《固体废弃物处理与处置》

第十章沼气发酵

第一节概述

一、定义：

沼气发酵，又称厌氧发酵或厌氧消化，是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。

二、沼气的组成：

沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷(CH4)，大约占60%，其次是二氧化碳(CO2)大约占35%，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。不同条件下产生的沼气，其成分有一定的差异。例如人粪、鸡粪、屠宰废水发酵时，所产生的甲烷含量可达70%以上，农作物秸杆发酵所产生的沼气中甲烷含量一般为55%左右。

第二节沼气发酵的微生物学过程

一、沼气发酵的微生物种类：

第一类叫发酵细菌。包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。

第二类叫产氢产乙酸细菌。其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。

第三类细菌称产甲烷菌。它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。

在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。

二、沼气发酵过程的三个阶段

醇、

第三节沼气发酵原料的分类与特性

自然界中几乎所有的有机物质都可作为沼气发酵的原料。人工制取沼气的主要原料是畜禽粪便污水、食品加工业、制药和化工废水、生活污水等。在农村，也用农作物秸杆制取沼气。但由于其来源和形成过程不同，它们的化学成分和结构也迥然不同，由此造成原料的发酵性能差异相当大

一、按原料来源分：

1．农村发酵原料

?富N原料。通常是指人、畜和家禽粪便，也包括青草等碳氮比低的原料。其含氮量高，碳氮比多在25∶1以下，即在沼气发酵的适宜的碳氮比范围内或以下。

这类原料中粪便经过了人和动物的胃肠系统的充分消化，一般颗粒细小，含有

大量的低分子化合物─—人和动物未吸收的中间产物，含水量较高。因此，在

进行沼气发酵时不必预处理，就容易厌氧分解，产气速度快，发酵周期较短。

?富C原料。我国农村的另一大类发酵原料是秸杆和秕壳等农作物的残余物。这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质，含碳量高，

其碳氮比多在40∶1以上，比沼气发酵适宜的碳氮比高，称富碳原料。这些物

质的厌氧分解，比富N的粪便原料慢得多，发酵周期较长。秸秆类富C原料一

般干物质含量比富N原料高，且比重小，进沼气池后容易飘浮形成死区─—浮

壳层。为了提高原料的产气速率和利用率，这类原料在发酵前一般需要预处理

2．城镇有机废物废水

主要包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等。

3．水生植物

主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其它水草和藻类等。这些水生植物利用太阳能的能力很强，繁殖速度快、产量高。由于组织鲜嫩，容易厌氧分解，作沼气原料，产气快、周期短。但水葫芦、水花生、水浮莲等水生植物体内有气室，直接进沼气池，容易飘浮。因此，用作沼气发酵原料时，宜稍晾干或堆沤2天后入池，效果较好。

二、按原料的形态分：

1．固体原料秸杆类、城市有机垃圾等都是固形物，其干物质含量比较高。它们主要可用于干发酵、坑填发酵。我国农村还将秸杆用作水压式沼气池的主要启动原料。它可弥补粪料的不足，缓慢地分解产气，延续产气高峰期。但是，它也容易在池内结壳、沉渣，造成出料困难。

我国常用原料所含的总固体（TS）的量，作为原料的单位来表示原料产气量。原料总固体又可分为：挥发性固体（VS）和灰分。挥发性固体是指总固体在高温灼烧（马福炉，550±20℃）时挥发的部分，它含有原料中可转化为甲烷的实际部分——有机物。

2．浆液态原料主要指人、畜和家禽粪便，它们一般随清洗水排入粪坑，呈浆液态。鲜粪干物质含量多在20%左右，与水混合后的浆液多在10%上下。它们可与固态原料混合，进行干发酵，同时也作为我国农村水压式沼气池的主要原料。另外，污水污泥也属于这一类。

3．有机废水如酒精蒸馏废液、酵母厂废水、抗菌素厂废水、豆制品厂废水、制酱厂废水和纸浆废水等，它们含不同量的蛋白质、脂肪和碳水化合物，是产沼气的好原料，比天然有机物易于分解。一般用高效的厌氧消化器处理，如上流式厌氧污泥床反应器（UASB）和厌氧过滤器（AF）等。PIC115-118

第四节描述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/(m3·d)、VSkg/(m3·d)和TSkg/(m3·d)，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/(m3·d)，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

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：

COD有机负荷率（kg/(m3·d)）=进料COD浓度（kg/m3）÷水力滞留期（d）

池容产气率（m3/(m3·d)）=原料产气率（m3/kg）×COD有机负荷率kg/(m3·d)

第五节沼气发酵的工艺学

将沼气发酵原料加工成沼气的全过程称为沼气发酵工艺。

沼气发酵的优点：

1 沼气发酵后残渣中有机物含量减少；

2消化后残渣是一种气味很小的固体或流体，不吸引苍蝇或鼠类；

3 可产生有用的终产物—甲烷，它是清洁而方便的燃料；

4 在沼气发酵过程中杂草种子和一些病原物被杀灭；

5 发酵过程中N、P、K等肥料成分几乎得到全部保留，一部分有机氮被水解成氨态氮，速效性养分增加；

6 发酵残渣可作为饲料；

7 沼气发酵在处理有机物可大量地节省曝气消化所消耗的能量；

8 厌氧活性污泥可保存数月而无需投加营养物，当再次投料时可很快启动；

沼气发酵的缺点：

1 设备较复杂，建设投资较高；

2 要求高标准的施工、管理和保养；

3 由于厌氧菌繁殖速度慢，工艺启动时间长；

一、沼气发酵的工艺条件及其控制

1．温度

沼气发酵可在较为广泛的温度范围内进行，4～65℃都能产气。随着温度的升高，产气速度加快，但不呈线性关系。40～55℃是高温菌和中温菌的过渡区。50～55℃是高温厌氧菌活动区，产气速度最快。例如，10℃下发酵90天，但其产气率只有30℃下发酵27天的59%。

温度的突然变化会对产气发生很大影响。大中型沼气发酵工程，尤其是恒温工程，温度是必需监控指标。温度变化超过5℃，产气量显著降低，若变化过大则产气停止。例如，一个35℃下正常产气的沼气池，温度突然下降到20℃，则产气几乎完全停止。

2．接种物

正常沼气发酵是一定数量和种类的微生物来完成的。含有丰富沼气微生物数量的污泥叫接种物。

沼气发酵菌种在自然界广泛存在（你认为哪些地方有丰富的沼气发酵菌种？为什么？）。

如：各种阴沟污泥，粪坑底脚污泥，沼气池底污泥或消化浆液等处由于丰富的有机物质和良好的嫌气条件，形成了丰富的微生物群落。

在新进料的沼气池中加入接种物，可大大缩短停滞期。特别是新建沼气池，第一次投料时微生物数量和种类都不够，应人工添加接种物。使用工业废水为原料的沼气池起动时，特别要注意接种。

3．厌氧环境

沼气发酵需要在厌氧环境下进行，判断厌氧程度一般用氧化还原电位Eh表示。厌氧条件下，Eh 是负值。严格厌氧的甲烷菌要求的Eh为－300～－350mV，而一些兼性产酸的细菌则在Eh为－100～＋100mV就能正常生活。为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼气池，保证沼气池不漏水、漏气。

4．料液的pH值

甲烷菌要求的pH范围很窄， pH 为7左右，发酵过程一般维持在6.8～7.5。

在正常情况下，沼气发酵的pH是一个自然平衡的过程，一般不需调节。只有在配料和管理不当的情况下才会出现挥发酸的大量积累，pH下降。调节措施有：

（1）稀释发酵液的挥发酸，提高pH。

（2）采用加草木灰或适量氨水来提高pH。

（3）用石灰水调节pH，特别是当发酵液过酸时

5．搅拌

在常规的发酵池，发酵液通常自然分为四层，从上到下分别为浮渣层、上清层、活性层和沉渣层。搅拌的目的:

1)是发酵原料分布均匀，增加微生物与原料的接触面，加快产气速度，提高产气量、提高原料利用率。

2)同时也可防止原料浮面结壳，产生的沼气释放不出来。我国农村的沼气发酵原料以秸杆、杂草和树叶等为主，更需搅拌才能达到好的发酵效果。

3)防止局部酸的积累

搅拌的方法有三种：

（1）机械搅拌在池内安装叶轮进行搅拌。

（2）气搅拌将沼气从池上部抽出后，又从池底压进去，产生强大的气流，达到搅拌的目的。

（3）液搅拌从出料间将发酵液抽出，然后从进料口冲入沼气池，产生强大的液体回流，达到搅拌的目的。

6、原料的C∶N比值和其它营养物质

微生物所需的最适碳氮比为25∶1，由于沼气发酵过程中原料的碳氮比可受到微生物的自动调节，因此，适宜碳氮比范围较宽。

据大量报道和实验结果表明，沼气发酵的碳氮比以20～30∶1为宜，超过35∶1产气量明显下降。但也有报道配料中碳氮比以6～30∶1仍然合适的。

7．压力

甲烷菌能适应较大的静水压力，约40米或更高。但它对压力变化极为敏感，需要工艺来稳定压力。

你认为沼气发酵过程中什么时候可能会发生压力波动?

在进料、出料和沼气消耗时，沼池中的压力发生变化，对甲烷菌的生命活动有抑制作用。怎么防止?

（1）保留足够的贮气空间，使得用气时气压变化不致过大；

（2）进料和出料的速度尽量保持一致，所进新鲜原料和所排出的废料体积应相等；

（3）大型沼气池应设置贮气装置。如我国农村推广的一种分离式浮罩沼气池，可保持比较稳定的气压。

8．添加剂与抑制剂

有些物质少量添加于沼气池后就可显著促进产气，这类物质称为添加剂。而另一些物质少量添加于沼气池后则显著抑制产气，这类物质称为抑制剂。

添加剂的种类较多，包括一些酶类、无机盐、有机物和无机物。如添加一定量的纤维素酶，可显著促进产气；添加5mg/Kg的稀土元素（R2O5）可提高产气17%；添加适量的NH4HCO3等氮肥，可显著提高秸杆类原料的产气率；添加少量的活性炭或泥炭、或向发酵池通入氢气都可显著提高甲烷产量。

抑制剂主要是指一些金属离子、盐类、杀菌剂和人工合成的化合物。

二、发酵工艺类型

沼气发酵是一种严格的厌氧发酵，从处理废物的角度来说，通常称为厌氧消化。按发酵温度、发酵级差和发酵方式的不同，沼气发酵划分为以下不同的类型：

（一）按发酵温度可分为“自然温度”发酵（变温发酵）、中温发酵（35℃左右）、高温发酵（53℃左右）。

（二）按发酵级差可划分为单级（一步）发酵、两级（两步）发酵和多级（多步）发酵。

1、单级发酵

是指最常见的发酵类型。简单地说。就是产酸和产甲烷是在同一装置中进行。单级发酵对处理废水废物中的BOD来说，不如两级或多级理想，但从获得能源的角度来说是可行的。

2．两级发酵

它是根据产酸和产甲烷两个不同阶段是由两类不同的微生物所调节的原理而设计的。这两类微生物在生理学、营养需要、生长和代谢特征、对环境的要求和对环境刺激的敏感性等方面有重大差异。两级发酵能大大提高产气量和挥发性固体的分解效率，缩短发酵周期，节约成本和运转费用，还能更有效地进行废物处理。

（1）纤维素原料进行化学水解（如采用酸、碱），产生一定浓度的葡萄糖，进入酸消化器发酵产酸，或者是将原料直接加入酸消化器。

（2）加入接种物。一般加入各种活性污泥或消化器排出物。

（3）维持酸消化器的适宜发酵条件，使产酸菌达到优势生长，大量产生挥发酸。为此，必须控制pH在5.7左右，最多不能超过6.0，适宜Eh为-240mV，温度22℃左右。采用加大纤维素浓度可降低pH，提高产酸量。这一阶段的发酵产物为挥发酸，如乙酸、丙酸、丁酸、异丁酸等，其中乙酸含量最高

（4）维持适宜的甲烷发酵条件。将酸消化器产生的大量挥发酸排入甲烷消化器。控制pH在7.4－7.5，适宜Eh为－330mV，适宜温度36℃－37℃。

（5）排气

（三）按进料方式分为批量发酵、连续发酵与半连续发酵。

1．批量发酵是指将发酵原料和接种物一次性装满沼气池，中途不再添加新料，产气结束后一次性出料。固体含量高的原料，如作物秸杆、有机垃圾等由于日常进、出料不方便，进行沼气发酵常采用这一方法。此类发酵方式的有机负荷率、池容产气率只能计算平均值。产气特点是初期少，以后逐渐增加，然后产气保持基本稳定，再后产气又逐步减少，直到出料。

2．连续发酵是指沼气池加满料正常产气后，每天分几次或连续不断地加入预先设计的原料，同时也排出相同体积的发酵料液。大中型沼气工程通常采用。

3．半连续发酵是指沼气池正常产气后，不定期、不定量地添加新料，在发酵过程中，往往根据其它因素（如农田用肥需要）不定量出料。我国农村沼气池通常采用这一方式。

（四）不同的地区对沼气发酵器的称呼也不一样。在农村，习惯称沼气池，在城镇则多称厌氧消化器、消化器、发酵罐或反应器等等。按发酵器类型的不同，可分为常规消化器、厌氧接触工艺、厌氧滤器、上流式厌氧污泥床等。这几种发酵器的主要区别在于微生物的滞留方式与原料流动方式的不同。以下将对这几种消化器加以讨论。

1、水压式沼气池

特点：合并发酵与贮气于同一空间，下部为发酵间，上部为贮气间。

工作原理：发酵时所产生的气体从水中逸出后，聚集于贮气间，使贮气间压力不断升高。这样发酵料液就被不断升高的气压压进水压间，使水压间水位上升，直至池内气压和水压间与发酵间的水位差所形成的压力相等为止。产气越多，水位压就越大，压力也越大。当沼气被利用时，池内气体降低，水压间的料液便返回发酵间。这样，随着气体的产生和被利用，水压间和发酵间的水位差也不断变化，始终保持与池内气压相平衡。

2、浮罩式沼气池 ----顶浮罩式沼气池

浮罩式沼气池 ----分离浮罩式沼气池

特点：

1）以浮罩代替气箱

2）沼气输出压强恒定，给沼气燃烧器的使用带来方便；发酵间的压强小，减少了沼气和料液的渗漏。

三、农村沼气池运行的几个问题

1、发酵方式：主要采用半连续发酵方法，根据原料中使用作物秸秆与否，有两种不同的工艺流程-----采用秸秆的沼气发酵工艺和不采用作物秸秆的沼气发酵工艺

采用秸秆：切短；堆沤

2、接种物：

3、发酵温度：

4、发酵抑制现象

表现：产气量明显下降，水压间料液表层有白色的薄膜，沼气燃烧不好，有时点火困难，有脱火现象，搅动料液时能闻到微酸味，用试纸测定料液pH值降到6.8以下。

原因：

1）一次性加料过多，特别是一次性加入过多的鸡粪或人粪。

2）圈舍消毒水进入了沼气池。

3）饲料中有较多的抗生素类药物，它们进入粪中，再进入沼气池抑制了微生物活动。

措施：

1）立即停止进料，查明原因

2）搅动料液，然后观测1-2天，看是否可自行恢复

3）从其他正常的沼气池中取来尽可能多的接种物放入沼气池，然后搅拌料液，使其混合均匀。4）重新启动

5、农村沼气池的池容问题

6、安全用气问题

第六节、我国农村家用沼气池的设计与建造

1981年组织出版了《农村家用沼气池标准化选型图集》（ZC-813），1985年出版了《农村家用水压沼气池标准图集》（GB4750-84），大力推广“圆、小、浅”的“三结合”（气、肥、卫）水压式沼气池。

一、基本结构

①进料口：发酵原料的贮存、混合、计量、输入；原料分离与预处理；料液水封与泄压回流；简易搅拌器入口

②发酵间：原料厌氧消化的主要生产空间

③贮气间

④集气间

⑤污泥间：存集厌氧消化污泥及寄生虫卵的空间

⑥水压间：排放发酵后之废液；水压输气；贮存发酵后之废液

⑦沼气池井口：施工与维修之进出口；大换料之进出口。