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沼氣技術. 3.1 沼氣發酵原理 3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 3.3 大中型沼氣工程 3.4 沼氣利用設施與設備 3.5 沼氣的綜合利用. 3.1 沼氣發酵原理. 3.1.1 沼氣
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沼氣技術 3.1 沼氣發酵原理 3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 3.3 大中型沼氣工程 3.4 沼氣利用設施與設備 3.5 沼氣的綜合利用
3.1 沼氣發酵原理 3.1.1 沼氣 • 沼氣是有機物在厭氧條件下經微生物分解發酵而生成的一種可燃性氣體，其主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），此外還有少量的氫（H2）、氮（N2）、一氧化碳（CO）、硫化氫（H2S）和氨（NH3）等。通常情況下，沼氣中的甲烷含量為50%～70%，二氧化碳為30%～40%，其他氣體均含量很少。不同組分沼氣的主要特性參數見表3.1。
3.1 沼氣發酵原理 表3.1 不同組分沼氣的主要特性參數
3.1 沼氣發酵原理 3.1.2 沼氣發酵的微生物學原理 一般認為，從各種複雜有機物的分解開始到最後生成沼氣，共有五大生理類群的細菌參與沼氣發酵過程（圖3.1）。
3.1 沼氣發酵原理 • 1. 發酵性細菌 • 2. 產氫產乙酸菌 發酵性細菌將複雜有機物分解發酵所產生的有機酸和醇類，除乙酸、甲酸和甲醇外均不能被產甲烷菌所利用，必須由產氫、產乙酸菌將其分解轉化為乙酸、氫和二氧化碳。
3.1 沼氣發酵原理 • 主要反應過程如下 丙酸CH3CH2COOH＋2H2O→CH3COOH＋CO2＋3H2 丁酸CH3CH2CH2COOH＋2H2O→2CH3COOH＋2H2 乙醇CH3CH2OH＋2H2O→CH3COOH＋2H2 乳酸CH3CHOHCOOH＋H2O→CH3COOH＋CO2＋H2
3.1 沼氣發酵原理 • 3. 耗氫產乙酸菌 也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養生活又能異養生活的混合營養型細菌。它們既能利用H2＋CO2生成乙酸，也能代謝糖類產生乙酸。 • 其反應如下式 2CO2＋4H2→CH3COOH＋2H2O C6H12O6→CH3COO
3.1 沼氣發酵原理 • 4. 產甲烷菌 在沼氣發酵過程中，甲烷的形成是由一群高度專業化的細菌--產甲烷菌所引起的。 (1)產甲烷菌的生長要求嚴格厭氧環境。 (2)產甲烷菌的食物簡單。產甲烷菌只能代謝少數幾種底物生成甲烷，其主要反應如下：
3.1 沼氣發酵原理 H2/CO2：4H2＋CO2→CH4＋2H2O 甲酸：4HCOOH→CH4＋3CO2＋2H2O 甲醇：4CH3OH→3CH4＋CO2＋2H2O 乙酸：CH3COOH→CH4＋CO2 (3)產甲烷菌適於生長的pH在中性範圍。 (4)產甲烷菌生長緩慢。
3.1 沼氣發酵原理 • 5. 產酸菌與產甲烷菌間的相互關係 在沼氣發酵系統裏，無論是在自然界還是在沼氣池裏，產酸菌與產甲烷菌都各自按照自己的遺傳特性進行著代謝活動，它們之間相互依賴又相互制約，構成一條食物鏈。
3.1 沼氣發酵原理 它們之間的相互關係主要表現在以下幾個方面。 (1)產酸菌為產甲烷菌提供食物。 (2)產酸菌為產甲烷菌創造適宜的厭氧環境。 (3)產酸菌為產甲烷菌清除有毒物質。 (4)產甲烷菌為產酸菌清除代謝廢物解除反饋抑制。 (5)產酸菌與產甲烷菌共同維持發酵環境的pH值。
3.1 沼氣發酵原理 3.1.3 沼氣發酵的條件 • 為了達到較高的沼氣生產率、污水浄化效率或廢棄物處理率，沼氣發酵過程就要最大限度地培養和累積厭氧消化細菌，使細菌具有良好的生活條件。微生物的生命活動要求具備適宜的條件，因此控制發酵過程的正常運行也需要一定的條件，主要包括發酵原料類型、厭氧活性污泥、消化器負荷、發酵温度、pH值、原料碳氮比、有害物質的控制及攪拌等因素。
3.1 沼氣發酵原理 • 1. 沼氣發酵原料 (1)發酵原料的類型。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。 沼氣發酵原料按其物理形態分為固態原料和液態原料兩類；按其營養成分又有富氮原料和富碳原料之分；按其來源分為農村沼氣發酵原料、城鎮沼氣發酵原料和水生植物三類。
3.1 沼氣發酵原理 (2)發酵原料的評估和計量。通常用總固體(TS)、懸浮固體(SS)、揮發性固體(VS)及揮發性懸浮固體(VSS)、化學耗氧量(COD)和生物耗氧量(BOD)等指標評價和計量原料中有機物的含量和沼氣的產量。 • a.總固體(TS）。 • b.懸浮固體(SS)是指水中不能通過濾器的固體物。
3.1 沼氣發酵原理 • c.揮發性固體(VS)及揮發性懸浮固體(VSS)在總固體或懸浮固體中，除含有灰分外，還常夾雜有泥沙等無機物，可將測得的TS或SS進一步放入馬福爐內，在(550±50)℃的條件下，灼燒1h，此時TS或SS中所含的有機物全部分解而揮發，一般將揮發掉的固體稱為有機物，殘留物稱為灰分。 • d.化學耗氧量(COD)。 • e.生物耗氧量(BOD)。
3.1 沼氣發酵原理 用BOD5/COD值可初步評價有機物的可生物降解性，具體參考表3.2所列數據。
3.1 沼氣發酵原理 (3)發酵原料的產氣速率。由於原料的結構特性不同，在發酵過程中，被分解的速率不同，因此產沼氣的速率也存在差異。經測定，農村常用原料的產氣速率及產氣量見表3.3。
3.1 沼氣發酵原理 • 2. 厭氧活性污泥 厭氧活性污泥是由厭氧消化細菌與懸浮物質和膠體物質結合在一起所形成的具有很强吸附分解有機物能力的凝絮體、顆粒體或附著膜。厭氧消化過程生成的H2S使厭氧活性污泥呈現黑色，因此發育良好的污泥一般呈油亮的黑色。
3.1 沼氣發酵原理 厭氧活性污泥的計量常用揮發性懸浮固體（VSS）的量來表示。目前還沒有統一規範的厭氧活性污泥的折算方法。有建議推薦採用每克VSS/每天最大甲烷率為750mL為標準厭氧活性污泥，各種厭氧活性污泥可按這個標準值進行折算。表3.4為生產用發酵器中厭氧污泥的特性。
3.1 沼氣發酵原理 表3.4 生產用發酵器中厭氧污泥的特性
3.1 沼氣發酵原理 • 3. 温度 沼氣發酵可分為3個温度範圍，46～60℃稱高温發酵，25～45℃稱中温發酵，25℃以下稱低温發酵。此外隨自然界温度變化而變化的發酵方式稱為常温發酵。
3.1 沼氣發酵原理 • 4. pH值與鹼度 沼氣發酵是在中性條件下的厭氧發酵，最適宜的pH值為6.8～7.4之間。pH值在6.4以下或7.6以上都會使產氣受到抑制。pH值在5.5以下，產甲烷菌的活動則完全受到抑制。
3.1 沼氣發酵原理 • 5. 負荷 表3.6 幾種技術類型運行負荷及產氣情況
3.1 沼氣發酵原理 • 6. 發酵原料的碳氮比 沼氣發酵過程是培養微生物的過程，發酵原料或所處理的廢水應看作是培養基，因而必須考慮微生物生長所必需的碳、氮、磷以及其他微量元素和水及維生素等，其中發酵原料的C/N值尤為顯得重要。 農村常用沼氣發酵原料，如人畜糞便、秸秆和雜草等，其營養成分比較齊全而豐富的，一般不需添加輔助營養成分。農村常用原料的C/N值見表3.7。
3.1 沼氣發酵原理 • 7. 攪拌 在厭氧消化器中，生物化學反應是依靠微生物的代謝活動而進行，這就要使微生物與被消化的物料充分接觸。在分批投料發酵時，攪拌是使微生物與物料接觸的有效手段；而在連續投料系統中，特別是高濃度產氣量高的原料，在運行過程中進料和產氣時氣泡形成的上升過程構成了物料與微生物接觸的主要動力，起到了攪拌的作用。
3.1 沼氣發酵原理 在批量投料消化器裏，發酵料液通常自然沉澱而分層（圖3.2）。從上到下分別為浮渣層、上清液層、活性層和沉渣層四層。在這種情況下厭氧微生物只限於活性層內活動較為旺盛，而其他各層或因可被利用的原料缺乏，或因條件不適宜微生物的活動，使厭氧消化難以進行。因此，在這類消化器裏，一般採取攪拌措施來促進厭氧消化過程的進行。
3.1 沼氣發酵原理 圖3.2 沼氣池的靜止與混合狀
3.1 沼氣發酵原理 • 8. 毒性化合物 所謂毒物是相對的，在非常低的濃度情況下它們可能促進作用，只是到了一定濃度時這些物質才產生抑制作用，而各種物質達到抑制作用的濃度又不相同，如重金屬鹽類，在每升只有1mg的情況下它們對生物活性起促進作用；當濃度上升超過最佳濃度時，促進作用開始下降，濃度增加到某一點時，生物活性開始低於沒有這種物質的水平，這時就顯出了該物質的毒性作用。
3.1 沼氣發酵原理 表3.8 沼氣發酵液中重金屬化合物的充許濃度
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 3.2.1 底層出料水壓式沼氣池 圖3.3 側水壓式沼氣池
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 圖3.4 頂水壓式沼氣池
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 • 1. 結構與功能 底層出料水壓式沼氣池是由發酵間、水壓間、儲氣間、進料管、出料口通道、導氣管等部分組成。 • 2. 工作原理 水壓式沼氣池產氣前，池內液面與進料間、水壓間液面平齊。當池內發酵產生沼氣逐步增多時，儲氣箱內的壓力相應增高，這個不斷增高的氣壓將發酵間內的料液壓到出料間，此時出料間液面和池內液面形成壓力差。
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 當用戶用氣時沼氣在水壓下通過輸氣管輸出，由於池內沼氣壓力下降，水壓間內的發酵料液便依靠重力的作用流回發酵間內，將沼氣經導氣管壓出，為燃具供氣。沼氣的產生、儲存和使用就這樣周而復始地進行。這種利用料液來回流動，引起水壓反覆變化來儲存和排放沼氣的池型，就稱為水壓式沼氣池。
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 3.2.2 曲流布料式沼氣池 • 曲流布料沼氣池也屬水壓式沼氣池。 3.2.3 分離浮罩式沼氣池 • 分離浮罩式沼氣池由發酵池和儲氣浮罩組成，發酵池的構造和水壓式沼氣池基本相同，不同點是水壓池的儲氣間由浮罩代替，發酵間所產沼氣，通過輸氣管道輸送到儲氣櫃儲藏和使用（圖3.5）。
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 圖3.5 分離浮罩式沼氣池
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 3.2.4 強旋流液攪拌沼氣池 • 强旋流液攪拌沼氣池（圖3.6）是針對静態發酵沼氣池存在“微生物貧乏區”、“發酵盲區”和“料液短路”，池內原料分層嚴重，帶來清渣出料困難、產氣率低和管理不便等技術問題，研究開發的高效戶用沼氣池。
3.2 典型的農村戶用沼氣池池型 • 1. 克服發酵盲區和料液“短路”技術 • 2. 微生物成膜增殖技術 • 3. 自動破殼與强制攪拌技術 • 4. 清渣出料技術
3.3 大中型沼氣工程 3.3.1 大中型沼氣工程的基本工藝流程 • 1. 技術類型 對沼氣發酵工藝，從不同角度，有不同的分類方法。大中型沼氣工程，著重强調工程的運行温度、工程運行的最終目標以及所選用的處理原料，按這三個方面分類如圖3.7所示。
3.3 大中型沼氣工程 圖3.7 沼氣發酵技術類型
3.3 大中型沼氣工程 • 2. 基本技術流程 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）、出料的後處理、沼氣的浄化、儲存和輸配以及利用等環節（圖3.8）。
3.3 大中型沼氣工程 (1)原料的收集 (2)原料的預處理 (3)消化器（沼氣池） 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(見表3.9）。
3.3 大中型沼氣工程 表3.9 厭氧消化器的類型 (4)出料的後處理 (5)沼氣的浄化、儲存和輸配
3.3 大中型沼氣工程 • 3. 能源--生態與能源環保型 (1)能源 如畜禽糞便沼氣工程，首先要將養殖業與種植業合理配置，這樣不僅可節省後處理的高額成本，又可促進生態農業建設，所以說「能源－生態模式」是一種理想的工程模式（圖3.9）。
3.3 大中型沼氣工程 (2)能源 由於採用了沼氣發酵工藝可回收一定量的沼氣作為能源，並通過沼氣發酵去除了污水中的大部分有機物，比單純使用好氧曝氣的方法來處理污水，既產能又節能（圖3.10）。
3.3 大中型沼氣工程 3.3.2 厭氧消化器 目前常見的厭氧消化可分為常規型、污泥滯留型和附著膜型三大類。 • 1. 常規型厭氧消化器 (1)常規厭氧消化器(conventional digester)。也稱常規沼氣池，是一種結構簡單、應用廣泛的技術類型，其模式結構如圖3.11所示。
