不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响
第27卷第2期农业工程学报V ol.27 No.2
2011年2月 Transactions of the CSAE Feb. 2011 287 不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响
李艳宾1,2,3，张琴1,3※，李为2，余龙江2
（1. 塔里木大学生命科学学院，阿拉尔 843300； 2.华中科技大学生命科学与技术学院资源生物学与生物技术研究所，武汉 430074； 3. 新疆塔里木盆地生物资源保护利用兵团重点实验室，阿拉尔 843300）
摘要：为探索合理的预处理方法以实现棉秆的高效厌氧发酵，研究了高温处理、NaOH处理与生物处理3种预处理方
式对棉秆厌氧发酵产沼气的影响。经预处理的棉秆以8%的总固体质量分数，在常温（(23±2)℃）下进行沼气发酵试验。
结果表明，经NaOH及生物预处理，棉秆的木质纤维结构破坏较明显，而高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。3种
预处理均能有效缩短发酵启动时间，并不同程度提高棉秆产沼气的能力，作用大小依次为：NaOH处理＞高温预处理＞
生物预处理。其中以质量分数为4%的 NaOH对棉秆（含水率为60%）处理10 d的效果最佳，发酵61 d后的总产气量可
达31 022.5 mL，日均产气量为508.57 mL/d，总固体产气率、挥发性固体产气率分别为193.89、216.30 mL/g，要远高于
其他处理及对照，有效地提高了棉秆厌氧发酵的效率。
关键词：棉花，厌氧消化，沼气，预处理，棉秆
doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.02.049
中图分类号：S216.4 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2011)-02-0287-06
李艳宾，张 琴，李 为，等. 不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响[J]. 农业工程学报，2011，27(2)：287
－292.
Li Yanbin, Zhang Qin, Li Wei, et al. Effects of different pretreatment conditions on biogas production by anaerobic fermentation
of cotton stalk[J]. Transactions of the CSAE, 2011, 27(2): 287－292. (in Chinese with English abstract)
0 引 言
新疆是中国最大的棉花主产区，每年生产棉花约200万t，产生秸秆约600～750万t[1]。对于棉秆的处理，除少量用于造纸、制板、建筑等之外，目前大部分仍然是直接粉碎还田，不但生物转化率低，还可能对棉花的生长带来抑制作用[2]。如何实现棉秆资源的高效转化与利用成为亟待解决的问题。棉秆是一类木质化程度非常高的作物秸秆，因此对棉秆的资源化利用也主要围绕其木质纤维组分的降解展开，如利用微生物降解并糖化棉秆以生产燃料乙醇[3-5]、热裂解棉秆[6-7]等。此外，棉秆也具有一定的厌氧发酵产沼气的潜力[8-9]，但由于木质素对纤维素的包埋作用及纤维素本身高度结晶，使其产沼气能力的大小受制于木质纤维素的降解程度[10-11]，因此，在发酵前对棉秆进行有效预处理十分必要。
木质纤维素类原料沼气发酵的预处理方法主要有粉碎与研磨、高温处理、碱处理、生物处理等几种[12]，对于不同的原料，各处理方法的效果各异，且同一方法中，也受到处理水平诸如温度、碱浓度、微生物菌种及培养条件等的影响，导致最终的产气情况差异很大[13-15]。可
收稿日期：2010-07-07 修订日期：2010-08-18
基金项目：国家自然科学基金资助项目（30860014，30960071）
作者简介：李艳宾（1983—），男，湖南保靖县人，硕士，讲师，主要从事微生物发酵方面的研究。阿拉尔塔里木大学生命科学学院，843300。Email: ydhant@https://www.wendangku.net/doc/086003881.html,
※通信作者：张琴（1980—)，女，四川雅安人，讲师，主要从事生物质转化研究。阿拉尔塔里木大学生命科学学院，843300。
Email: jhtabszq@https://www.wendangku.net/doc/086003881.html, 见，利用某种木质纤维类原料进行沼气发酵，首先应进
行预处理方法的筛选。目前对于棉秆沼气发酵预处理的
研究鲜有报道，仅见采用简单微生物预处理的方式[10]。
为此，本文在棉秆机械粉碎的基础上，对棉秆分别进行
了高温预处理、碱预处理及生物预处理，每种处理方式
又分别设置不同水平（选用不同菌种），比较处理后棉
秆的发酵情况及沼气产量，旨在寻找出适于棉秆的预处
理方式及处理条件，以期为棉秆的高效厌氧发酵生产沼
气提供理论依据与技术保证。
1 材料与方法
1.1 试验材料与接种物
棉杆采自新疆阿拉尔棉田，风干后粉碎，过1 mm筛
备用，物料特性见表1。
接种物为以猪粪为原料的发酵残余物，用棉秆浸提
液进行驯化，物料特性见表1。
表1 棉秆与接种物的物料特性
Table 1 Characteristics of cotton stalk and inoculums
物料
项目
棉秆接种物
含水率/% 7.00 96.21 总固体质量分数(TS)/% 93.00 3.79 挥发性固体质量分数(VS)/% 89.64 60.35 灰分质量分数/% 10.36 39.65
C质量分数/% 56.76 3.30
N质量分数/% 1.15 0.34 木质素质量分数/% 18.35 / 纤维素质量分数/% 38.15 / 半纤维素质量分数/% 12.91 /
农业工程学报2011年288
1.2 试验装置
试验装置主要由2 500 mL广口消化瓶、2 500 mL集气瓶和1 000 mL的锥形瓶三部分组成。锥形瓶用于收集从集气瓶中被排出的水，以计算产气量。消化瓶与集气瓶瓶口用胶塞塞紧，各部分用乳胶管连接，所有接口处均用石蜡和凡士林密封。
1.3 试验方法
1.3.1 原料预处理
1）高温预处理
将经粉碎的棉秆置于100℃、110℃、120℃高压灭菌锅中处理2 h。
2）NaOH预处理
将经粉碎的棉秆用蒸馏水把预处理体系含水率调为60%，以占棉秆干物质质量分数4%、6%、8%的NaOH 处理10 d。
3）生物预处理
菌种为黄孢原毛平革菌（Phanerochaete chrysosporium CICC40719，本文简写为PC菌）、云芝菌（Trametes versicolor CICC14001），均属于白腐菌，购自中国工业微生物菌种保藏管理中心，由本研究室驯化保藏。
称取适量经灭菌的棉秆，加入1.5倍体积（v∶w）的营养液，将经活化好的菌种接入棉秆。PC菌以孢子悬液接种，浓度为108 cfu/mL，接种量10%；云芝菌以菌块接种，按每100 g棉秆接种一个平皿的云芝菌，含水率均调节至60%，拌匀后发酵20 d。
营养液：酒石酸铵0.2 g，KH2PO4 0.2 g，MgSO4? 7H2O 0.05 g，CaCl2 0.01 g，无机盐溶液1 mL，维生素溶液0.5 mL，加蒸馏水至1 000 mL。（无机盐溶液：氨三乙酸1.5 g，MgSO4? 7H2O 3.0 g，MnSO4 0.5 g，NaCl 1.0 g，FeSO4?7H2O 0.1 g，CoSO4 0.1 g，CaCl2 0.082 g，ZnSO4 0.1 g，CuSO4? 5H2O 0.01 g，AlK(SO4)2 0.01 g，H3BO3 0.01 g，蒸馏水1 000 mL。维生素溶液：叶酸2 mg，D-泛酸钙5 mg，对氨基苯甲酸5 mg，VB1 5 mg，VB2 5 mg，VB6 10 mg，VB12 0.1 mg，生物素2 mg，烟酸5 mg，蒸馏水1 000 mL。）
对各预处理前后的棉秆样品，采用扫描电子显微镜（SEM）进行观察分析。
1.3.2 装罐发酵
装料系数为发酵罐的80%，即：2 500 mL×80%=2 000 mL；发酵液总固体质量分数为8%；C/N比均用尿素调至25∶1；接种物的接种量（接种物干物质质量占发酵原料干物质质量的百分比）为20%；发酵液pH值用稀盐酸和NaOH溶液调节并维持在6.8～7.4之间。以未经预处理的棉秆为对照，每处理做3次重复，在室温下进行发酵，平均发酵温度约为（23±2）℃。每天定时测量产气量，待产气稳定后测定各处理气体中的甲烷体积分数。
1.4 测定项目与方法
含水量、总固体（TS）、挥发性固体（VS）：沼气常规分析法[16]；灰分：依据TS、VS测定值计算；产气量：排水法测定；pH值：PHS-3C型pH计测定；CH4体积分数：NaOH碱液吸收法[17]；全C：重铬酸钾滴定法；全N：半微量蒸馏法；木质素、纤维素、半纤维素：中性洗涤法[18]。
试验结束后，综合数据进行指标分析，计算出TS产气率、VS产气率[19]。
2 结果与分析
2.1 预处理前后棉秆的表观结构变化
部分预处理前后棉秆表观结构的扫描电镜观察结果见图1。从图中可以看出，未经处理的棉秆原样外表面结构致密，规则平滑，因而不利于纤维素水解酶的结合。而经过4% NaOH与PC菌处理过的棉秆，其外表面致密的木质纤维结构已受到明显的破坏，呈现出细胞壁松弛，孔隙度增大，这样增大了棉秆的比表面积，有利于纤维素酶的结合。两者相比，4% NaOH处理的棉秆其松弛程度和空隙要多于PC菌处理。120℃高温预处理过的棉秆表面虽然也出现一些空隙，但其结构依然比较致密，与原样相差不大。因此，从处理前后棉秆的表观结构来看，NaOH预处理的效果较明显，高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。
a. 未处理棉秆
b. 120℃高温预处理
c. 4% NaOH预处理
d. PC菌处理
图1 不同预处理条件下棉秆的扫描电子显微镜（SEM）图（×1 000）
Fig.1 Scanning electron microscopic graphs of cotton stalk in different pretreatments(×1 000)
2.2 不同预处理对棉秆厌氧发酵产气的影响
各处理日产气量和总气体产量如图2和图3所示。
从图2中可以看出，棉秆经预处理后，均能迅速启动发
酵，除了云芝处理以外，其余均从第2 天开始就有气体
产生。而未经预处理的棉秆发酵启动十分缓慢，直到第
16天后才收集到气体，且日产气量起伏较大，直到第49
天后才有较为稳定的上升趋势。
从各预处理方法来看，NaOH处理的效果最好，不同
浓度的处理有着相似的变化趋势，均可迅速产气，并都
在第14天左右达到产气高峰，此后平稳保持一个较高的
第2期 李艳宾等：不同预处理条件对棉秆厌氧发酵产沼气的影响
289
产气水平，到第36天左右出现拐点，之后日产气量逐步下降。在3种浓度中，又以4% NaOH 处理的效果最佳，产气速率与累积产气量均要明显高于其他处理。PC 菌、云芝菌处理的棉秆分别在第16天、第20天出现产气峰值，此后产气较为缓慢，日产气量逐步下降。高温预处理棉秆在发酵前期的产气情况与生物预处理的有些类似，始终保持一个较低的产气率，但从第31天起，各温度水平的处理却一致出现日产气量增加的趋势，并在第41天左右达到一个高峰。但总体来说，高温与生物预处理的效果明显不及碱处理，其产气速率与累积产气量均要低很多。
图2 各处理日产气量随发酵时间的变化
Fig.2 Changes of daily biogas
production of different treatments
图3 各处理的累积产气量
Fig.3 Cumulative biogas production of different treatments
表2为各处理的总产气量、日均产气量、TS 产气率、VS 产气率与气体中甲烷体积分数的测定与计算结果，其中TS 产气率即单位原料干物质产气量，主要反映原料的产气潜力；VS 产气率即单位原料挥发性有机物产气量，主要反映原料有机质的转化潜力[20]。
表2 各预处理的棉秆发酵产气特性比较
Table 2 Comparison of biogas-producing characteristics of cotton
stalk in different pretreatments
预处理方法 总产气量/mL 日均产气量/ (mL·d -1) TS 产气率/ (mL·g -1) VS 产气率/(mL·g -1) 甲烷体积
分数/%
100℃ 16 824.00275.80 105.15 117.30 49.8 110℃ 17 731.00290.67 110.82 123.63 48.0 120℃
23 395.33
383.50 146.22 163.12 51.8 4% NaOH 31 022.50508.57 193.89 216.30 51.4 6% NaOH 24 631.00403.79 153.84 171.74 44.0 8% NaOH 19 031.50311.99 118.95 132.69 46.5 PC 菌 14 592.50239.22 91.20 101.74 50.2 云芝菌14 406.00236.16 90.04 100.44 49.7 未处理
9 315.00
176.31
67.22
74.99
46.5
从表2中可以看出，未经处理的棉秆，其总产气量仅为9 315.00 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率仅分别为176.31 mL/d 、67.22 mL/g 、74.99 mL/g ，而经预处理后，各产气率指标均有大幅的提升。其中NaOH 处理的效果普遍较好，4% NaOH 处理后棉秆的总产气量达到31 022.50 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别为508.57 mL/d 、193.89 mL/g 、216.30 mL/g ，要高于有报道的稻草、麦草、柑橘渣等一些原料的产气率[20-21]，气体中CH 4的体积分数为51.4%，气体质量较好。但随着碱浓度的提高，棉秆的产气率反而有下降的趋势，可见，在选择NaOH 作为棉秆预处理方式时，应选择好恰当的浓度。
高温预处理的效果仅次于碱预处理，随着处理温度的升高，棉秆产气率也逐渐升高，这与其他相关研究结果类似[13]。其中在120℃下处理2 h 后，棉秆的总产气量可达23 395.33 mL ，日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别达383.50 mL/d 、146.22 mL/g 、163.12 mL/g ，各产气指标优于8% NaOH 的处理，与6% NaOH 处理的效果接近，而其气体中CH 4的体积分数为51.8%，与4% NaOH 处理相当。但高温预处理方式需要额外的能量消耗，势必增加预处理成本。
此次生物预处理选用了木质素降解能力很强的黄孢原毛平革菌（PC 菌）与云芝2种白腐菌，扫描电镜结果显示棉秆的木质纤维结构已受到微生物一定程度的破坏，其产气率较之未处理对照也均有显著提高，然而却要远低于碱处理，甚至不及高温处理。其中PC 菌处理的总产气量、日均产气量、TS 产气率、VS 产气率分别为14 592.50 mL 、239.22 mL/d 、91.20 mL/g 、101.74 mL/g ，与4% NaOH 处理的相比低了一倍多。云芝菌处理与PC 处理的指标值基本一样。这可能是白腐真菌在分解棉秆木质素的过程中产生并积累了一些抑制纤维素水解酶活性的代谢产物[4]，从而降低了白腐菌预处理对棉秆沼气发
农业工程学报2011年290
酵的促进作用。同时，由于微生物生长代谢过程存在复杂性和多变性，不同微生物降解不同原料所需要的培养条件也各异。因此，虽然从理论上来说微生物（如白腐菌等）能够彻底降解掉木质素，从而消除阻碍纤维素酶与纤维素接触的壁垒，促进后期沼气发酵，但生物预处理目前大多仍停留在试验阶段，离实际应用还有一定的差距[12]。
综上，认为本试验所采用的几种预处理方法中，NaOH处理最适合作为棉秆沼气发酵的预处理方式，高温预处理次之，生物预处理效果相对最差。碱处理中，以4%的NaOH对含水率为60%的棉秆处理10 d，能够对后期发酵起到非常好的促进作用，此时TS产气率可达193.89 mL/g，按新疆年产棉秆600～750万t，如果能充分用于沼气发酵，可生产出(1.16～1.35)×109 m3的沼气，可见开发潜力巨大。
图4 各预处理棉秆沼气发酵前后的木质素、纤维素及半纤维
素含量的变化
Fig.4 Changes of lignin, cellulose and hemi-cellulose content of cotton stalk in different pretreatments before and after biogas
fermentation 2.3 不同预处理棉秆发酵前后木质纤维素含量的变化
对各种预处理棉秆沼气发酵前后的木质素、纤维素及半纤维素含量进行了测定，并将结果以各组分在棉秆原样总固体（TS）中的含量进行表示，结果如图4所示。各处理发酵前木质素、纤维素及半纤维素的含量体现了经预处理后木质纤维组分的变化，从图4中可以看出，100、110℃的预处理对棉秆木质素的破坏很少，而120℃处理后木质素的损失率相对较大；NaOH处理和生物预处理棉秆的木质素损失较多，破坏程度较大。半纤维素含量的变化趋势与木质素的基本一致。而从发酵前纤维素的含量来看，经预处理后棉秆纤维素的损失率普遍较大，其中高温预处理后纤维素的损失率在50%以上，NaOH处理和生物预处理的也在42%～47%之间。
从发酵前后各处理木质纤维组分的对比来看，发酵对棉秆木质素的降解率均不高，其中高温预处理的降解率在8%左右；4% NaOH处理的木质素降解率相对最高，为20.36%，6%、8%的处理分别为17.88%、8.51%；生物预处理的降解率在12%～14%之间。从纤维素含量的变化来看，NaOH处理的纤维素降解率要普遍高于其他处理，4%、6%、8%浓度下的降解率分别为29.55%、30.00%、24.62%；120℃高温处理的纤维素降解率也达到26.47%，这与产气量大小的情况基本一致，说明纤维素是沼气发酵的主要有效利用组分。预处理后发酵也有效提高了半纤维素的降解率，除云芝菌处理外，其他各处理的半纤维素降解率均在40%～57%左右。
从图4中还可看出，发酵后的物料中仍残留有大量的纤维素类物质，尚具有很大的发酵潜力。
3 结 论
1）扫描电镜检测观察结果表明，经NaOH及生物预处理后，棉秆的木质纤维结构遭到较明显的破坏，而高温预处理对棉秆的表观结构影响不大。
2）相对于未经预处理对照，高温处理、NaOH处理及生物处理等方式均能有效缩短棉秆发酵启动时间，并不同程度提高棉秆产沼气的能力。其中NaOH预处理最适合棉秆沼气发酵，关键在于选择合适的碱浓度。以4% NaOH对含水率为60%的棉秆处理10 d后，以8%的总固体浓度在常温下（(23±2)℃）发酵61 d产气最多，棉秆的总产气量达到31 022.50 mL，与对照（9315.00 mL）相比，提高了233%，此时日均产气量、TS产气率、VS产气率分别为508.57 mL/d、193.89 mL/g、216.30 mL/g。
3）试验结果同时也显示，各处理发酵后的物料中仍残留有数量较大的纤维素类物质，说明棉秆仍未充分发挥出其沼气发酵潜力，后续研究可对碱处理的条件，如碱的种类、碱浓度及处理时间等因素进行进一步的优化。
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Effects of different pretreatment conditions on biogas production by
anaerobic fermentation of cotton stalk
Li Yanbin1,2,3, Zhang Qin1,3※, Li Wei2, Yu Longjiang2
(1. College of Life Science, Tarim University, Alaer 843300, China; 2. Institute of Resource Biology and Biotechnology, College of Life Science and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China; 3. Xinjiang Production and Construction Corps Key Laboratory Protection and Utilization of Biological Resources in Tarim Basin, Tarim University, Alaer 843300, China)
Abstract: In order to search for fitting pretreatment methods in effective anaerobic fermentation of cotton stalks, effects
农业工程学报2011年292
of three pretreatments including high temperature, alkali treatment and microbial inoculation on biogas production by anaerobic fermentation of cotton stalks were studied. The pretreated cotton stalks were fermented in the biogas production experiments with total solid weight percentage of 8% under room temperature of (23±2)℃. The results showed that in cotton stalks pretreated with NaOH and microbial inoculation, the structure of lignocellulose was broken clearly, while high temperature affected the external structure indistinctively. All the three pretreatments effectively shortened the starting period of anaerobic fermentation, and improved the ability to biogas production of cotton stalks. Effects of the three pretreatments on biogas production followed the order that: alkali treatment > high temperature > microbial inoculation. Of all the conditions, the pretreatment of 4%(w/w) NaOH with 10 days treating period for cotton stalks (with 60% moisture) exhibited the best effect, which could gain the total gas production of 31 022.5 mL after 61 day fermentation. And in this fermentation, the daily average gas production achieved 508.57 mL/d, TS gas production and VS gas production reached 193.89 mL/g and 216.30 mL/g separately, which were much higher than those of the control and other pretreatments. This indicated that this kind of alkali treatment was the optimal, efficiently promoted biogas production in anaerobic fermentation of cotton stalks.
Key words: cotton, anaerobic digestion, biogas, pretreatment, cotton stalks
几种沼气厌氧发酵工艺比较剖析
塞流式工艺 塞流式工艺细分有两种，一种是普通的塞流式反应器（PFR），另一种是改进的高浓度塞流式工艺（HCF）。 1.塞流式反应器（PFR） 图1 （1）原理 PFR也称推流式反应器，是一种长方形的非完全混合式反应器。高浓度悬浮固体发酵原料从一端进入，呈活塞式推移状态从另一端排出。消化器内沼气的产生可以为料液提供垂直的搅拌作用，料液在沼气池内无纵向混合，发酵后的料液借助于新鲜料液的推动作用而排走。进料端呈现较强的水解酸化作用，甲烷的产生随着向出料方向的流动而增强。由于该体系进料端缺乏接种物，所以要进行固体的回流。为减少微生物的冲出，在消化器内应设置挡板以有利于运行的稳定。PFR反应原理及结构见图1。这种工艺能较好地保证原料在沼气池内的滞留时间。许多大中型
畜禽粪污沼气工程采用这种发酵工艺。 （2）特点 优点：适用于高SS废水的处理，尤其适用于牛粪的厌氧消化，固体含量可以提高到12%；用于农场有较好的经济效益；不需要搅拌；池形结构简单，运行方便，故障少，稳定性高。 缺点：固体物容易沉淀池底，影响反应器的有效体积，使HRT和SRT降低，效率较低；需要固体和微生物的回流作为接种物；因该反应器占地面积或体积比较大，反应器内难以保持一致的温度；易产生厚的结壳。 2. 高浓度塞流式工艺（HCF） （1）原理 HCF是一种塞流、混合及高浓度相结合的发酵装置。厌氧罐内设机械搅拌，以塞流方式向池后端不断推动，HCF厌氧反应器的一端顶部有一个带格栅并与消化池气室相隔离的进料口，在厌氧反应器的另一端，料液以溢液和沉渣形式排出。 （2）特点 进料浓度高，干物质含量可达8％；能耗低，不仅加热能耗少，而且装机容量小，耗电量低；与PFR相比，原料利用率高；解决了浮渣问题；工艺流程简单；设施少，工程投资省；操作管理简便，运行费用低；原料适应性强（畜禽粪便、碎秸秆和有机垃圾均可）；没有预处理，原料可以直接入池；卧式单池容积偏小，便于组合。
沼气产量计算及热值换算方法大全
实用：沼气产量计算及热值换算方法大全 一沼气产量计算 1、理论计算公式 沼气产量＝废水浓度（kgCOD/m3）×设备去除率（%）×废水日排放量（m3/d）×产沼气率 其中，产沼气率为0.7 m3/kgCOD（理论值） 2、其他沼气产量计算方式 按养殖规模计算 一般估算：5头猪、1头牛、150只鸡的粪便可产1m3沼气。 按照池容计算 一般估算：6m3、8m3、10m3的沼气池容积可分别产 1.2m3、1.6m3、2m3沼气。 按照池中的干物质计算 如每公斤猪粪(干物质)产气量为0.43m3/kg。 按照去除的污染物计算
如每去除1公斤COD可产生约0.35m3沼气。 二沼肥产量计算 沼气池需进调配成干物质含量（TS）为8%的粪污水料液，根据日粪污干物质产量和水力滞 留期（20天），需要沼气池有效容积为800m3。计算公式如下： 沼气池有效容积 =（干物质日产量×水力滞留期）/发酵料液浓度 =（X×20d）/8% =800m3 则粪污干物质量（X）为3.2t/d，粪便中干物质在厌氧反应阶段被降解50%，经固液分离后进入沼液约20%，转化为沼渣的干物质为总量的30%，新鲜沼渣含水率为65%，则： 日产沼渣量 （3.2t/d×30%)÷（1-65%）=2.74t/d 沼液日产量 （3.2t/d÷8%）-3.2t/d×50%-2.74t/d=35.66t/d 部分沼液回流去调节池调节粪水料液浓度，可减少清水用量并提高粪水料液中产沼气细菌的 含量，沼液回流量按20t/d计。因此，每天需要排放的沼液量为：35.66-20＝15.66t/d。三沼气与燃煤热值换算
沼气与热值为4000K燃煤的换算公式为： 燃煤量＝沼气产量×沼气含甲烷率×甲烷热值÷4000K 根据美国麦卡蒂教授的推算：每去除1千克COD，在理想状态下可产甲烷0.35m 3，折合含甲烷60%的沼气为0.583m3；每去除1千克BOD产生的沼气稍高，约为1m3左右。 1m3沼气可产热值20514KJ 标准煤热值为29306KJ 20514/29306=0.714 （1m3沼气等于0.714kg标准煤） 即日产1000m3沼气能节约714kg标准煤 拓展其他燃料热值参考 天然气：8500-9250kcal/m3 液化石油气：23000-24000kcal/kg 电：860kcal/kwh 煤油：10250kcal/kg 柴油：11000kcal/kg
废水厌氧处理沼气产气量计算
废水厌氧处理沼气产气量计算原理 一、理论产气量的计算 1.根据废水有机物化学组成计算产气量 当废水中有机组分一定时，可以利用第一节中所介绍的化学经验方程式（15-1）计算产气量，对不含氮的有机物也可用以下巴斯维尔（Buswell和Mueller）通式计算: 【公式见下图】 2．根据COD与产气量关系计算 在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1gCOD相当于生成22.4/64=0.35L甲烷。 一般在厌氧条件下，每降解1kgCOD约产生2%～8%的厌氧污泥（即微生物对营养物质进行同化后残留的物质），而能量的传递效率是能量在沿食物链流动的过程中，逐级递减。若以营养级为单位，能量在相邻的两个营养级之间传递效率为10%~20%。微生物由于其生物形态结构简约，传递效率要稍高于多细胞生物为20%~30%，若以其传递效率25%计，则每1kgCOD产生2%～8%的厌氧污泥，则需要总物质的8%～32%物质用于其自身的同化作用，故1kgCOD中只有0.68～0.92kg的物质转化为甲烷，理论上在标准状态下，1mol甲烷，相当于2mol（或64g）COD，则还原1kgCOD相当于生成22.4/64=0.35m3甲烷。 沼气中甲烷的含量一般占总体积的50～70%，则理论上初步计算1kgCOD产生0.34～0.644Nm3的沼气。但在厌氧消化工艺中，实际产气率受物料的性质、工艺条件以及管理技术水平等多种因素的影响，在不同的场合，实际产气率与理论值会有不同程度的差异。 ①物料的性质：就厌氧分解等当量COD的不同有机物而言，脂类（类脂物）的 产气量最多，而且其中的甲烷含量也高；蛋白质所产生的沼气数量虽少，但甲烷含量高； 碳水化合物所产生的沼气量少，且甲烷含量也较低；从脂肪酸厌氧消化产气情况表明，随着碳键的增加，去除单位重量有机物的产气量增加，而去除单位重量COD的产气量则下降； ②②废水COD浓度：废水的COD浓度越低，单位有机物的甲烷产率越低，主要 原因是甲烷溶解于水中的量不同所致。因此，在实际工程中，高浓度有机废水的产气率
秸秆厌氧干发酵产沼气的研究
科学研究 秸秆厌萤干发酵产沼与的研皇℃九 陈智远姚建刚 杭州能源环境工程有限公司 摘要：本试验以玉米秸、稻草、烟叶杆、木薯杆为代表的秸秆作为原料，在温度３８＂Ｃ，采用批量发酵工艺进行高浓度厌氧发酵产气研究。试验结果表明，玉米秸、稻草、烟叶杆及木薯杆的Ｔｓ产气 率分别为４１３ｍｌ／ｇ、３３０ｎ１／ｇ、３３３ｍ］／ｇ、２２２ｍ１／ｇ，而ｖｓ产气率分别为４７０ｍ１／ｇ、３８７ｍｌ／ｇ、４２６Ｔｌｌ／ｇ、２４１ｍ１／ｕ。 关键词：秸秆干发酵产气率 农业固体废弃物是指在整个农业生产过程中被丢弃 的有机类物质，主要包括农业生产和加工过程中产生的 植物残余类废弃物、动物残余类废弃物和农村城镇生 活垃圾等…。据孙永明【１１等报道，我国每年产生固体废 弃物高达几十亿吨，而每年产生农作物秸秆总量约７亿 吨，除去用于造纸、饲料及造肥还田外，还有一大部分 未充分利用，大量剩余秸秆的随地堆弃和任意焚烧，造成了大气污染、土壤污染、火灾事故、堵塞交通等大量社会、经济和生态问题【２习ｊ。但实际上秸杆可以通过干发酵工艺得到有效利用，既以固体有机废弃物为原料（总固体含量在２０％以上），利用厌氧菌将其分解为ＣＨ。、ＣＯ。、Ｈ。Ｓ等气体的发酵工艺【４Ｊ。与湿发酵相比，主要优点是可以适应各种来源的固体有机废弃物、运行费用低并提高容积产气率、需水量少或不需水、产生沼液少后续处理费用低等［５】。本文对玉米秸、稻草、烟叶杆及木薯杆的高浓度厌氧发酵产气潜力进行研究。 １．材料与方法 １．１材料与试验装置 玉米秸和稻草取自杭州郊区某农场，烟叶杆与木薯杆分别取自云南昆明郊区某卷烟厂和某农场，经切碎后（２～３ｃｍ）左右待用。污泥则取自杭州市种猪试验场的沼气站。原料的ＴＳ与ＶＳ见表１。厌氧装置采用自制的１．５Ｌ发酵装置。采用排水法计量气体，试验装置见图１。 表１原料的ＴＳ与ＶＳ 项目玉米秸稻草烟叶杆木薯杆污泥ＴＳ（％）８４．４２８６．３３８７．９６２３．９０１１．６４ＶＳ（％）７３．９６７５．０２６８．６８２２．００７．３２ １、止水夹２、胶管３、盖子４、发酵瓶５、胶管 ６、集气瓶７、集水瓶 图１反应装置示意图 １．２试验设计 试验设４个试验组和１个为空白组．每组３个平行，在３８℃的恒温间内发酵。将１００９ｔ－米秸、稻草、烟叶杆分别和８００９污泥混合均匀后加入发酵瓶中，将１００９木薯杆与６００９污泥混合均匀后也加入发酵瓶中，空白则将１０００９污泥加入发酵瓶中。 １．３分析项目及方法 ＴＳ测定是将待测混合物置于已烘干、称重的硬质玻璃杯中，（１０５±２）℃烘干至恒重，称重计算，而ＶＳ测定是将待测混合物置于已烘干、称重的坩埚中．（５５０－Ｉ－１０）℃灼烧至恒重，称重计算【６】。ＰＨ值采用精密试纸法。 每天定时测定发酵产气量，即测定集水瓶中水的体积量为日产气量。利用沼气分析仪（武汉四方沼气分析仪）及根据沼气燃烧的火焰颜色参照ＣＨ。含量标准卡联合检测ＣＨ。浓度｜７Ｊ。 ２．结果与讨论 ２．１发酵前后的相关测定及分析 从图２可以看出，各试验组发酵前后的ＴＳ及ＶＳ均有所下降，这说明原料被消耗并生产沼气。图中数据表明玉米秸、稻草、烟叶杆及木薯杆的ＴＳ降解率分别为 ２４ ｗⅥ唧．ｅｈｏｍｅ．ｇｏｖ．ｅｎ 万方数据
[沼气,废弃物,固体]有机固体废弃物厌氧发酵产生沼气的脱硫技术分析
有机固体废弃物厌氧发酵产生沼气的脱硫技术分析 0引言 随着工农业废弃物厌氧生物处理技术的广泛应用，沼气作为一种可再生能源，越来越受到人们的关注和重视。沼气是一种特殊的生物质能源，因为它的低位发热值较高，所以其经常被用作汽车燃料，还有一些被用作动力能源(如水泵和发电机)，也有被用作化工原料(如合成有机玻璃脂和制造甲醛和甲醇等);还有一些国家的沼气净化技术较高，如瑞典将净化后的沼气直接并入国家气网使用。因此，沼气完全可以作为一种绿色能源被开发利用，这种新兴的产业也被人们越来越重视。由于沼气来源于厌氧发酵工艺，因此这种工艺也得到越来越多的产业化应用，不仅能缓解当前存在的能源危机问题，而且能很好地达到保护环境的目的。 各种厌氧发酵微生物在厌氧的条件下，将有机物分解消化的过程中会产生沼气，此时也伴随有H2S的产生。因此，沼气是一种混合气体，其中CHQ和CO2的含量较高，H2, H2S, NH 的含量比较少。发酵原料的种类、各种原料的相对含量、厌氧发酵的条件(温度、时间、pH等)以及厌氧发酵的各个阶段都是影响沼气成分的因素。 硫化氢(H2S)是一种能危害人体健康的有毒性气体，其物理性质上最大的特点是无毒和有强烈的臭鸡蛋气味。另外，大气中H2S的存在是造成酸雨的主要原因之一。由于H2S在化学性质上能与许多金属离子反应，产物是硫化物沉淀，而这些产物又不溶于水或者酸，所以其对铁等金属类物质有很强的腐蚀性。除此之外，当沼气燃烧时，H2S会被氧化成亚硫酸，从而对环境造成严重的污染，也会严重腐蚀设备、管道和仪器仪表等。因此，在利用沼气之前必须将其中的H2S去除，而国家对沼气中H2S含量的标准有严格的规定，不能超过0. 02g/亩。目前，最常用的脱除H2S的方法有干式脱硫、湿式脱硫和生物脱硫。 1.干法脱硫 干法脱硫的具体反应过程是首先通过物理吸附将H2S吸附在吸附剂的表面，然后是吸附剂与H2S发生化学反应生成单质硫的过程。因为干法脱硫所使用的脱硫剂大多数是粉末状或者颗粒状，其整个过程是在完全干燥的环境下进行的，所以脱硫过程不会对设备和管道等产生腐蚀和结垢的影响。干法脱硫的适用范围是含有较低浓度H2S的气体，其优点在于脱硫工艺设备比较简单及工艺技术方面比较成熟。因此，干法脱硫工艺在工业上应用较广。目前，最常用的干法脱硫方法有氧化铁法、氧化锌法、活性炭吸附法和膜分离法等。 1.1氧化铁法脱硫 氧化铁沼气脱硫法是使用较早的一种方法，早在19世纪40年代就开始逐步发展起来了，而此时煤气工业也孕育而生。氧化铁法脱硫的反应原理:常温下沼气到达脱硫机床的表面，此时沼气中的H2S与Fe203发生氧化还原反应，生成的产物为Fe2S3和Fe2;之后，含硫的脱硫剂再被空气中的氧氧化为Fe2 03和SO这也说明了这种脱硫剂是可再生的，可以循环使用很多次;但是如果脱硫剂表面的空隙被大部分覆盖以后，氧化铁脱硫剂就失去了活性。由此可见，影响脱硫效果的因素有沼气的流速和沼气与脱硫剂接触的时间。 氧化铁法脱硫过程中发生的化学反应是不可逆的。反应方程式的反应速率很大，要将沼
废水生物处理基本原理-厌氧生物处理原理
废水生物处理基本原理 ——废水厌氧生物处理原理 废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由多种（厌氧或兼性）微生物的共同作用下，使有机物分解并产生CH 4和CO 2的过程。 1.1.1 厌氧生物处理中的基本生物过程——阶段性理论 1、两阶段理论： 20世纪30~60年代，被普遍接受的是“两阶段理论” 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功能是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO 2和H 2等；主要参与反应的微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物的特点是：1）生长速率快，2）对环境条件的适应性（温度、pH 等）强。 图1厌氧反应的两阶段理论图示 内源呼 吸产物 碱性发酵阶段 酸性发酵阶 段 水解胞外酶 胞内酶产甲烷菌 胞内酶产酸菌 不溶性有机物 可溶性有机物 细菌细 胞 脂肪酸、醇 类、H 2、CO 2 其它产物 细菌细胞 CO 2、CH 4
第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段的产物，并将其转化为CH4和CO2；主要参与反应的微生物被统称为产甲烷菌（Methane producing bacteria）；产甲烷细菌的主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。 1.1.2 三阶段理论 对厌氧微生物学的深入研究后，发现将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反映厌氧反应过程的本质； 厌氧微生物学的研究表明，产甲烷菌是一类十分特别的古细菌（Archea），除了在分类学和其特殊的学报结构外，其最主要的特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单的一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2/CO2等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇类；
发酵原料与产沼气量
该表显示粪便和干粪其每公斤有机干物及每立方米发酵原料的气体产量。 原料固体 物% 有机固体物 占固体物% 平均产气量 立升/每公斤固体有机物 沼气 立方/每吨原料 苹果发酵下脚料 3 95 500 14 苹果渣25 86 700 151 啤酒渣25 65 700 116 生物垃圾40 50 615 123 干血粉屑90 80 900 648 脂眆分离残余物30 95 1000 285 漂浮淤泥15 90 1000 135 饲料和甜菜叶16 79 500 63 蔬菜下脚料15 76 615 70 绿草42 90 780 295 草药提取后剩物53 55 650 189 鸡粪便15 77 465 54 椰子壳95 91 700 605 土豆茎25 79 840 166 土豆发酵下脚料14 90 420 53 污水淤泥 4 70 525 15 苜蓿植物20 80 800 128 厨房下脚料14 93 550 72 树叶85 82 650 453 猪胃内杂物14 82 420 48 庄稼下脚料37 93 800 275 玉米青贮32 91 700 204 玉米秸杆86 72 900 557 水果渣45 93 615 257 油料作物下脚料92 97 700 624 内脏(压过) 28 90 500 126 内脏(未处理过) 15 84 500 63 马粪(新鲜) 28 75 580 122 油菜籽提炼后的粉89 92 633 518 牛粪便8 81 400 26 牛粪(新鲜) 22 83 420 77 羊粪(新鲜) 27 80 750 162 猪粪便 6 81 450 22 猪粪便85 85 500 361
根据人口数量计算沼气池容积
根据人口数量计算沼气池容积：满足一个农户全家人口生活用能的沼气池池容，可用下列公式计算： V＝V1+V2＝V1+0.15V＝V1/0.85＝n?k?r /0.85 式中：V—沼气池总容积（立方米）； V1—发酵间容积（立方米），V1＝0.85V； V2—贮气间容积（立方米），V2＝0.15V； n—气温影响系数，一般南方地区取0.8～1.0，中部地区取1.0～1.2，北方地区取1.2～1.5； k—人口影响系数，2～3口之家取1.8～1.4，4～7口之家取1.4～1.1； r—每户人口数。 沼气池容积与人口的关系见表3-1。 表3-1 沼气池容积与人口的关系 池容（立方米） 6 8 10 每天可产沼气量（立方米） 1.2 1.6 2.0 可满足全家人口数（个） 3 4～5 5～6 （2）根据养殖规模计算沼气池容积：对于中小型养殖场和较大规模的庭院养殖户，沼气池容积应根据发酵原料的数量、一定温度下发酵原料在池内停留的时间和投料浓度计算，其计算公式如下： V＝（G?Ts?HRT）/（r?m） 式中：G—每天可供发酵的原料湿重（千克）； Ts—原料中干物质含量的百分比（%）； HRT—原料在池中的滞留天数（水力滞留期）； r—发酵原料浓度换算成的容重（千克/立方米），r＝原料浓度×发酵液容重，发酵液容重一般取水的容重，即1000千克/立方米； m—池内装料有效容积（%）。 例题：一养猪场，养猪250头，每天可产鲜猪粪1000千克，其干物质含量为20%，发酵原料容重为6%×1000千克/立方米，在35℃条件下发酵滞留期为15天，要求池内只装料85%，求需建多大的沼气池？ 解：V＝（G?Ts?HRT）/（r?m） ＝（1000×0.2×15）/（60×0.85） ＝58.82 （立方米） 经过计算，修建60方米的沼气池，即可满足要求。
沼气工程热量计算书
目录 1.锅炉耗煤量的计算 (2) 1.1 厌氧罐所需热量 (2) 1.1.1 热损失Q1的计算 (2) 1.1.2原料升温所需热量Q2的计算 (4) 1.1.3反应罐内水分蒸发带走的热量Q3和厌氧发酵产生的热量Q4 (4) 1.1.4厌氧罐所需热量Q (4) 1.2锅炉烧煤量与烧煤时间 (5) 1.2.1 锅炉烧煤量 (5) 1.2.2 锅炉烧煤时间 (6) 1.3热损失校正因子a1和锅炉总效率校正因子a2的测定 (6) 1.3.1 热损失校正因子a1 (6) 1.3.2 锅炉总效率校正因子a2 (8) 1.3.3 因子a1和a2的计算 (9) 2. 产能和耗能拐点的计算 (10) 2.1产能计算 (10) 2.2耗能计算 (11) 2.2.1 北方地区全年耗能计算 (11) 2.2.2 燃煤锅炉的“耗能/产能”比 (12) 2.2.3 沼气锅炉的“耗能/产能”比 (12) 2.2.4 沼气发电机的余热满足率和经济效率 (13) 2.2.5 燃煤锅炉、燃气锅炉和沼气发电机组经济性对比分析 (15) 2.2.6 “拐点”结论 (16) 3. 解决夏天烧煤问题分析 (17) 3.1沼气发电余热回收 (17) 3.2太阳能加热 (17)
热量计算书 1.锅炉耗煤量的计算 1.1 厌氧罐所需热量 厌氧罐所需热量Q T＝Q1+Q2+Q3-Q4 Q1——反应罐总热损失； Q2——原料升温所需热量； Q3——反应罐内水分蒸发带走的热量； Q4——厌氧反应放出的热量。 1.1.1 热损失Q1的计算 （1）保温设计标准列于表1： （2）以北方地区的保温标准为例，不同规模的沼气工程在0℃时热损失列于表2：
沼气产生量
1、沼气量理论计算公式： 沼气产量＝废水浓度（kgCOD/m3）×设备去除率（%）×废水日排放量（m3/d） ×产沼气率 产沼气率： 0.7 m3/kgCOD（理论值） 2、沼气换算燃煤公式 沼气含甲烷率：65%；甲烷热值：6000K/ m3 沼气与热值为4000K燃煤的换算公式： 燃煤量＝沼气产量×沼气含甲烷率×甲烷热值÷4000K 3、有关猪粪转化沼气率 一般来说，鲜猪粪含SS（固形物）20%，1公斤SS可以0.2-0.4 m3的沼气。 去除每千克COD产0.35方沼气，每方沼气相当于一公斤标准煤 实际产气计算去除COD千克数*0.35*0.8 除1公斤COD可产0.4方沼气，每方沼气可以发电1.2-1.6度 根据美国麦卡蒂教授的推算，每去除1kgCOD在理想状态下可产甲烷350L，折合含甲烷60%的沼气583L。每去除1kgBOD产生的沼气稍高，约为1m3左右。 一立方沼气等于0.714公斤标煤；日产1000立方沼气能节约714公斤标准煤.。一立方沼气产热值20514KJ。标准煤热值29306KJ。 20514/29306=0714 追问 可是培训时，老师说一立方沼气要等于3公斤标煤，因为沼气的利用热效率比煤高多了，沼气可达90%以上，而煤低多了。这样的算对吗？ 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 回答 能源的种类很多，所含的热量也各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国把每公斤含热7000大卡（29306千焦）的定为标准煤,也称标煤。另外，我国还经常将各种能源折合成标准煤的吨数来表示，如1吨秸秆的能量相当于0.5吨标准煤，1立方米沼气的能量相当于0.7公斤标准煤。
沼气发酵工艺介绍
1.2.2 厌氧处理工艺选择 1、各类厌氧工艺性能概述 （1）完全混合厌氧工艺（CSTR） CSTR是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵期内的发酵液混合，使发酵池底浓度始终保持相对较低的状态。而其排除的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器具有完全混合的状态，其水力停留时间、污泥停留时间、微生物停留时间完全相等，即HRT=SRT=MRT。为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10-15d或更长的时间，进料浓度8%-12%。中温发酵时负荷为3-4kgCOD（m3.d），高温发酵为5-6 kgCOD（m3.d）。 CSTR的优点：1.可以进入高悬浮固体含量的原料；2.消化器内物料的均匀分布，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；3. 消化器内温度分布均匀；4.进入消化器的抑制物质，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.由于消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；2.要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；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。 （2）厌氧接触工艺反应器 厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。其不足之处在于，厌氧污泥经沉淀池再回流，温度变化较大，影响了厌氧处理效率的提高，同时，厌氧罐内的热能损失也较大。但因受水泵性能的限制，该装置进料的干物质浓度（TS%）为4-6%，故需配兑2.5-3倍于发酵原料重量的配料污水；还需多级“预处理”以去除堵察水泵和管道的秸草等较大固形物。 （3）厌氧滤器（AF） 厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。 （4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，
农业废弃物厌氧发酵制取沼气技术的研究进展
农业废弃物厌氧发酵制取沼气技术的研究进展 摘要：为了研究中国农业废弃物制取沼气的研究及利用现状，笔者结合自身及前人的研究成果，通过描述中国农业废弃物的利用现状及厌氧发酵制取沼气技术的机理，产甲烷菌的基本研究以及3种常见农业废弃物厌氧发酵产沼气的研究结果，概括了利用厌氧发酵处理农业废弃物的必要性及技术上的可行性。但同时发现，很多研究成果没有在中国农业废弃物的利用上得到充分利用，本研究的成果在今后对农业废弃物进行合理有效的利用及处理上有很大的参考作用。 0引言 中国每年产生的农业废弃物，仅农作物秸秆的量就约为7亿t，大中城市郊区的集约化养殖场产生的畜禽粪便因超过农田环境自身消纳的能力，也对城市郊区环境造成了较大的污染。本研究通过倡导利用厌氧发酵生沼气技术处理农业废弃物，能有效保护农村及城市郊区的环境，同时能改善当前中国能源利用领域过分依赖煤炭，污染严重，能源利用率低等不合理现象，对解决中国经济发展的瓶颈有重要意义。 当前农业废弃物的利用技术有很多，主要包括：能源化、肥料化、饲料化和材料化技术，而能源化是当前研究的重点，如将玉米秸秆通过等离子体热裂解液化制取生物油，厌氧微生物利用麦麸产氢以及利用甜高粱茎秆汁液发酵制取生物酒精等。与其他农业废弃物能源化的技术相比，厌氧发酵生产沼气技术目前比较成熟，可以实现产业化。如北方“四位一体”沼气生态模式和南方的“猪、沼、果”生态模式等。 与此同时，大量的利用农业废弃物发酵产沼气的基础研究也在进行，如碱预处理对稻草发酵产沼气的效果，同时刘荣厚等还发现蔬菜废弃物用厌氧发酵工艺处理制取沼气是可行的。沼液及沼渣作为沼气发酵的一种副产物，也有很大的作用，50%浓度的沼液能提高草莓的果实品质，添加煤油和洗衣粉的沼液混合物是一种防治菜青虫的良好杀虫剂。 本研究针对农业废弃物制取沼气技术在处理废弃物的实际应用上的不足，与其比较成熟的研究现状脱节的问题，通过全面地概括论证利用厌氧发酵处理农业废弃物的必要性及技术上的可行性，倡导积极发展厌氧发酵制取沼气技术，并在实际中大量应用该技术处理中国的农业废弃物，相信在厌氧发酵制取沼气技术的广发推广上能起到非常积极的作用。 1厌氧发酵制取沼气技术的机理 目前为止，对厌氧发酵制取沼气技术机理的研究比较成熟。沼气发酵的过程，实际上是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中微生物获得能量和物质，以满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷和二氧化碳。 其基本过程通常可分为液化、产酸、产甲烷3个阶段，前2个阶段合称为不产甲烷阶段，不过目前比较权威的是把沼气发酵理论分为2阶段厌氧发酵理论和3阶段厌氧发酵理论。 2阶段理论主要针对一些可溶性的复杂有机物，第1阶段是在产酸菌的作用下，有机物被分解为低分子的中间产物如有机酸如乙酸、丁酸等及氢气、二氧化碳等气体；第2阶段是产甲烷菌将第1阶段产生的中间产物继续分解为甲烷和二氧化碳。3阶段理论主要针对不溶性的复杂有机物，相对2阶段理论，主要是多了1个水解和发酵的阶段，在这一阶段，复杂有机物在微生物（发酵菌）作用下进行水解和发酵：多糖先水解为单糖，再通过酵解途径进一步发酵成乙醇和脂肪酸等；蛋白质则先水解为氨基酸，再经脱氨基作用产生脂肪酸和氨；脂类转化为脂肪酸和甘油，再转化为脂肪酸和醇类。 也有研究将产甲烷的3阶段理论中的第1阶段拆分为2步，认为沼气发酵应具体分为4个步骤，分别是：聚合物的水解、水解产生的单体发酵生成挥发性脂肪酸酸和乙醇等、中间产物转换为乙酸和氢气、甲烷的形成。 2产甲烷菌的研究 2.1产甲烷菌的种类与基本性质 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的古细菌，它们生长在严格厌氧的环境中，不能利用复杂的有机物作为能量来源，只能利用氢气、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲基胺、乙酸等简单物质合成甲烷进行能量代谢，是厌氧发酵过程的最后一个成员。
厌氧发酵原理及其工艺
1.4 实验研究目的，技术路线 我国目前的农作物发酵制沼气技术与发达国家相比,起步较晚,大型项目的运行经验相对较少。由于我国幅员辽阔,不同地域的农作物资源种类不同,其物理和化学性质也有较大的差别,加之我国不同地区年平均气温差别较大,使我国农作物厌氧发酵制备沼气的大型项目难有统一的设计参数标准。对于不同的大型沼气项目,必须结合项目实际的农作物种类和物性、气候条件、供热条件、沼液和沼渔的消纳和后续处理工艺、农作物的价格和最大运输半径、原料的储存和供料方式、发电机组的选型等因素进行综合考虑,才能使项目实施后获得最佳的经济和社会效益。 根据我国农作物制备沼气技术的应用现状,结合本文研究的农作物制备沼气项目实际案例,本文的研究目的为:;研究发酵原料的物理化学性质和产气率,提出合理估算农作物（主要是黄瓜藤）和粒径的方法,为项目实例提供工艺选择、系统设计和经济性计算提供可靠依据。 为了实现上述目的,本文研究内容主要集中如下几个方面: （1）研究农作物破碎预处理的特点,为合理计算破碎预处理能耗提供计算方法。 （2）研究了黄瓜藤的鲜活度对发酵产气量和产气速率等因素的影响。 （3）不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响；为了厌氧发酵反应的持续反应，同时还研究不同投配率对于pH值的影响。 1.5 论文章节安排 本论文共包括六章内容。 第一章介绍课题的研究背景，国内能源消费和可再生能源利用现状，以及课题的主要研究内容和意义。 第二章厌氧发酵反应制备沼气的基本原理和影响参数。
第三章阐述农作物的破碎原理，从中说明粒度与能耗间的关系，并且从能耗的角度分析不同粒度的颗粒的耗能情况。 第四章针对需要采用实验方法对各个因素进行研究，确定实验的数据测量的方法以及实验进行过程中需要的注意事项，防止实验失败。 第五章实验采用定制CSTR厌氧反应器对黄瓜藤在中温条件下进行厌氧消化反应实验，研究系统的稳定性能和产气性能。 第六章作出对课题的总结和展望，总结本课题的研究成果，并提出不足之处和以后还需进一步研究的方向。
沼气产量计算及热值换算方法大全
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实用：沼气产量计算及热值换算方法大全 沼气产量计算 1、理论计算公式 沼气产量＝废水浓度（kgCOD/m3）×设备去除率（%）×废水日排放量（m3/d）×产沼气率 其中，产沼气率为0.7 m3/kgCOD（理论值） 2、其他沼气产量计算方式 按养殖规模计算 一般估算：5头猪、1头牛、150只鸡的粪便可产1m3沼气。 按照池容计算 一般估算：6m3、8m3、10m3的沼气池容积可分别产1.2m3、1.6m3、2m3沼气。 按照池中的干物质计算 如每公斤猪粪(干物质)产气量为0.43m3/kg。 按照去除的污染物计算 如每去除1公斤COD可产生约0.35m3沼气。
沼气池需进调配成干物质含量（TS）为8%的粪污水料液，根据日粪污干物质产量和水力滞留期（20天），需要沼气池有效容积为800m3。计算公式如下： 沼气池有效容积 =（×水力滞留期）/发酵料液浓度 =（X×20d）/8% =800m3 则粪污干物质量（X）为3.2t/d，粪便中干物质在厌氧反应阶段被降解50%，经固液分离后进入沼液约20%，转化为沼渣的干物质为总量的30%，新鲜沼渣含水率为65%，则： （3.2t/d×30%)÷（1-65%）=2.74t/d （3.2t/d÷8%）-3.2t/d×50%-2.74t/d=35.66t/d 部分沼液回流去调节池调节粪水料液浓度，可减少清水用量并提高粪水料液中产沼气细菌的含量，沼液回流量按20t/d计。因此，
沼气与热值为4000K燃煤的换算公式为： 燃煤量＝沼气产量×沼气含甲烷率×甲烷热值÷4000K 根据美国麦卡蒂教授的推算：每去除1千克COD，在理想状态下可产甲烷0.35m3，折合含甲烷60%的沼气为0.583m3；每去除1千克BOD产生的沼气稍高，约为1m3左右。 标准煤热值为29306KJ 20514/29306=0.714 （1m3沼气等于0.714kg标准煤） 天然气：8500-9250kcal/m3 液化石油气：23000-24000kcal/kg 电：860kcal/kwh 煤油：10250kcal/kg 柴油：11000kcal/kg
沼气厌氧发酵
沼气厌氧发酵 中国知识资源总库——CNKI 系列数据库输出格式:简单详细引文格式自定义查新RefWorks 自定义:题名作者中文关键词单位中文摘要基金刊名ISSN年期第一责任人 处理结果: 1题名The Relationship Among pH,VFA and Biogas Production in Anaerobic Fermentation of Mixed Manure and Straw with Different Ratios 作者张彤;李伟;李文静;李轶冰;杨改河; 刊名农业环境科学学报 单位西北农林科技大学林学院;陕西省循环农业工程技术研究中心;西北农林科技大学农学院; 中文摘要为探索发酵原料产气量与pH值、挥发性脂肪酸之间的关系,确定最佳原料配比以及发酵温度是关键。通过试验在恒温条件下以不同配比的鸡粪、麦秆混合物为原料,在25～40℃范围内进行厌氧发酵,研究pH值和挥发性脂肪酸对沼气产量的影响。结果显示,在约50d的发酵过程中,以40℃、鸡粪和麦秸3∶1处理的(简称鸡麦3∶1)累积产气量最高,达11492mL,25℃、鸡麦3∶1处理的累积产气量最低,为6227mL。在25、30℃发酵条件下,随着麦秆比例的增加,产气量逐渐增加;在35、40℃发酵条件下,随着麦秆比例的减少,产气量逐渐增加。pH值与日产气量成正比,而挥发性脂肪酸与日产气量成反比。 2题名Study on Characteristics of Anaerobic Fermentation with Wheat Straw and Sweet Potato Vine 作者石勇;邱凌;邵艳秋;罗涛;任虎林; 刊名西北农业学报 单位西北农林科技大学机械与电子工程学院;农业部沼气西北分中心;西北农林科技大学农学院;西北农林科技大学资源与环境学院; 中文摘要在(30±1)℃恒温条件下,按C/N=20∶1,C/N=25∶1,C/N=30∶1的3个不同水平将小麦秸秆和红薯藤叶分别配置成2 000 mL发酵液,其总固体含量TS为8%。对3个不同水平C/N的发酵液进行厌氧发酵试验,测定厌氧发酵过程中的日产气量,pH、CH4和CO2体积分数等动态指标的变化,探究2种物料在不同C/N水平下的发酵特性。结果表明在TS为8%的条件下,C/N为25∶1水平时产气效果最佳,产气量和CH4体积分数都具有明显优势。 3题名Research on the essence and the mechanism of method about fermented soybean in Qi-Min-Yao-Shu (Important Arts for the People,s Welfare) 作者陈苍林 刊名中国酿造 单位漳州市酱油厂福建漳州363000
厌氧发酵过程三阶段理论
厌氧发酵过程三阶段理论： 一、有机物水解和发酵细菌作用下，使碳水化合物、蛋白质与脂肪转化为单糖氨 基酸、脂肪酸、甘油、CO2、H等 二、把第一阶段产物转化为H、CO2和CH3COOH 三、通过两组生理物质上不同产CH4菌作用，将H和CO2转化为CH4，对CH3脱 羧产生CH4。 厌氧消化原理：有机物厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段。而对于不溶性有机物（有机垃圾），一般可认为在上述两个阶段之前多一个“水解 阶段”，水解阶段起作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌和蛋白质水解菌；在水解酶作用下，转化产生单糖、酞和氨基酸、脂肪酸和甘油。产酸阶段起作用细菌是发酵性细菌，产氢产乙酸和耗氢产乙酸菌在胞内酶作用下，转化产生挥发性脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳；产甲烷阶段是产甲烷菌利用H2、CO2、乙酸、甲醇等化合物为基质，将其转化成甲烷，其中H2、CO2和乙酸是主要基质。 名词： VFA: Volatile acid 挥发酸
COD: Chemical oxygen demand 化学需氧量 BOD: Biochemical oxygen demand 生物需氧量 TOD: Total oxygen demand 总需氧量 TOC: Table of content 总有机碳 TS: Total solid 总固体 SS: Suspend solid 悬浮固体 VS: Volatile solid 挥发固体 HRT: 水利滞留时间=消化器有效容积/每天进料量 SRT: 污泥停留时间：单位生物量在处理系统中的平均停留时间 SVT: 污泥体积系数：单位体积水样在静置30min后，污泥体积数 MRT: 微生物滞留时间 PFR:塞流式反应器（Plug flow reactor）高浓度悬浮固体发酵原料一段进入，从另一段排除。 USR:生流式固体反应器（Upflow solid reactor）原料从底部进入消化器，上清从消化器上部溢出 UASB:生流式厌氧污泥床（Upflow anaerobic sludge bed）自下而上流动污水通过膨胀的颗粒状污泥床消化分解，消化器分为污泥床、污泥层和三相分离器。 UBF：污泥床过滤器。将UASB和厌氧过滤器结合为一体的厌氧消化器，下部为污泥床，上部设置纤维填料。 EGSB:膨胀颗粒污泥床（Expanded granular sludge bed）与UASB反应器有相似之处，可分为进水配水系统、反应区、三相分离区和出水渠系统，EGSB没有专门的出水回流系统。 ABR:厌氧折板反应器（Anaerobic baffled reactor） SBR:间歇曝气方式运行活性污泥水处理技术，又称序批式活性污泥发（Sequencing batch reactor actirated sludge process） USSB:(Upflow staged sludge bed)
厌氧计算(比较实用)
1、沼气的净化、贮存、输送 浮式气柜就是一种恒压变容贮柜，压力波动，但不大。“后面要不要压缩机？”我们认为，主要看前面的厌氧反应器和后面的使用方法。我们在向别人介绍厌氧反应器时，一般都这样要介绍，“我们的反应器的优点之一：可以提供2000（或其它的数据）毫米水柱的压力，可满足净化、贮存、中距离输送、大多数燃烧器、等阻力的要求，不必须专门的压缩机。”我们不知你的（或你用的）反应器有没有这个优点，也不知道后面你们打算怎么用。所以，不知道要不要压缩机，如果你进一步提供信息，我们可进一步讨论。 厌氧反应器系统的设计必须预先考虑沼气的处理或利用的问题。 是不是要脱硫，能不能不要水气分离器，气柜体积和压力多少。 贮气柜选用螺旋升降式比较安全，运行效果较好，贮气柜及沼气输送系统都要考虑动火安全维修措施。 废水中的COD在厌氧微生物的作用下，生成气体从水中逸出、生成固体（微生物体）沉下来、生成不是污染的水等，好氧也是如此，物理化学法也是如此。厌氧的特点之一，COD用于生成微生物量的比例很低，用于生成沼气的比例很高，在进行沼气产量计算时，假设全部生成沼气误差不大。厌氧系统没有添加任何“氧化剂”，根据前面的假定，从水中去除的COD，必然全部进入气体（沼气）中。340L甲烷相当于1kg的COD。所以，从水中每去除1kgCOD可以产生340L
甲烷。这样，我们能根据去除的COD量计算出来甲烷的产量了。沼气是由于CHONSP发生自身氧化还原反应的产物，例如C元素，一部分被氧化了就生成二氧化碳，另一部分被还原了生成甲烷，N、S 元素也是如此。一般假定H、O不参与氧化还原过程（除非有大量的氢气等生成）。沼气中的主要组分就是二氧化碳和甲烷，二者之间的比例和CHO的三元素比例关系而定，Bussel有个方程式，可以计算出来。例如，碳水化合物中H、O比例为2：1，碳的化合价为0，所以，二氧化碳和甲烷的比例为1：1。去除COD产生的甲烷量恒定，而甲烷与二氧化碳的比例是变化的，所以，沼气的产量也是变化的。如果，是1：1，沼气产量就是680L/1kgCOD去除。注意，二氧化碳比甲烷容易溶于水，所以，沼气中的二氧化碳比计算值要少。 2、沼气的价值-燃烧 在厌氧反应器中每去除1kgCOD能产生340L甲烷气体，如果沼气中二氧化碳和甲烷的比例是1：1，沼气产量为680L。 如果某种废水流量5000立方米/日，浓度为10000毫克COD/升，在厌氧反应器中的去除率为90%，那么，该系统的甲烷产量为 15300立方米甲烷/日，大约30600立方米沼气/日。1立方米废水产生3立方米甲烷，6立方米沼气。 甲烷的低值热值为35.9MJ/Nm3，如果假定沼气中甲烷含量为50%。 主要能源的热值比较如下： 1、标准煤的热值为7000kcal/kg，1立方米沼气相当于0.66kg标 煤。例子中30000立方米沼气/日，相当于20000kg(即20吨)标准
农村家用 沼气池设计 计算书
姓名： 班级： 学号： 计
目录 课程设计目的----------------------------------------------2 南充城市垃圾分析----------------------------------------2 设计参数及条件---------------------------------------------3 工艺流程设计----------------------------------------------5 沼气池池体设计-----------------------------------------------7 1.发酵间的容积---------------------------------7 2.发酵间各部分尺寸的确定------------------8 3.进料口（管）的设计---------------11 4.水压间（管）的设计----------------12 沼气池相关图片-----------------------------------------13
一、课程设计目的： 通过课程设计进一步消化和巩固本门课程所学的内容，并使所学的知识系统化，培养运用所学理论进行沼气池设计的初步能力。通过设计，了解工程设计的内容，方法及步骤，培养确定厌氧系统得设计方案，进行设计计算，绘制工程图，使用技术资料，编写设计说明书的能力。 二、南充城市垃圾分析： 1、可回收垃圾主要包括废纸、塑料、玻璃、金属和布料五大类。废纸：主要包括报纸、期刊、图书、各种包装纸、办公用纸、广告纸、纸盒等等，但是要注意纸巾和厕所纸由于水溶性太强不可回收。塑料：主要包括各种塑料袋、塑料包装物、一次性塑料餐盒和餐具、牙刷、杯子、矿泉水瓶等。玻璃：主要包括各种玻璃瓶、碎玻璃片、镜子、灯泡、暖瓶等。金属物：主要包括易拉罐、罐头盒、牙膏皮等。布料：主要包括废弃衣服、桌布、洗脸巾、书包、鞋等。通过综合处理回收利用，可以减少污染，节省资源。如每回收1吨废纸可造好纸850公斤，节省木材300公斤，比等量生产减少污染74％；每回收1吨塑料饮料瓶可获得0．7吨二级原料；每回收1吨废钢铁可炼好钢0．9吨，比用矿石冶炼节约成本47％，减少空气污染75％，减少97％的水污染和固体废物。 2、厨余垃圾包括剩菜剩饭、骨头、菜根菜叶等食品类废物，经生物技术就地处理堆肥，每吨可生产0．3吨有机肥料。