生物质资源转化与利用 第七章 生物质制沼气技术资料
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第一阶段：水解阶段。由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵 性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸； 把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成 甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、 H2和CO2的过程。 第二阶段：产酸阶段。由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段 产生的各种有机酸分解成乙酸、 H2 和 CO2 的过程，其中乙酸约占 90% 第三阶段：产甲烷阶段。由严格厌氧的产甲烷菌群利用一碳化 合物（ CO2 、甲醇、甲酸、甲基胺或 CO ）、二碳化合物（乙酸） 和H2产生甲烷的过程。
两阶段理论没有全面反映厌氧消化的本质 研究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、 甲基胺类和 H2/CO2，但不能利用两碳以上的脂肪 酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷，因此两阶段理 论难以确切的解释这些脂肪酸或醇类是如何转化 CH4和CO2的。
三段理论
一般参与沼气发酵的微生物分为3类：发酵性细菌、产氢产 乙酸菌、产甲烷菌。 根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为3个阶段。
沼气、乙醇
7.1 沼气概述
沼气的基本概念：由有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、 污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧 的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。 沼气的组成部分
成分名称 甲烷 所占比重（体积比） 50~70%
二氧化碳 其他（N2、H2、O2、NH3、 CO、H2S）
生物质资源转化与利用
第七章 生物质制沼气技术
物理化学法
压缩成型
直接燃烧
固体燃料
燃烧供热、木炭
高压蒸汽、热气流 直接液化
燃料油、化工原料
生 物 质
液化
热化学法 气化 热裂解 微生物法 生物化学法 发酵
间接液化 共液化
氢气、木煤气
甲醇、柴油、二 甲醚、氢气
化学品、液体燃料
木炭、生物油、木煤气、醋液
氢气
1）第一代反应器 1904年德国的Imhoff将其发展成为Imhoff双层沉淀池(即腐 化池)，这一工艺至今仍然在有效地利用； 1912年，德国人Kremer提出了加盖的密闭式二级消化池； 至1914年，美国有14座城市建立了厌氧消化池； 1920年，英国的Watson采用沼气作为动力用泵对消化污泥 进行搅拌； 1950年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化反应池，加 快了厌氧技术的发展。 特点：发展较为缓慢，工艺简单。污泥龄（SRT）等 于水力停留时间（HRT），反应器容积较大，处理效 能较低
7.2.1沼气发酵理论
沼气发酵理论 二段 理论 三段 理论 四段 理论
二段理论：认为沼气发酵分为产酸阶段和产 气阶段。 三段理论：把沼气发酵分为3个阶段，即水解 发酵、产氢产乙酸、产甲烷阶段。 四段理论：把沼气发酵分为4个阶段，即水解 阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段、甲烷化 阶段。
二段理论
第一阶段：酸性发酵阶段。复杂的有机物在产酸菌 的作用下被分解成以有机酸为主的低分子的中间产物， 包括大量的低碳脂肪酸和H2、CO2、H2S等。 第二阶段：碱性发酵阶段。产甲烷菌将第一阶段产生 的中间产物继续分解成甲烷（CH4）和二氧化碳等。
CH4 35.82 5~15
0.72 -82.5 46.4 无
标准沼气（含CH4 60%，含CO2 40%）
21.52 8.33~25
1.22 -25.7~-48.42 59.35~53.93 微臭
沼气生产百度文库历史及现状
国外沼气生产的历史及现状
我国沼气生产的历史及现状
厌氧技术的发展历史
1）第一代反应器 1861年法国人Louis Mouras将简易的沉淀池改进为污水处理 构筑物，降解生活污水中的悬浮物, 1881年被法国Gosmos 杂 志报道； 1890年，Scott－Moncrieff 设计第一个初步的厌氧滤池； 1895 年 Donald 设 计 了 世 界 上 第 一 个 厌 氧 化 粪 池 （ Septic Tank),是厌氧处理工艺发展史上一个重要的里程碑； 1896 年，英国小城 Exeter 出现了第一座用于处理生活污水 的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明； 1903 年 Travis 发明了 Travis 池，废水从一端进入，从另一端 流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化；
1985年出现了厌氧内循环反应器（IC）
特点：在UASB基础上发展起来的，反应器单位容积 的生物量更高，能承受更高的水力负荷，
7.2生物质制沼气发酵原理及工艺
1965年美国微生物学家Hungate教授创立了严格厌氧微生物技 术，揭示了沼气发酵的微生物原理： 沼气发酵过程是由多个生理类群的微生物在无氧条件下共同 参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同 分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解， 最终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气。 因此，沼气发酵是一个错综复杂的微生物生化过程。
2）第二代厌氧反应器
1956 年 ， Schroefer
等 人 成 功 的 开 发 了 厌 氧 接 触 法 工 艺 (Anaerobic
Contact Process)，标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生； 1967年，Young和McCarty等开发了厌氧生物滤池(AF )，将第二代反 应器推进了高速发展的进程中； 1974年荷兰的Lettinga开发了上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，处理 效率很高，得到了广泛的应用 1978年W. J.Jewell 等人和1979年R. P. Bowker 分别开发了厌氧膨胀床
25~45% 很少
有机物 H 2O 厌氧微生物 细胞物质 CH4 CO2 NH 3 H 2 S 能量
CH4与沼气的主要理化性质对比
特性 热值(kJ/L) 爆炸范围(与空气混 合体积百分比 %)
密度(g/L) 临界温度(oC) 临界压力(105Pa) 气味
反应器(Anaerobic Expanded Bed)和厌氧流化床反应器(Anaerobic
Fluidized Bed)。反应器内均填充细颗粒载体，增加生物接触面积。
特点：污泥龄（SRT）大于水力停留时间（HRT）， 反应器内维持很高的生物量，处理效能较高
3）第三代厌氧反应器
基于微生物固定化原理和提高污泥和废水混合效率为 基础的一系列高速厌氧反应器相继出现，即进入了第三代 厌氧处理工艺。 1982年出现了厌氧折流板反应器（ABR）
两阶段理论没有全面反映厌氧消化的本质 研究表明，产甲烷菌能利用甲酸、乙酸、甲醇、 甲基胺类和 H2/CO2，但不能利用两碳以上的脂肪 酸和除甲醇以外的醇类产生甲烷，因此两阶段理 论难以确切的解释这些脂肪酸或醇类是如何转化 CH4和CO2的。
三段理论
一般参与沼气发酵的微生物分为3类：发酵性细菌、产氢产 乙酸菌、产甲烷菌。 根据微生物不同的作用，可将沼气发酵的过程分为3个阶段。
沼气、乙醇
7.1 沼气概述
沼气的基本概念：由有机物质（粪便、杂草、作物、秸秆、 污泥、废水、垃圾等）在适宜的温度、湿度、酸碱度和厌氧 的情况下，经过微生物发酵分解作用产生的一种可燃性气体。 沼气的组成部分
成分名称 甲烷 所占比重（体积比） 50~70%
二氧化碳 其他（N2、H2、O2、NH3、 CO、H2S）
生物质资源转化与利用
第七章 生物质制沼气技术
物理化学法
压缩成型
直接燃烧
固体燃料
燃烧供热、木炭
高压蒸汽、热气流 直接液化
燃料油、化工原料
生 物 质
液化
热化学法 气化 热裂解 微生物法 生物化学法 发酵
间接液化 共液化
氢气、木煤气
甲醇、柴油、二 甲醚、氢气
化学品、液体燃料
木炭、生物油、木煤气、醋液
氢气
1）第一代反应器 1904年德国的Imhoff将其发展成为Imhoff双层沉淀池(即腐 化池)，这一工艺至今仍然在有效地利用； 1912年，德国人Kremer提出了加盖的密闭式二级消化池； 至1914年，美国有14座城市建立了厌氧消化池； 1920年，英国的Watson采用沼气作为动力用泵对消化污泥 进行搅拌； 1950年出现高效的、可加温和搅拌的厌氧消化反应池，加 快了厌氧技术的发展。 特点：发展较为缓慢，工艺简单。污泥龄（SRT）等 于水力停留时间（HRT），反应器容积较大，处理效 能较低
7.2.1沼气发酵理论
沼气发酵理论 二段 理论 三段 理论 四段 理论
二段理论：认为沼气发酵分为产酸阶段和产 气阶段。 三段理论：把沼气发酵分为3个阶段，即水解 发酵、产氢产乙酸、产甲烷阶段。 四段理论：把沼气发酵分为4个阶段，即水解 阶段、酸化阶段、产氢产乙酸阶段、甲烷化 阶段。
二段理论
第一阶段：酸性发酵阶段。复杂的有机物在产酸菌 的作用下被分解成以有机酸为主的低分子的中间产物， 包括大量的低碳脂肪酸和H2、CO2、H2S等。 第二阶段：碱性发酵阶段。产甲烷菌将第一阶段产生 的中间产物继续分解成甲烷（CH4）和二氧化碳等。
CH4 35.82 5~15
0.72 -82.5 46.4 无
标准沼气（含CH4 60%，含CO2 40%）
21.52 8.33~25
1.22 -25.7~-48.42 59.35~53.93 微臭
沼气生产百度文库历史及现状
国外沼气生产的历史及现状
我国沼气生产的历史及现状
厌氧技术的发展历史
1）第一代反应器 1861年法国人Louis Mouras将简易的沉淀池改进为污水处理 构筑物，降解生活污水中的悬浮物, 1881年被法国Gosmos 杂 志报道； 1890年，Scott－Moncrieff 设计第一个初步的厌氧滤池； 1895 年 Donald 设 计 了 世 界 上 第 一 个 厌 氧 化 粪 池 （ Septic Tank),是厌氧处理工艺发展史上一个重要的里程碑； 1896 年，英国小城 Exeter 出现了第一座用于处理生活污水 的厌氧消化池，所产生的沼气用于街道的照明； 1903 年 Travis 发明了 Travis 池，废水从一端进入，从另一端 流出，两侧沉淀出的污泥在池中下部进行消化；
1985年出现了厌氧内循环反应器（IC）
特点：在UASB基础上发展起来的，反应器单位容积 的生物量更高，能承受更高的水力负荷，
7.2生物质制沼气发酵原理及工艺
1965年美国微生物学家Hungate教授创立了严格厌氧微生物技 术，揭示了沼气发酵的微生物原理： 沼气发酵过程是由多个生理类群的微生物在无氧条件下共同 参与完成，是微生物为适应缺氧环境，利用不同类群的不同 分解作用，构成完整的生化反应系列，逐步将有机质降解， 最终形成甲烷、氢气和二氧化碳，即沼气。 因此，沼气发酵是一个错综复杂的微生物生化过程。
2）第二代厌氧反应器
1956 年 ， Schroefer
等 人 成 功 的 开 发 了 厌 氧 接 触 法 工 艺 (Anaerobic
Contact Process)，标志着现代废水厌氧生物处理工艺的诞生； 1967年，Young和McCarty等开发了厌氧生物滤池(AF )，将第二代反 应器推进了高速发展的进程中； 1974年荷兰的Lettinga开发了上流式厌氧污泥床反应器(UASB)，处理 效率很高，得到了广泛的应用 1978年W. J.Jewell 等人和1979年R. P. Bowker 分别开发了厌氧膨胀床
25~45% 很少
有机物 H 2O 厌氧微生物 细胞物质 CH4 CO2 NH 3 H 2 S 能量
CH4与沼气的主要理化性质对比
特性 热值(kJ/L) 爆炸范围(与空气混 合体积百分比 %)
密度(g/L) 临界温度(oC) 临界压力(105Pa) 气味
反应器(Anaerobic Expanded Bed)和厌氧流化床反应器(Anaerobic
Fluidized Bed)。反应器内均填充细颗粒载体，增加生物接触面积。
特点：污泥龄（SRT）大于水力停留时间（HRT）， 反应器内维持很高的生物量，处理效能较高
3）第三代厌氧反应器
基于微生物固定化原理和提高污泥和废水混合效率为 基础的一系列高速厌氧反应器相继出现，即进入了第三代 厌氧处理工艺。 1982年出现了厌氧折流板反应器（ABR）