秸秆沼气发酵工艺流程

沼气发酵工艺流程 从全社会能源消费与供给的发展趋势，随着工业化发展进程使得矿物质能源日趋枯竭，尽管这是未来将会发生的事，当然也是历史发展的必然结果，将会引起全社会的关注。世界各国都在寻求可再生的替代能源，虽然探矿开采不会立即结束，但是可再生能源的试生产也要立即开始，甚至早已经开始了。沼气工程作为即可处理废弃的有机物又可从中回收能源，这是采用现代化技术开发生物质能源利用的重要组成部分，也是沼气工程产业将会乘胜发展的必然。 我国的沼气产业已从单纯的能源利用发展成为废弃物处理和生物质多层次综合利用，并与养殖、种植业广泛结合，在农村生产和生活中发挥了重要作用 沼气发酵技术确切的应该称为厌氧发酵技术，是指从发酵原料到产出沼气的整个过程，所采用的技术和方法。沼气发酵技术主要 包括原料的预处理，接种物的选取和富集，发酵器（在厌氧发酵过程中的发酵器也称反应器，是沼气发酵罐、沼气池、厌氧发酵装置的统称 ）结构的设计，工程起动和日常运行管理等一系列技术措施。其流程图如下所示： 粉碎 预处理 1.秸秆预处理： 1.1.预处理： 农作物秸秆通常是由木质素、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较慢，产气周期较长。使用这种原料在入池前需进行预处理，以提高产气效果。 常用的预处理方法有物理、化学与生物方法等。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆等。生物法的研究主要集中在菌种的筛选和发酵条件优化方面。目前研究最多的微生物是白腐真菌。生物方法具有环境友好、处理效率高等优点，但需要无菌操作条件和专门的培养设施，目前有关研究较多，实际应用很少。化学法主要利用酸和碱等化学物质对秸秆进行预处理，通过化学作用破坏秸秆的内部结构，从而提高秸秆的厌氧消化性能。化学法具有处理方法简单、时间短、效果好等优点，但化学处理剂有可能产生二次污染。 1.2.青贮： eq \o\ac(○,1)青贮池设计以为矩形，若有多个青贮池可并联或串联使用。 eq \o\ac(○,2)粉碎的秸秆贮入青贮池后应轧实，减少内部氧气存有量，避免原料浪费。 eq \o\ac(○,3)秸秆含水量控制在65%左右，密度以大于500㎏/m³为宜。 2进料： 2.1.将碳铵溶于水，与接种物和青贮好的秸秆一起在进料池中混合均匀，入罐的发酵原料不要 压实，以松散为好，池内进料口下口，直径一米的地方不要存在发酵原料，以便以后畅通进料。 2.2进料池容积一般按一次进料量设计：计算公式为：V=qt/24 V—进料池的有效容积，单位为立方米 Q—进料量，单位为立方米每天 T—原料滞留时间，单位为小时 3.厌氧发酵 3.1厌氧发酵设备 eq \o\ac(○,1)厌氧发酵器须设置增温保温措施，应采用中温发酵。 eq \o\ac(○,2)厌氧发酵器应密闭，耐腐蚀，设正负保护器。 eq \o\ac(○,3)厌氧发酵器宜采用焊接，拼装和利物浦等成型罐体或钢砼结构。 eq \o\ac(○,4)厌氧发酵器应设置底部排泥装置。 eq \o\ac(○,5)厌氧发酵器应设有一定数量的取样口和测温点。 eq \o\ac(○,6)厌氧发酵器的容器体积计算公式：V=W.Ｔｓ.Ｋ.Ｐ/ｙ 　ｖ－厌氧发酵装置有效容积，单位为ｍ³ 　ｗ－物料消耗量，单位为公斤／每天 　Ｔｓ－进料物质浓度，单位为％ 　Ｋ－总固体消化率，单位为％ 　Ｐ－产气潜力，单位为立方米／千克／每天 　ｙ－容器产气率，单位为立方米／立方米 3.2沼气发酵工艺类型 对沼气发酵的工艺分类，从不同角度，有不同的分类方法。大中型沼气工程，强调从工程的运行温度、工程运行的最终目标以及所选用的处理原料进行分类，如下图所示： 3.3.沼气发酵工艺条件 沼气发酵微生物要求适宜的生活条件，对温度、酸碱度、氧化还原势及其它各种环境因素都有一定的要求。在工艺上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。 3.3.1.厌氧环境 沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类，它们都是厌氧性细菌，尤其是产生甲烷的甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感。它们不能在有氧的环境中生存，哪怕微量的氧存在，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。 沼气发酵的起动或新鲜原料入池时会带进一部分氧，但由于在密闭的沼气池内，好氧菌和兼性厌氧菌的作用，迅速消耗了溶解氧，创造了良好的厌氧条件。 3.3.2.温度 沼气发酵微生物是在一定的温度范围进行代谢活动，可以在8-65℃，温度高低不同产气速度不同。在 8-65℃，温度越高，产气速率越大，但不是线性关系。40-50℃是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53-55℃生物中的高温菌活跃，产沼气的速率最快。沼气发酵温度突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停止产气。一般常温发酵温度不会突变；对中温和高温发酵，则要求严格控制料液的温度。 概括地讲，产气的一个高峰在35℃左右，一个更高的高峰在54℃左右，因为在这两个最适宜的发酵温度中，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。 3.3.3.发酵原料 原料（有机物）是供给沼气发酵微生物进行正常生命活动所需的营养和能量是不断生产沼气的物质基础。 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、酒糟和糖渣等），还有水生植物都可以作为沼气发酵的原料。 常用发酵原料的含水量 3.3.3.1适宜的料液浓度 料液中干物质含量的百分比为料液浓度。对沼气池内发酵料液浓度要求，随季节变化而不同。在夏季，发酵料液浓度可以低些，要求浓度在 6% 左右；冬季浓度应高一些，为 8%左右。发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利。因为浓度太低时，即含水量太多有机物相对减少，会降低沼气池单位容积中的沼气产量，不利于沼气池的充分利用；浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不易分解，使沼气发酵受到阻碍，产气慢而少。因此，一定要根据发酵料液含水量的不同，在进料时加入相应数量的水，使发酵料液的浓度适宜，以充分合理地利用发酵料液和获得比较稳定的产气率。配制发酵料液的浓度，要根据发酵原料的含水量和不同季节所要求的浓度，再加入一定量的水。 当沼气池容积一定时，如果发酵原料加水量过多，发酵料液过稀，滞留期短，原料未经充分发酵就被排出，这不但影响产气，还浪费了发酵原料；如果加水量太少，发酵料液过浓，使有机酸聚积过多，发酵受阻，产气率降低。 3.3.3.2..产气量、产气速度与产气率 一般认为，自然界的有机物质除矿物油和木质素外，都能被微生物发酵产生沼气，但不同有机物质的产气量是不同的，如下表所示。因为各种有机物质分解的难易程度不同，所以产气速度相差很大，如下表所示。 3.3.4.适宜的酸碱度 PH值是指发酵器内料液的PH值，而不发酵原料的PH值。沼气微生物最适宜的PH值范围是6.8-7.5。一般来说，当PH值<6或>8时，沼气发酵就要受到抑制，甚至停止产气。建议采用测定挥发酸来控制投料量，这样可以做到精确管理。在大中型沼气工程中给发酵器投料时，要根据PH值来控制投料量，若投料量过多，形冲击负荷，会造成产酸过多。在间断投料时，料液的PH值应在7上下为宜，当PH低于6.8时，产甲烷菌的生命活动将受到抑制，正常发酵将遭到破坏。当发酵器出现超负荷情况时，一方面停止进料，一方面在必要时可以投加碱性物质 （如石灰水），提高发酵器内的PH值，使发酵过程得到比较快的恢复。在投料以后PH值不应低于6.5。当 PH值在<6时，则应大量投入接种物或重新进行起动。 3.3.5.添加剂和抑制剂 许多物质可以加速发酵过程，而有些物质却抑制发酵的进行；还有些物质在低浓度时有刺激发酵作用，而在高浓度时产生抑制作用。沼气池内挥发酸浓度过高 （中温发酵0.2% 以上；高温发酵0.36%以上）时，对发酵有阻抑作用；氨态氮浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用；各种农药，特别是剧毒农药，都有极强的杀菌作用，即使微量也可使正常的沼气发酵完全破坏。很多盐类，特别是金属离子，在适当浓度时能刺激发酵过程，当超过一定浓度时对发酵过程会产生强烈的抑制作用。 3.3.6.碳、氮、磷的比例 发酵料液中的碳、氮、磷元素含量的比例，对沼气生产有重要的影响。研究工作表明，碳氮比以20~30:1为佳；碳、氮、磷比例以10:4:0.8为宜。对于以生产农副产品的污水为原料的，一般氮、磷含量均能超过规定比例下限，不需要另外投加。但对一些工业污水，如果氮、磷含量不足，应补充到适宜值。 3.3.7.接种物 在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物（亦称为菌种）。在条件具备时，宜采用生态环境一致的厌氧污泥作为接种物。当没有适宜的接种物时，需要进行菌种富集和培养，即选择活性较强的污泥或是人畜粪便等，添加适量（菌种量的5%-10%）有机废水或作物秸秆等，装入可密封的容器内，在适宜的条件下，重复操作，扩大接种数量。沼气发酵是沼气微生物群分解代谢有机物产生沼气的过程，沼气微生物像其它生物一样，对环境有个适应范围。上述各项是沼气微生物群维持正常活动所必须的条件，只有满足这些条件要求，沼气发酵方能正常运行下去。 3.4各种厌氧发酵工艺技术参数 3.4.1一体两项厌氧消化工艺 eq \o\ac(○,1)适合处理固态秸秆类物料，也可处理混合原料。 eq \o\ac(○,2)产酸相和产甲烷相分别在不同反应区中进行 eq \o\ac(○,3)顶部设置喷淋设备，底部设置渗滤液收集设施 eq \o\ac(○,4)发酵器设置活性淤泥循环接种装置，循环量控制在秸秆量的1-3倍 eq \o\ac(○,5)秸秆粉碎在10mm左右，泵进料浓度3-5%，发酵温度在40±2℃，发酵周期在90天，产气率≧0.8. 3.4.2全混合连续厌氧发酵工艺 eq \o\ac(○,1)采用立式圆柱形发酵器或卧式厌氧发酵器，并带有循环回流接种装置 eq \o\ac(○,2)历史发酵器采用上部进料，下不出料 eq \o\ac(○,3)搅拌设备的能力在5-10h内将发酵器内料液循环一次 eq \o\ac(○,4)干秸秆粉碎直径在0-10mm左右，泵进料浓度4-6%，发酵温度在38±2℃，发酵周期在40-50天，产气率≧0.8. 3.4.3全混合自载体生物膜法厌氧发酵工艺 eq \o\ac(○,1)采用立式或卧式厌氧发酵器，序批式进料，内设强化传热，传热搅拌装置，保证自载体生物膜的形成和厌氧发酵 eq \o\ac(○,2)秸秆粉碎直径在10-30mm左右，泵进料浓度≥8%，发酵温度在35-38℃，发酵周期在40-45天 4.气体净化工艺 4.1.水洗工艺 因为二氧化碳和硫化氢在水中的溶解度比甲烷大，所以水洗不但可以去除二氧化碳，还可以去除硫化氢，此吸收过程是纯粹的物理反应。通常沼气通过压缩后从吸收柱底部进入，水从顶部进入进行反相流动吸收。因为硫化氢在水中的溶解度比二氧化碳大，所以水洗也可以去除硫化氢。吸收了二氧化碳和硫化氢的水可以再生循环使用，可以在吸收柱中通过减压或者用空气吸脱再生，当水中的硫化氢浓度比较高的时候，一般不推荐使用空气吹脱，因为水很快又被硫污染。如果有废水可以利用，不推荐对水进行再生。 4.2.聚乙二醇洗涤工艺 聚乙二醇洗涤和水洗一样，也是一个物理吸收过程。Selexol是一种溶剂的商品名，主要成分为二甲基聚乙烯乙二醇（DMPEG）。和在水中一样，二氧化碳和硫化氢在Selexol中的溶解度比甲烷大，不同之处是二氧化碳和硫化氢在Selexol中溶解度比水中大，这样需要Selexol的量也会减少，更加经济和节能。另外，水和卤化烃（填埋场沼气中的成分）也可以elexol洗涤去除。Selexol可以再生重复使用，可以使用水蒸汽或者惰性气体（净化后的沼气和天然气）吹脱Selexol中的元素硫，但是不推荐使用空气。 4.3.碳分子筛工艺 分子筛在分离沼气中特定的气体组成上是一种非常好的产品。通常，分子被松散地吸附在炭孔隙中，并且可以析出。通过不同的网孔大小或者压力可进行选择性的吸收。当压力减小时，分子筛中吸收的化合物组分会释放出来。所以这个过程常常被乘坐“变压吸附（PSA）”。可以用焦炭制作富有微米级孔隙结构的分子筛净化沼气.为了节省压缩气体的所需的能量，需要把一系列分子筛串联在一起。气体压力从一组分子筛中释放后加入接下来的一组。通常是将四组排为一列，可以同时用来去除二氧化碳和水蒸汽。利用活性炭去除了硫化氢后，冷凝器在四摄氏度下冷凝去除之后，沼气在6*10的5次方帕的压力下通入吸收单元，通过第一个吸收柱后可以使沼气中的水蒸汽分压小于10ppm，甲烷含量超过96%以上。因为第二个柱子和第四个柱子压力相通，而第二四个柱子是先被用来抽真空脱附的，所以二个柱子压力从6*10的5次方pa释放到接近3*10的五次方pa，在接着减至常压，释放出的气体再返回消化罐中以回首甲烷。第三个柱子压力从1*10的五次方减少到0.1*10的五次方pa，放出的气体主要含有二氧化碳，并有少量甲烷，通常都直接排放，也可以设置一个回收装置来回收甲烷。可以用红外仪对第一个柱子分离的甲烷进行在线连续检测，如果不能满足所需的沃泊指数（指在同一基准条件下，单位容积燃气的高位发热量与其相对密度的平方根的乘积，一般是各种燃气混合气气质的一个重要的度量指标），气体需要再进行变压吸附，如果甲烷含量足够高的话，可以输送进天然气网或者通过压缩机压缩至250*10的五次方pa进行储存。 4.4.膜分离工艺 膜法分离主要有两种方法，一种是膜的两边都是气相的高压气体分离；另一种是通过液体吸收扩散穿过膜的分子的低压气相-液相吸收分离。 （1）高压气相分离。压缩到36*10的五次方pa的沼气首先通过活性炭床以去除卤化烃和硫化氢，接着便通入滤床和加热器。膜是由醋酸纤维素制成，可以用来分离像二氧化碳、水蒸汽和残留的硫化氢等极性分子，它有一定的选择性，即在不同的区域吸收硫化氢和二氧化碳，但不能分离甲烷中的氮。经验表明，膜可以持续使用三年，在使用一年半后，因为萎缩的缘故，膜的渗透性会减少30%。 （2）气相-液相吸收膜分离。气相-液吸收膜工艺最近才被用在沼气净化上，其实质是沼气中的硫化氢和二氧化碳分子穿过一个多孔的熟睡膜在液相中被吸收去除。从下方进入的气体，其中的硫化氢和二氧化碳分子能够扩散穿过膜，然后被相反方向流过的液体吸收，吸收膜在一个标准大气压下工作。在25摄氏度到35摄氏度，可以非常有效地把沼气中的硫化氢浓度从2%减少到小于250ppm，液相的吸收剂可以用NaOH溶液。吸收了硫化氢的NaOH溶液可以应用于水处理中以去除重金属。二氧化碳可以通过胺溶液作液相去除，胺溶液可以通过加热再生，释放处纯净的二氧化碳可作工业应用。 5.沼渣沼液利用 沼液的综合利用 沼气发酵不仅是一个生产沼气能源的过程，也是一个造肥的过程。在这个过程中，作物生长所需的氮、磷、钾等营养元素基本上都保持下来，因此沼液是很好的有机肥料。同时， 沼液中存留了丰富的氨基酸、Ｂ族维生素、各种水解酶、某些植物生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子，因此它还可用来养鱼、喂猪、喂牛、防治作物的某些病虫害，具有广泛的综合利用前景。 沼渣的综合利用 沼渣是沼气发酵后残留在沼气池底部的半固体物质,含有丰富的机质、腐殖酸、粗蛋白、氮、磷、钾和多种微量元素等，是一种缓速兼备的优质有机肥和养殖饵料。 总结 以秸秆为原料生产沼气，原料来源充足、分布广泛，不受时间和空间限制，不产生沼液、焦油、废水和废气等污染物，可实现秸秆的完全生态循环和高效利用。它不仅可以解决我国大量秸秆的环境污染问题，还可为我国的沼气生产开辟新的大宗原料来源，为在更大规模和更大范围推广沼气提供原料保障，为正在深入发展的社会主义新农村建设服务，具有十分广阔的推广应用前景。 秸秆 青贮 进料池 厌氧发酵 产气 净化（脱水，脱硫） 气柜 沼液沼渣（再利用）