源为项目所在地周边的养殖场的猪粪、秸秆、餐厨垃圾和园区及周边的蔬菜残余，猪粪有干清猪粪和水冲猪粪。干清猪粪、秸秆和蔬菜残余这三种原料采用固体进料系统进料，水冲猪粪和餐厨垃圾采用液体进料系统进料。 秸秆经过X-Ripper破碎机破碎后，通过铲车输送至预混池中，预混池中装有潜水搅拌机，可将破碎的秸秆和水充分混匀（TS为7.5%），混匀后的物料采用螺杆进料泵泵送至生物预处理发酵罐，生物预处理后的秸秆溢流至出料池后用螺杆泵泵送至快速混合系统。 蔬菜残余经X-Ripper破碎机破碎后，用铲车输送至固体进料系统，干清猪粪也被加到固体进料系统中，然后通过无轴螺旋输送机输送至快速混合系统，从厌氧反应器泵出的出料也被输送到快速混合系统。经预处理的秸秆、破碎的蔬菜残余、猪粪、工艺水和反应罐的出料在快速混合系统中混合并最终被输送到厌氧反应罐中。 水冲猪粪、破碎后的餐厨垃圾在混料池中混合均匀后经螺杆泵泵入厌氧反应罐中。 厌氧反应罐内设中轴搅拌装置，罐内物料呈全混状态，在适宜的碱度、温度条件下确保厌氧反应充分进行。厌氧反应产生的沼气经净化系统净化后部分供居民用气，其余部分经由净化提纯、高压储气柜储存后运送至加气站；消化罐内出来的残渣由螺杆泵输送至换热器经热交换后流入缓冲池，再由污泥泵输送入卧螺式离心分离机进行固液分离，分离后的沼渣沼液作为有机肥厂的原料，根据市场需求生产有机肥。出于安全因素的考虑，需要在变压吸附系统前设置一个沼气火炬。 设置换热器回收出料热量，进行余热利用，减少外加热量，进而减少能源消耗。设置燃煤锅炉以补充余热回收热量的不足，在厌氧消化罐内设置加热盘管，维持厌氧反应稳定运行的温度。 1、预处理工艺 秸秆单独收集，收集后先进行粉碎，然后采用生物预处理。 蔬菜残余单独收集，收集后进行破碎。 猪粪经过格栅，去除石块、塑料等大的无机物质。
化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵的原理
MBR工艺组合 膜生物反应器是一种由膜分离与生物处理技术组合而成的废水生物处理新工艺。膜的种类繁多，按分离机理进行分类，有反应膜、离子交换膜、渗透膜等;按膜的性质分类，有天然膜(生物膜)和合成膜(有机膜和无机膜) ;按膜的结构型式分类，有平板型、管型、螺旋型及中空纤维型等。 1、MBR工艺在国内的研究现状 80年代以来，膜生物反应器愈来愈受到重视，成为研究的热点之一。目前该技术己应用于美国、德国、法国和埃及等十多个国家，规模从6m3/d至13000m3/d不等。 我国对MBR的研究还不到十年，但进展十分迅速。国内对MBR的研究大致可分为几个方面： 1.探索不同生物处理工艺与膜分离单元的组合形式，生物反应处理工艺从活性污泥法扩展到接触氧化法、生物膜法、活性污泥与生物膜相结合的复合式工艺、两相厌氧工艺; 2.影响处理效果与膜污染的因素、机理及数学模型的研究，探求合适的操作条件与工艺参数，尽可能减轻膜污染，提高膜组件的处理能力和运行稳定性; 3.扩大MBR的应用范围，MBR的研究对象从生活污水扩展到高浓度有机废水(食品废水、啤酒废水)与难降解工业废水(石化、印染废水等)，但以生活污水的处理为主。
2、MBR工艺的特点 与传统的生化水处理技术相比，MBR具有以下主要特点： 1.高效地进行固液分离,其分离效果远好于传统的沉淀池,出水水质良好,出水悬浮物和浊度接近于零,可直接回用,实现了污水资源化。 2.膜的高效截留作用,使微生物完全截留在生物反应器内,实现反应器水力停留时间(HRT)和污泥龄(SRT)的完全分离,运行控制灵活稳定。 3.由于MBR将传统污水处理的曝气池与二沉池合二为一,并取代了三级处理的全部工艺设施,因此可大幅减少占地面积,节省土建投资。 4.利于硝化细菌的截留和繁殖,系统硝化效率高。通过运行方式的改变亦可有脱氨和除磷功能。 5.由于泥龄可以非常长,从而大大提高难降解有机物的降解效率。 6.反应器在高容积负荷、低污泥负荷、长泥龄下运行,剩余污泥产量极低,由于泥龄可无限长,理论上可实现零污泥排放。 7.系统实现PLC控制,操作管理方便。 3、MBR工艺的组成 通常提到的膜- 生物反应器实际上是三类反应器的总称： 1.曝气膜- 生物反应器(Aeration Membrane Bioreactor, AMBR) ; 2.萃取膜- 生物反应器( Extractive Membrane Bioreactor, EMBR ); 3.固液分离型膜- 生物反应器( Solid/Liquid Separation MembraneBioreactor, SLSMBR, 简称MBR )。 曝气膜 曝气膜--生物反应器(AMBR)采用透气性致密膜(如硅橡胶膜)或微孔膜(如疏水性聚合膜)，以板式或中空纤维式组件，在保持气体分压低于泡点( Bubble Point)情况下，可实现向生物反应器的无泡曝气。
沼气发酵
沼气发酵 食品院轻化071 肖小根 目录 ?课程感言 ?沼气发酵简介 ?沼气发酵机理 ?沼气发酵工艺 ?沼气发酵工艺条件 ?沼气池的类型 ?沼气的利用与前景 ?中国发展沼气产业的现实意义 课程感言 “发酵工程原理与技术”这门课程内容分为五篇，前三篇从原料到产物阐述了发酵的整个过程后两篇是对发酵工程的延伸。第五篇讲述的“发酵工厂废物处理和清洁生产技术”是目前我们国家及至全世界都在致力于发展的技术，以应对日趋严重的能源、资源和环境危机。 整本书的主要内容侧重于对发酵工程原理的介绍，大部分内容与“工业微生物学”和“生物化工”相类似，可以说是以往学习的相关知识的综合，在学习过程中也是一种巩固。我认为学习这门课程的目的最重要还是要知道如何去运用它。在本教中关于发酵工程的应用内容不多主要集中在第五篇：关于发酵工厂废物处理和清洁生产技术的介绍。这部分内容我也大略地看过，由于全球环境污染日趋严重，节能减排、防污治污技术必然成为全球的聚集点。对于这方面的内容我也比较感兴趣，我希望能找到一种技术，通过查找一些资料来系统地它认识和了解，同时也希望以此作为一根主线用具体的例子来串连起教材的所有内容，最终我选择了沼气发酵。选择它的理由有三点：1、更贴近于实际生活；2、它能够在节能减排、资源循环利用的条件下有效地改善农村居民的生活；3、该技术已经成熟，相关资料比较多，但亟待大力推广，学习它在将来更有可能用得上。 在介绍沼气发酵这一技术中，我主要引用了：《微生物学教程》（第二版高教出版社周德庆主编）和《发酵工程》（科学出版社韦革宏杨祥主编）和百度关于沼气发酵的内容。 我希望能够通过对“沼气发酵”的全面了解，以后自己可以来建造沼气池。
发酵原料与产沼气量
该表显示粪便和干粪其每公斤有机干物及每立方米发酵原料的气体产量。 原料固体 物% 有机固体物 占固体物% 平均产气量 立升/每公斤固体有机物 沼气 立方/每吨原料 苹果发酵下脚料 3 95 500 14 苹果渣25 86 700 151 啤酒渣25 65 700 116 生物垃圾40 50 615 123 干血粉屑90 80 900 648 脂眆分离残余物30 95 1000 285 漂浮淤泥15 90 1000 135 饲料和甜菜叶16 79 500 63 蔬菜下脚料15 76 615 70 绿草42 90 780 295 草药提取后剩物53 55 650 189 鸡粪便15 77 465 54 椰子壳95 91 700 605 土豆茎25 79 840 166 土豆发酵下脚料14 90 420 53 污水淤泥 4 70 525 15 苜蓿植物20 80 800 128 厨房下脚料14 93 550 72 树叶85 82 650 453 猪胃内杂物14 82 420 48 庄稼下脚料37 93 800 275 玉米青贮32 91 700 204 玉米秸杆86 72 900 557 水果渣45 93 615 257 油料作物下脚料92 97 700 624 内脏(压过) 28 90 500 126 内脏(未处理过) 15 84 500 63 马粪(新鲜) 28 75 580 122 油菜籽提炼后的粉89 92 633 518 牛粪便8 81 400 26 牛粪(新鲜) 22 83 420 77 羊粪(新鲜) 27 80 750 162 猪粪便 6 81 450 22 猪粪便85 85 500 361
厌氧发酵原理及其工艺
1.4 实验研究目的，技术路线 我国目前的农作物发酵制沼气技术与发达国家相比,起步较晚,大型项目的运行经验相对较少。由于我国幅员辽阔,不同地域的农作物资源种类不同,其物理和化学性质也有较大的差别,加之我国不同地区年平均气温差别较大,使我国农作物厌氧发酵制备沼气的大型项目难有统一的设计参数标准。对于不同的大型沼气项目,必须结合项目实际的农作物种类和物性、气候条件、供热条件、沼液和沼渔的消纳和后续处理工艺、农作物的价格和最大运输半径、原料的储存和供料方式、发电机组的选型等因素进行综合考虑,才能使项目实施后获得最佳的经济和社会效益。 根据我国农作物制备沼气技术的应用现状,结合本文研究的农作物制备沼气项目实际案例,本文的研究目的为:;研究发酵原料的物理化学性质和产气率,提出合理估算农作物（主要是黄瓜藤）和粒径的方法,为项目实例提供工艺选择、系统设计和经济性计算提供可靠依据。 为了实现上述目的,本文研究内容主要集中如下几个方面: （1）研究农作物破碎预处理的特点,为合理计算破碎预处理能耗提供计算方法。 （2）研究了黄瓜藤的鲜活度对发酵产气量和产气速率等因素的影响。 （3）不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响；为了厌氧发酵反应的持续反应，同时还研究不同投配率对于pH值的影响。 1.5 论文章节安排 本论文共包括六章内容。 第一章介绍课题的研究背景，国内能源消费和可再生能源利用现状，以及课题的主要研究内容和意义。 第二章厌氧发酵反应制备沼气的基本原理和影响参数。
第三章阐述农作物的破碎原理，从中说明粒度与能耗间的关系，并且从能耗的角度分析不同粒度的颗粒的耗能情况。 第四章针对需要采用实验方法对各个因素进行研究，确定实验的数据测量的方法以及实验进行过程中需要的注意事项，防止实验失败。 第五章实验采用定制CSTR厌氧反应器对黄瓜藤在中温条件下进行厌氧消化反应实验，研究系统的稳定性能和产气性能。 第六章作出对课题的总结和展望，总结本课题的研究成果，并提出不足之处和以后还需进一步研究的方向。
沼气发酵工艺介绍
1.2.2 厌氧处理工艺选择 1、各类厌氧工艺性能概述 （1）完全混合厌氧工艺（CSTR） CSTR是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵期内的发酵液混合，使发酵池底浓度始终保持相对较低的状态。而其排除的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器具有完全混合的状态，其水力停留时间、污泥停留时间、微生物停留时间完全相等，即HRT=SRT=MRT。为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10-15d或更长的时间，进料浓度8%-12%。中温发酵时负荷为3-4kgCOD（m3.d），高温发酵为5-6 kgCOD（m3.d）。 CSTR的优点：1.可以进入高悬浮固体含量的原料；2.消化器内物料的均匀分布，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；3. 消化器内温度分布均匀；4.进入消化器的抑制物质，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。 缺点：1.由于消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；2.要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；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。 （2）厌氧接触工艺反应器 厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。其不足之处在于，厌氧污泥经沉淀池再回流，温度变化较大，影响了厌氧处理效率的提高，同时，厌氧罐内的热能损失也较大。但因受水泵性能的限制，该装置进料的干物质浓度（TS%）为4-6%，故需配兑2.5-3倍于发酵原料重量的配料污水；还需多级“预处理”以去除堵察水泵和管道的秸草等较大固形物。 （3）厌氧滤器（AF） 厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。 （4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，
沼气池的构造原理(附设计图纸)
2 沼气池的建造技术 2.1 沼气的基本知识 2.1.1 沼气及其产生过程 沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，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，所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此，有机物变成沼气的过程，就好比工厂里生产一种产品的两道工序：首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品——结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品——即生成甲烷。 2.1.2 沼气的成分 沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢(H2S)、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。 2.1.3 沼气的理化性质 沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很少，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。 甲烷是简单的有机化合物，是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，最高温度可达 1?400? ℃左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦，相当于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。 2.2 家用沼气池的类型 随着我国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广，根据当地使用要求和气温、地质等条件，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、曲流布料水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式虽然多种多样，但是归总起来大体由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。与四位一体生态型大棚模式配套的沼气池一般为水压式沼气池，它又有几种不同形式。 2.2.1 固定拱盖水压式沼气池 固定拱盖水压式沼气池有圆筒形(见图2.1)、球形(见图2.2)和椭球形(见图2.3) 三种池型。这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”(也就是U形管沼气压力表显示的数值)。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就称之为水压式沼气池。
如何建沼气池和原理
沼气池发酵原理及修建与管理 山东绿环动力设备有限公司杨思卫转载提供 第一讲沼气发酵基础知识 一、什么是沼气 λ在日常生活中，特别是在气温较高的夏、秋季节，人们经常可以看到，从死水塘、污水沟、储粪池中，咕嘟咕嘟地向表面冒出许多小气池，如果把这些小气泡收集起来，用火去点，便可产生蓝色的火苗，这种可以燃烧的气体就是沼气。 λ沼气实质上是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，经凼气微生物的发酵转换而成的一种方便、清洁、优质、高品位气体燃料，可以直接炊事和照明，也可以供热、烘干、贮粮。 二、沼气的来源 λ可分为天然沼气和人工沼气两大类。 人工沼气和天然沼气的差异
三、沼气的成分 都是以甲烷为主要成分混合气体，沼气中的主要成分是甲烷（λCH4）、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%，其他成分含量较少。沼气中的甲烷、氢气、一氧化碳等是可以燃烧的气体，人类主要利用这一部分气体的燃烧来获得能量。 四、沼气的性质 沼气是一种无公气体，有轻微有臭鸡蛋味，燃烧后，臭鸡蛋味消除。λλ 1、热值:甲烷是一种发热相当高的的优质气体燃料。 2、比重:与空气要比，甲烷的比重为0.55，沼气较轻，分布在上层；二氧化碳较重，分布于下层。λ 3、溶解度:甲烷在水中的溶解度很小。λ λ 4、临界温度和压力:平均临界温度为-37℃，平均临界压力为 56.64×105帕，也是沼气只能以管道输气。 λ5、燃烧特性:一个体积的沼气需要6—7个体积的空气才能充分燃烧。 第二讲沼气发酵基本原理 一、沼气发酵微生物 1、不产甲烷菌：不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。
厌氧发酵过程三阶段理论
厌氧发酵过程三阶段理论： 一、有机物水解和发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪转化为单糖氨 基酸、脂肪酸、甘油、CO2、H等 二、把第一阶段产物转化为H、CO2和CH3COOH 三、通过两组生理物质上不同产CH4菌作用，将H和CO2转化为CH4，对CH3脱 羧产生CH4。 厌氧消化原理：有机物厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段。而对于不溶性有机物（有机垃圾），一般可认为在上述两个阶段之前多一个“水解 阶段”，水解阶段起作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质水解菌；在水解酶作用下，转化产生单糖、酞和氨基酸、脂肪酸和甘油。产酸阶段起作用细菌是发酵性细菌，产氢产乙酸和耗氢产乙酸菌在胞内酶作用下，转化产生挥发性脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳；产甲烷阶段是产甲烷菌利用H2、CO2、乙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中H2、CO2和乙酸是主要基质。 名词： VFA: Volatile acid 挥发酸
COD: Chemical oxygen demand 化学需氧量 BOD: Biochemical oxygen demand 生物需氧量 TOD: Total oxygen demand 总需氧量 TOC: Table of content 总有机碳 TS: Total solid 总固体 SS: Suspend solid 悬浮固体 VS: Volatile solid 挥发固体 HRT: 水利滞留时间=消化器有效容积/每天进料量 SRT: 污泥停留时间：单位生物量在处理系统中的平均停留时间 SVT: 污泥体积系数：单位体积水样在静置30min后，污泥体积数 MRT: 微生物滞留时间 PFR:塞流式反应器（Plug flow reactor）高浓度悬浮固体发酵原料一段进入，从另一段排除。 USR:生流式固体反应器（Upflow solid reactor）原料从底部进入消化器，上清从消化器上部溢出 UASB:生流式厌氧污泥床（Upflow anaerobic sludge bed）自下而上流动污水通过膨胀的颗粒状污泥床消化分解，消化器分为污泥床、污泥层和三相分离器。 UBF：污泥床过滤器。将UASB和厌氧过滤器结合为一体的厌氧消化器，下部为污泥床，上部设置纤维填料。 EGSB:膨胀颗粒污泥床（Expanded granular sludge bed）与UASB反应器有相似之处，可分为进水配水系统、反应区、三相分离区和出水渠系统，EGSB没有专门的出水回流系统。 ABR:厌氧折板反应器（Anaerobic baffled reactor） SBR:间歇曝气方式运行活性污泥水处理技术，又称序批式活性污泥发（Sequencing batch reactor actirated sludge process） USSB:(Upflow staged sludge bed)
牧场沼气发酵工程设计方案
***市***牧场沼气发酵工程 设 计 方 案
编制单位：武汉***环保科技有限公司 编制日期：二零一一年四月 目录 第一章概述 (3) 第一节项目概况 (3) 第二节设计原则 (3) 第三节设计范围 (4) 第二章沼气发酵工程总体设计 (5) 第一节主要设计依据 (5) 第二节沼气发酵工程建设规模 (6) 第三节沼气发酵工程位置 (6) 第四节污水水质 (6) 第五节工艺方案的确定 (7) 第六节治理工艺流程 (8) 第七节工艺流程特点 (9) 第三章沼气工程主要处理设施的设计及设备选型 (9) 第四章建筑结构设计 (12) 第一节概述 (12) 第二节结构设计 (12) 第五章电气 (13) 第一节范围 (13)
第二节供电电源 (13) 第三节负荷计算 (13) 第四节照明及接地保护 (13) 第六章消防篇 (15) 第一节防火等级 (15) 第二节防火措施 (15) 第七章机械设备设计 (16) 第一节设计原则 (16) 第二节设备选型 (16) 第八章节能设计 (17) 第九章劳动安全卫生 (18) 第一节主要安全隐患 (18) 第二节设计中采取的主要防范措施 (18) 第十章组织机构 (20) 第十一章工程指标 (21) 第十二章工程技术经济指标 (24) 第十三章施工期限 (25) 第一节施工时间 (25) 第二节保证施工进度的措施 (25) 第十四章中标后在设计及施工期采取的措施 (28) 第十五章调试操作运行管理和人员培训 (29) 第十六章存在的问题与建议 (30)
第一章概述 第一节项目概况 项目名称：奶牛养殖场沼气发酵工程 工程地址：***市大通区九龙岗陈巷村张小集东队 建设单位：***市***牧场 设计单位：武汉***环保科技有限公司 项目概况： ***市***牧场位于***市大通区九龙岗陈巷村张小集东队.常年存栏量为1000头，为社会提供大量优质绿色奶源。由于在养殖过程中会产生大量的负责有机高浓度废水，该废水是发酵产沼气的重要原料；为了响应国家的节能减排、变废为宝计划，***市***牧场的相关领导决定在该牧场建造一套产沼气工程，我司应该***牧场领导的委托，设计本《沼气发酵工程设计方案》，供有关领导参考。 第二节设计原则 1、贯彻执行国家和安徽省关于环保的政策，符合国家有关法规、规范及标准。 2、选择稳定可靠、技术先进、投资省、运行费用低、管理简单、维修费用少、运行灵活的产沼气工程的新工艺，确保产沼气量大且稳定。 3、通过设计中的总体优化，采用先进的节能技术，节约能源，最大限度低降低运行费用。 4、妥善处理和处置发酵过程中产生的各类沼液和沼渣，选用噪声小的设备，避免对环境造成污染。 5、结合建设场地的实际情况，在方便施工安装的前提下，力求各构筑物尽量集中，布置紧凑，节省占地。同时考虑发酵工程的整体建筑风格与养殖场建筑风格
常见沼气发酵工艺类型汇总
常见沼气发酵工艺类型汇总 对于沼气发酵工艺，从不同角度有不同的分类方法。一般从投料方式、发酵温度、发酵阶段、发酵级差、料液流动方式等角度，可作如下分类： （一）以投料方式划分 根据沼气发酵过程中的投料方式不同，可将发酵工艺分为连续发酵、半连续发酵和批量发酵三种工艺。 1、连续发酵工艺 沼气池发酵启动后，根据设计时预定的处理量，连续不断地或每天定量地加人新的发酵原料，同时排走相同数量的发酵料液，使发酵过程连续进行下去。发酵装置不发生意外情况或不检修时，均不进行大出料。采用这种发酵工艺，沼气池内料液的数量和质量基本保持稳定状态，因此产气量也很均衡。 这种工艺流程是先进的，但发酵装置结构和发酵系统比较复杂，造价也较昂贵，因而适用于大型的沼气发酵系统，如大型畜牧场粪污、城市污水和工厂废水净化处理，多采用连续发酵工艺。 该工艺要求有充分的物料保证，否则就不能充分有效地发挥发酵装置的负荷能力，也不可能使发酵微生物逐渐完善和长期保存下来。因为连续发酵不会因大换料等原因而造成沼气池利用率上的浪费，从而使原料消化能力和产气能力大大提高。 2、半连续发酵工艺 沼气发酵装置发酵启动初始，一次性投入较多的原料（一般占整个发酵周期投料总固体量的1/4?1/2)，经过一段时间，开始正常发酵产气，随后产气逐渐下降，此时就需要每天或定期加入新物料，以维持正常发酵产气，这种工艺就称为半连续沼气发酵。 我国农村的沼气池大多属于半连续发酵。其中的“三结合”沼气池，就是将猪圈、厕所里的粪便随时流入沼气池，在粪便不足的情况下，可定期加人铡碎并堆怄后的秸秆等纤维素原料，起到补充碳源的作用。这种工艺的优点是比较容易做到均衡产气和计划用气，能与农业生产用肥紧密结合，适宜处理粪便和秸秆等混合原料。 3、批量发酵工艺 发酵原料成批量地一次投入沼气池，待其发酵完后，将残留物全部取出，又成批地换上新料，开始第二个发酵周期，如此循环往复。农村小型沼气干发酵装置和处理城市垃圾“卫生填埋法”均采用这种发酵工艺，这种工艺的优点是投料启动成功后，不再需要进行管理，简单省事，其缺点是产气分布不均衡，高峰期产气量高，其后产气量低，因此所产沼气适用性较差。 （二）以发酵温度划分 沼气发酵的温度范围一般在10?60℃，温度对沼气发酵的影响很大，温度升高，产气率也随之提高，通常以沼气发酵温度区分为：高温发酵、中温发酵和常温发酵工艺。 1、高温发酵工艺 高温发酵工艺指发酵料液温度维持在46?60℃。实际控制温度多在53℃±2℃，该工艺的特点是
废水厌氧处理原理介绍
废水厌氧处理原理介绍 废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH4和CQ的过程。 一、厌氧生物处理中的基本生物过程 1、三阶段理论 厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea）,除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类。 （1）水解、发酵阶段； （2）产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2; （3）产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2产生CH4; 一般认为，在厌氧生物处理过程中约有70%的CH4产自乙酸的分解，其余的则产自H2和CQ。 2、四阶段理论： 实际上，是在上述三阶段理论的基础上，增加了一类细菌一一同型产乙酸菌，其主要功能是可以将产氢产乙酸细菌产生的H2/CO2合成为乙酸。但研
究表明，实际上这一部分由H2/CO2合成而来的乙酸的量较少，只占厌氧体系中总乙酸量的5%左右。 总体来说，三阶段理论” 四阶段理论”是目前公认的对厌氧生物处理过程较全面和较准确的描述。 有机物 I 1蜚壽性 ▼ 说明j 1）I, m m为三阶段理论.I, H.nr IV丸四英畔理论； 2?所产丰的细肮拘质未壺示在图中 图上図氨反应的三曲段理ttHUQ类群理论 二、厌氧消化过程中的主要微生物 主要介绍其中的发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。 1、发酵细菌（产酸细菌）： 发酵产酸细菌的主要功能有两种： ①水解一一在胞外酶的作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物； ②酸化一一将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等;
产生沼气的基本原理
产生沼气的基本原理 1 沼气定义 沼气是指利用人畜粪便、秸秆、污泥、工业有机废水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧(没有氧气)条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种高效、清洁燃料，是各种有机物质在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下甲烷(CH4 )约占所产生的各种气体的50~70%，二氧化碳(CO2)约占30~40%,此外还有少量氢(H2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)等。 在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和综合利用生物质能的最有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。 我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右（相当于3.5亩森林植被），折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显著的防治效果。 2 沼气产生的基本原理 沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段，见 图
沼气池发酵
沼气池发酵原理及修建与管理 第一讲 沼气发酵基础知识 一、什么是沼气 在日常生活中，特别是在气温较高的夏、秋季节，人们经常可以看到，从死水塘、污水沟、储粪池中，咕嘟咕嘟地向表面冒出许多小气池，如果把这些小气泡收集起来，用火去点，便可产生蓝色的火苗，这种可以燃烧的气体就是沼气。 沼气实质上是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，经凼气微生物的发酵转换而成的一种方便、清洁、优质、高品位气体燃料，可以直接炊事和照明，也可以供热、烘干、贮粮。 二、沼气的来源 可分为天然沼气和人工沼气两大类。 三、沼气的成分 都是以甲烷为主要成分混合气体，沼气中的主要成分是甲烷（ 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%，其他成分含量较少。沼气中的甲烷、氢气、一氧化碳等是可以燃烧的气体，人类主要利用这一部分气体的燃烧来获得能量。 四、沼气的性质 沼气是一种无公气体，有轻微有臭鸡蛋味，燃烧后，臭鸡蛋味消除。 1、热值:甲烷是一种发热相当高的的优质气体燃料。 2、比重:与空气要比，甲烷的比重为0.55，沼气较轻，分布在上层；二氧化碳较重，分布于下层。 3、溶解度:甲烷在水中的溶解度很小。 4、临界温度和压力:平均临界温度为-37℃，平均临界压力为
56.64×105帕，也是沼气只能以管道输气。 5、燃烧特性:一个体积的沼气需要6—7个体积的空气才能充分燃烧。 第二讲 沼气发酵基本原理 一、 沼气发酵微生物 1、不产甲烷菌： 不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。 2、产甲烷菌:有3目、7科、19属和70种，繁殖倍增时间一般都比较长，长者达4—6天，短者3小时左右，大约为产酸菌繁殖倍产时间的15倍。产甲烷菌在自然界中广泛分布，如土壤、湖泊、沼泽中、反刍动物（牛羊等）的肠胃道，淡水或碱水池塘污泥中，下水道污泥，腐烂秸秆，牛马粪以及城乡垃圾堆中都有大量的产甲烷菌存在。甲烷菌的特征：（1）生长缓慢（2）严格厌氧，对O2非常敏感，在有空气的条件下能生存或死亡。（3）只能利用少数简单的化合物作为营养。（4）要求中性偏碱和适宜的温度条件（5）代谢活动的主要产物是甲烷和CO2. 二、沼气发酵过程 ㈠水解发酵阶段 各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用，必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶（纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶）的作用下，将固体有机质水解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸。这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用。 ㈡产酸阶段 各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸），在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质；同时也有部分氢(H2)、二氧化碳(CO2)和氨(NH4)等无机物的释放。但在这个阶段中，主要的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。参加这一阶段的细菌称之为产酸菌。 ㈢产甲烷阶段 由产甲烷菌将第二阶段分解出来的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。这一阶段叫产气阶段，或叫产甲烷阶段。 第三讲 沼气发酵基本条件
产生沼气的基本原理
产生沼气的基本原理 1?沼气定义? 沼气是指利用人畜粪便、秸秆、污泥、工业有机废水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧(没有氧气)条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种高效、清洁燃料，是各种有机物质在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下甲烷(CH4?)约占所产生的各种气体的50~70%，二氧化碳(CO2)约占30~40%,此外还有少量氢(H2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)等。? 在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和综合利用生物质能的最有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。? 我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右（相当于3.5亩森林植被），折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显着的防治效果。? 2?沼气产生的基本原理? 沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段，见 图?
沼气发酵过程用控制条件的常用参数
沼气发酵过程用控制条件的常用参数 发酵工程的总体原则是在发酵正常情况下，尽可能地采用高有机负荷率，以期获得高的池容产气率。描述沼气发酵过程用控制条件的常用参数主要有以下几种。 一、进料浓度 浓度的表示单位主要有VS质量分数（%）、TS质量分数（%）、COD浓度（kg/m3）。进料浓度关系到发酵浓度，对不同的装置来说，所需的最佳浓度是不同的。例如，目前先进的以工业有机废水为原料的沼气池，如UASB（上流式厌氧污泥床）、AF（厌氧滤器）对原料的固体浓度要求很低，一般不超过1%，但对可溶性COD浓度则无限制。以工业废水为发酵原料的大中型沼气工程进料浓度通常是废水本身的浓度，因为浓度的调节在经济上是不合算的。畜禽场因粪便的收集方式不同，有时采用稀释或浓缩措施。 二、沼气池有机负荷率 沼气池有机负荷率工程用单位是CODkg/(m3d)、VSkg/(m3d)和TSkg/(m3d)，即单位沼气池容积每天接纳的原料量。这一指标是评价沼气效率的重要指标。只有高的有机负荷才能有高的池容产气率。 三、池容产气率 池容产气率是每立方米发酵体积每天的沼气产量，单位是m3/(m3d)，这一指标也是评价沼气池效率的重要指标 。这一指标通过沼气池每天的产气量除以沼气池容积来计算。 四、原料产气率 即单位质量发酵原料的产气量。此指标用每天沼气产量除以进料量得到的，例如某沼气池每天产气3m3，每天进料为10kg总固体。TS原料产气率为3/10=0.3（m3/kg）。根据不同的情况可分为理论产气率和生产产气率。理论产气率可根据原料的化学成分来计算。生产产气率通常根据大量的实际情况来估计或实测。 甲烷的产量(E)：E=0.37A + 0.49B + 1.04C CO2的产量(D)：D=0.37A + 0.49B + 0.36C 式中：A——每克发酵原料碳水化合物含量； B——蛋白质含量； C——脂肪含量。 五、水力滞留期（HRT） 指水力学所计算出的原料在沼气池的停留时间，单位是天（d），仅从提高效率来说，此值越小越好，但小到一定程度会因沼气池内微生物的流失而使发酵失败。目前一些采用低浓度废水的高效沼气池，水力滞留期已降低至12小时以下。它的计算方法是用沼气池容积除以每天的进料体积。由于建沼气池时每天的进料体积可以确定，因此，沼气池的容积决定于水力滞留期。例如，某沼气池计划采用35℃发酵，进料浓度为8%（总固体），每天的进料容积为50m3，水力滞留期20天，则沼气池的容积为50×20=100（m3）。 六、有机物去除率 这一指标用于表征沼气池在去除污染方面所达到的水平。用进料浓度与出料浓度之差除以进料浓度（%）表示。当然，这一指标越高越好，但追求过高的有机物去除率，会带来有机负荷率、池容产气率降低。 在进行工程方案设计时，可以利用以下数学关系：
化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵的原理
化粪池是一种利用沉淀和厌氧发酵的原理，去除生活污水中悬浮性有机物的处理设施，属于初级的过渡性生活处理构筑物。生活污水中含有大量粪便、纸屑、病原虫，悬浮物固体浓度为 100~350mg/L，有机物浓度BOD5 在100~400mg/L之间，其中悬浮性的有机物浓度BOD5为50~200mg/L。污水进入化粪池经过12~24h的沉淀，可去除50%~60%的悬浮物。沉淀下来的污泥经过3个月以上的厌氧消化，使污泥中的有机物分解成稳定的无机物，易腐败的生污泥转化为稳定的熟污泥，改变了污泥的结构，降低了污泥的含水率。定期将污泥清掏外运，填埋或用作肥料。要求化粪池的沉淀部分和腐化部分的计算容积，应按《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)第4.8.4～4.8.7条确定。污水在化粪池中停留时间不宜小于36h。对于无污泥处置的污水处理系统，化粪池容积还应包括贮存污泥的容积。 化粪池原理： 大致分为四步：过滤沉淀——厌氧发酵——固体物分解——粪液排放。 一般来说，我们把一个大德池子分成三格或四格，三格叫三级化粪池，四格叫四级化粪池。 污水首先由进水口排到第一格，在第一格里比重较大的固体物及寄生虫卵等物沉淀下来，开始初步的发酵分解，经第一格处理过的污水可分为三层：糊状粪皮、比较澄清的粪液、固体状的粪渣。 经过初步分解的粪液流入第二格，而漂浮在上面的粪皮和沉积在下面的粪渣则留在第一格继续发酵。在第二格中，粪液继续发酵分解，虫卵继续下沉，病原体逐渐死亡，粪液得到进一步无害化，产生的粪皮和粪渣厚度比第一格显著减少。流入第三格的粪液一般已经腐熟，其中病菌和寄生虫卵已基本杀灭。第三格功能主要起暂时已基本无害的粪液作用。 当采用三格化粪池时，其第一格的容积为总容积的60％，第二格和第三格各为有效总容积的20％。