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沼气的产生
第一章
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、沼气的主要成分
沼气是一种混合气体,除主要成分甲烷(CH4)外,还含有二氧化碳(CO2)、硫化氢(H2S)、氢气(H2)、一氧化碳(CO)等气体,其中甲烷含量为55%~70%,二氧化碳含量为25%~40%,其他含量较低。
甲烷(CH4),最简单的有机化合物,厌氧消化的最终产物,可燃,无色、无味,极难溶于水,性质较稳定,是沼气、天然气、煤气的主要成分之一。
3、沼气的特性
沼气热值:
20000~22000kJ/m3
煤气热值:
15000kJ/m3
天然气:
37000~39000kJ/m3
液化石油气:
50000kJ/m3
4、沼气工程的概念:
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。
5、阅读文献,了解沼气工程在我国的发展历史、现状及存在问题
6、大中型沼气工程的相关法令、法规
(1)我国畜禽养殖业污染物的管理措施:
《畜禽养殖污染防治管理办法》
(2)畜禽养殖业污染物排放标准:
《畜禽养殖业污染物排放标准》(GB18596-2001)
(3)其他环境标准:
《中华人民共和国可再生能源法》;
《中华人民共和国固体废弃物污染防治法》;
《畜禽养殖业污染防治技术规范》(HJ/T81-2001);
《沼渣、沼液使用技术规范》GB7959-87;
《环境空气质量标准》GB3095-1996;
《地表水环境质量标准》GB3838-88;
《农田灌溉水质标准》GB5084-92;
《生活杂用水水质标准》GJ25.1-89;
《污水排入城市地下水道水质标准》GJ18-86;
《农用污泥中污染物控制标准》GB4284-84;
《污水综合排放标准》GB8978-1996;
《粪便无害化卫生标准》GB7959-87;
其他标准、规定和规范。
第二章
1、原料有机物含量和沼气产量评价指标
(1)总固体(TS)
又称干物质浓度,指将一定量的原料放置在100~105℃烘箱内,烘干至恒重,烘干物质占总重的百分比。
单位:
%
(2)悬浮固体含量(SS)
是指水中不能通过过滤器的固体物。
测定方法:
定量滤纸过滤水样,将滤渣于100~105℃烘干称重得出。
单位:
g/L或mg/L
(3)挥发性固体(VS)和挥发性悬浮固体(VSS)
将测过TS和SS的残留物进一步放于马弗炉中,于550±50℃灼烧至恒重,挥发部分占原烘干物的质量百分比。
单位:
%
(4)总有机碳(TOC)
样品中有机碳(物质)的含量,CH4的物质来源。
单位:
mg/L或mg/kg;
(5)化学需氧量(COD)
指在一定条件下,水中的有机物被强氧化剂(重铬酸钾)完全氧化,消耗氧化剂的量,以氧气(O2)表示。
单位:
mg/L
(6)生化需氧量(COD)
由于微生物活动,将水中的有机物氧化分解所消耗的氧的量。
通常用在20℃恒温培养5d,所消耗的溶解氧的量来衡量,用BOD5。
(7)BOD5/COD
反应水中有机物被微生物分解程度。
最大0.58。
(8)原料产气量(产气潜力)
指单位质量或单位体积的原料,在适宜条件下经厌氧微生物完全消化所产生的沼气量。
单位:
L/(kg·TS)或L/(kg·VS)
(9)产气速率
指单位时间的产气量。
单位:
L/h
(10)池容产气率
指单位时间、单位发酵罐容积的产气量。
单位:
m3/m3·d
2、厌氧反应器的运行参数
(1)容积负荷
消化器单位体积每天所承受(能消化分解)的有机物的量,通常以kgCOD/m3·d表示。
沼气工程上常用kgTS/m3·d或kgVS/m3·d表示。
容积负荷是消化器设计和运行的重要参数。
(2)厌氧反应器污泥负荷
指每千克厌氧活性污泥每天所承受的有机物的量,单位:
kgCOD/(VSS·d)。
是衡量厌氧活性污泥活性(对有机物分解能力)的重要指标。
(3)水力滞留时间(HRT)
指进入消化器的水在反应器内的平均停留时间,单位d或h。
HRT(d)=消化器有效容积(m3)/每天进料量(m3)
(4)污泥停留时间(SRT)
单位生物量在处理系统中的平均停留时间。
(5)污泥体积指数(SVI)
曝气池出口处的混合液在静置30min后,每克悬浮固体所占的体积(mL)。
或单位体积水样在静置30min后,污泥的体积数(mL)。
是衡量污泥沉降性能的重要指标。
(6)污泥的比产甲烷活性
指单位质量的厌氧活性污泥产甲烷的最大速率。
单位:
m3·CH4/(kgVSS·d)。
该参数表示了厌氧活性污泥所具有的潜在产甲烷能力。
3、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。
4、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。
二者的关系:
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。
5、沼气发酵的基本条件
(1)严格厌氧环境
(2)适宜、稳定的发酵温度(8℃~65℃)
常温:
15~30℃;中温:
35℃左右;高温:
55℃左右
(3)充足、质优的发酵原料
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。
(4)适宜的料液浓度(以TS浓度计算)
6%~12%,南方偏低、北方偏高,夏天偏低、冬天偏高。
(5)适宜的酸碱度
沼气微生物最适宜的pH值范围是6.8~7.5。
(6)合适的C、N、P等营养元素比例
C:
N一般(20~30):
1为佳;
C:
N:
P比例以10:
4:
0.8为宜。
(7)添加剂和抑制剂(毒性物质)
(8)搅拌
液体回流搅拌、气体回流搅拌、机械搅拌、自搅拌作用或升流式反应器。
(9)接种物(活性污泥)
正常发酵沼气池发酵液、阴沟底泥或自行培养等厌氧环境下的含有沼气发酵微生物菌群的微生物体系(厌氧菌群、悬浮物质、胶体物质)。
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。
(10)消化器容积负荷(P32)
6、几种常见厌氧反应器的优缺点
(1)常规厌氧反应器(常规沼气池)
密闭池体,无搅拌装置,结构简单、应用广泛;
原料在消化器内自然沉降分层:
浮渣层、上清液层、活性层、沉渣层;P38图2-3、图2-4。
厌氧消化活动旺盛场所只限于活性层,因而效率低。
多于常温下运行,批量或半批量发酵。
我国农村水压式沼气池属于此类。
(2)全混式反应器
在常规厌氧反应器内安装了搅拌装置,是发酵原料和微生物处于完全混合状态,因此活性区遍布整个消化器,其效率比常规消化器明显提高,故又名高速消化器。
(图2-5)
运行方式上常采用恒温连续投料或半连续投料,适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。
HRT=SRT=MRT=10~15d,中温发酵负荷3~4kgCOD/(m3·d),高温发酵5~6kgCOD/(m3·d)。
优点:
(1)可进入高悬浮固体原料;
(2)消化器内物料混合均匀,增加了底物和微生物的接触机会;(3)消化器内温度分布均匀;(4)进入消化器的物料能够迅速分散,保持较低的浓度水平;(5)避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象;
缺点:
(1)消化器体积较大;
(2)要有足够的搅拌,因此能耗较高;(3)生产用大型消化器难以做到完全混合;(4)底物流出该系统时未完全消化,微生物随出料而流失;
(3)塞流式反应器(厌氧折流板反应器ABR)
亦称推流式反应器或活塞流反应器,是一种径高比很小(1/50)的非完全混合的消化器,高浓度悬浮固体原料从一端进入,从另一段流出,原料在消化器内的流动呈活塞式推移状态。
实际应用中,为减少反应器占地及工程施工方便,常采用消化器内设置挡板的方式。
(图2-6)
优点:
(1)不需搅拌,结构简单,能耗低;
(2)除适用于高SS的废物处理外,尤其适用于牛粪的消化;(3)运转方便,故障少,稳定性高;
缺点:
(1)固体物质可能沉于底部,影响消化器的有效体积,使HRT和SRT降低;
(2)需要固体和微生物的回流作为接种物;(3)由于径高比(体积/面积)较小,难以保持温度恒定;(4)易产生结壳;
(4)上流式厌氧污泥床反应器(UASB)
目前国内广泛应用于酒醪滤液、啤酒废水、豆制品加工废水等。
特点:
自下而上流动的污水通过膨胀的颗粒状污泥床被消化分解,消化器分为三个区,即污泥床、污泥层和三相分离器。
优点:
(1)除三相分离器外,消化器结构简单,无搅拌装置及填料;
(2)有机负荷大大提高;(3)颗粒污泥的形成使厌氧微生物天然固定化,增加了工艺的稳定性;(4)出水SS含量低;
缺点:
(1)需要安装三相分离器;
(2)需要安装布水装置;(3)要求进水SS含量低;(4)在水力负荷较高或SS负荷较高时易流失活性污泥和微生物,运行技术要求较高。
(5)内循环厌氧反应器
IC(InternalCirculation)反应器。
如同把两个UASB反应器叠加在一起,高度可达16~25m,高径比可达4~8。
优点:
容积负荷率高、占地面积小、不需外加动力、抗冲击负荷、启动时间短、缓冲pH值能力强、出水稳定性好;
缺点:
不适用于悬浮物较多的物料处理。
(6)升流式反应器(USR)
图2-13;
能够自动形成比HRT较长的SRT和MRT,未反应的生物固体和微生物靠自然沉淀滞留于反应器内,可进入高SS原料,而且不需出水回流和特定的气/固/液三相分离器装置。
TS可达12%以上,容积负荷可达10.5kgCOD/(m3·d)(周孟津等)。
(7)附着膜型消化器
A、厌氧滤池(AF):
加入填料的USR。
图2-15。
优点:
①不需搅拌,运行费用低;②效率高,可缩小反应器体积;③微生物固定化,MRT相当长,微生物浓度高,运转稳定;④具有较高的抗有机负荷能力;
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