（二）大中型沼气工程
1、装置类型
（1）全混式厌氧消化池
• 在传统厌氧消化池的基础上使用了搅拌装 置，使发酵原料与微生物充分接触并处于 完全混合状态，整个消化池均处于活性区。
• 采用连续投料或半连续投料运转，运用于 含有大量悬浮固体的有机废水和废物。
（2）接触式厌氧工艺
• 在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速 消化池后增设二沉池和污泥回收系统，并 将其应用于有机废水的处理。
主要反应过程
• 丙酸 CH3CH2COOH+2H2O---CH3COOH+CO2+3H2
• 丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O---2CH3COOH+2H2 • 乙醇 CH3CH2OH+2H2O----CH3COOH+2H2
• 乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O---CH3COOH+CO2+H2
缺点：容易堵塞。
（4） 上流式厌氧污泥床
将厌氧消化与固气-液三相分离集 中在一起。
• 整个UASB由底部进水区、池内反ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ区、气 -固-液三相分离器、沼气罩、出水区。
• 在反应区，下部为颗粒污泥床，上部为悬 浮污泥层。
UASB的特点
• 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度为50g VSS/L， 污泥龄一般为30d以上。 • 反应器的水力停留时间相应较短，反应器具有很高 的容积负荷。 • 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适 合于处理低浓度的城市污水。 • UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构 紧凑，构造简单，操作运行方便。 • UASB处理系统不设机械搅拌设施，上升的水流和 产生的沼气使污泥进行自身回流，因而动力消耗低。 反应器内不需要装填料，节省了费用，构造简单， 便于管理。
（2）浮罩式沼气池
浮罩式沼气池是将发酵间产生的沼气用浮 沉式气罩储存起来。一般有：
• 活动浮罩式沼气池 • 分离浮罩式沼气池
• 浮罩式沼气池由水封池和气罩两部分组成。 当沼气向上压力大于气罩自重和配重时， 气罩将沿水封池内壁的导向轨道上升，直 到平衡为止；当用气时，气罩内压力下降， 气罩也随之下沉。
（3）强旋流液搅拌沼气池
• 针对静态发酵沼气池存在“微生物贫乏 区”、“发酵盲区”和料液短路，池内原 料分层严重，带来清渣出料困难、产气率 低和管理不便等技术问题。
• 将菌种强制回流，破壳与清渣、微生物富 集增殖、消除发酵盲区和料液“短路”等 技术优化组装配套。
2、发酵工艺类型
（1）半连续投料沼气池
产甲烷菌具有以下特性
• 生长在严格厌氧环境
• 营养特性：利用简单的碳素化合物；利用 铵态氮为氮源；需要某些维生素和微量元 素。 • 偏中性的pH环境 • 生长繁殖缓慢
3、产甲烷细菌与不产甲烷菌的相互作用
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底 物。 ② 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还 原电位。 ③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。 ④ 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了 反馈抑制。 ⑤ 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的 适宜pH。
第二节 沼气发酵原理
各种有机质（包括农作物秸秆、畜禽粪便 以及农业排放废水中所含的有机物等）在 厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的 作用，做种转化成沼气，完成这一复杂的 过程，即为沼气发酵。
一、沼气的理化性质
（1）甲烷
• 甲烷是无色、无味、可燃和微毒气体。
• 甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可 能偏绿。 CH4+O2=CO2+2H2O+890KJ
• 最大特点是污泥回流。
厌氧接触法的特点
• 污泥浓度高，抗冲击负荷能力强。
• 有机容积负荷高 • 出水水质较好。 • 增加了沉淀池、污泥回流系统、真空脱气 设备，流程酵复杂。
• 适合于处理悬浮物和有机物浓度均高的废 水。
•
•
最大的问题：污泥沉淀。
采取的改进措施：
① 真空脱气设备 ② 增加热交换器，使污泥骤冷，暂时抑制厌 氧污泥的活性。
（5）内循环厌氧反应器（IC反应器）
• 可以看作是由两个UASB反 应器串联而成的。第一个 UASB反应器产生的沼气作 为提升的内动力，使升流管 与回流管的混合液产生密度 差，实现下部混合液的内循 环，使出水达到预期的处理 要求。 • 上面的第二个UASB反应器 对废水继续进行后处理，使 出水达到预期的处理要求。
发酵细菌将水解产物吸入细胞内，经细胞 内复杂的酶系统的催化下将一部分有机物 转化为代谢产物，排入细胞外的溶液，成 为参与下一阶段生化反应的细菌菌群吸收 利用的基质。
（2）产氢产乙酸细菌
发酵性细菌将复杂有机物分解发酵产生的有 机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不 能被产甲烷菌所利用，其余的发酵产物必 须由产氢、产乙酸菌将其分解转化成乙酸、 氢和二氧化碳。
（2）二氧化碳
常温下是一种无色无味气体，密度比空气 略大，能溶于水。 （3）硫化氢 有毒气体，微量时具有恶臭，沼气中的臭 味主要来自硫化氢。
二、微生物学原理
（一）沼气产生中的厌氧微生物及其作用
五大生理类群的细菌参与发酵过程： 发酵性细菌 产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌 食乙酸产甲烷菌
（2）适宜的料液浓度
（3）产气量、产气速度与产气率
产气率分为
• 原料产气率：单位原料重量在整个发酵过 程中的产气量。 • 料液产气率：单位体积的发酵料液每天产 沼气的数量 • 池容产气率：厌氧消化器单位容积每天生 产沼气的多少，说明厌氧消化器被利用水 平高低。
（4）pH
通常厌氧发酵适宜的pH范围在6.0-6.8，pH 过高或过低都会抑制厌氧微生物的生理活 性，从而限制甲烷的产量。 （5）原料营养钵 厌氧微生物在生长繁殖过程中需按一定的 比例摄取碳、氮磷以及其他微量元素。工 程上主要控制的碳、氮磷比例不完全一致。
甲烷的消耗有两种途径，在大气中与对羟自 由基反应被清除，在土壤中被甲烷氧化菌 氧化。
三、地球上甲烷的产生和分解量
在自然环境条件下，甲烷含量应处于“源 汇”平衡的状态。但在过去200年中，大气 中甲烷含量增长了一倍多，对流层甲烷浓 度呈线性上升趋势。
四、地球上甲烷引起的温室效应
温室效应是指大气中能使太阳短波辐射达 到地面，但地表向外放出的长波热辐射却 被大气吸收，这样就使得地表与低层大气 温度增高。
（6）接种物
在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物。
（7）有毒物质
常见的有毒物质如S2-、SO42-、NH3、NH4+、 CN-、Cl-、有机氯化物等。 （8）混合和搅拌
机械搅拌、水力搅拌和沼气搅拌。
第三节 沼气工程技术
一、沼气工程的发展与现状
（一）农村户用沼气发展和现状 ① 初始发展阶段 ② 技术突破和工艺完善阶段 ③ 加快发展阶段
1、不产甲烷菌及其作用
（1）发酵性细菌
发酵性细菌将可溶性物质吸收进入细胞后， 经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸 脂肪酸和醇类，同时产生一定数量的氢和 二氧化碳。 参与水解反应的发酵性细菌是复杂的混合 菌群，种类繁多。
发酵性细菌的主要功能： 部分水解细菌分泌的胞外水解酶的催化作 用下，将大分子不溶性有机物水解成小分 子的水溶性有机物。
二、常见的沼气发酵工艺及装置
（一）农村户用沼气池
1、装置类型 沼气池是沼气发酵过程中的核心部分，原 料是发酵罐中最终转化成沼气。
（1）水压式沼气池
• 由发酵间、进料管和水压间三部分组成。
• 工作原理：当有沼气产生后，气体的增多， 池内的气压随之增加，出料间液面和池内 液面形成压力差，将发酵间内的料液压到 出料间，致使内外压力平衡；当用户使用 沼气时池内压力减少，池外出料间的液体 便压回池内，维持新的平衡。
产氢产乙酸菌主要有：
脱硫弧菌 普通脱硫弧菌 沃尔夫互营单胞菌 沃林互营杆菌
（3）产氢产乙酸细菌
也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活 又能异氧生活的混合营养型细菌。它们既 能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产 生乙酸。
2CO2+4H2----CH3COOH+2H2O C6H12O6-----CH3COOH
（3）厌氧生物滤池
AF内厌氧污泥的保留方式有两种：
① AF内固定的填料表面形成生物膜； ② 在填料之间细菌聚集呈絮状。
厌氧滤池的优点
• 生物固体浓度高，有机负荷高；
• SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强 • 启动时间较短，停止运行后的再启动也较 容易； • 无需回流污泥，运行管理方便；
• 运行稳定性好；
2、三阶段理论
该理论认为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，二碳物质中只有乙酸，而不能利用 其他二碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇 类。长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙 酸菌转化为乙酸、 H2、CO2等，才能被产 甲烷菌利用。
第九章 沼气发酵
1. 地球上甲烷的产生和分解循环
2. 沼气发酵原理 3. 沼气工程技术 4. 讨论与展望
第一节 地球上甲烷的产生和分解循环
一、地球上甲烷的循环过程
二、地球上甲烷的产生和分解过程
产甲烷菌主要有两种途径利用底物生成甲烷：
• 利用乙酸：H3C-COOH----CH4+CO2
• 利用氢和二氧化碳：4H2+CO2--CH4+2H2O
常见的同型产乙酸细菌
• 伍迪乙酸梭菌
• 威林格乙酸梭菌 • 乙酸梭菌 • 威林格乙酸杆菌
2、产甲烷菌
产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成 分，可以代谢H2和CO2及少数几种简单有 机物生成甲烷的严格厌氧古菌。
食氢产甲烷菌 是乙酸产甲烷菌