《沼气工程技术》复习提纲

第一讲

1、沼气的产生

沼气是多种有机质在一定温度、湿度、酸碱度及厌氧条件下，经微生物分解代谢所产生的一种可燃性混合气体。

沼气的产生过程称为沼气发酵，国际上统称厌氧消化。

地球上每年由光合作用生成4×1011吨有机物，其中约5%以不同形式在厌氧条件下被微生物分解生成沼气。

2、沼气工程的概念

①最初是指以粪便、秸秆等农业废弃物为原料，以沼气生产为目标的系统工程。单纯追求能源生产。目前已拓展为以各种有机废弃物厌氧发酵为手段，以追求能源为目标，最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。

②沼气工程是以农业废弃物和有机垃圾的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。

3、发展沼气的意义

减少碳排放，保护生态环境；为农村（城市）提供清洁、可再生能源（资源）；合理处置农业有机废弃物资源；改善农村卫生条件，提高农民生活水平；开展综合利用，调整农业生产模式，发展“生态高值”农业；减少农业生产投资，增加农民收入；带动沼气及相关产业发展；缓解能源供应紧张局面等。

第二讲

沼气发酵是一个由多种类群细菌参与完成的，通过分解有机物并产生以CH4和CO2为主要产物的，复杂的微生物学过程。

1、沼气发酵的特点

沼气发酵是一个复杂的生物化学过程，具有以下特点：

（1）参与发酵微生物种类繁多，混菌发酵。

（2）发酵原料复杂，来源广泛，可处理高浓度有机废水（COD大于50000mg/L）；

（3）厌氧发酵自身能耗低，相同条件下仅为好氧分解的1/30~1/20；

（4）沼气发酵装置（厌氧反应器）种类繁多，条件适合，均可产气；

（5）产甲烷菌要求氧化还原电位-330mv以下，即严格厌氧环境。

2、参与沼气发酵的细菌（沼气发酵的微生物类群）

（1）发酵性细菌

水解纤维素、蛋白质、脂类为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸等。

水解菌（大多为厌氧菌，也有兼性菌）：梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽孢杆菌、产琥珀酸梭状菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等。

（2）产氢产乙酸菌

将上述分解物（主要为有机酸）进一步分解为乙酸、H2和CO2

（3）耗氢产乙酸菌

将H2和CO2合成为乙酸，以及代谢糖类产生乙酸。

（4）产甲烷菌

甲烷形成是由一群生理上高度专化的细菌——产甲烷菌所引起的。产甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的最后一组成员。

将乙酸和H2/CO2转化为沼气。

（5）不产甲烷菌

沼气发酵系统中不直接产生甲烷的微生物，主要包括一些好氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌。

主要作用为将复杂的大分子有机物降解成简单小分子有机物。

3、产甲烷菌和不产甲烷菌的微生态关系

①不产甲烷菌为产甲烷菌提供食物；

②不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境；

③不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；

④产甲烷菌为不产甲烷菌清除代谢废物，解除反馈抑制；

⑤不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持发酵环境的pH值。

4、沼气的主要成分

甲烷（CH4）50%~70%，二氧化碳（CO2）30%~40%，其余为少量的硫化氢（H2S）、氮气（N2）、氢气（H2）和一氧化碳（CO）等气体，共约占5%。

PS：标准沼气是指甲烷含量60%，二氧化碳含量40%的沼气。

5、沼气的特性

沼气是一种高热值的燃料，每立方米沼气的热值约为20000~22000千焦，约合5000大卡。相当于1.45立方米煤气、0.69立方米天然气或0.714公斤标准煤。沼气燃烧时最高温度可达到1200℃。

沼气热值：20000~22000kJ/m3，约沼气热值：5000大卡；

煤气热值：15000kJ/m3，3580大卡；

天然气：37000~39000kJ/m3，9300大卡；

液化石油气：50000kJ/m3，11900大卡；

6、沼气发酵的三阶段理论

1979年，Bryant等人提出，将沼气发酵过程分成由三大代谢类群微生物引起的三阶段理论，即水解（液化）阶段、产酸阶段和产甲烷阶段；

7、产甲烷阶段甲烷产生的生化过程

乙酸CH3COOH＝CH4＋CO2

H2＋CO2H2＋CO2＝CH4＋H2O

甲酸4HCOOH ＝CH4＋3CO2＋2H2O

甲醇3CH3OH ＝3CH4＋CO2＋2H2O 在一般的厌氧反应器中，约72%的甲烷由乙酸分解而来，其余28%的甲烷大多来自H2对CO2的还原；

8、不同有机物厌氧发酵产甲烷的生化过程

C1-水解产酸阶段

产氢产酸阶段产甲烷阶段

第三讲

（1）严格厌氧环境；

（2）适宜、稳定的发酵温度（8 ℃ ~65℃）

常温：10~20 ℃；中温：20-45 ℃，35±2℃为宜；高温：45-65 ℃，55±2℃为宜（3）适宜的发酵原料

粪便、秸秆等农业有机废弃物及酒糟、糖渣、高浓度有机肥水等工业有机废弃物，但应控制有毒及抑制厌氧微生物活动的原料进入。

（4）适宜的料液浓度（以TS浓度计算）

沼气发酵可在2～30%的范围内运行。浓度在20%以下称湿发酵，以上称为干发酵；

夏季及南方地区气温较高，料液浓度可以低一些，6%~8%即可；

冬季及北方地区气温较低，料液浓度要求高一些，一般可达10%~12%。

（5）中性略偏碱的pH值

沼气微生物最适宜的pH值范围是6.8~7.5，即中性稍偏碱。

（6）合适的C/N比例

一般认为最佳的碳氮比为25：1，但并不十分严格，20：1到40：1的范围内都可正常发酵。

（7）足量、优质的接种物（活性污泥）

引入产甲烷菌群，实现快速启动及正常产气的基础。

一般要求接种物达到发酵料液总量的10～30%，才能保证正常启动和旺盛产气。

常用的接种物来源包括：①正常使用的沼气工程内的活性污泥及沼液；②使用多年的厕所底泥；③阴沟底泥；④沤制半年以上的各种粪便的底泥；⑤人工厌氧堆沤方法制备的接种物。

厌氧消化过程生成的H2S使污泥呈黑色，因此发育良好的污泥一般为油亮的黑色。一般采用每克VSS的每天最大甲烷产量750mL的污泥作为标准厌氧活性污泥。