第3讲 沼气发酵原理及工艺

2.2 影响沼气发酵的工艺因素
2） C/N
厌氧发酵微生物适宜的C/N范围为20～30:1
对于木质纤维素等生物降解性差的原料C/N要低： Nyns认为适宜的C/N比是16～19:1 Kivaisi认为适宜的C/N是16.8～18:1
原因：木质素的存在会影响N的利用。
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
泡沫会导致沼气输气管道的堵塞，因此，在处理易产生泡沫的发酵原料 时，在反应器上部应设置消泡喷嘴等消泡装置。
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
9）抑制剂
对厌氧发酵过程可能产生抑制作用的物质主要有氨、硫、轻金属离子、 重金属和有机物。
（1）氨抑制 厌氧发酵过程中，氨主要来自于蛋白质和尿素等含氮物质的生物降解。对细胞内pH 值的改变，对维持能需求的增加，对特殊酶促反应的抑制等被认为是产生氨抑制的 机理。 （2）硫化物抑制 硫酸盐是许多工业废水的常见成分。高浓度硫酸盐对产甲烷过程具有抑制作用，这 是由于SRB需要更少的能量而且不需要共生菌，所以在与产甲烷菌竞争过程中，硫 酸盐还原细菌（Sulfate reducing bacteria, SRB）会成为优势菌。
世代时间
24～36h 80～90h
5～16d 约10d
20min 2h 1～5h
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
5）容积负荷wenku.baidu.com
反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，称为容积负荷 率，单位常用kgCOD/m3·d或kgBOD/m3·d表示。
容积负荷是厌氧反应器设计重要依据和运行的重要控制参数，容积负荷的大 小主要取决于厌氧活性污泥的数量和活性，也就是说，反应器容积负荷要依据污 泥负荷来确定。
3） pH
产酸发酵细菌：大多数可以在5.0～8.5的pH范围内正常生长繁殖。 产甲烷菌：6.5～7.8，这是通常情况下厌氧发酵所采用的pH值范围。
在自然发酵过程中pH值一般会被保持在中性附近，这主要归功于两个缓冲体系。 二氧化碳/碳酸氢盐/碳酸盐缓冲体系; 氨－铵缓冲体系。
这两个缓冲体系的缓冲机理如下： CO2↔H2CO3↔H++HCO3−↔2H++2CO32− NH3＋H2O↔NH4＋+OHNH3＋H＋↔NH4＋
1. 沼气发酵原理（难点） 2. 沼气发酵工艺（重点） 3. 沼气发酵监控（重点）
1、沼气发酵原理
复杂有机化合物 （碳水化合物、蛋白质、脂类等）
（1）水解
简单有机化合物 （单糖和双糖、氨基酸、肽等）
（2）产酸发酵
挥发性脂肪酸和醇 （丙酸、丁酸和乙醇等）
H2 + CO2
（3）同型产乙酸
乙酸
（4）产甲烷发酵
当发酵料液中含有高浓度溶解的正磷酸盐、NH4+-N和Mg2+会形成鸟粪石沉淀。 鸟粪石沉淀多发生在两个地方：管道弯头和水泵入口处
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
8）泡沫
厌氧发酵过程中可能出现泡沫问题。液体表面张力的下降是造成出现泡 沫的首要原因。
进料中的蛋白质一般会造成一个产生泡沫的阶段 生物体本身能产生一些中间产物降低液体的表面张力而产生泡沫； 剧烈的气体释放也可导致泡沫的产生
衡量反应器性能的一个重要指标。
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
6）搅拌
搅拌的主要作用：增加微生物与有机物的接触，消除反应器内存在 的浓度梯度和温度梯度，从而加快发酵速度，提高产气量。
（1）为了给每个微生物平均地提供营养并且移去其新陈代谢产物，需要平缓的搅 拌；为了破坏包围在微生物周围的H2层对上述运动的阻碍，需要强烈的搅拌。 （2）使新投加的原料与反应器内的料液进行均匀的混合。 （3）搅拌会破坏污泥的结构，使存在互营联合关系的互营菌分离，阻碍了种间氢 转移，同时还可使污泥的絮凝态被破坏，从而使活性污泥的沉降性能下降，污泥 流失率增加。 （4）充足的搅拌可以阻止由于气体强烈释放而引起的泡沫的形成。 （5）搅拌可以破坏反应器内的温度梯度，并抑制分层现象。 （6）为了提高系统效率，必须将搅拌能耗降到最低。
……
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
1） 温度
（1）常温发酵，指在自然气温或水温条件下的沼气发酵工艺，适宜的 温度范围为10～30℃。
（2）中温发酵，指发酵温度在30～40℃条件下的沼气发酵工艺，适宜 温度为35～38℃。
（3）高温发酵，指发酵温度在50～60℃条件下的沼气发酵工艺，适宜 温度为52～55℃。
为避免上述问题的发生，需要直接检测碱度或VFA浓度
（2）碱度的 监测
表征水吸收质子的能力的参数，通常用水中所含能与强酸定量作用的物质 总量来标定。
总碱度
部分碱度
（3）有机酸抑制 在正常pH范围内，厌氧发酵液中的有机酸大部分以离解态存在，其余部分以非离解 态存在。未电离的有机酸具有抑制作用，因为它们可以穿透细胞使细胞的蛋白质变 性。
（4）重金属抑制 对厌氧发酵过程具有抑制作用的重金属主要有Pb、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Cd和Ni
（5）轻金属抑制 对厌氧发酵微生物具有抑制作用的轻金属离子包括Na+、K+、Ca2+和Mg2+。它们 可以来自有机物的分解，也可能来自调节pH时添加的化学药剂。它们和其它营养成 分一样是微生物生长所必需的，会影响微生物的比生长速率。这些金属离子在中等 浓度条件下对微生物的生长产生促进作用，过量条件下则会降低微生物的生长，而 高浓度条件下则会产生严重的抑制作用和毒性。
搅拌装置
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
7）沉淀物
在厌氧反应器中钙盐沉淀可以引发严重的运行问题，因为钙盐沉淀 形成后实际上不可能被除掉。鸟粪石（MgNH4PO4）沉淀也是一个 麻烦问题。
当Ca2+浓度大约为100mg/L时，CaCO3开始从悬浮液中沉淀。当Ca2+浓度达到 150mg/L时，会促进易于沉淀的污泥颗粒的形成。
乙酸 72%
代谢过程 Hydrolysis Acidogenesis H2-producing
acetogenesis Methanogenesis 菌群 Acidogens Methanogens
厌氧细菌分类(按底物利用情况)
产酸发酵细菌
产酸发酵菌 (AFB) 产氢产乙酸菌 (HPA) 同型产乙酸菌 (HOMA)
2.2 影响沼气发酵的工艺因素
4）接种污泥
活性污泥对厌氧发酵过 程的影响突出表现在两 个方面，其一是它的活 性，常用污泥比产甲烷 活性表示，其二是其沉 淀性能，它是影响反应 器内污泥浓度的最为重 要的因素。
厌氧微生物与好氧微生物世代时间的对比
厌氧微生物 产酸细菌 梭状芽孢杆菌（Clostridia） 产乙酸菌 产甲烷细菌 产甲烷八叠球菌（Methanosarcina barkeri） 甲烷球菌属（Methanococcus） 好氧微生物 大肠杆菌（Escherichia coli） 活性污泥微生物 土壤微生物
产甲烷细菌
氧化氢产甲烷菌 (HOM) 氧化氢利用乙酸产甲烷菌 (HOAM) 非氧化氢利用乙酸产甲烷菌 (NHOAM)
2、沼气发酵工艺
2.1 沼气发酵工艺类型
工艺类型
温度
常温发酵 中温发酵
高温发酵
进出料方式
批量发酵 连续发酵
半连续发酵
料液浓度
湿发酵 干发酵
反应器类型
CSTR UASB ASBR
3、沼气发酵监控
3.1 为什么要监控
3.2 监控内容
基本监控 中等监控 全面监控
3.3 监控方法 （1）pH的 监测
（1）pH的 监测
pH是最常用的监测指标； pH不能反映厌氧发酵的快速失败问题
因为当发酵液具有的缓冲能力较强时，pH值的变化并不明显，一旦发现 pH有明显的下降，此时VFA已经过度积累，此时发酵失败的趋势已很难 扭转了。
CH4 + CO2
1、沼气发酵原理
5% 10%
复杂有机化合物 （碳水化合物、蛋白质、脂类等）
（1）水解
20%
简单有机化合物 （单糖和双糖、氨基酸、肽等）
（2）产酸发酵
35%
挥发性脂肪酸和醇 （丙酸、丁酸、戊酸和乙醇等）
13% H2 + CO2 28%
（3）同型产乙酸
17%
（4）产甲烷 CH4 + CO2