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沼气发酵原理与条件

作者:admin 发布日期: 2019-05-27 二维码分享
沼气发酵原理与条件
一、沼气发酵原理
沼气发酵是一个(微)生物作用的过程。各种有机质,包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所 含的有机物等,在厌氧及其他适宜的条件下,通过微生物的作用,转化成沼气,完成这个复杂的过程,即为沼气发酵。
(一)液化阶段
农作物秸秆、人畜粪便、垃圾以及其他各种有机废弃物,通常是以大分子状态存在的碳水化合物,如淀粉、 纤维素及蛋白质等。他们不能被微生物直接吸收利用,须通过微生物分泌的胞外酶(如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等)进行酶解,分解成可溶于水的小分子化合物(即多糖水解成单糖或双糖,蛋白质分解成肽和氨基酸,脂肪分解成甘油和脂肪酸)。这些小分子化合物进入到微生物细胞内,进行的一系列的生物化学反应,这个过程称为液化。
(二)产酸阶段
液化完毕后,在不产甲烷微生物群的作用下,将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有 机酸(如甲酸、乙酸、丙酸和乳酸等)、醇(如甲醇、乙醇等)以及二氧化碳、氢气、氨气和硫化氢等,由于其主要的产物是挥发性的有机酸(其中以乙酸为主,约占80%),故此阶段称为产酸阶段。
(三)产甲烷阶段
产酸阶段完成后,这些有机酸、醇已经二氧化碳和氨气等物质又被产甲烷微生物群(又称产甲烷细菌)分解 成甲烷和二氧化碳,或通过氢还原二氧化碳形成甲烷,这个过程称为产甲烷阶段。这种以甲烷和二氧化碳为主的混合气体便称为沼气。

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二、沼气发酵的工艺条件
沼气发酵微生物要求有适宜的生活条件,对温度、酸碱度、氧化还原势及其他各种环境因素都有一定的要求 。在工艺上只有满足微生物的这些生活条件,才能达到发酵快、产气量高的目的。实践证明,往往由于某一条件没有控制好而引起整个系统运行失败。因此,控制好沼气发酵的工艺条件是维持正常发酵产气的关键。
(一)严格的厌氧环境
沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类,他们都是厌氧性细菌,尤其是产生甲烷甲烷菌是严格厌氧菌 ,对氧特别敏感。他们不能在有氧的环境中生存,哪怕只有微量的氧存在,微生物的生命活动也会受到抑制,甚至死亡。因此,建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池(罐),是人工制取沼气的关键。
沼气发酵的启动或新鲜原料入池时会带进一部分氧,造成了沼气池内较高的氧化不还原势。但由于在密闭的 沼气池内,好氧菌和兼性厌氧菌(此类菌在有氧或无氧环境里都能生存与活动)共同的作用,迅速消耗了溶解氧,使沼气池的氧化还原势逐渐降低,从而创造了良好的厌氧条件。
(二)发酵温度
沼气发酵微生物在一定的温度范围进行代谢活动,可以在8~65℃产生沼气,温度不同,产气速度也不同。在 8~40℃范围内,温度越高,产气速率越大,但不是线性关系。40~50℃使沼气微生物高温菌和中温菌活动的过度区间,它们在这个温度范围内都不太适应,因而此时产气速率会下降。当温度增高到50~55℃时,由于沼气微生物中的高温菌活跃,产沼气的速率快。
通常产气高峰温度一个在35℃左右,另一个在54℃左右。这是因为在这个适宜的发酵温度中,由两个不同的微生物群参与作用的结果。前者叫中温发酵,后者叫高温发酵。
若沼气发酵温度突然上升或下降,对产气量有明显的影响。若温度突然上升或下降5℃,产气量会显著降低, 若变化过大,则产气过程可能会停止。为防止沼气发酵温度的突变,沼气池应采取必要的保温措施。将沼气池建于大棚内(夏季遮阴),是防止温度突变的有效措施之一。
常温发酵,在发酵过程中基本上不进行温度控制,发酵料液的温度随自然温度有规律地进行变化,其优点是 设备简单,无需加温,便于推广;其缺点是产气率低,尤其是冬季经常由于温度过低,而影响产气或停止运行。高温和中温发酵处理效率高,处理时间短,产气量高,但缺点是设备比较复杂,需要消耗大量的能量用于加温和保温。
(三)发酵原料
在厌氧发酵过程中,原料即是产生沼气的基质,又是沼气发酵微生物赖以生存的养料来源。除了矿物油和木 质素外,自然界中的有机物质一般都能被微生物发酵产生沼气,但不同的有机物有不同的产气量和产气速度。较难分解的有机物质,在投料前要进行切碎、堆沤等预处理。若有机物已经过牲畜肠胃消化、阴沟厌氧消化及工业发酵,入池后很快就会产气。因此,农业剩余物秸秆、杂草、树叶等,猪、牛、马、羊、鸡等家畜家禽的粪便,工农业生产的有机废水废物(如豆制品的废水、酒槽和糖渣等)及水声植物都可以做为沼气发酵的原料,如水葫芦等。
沼气发酵原料按其形态分为固态原料和液态原料两类:按其营养成分又分有富氮原料和富碳原料之分;按其来源分为农村沼气发酵原料、城镇沼气发酵原料和水生植物三类。
富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽的粪便。这类原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化,一般颗 粒细小,含有大量低分子化合物——人和动物未吸收消化的中间产物,含水量较高。因此,在进行沼气发酵时,不必 进行预处理,就容易厌氧分解,产气很快,发酵期较短。
富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残余物。这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难 降解的木质素和植物蜡质。干物质含量比富氮的粪便原料高,且质地疏松,相对密度小,进沼气池后容易漂浮形成发酵死区——浮壳层,发酵前一般需经预处理。富碳原料厌氧分解比富氮原料慢,产气周期较长。
发酵原料的评估和计量,通常用总固体(TS)、悬浮固体(SS)、挥发性固体(VS)及挥发性悬浮固体(VSS)、化学耗氧量(COD)和生物耗氧量(BOD)等指标评价和计量原料中有机物的含量和沼气的产量。

来源:百度文库



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