太阳能恒温沼气产气性能研究_硕士学位论文(编辑修改稿)

太阳能恒温沼气产气性能研究_硕士学位论文(编辑修改稿)内容摘要：

民的生存环境，直接或间接影响了人体健康，同时也给畜牧场自身发展以及畜牧业的可持续发展带来了不利影响。 我国畜牧业废弃物产量居世界前列，其中农作物秸杆年产量达 5亿 多吨 (干重 )，畜禽粪便及污水的年产生量超过 10亿吨 .如果管理不善，每年 25%的畜禽粪便及污水流失到水体中，也就是说有 COD， BOD释放到水里，相当于具太阳能恒温沼气 产气性能研究 有一定规模的工业污染物的排放量。 美国每年畜牧业产 生 的固体粪肥约 有 20亿吨，其中 50%来自集约化畜牧业。 欧盟每 年产生的农业废物 是污泥的 3倍， 城市垃圾 的 6倍。 目前 畜牧业废弃物已成为农村及城郊环境污染的主要来源 ， 越来越 受到 社会各方面的广泛关注。 （ 1）水体污染 粪便和冲洗粪便废水中含有氮、磷及粪渣等有害物质，可以通过地表径流污染地表水，也可以通过土壤渗入 到 地下污染地下水。 水中过多的氮、磷会使水体富营养化， 导致 藻类疯长，争夺阳光、空气和氧气，最终将使水体变黑发臭，导致鱼类及水生物死亡，并影响沿岸的生态环境。 畜禽粪便过量 还田 ，残留 在 土壤中的 N、 P等物质渗入地下水，将导致地下水中 NO2， N， N03浓度的升高，人若长期或大量饮 用，可能诱发癌症 [20]。 （ 2） 大气污染 研究表明， 畜禽养殖场中检测出的有害气体 近 200种。 奶牛、猪、鸡饲料中的 70%左右的含氮物质被排泄出来 ， 大量的畜禽粪便如果不及时处理，在 高温下，发酵和分解产生的氨气和硫化氢等臭味气体，排放到大气中， 会使臭味成倍增加 ，同时产生的甲基硫醇，二甲基二硫醚，甲硫醚，二甲 胺及多种低级脂肪酸等有毒有害气体，污染空气，造成空气中含氧量 下降，使动物及人的免疫力下降，呼吸道疾病频发。 （ 3） 土壤污染 过量施用粪肥除了导致养分流失和 引起地表水和地下水污染外，还会造成土壤中盐分和重金属的 积累 [21]。 畜禽粪便直接排放于地表，或施用粪肥造成土壤孔隙阻塞，土壤 透气、透水性下降，引起土壤板结，尤其是猪粪。 为提高动物肉蛋产量，在畜禽饲料中往往使用各种饲料添加剂，如 有机化学品、有机砷、铜、锌和铁等，经畜禽粪便浓缩后排入土壤，可造成土壤盐分和重金属的积累。 （ 4） 病菌 污染 禽畜粪便污染物中含有大量的病原微生物、寄生虫卵等，如不能及时妥善处理，会孳生蚊蝇，使环境中病原种类增多、菌量增大，出现病原菌和寄生虫的大量繁殖，造成人、畜传染病的蔓延。 据测定，每毫升禽畜场污水中有 83万个大肠杆菌、 59万个肠球菌 [22]。 目前处理禽畜粪便的方法很多，主要包括干燥处理、除臭处理及综合处理（包括发酵法、利用低等动物处理和热喷技术等）。 由于厌氧发酵技术具有治理环境污染和开发新能源，同时还能提供优质的有机肥料，所以越来越受到人们的关注。 沼气发酵技术概论 沼气利用概况 沼气 是 由 多种有机物在一定的 温 度、浓度、酸碱度和隔绝空气的条件下 , 经过微生物的发酵作用而产生的一种可燃性气体。 由于这种气体先是在沼泽、池塘中发现的 , 所以称为沼气。 沼气是一种混合气体 , 其中主要成份是甲烷（ CH4） , 占总体积的 50%～ 70%, 其次是二氧化碳（ CO2） , 占总体积的 25%～ 45%。 除此之外 , 还含有少量的氮 (N2)、氢 (H2)、氧 (O2)、氨 (NH4)、一氧化碳 (CO)和硫化氢 (H2S)等气体。 甲烷、氢 气和一氧化碳是可燃 气体 ,主要是利用这部分气体的燃烧来获得能量。 由于甲烷在沼气中含量为 60%左右 , 二氧化碳 35%左右 ,其它成分极少 ,尤其硕士学位论文 氧气更 少 ,所以沼气的主要成分是甲烷 ,故它的性质主要由甲烷来决定。 甲烷是一种无色、无毒、 无味的高质量气体 ,比空气轻一半 ,扩散度比空气快三倍 ,熔点℃ ,沸点为 ℃ ,着火点 537℃ .当它与适量的空气混合完全燃烧时 ,产生淡蓝色火焰 ,最高温度可达 1400℃ ,并放出大量的热。 因为沼气中甲烷含量一般为 50%～ 70%,故 1m3的沼气完全燃烧 ,在标准状况下 (一个大气压 ,温度为 273K时 )可放出 ～ ,相当于 1kg煤 ,或 ,能发 [24]。 在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。 沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可 以建造自己的沼气池。 沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。 沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。 发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。 在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大 的成就。 沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用和综合利用生物质能的 有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能 3种机能充分发挥出来。 在广大农村牧 区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶 、蔬菜废弃物 等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。 沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用 3次至 4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。 在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。 我国是一个农业大国， 农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过 6亿吨，可作为能源 利 用的秸秆约 ，约折合 ；工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近 800亿立方米，相当于 5700万吨标准煤。 沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。 沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。 据专家测算，安装一个 68m3的沼气罐，能解决 5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。 每年可节约煤约 8000块、节电约 230度、薪柴和秸秆 2吨左右 (相当于 林植被 )，折合人民币可节约 2500元以上，同时还可减少 2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。 一次产生的沼渣相当于 300斤氮肥、 250斤磷肥、 200斤钾肥，含有 17种氨基酸和多种微量元素，对 40多种农作物病虫害有显著的防治效果 [25]。 表 、 甲烷含量 及产气时间 [26]。 表 常用发酵原料的产沼气率 原料名称 每吨干物质产生的沼气量（ m3） 甲烷含量（ %） 产气持续时间（ d） 牲畜厩肥 260— 280 50— 60 / 猪粪 561 65 60 牛粪 280 59 90 马粪 200— 300 60 90 人粪 240 50 30 青草 630 70 60 太阳能恒温沼气 产气性能研究 亚麻梗 359 59 90 玉米秆 250 53 90 麦秸 342 59 / 松树叶 310 69 65 杂树叶 210— 294 58 / 马铃薯梗叶 260— 280 60 60 谷壳 651 62 90 向日葵梗 300 58 / 废物污泥 640 50 / 酒厂废水 300— 600 58 / 碳水化合物 750 49 / 类脂化合物 1400 72 / 蛋白质 980 50 / 沼气发酵基本原理 20 世纪初， (1906)提出了甲烷形成的一个阶段理论，即由纤维素等复杂有机物经甲烷细菌分解而直接产生 CH4和 CO2；从 20 世纪 30 年代起，有人按其中的生物化学过程而把甲烷形成分为产酸和产气两个阶段；至 1979 年， 等人根据大量的科学事实，提出把甲烷形成过程分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段和甲烷化阶段 [47]，甲烷形成过程的三个阶段如图 1[26]；此外，还有人将甲烷形成过程划分为四个阶段，但现在使用较多的为三阶段理论。 (一 ) 水解阶段 沼气发酵系统中，发酵细菌主要以纤维素、淀粉、脂肪和蛋白质为基质。 这些复杂的有机物首先是在水解酶的作用下分解为水溶性的简单化合物。 经过水解作用后，多糖分解为可溶性单糖，蛋白质分解为肽或氨基酸，脂肪分解为甘油和脂肪酸。 然后这些水解产物可以进入微生物细胞，参与细胞内的生物化学反应。 国、内外的研究表明，厌氧消化步骤进行的很快，产酸细菌的最小细胞停留时间只有几个小时，而水解过程进行缓慢，水解反应的速度往往对产甲烷的速度产生决定性的影响，是发酵阶段的“限速步骤”。 (二 ) 产酸阶段 水解产物进入微生物细胞后，由产氢细菌、产乙酸细菌在胞内酶的作用下，将水解阶段分解的物质进一步分解成小分子化合物。 如低级挥发性脂肪酸、醇、图 有机物的沼气发酵过程 碳水化合物 蛋白质 脂肪 单糖（或二糖） 肽和氨基酸 脂肪酸和甘油 低级挥发性 脂肪醇类 中性化合物 H2， CO2 CO2， H2 甲醇 甲酸 乙酸 CH4 CH4 产酸阶段 水解阶段 产甲烷阶段 不产甲烷菌 不产甲烷菌 和产甲烷菌 产甲烷菌 （或有不产甲烷菌参加） 硕士学位论文 醛、酮、氢、二氧化碳、游离态氨等等。 其中主要是挥发性脂肪酸、乙酸比例最大，约占 80%，故此阶段称为产酸阶段，而参与这一阶段的细菌统称为产酸菌 .厌氧发酵基本原理和工艺条件水解阶段和产酸阶段是一个连续过程，可统称为不产甲烷阶段。 这个阶段是在厌氧条件下，经过多种微生物的协同作 用 ，将原料中碳水化合物 (主要是纤维素和半纤维素 )、蛋白质、脂肪等分解成小分子化合物，同时产生 二氧化碳和氢气，这些都是合成甲烷的基质。 因此，水解阶段和产酸阶段可以被看成是原料的加工阶段，是将复杂的有机物质转化成可供产甲烷细菌利用的基质，这个阶段为大量产生甲烷奠定了雄厚的物质基础。 (三 ) 产甲烷阶段 这一阶段中，产氨细菌大量繁殖和活动，氨态氮浓度增高。 挥发酸浓度下降，为甲烷菌创造了适宜的生活环境，产甲烷菌大量繁殖。 产甲烷菌的任务是以不产甲烷阶段发酵产生的乙酸、二氧化碳、氢等为底物，代谢生成甲烷、二氧化碳，完成沼气发酵 [48]。 产甲烷菌只能利用氢气、二氧化碳、一氧化碳、甲酸、乙酸、甲醇及甲基 胺等简单物质产生甲烷和组成自身细胞物质。 产甲烷菌产生甲烷的机制如下： ① 由酸和醇的甲基形成甲烷。 14CH3COOH→14CH 4+CO2 414CH3OH→ 314CH4+CO2+2H2O 这一反应过程由施大特曼（ stadman）和巴克尔（ Barker）及庇涅（ Pine）和维施尼（ vishhnise）分别于 1951和 1957年用 14C示踪原子标记乙酸的甲基碳原子，结果甲烷的碳原子都标上了同位素 14C，二氧化碳则没有标上，证明甲烷是由甲基直接形成。 ② 由醇的氧化使二氧化碳还原形成甲烷及有机酸。 2CH3CH2OH+14CO2→ 14CH4+2CH3COOH 2C3H7CH2OH+14CO2→ 14CH4+2C3H7COOH 这是施大特曼和巴克尔于 1949年用同位素 14CO2使乙醇和丁醇氧化，产生带同位素 14C的甲烷，证明甲烷可由 CO2还原形成。 ③ 脂肪酸有时用水作为还原剂或供氢体产生甲烷。 2C3H7COOH+CO2+2H2O→ CH4+2H2O ④ 利用氢使二氧化碳还原形成甲烷 4H2+CO2→ CH4+2H2O 这反应是由索根及费舍尔（ Fisher）观察到的 ⑤ 在氢和水存在时，巴氏甲烷八叠球菌 (Methanosarcina barkerii)与甲酸甲烷杆菌 (Methanobacterium formicicum)能将一氧化碳还原形成甲烷 3H2+CO→ CH4+H2O 2H2O+4CO→ CH4+3CO2[49] 沼气发酵过程理论虽分为三个阶段，然而在实际的沼气发酵过程中，这三个阶段是不能完全孤立分开的，各类细菌相互依赖、相互制约，主要表现在以下几点 :(1)、不产甲烷菌为产甲烷菌提供生长、代谢所必须的底物，产甲烷菌为不产甲烷菌的生化反应解除反馈抑制。 (2)、不产甲烷菌为产甲烷菌创造一个适宜的氧化还原条件 ； (3)、为产甲烷菌消除 部分有毒物质。 (4)、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持适宜的 pH环境。 因此不产甲烷细菌通过其生命活动为沼气发酵提供基质与能量，而产甲烷菌则对整个发酵过程起到调节和促进作用，使系统处于稳定的太阳能恒温沼气 产气性能研究 动态平衡中 [48]。 厌氧发酵工艺条件 严格的厌氧环境 厌氧发酵过程中起主导作用的细菌是厌氧细菌，其中包括各类分解菌和产甲烷细菌。 在发酵过程中，不产甲烷微生物需在无氧条件下，把复杂的有机物分解成简单的有机酸等。 而产气阶段的产甲烷细菌更是严格的专性厌氧菌，少量的氧气就会对其具有毒害作用 [50]。 因此，严格 的厌氧环境是厌氧发酵的先决条件。 在厌氧发酵的过程中，不产甲烷菌中有好氧菌、专性厌氧菌和兼性厌氧菌，这些菌落构成了一个复杂的生态系统。 发酵罐中原来存在有空气，以及装料时带入的一些空气因为好氧细菌的。