第3讲-沼气发酵原理及工艺课件

第第3 3讲讲 沼气发酵原理、工艺及监控沼气发酵原理、工艺及监控第3讲 沼气发酵原理、工艺及监控1.沼气发酵原理（难点）2.沼气发酵工艺（重点）3.沼气发酵监控（重点）本章主要内容 沼气发酵原理（难点）1 1、沼气发酵原理、沼气发酵原理复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、脂类等）（3 3）同型产乙酸）同型产乙酸（4）产甲烷发酵CH4+CO2（1）水解简单有机化合物（单糖和双糖、氨基酸、肽等）H2+CO2乙酸（2）产酸发酵挥发性脂肪酸和醇（丙酸、丁酸和乙醇等）1、沼气发酵原理复杂有机化合物（3）同型产乙酸（4）产甲烷发1 1、沼气发酵原理、沼气发酵原理复杂有机化合物（碳水化合物、蛋白质、脂类等）简单有机化合物（单糖和双糖、氨基酸、肽等）挥发性脂肪酸和醇（丙酸、丁酸、戊酸和乙醇等）H2+CO2乙酸CH4+CO25%20%10%35%13%17%72%28%（1）水解（2）产酸发酵（3）同型产乙酸（4）产甲烷 代谢过程代谢过程HydrolysisHydrolysisAcidogenesisAcidogenesisH H2 2-producing-producing acetogenesisacetogenesisMethanogenesisMethanogenesis 菌群菌群AcidogensAcidogensMethanogensMethanogens1、沼气发酵原理复杂有机化合物简单有机化合物挥发性脂肪酸和醇厌氧细菌分类厌氧细菌分类(按底物利用情况按底物利用情况)产酸发酵细菌产酸发酵菌(AFB)产氢产乙酸菌(HPA)同型产乙酸菌(HOMA)产甲烷细菌氧化氢产甲烷菌(HOM)氧化氢利用乙酸产甲烷菌(HOAM)非氧化氢利用乙酸产甲烷菌(NHOAM)厌氧细菌分类(按底物利用情况)产酸发酵细菌2 2、沼气发酵工艺、沼气发酵工艺2.1 沼气沼气发酵工酵工艺类型型工艺类型温度中温发酵常温发酵高温发酵进出料方式批量发酵连续发酵半连续发酵料液浓度湿发酵干发酵反应器类型CSTRUASBASBR2、沼气发酵工艺2.1 沼气发酵工艺类型工艺类型温度中温发酵2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素（1）常温发酵，指在自然气温或水温条件下的沼气发酵工艺，适宜的）常温发酵，指在自然气温或水温条件下的沼气发酵工艺，适宜的温度范围为温度范围为1030。（2）中温发酵，指发酵温度在）中温发酵，指发酵温度在3040条件下的沼气发酵工艺，适宜条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为温度为3538。（3）高温发酵，指发酵温度在）高温发酵，指发酵温度在5060条件下的沼气发酵工艺，适宜条件下的沼气发酵工艺，适宜温度为温度为5255。1）温度温度2.2 影响沼气发酵的工艺因素（1）常温发酵，指在自然气温或第3讲-沼气发酵原理及工艺课件2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素厌氧发酵微生物适宜的厌氧发酵微生物适宜的C/N范围为范围为2030:1对于对于木质纤维素等木质纤维素等生物降解性差的原料生物降解性差的原料C/N要低：要低：u Nyns认为适宜的认为适宜的C/N比是比是1619:1u Kivaisi认为适宜的认为适宜的C/N是是16.818:1 原因：原因：木质素的存在会影响木质素的存在会影响N的利用。的利用。2）C/N2.2 影响沼气发酵的工艺因素厌氧发酵微生物适宜的C/N范围2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素产酸发酵细菌：大多数可以在产酸发酵细菌：大多数可以在5.08.5的的pH范围内正常生长繁殖。范围内正常生长繁殖。产甲烷菌：产甲烷菌：6.57.8，这是通常情况下厌氧发酵所采用的，这是通常情况下厌氧发酵所采用的pH值范围。值范围。在自然发酵过程中在自然发酵过程中pH值一般会被保持在中性附近，这主要归功于两个缓冲体系。值一般会被保持在中性附近，这主要归功于两个缓冲体系。u二氧化碳二氧化碳/碳酸氢盐碳酸氢盐/碳酸盐缓冲体系碳酸盐缓冲体系;u氨铵缓冲体系。氨铵缓冲体系。这两个缓冲体系的缓冲机理如下：这两个缓冲体系的缓冲机理如下：CO2H2CO3H+HCO32H+2CO32NH3H2ONH4+OH-NH3HNH43）pH2.2 影响沼气发酵的工艺因素产酸发酵细菌：大多数可以在5.2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素活性污泥对厌氧发酵过活性污泥对厌氧发酵过程的影响突出表现在两程的影响突出表现在两个方面，其一是它的活个方面，其一是它的活性，常用污泥比产甲烷性，常用污泥比产甲烷活性表示，其二是其沉活性表示，其二是其沉淀性能，它是影响反应淀性能，它是影响反应器内污泥浓度的最为重器内污泥浓度的最为重要的因素。要的因素。4）接种污泥）接种污泥2.2 影响沼气发酵的工艺因素活性污泥对厌氧发酵过程的影响突厌氧微生物氧微生物世代世代时间产酸酸细菌菌梭状芽梭状芽孢杆菌（杆菌（Clostridia）2436h产乙酸菌乙酸菌8090h产甲甲烷细菌菌产甲甲烷八叠球菌（八叠球菌（Methanosarcina barkeri）516d甲甲烷球菌属（球菌属（Methanococcus）约10d好氧微生物好氧微生物大大肠杆菌杆菌（Escherichia coli）20min活性活性污泥微生物泥微生物2h土壤微生物土壤微生物15h厌氧微生物与好氧微生物厌氧微生物与好氧微生物世代世代时间的对比时间的对比厌氧微生物世代时间产酸细菌梭状芽孢杆菌（Clostridia2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，称为容积负荷反应器单位有效容积在单位时间内接纳的有机物量，称为容积负荷率，单位常用率，单位常用kgCOD/m3d或或kgBOD/m3d表示。表示。5）容积负荷）容积负荷 容积负荷是厌氧反应器设计重要依据和运行的重要控制参数，容积负荷的大小容积负荷是厌氧反应器设计重要依据和运行的重要控制参数，容积负荷的大小主要取决于厌氧活性污泥的数量和活性，也就是说，反应器容积负荷要依据污泥负主要取决于厌氧活性污泥的数量和活性，也就是说，反应器容积负荷要依据污泥负荷来确定。荷来确定。衡量反应器性能的一个重要指标。衡量反应器性能的一个重要指标。2.2 影响沼气发酵的工艺因素反应器单位有效容积在单位时间内2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素搅拌的主要作用：增加微生物与有机物的接触，消除反应器内存在搅拌的主要作用：增加微生物与有机物的接触，消除反应器内存在的浓度梯度和温度梯度，从而加快发酵速度，提高产气量。的浓度梯度和温度梯度，从而加快发酵速度，提高产气量。6）搅拌）搅拌（1）为了给每个微生物平均地提供营养并且移去其新陈代谢产物，需要平缓的搅）为了给每个微生物平均地提供营养并且移去其新陈代谢产物，需要平缓的搅拌；为了破坏包围在微生物周围的拌；为了破坏包围在微生物周围的H2层对上述运动的阻碍，需要强烈的搅拌。层对上述运动的阻碍，需要强烈的搅拌。（2）使新投加的原料与反应器内的料液进行均匀的混合。）使新投加的原料与反应器内的料液进行均匀的混合。（3）搅拌会破坏污泥的结构，使存在互营联合关系的互营菌分离，阻碍了种间氢）搅拌会破坏污泥的结构，使存在互营联合关系的互营菌分离，阻碍了种间氢转移，同时还可使污泥的絮凝态被破坏，从而使活性污泥的沉降性能下降，污泥流转移，同时还可使污泥的絮凝态被破坏，从而使活性污泥的沉降性能下降，污泥流失率增加。失率增加。（4）充足的搅拌可以阻止由于气体强烈释放而引起的泡沫的形成。）充足的搅拌可以阻止由于气体强烈释放而引起的泡沫的形成。（5）搅拌可以破坏反应器内的温度梯度，并抑制分层现象。）搅拌可以破坏反应器内的温度梯度，并抑制分层现象。（6）为了提高系统效率，必须将搅拌能耗降到最低。）为了提高系统效率，必须将搅拌能耗降到最低。2.2 影响沼气发酵的工艺因素搅拌的主要作用：增加微生物与有搅拌装置搅拌装置第3讲-沼气发酵原理及工艺课件2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素在厌氧反应器中钙盐沉淀可以引发严重的运行问题，因为钙盐沉淀在厌氧反应器中钙盐沉淀可以引发严重的运行问题，因为钙盐沉淀形成后实际上不可能被除掉。鸟粪石（形成后实际上不可能被除掉。鸟粪石（MgNH4PO4）沉淀也是一个）沉淀也是一个麻烦问题。麻烦问题。7）沉淀物）沉淀物 当当Ca2+浓度大约为浓度大约为100mg/L时，时，CaCO3开始从悬浮液中沉淀。当开始从悬浮液中沉淀。当Ca2+浓度达到浓度达到150mg/L时，会促进易于沉淀的污泥颗粒的形成。时，会促进易于沉淀的污泥颗粒的形成。当发酵料液中含有高浓度溶解的正磷酸盐、当发酵料液中含有高浓度溶解的正磷酸盐、NH4+-N和和Mg2+会形成鸟粪石沉淀。会形成鸟粪石沉淀。鸟粪石沉淀多发生在两个地方：管道弯头和水泵入口处鸟粪石沉淀多发生在两个地方：管道弯头和水泵入口处2.2 影响沼气发酵的工艺因素在厌氧反应器中钙盐沉淀可以引发2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素厌氧发酵过程中可能出现泡沫问题。液体表面张力的下降是造成出现泡厌氧发酵过程中可能出现泡沫问题。液体表面张力的下降是造成出现泡沫的首要原因。沫的首要原因。u进料中的蛋白质一般会造成一个产生泡沫的阶段进料中的蛋白质一般会造成一个产生泡沫的阶段u生物体本身能产生一些中间产物降低液体的表面张力而产生泡沫；生物体本身能产生一些中间产物降低液体的表面张力而产生泡沫；u剧烈的气体释放也可导致泡沫的产生剧烈的气体释放也可导致泡沫的产生8）泡沫）泡沫泡沫会导致沼气输气管道的堵塞，因此，在处理易产生泡沫的发酵原料泡沫会导致沼气输气管道的堵塞，因此，在处理易产生泡沫的发酵原料时，在反应器上部应设置消泡喷嘴等消泡装置。时，在反应器上部应设置消泡喷嘴等消泡装置。2.2 影响沼气发酵的工艺因素厌氧发酵过程中可能出现泡沫问题第3讲-沼气发酵原理及工艺课件2.2 影响沼气影响沼气发酵的工酵的工艺因素因素对厌氧发酵过程可能产生抑制作用的物质主要有氨、硫、轻金属离子、对厌氧发酵过程可能产生抑制作用的物质主要有氨、硫、轻金属离子、重金属和有机物。重金属和有机物。9）抑制剂）抑制剂 （1）氨抑制）氨抑制厌氧发酵过程中，氨主要来自于蛋白质和尿素等含氮物质的生物降解。对细胞内厌氧发酵过程中，氨主要来自于蛋白质和尿素等含氮物质的生物降解。对细胞内pH值的改变，对维持能需求的增加，对特殊酶促反应的抑制等被认为是产生氨抑制的值的改变，对维持能需求的增加，对特殊酶促反应的抑制等被认为是产生氨抑制的机理。机理。（2）硫化物抑制）硫化物抑制硫酸盐是许多工业废水的常见成分。高浓度硫酸盐对产甲烷过程具有抑制作用，这硫酸盐是许多工业废水的常见成分。高浓度硫酸盐对产甲烷过程具有抑制作用，这是由于是由于SRB需要更少的能量而且不需要共生菌，所以在与产甲烷菌竞争过程中，硫酸需要更少的能量而且不需要共生菌，所以在与产甲烷菌竞争过程中，硫酸盐还原细菌（盐还原细菌（Sulfate reducing bacteria,SRB）会成为优势菌。）会成为优势菌。2.2 影响沼气发酵的工艺因素对厌氧发酵过程可能产生抑制作用第3讲-沼气发酵原理及工艺课件 （3）有机酸抑制）有机酸抑制在正常在正常pH范围内，厌氧发酵液中的有机酸大部分以离解态存在，其余部分以非离解范围内，厌氧发酵液中的有机酸大部分以离解态存在，其余部分以非离解态存在。未电离的有机酸具有抑制作用，因为它们可以穿透细胞使细胞的蛋白质变态存在。未电离的有机酸具有抑制作用，因为它们可以穿透细胞使细胞的蛋白质变性。性。（4）重金属抑制）重金属抑制对厌氧发酵过程具有抑制作用的重金属主要有对厌氧发酵过程具有抑制作用的重金属主要有Pb、Cr、Fe、Co、Cu、Zn、Cd和和Ni（5）轻金属抑制）轻金属抑制对厌氧发酵微生物具有抑制作用的轻金属离子包括对厌氧发酵微生物具有抑制作用的轻金属离子包括Na+、K+、Ca2+和和Mg2+。它们可。它们可以来自有机物的分解，也可能来自调节以来自有机物的分解，也可能来自调节pH时添加的化学药剂。它们和其它营养成分时添加的化学药剂。它们和其它营养成分一样是微生物生长所必需的，会影响微生物的比生长速率。这些金属离子在中等浓一样是微生物生长所必需的，会影响微生物的比生长速率。这些金属离子在中等浓度条件下对微生物的生长产生促进作用，过量条件下则会降低微生物的生长，而高度条件下对微生物的生长产生促进作用，过量条件下则会降低微生物的生长，而高浓度条件下则会产生严重的抑制作用和毒性。浓度条件下则会产生严重的抑制作用和毒性。（3）有机酸抑制（4）重金属抑制（5）轻金属抑制3 3、沼气发酵监控、沼气发酵监控3.1 为什么要什么要监控控3、沼气发酵监控3.1 为什么要监控3.2 监控内容控内容基本监控基本监控中等监控中等监控全面监控全面监控3.2 监控内容基本监控中等监控全面监控第3讲-沼气发酵原理及工艺课件（1）pH的的 监测3.3 监控方法控方法（1）pH的 监测3.3 监控方法upH是最常用的是最常用的监测指指标；upH不能反映不能反映厌氧氧发酵的快速失酵的快速失败问题因因为当当发酵酵液液具具有有的的缓冲冲能能力力较强强时，pH值的的变化化并并不不明明显，一一旦旦发现pH有有明明显的的下下降降，此此时VFA已已经过度度积累累，此此时发酵酵失失败的的趋势已已很很难扭扭转了。了。为避免上述避免上述问题的的发生，需要直接生，需要直接检测碱度或碱度或VFA浓度度（1）pH的的 监测pH是最常用的监测指标；为避免上述问题的发生，需要直接检测碱表表征征水水吸吸收收质子子的的能能力力的的参参数数，通通常常用用水水中中所所含含能能与与强强酸酸定定量量作作用用的的物物质总量来量来标定。定。（2）碱度的）碱度的 监测总碱度总碱度部分碱度部分碱度表征水吸收质子的能力的参数，通常用水中所含能与强酸定量作用的第3讲-沼气发酵原理及工艺课件