厭氧發(fā)酵原理與工藝設計

1、實驗研究目的，技術路線我國目前的農(nóng)作物發(fā)酵制沼氣技術與發(fā)達國家相比，起步較晚，大型項目的 運行經(jīng)驗相對較少。由于我國幅員遼闊，不同地域的農(nóng)作物資源種類不同，其物理 和化學性質也有較大的差別，加之我國不同地區(qū)年平均氣溫差別較大，使我國農(nóng)作 物厭氧發(fā)酵制備沼氣的大型項目難有統(tǒng)一的設計參數(shù)標準。對于不同的大型沼 氣項目，必須結合項目實際的農(nóng)作物種類和物性、氣候條件、供熱條件、沼液和 沼漁的消納和后續(xù)處理工藝、農(nóng)作物的價格和最大運輸半徑、原料的儲存和供 料方式、發(fā)電機組的選型等因素進行綜合考慮，才能使項目實施后獲得最佳的經(jīng) 濟和社會效益。根據(jù)我國農(nóng)作物制備沼氣技術的應用現(xiàn)狀，結合本文研究的農(nóng)作物制備沼

2、 氣項目實際案例，本文的研究目的為：;研究發(fā)酵原料的物理化學性質和產(chǎn)氣率，提 出合理估算農(nóng)作物(主要是黃瓜藤)和粒徑的方法 ，為項目實例提供工藝選擇、 系統(tǒng)設計和經(jīng)濟性計算提供可靠依據(jù)。為了實現(xiàn)上述目的，本文研究內容主要集中如下幾個方面：(1)研究農(nóng)作物破碎預處理的特點，為合理計算破碎預處理能耗提供計算 方法。(2)研究了黃瓜藤的鮮活度對發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響。(3)不同投配率對發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響；為了厭氧發(fā)酵反應的持續(xù)反應，同時還研究不同投配率對于 pH值的影響。論文章節(jié)安排本論文共包括六章內容。第一章介紹課題的研究背景，國內能源消費和可再生能源利用現(xiàn)狀，以及課題的主

3、要研究內容和意義。第二章厭氧發(fā)酵反應制備沼氣的基本原理和影響參數(shù)。第三章闡述農(nóng)作物的破碎原理，從中說明粒度與能耗間的關系，并且從能耗的角度分析不同粒度的顆粒的耗能情況。第四章針對需要采用實驗方法對各個因素進行研究，確定實驗的數(shù)據(jù)測量的方法以及實驗進行過程中需要的注意事項，防止實驗失敗。第五章實驗采用定制CSTR厭氧反應器對黃瓜藤在中溫條件下進行厭氧消 化反應實驗，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和產(chǎn)氣性能。第六章作出對課題的總結和展望，總結本課題的研究成果，并提出不足之 處和以后還需進一步研究的方向。第二章厭氧發(fā)醉原理及其工藝農(nóng)作物作為發(fā)酵原料，用來制備沼氣是生物質厭氧發(fā)酵的一種。如本文第一章所述，生物質發(fā)

4、酵根據(jù)發(fā)酵過程中是否存在氧氣，可分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā) 酵。好氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是有機肥，厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品可以是有機肥或沼氣。如果 生物質厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是沼氣，則稱為生物質發(fā)酵制備沼氣。2.1有機物厭氧降解基本過程厭氧處理過程是由多種微生物共同作用完成的，微生物將有機大分子化合物通過轉化成了 CH4、C02、H2O、H2s和氨等物質。在厭氧發(fā)酵過程中，微生物相互間影響、相互間約束，微生物之間共同組成一個生態(tài)系統(tǒng)。從上世紀 70年代中起，研究者們就對厭氧消化技術進行了廣泛的研冗并取得了很多成果。厭 氧生物降解基本過程如圖2-1所示18。施防醵.酷典.內Eftr 丁嘲、乙不* .乳.稗專產(chǎn)國中乙班 廣

5、帆產(chǎn)乙上”眠.-挈.化始1.發(fā)酵菌；2.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌；3.同型產(chǎn)乙酸細菌;4.利用H2和CO2甲烷細菌；5.分解乙酸的產(chǎn)甲烷細菌圖2-1大分子有機物的厭氧降解過程一、水解階段水解階段是非溶性的大分子化合物被轉化為簡單的小分子化合物或單體的過程。大分子有機化合物相對分子質量都比較大，不能被微生物直接吸收利用 這些大分子的有機化合物首先在被轉化為小分子化合物，這些小分子化合物就很 容易被微生物利用。通常水解反應過程可用下式表示。R-X + H 2O R-OH + X -+H +式中:R-有機物分子的碳鏈主體X-分子中的極性基團二、發(fā)酵階段在發(fā)酵過程中，發(fā)酵微生物首先將小分子化合物轉化為簡單的物質

6、，分泌 到細胞外。因此，這一過程也稱為酸化階段。這一階段的最終產(chǎn)物主要有揮發(fā) 性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧氣、氨、硫化氫等氣體物質。同時 ，厭氧發(fā)酵 過程中，微生物也會合成新細胞進行自身的增殖，所以系統(tǒng)會產(chǎn)生剩余污泥。一 般的底物在進行酸化反應時，部分氨基酸的分解是通過所謂的史提克蘭德反應進 行的，該反應需要兩種氨基酸的參與，或者說它需要和其他分子同時進行反應，其 中一個氨基酸分子進行氧化脫氮，同時產(chǎn)生H+使另外一種氨基酸的兩個分子還 原，兩個過程都有脫氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解為例來說明它們就需 要這種偶聯(lián)反應。CH3CHNH2C00H+2H 20CH3COOH+CO 2+NH3

7、+4H +2CH2NH2COOH+4H +2CH3COOH+2NH 4即為：CH3CHNH2COOH+2CH 2NH2COOH+2H 2O 3CH3COOH+3NH 4+CO2這里內氨酸作為電子的供體，甘氨酸作為電子的受體。而丙氨酸和甘氨酸都 是有機物，卻一個作為電子供體，另一個作為電子受體。這一特點說明，酸化反應 過程是一個不穩(wěn)定并且沒有進行到底的過程。三、產(chǎn)乙酸階段發(fā)酵階段的最終產(chǎn)物在產(chǎn)乙酸菌的作用下被進一步轉化為CH3COOH、H2、碳酸和新的細胞物質。這些微生物能把各種 VFA降解為乙酸和氫氣。其反 應如下16:CH3CH2OH+H 2。一CH 3COOH+2H 2CH3CH2COOH

8、+2H 20CH3COOH+3H 2+C02CH3CH2COOH+2H 2O2CH 3COOH+2H 2四、產(chǎn)甲烷階段在這一階段過程中，產(chǎn)甲烷微生物將CH3COOH、H2、碳酸、甲酸和甲醇 等轉化為甲烷、二氧化碳和新的細胞物質。有些細菌能夠直接利用乙酸產(chǎn)生甲 烷，在一般的厭氧反應器中，由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷和由氫氣分解產(chǎn)生的甲烷的比 例為7:3。禾I用乙酸:CH3COOH4CH4+CO2禾I用 H2 和 C02 : H2+C02 CH4+H20上述4個階段還包含以下過程：(a)蛋白質、碳水化合物的和脂類發(fā)生變化是 在水解階段發(fā)生的；(b)氨基酸和糖類的氧化、高級脂肪酸和醇類的氧化發(fā)生在厭 氧發(fā)酵

9、階段；(C)產(chǎn)乙酸階段包含從中間產(chǎn)物中形成 CH3COOH和H2,由H2和 C02形成CH3COOH; (d)產(chǎn)甲烷階段包括由CH3COOH形成甲烷和從H2和C02 形成甲烷。厭氧發(fā)酵過程的特點厭氧生物處理技術的優(yōu)點(1)厭氧生物處理能夠減少環(huán)境污染。能夠大幅度降低廢水中的COD、BOD的含量，減少水體富營養(yǎng)化；厭氧消化可以殺滅病原菌、微生物蟲卵；減 少蚊繩的繁殖效率，避免了疾病的傳播。(2)厭氧生物處理產(chǎn)生的污泥量較少、剩余污泥脫水性能好、濃縮時可以不 使用脫水劑等優(yōu)點，因此，厭氧生物處理工藝受到廣泛應用。(3)厭氧處理工藝可產(chǎn)生無污染的能源沼氣作為燃料使用；沼氣燃燒后的產(chǎn)物 是水,因此對環(huán)

10、境無污染。(4)厭氧生物處理可以把難被微生物吸收的有機氮轉化成氨或確酸鹽，從而提高營養(yǎng)成分的利用率。(5)厭氧生物處理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。(6)高濃度的有機廢水也可以用厭氧生物技術來處理。且不需要大量水稀釋。(7)厭氧生物處理可以節(jié)省費用。厭氧生物處理技術的缺點(1)厭氧生物處理啟動周期較長。厭氧微生物的世代期長，微生物增長速率低污泥增長緩慢，一般厭氧啟動期需要幾個月甚至更長的時間。如果增加接種污泥 量來達到快速啟動，就會增加經(jīng)濟投入(2)管理較復雜。由于微生物種類、性質各不相同，對運行管理較為嚴格。(3)厭氧生物處理后的廢水不能達到排放標準。厭氧生物處理

11、對氮和等營養(yǎng)元素的去除率不高，厭氧消化只是把含氧和磷的有機物轉化為氧氮和磷酸鹽，微生 物合成新細胞用到的氮和磷也較少，因此，厭氧消化系統(tǒng)除水中氮和磷的含量一般 達不到排放標準。氮和磷等營養(yǎng)物質排入水體可引起湖泊發(fā)生富營養(yǎng)化，由于該法的利用存在局限性，當被處理的廢水對氮和 的含量要求較高時，就應當采用厭 氧和好氧相結合的處理工藝。(4)厭氧生物技術在處理廢水時可能會造成二次污染。由于廢水中硫酸鹽的 存在，在厭氧條件下硫酸鹽被氧化而放出 H2s等惡臭氣體。(5)厭氧微生物對有毒物質非常敏感，因此，要嚴格控制有毒物質進入?yún)捬跸?化系統(tǒng)中。厭氧微生物降解動力學原理微生物降解動力學是指目標化合物的微生物

12、降解速率。厭氧消化過程中的動力學主要有兩個方面的內容：即厭氧微生物生長動力學和有機物降解動力學。莫諾德(Monod)動力學方程可表示為：KmaxCXdC-dT KS C S式中，dC為基質利用速率mg/(L.d)； Kmax為最大比基質利用速率 dtgCOD/(gVSS-d) ; C為生長限制基質濃度(與生物體接觸的濃度，mg/L); X為生物濃度(mg/L); Ks為半飽和濃度(mg/L).溶解性基質的生物轉化速率可由莫諾德方程表示。則有U=rk莫諾德方程可表示為K : k _ max 一 KS ： S因為Umax =rKmax ,而U = rk,上式也可以寫作U D maxU 一KS ：

13、S式中,P為基質濃度；Kmax為最大比基質利用率：Umax為最大比細胞增長率：丸1一 ,、為基質殺合力常數(shù)或飽和常數(shù),它等于當U=1Kmax時的基質儂度。在厭氧處理的產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將COD轉化為CH4和細胞物質。假定產(chǎn)生的細胞物質占被轉化的 COD的產(chǎn)率為rn,則轉化為CH4的COD的產(chǎn)率為1-rn 。在酸化階段，基質被轉化為細胞物質和揮發(fā)性脂肪酸，假定細胞產(chǎn)率為rm,則轉化為VFA的分值為1-rm在穩(wěn)定的生物處理系統(tǒng)中，有機物質的氧化分解；新細胞的合成；老細胞的衰亡是同時進行的。將以上過程綜合起來，就得到下面方程:ddr-（-dS）-bx式中dX一微生物凈增長速率，mg微生物/ (L

14、d);dS一基質降解速率,mg基質/ (L d); dtY新細胞增長常數(shù)，即產(chǎn)率,mg微生物/ mg基質;b一細菌自身氧化分解率，也稱衰減系數(shù)，d-1 ;X一微生物濃度,mg微生物/ L;dXu =-dX將上式兩邊各除以X,得dS=Y d- -bXdX式中： H是微生物的比增長速度u;XdX3 是單位微生物在單位時間內降解基質的量;X厭氧處理微生物生態(tài)學在厭氧處理系統(tǒng)中，存在著種類繁多，關系復雜的微生物區(qū)系。這些微生物相互協(xié)同共同完成一個復雜的厭氧降解反應過程，總的來說，這些微生物大致可以 分為兩類：產(chǎn)甲烷菌、不產(chǎn)甲烷菌。不產(chǎn)甲烷菌不產(chǎn)甲烷菌（發(fā)酵細菌、產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸細菌和同型產(chǎn)乙酸菌）在厭氧消化

15、過 程中也起著非常重要的作用。一、發(fā)酵細菌發(fā)酵細菌是一個混合細菌群，主要由專性厭氧細菌組成。這類微生物能夠 在厭氧條件下將不溶性大分子有機物水解為可溶性小分子物質，并利用這些小分子物質生成各種酸、H2和C02。二、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌能夠將水解產(chǎn)物轉化為C02、02以及乙酸。水解酸化過程中的產(chǎn)物部分能夠直接被甲烷菌利用，部分不能被甲烷菌利用，這時產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸菌就在整個厭氧消化過程中發(fā)揮極為的重要。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌能將各種VFA降解成為乙酸并放出H2。三、同型產(chǎn)乙酸細菌同型產(chǎn)乙酸菌是混合營養(yǎng)性厭氧細菌，不僅能利用有機基質產(chǎn)生乙酸，也能利 用H2和C02產(chǎn)生乙酸。因為同型產(chǎn)乙酸細菌可以利用氫氣而降

16、低氫氣分壓 ，所 以對產(chǎn)氫氣的發(fā)酵性細菌有利，同時對利用乙酸的產(chǎn)甲燒菌也有利。產(chǎn)甲烷菌為了避免產(chǎn)甲烷菌與另一類氧化好氧細菌相混淆，1974年Bryant提出產(chǎn)甲烷菌這一名詞。產(chǎn)甲烷菌有多種形態(tài)，大致可分為桿狀、球狀、螺旋狀和八疊 狀等四類形態(tài)。螺旋狀產(chǎn)甲烷菌目前僅發(fā)現(xiàn)一種。由于產(chǎn)甲烷菌是生存于極端 厭氧的環(huán)境中和其對氧高度敏感的特性，使其成為難于研究的細菌之一。因此到 20世紀70年代分類學家才以菌體細胞的形態(tài)學特征，再輔以某些生理學形狀和 對各種基質的利用能力來進行分類。隨著電鏡的使用和現(xiàn)代生化技術的發(fā)展，逐步進入依據(jù)細胞學水平和分子水平的差異來進行分類。1956年，巴克將甲烷菌歸納成1個科

17、和4個屬，共8個種。1974年在伯捷氏細菌鑒定手冊的第八 版中，布賴恩特扔根據(jù)巴克的意見把產(chǎn)甲烷菌列為1個產(chǎn)甲烷菌科，下分為甲烷桿菌屬（5個種）、甲烷八疊球菌屬（2個種）和甲烷球菌屬（2個種），共9個種。到 1991年為止，共分離到產(chǎn)甲烷菌65個種。產(chǎn)甲烷菌是一個特殊的專門的生理群，具有特殊的細胞成分和產(chǎn)能代謝功能 是一群形態(tài)多樣，可代謝氫、二氧化碳及少數(shù)幾種簡單有機物生成甲烷的嚴格厭 氧的古細菌。不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間的相互關系在厭氧處理系統(tǒng)中，微生物的種類很多、關系也很復雜。甲烷的產(chǎn)生是各 種微生物相互平衡、協(xié)同作用的結果。不產(chǎn)甲烷菌依賴產(chǎn)甲烷菌，同時，產(chǎn)甲烷菌也依賴不產(chǎn)甲烷菌，它們之間

18、相互依存又相互制約，在厭氧生物處理系統(tǒng)中它們是 同時存在的。(1)不產(chǎn)甲烷細菌為產(chǎn)甲烷菌提供營養(yǎng)物質。發(fā)酵細菌可以把高分子的碳水 化合物、脂肪、蛋白質等進行發(fā)酵，生成H2、C02、氨、及各種酸等，為產(chǎn)甲烷細 菌提供碳源和氮源。(2)不產(chǎn)甲烷細菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位。消化液、進料時都會使氧氣 混入，這些氧會抑制產(chǎn)甲烷菌的生長。但是，兼性厭氧菌和兼性好氧菌能夠減少裝 置中的氧含量,0在厭氧裝置中的各種厭氧微生物對氧化還原電位的適應性是不 同的。如果這些微生物能夠正常的生長代謝，就會降低消化液中的氧化還原電位 使產(chǎn)甲烷菌能夠正常生長。(3)不產(chǎn)甲烷細菌能夠消除系統(tǒng)中的有毒物質。廢水中特別是工業(yè)廢

19、水中可 能會含有重金屬、酷、鼠等有毒物質，不產(chǎn)甲烷菌可以分解、吸收、轉化這些有毒物質，有的還能夠以氟化物作為碳源和能源，都能夠解除有毒物質對產(chǎn)甲烷菌的0(4)產(chǎn)甲烷細菌能夠把不產(chǎn)甲烷細菌的反饋抑制解除。不產(chǎn)甲烷菌的很多發(fā) 酵產(chǎn)物對自己本身是有抑制作用的。而產(chǎn)甲烷菌可以消耗掉這么產(chǎn)物將它們轉 化為C02和CH4,使不產(chǎn)甲烷細菌的代謝能夠正常進行。(5)不產(chǎn)甲烷細菌和產(chǎn)甲烷細菌共同維持系統(tǒng)中的適宜pH值。在厭氧消化初期，發(fā)酵微生物在降解有機物時會產(chǎn)生酸性物質，導致消化液中的pH值持續(xù)下 降。同時，氨化細菌可以分解蛋白質產(chǎn)生氨。氨可中和消化液中的部分酸性物質 對厭氧消化系統(tǒng)起到一定的緩沖作用。到了厭

20、氧發(fā)酵后期，產(chǎn)甲烷細菌可以將乙酸、氫和C02轉化為CH4,從而維持厭氧消化系統(tǒng)pH值的穩(wěn)定。原料預處理的研究進展農(nóng)作物發(fā)酵原料預處理的研究農(nóng)作物制備沼氣的工藝中，通過對發(fā)酵原料的預處理，可以增加發(fā)酵過程 中的生化反應表面積，提高產(chǎn)氣率和縮短產(chǎn)氣時間，從而提高發(fā)酵反應器的容積利 用率。對于發(fā)酵原料的預處理，通常通過物理化學和生物等方式，提高木質素和纖 維素的降解程度，使纖維素、半纖維素和木質素分解，增加酶和纖維素的反應接觸 面積,從而提高酶解的效率，以加快厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率。這方面的研究主要包括楊立19等人用NaOH對稻桿進行預處理，研究不同濃度的NaOH、NaOH水溶液加熱預處理時間和水浴溫度對

21、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響。實驗結果表明,NaOH濃度為6%時最佳，產(chǎn)量比為處理的對照組提高了 110%,水溶液加熱時 問3h最佳，產(chǎn)氣量比對照組提高了 107.9%,水浴加熱溫度10c最佳，產(chǎn)氣量比對 照組提高115.8%。覃國棟20等對水稻稻稈進行酸預處理，研究其對沼氣發(fā)酵的影響。實驗 所需的水稻稻桿被切成 2cm3cm 左右，分別采用不同濃度的酸（2%、4%、6%、 8%、10%）對水稻稻稈進行處理，預處理后的稻稈放入1L的發(fā)酵裝置中，并在20 c 的恒溫包濕箱中，用活性污泥接種進行發(fā)酵。發(fā)酵裝置中料液總質量為800g,發(fā)酵料液初始濃度為6%,接種物濃度為30% o實驗結果表明，酸預處理可顯著

22、改善 水稻稻稈產(chǎn)沼氣的量，提高產(chǎn)氣率。楚莉莉21等用沼液對小麥稻稈進行預處理，研究對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的 影響,實驗在25 1 C條件下進行。相對于未處理的小麥稻稈，預處理后小麥稻稈 的碳氮比下降2030:1 ,且產(chǎn)氣速率顯著增加，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間提前，甲烷的平 均含量為64%71%,VS的去除率為17.1%25.7%。其中，預處理時間6d時的 產(chǎn)氣效果最好,VS產(chǎn)氣量比對照組的產(chǎn)氣量提高了 69.5%。Kouichi Izuini 22等研究食品廢棄物不同粒徑對厭氧發(fā)酵的影響。實驗結 果表明，相比于用普通破碎機進行的破碎，用玻珠研磨機在lOOOrpni速度下進行的破碎，可使沼氣產(chǎn)量增加28%。

23、若食物廢棄物的粒徑過小，將導致?lián)]發(fā)性脂肪 酸的積累，沼氣的產(chǎn)量和粒徑的增溶性也會相應降低。S.Menardo 23等研究小麥，大麥，水稻和玉米四種秸稈，改變其粒徑和經(jīng)過 熱處理后對沼氣產(chǎn)量的影響。實驗在 40 C溫度下,四種農(nóng)作物秸稈的粒徑分別 定為5cm、2cm、0.5cm、0.2cm ;熱處理溫度設為 90 c和120 C。實驗結果 表明，粒徑的改變可使沼氣產(chǎn)量增加 80%以上，對于小麥和大麥稻稈的沼氣產(chǎn)量 明顯高于預處理前，并隨著粒徑的降低而增加；稻桿和玉米桿的沼氣產(chǎn)量并沒有明 顯的高于預處理前。經(jīng)過熱處理后的玉米桿和稻桿的產(chǎn)氣量并沒明顯高于預處 理前。但對于小麥和大麥稻稈熱處理，其產(chǎn)氣

24、量明顯高于預處理前，產(chǎn)氣量增加大 約40%左右。對于小麥秸稈，不同的預處理方式都可得到更多的產(chǎn)氣量。李玉英24等用不同種類的稻稈進行發(fā)酵，并蹄選高效產(chǎn)酸復合菌系。實 驗以麥稈、玉米稈為碳源，牛糞為氮源，研究不同菌群經(jīng)多代馴化后，以不同種類 稻稈為碳源的產(chǎn)酸規(guī)律。實驗結果表明，以麥稈為發(fā)酵原料時，來自牛胃內容物的 菌群具有高效的產(chǎn)酸能力；以玉米稈為碳源時，來自腐殖土的菌群具有高效產(chǎn)酸 能力。邊義25等用不同菌種對玉米秸稈進行干式發(fā)酵實驗，分別采用綠稻靈、 酵素菌、石灰水、速腐劑在相同條件下對玉米稻稈進行預處理。實驗表明，經(jīng)過酵素菌預處理后的原料，產(chǎn)氣率為455.7ml/g,原料的纖維素降解效果最

25、好，降解率 為56.9%。在發(fā)酵產(chǎn)氣的旺盛期，采用四種預處理后發(fā)酵時的甲烷含量都很高 經(jīng)酵素菌處理的原料的甲燒含量最高，其次為綠稻靈、速腐劑、石灰水。方文杰26等采用厭氧消化后的消化液對稻草進行堆樞預處理，研究溫度、含水率、混合液懸浮固體及時間對沼氣產(chǎn)氣量的影響。實驗結果表明，堆樞預處理后稻草總產(chǎn)氣量比未處理提高了 3%49.5%。Bipro Ranjan Dhart 27等用超聲波和高溫對活性污泥進行預處理，分析預處 理后厭氧發(fā)酵的經(jīng)濟性。三種高溫預處理的溫度分別為5 C、70 C、90 C,三種超聲波預處理的比能輸入分別為 1000、5000、lOOOOkJ/kgTSS 。相比未預 處理的

26、厭氧發(fā)酵，預處理后的厭氧發(fā)酵能明顯的提高揮發(fā)分固體懸浮物的降解率，其增量為29%38%,并可得到30%的沼氣增量。Kim28來自韓國污水處理廠的活性污泥進行批量發(fā)酵，以研究不同預處理方 式對厭氧發(fā)酵過程的影響，包括熱預處理、化學預處理、超聲波預處理和熱化學 預處理。實驗表明，熱化學預處理對發(fā)酵產(chǎn)氣情況和污染物的降低均具有較好的 效果，在經(jīng)過熱化學預處理后，污泥的沼氣產(chǎn)氣量增加了 34% oAnthony Mshandete 29等研究粒徑對劍麻廢棄物厭氧發(fā)酵的影響，實驗在 33 C條件下，粒徑為2mm100mm。實驗表明，在劍麻粒徑為2mm的情況下，預 處理后劍麻纖維的降解程度要比未處理的增加

27、 31%70%。并且沼氣產(chǎn)量與粒徑的大小成反比，粒徑為2mm的劍麻，其產(chǎn)氣量增加了 23%,1kg揮發(fā)分固體產(chǎn) 甲燒量由未處理的0.18m 3增力口至I 0.22m 30從上述文獻中可以看出，生物質發(fā)酵原料的預處理主要是通過采用酸、堿 等化學處理劑進行預處理、加溫法預處理、微波法預處理、預發(fā)酵等不同的預 處理方法，加快發(fā)酵原料的產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量。在實際的發(fā)酵原料預處 理過程中，預處理成本是制約不同預處理方法實際應用的關鍵因素。發(fā)酵過程工藝參數(shù)的研究發(fā)酵過程工藝參數(shù)直接影響沼氣的質量、沼氣產(chǎn)量和容積沼氣產(chǎn)率。在 農(nóng)作物發(fā)酵制備沼氣的系統(tǒng)中，優(yōu)化發(fā)酵過程的工藝參數(shù)，是保證農(nóng)作物發(fā)酵制備 沼

28、氣系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟和高效運行的主要條件。國內外對于發(fā)酵過程工藝參數(shù) 研究的內容是十分廣泛的，現(xiàn)進行簡要介紹如下：王偉30等通過玉米稻稈與雞糞混合，在不同干物質濃度下進行實驗，實驗表 明,干物質濃度在15%時原料的分解利用率最高；在濃度為 8%30%中,干物質 濃度含量越高，沼氣產(chǎn)量隨干物質濃度的增加而增加，沼氣總產(chǎn)量也隨干物質濃度 的增加而增加；但甲燒含量卻隨發(fā)酵原料的干物質濃度的提高而減少。張望31等在稻草為發(fā)酵原料進行中溫干式厭氧發(fā)酵實驗，實驗濃度分別為 20%、30%、40%,實驗表明，相對于濃度20%而言,濃度為30%的干式發(fā)酵在反應前期經(jīng)歷了很長的酸化期，產(chǎn)氣量在后期才始升高。對于半

29、纖維素，隨著濃度的升高，半纖維素的降解呈下降趨勢。在不加任何預處理措施的情況下，濃度越高, 產(chǎn)氣效果越差，微生物生長活動嚴重受制，干物質濃度在20%時效果最好。孫麗麗32等在玉米稻桿和麥稻的中、高溫發(fā)酵實驗中得出，當溫度從30 C升高到35 C時，單位干物質產(chǎn)氣量提高幅度較大，溫度超過35 C時，玉米稻和 麥稻的單位產(chǎn)氣量增加幅度都不大。徐宵33等在稻稈干式厭氧發(fā)酵滲濾液回流的研究結果表明，在底物濃度低 于18%時,滲濾液回流對稻桿厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響不大。當?shù)孜餄舛忍岣叩?20%時,滲濾液回流可明顯的提高稻稈厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率，其中以產(chǎn)氣趨勢下降后 再回流的方式最好。同時，對秸稈發(fā)酵前后化合物

30、組成分析表明，回流可以提高纖 維素、半纖維素的降解率。David Bolzonella 34等用活性污泥在1.3m3的攪拌反應器中進行中試發(fā)酵 實驗，研究兩相處于不同溫度下的發(fā)酵規(guī)律。實驗結果表明，反應器的性能隨著溫 度的上升而提高。COD的去除率由兩相中溫的35%增加到兩相高溫的45%。E.Maranont 35等用牛糞與食品廢棄物、污泥進行聯(lián)合發(fā)酵，以研究發(fā)酵產(chǎn) 氣規(guī)律。實驗表明，當增加有機負載率并縮短水力停留時間時，將會降低產(chǎn)氣量。 當對給料混合物進行超聲波預處理后，產(chǎn)氣量會增加，但發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣總能量小 于超聲波預處理的能耗。Prasad Kaparaju 36用稻桿釜儲物作為發(fā)酵原料

31、進行厭氧發(fā)酵實驗。采用不同濃度的釜儲物進行批量發(fā)酵，以確定其產(chǎn)氣潛力。實驗表明，當物料濃度增加 到33%55%或有機負載率提高到41.2g-COD/L d時，產(chǎn)氣量降低或使整個發(fā)酵 實驗失敗。J.Fernandez 37對城市有機固體廢棄物進行厭氧發(fā)酵實驗，研究總固體濃 度對發(fā)酵過程的影響。實驗結果表明，反應器在總固體質量濃度為20%時，具有 更好的發(fā)酵性能。Hana Gannoun 38等用屠宰場廢水為發(fā)酵原料進行間歇式厭氧發(fā)酵，發(fā)酵 前對廢水進行靜態(tài)和動態(tài)的水解預處理。相比于靜態(tài)預處理 ，動態(tài)預處理可使懸 浮物增加80%的水解性，使其更有效地轉變?yōu)榭扇芪?。K.J.Chae 39等研究不同的

32、發(fā)酵溫度、溫度波動及給料負荷對豬糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量和甲烷濃度的影響，實驗所設的溫度范圍為25、30 C、35;發(fā) 酵原料的總固體質量濃度為5%、10%、20%和40%。實驗結果表明，相對于發(fā) 酵溫度為35 C的條件，在30C狀態(tài)下的產(chǎn)氣量降低了 3%,而在25C時的產(chǎn)氣 量減少了 25% oSamantha Cristina Pinho 40等在厭氧預批式生物膜反應器中，對部分可溶性廢水進行處理，研究了機械攪動對有機物降解率的影響從上述文獻查閱中可以看出，不同發(fā)酵原料的發(fā)酵工藝的參數(shù)變化范圍很 大，很難得到可以適用于任何發(fā)酵裝置的統(tǒng)一標準的工藝參數(shù)，對于不同的發(fā)酵原 料和系統(tǒng)，需要結合具體情況

33、進行具體的分析，進而對發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)進行優(yōu)化，從而最佳的經(jīng)濟效益和社會效益。影響微生物厭氧消化的主要因素溫度溫度對厭氧消化系統(tǒng)中微生物的影響是最大的，甚至系統(tǒng)溫度發(fā)生微小的改變都可能造成系統(tǒng)的癱疾。在厭氧反應器中，厭氧微生物通過生命代謝過程來產(chǎn) 生能量以維持自身的生長，同時也產(chǎn)生副產(chǎn)物甲烷厭氧發(fā)酵制備沼氣的過程中，微生物代謝活動與溫度有著密切的關系。細菌代謝活動在35 C38 C和50C65 C范圍內分別有一個高峰值。40 50 是產(chǎn)沼氣高溫菌種和中溫菌種 活動過渡的溫度區(qū)間范圍，它們在這個溫度范圍內都不太適應，因而產(chǎn)氣率可能會 下降。而隨著溫度的升高，微生物的代謝越發(fā)旺盛，沼氣的產(chǎn)量也就越多

34、，當溫度 增加到53 C55 C時,高溫菌種會變得活躍，產(chǎn)沼氣的速率當然最快；當溫度超過 65 C時,高溫菌則會被殺死，產(chǎn)沼氣的速率也會急劇的減少，直至停止產(chǎn)沼氣。厭氧微生物可分為低溫微生物、中溫微生物和高溫微生物，各類厭氧微生物 生長的溫度范圍見表 2-1。因此，厭氧處理工藝可以分為低溫厭氧處理工藝、中溫厭氧處理工藝和高溫厭氧處理工藝表2-1不同種類厭氧微生物的適宜溫度范圍類細菌種生長的溫度范圍/C最適溫度/C低溫菌10-3010-20中溫菌30-403538高溫菌50-6051-53一般來說，高溫區(qū)的微生物代謝速率要大于中溫區(qū)；而中溫區(qū)的代謝速率大于 低溫區(qū)。在大多數(shù)厭氧反應器中，溫度每增

35、加10 c速率就增加1倍。中溫發(fā)酵 (45C48 C),與常溫相比，具有降解速度快、產(chǎn)氣率高、產(chǎn)氣性質好等特點。中 溫發(fā)酵在大中型沼氣工程占有主導地位。高溫發(fā)酵降解快、產(chǎn)氣率高、環(huán)保效 果好，有利于無害化。與中溫發(fā)酵相比，高溫發(fā)酵在產(chǎn)氣量方面沒有明顯的優(yōu)勢 但發(fā)酵所需能耗較多。一般用于有余熱利用或需要殺滅有害細菌的廢物處理的 工程項目。酸堿度(pH值)環(huán)境pH值是通過影響酶的活性來影響微生物代謝的。環(huán)境 pH值的變化 可以引起微生物細胞膜上電荷的改變，從而影響微生物對營養(yǎng)物質的吸收。介質 的pH值不僅能影響微生物的生命活動，甚至能影響微生物的形態(tài)。pH值是氫離 子活度的負對數(shù)，微生物對pH值有

36、一個適應的范圍，并且對pH值的波動十分敏 感。微生物對pH值的適應范圍隨著微生物種類的不同而有所不同。產(chǎn)甲烷菌 的適宜范圍大致是6.67.5。氧化還原電位(ORL)體系中氧化劑和還原劑的相對強度稱之為氧化還原電位，通常用Eh表示,以伏特(V)或毫伏(mV)來計量。根據(jù)Nerast的方程式，溶液體系中的氧化還原電 位可(Eh)可以表示為0 2.3RT , 氧化型Eh Eloghnf 還原型式中,R為氣體常數(shù);T為熱力學溫度(K), T=273+t (C); n為離子價;f為電化 學當量;E0為標準電極電位；Eh為待測氧化還原電位；氧化型為氧化態(tài)離子濃 度;還原型為還原態(tài)離子濃度。好氧微生物、兼性

37、微生物和厭氧微生物都呈現(xiàn)出一種趨勢，那就是在其生長過程中會降低外界的氧化還原電位。這是因為好氧微生物和兼性微生物在 其生命代謝中都以氧為最終電子的受體，環(huán)境中的氧被微生物代謝消耗會導致使 環(huán)境中的氧化還原電位降低?；|的營養(yǎng)比例在厭氧反應器運行中，一般是控制進料的C/N的比例來滿足厭氧發(fā)酵微 生物的營養(yǎng)要求的。通常情況下，含有天然有機物的廢水會在處理時不需要加入 基質，但是在處理化工廢水時就要注意進水中碳、氮、磷的三者比例。不論是在好氧反應器中還是厭氧反應反應器中，氮與磷的比值都應當是5: 1。但碳與它們的比值則差異會很大。厭氧反應需要的碳比好氧反應需要的多?；|微生物比(COD/VSS)厭氧

38、生物處理系統(tǒng)中的 COD/VSS對厭氧消化系統(tǒng)的影響非常大，在實用 中常以有機負荷(C0D/VSS)表示其含量，單位為kg / ( kgd)。但通常情況是進料 有機負荷大，系統(tǒng)產(chǎn)氣量則大。厭氧消化過程中產(chǎn)酸階段比產(chǎn)甲烷階段的反應速 率要高得多，所以在選擇有機負荷時我們需要十分謹慎把握，避免揮發(fā)酸的積累。 有機負荷的絕對值在反應的開始階段不適合太高。抑制性物質或毒性物質與其他生物系統(tǒng)一樣，有毒物質的進入也會影響厭氧處理系統(tǒng)。由于微生物 對各種有毒物質具有一定的適應能力，因此，只有當有毒物質超過一定限度才會對 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，嚴重時甚至完全破壞厭氧過程。只有溶解成離子狀態(tài)的 重金屬才會對細菌

39、有毒害作用，如果重金屬離子可以與硫化物結合生成不溶物質 則對微生物無毒害作用。因此，重金屬即使?jié)舛群芨?，如同時存在著與其相應的硫 化物，抑制作用就不會產(chǎn)生。具體情況如表 2-2所示。表2-2列出了氨濃度對微生物的影響情況影響程度氨濃度(以N記)(mg/L )有益50200無不利情況2001000抑制作用15003000有毒高于3000農(nóng)作物粒度對發(fā)酵原料進行破碎處理，可以減小發(fā)酵原料的粒徑，增加發(fā)酵原料與厭氧 菌種的接觸面積，提高發(fā)酵過程的生化反應速度，從而縮短產(chǎn)氣時間和提高反應 器單位發(fā)酵容積的產(chǎn)氣率。另外，經(jīng)過破碎預處理，還可以破壞農(nóng)作物所含木質纖 維素的細胞壁，使其有利于降解，增加降解速

40、率，縮短產(chǎn)氣時間和提高反應器容 積產(chǎn)氣率。農(nóng)作物經(jīng)過破碎，還可以提高其堆積密度，便于農(nóng)作物的運輸和存儲。 因此，在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的工程實際中，對農(nóng)作物梢稈進行破碎處理是必不可少的預處理工序。其他因素除了對于加入物質、控制環(huán)境等因素外，其他因素也會對厭氧微生物的生 長產(chǎn)生影響。例如在反應過程中攪拌（甚至攪拌速度不同，影響也不同）、在 反應前對物質進行預處理等都會影響微生物的生長情況。在反應過程中攪拌可 以加快反應，預處理可以提高水解過程、產(chǎn)甲烷過程的穩(wěn)定性性。除了考慮共性問題，同時，還必須關注不同處理工藝中的特殊因素等其他影響第3章農(nóng)作物破碎原理、粒度與能耗分析為縮短發(fā)酵原料的產(chǎn)氣時間，

41、提高單位容積的產(chǎn)氣量，需要對發(fā)酵原料（蔬 菜類農(nóng)作物）進行預處理，如前面所述，在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的項目中，最 常用的預處理方式之一是進行破碎。本章首先介紹常見的破碎工藝，然后通過粒度表征方法和分形模型對破碎后的粒度分布進行表征 ，目的是為了確定粒度分布 的特征參數(shù)和粒度的分布情況，從而分析破碎不同粒徑所需要的能耗。農(nóng)作物破碎原理物料在受到外力作用時，總是沿著其最抗壓性最差處發(fā)生破裂。經(jīng)過破裂 后，物料的粒徑變小。不同的破碎方式有一個共同的特性，就是在不同形式的破碎 力的作用下，對物料進行破碎，從而達到減小物料粒徑，增大比表面積的目的，從而 使物料在厭氧發(fā)酵制備沼氣的過程中，可以加速物料的

42、生化反應。農(nóng)作物的破碎原理論述中我有查閱有關文獻，由于研究的是蔬菜類農(nóng)作物（黃瓜藤），結 構和秸稈類似，所以以秸稈來說明農(nóng)作物的破碎原理，農(nóng)作物秸稈的結構由木 質素、纖維素、半纖維素、果膠和蠟質等化合物組成。由于農(nóng)作物秸稈的木質 素很難通過微生物來進行降解，因而農(nóng)作物秸稈的原料的厭氧發(fā)酵，其降解率一般 取決于纖維素和半纖維素被木質素包裹的程度。當木質素完全包裹在纖維素和 半纖維素表面時，微生物難以接觸纖維素和半纖維素，使其降解速率十分緩慢。 秸稈表面的一層蠟質，也不易被厭氧微生物所分解。所以從中可以發(fā)現(xiàn)秸稈不經(jīng) 過預處理進行發(fā)酵，就會不能有效降解。因此，要求對木質素和蠟質進行破碎處理 使纖維素

43、與有機微生物的接觸表面積增大，加快原料的分解。秸稈的破碎過程破 壞了秸稈表面的蠟質層，同時增加原料與料液接觸面積。工程實用中對秸稈進行 破碎，主要是通過機械的方式對秸稈進行破碎，從而達到增加接觸表面積的目的。常見的破碎工藝常見的破碎工藝主要有：閉路破碎工藝、開路破碎工藝、半路破碎工藝17(1)閉路破碎工藝中，原料在破碎機內完成破碎。在破碎機下方安裝有蹄板 或蹄條，符合粒度要求的物料才能從篩板或蹄條中排出。該工藝一般由鄂式破碎 機和錘式破碎機組合而成，實現(xiàn)粗破碎與細破碎的組合破碎工藝，該工藝較適宜對 硬度較軟的物料進行破碎。(2)開路破碎工藝中，破碎機下方不安裝蹄板或蹄條，物料可以直接從破碎機

44、底部排出，破碎后的物料經(jīng)過篩分工序，才能滿足所需的粒度要求，該工藝中需加 蹄分設備。此工藝一般由鄂式破碎機、錘式破碎機、振動蹄組合而成，組合成粗破碎、細破碎和蹄分的破碎工藝。相對于閉路破碎工藝而言，開路生產(chǎn)的破碎工藝降低了破碎機的設計難度，且具有較高的產(chǎn)量；所需的功率也相對較低；對于原 料含水率要求，可略高于閉路破碎工藝。對于破碎密度小 ，質量輕的物料，易形成 無數(shù)小顆粒和大量粉塵。而且對小粒徑物料的再破碎難度很大，物料在蹄網(wǎng)上過多的返料，降低了破碎效率，增加了功率的消耗。(3)半開路破碎工藝中，是閉路、開路生產(chǎn)破碎工藝的優(yōu)化組合 ，在本破碎工 藝中，在排料區(qū)域設置一段蹄條，形成部分閉路生產(chǎn)的

45、效果。該工藝也是由鄂式破 碎機、錘式破碎機、振動蹄組合而成，形成粗破碎、細破碎和篩分的工藝組合。 半路破碎工藝不僅采用了開路工藝直接排料方式，又兼顧了閉路工藝蹄分排料的設置，具有路破碎工藝和閉路破碎工藝兩者的優(yōu)點，此種工藝實際應用最為廣泛。常見的農(nóng)作物破碎方式對于農(nóng)作物的破碎，由于其質地較軟，并對破碎后的粒度有一定的要求，因此常選擇閉路式破碎工藝，這樣既簡化了破碎工藝，又不會因為破碎而產(chǎn)生大量小顆 粒和灰塵。在選取破碎工藝的同時，也應考慮對農(nóng)作物的破碎方式。由于農(nóng)作物 具有粗度大、密度低、硬度小等特點，因此要選用適合農(nóng)作物秸稈特點的破碎方 式。對于秸稈的破碎，主要是借助機械力的作用，對秸稈進行剪切和磨碎，從而減 小秸稈的粒度。實際上，能夠實現(xiàn)剪切和磨碎的秸稈破碎方式有如下幾種41：(1)劈碎，利用尖齒楔入物料的勢力，使物料破碎，其特點是力的作用范圍較為 集中,可以發(fā)生局部破裂。(2)磨削，在兩個平面及不同形狀的研磨面中對物料進行磨削，剪切后被磨削成為很細的微粒。(3)沖擊,沖擊力是瞬間作用在物料上，同時沖擊力可以是動擠壓、動剪切、動拉伸、動彎曲等作用。沖擊力