6.有机废物发酵制取甲烷的技术
6.1概述
6.2甲烷发酵的工艺条件
6.3甲烷发酵的工艺流程
6.4沼气发酵系统的设计
6.5沼气工程实例
沼气是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿.度、酸碱度的条件下，通过微生物发酵作用，产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的，所以人们叫它沼气。
6.1概述
沼气简介：沼气是一种混合气体，它的主要成分是甲烷，其次有二氧化碳、硫化氢(H2S)、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一氧化碳和重烃等气体；不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为0.034%。
沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分甲烷在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，对空气的重量比是0.54，比空气约轻一半。甲烷溶解度很小，在20℃、0.1千帕时，100单位体积的水，只能溶解3个单位体积的甲烷。
甲烷是简单的有机化合物，是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，最高温度可达1400℃左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发热量约23.4千焦，相当于0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量，相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。
沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。
有机物变成沼气的过程，首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品-结构简单的化合物；再就是在甲烷细菌的作用下，将简单的化合物加工成产品-即生成甲烷。
6.1.1沼气发酵
对于一些高水分的有机废物，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，发酵转化生成沼气。
沼气发酵又称为厌氧发酵或甲烷发酵，即在厌氧条件下，微生物将有机质进行分解，其中一部分碳素物质转化为甲烷和二氧化碳。
甲烷发酵的特点：
有机物一旦转化为气态产物后，废液中构成COD和BOD的化学物质（主要为有机碳）即转化为CH4和CO2。是一种降低COD和BOD的主要方法；转化生成CH4气体，是一种简单的回收生物质能的方法。
6.1.2厌氧消化和甲烷的形成
有机物厌氧发酵依次分为液化、发酵酸化、产酸、产甲烷等四个阶段，如图
6.1所示。
图6.1有机质甲烷发酵过程
每一个阶段各有其独特的微生物类群起作用。液化阶段为发酵细菌，包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质分解菌。发酵酸化阶段是由大量的、多种多样的发酵细菌完成的。其中最重要的是梭状芽孢杆菌（Clostridium）和拟杆菌（Bacteriodes）。产酸阶段起作用的是醋酸分解菌。这三个阶段起作用的细菌统称为不产甲烷菌。产甲烷阶段起作用的细菌是甲烷细菌。
1.液化阶段
液化定义为复杂的非溶解性的聚合物被转化为简单的溶解性单体或二聚体的过程。
液化阶段通常比较缓慢，认为是含高分子有机物或悬浮物废液厌氧降解的限速阶段。在液化阶段，发酵细菌利用胞外酶对有机物进行体外酶解，使高分子有机固体物质变成可溶于水的物质，然后细菌再吸收可溶于水物质，并将其发酵分解成不同的产物。
可降解的非溶性底物，浓度C随时间的变化规律为dC/dt＝－KhC(6.1)
式中，C为可降解的非溶解性底物浓度，g/L；t为停留时间，d；Kh为水解常数，因不同底物、停留时间和组分而不同，1/d。
对间歇式反应器：
C＝C0exp(－Kht)(6.2)
对连续搅拌式反应器：
C＝C0/(1＋Kht)(6.3)
其中，C0为非溶解性底物的初始浓度，g/L。
2.发酵酸化阶段
在发酵酸化阶段，溶解性有机物被转化为以挥发性脂肪酸为主的产物。在这一阶段的细菌绝大多数是严格厌氧菌，但通常有约1％的兼性厌氧菌，存在于厌氧环境中。这些兼性厌氧菌能够保护甲烷菌这样的严格厌氧菌免受氧的损害。
酸化的产物的组成取决于厌氧