大型工程 沼气工程技术与应用

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沼气发展简史 沼气微生物发酵原理及工艺条件 户用沼气池技术 大中型沼气工程设计及可行性报告撰写
楚雄养殖场沼气工程项目
• 楚雄市东华镇楚雄市明宏生态科技工贸有 限责任公司：存栏28,000头猪，日排放 500m3粪便废水。
楚雄养殖场沼气工程流程图
粪便废水收 集系统
厌氧消化 固液分离系统 沼 脱 气 硫 农田供肥 贮气柜 脱 水 集中供气 用 户 农田灌溉水 好氧折流池 沉淀调节池 液体部分 太阳能集热器 固体部分 沼 液 加工有机复合肥 商品肥料 有机液肥加工
Questions
• Why do you need a biogas plant? • What can be the alternative? • Costs of a biogas plant？ （ Benefits/Animal husbandry/ P-Use of Biogas/ Construction & Operation & Maintenance) • Planning？(biogas /digestate / Fermenter)
1969---1979 20世纪70年代
EnglaBaidu Nhomakorabead
高速消化期
厌氧滤器
厌氧接触工艺
厌氧污泥床
沼气发酵系统
国内
经历四个时期
1880-1929 民间制取瓦斯
1930-1949 罗国瑞田立方 瓦斯库、培训
1950-1969 姜子钢 高潮-失败
1970- 四个阶段
沼气发展四个阶段（1973---）
仓促发展与回落 1973-1983 调整与重视科技
利用氢气和二氧化碳生成甲烷：
4H2+CO2→CH4+2H2O
利用乙酸生成甲烷：
CH3COOH→CH4+CO2
胞外酶
液化
颗粒物水解
传质阻力突出，与颗粒物尺寸及结构有关
产酸产氢菌群 酸化 CO2，H2， C2O2H4
产甲烷菌群
甲烷化
CO2，CH4，H2O
反应链条各节的速 度应该尽可能相等
Proteins Carbohydrates Lipids Hydrolysis Sugars Amino acids Alcohols Long-chain fatty acids Acidogenesis Alcohols Succinate, Lactate Aromates VFA Acetate
3CH3COOH
4H2 + CO2
CO2 + CH4
CH4 + H2O
氧化还原电位在 -400 ~ -150mV 之间 （另有说法认为必须小于-330mV）
1升30 ℃、pH7.0的水在-330mV时，与大气平衡的含氧浓度为1.48x10-56分 子/升。可见通过除氧来获取低电位十分困难。这使得甲烷菌的纯分离培养 有一定的难度。 产甲烷菌的研究，70年代后期才越来越受到重视，并取得了较快的进展。 比如80年时研究发现的甲烷菌共有4属11种，世代时间最快的为3小时；到 1992年正式发表的甲烷菌就增加到了19属59种，世代时间最快的仅为26分 钟。 甲烷菌中可代谢乙酸的甲烷菌不过两属。大多数甲烷菌是利用氢气和二 氧化碳生成甲烷。
世代时间只有26分钟，增殖速度最快的产甲烷菌。
表 1.2.1 メタン菌リスト（続き） 代謝基質 甲烷菌 形状 最适温度（℃） pH H2/CO2 甲酸盐 + + + + + + + + + + + + 甲基化合物 + 酢酸盐 2-Pro/CO2 2-But./CO2 NT NT NT NT + + + (+) + + 其他
主要功能
挥发性脂肪酸 降 解 胞内酶作用
乙酸和H2
这些微生物的主要功能是可将挥发性脂肪酸降解为乙酸和H2。 这些菌的产乙酸、产氢反应，只有在氢分压很低时才能完成。 2CH3CH2COOH + 2H2O 3CH3COOH + 2 H2
3) 产甲烷细菌
3CH3COOH
CO2 + CH4
4H2 + CO2
2
蛋白质
脂类
氨基酸
脂肪酸 ，甘油
甲醇
乙酸
乙醇
酪酸
乳酸
戊酸
产乙酸产氢菌
甲酸
丙酸
乙酸
H2/CO2
乙酸 CO2
H
产甲烷菌
乙酸
H 2 /CO
2
CO2+CH4
厌氧消化微生物
1）主要发酵细菌
羧菌属（Clostridium）降解淀粉、蛋白质等有机物， 产 生丙酮、丁醇、丁酸、乙酸和氢气。 似杆菌属（Bacteroides） 降解纤维素或半纤维素。 丁酸弧菌属（Butyrivibrio）降解脂肪、蛋白质等 真细菌属（Eubacterium）蛋白质、糖类等的分解 双歧杆菌属（Bifidobacterium）分解蛋白质等。
简单溶解性有机物 1 酸化阶段 1 1 脂肪酸、醇类 2 产氢产乙酸菌 2 H2 ，CO2 气化阶段 产甲烷菌4
甲烷产量的30%
产酸产氢 阶段
3 同型产乙酸菌
CH3COOH 5 产甲烷菌
甲烷产量的70%
CH4+ CO2
产甲烷 阶段
2.2 沼气发酵微生物
厌氧消化阶段微生物
碳水化合物 水解菌 单糖 产酸菌 甲酸 H 2 / CO
命名依据 产生沼气地点 沼泽及池塘 阴沟 粪坑 矿井和煤层 研究者 VOITA 发现 气体成分 主要为甲烷 形成原料 生物质 制造方法 自然形成 人工形成 国家 印度 名称 沼气（marsh gas)、污泥气（sludge gas) 阴沟气（culvert gas) 粪料气（manure gas) 瓦斯气、煤气、天然气、天然瓦斯气等 Volta 可燃气（volta combustible gas) 甲烷气（methane gas) 生物气(biogas) 沼气、天然气（nature gas) 统称为沼气，国际上一般为生物气 哥巴气（gobar gas)、牛粪气（cow manure gas)
有机液肥
• 日生产高效有机液肥10吨(200元)，年产值60万元 • 年提供农田液肥2万吨(20元)，年收入40万元
CDM：温室气体减排
南方每头猪年排放CH44kg，年排放CO22352吨 沼气及沼气发电年产生2.8万吨CO2减排(8欧元) • 即该工程年减排CO2约3万吨，其经济收益为：24万欧 元
沼气发电 沼电并网
排
放
村民用电
效益分析
沼气效益
• 集中供气日150m3计(0.8元)，年收入4.38万元 • 沼气发电，日发电7500kWh(0.8元)，年收入219万元
有机复合肥效益
• 日生产高效有机复合肥10吨(600元)，年产值180万元 • 日提供粗加工有机肥10吨(300元)，年收入90万元
1m3沼气的用途
发电1.5KW.h
2 1
供60W电灯照明7h
1m3沼气
3
驱动5.4*106J引擎1h
4
开动300L冰箱3h
沼气火焰颜色与甲烷含量对照表
级别号 甲烷含量/% 火焰情况 级别号 甲烷含量/% 火焰情况 + + + 70 以上 橘黄或橘红黄 — 40 不能连续燃烧， 微蓝 ++ 70 晴蓝或云水蓝 O 40 以下 不能燃烧 + 55 淡晴蓝
沼气工程技术与应用
重点：沼气发酵原理 沼气发酵工艺控制技术 大中型沼气工程技术及项目设计
Bornholm
“十二五”规划
• 起止时间：2011-2016 年 • Y36） 生物燃气高效制备及综合利用技术 • 目标：实现生物质燃气的高效生产与高值化利用， 形成自主知识产权的关键技术。 • 研究内容：高浓度、混合原料的湿发酵、干发酵 技术；大型治气及热电联供技术；高效热解气化 技术；燃气净化及高值化利用技术。
1.沼气燃料的特点
• 沼气是一种混合气体，其中主要成分是CH4占总体积的 50%～70%，其次是CO2占25%～45%。除此之外，还含 有少量的N2、H2、O2、NH3、CO、和H2S等气体。
燃料名称 单位 甲烷 1M3 3 煤气 1M 沼气 1M3（70%）
热量/KJ 燃料名称 单位 热量/KJ 35822 汽油 1Kg 43681-47025 16720 柴油 1Kg 39170 25075 原煤 1Kg 22990
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一、沼气发展简史
重点：英文命名与沼气发展的四个阶段
沼气发展简史
1.国际
1866 1896 1900 1927 1936 Bechamp England(埃塞特） India Germany Thames 甲烷形成是微生物过程 沼气街灯可发应用 人粪沼气池 沼气发电 厌氧消化技术
1950---1955
2.沼气发酵微生物学原理
2.1 沼气发酵阶段理论
利用厌氧微生物进行有机废弃物厌氧分解的工艺称之为 厌氧处理；
以产出沼气为重要指标的厌氧处理就是沼气发酵工艺。
有机物要经过水解，产酸等多种不同的微生物降解过程，最终由产甲烷细 菌作用而生成甲烷和二氧化碳。
好氧处理： 厌氧处理：
能量代谢最终电子受体
氧 简单有机物
Acetogenesis
Carbon dioxide Hydrogen
Methane Carbon dioxide
厌 氧 消 化 阶 段 理 论
Methanogenesis
厌氧消化三阶段系统图
按物性变化分段： 复杂有机物 液化阶段 碳水化合物，蛋白质，脂类 按降解机理分段：
1
水解
发酵
水解发酵 阶段
起止日期：2011-2015 年
• S34） 农业废弃物制备生物燃气及其综合利用示 范工程 • 目标：建设日产5000～10000m3农业废弃物制备 生物燃气及其综合利用示范工程，制定相关的技 术标准。 • 研究内容：农业废弃物（畜禽粪便、作物秱秆或 农业加工废弃物等）高效制备甲烷化生物燃气技 术；生物燃气净化提质技术；秱秆热化学转化合 成车用燃气技术；生物燃气制备车用燃气研究与 示范应用。
主要功能
固形有机物 水 解 胞外酶作用
溶解有机物
发酵细菌很多，以上只列出了见于厌氧消化中的主要的一小部分。这些微 生物的主要功能是通过胞外酶的作用将固形有机物水解成溶解有机物，再 将可溶性的大分子有机物降解成有机酸、醇等。
2）主要产氢产乙酸菌
互营单细胞菌属（Syntrophomonas） 互营杆菌属（Syntrophobacter） 羧菌属（Clostridium） 暗杆菌属（Pelobacter）等。
CH4 + H2O
自然界中最古老（36亿年左右），分布最广的微生物。
产甲烷菌在厌氧水系生态碳链中的最底层。 氢气是多数甲烷菌种可共同利用的基质，是厌氧条件下最普 遍的能源物质。工程中乙酸是产甲烷菌的主要基质。 甲烷菌在400nM光源照射下，发出蓝绿色荧光。
在荧光显微镜下，容易识别区分于其他细菌。荧光来源于甲烷菌体内的辅 酶F420( Methanothrix属细菌的F420含量较低，荧光不易观察)
特点：厌氧分解过程产生的能量少，细胞产量和污染物分解速率低，
其优点是能耗低、需要二次处理的污泥量少、运行费用低并且处理有机负 荷强度高。
有机污染物厌氧分解生成甲烷过程
复杂的有机物首先在发酵性细菌产生的胞外酶的作用下分解成简单的溶 解性的有机物，并进入细胞内由胞内酶分解为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等 脂肪酸和乙醇等醇类，同时产生氢气和二氧化碳。起重要作用的第二类细 菌是产氢产乙酸菌，它们把丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸。第 三类微生物是产甲烷细菌，它们分别通过以下两种途径之一生成甲烷。
Methanococcus M.vannielii M.voltae M.maripaludis M.thermolithotrophicus M.jannaschii M.frisius M.deltae Methanoculleus M.bourgense M.marisnigri M.thermophilicum M.olentangyi Methanogenium M.cariaci M.liminatans M.tationis M.organophilum Methanomiocrobium M.mobile Methanolacinia M.paynteri
1 2
1984--1991
全面提升与快速发展 1998---4 3 回升与效益显现
1992--1998
Expansion of biogas facilities in China
数据来源：Biogas from waste and Renewable Resources(wiley)
沼气来源及常见命名
二、沼气发酵原理
重点：三阶段发酵理论 发酵工艺条件
Schematic of a biogas plant utilizing cow dung
1: Compost storage, 2: pump, 3: internalheater, 4: digester, 5: combustor, 6–8: power generators