重庆市沼气发酵技术培训班(一).ppt

重庆市沼气技术培训班 沼气发酵原理及条件 李 志 重庆市农业局 联系电话： 023-89133397 绪 言 沼气的生成是一种古老的生物现象 ， 是自然界中 普遍发生的生物降解有机物的过程 ， 而不是人类发明 的一项技术 。 据资料显示 ,人们发现沼气至今约有 2000多年的历 史 。 但是 ， 采用人工方法 ， 把沼气收集起来或根据沼 气产生的原理 ， 模拟自然环境 ， 建造沼气池制取沼气 并加以综合利用 ， 还是近几十年逐步发展起来的一项 利国利民的建设事业 。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 沼气发酵技术的作用 沼气建设的重要意义 绪 言 沼气建设事业的发展概况 一、国外沼气建设事业发展概况 二、中国沼气建设事业发展概况 绪 言 沼气建设事业的发展概况 一、国外沼气建设事业发展概况 据资料记载，早在意大利的古罗马 帝国时期，有人发现池塘中有可燃 气体冒出到现在已有 2000多年历史 。 1667年，席勒将这种气体称为沼泽 气。 1866年认识到沼气是 微生物在无氧 环境中分解纤维素产生的气体。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 二 、 中国沼气建设事业发展概况 第一个发展时期 ( 1930年前后 ) 首次试点 第二个发展时期 （ 1958前后 ) 起步发展 ,技术不成熟 第三个发展时期 （ 19701978年 ) 出现建设热潮 ,技术仍不成熟 第四个发展时期（ 1978至今 ) 稳步健康发展 ,技术逐渐成熟 第一个阶段 (1978 1990年 )能源需求阶段 第二阶段 （ 199120世纪末 ）效益吸引阶段 第三阶段 （ 21世纪之初）小康必须阶段 第一个发展时期 （ 1930年前后 ,首次试点 ） 1929年夏季，台湾的罗国瑞先生在汕 头开设了我国第一个沼气商号 “ 中国天 然气瓦斯行 ” 。 从 1930年起 ， 罗国瑞先后在十几个 省建立了分行 ， 沼气池的修建遍及 13个 省 ， 所用池型与我国目前使用的水压式 沼气池基本相似 ， 均为混凝土结构 ， 至 今有的沼气池还可以使用 。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 第二个发展时期（ 1958前后 起步发展 ,技术 不成熟） 湖北省开始兴办沼气，沼气池型结构为 混凝土长方形。在安徽省阜阳县设计了另一 种浮罩式沼气池，开展了 发酵池和发酵工 艺的研究，为在我国发展沼气事业奠定了基 础。但是，由于严格厌氧微生物技术上的困 难未能突破，理论研究未能深入下去，修建 的沼气池又缺乏正确的技术管理，留下来能 够使用的沼气池为数很少。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 第三个发展时期 （ 19701978年 ,出现建设 热潮 ,技术仍不成熟） 这一时期，由于国际能源出现危机， 我国能源短缺、生态恶化的问题也日趋严 重。在这种情况下，四川省中江县龙台区 部分农民为解决生活能源短缺，重新办起 了沼气，并获得了很好的效果，受到了国 务院有关部门的高度重视 绪 言 沼气建设事业的发展概况 这一时期的特点是： 来势猛 ， 速度快 ， 不到 10年全国农村沼气池就发展到 700多万 个 。 但由于技术不成熟 ， 沼气池是 老式的 “ 远 、 大 、 深 ” 池子 ， 加上急于求成 、 土 法上马等原因 ， 建成的沼气池使用年限很 短 ， 导致大量沼气池成为 “ 怄气池 ” ， 曾 一度引起一些人对沼气技术的疑虑 ,严重地 影响了沼气建设的发展 。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 第四个发展时期（ 1979至今 稳步健康发 展 ) 第一个阶段 (1979 1990年能源需求阶段 ) 为全面贯彻“以经济建设为中心”的方 针，国家科委在杭州召开了能源工作座谈 会。经过这次会议，农村能源的严重性和 紧迫性受到政府和社会各界的关注。加大 了科技投入和技术创新力度，使我国农村 能源建设由自发的单项技术开发利用发展 到了有组织、有计划、多项技术的综合开 发利用阶段。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 1984年，国家正式以中华人民共和国 国家标准颁布了全国通用的 农村家用 水压式沼气池标准图集 、 农村家用 水压式沼气池质量检查验收标准 、 农村家用水压式沼气池施工操作规程 （ GB 4750-4752-84）。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 这一阶段我国沼气建设沼气建设逐步走 上依靠科学技术，保证建设质量，重视经 济效益，建管并重，稳步发展的道路。形 成了以能源、环境保护和生态农业为目标 的发展方向。沼气池为 “圆、小、浅” 池 子。此时，还研究出了隧道式沼气池、上 流式沼气池、折流式沼气池等大中型处理 城市污水、粪便和工业废水的沼气池，取 得了显著的环境效益、能源效益和社会效 益。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 第二阶段 （ 199120世纪末效益吸引阶段） 90年代初，可持续发展提到了世界各 国发展战略的高度。为适应能源、环境 和生态建设可持续发展的需要，有效地 推动了管理的规范化和现代化。沼气建 设以效益吸引农户，开展以沼气为纽带 的综合利用技术，近 10年时间，全国发 展农村户用沼气池近 800万个。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 至此我国沼气从无到有，经历了从老式 的远、大、深，到圆、小、浅，到小型高效 “三结合”一体化；从分散建设到集中建设， 形成规模；从过去的三合土到钢筋混凝土； 从土模拱顶到砖拱顶、钢模拱顶的应用。并 探索出了以沼气为纽带的生物质能综合开发 利用的全面发展格局。由此形成了我国农村 经济发展和改善生态环境的新亮点。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 第三阶段 （ 21世纪之初，小康必须阶段） 我国开始全面建设小康社会。根据可再生 能源发展战略，以及农业结构调整需要，农 业部提出了在农村实施以沼气建设为纽带的 “生态家园富民计划” 重大决策，注入大量 资金予以支持，为沼气建设提供了良好的发 展机遇。期间，于 2002年新颁布了中华人民 共和国国家标准 户用沼气池标准图集 （ GB/T 4750-2002）。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 “生态家园富民计划 ” ， 指的是以沼 气建设为核心，在广大农村实现“家居 温暖清洁化、庭院经济高效化、农业生 产无害化”的目标，最终达到农户基本 生活、生产单元内部生态良性循环、发 展现代农业、增加农民收入、提高农民 生活质量多重效益的目的。因此，我国 沼气的开发和利用如雨后春笋，发展势 头越来越好。 绪 言 沼气建设事业的发展概况 绪 言 沼气发酵技术的作用 一 、生产沼气 提供清洁能源，缓解 燃料困难 二 、 扩大肥源 提高造肥质量 ， 发展 农业生产 三 、 杀 灭 虫卵 改善卫生条件 ， 保护 生态环境 一 、 生产沼气 提供清洁能源 ， 缓解 燃料困难 农村办沼气 ， 可为农村提供清洁廉价的 能源 ， 对缓解农村燃料困难 ， 提高生活质量 有重要作用 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 图 1 沼气清洁卫生效能高 二 、 扩大肥源 提高造肥质量 ， 发展 农业生产 过去农民往往把农作物的秸秆当燃料 烧掉 。 建了沼气池后 ， 就可以将其作为发 酵原料 ， 投入沼气池后 ， 既产气又造肥 。 沼气肥是一种优质有机肥 ， 含有 N、 P、 K 等多种营养成分 ， 肥效较高 ， 既能有效地 促进农作物增产 ， 又可降低生产成本 ， 减 少污染 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 图 2 施用沼肥增产效果示意图 三、杀 灭 虫卵 改善卫生条件，保护 生态环境 农村办沼气 ， 人畜粪便 、 杂草 、 垃圾 等入池发酵 ， 有利于除虫灭病 ， 改善农村 卫生条件 。 据卫生部门化验 ， 粪液中的寄 生虫卵 ， 经过沼气池发酵后 ， 出料时比进 料前减少了 95%。 在沼气池内血吸虫卵 14- 37天死亡 ， 副伤寒杆菌 3天就被杀灭 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 图 3 沼气发酵对寄生虫卵的杀灭效果 上述说明 ， 农村沼气发酵技术具有产气 、 造肥 、 杀灭虫卵三大功能 ,即三大直接作用 。 通过沼气的综合利用能够显示出更多的间接 作用： 1、 “ 一气 ” （ 沼气 ） 带 “ 三料 ” （ 燃料 、 肥料 、 饲料 ） 2、 “ 三料 ” 兴 “ 五业 ” （ 农 、 林 、 牧 、 副 、 渔业 ） 3、 “ 五业 ” 出 “ 效益 ” （ 经济效益 、 环境 效 益 、 社会效益 ） 绪 言 沼气发酵技术的作用 1、 “ 一气 ” （ 沼气 ） 带 “ 三料 ” （ 燃料 、 肥料 、 饲料 ） 通过办沼气 ， 基本解决了燃料困 难；能产沼肥 ， 养分齐全 ， 可代替化 肥；节约的农作物秸秆 ， 增加了饲料 来源 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 2、 “ 三料 ” 兴 “ 五业 ” （ 农 、 林 、 牧 、 副 、 渔业 ） （ 1） 沼肥 ， 养分齐全 ， 可杀蚜虫可用于改土增产 ， 发展农业； （ 2） 沼气 ， 作生活燃料使用 ， 清洁卫生 ， 无烟无 灰 ， 有利于封山育林； （ 3） 使用沼气 ， 节约的秸秆可还田 ， 并可作饲料 发展畜牧业； （ 4） 利用沼气 ， 作为热源 ， 为菇房 、 蚕房 、 药房 、 孵化室进行 、 育秧 、 孵化蚕卵 、 禽 、 蛋 ， 发展 多种经营 、 副业生产； （ 5） 所产沼液 ， 可作为饲料添加剂养猪 、 养鱼 ， 还可用来防治蚜虫或作为诱杀害虫的光源使用 （ 只诱不杀 ） 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 3、 “ 五业 ” 出 “ 效益 ” （ 经济效益 、 环境 效 益 、 社会效益 ） 农村办沼气是一项重要的 能源建设 、 肥料建设 、 环境保护 和 卫生建设 。 农村办 沼气 ， 对促进农业生产 ， 改善人民生活 ， 建设 小康社会 都有着积极的作用 。 绪 言 沼气发酵技术的作用 绪 言 沼气建设的重要意义 一 、 沼气建设能有效地实现有机废物资 源化 达到农业生产无害化 二 、 沼气建设能逐步地实现农村燃料燃 气化 达到家居温暖清洁化 三 、 沼气建设能迅速地加强生态环境建 设 达到庭院经济高效化 一、沼气建设能有效地实现有机废物 资源化 达到农业 生产无害化 人类在生产和生活过程中，都会有废物生成，人们 对废物的认识可分为三个阶段： 一是早期 ，人类居住分散，生产活动以农业为主， 所生成的废物对环境影响不大，并可循环利用，因而 未引起人们的注意。 二是后来 ，随着人口的增长和居住的集中，所生成 的废物污染了环境，引起了人们的注意，开始设法对 废物进行处理，例如，城市修建污水处理厂和垃圾处 理站等。 三是近年来 ，人们开始认识到废物也是一种资源， 大多数废物可以作为资源而加以再利用。将有机废物 作为沼气发酵原料来生产沼气，就是一个很好的证明。 绪 言 沼气建设的重要意义 二、沼气建设能逐步地实现农村燃料燃气化 达到家居温暖清洁化 沼气建设可提供方便而清洁的生活能源， 改善农户居住环境，提高人们的生活水平。 经沼气发酵后所产生的有机肥料又是生 产绿色食品的肥源。 绪 言 沼气建设的重要意义 绪 言 沼气建设的重要意义 三、沼气建设能促进多种经营 达到 庭院经济高效化 将沼气发酵副产物沼液、沼渣进 行综合利用，推广“猪 沼 果”、 “猪 沼 鱼”等模式，可促进种 植业、养殖业、加工业多种经营的 发展，提高经济效益。 上述说明，沼气发酵技术能有效地 将有机废物变成燃气和肥料，解决农民 燃料短缺和有机肥料不足等问题，因而 可有效地保护山林植被，增加土壤有机 肥养分，减少水土流失，并可因减少烧 煤和柴而减轻大气污染。而且有助于山 川变绿、河水变清、天空变蓝，促进生 态农业的可持续发展。 绪 言 沼气建设的重要意义 第一章 沼气发酵原理及条件 第一节 沼气发酵的原理 第二节 沼气发酵条件 沼气发酵原理及条件 第一节 沼气发酵的原理 沼气的基本概念 沼气发酵的过程（三阶段发酵理论） 沼气发酵的微生物 沼气发酵的特点 沼气发酵的分类 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 一、基本概念 (一 )沼气的概念 沼气 是 有机物 在 厌氧 条件下经 微生物 的 作用而生成的一种 可燃性气体 。主要成分是 甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量占 50 70% , 平均 60%左右 ;二氧化碳占 40%左右。此外还 有氢气、硫化氢、一氧化碳、氮气和氨等。 由于最先发现于沼泽，故称为沼气。 沼气可分为 天然沼气 和 人工沼气 两大类。 1、沼气的物理性质 沼气是无色气体、有轻微的臭鸡蛋味， 燃烧后臭鸡蛋味消除。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 2、沼气的化学性质 沼气是一种可燃性混合气体 。 由于 在沼气中含有少量的硫化氢 （ H2S） ， 因 此在燃烧前有一定的臭味 。 但与氧气混 合燃烧后就会生成无臭 、 无毒的氧化物 释放到大气中去 。 2H2S + 3O2 2H2O + 2SO2 硫化氢 氧气 水 二氧化硫 沼气中的甲烷 （ CH4） ， 是一种最简 单的有机化合物 。 具有易燃性 、 与一定 量的空气混合可以燃烧并产生大量热量 。 CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O + 212.6 千卡 甲烷 氧气 二氧化碳 水 热 量 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 （ 二 ） 沼气发酵的基本概念 沼气发酵 ， 又称厌氧消化 。 它是指：各 种 有机物 在 厌氧条件 下 ， 经各类沼气发酵 微 生物 分解转化 ， 最终生成混合气体 （ 沼气 ） 的过程 ， 在这里讲的是人工制取沼气的过程 微 生 物 （ C5H10O5） n+nH2O 3nCH4+3nCO2+热量 分解发酵 有机物 水 甲烷 二氧化碳 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 二 、 沼气发酵过程 三阶段发酵理论 沼气发酵过程：主要有二阶段理 论、三阶段理论。但比较完善，被公认 的观点是三阶段理论。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 沼气发酵的三阶段理论： 液化 （ 水解 ） 阶段： 指大分子有机固形物液化 ， 如多糖 、 蛋白质 、 脂肪被分解为可溶性的糖 、 肽 、 氨基酸和脂肪酸等小分子物质 。 酸化 （ 产酸 ） 阶段： 可溶于水的物质 ， 进入微生 物细胞 ， 液化产物转变成小分子化合物 ， 主要是乙 酸等挥发酸 。 气化 （ 产甲烷 ） 阶段： 简单的小分子有机物转变 成甲烷 、 二氧化碳和水 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 复杂有机物 （多糖、脂类、蛋白质类） 可溶性物质 （多糖、脂类、蛋白质类） 丙酸、丁酸等长链脂肪酸 H2+CO2 CH3COOH CH4、 H2O CH4、 CO2 发酵性细菌 产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌 食乙酸产甲烷菌 图 4 沼气发酵过程中五群细菌的作用示意图 三 、 参与沼气发酵的微生物 （ 一 ） 发酵性细菌： 参与沼气发酵第一阶段 发酵过程 ， 约有几百种 ， 按其结构特征分 为细菌 、 真菌和原生动物 。 （ 二 ） 产酸菌： 主要 包括产氢产乙酸菌群 、 耗氢产乙酸菌群 ， 参与沼气发酵第二阶段产 酸过程 。 由于以上两类菌群不直接产生甲烷 ， 统称为不产甲烷菌 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 不产甲烷菌 的作用： 1、 为产甲烷菌提供营养 。 2、 为产甲烷菌创造适宜的氧化还原条件 。 3、 为产甲烷菌消除部分有毒物 。 4、 参与产酸过程 ， 并和产甲烷菌一起 ， 共 同维持发酵 液 的 pH值 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 （三） 产甲烷菌： 主要包括 食氢产甲烷 菌 和 食乙酸产甲烷菌 两大菌群，参与 沼气发酵第三阶段产甲烷过程。到目 前为止已分离出 70多种，其中我国已 分离出近 20种 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 产甲烷菌的特性及作用： 1、甲烷菌的基本形态：球状、杆状、螺 旋状 。 2、 甲烷菌的主要生理特性 3、 产甲烷菌的作用 4、 不产甲烷菌与产甲烷菌的增长速度决 定产酸与产甲烷的速度平衡 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 1、 甲烷菌的基本形态：球状 、 杆状 、 螺 旋状 。 图 5 产甲烷菌类群形态示意图 巴氏甲烷八叠球菌 奥氏纤维素甲烷芽孢杆菌及氢发酵菌的显 微照片（放大 750倍） 产甲烷细菌的几种形态 弱氧化甲烷杆菌及丙酸甲烷杆菌显微照片 食氢产甲烷菌 食乙酸产甲烷菌（ 10000） 图 6 食氢、食乙酸产甲烷菌 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 2、 甲烷菌的主要生理特性 (1)要求厌氧条件严格：是绝对严格的厌氧型 细菌 ， 安置于空气中 ， 仅 2分钟就会死亡 。 (2)只能代谢少数几种底物生成甲烷 （ H2/CO2、 甲酸 、 甲醇 、 乙酸等 ） (3)要求较高的温度：其范围在 10 60 之间 (4)要求中性和微碱性环境： p为 6.8 7.4。 (5) 繁 殖 速 度 比 较 慢 ： 大 多 数 微 生 物 是 20分钟左右繁殖一代 ， 而甲烷菌是繁殖一代 需要 25天 ， 平均是 4天一代 ， 有的达半月以 上 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 3、 产甲烷菌的作用 （ 1） 裂解乙酸产生甲烷 。 （ 2） 为不产甲烷菌生化反应解除反馈抑制 。 （ 3） 和不产甲烷菌一起 ， 共同维持发酵液 的 pH值 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 4、 不产甲烷菌与产甲烷菌的增长速度决 定产酸与产甲烷的速度平衡 。 （ 1） 在正常运行的沼气发酵系统中 ， 不 产甲烷菌与产甲烷菌相互依赖 ， 相互制 约使产酸与产甲烷的速度处于一个相对 平衡状态 ， 在发酵液内既无过多的有机 酸积累 ， 又可以保持较高的甲烷产率 。 （ 2） 控制产酸和产甲烷的速度平衡的 方法： 投入原料底物的浓度不能太高 投入大量的厌氧活性污泥 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 总之，在沼气发酵过程中，五 大类微生物构成一条食物链，有机 物经微生物分解，最终生成了 CH4、 CO2和 H2O，大部分有机物经厌氧消 化而去除，只有小部分难以降解的 物质及微生物细胞以厌氧污泥的形 式残存。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 四 、 沼气发酵的特点 （一） 沼气发酵是一种 严格的厌氧消化过程 （二） 沼气发酵的参与微生物多种多样。 （ 三 ） 沼气发酵是一种喜温发酵 。 （四）沼气发酵的原料种类丰富 ,来源广泛。 （ 五 ） 沼气发酵产物 （ CH4、 CO2） 自动从发酵液中 分离出来 。 （ 六 ） 沼气发酵微生物自身耗能少 。 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理 五、沼气发酵的分类 （一）按投料的方式分 连续发酵 半连续发酵 批量发酵 （二）按发酵的温度分 高温发酵 中温发酵 常温发酵 沼气发酵原理及条件 沼气发酵的原理