沼气发酵的基本原理和工艺培训课件.pptx

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丙酸、丁酸等

长链脂肪酸




H2+CO2
③ CH3COOH




CH4H2O

CH4CO2
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
以纤维素为例,反应过程如下: (C6H10O5)+ nH2O ——→ n(C6H12O6) 2 C6H12O6 ——→ CH3COOH + CH3CH2COOH + CH3CH2CH2COOH +3CO2 +3H2
产酸与产甲烷的速度平衡
在稳定运行的厌氧消化器内,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。
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。
10 74.2 40.7 63.7 34.4 75.9 48.2 46.2 75.0
20 86.3 81.5 80.2 74.6 90.7 71.8 69.2 93.5
各原料气速率(%)
93.5
40
60
97.6
98.0
100
94.2
98.2
100
89.0
94.5
100
86.2
92.7
100
96.3
98.1
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)



由于在厌氧消化过程中H2S的生成,使厌氧活性污泥呈现黑色, 发育良好的污泥呈油亮的黑色。在带有搅拌或悬浮固体较多的消化器 里,厌氧污泥呈絮状,黑色或灰黑色。在升流式厌氧污泥床(UASB) 消化器中,发育良好的污泥呈颗粒状,直径一般在3mm左右。
图片:
絮状污泥
颗粒污泥
厌氧活性污泥的形态
生物膜
厌氧活性污泥

(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+CO2
180g : 3×22.4L
1000g : 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
主要有机物沼气产量与成分
生成CH4的主要反应如下: CH3COOH ——→CH4 + CO2
4H2 + CO2 ——→CH4 + 2H2O 4HCOOH ——→CH4 +3CO2 + 2H2O
4CH3OH ——→ 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
100
85.9
91.8
100
84. 6
91.0
100
97.8
98.9
100
产气量 (m3/kgTS)
0.42 0.43 0.34 0.30 0.50 0.45 0.40 0.44
1.2.2 厌氧活性污泥
厌氧活性污泥是由厌氧消化菌与悬浮物质和胶体物质结合在一 起形成的具有很强分解有机物能力的凝絮体,颗粒体或附着膜。(见 后面图片展示)
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
(1)原料类型
原料类型 可溶性的 低固体的
中固体的 高固体低木质的
高固体高木质的
固体物质含量 (%) 〈1
1-5
6-20 〉20
〉20
举例
酒精滤液, 豆制品废水 酒醪,丙丁 醪,鸡,猪 舍冲洗水 牛粪,马粪 玉米秸,生 物质垃圾 杂白场,锯
②.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 + 3H2 CH3CH2CH2COOH + 2H2O ——→ 2CH3COOH + 2H2
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。
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 ——→ CH3COOH + 2H2O C6H12O6 ——→ 3CH3COOH
④.产甲烷菌(食氢、食乙酸):它们在Hale Waihona Puke Baidu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。
在厌氧活性污泥中,细菌以菌胶团形式存在。产酸菌固定于菌胶 团内,或分散于菌胶团外。甲烷丝菌或多或少地分布于各种污泥的内 外,而甲烷八叠球菌则往往被网络其中,或游离存在。初形成的污泥 中,悬浮物质较多,细菌较少,因而产甲烷活性较低,发育良好的污 泥中细菌很多,特别是甲烷丝菌普遍分布,悬浮物质较少,并具有良 好的结构,因而产甲烷活性也较高。
x 1000 3 22.4 373.31(1) 180
气体成分(%) 每kgTS产气量(L)
CH4
CO2
糖类
50
50
脂肪
72
28
蛋白
50
50
CH4 370 1040 490
沼气 740 1400 980
农村常用原料的产气量及产气速度
产气速率 发酵天数
猪粪 人粪 马粪 牛粪 玉米秸 麦秸 稻草 青草
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