周孟津-沼气发酵的基本原理和工艺-

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1、沼气发酵的基本原理和工艺全国大中型沼气工程技术培训班周孟津教授首都师范大学生物系2005-10-20主要内容1沼气发酵基本原理2沼气发酵工艺装置1沼气发酵基本原理1.1沼气发酵细菌：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CH4CO2主要有五大菌群参与活动五大菌群：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

2、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+2H2五大菌群：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——→CH3

3、COOH+2H2OC6H12O6——→3CH3COOH④.产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们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。产甲烷菌广泛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+2H2O五大菌群各种发酵性细菌玉米秸发酵时的发酵性细菌五大菌群食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌产酸与产甲烷的速度平衡在稳定运行的

4、厌氧消化器内，产酸与分解酸产生甲烷饿速度处于一个相对平衡的状态，它们之间的平衡依赖于产酸菌和产甲烷菌的增长速度。经大量试验公认下列计算细菌增长速度的公式（莫诺公式）：上式中u与Ks均为常数，根据测定，在不同底物条件下，各类群细菌u与Ks的值如下表：从表中的一系列数据可以看出：裂解乙酸的产甲烷菌可能出现的最大繁殖速度比葡萄糖酸化菌群要慢得多，这种在繁殖速度上的差距，是构成产酸与产甲烷速度失调的主要原因。控制产酸与产甲烷阶段的速度平衡一般是通过控制S和X来实现，如：消化器启动时：1投入原料底物的浓度不能太高，尤其是葡萄糖类等物质不能太多。2投入大量厌氧活性

5、污泥，是消化器内一开始就有很多产甲烷菌群。消化器运行阶段：1控制消化器负荷，即每单位体积消化器每日投入有机物的量波动不能太大。2设法减少消化器出料是产甲烷菌的流失。以上这些措施也要根原料的不同、不同的厌氧消化工艺等因素相配合使用。1.2沼气发酵的条件沼气发酵就是培养和积累厌氧消化细菌，使细菌具有良好的生活条件；只有首先做到了这一点，才有可能得到较好的沼气生产率或污水净化效率。微生物的生命活动要求多种条件，其中条件主要包括发酵原料、厌氧活性污泥、消化器负荷、发酵温度、PH值、碳氮比、有害物的控制及搅拌等。原料类型固体物质含量（%）举例可溶性的〈1酒精滤液

6、，豆制品废水低固体的1-5酒醪，丙丁醪，鸡，猪舍冲洗水中固体的6-20牛粪，马粪高固体低木质的〉20玉米秸，生物质垃圾高固体高木质的〉20杂白场，锯末（1）原料类型1.2.1沼气发酵原料：发酵原料既是产生沼气的底物，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源（2）有机物沼气产量的测定和计算发酵原料的组分决定了沼气发酵时所产沼气的量和成分碳水化合物的沼气产量计算公式C6H12O6——3CH4+CO2180g：3×22.4L1000g：x在标准状态下每摩尔气体的体积均为22.4L则每kg葡萄糖可产CH4及CO2均为x气体成分（%）每kgTS产气量（L）CH4CO2

7、CH4沼气糖类5050370740脂肪722810401400蛋白5050490980主要有机物沼气产量与成分农村常用原料的产气量及产气速度产气速率各原料气速率（%）产气量发酵天数102093.54060(m3/kgTS)猪粪74.286.397.698.01000.42人粪40.781.594.298.21000.43马粪63.780.289.094.51000.34牛粪34.474.686.292.71000.30玉米秸75.990.796.398.11000.50麦秸48.271.885.991.81000.45稻草46.269.284.691.

8、01000.40青草75.093.597.898.91000.441.2.2厌氧活性污泥厌氧活