第一章 沼气的发酵原理和条件

null第一章 沼气的发酵原理和条件第一章 沼气的发酵原理和条件一. 什么是沼气？ 二.沼气的好处和现在国内发展情况 三. 沼气的产生原理 四. 沼气产生所需的条件 五. 发酵原料和原料产气特性一. 什么是沼气？一. 什么是沼气？指有机物在厌氧条件下，被沼气微生物分解代谢，最后形成以甲烷和二氧化碳为主的混合气体。沼气是一种混合气体，可以燃烧，因为这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。二.沼气的好处和国内发展情况二.沼气的好处和国内发展情况将人粪尿投入到密闭的沼气池中，经过发酵，可以产生沼气。一个8立方能提供4-6人家庭的做饭和照明。3-5头猪每天的粪便，产生的沼气可提供一个家庭使用。null沼气能够发电，烧锅炉，做饭，加工食品等。在温室里，点沼气灯可以提高温度。同时产生的二氧化碳可以作为植物的气肥。null沼液和沼渣是高效的有机肥，能够替代化肥。使用它们可以降低病虫害，增加作物产量，土壤的活性和肥力，生产出无公害食品。null沼气池可以消除家畜份产生的臭味，净化空气。减少传染病发生，美化环境。null沼气池能提供80%的生活用能，节省砍柴和运输燃料的时间和精力。保护了生态环境。国内沼气发展状况国内沼气发展状况20世纪30年代初，主要用于商店，寺庙的照明需要。 20世纪50年代，想解决农村的炊事用能。但技术跟不上，修建的沼气池质量不稳定。 70年代初，农村生活燃料严重短缺。在四川，江苏和河南等农村又一次掀起了发展沼气的热潮。很快就达到了700万个。但急于求成，资金和建材不足，平均寿命一般有3~5年。 80年代后，政府的大力支持，对沼气发酵的科学原理和应用技术进行了大量研究工作。到目前，累计建成农村户用沼气池1100万户，大中型沼气工程1100多处。三. 沼气的产生原理三. 沼气的产生原理沼气发酵微生物在沼气发酵过程中，有发酵性细菌，产氢产乙酸菌，耗氧产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等五大类微生物参加沼气发酵。它们在发酵过程中的作用及对生存条件的要求，有以下三个阶段 （1）液化阶段 在沼气发酵中首先是发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，如纤维酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，对复杂有机物（多糖，蛋白质和脂类）进行体外酶解，也就是把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物null（2）产酸阶段 产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸，氢和二氧化碳。 还有耗氢产乙酸菌，利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类生产乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。 液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统称不产甲烷阶段，在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多，数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。null（3）产甲烷阶段 产甲烷细菌群，可以分为食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌，它们利用前两阶段分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。 产甲烷菌的共同特征是： ①生长非常缓慢，如甲烷八叠球菌在乙酸上生长时其倍增时间为1-2天，甲烷菌丝倍时间为4-9天； ②严格厌氧，对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡； ③只能利用少数简单的化合物作为营养； ④它们要求在中性偏碱和适宜温度环境条件； ⑤代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。null大分子有机物： 纤维，淀粉， 蛋白质，脂肪等发酵细菌好氧或厌氧氢， 二氧化碳， 乙酸产甲烷菌厌氧丁酸 乙醇 丙酮酸产氢产乙酸菌 （厌氧）CH4,CO2四. 沼气产生所需的条件四. 沼气产生所需的条件1. 严格的厌氧环境 在沼气发酵中起主要作用的是厌氧分解菌和产甲烷菌。它们怕氧气、在空气中暴露几秒钟就会死亡，空气中的氧气对它们有毒害致死的作用。因此，严格厌氧环境是沼气发酵的最主要条件之一。根据沼气细菌怕空气的特性，修建的沼气池除进出料口外必须严格密闭，达到不漏水不漏气，保证沼气细菌正常生命代谢活动和贮存沼气。 在沼气发酵启动或投入新料时，会带入一部分氧气，但由于池内存在一部分好氧菌和兼性厌氧菌，会很快消耗溶解氧，使池内保持厌氧环境。null2.适宜的温度 适宜的温度沼气池内发酵液的温度，对产生沼气的多少有很大影响。这是因为在最适宜的温度范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖越快，产沼气就多；如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气就少或不产气。所以，温度是生产沼气的重要条件。 一般说沼气细菌在8-60℃范围内都能进行发酵。 人们把沼气发酵划分为三个发酵区： 常温度发酵区10-26℃； 中温发酵区28-38℃，最适温度为35℃； 高温发酵区46-60℃。 农村的沼气发酵，因为条件的限制，一般都采用常温发酵。冬季池温低产气少不产气。为了提高沼气池温度使沼气常年产气，在北方寒冷地区把沼气池修建在日光温室内或太阳能畜禽舍内，使池温增高。提高了冬季的产气量，达到常年产气。 一般的大中型沼气工程采用中温发酵。 一些酒精厂的沼气工程采用高温发酵。null3.发酵菌种 沼气细菌制取沼气必须有沼气细菌。如果没有沼气细菌作用，沼气池没的有机物本身是不会转变成沼气的。所以沼气发酵启动时要有足够数量含优良沼气菌种的接种物。这是制取沼气的重要条件。 在农村含有优良沼气菌种的接种物，普遍存在于粪坑底污泥、下水污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥、豆制品作坊下水沟中的污泥，这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。 沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种。新建沼气第一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产气率不高，甲烷含量低无法燃烧。 另外，加入适量的接种物可以避免沼气池发酵初期酸过多而导致发酵受阻。 对于农村户用沼气发酵来说： 采用阴沟污泥作为发酵菌种时，菌种数量应占总发酵料液的10%~15% 采用沼气池沼渣作为发酵菌种时，菌种数量应占总发酵料液的30%以上。 采用沼气池底层沉渣作发酵菌种时，菌种数量应占总发酵料液的10%以上。null4.适当的酸碱度 酸碱度用pH来表示，pH7为中性，pH7以下为酸性，pH7以上为碱性。 测定发酵料液，碱度一般利用酸碱试纸测定：把一张pH试纸，深入经搅拌后的发酵液中，立即取出与pH试纸附带的标准比色卡对比，从颜色的变化就知道发酵液的酸碱度。 沼气发酵细菌最适宜的pH在6.5~7.5。 在沼气发酵过程中，pH变化规律一般是；在发酵初期，由于产酸细菌的迅速活动产生大量的有机酸，是pH下降；但随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分有机酸，另一方面甲烷菌群利用有机酸转化成甲烷，这样使pH一直保持在7.0-7.5的范围内，使发酵正常运行。 所以沼气池内的料液发酵时，只要保持一定的浓度、接种物和适宜的温度，它就会正常发酵，不需要进行调整。 如果料液浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量不足，或者在沼气池内一次加入大量的鸡粪、薯渣造成发酵料液浓度过高，都会产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发菌（乙酸、丙酸、丁酸）的积累，导致pH下降。这是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因。 null5.发酵料液浓度 发酵原料浓度沼气池中的料液在发酵过程中需要保持一定的浓度，才能正常产气运行。 如果发酵料液中含水量过少、发酵原料过多，发酵液的浓度过大，产甲烷菌又食用不了那么多，就容易造成有机酸的大量积累，结果使发酵受到阻碍。 如果水太多，发酵液的浓度过稀，有机物含量少，产气量就少。 所以沼气池发酵液必须保持一定的浓度，根据多年实践，农村沼气池一般采用6%-10%的发酵料液浓度较适宜。 当发酵原料完全采用富氮类原料进行沼气发酵时，最初的投料，南方各省夏天以6%为宜，冬天以10%为宜；北方地区，沼气最佳发酵时间一般在5~10月，夏天以8%为宜。冬天以11%为宜。null6.搅拌 在投入沼气池的秸秆原料的表面，有一层薄薄蜡质和纤维素，很难被微生物分解。所以，沼液的表面会形成厚厚的结壳层，影响发酵。 沼气池内料液一般形成三层。上层为结壳层，中层为清夜层，下层为沉渣层。为了打破结壳层，使料液混合均匀，更好地与微生物接触，应该进行必要的搅拌。 对农家沼气池试验研究表明，搅拌对产气有明显的影响，搅拌与不搅拌相比较，总产气量可提高15-35%。null7.碳氮比 氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料 碳素不仅构成微生物细胞壁，而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25—30倍。 在其他条件都具备的情况下，碳氮比例配成20~30：1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。如果比例失调，就会使产气和微生物的生命活动受到影响。因此，制取沼气不仅要有充足的原料，还应注意各种发酵碳氮比的合理搭配。 农村常用沼气原料的碳氮比如下： 鲜牛粪25：1；鲜马粪24：1；鲜猪粪13：1；鲜羊粪29：1； 鲜人粪2.9：1；鸡粪15.6：1；干麦草87：1；干稻草67：1； 玉米秆53：1；树叶41：1；青草26：1 null8. 添加剂和抑制剂 添加剂：能促进有机物分解并提高沼气产量的物质叫添加剂。添加剂的种类很多，包括一些酶类、无机盐、有机物和其他无机物等。 纤维素： 进料时添加，可加速有机质分解，提高产气量。 尿素： 添加到牛粪消化器内，可提高产气速度和产气量。 碳酸钙： 可提高牛粪消化器的产气量和甲烷的含量。 黑曲霉: 添加到污泥消化器内，可提高甲烷的含量 稀土元素：沼气池中添加5ppm,可提高产气量约17% 活性炭粉末：添加少量即可提高产气量。 氢：把H2通入消化器内，甲烷则与H2成适当比例增加，当氢耗尽后，产气中甲烷的含量又恢复到原来水平。 甲醇和醋酸钠：添加0.25%-0.5%的甲醇和0.25%-0.5%的醋酸钠，可较大幅度的提高沼气产量。 抑制剂：对沼气发酵微生物的生命活动起抑制作用的物质叫抑制剂。 各种农药：特别是剧毒农药，有极强的杀灭沼气发酵微生物的作用。 金属离子：如K,Na,Ca,Mg等，适量起好作用，当量超过时则起抑制作用 挥发酸浓度：中温发酵达到2000ppm以上；高温发酵达到3600ppm以上时，产生抑制。 氨态氮：若浓度过高，则会杀伤沼气发酵菌。五. 发酵原料和原料产气特性五. 发酵原料和原料产气特性1.发酵原料 是沼气池产生沼气的物质基础，具备充足的发酵原料才能保证沼气发酵的持续运行。 用于沼气发酵的原料主要是各种有机废弃物、农作物秸杆，如稻草、番莳藤、花生藤等，野生水生植物如水浮莲、杂草、树叶等，禽畜粪便，人粪尿等等。 不是所有的植物都可作为沼气发酵原料。例如，桃叶、百部、马钱子果、元江金光菊、元江黄芩、大蒜、植物生物碱、地衣和木本枝条，酸金属化合物和刚消过毒的禽畜粪便等，都不能进入沼气池。它们对沼气发酵有较大的抑制作用，故不能作为沼气发酵原料。 发酵原料分为两类：a. 富氮类，各种粪便；b. 农作物秸秆，青草等 沼气发酵根据发酵原料分为两种：a. 完全采用粪便的沼气发酵 b. 农作物秸秆和粪便混合的沼气发酵null为了确切地表示固体或液体中有机物的含量，一般采用如下一些方法来测定原料的有机质的量。 ⑴ 总固体（TS），挥发性固体（VS） 总固体（Total Solid, TS），又称干物质，是指发酵原料除去水分以后剩下的物质。测定方法为，把样品放在105℃的烘箱中烘干之恒重，此时物质的重量就是该样品的总固体重量。挥发性固体（Volatile Solid, VS），是指原料总固体中除去灰分以后剩下的物质。测定方法为：将原料总固体样品在500-550℃温度下灼烧1小时，其减轻的重量就是该样品的挥发性固体含量，余下的物质是样品的灰分，其重量是该样品灰分的重量。null原料中总固体、挥发性固体、水分和灰分之间的组成关系null在沼气发酵中，沼气微生物只能利用原料的挥发性固体，而灰分是不能利用的。因此应该用挥发性固体重量来表示原料重量更确切些。 在农村，不具备测试条件，通常用沼气发酵原料的风干状态下的总固体百分含量。测定一次可作为常数通用。null⑵ 生化需氧量（BOD） 指微生物将溶液中的有机质分解所消耗氧的量称生化需氧量（Biochemical Oxygen Demand）。通常在20℃温度下，经5天培养后所消耗的溶解氧量，用BOD5表示。单位为kg/m3. BOD5常用来表示可被微生物分解的有机物的含量。 ⑶ 化学需氧量（COD） 指在一定条件下，溶液中有机质与强氧化剂重铬酸钾或高锰酸钾作用所消耗氧的量，即化学需氧量（Chemical Oxygen Demand）。单位为kg/m3或mg/L。可以较为准确地反映水中有机物的总量，特别是水中有机物浓度较低时。1kg COD可能生产约0.35 m3null2. 秸秆、粪便沼气发酵原料的配比 ⑴ 碳氮比（C/N） 发酵原料C/N的计算： C: 原料含碳量, %; N: 原料含氮量, W: 原料重量. null⑵ 粪草比 投入沼气池发酵原料中粪便原料与秸秆类原料质量之比． 原料的粪草比一般为２：１．不要小于１null3. 常用发酵原料的产气特性 不同性质的原料进行沼气发酵时具有不同的产气特性，就同一种原料处在不同地区和所处的发酵条件不同时，其产气特性也不相同。 ⑴原料产气率，料液产气率和池容产气率 ① 原料产气率 指单位原料重量在整个发酵过程中的产气量。说明在一定的发酵条件（即配料，温度，时间和浓度等）下，原料被利用水平的高低。原料产气率的表示方法为： null② 料液产气率 是指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量。其表示单位为m3/mL3.d ③ 池容产气率 是指池（消化器）单位体积每天生产沼气的多少。其表示单位为：生产中使用：m3/m3.d 小型试验时使用：L/L.d 原料产气率和池容产气率说明原料和装置被利用水平的高低，是衡量沼气生产水平的重要参数。nullnull⑵ 产气速率⑵ 产气速率指发酵原料投入消化器后产生沼气快慢的程度， 知道了产气速度，便于掌握消化器产气和用气的规律，确定消化器添料和排料时间