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沼气工程
发布时间:2018-01-09 05:28

沼气发酵工程
一、沼气的产生与性质
1.沼气的产生
沼气可分为天然沼气和人工沼气。天然沼气广泛分布于江、河、湖、海的底层。沼泽、池塘、积水粪坑和城市中的下水道,都有沼气产生。沼气是多种有机物质在一定的温度、湿度、酸碱度,及厌氧的条件下,经微生物分解而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。
地球上每年由光合作用生成四千亿吨有机物,把它转化成可利用的能源,可够人类使用几十年。人工沼气属可再生能源,沼气发酵为人类的生活及生产提供了用之不竭的可再生能源。
2.沼气的化学性质
沼气是一种混合气体,主要成分为甲烷(CH4)外,还含有二氧化碳(CO₂)硫化氢(H₂S)一氧化碳(CO)等。
甲烷是沼气中主要燃烧成分,是无色无味的易燃的饱和气体。分子量16.04,沸点-161.40℃,极难溶于水,甲烷和空气中的一定浓度混合,遇火花会爆炸。甲烷的化学性质相当稳定,一般不跟强酸、强碱或强氧化剂发生反应,在一定的条件下发生氧化、热解及卤代等反应。甲烷在自然界分布很广,是天然气、沼气、煤气的主要成分。
二、沼气的发酵工艺流程
1.原料的收集与预处理
①原料的收集  沼气原料的充足与稳定供应,是保证沼气生产发酵的基础,很多沼气工程因为原料的不足及供应断流而被迫停产,致使沼气工程报废。根据原料的生产能力和供应量而制定沼气的工程规模及沼气的生产能力。
②原料的预处理  为了便于原料的机械传送及防止发酵过程中出现意外故障,对原料中混有的各种杂物,如牛粪中的杂草,鸡粪中的羽毛砂粒等,必须进行筛选滤除。根据气温的变化,为了保持发酵装置内的温差的稳定,对原料要进行升温和降温处理。
三、厌氧发酵
厌氧发酵是沼气发酵的核心。微生物生长繁殖,有机物的分解转化,最后产生沼气都在这一环节进行。能否产生沼气,生产沼气的效果如何,是关系到沼气工程的成功与失败的关键环节,是沼气工程的重点。
厌氧发酵反应器是沼气生产的核心设施。根据结构及发酵工艺的不同可分为:常规厌氧发酵反应器、全混式厌氧发酵反应器、内循环厌氧反应器、塞流式反应器和折流式反应器等。下面就应用比较普遍的全混式厌氧发酵反应器做一说明。
1.全混式厌氧发酵反应器
全混式反应器装有搅拌功能,使发酵原料和微生物处于完全混合状态,与其他反应器相比使活性区遍布整个反应器,发酵效果有明显提高。该反应器可采用恒温连续投料运行,对固体悬浮原料搅拌混合效果好,具有完全混合的流态,水、污泥、微生物停留时间相等。
全混式发酵反应器的优点;
①可以进入高悬浮固体含量的原料。
②反应器内物料分布均匀,避免了分层状态,增加了底料和微生物接触的机会。
③反应器温度分布均匀。
④进入反应器的抑制物料,能够迅速分散,保持较低的水平。
⑤避免浮渣、结壳、堵塞气体逸出不畅和短流等现象。
2.沼气发酵原理
沼气发酵是一个复杂的生物化学过程。参与发酵的微生物种类繁多,主要的菌群特点都属于厌氧菌。
从各种复杂的有机物的分解转化到生成沼气,是由发酵细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌等。各种菌群构成了一条食物链,根据其代谢产物的不同,首先完成水解酸化过程,再完成产甲烷的过程。
1.发酵细菌  用于沼气发酵的有机物有:禽畜粪便,农作物秸秆,食品及酒精加工的废水,其主要成分:多糖类的纤维素、半纤维素、淀粉、果胶、脂类和蛋白质。这些不溶于水的有机物,必须通过发酵菌所分泌的胞外酶分解为可溶性的糖、氨基酸和脂肪酸后,才能被微生物吸收利用。发酵菌将可溶性物质分解后,转化为乙酸、丙酸、丁酸和醇类,同时产生一定量的氢气和二氧化碳。
参与水解发酵的细菌有几百种,主要有梭状芽孢杆菌,拟杆菌,丁酸菌,乳酸菌,双歧杆菌,和螺旋体等。这些细菌主要为厌氧菌,也有兼性厌氧菌。
2.产氢乙酸菌  发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类中,除乙酸、甲酸和甲醇外,均不能被产甲烷菌所利用,必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。只有当食氢的产甲烷菌与产氢产乙酸菌生活在一起时,产氢产乙酸菌才能顺利生长。这种产氢菌与食氢菌之间的生理代谢的共生互联作用,推动沼气发酵稳定而连续进行下去。
3.耗氢产乙酸菌  它是一种既能自养生活又能异养生活的混合营养型细菌,它们既能利用氢生成乙酸,也能代谢糖类产生乙酸。这些菌在沼气发酵过程中有着极其重要作用。
4.产甲烷菌  在沼气发酵过程中,甲烷的形成是由一群产甲烷菌生产的。产甲烷菌有食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌,它们是厌氧消化过程食物链的终端成员,终端产物就是甲烷。在发酵消化过程中,还有很多为甲烷提供食物的细菌,甲烷。在发酵消化过程中,还有很多为甲烷提供食物的细菌。
在厌氧消化器中,70%以上的甲烷是由乙酸裂解形成的,而其余的大多数来自H₂和CO₂的还原。因此,乙酸是厌氧消化器中最重要的产甲烷前体物质,无论中温消化器或高温消化器均是如此。




户用沼气池的发酵启动与运行管理
                     来源:中国沼气网    
新建成或已大出料的沼气池,经过检验确定不漏水不漏气之后,即可向池内投入发酵原料,从投入原料和接种物起,到沼气池能够正常稳定的产气燃烧为止,这个过程称为沼气发酵启动。沼气池正常产气使用期间需要进行科学的运行管理,才能使沼气池产气不停,发挥更好的经济、能源、生态、和社会效益。
1、沼气发酵的启动
沼气发酵启动是人工制取沼气的关键环节,根据沼气发酵原理,采用科学的发酵工艺,就能成功的获取沼气,甚至能做到当天投料隔日产气着火的极佳效果。反之,会出现投料数日乃至数十日都不产气或者虽然产气但不能燃烧使用。因此,我们必须十分重视采取科学的方法做好沼气发酵的启动工作。
⑴投料准备:农户在建池期间就要考虑好发酵原料和接种物的来源。农村中用于沼气发酵的原料十分丰富,主要分为两种类型:A.富碳原料  也就是通常我们所指的各种农作物秸秆、青杂草、树叶、水生植物等。这类原料是由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成,其产气特点是分解速度慢,产气周期长。采用这些原料时要进行预沤处理,其方法是:入池前必须将原料处理至3—5cm长,用2%的石灰水澄清液和1%(与秸秆重量比,后同)左右的粪水(最好是老沼气池发酵液)拌匀,直到原料吸足水分。高温季节堆沤2—3天,低温季节5—7天,秸秆已变松软、颜色成咖啡色,即可投料。堆沤时间不宜过长,以免造成原料养分损失过大。原料的预处理可在池内或池外堆沤,有条件的最好在池内进行,池内堆沤的好处一是防止养分流失,二是可利用好氧发酵产生的温度增加池温。采用池外堆沤的原料堆好后要用塑料薄膜覆盖。B.富氮原料  就是通常我们所指的人畜禽粪便等。此类原料颗粒较细,易分解,不必进行预处理,可直接投入池内。原料特点是发酵周期较短,产气速度快。
⑵接种物:在农村接种物来源很广,城镇下水道、池塘底部悬浮淤泥、粪池底部沉渣、屠宰场、食品加工厂下水道淤泥、正常使用的沼气发酵液或池底部沉渣层均含有丰富的沼气发酵微生物,都可以作为沼气启动时的接种物。
⑶启动时发酵条件的控制:沼气发酵能否一次启动成功与控制发酵工艺条件密切相关,在投料时要掌握好以下几点:
①浓度:启动时沼气发酵液浓度不宜过高,以免产酸过多引起料液酸化,使甲烷菌酸中毒。造成沼气池不产气或产气虽多但不能点火。要改变投料越多产气越足的做法。以新鲜堆积猪粪为原料时,8立方米沼气池投入量约1.5吨左右为宜,待正常产气使用20天后再添加新料。
②接种:沼气发酵是由多种微生物共同作用完成的,所以在沼气发酵启动时,一定要添加含有大量沼气发酵微生物的接种物,才能保证沼气池的启动完成。采用不同的接种物所需要的接种量是不一样的。采用下水道淤泥或正常产气的沼气池底层沉渣作接种物时,接种量一般为总发酵料液的10—15%;采用正常产气的沼气池发酵液作接种物时,接种量应占总发酵料液的30%以上。在沼气发酵启动时,如果接种物数量不足,可采用扩大培养的方法加以增殖,其方法是先将占池容三分之一或二分之一的发酵原料与所需比例菌种投入池内,经过数天培养,观察料液中不断有气泡冒出时,再将原料和水投至沼气池容积的85%。如果猪粪、鸡粪已经含有少量水在粪池里沤制20天以上的,可以不接种直接投入池内。
③酸碱度:沼气发酵启动时,酸碱度应控制在中性偏微碱范围,即PH值在6.8—7.5之间为宜。PH值越低料液酸性越大,反之碱性越大。PH值可用广泛试纸检测,发生偏酸时可用石灰水澄清液调节。与猪圈相连通的“三结合”沼气池,在投料启动期间应停止向池内投放新鲜猪粪,必须待沼气池产气着火正常后再将猪粪投进沼气池,否则会造成酸积累,使沼气池产气后又停止产气或产气一直不着火。正常产气使用的沼气池,如果一次投入较多的新鲜青绿植物,同样会发生上述现象。
④投料量及容积控制:沼气池投料前,用沼液接种,可将30%的沼液先投入池内,再将所需原料加入。用各种悬浮淤泥或沼气池底部沉渣接种,应先将10%悬浮淤泥或沉渣投入池内,再加水(不要用自来水,下同)至池底以上30厘米,以便将菌种稀释均匀,用工具搅拌均匀后,将发酵原料加至距沼气池活动口40厘米处,待产气后从水压间取出部分料液。这样有利缩小储气间,压缩池内空气,提高甲烷含量,缩短产气着火时间。
⑤控制有害物质入池:农药、各种杀菌剂、消毒剂对沼气发酵来说都属于有毒物质。沼气发酵启动中,禁用将喷洒过农药和各种杀菌剂、消毒剂的原料投入沼气池内,以免造成启动失败。一旦发现投入有毒物质出现启动失败时,必须出清全部料液,用清水冲洗沼气池内壁,并吸干池内冲洗水,重新启动。
⑥放气试火:启动完成前,由于池内含有一定量的空气,加之发酵启动初期沼气中甲烷含量不高,所产沼气可能不着火或脱火,此时应将池中的气体排空,待产气形成气压后再进行试火,如果仍不能点燃,还需排空,直至所产沼气能在炉面稳定燃烧。
2、沼气发酵的运行管理
沼气发酵启动完成之后,即进入正常运行。加强沼气池运行管理,才能达到产气不停,常年使用,充分发挥沼气池效益的目的。沼气池运行管理,主要应做好以下六方面工作:
⑴补料:家用沼气池采用半连续或连续方式补料,以维持沼气池的均衡产气。正常运行的沼气池具有相当高的消化能力,随着原料的消耗,产气量会逐渐下降。因此,启动后20天,不是三结合的沼气池就应补充占总料量5%的新鲜原料,同时抽出相应数量的老料,以后每间隔10天进行一次,这是运行管理的重点。
⑵温度:常温发酵沼气池,温度在10—40℃范围内都会有沼气产生,在此温度范围内温度越高产气量也越大。因此入冬前必须适当增加投料量,采取原料入池前预沤、池体保温、增温等措施提高池温。
⑶杜绝毒害物质:沼气池正常运行过程中,同样应严禁将喷洒过农药的农作物秸秆和畜禽舍防疫消毒冲洗水、洗衣水投入池内,以免毒害和抑制沼气微生物生长繁殖。
⑷大出料:为了使沼气池正常产气和满足农业生产用肥的需要,一般家用沼气池每2—3年需大出料1次,时间安排在春、秋收种季节进行为宜,大出料前20—30天应停止加料。每次大出料不要将沼气池内料液全部出清,应留10%底层淤泥作为投料时的接种物,以减少接种用工,加快启动。深秋时节大换料要选择晴好天气,气温较高时进行,不要加入温度过低的原料和水。
⑸搅拌:正常产气的沼气池内发酵液通常自然分为四层:从上到下分别为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层。在厌氧发酵过程中经常搅拌可以使微生物与发酵原料充分接触,打破分层现象,提高产气量。家用沼气池一般可采用机械和液流(从出料口提出十几桶再从进料口冲入)的方法搅拌,可不定期进行。
⑹安全运行
① 防火:1)沼气池在启动过程中,试火应在炉具上进行,严禁在导气管口试火,以防发生火灾或回火爆炸。2)严禁带明火开启正常产气的沼气池活动盖,严禁在活动口边吸烟或向池内试火。3)要经常检查灯、炉具、管道、管件是否漏气,发现漏气及时处理。特别是冬季在门窗关闭的情况下发现漏气或室内有嗅鸭蛋味时不要明火,应先切断气源,打开门窗通风,查找和处理好漏气处。4)人工点火的灯炉具要先明火,后打开气阀,防止沼气扩散较多而突然产生较大火苗烧伤操作人员。5)灯炉具应远离易燃易爆物品。
② 防中毒:沼气池维修时,要把所有盖口打开,出清料液,使进料口、活动口、出料口“三口”空气流通1—2天后,方可操作。大出料时,要用机械或工具在池外操作,人员不得下池。
③ 防工伤:在沼气池启动和运行、检修、大出料等操作过程中应及时盖好进出料口、活动口安全盖防止人畜掉入池内。
④ 防烧坏脱硫器:正常使用的沼气池,从出料间出料不要让压力表形成负压,以免空气进入脱硫器与脱硫剂发生还原反应,产生大量热,烧坏脱硫器。
 

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