甲烷发酵

第1章?甲烷发酵的研究和开发历史 / 1

1.1??甲烷发酵在地球环境保护和循环型社

会形成方面的意义 / 2

1.2?甲烷的发现 / 2

1.3?基于微生物反应的甲烷生成 / 3

1.3.1 初期的认识 / 3

1.3.2 二阶段学说和化学解析的发展 / 3

1.3.3 产氢乙酸共生细菌的发现和三菌群

学说 / 4

1.3.4 二相四阶段学说的确定 / 4

1.4?反应过程的开发 / 6

1.4.1 厌氧消化反应过程的诞生 / 6

1.4.2 分离型消化槽和加热技术的实施 / 7

1.4.3 基于连续搅拌的高效消化 / 7

1.4.4 甲烷发酵槽的设计 / 8

1.4.5 餐厨垃圾的甲烷发酵 / 9

1.5?日本的甲烷发酵历史 / 10

1.5.1 普及阶段 / 10

1.5.2 污水污泥处理 / 10

1.5.3 粪便处理 / 12

1.5.4 工厂排水处理 / 13

1.5.5 利用污泥再生处理中心对粪便和餐

厨垃圾的混合处理 / 13

1.5.6 家畜粪便的处理 / 14

参考文献 / 15

第2章?甲烷发酵过程理论 / 17

2.1??根据投入有机物的组成分析简单推算

甲烷转化率 / 18

2.1.1 元素组成的利用 / 18

2.1.2 COD平衡的利用 / 19

2.1.3 VS成分的利用 / 20

2.1.4 VS成分和COD的换算 / 21

2.1.5 活性污泥模型的利用 / 21

2.2??甲烷发酵过程中三菌群参与说和二相

四段学说的地位 / 23

2.3?物质变化概要 / 24

2.3.1 分解反应 / 25

2.3.2 水解反应 / 28

2.3.3 产酸反应 / 31

2.3.4 异相氢转移反应 / 44

2.3.5 甲烷生成反应 / 58

2.3.6 其他厌氧微生物反应 / 63

2.3.7 微生物的死亡和再增殖 / 65

2.4?温度的影响 / 65

2.5?相关的物理化学常数 / 66

2.5.1 平衡常数 / 66

2.5.2 亨利系数 / 71

2.5.3 总传质系数 / 72

参考文献 / 76

第3章?各种甲烷发酵过程 / 81

3.1?甲烷发酵过程分类 / 82

3.2?完全混合法 / 83

3.2.1 工艺流程 / 83

3.2.2 特征和注意事项 / 87

3.3?厌氧接触法 / 88

3.3.1 工艺流程 / 88

3.3.2 特征和注意事项 / 88

3.3.3 应用实例 / 89

3.4?厌氧滤床法 / 90

3.4.1 工艺流程 / 90

3.4.2 特征和注意事项 / 91

3.5?厌氧流动床法 / 93

3.5.1 工艺流程 / 93

3.5.2 特征和注意事项 / 93

3.6?UASB法和EGSB法 / 95

3.6.1 工艺流程 / 95

3.6.2 特征和注意事项 / 97

3.7?干式甲烷发酵 / 99

3.7.1 工艺流程 / 101

3.7.2 特征和注意事项 / 102

3.8?二相工艺 / 103

3.8.1 反应工艺 / 103

3.8.2 特征和注意事项 / 104

3.9?其他甲烷发酵工艺 / 106

参考文献 / 107

第4章?甲烷发酵的影响因素 / 111

4.1?温度 / 112

4.2?停留时间（HRT和SRT） / 114

4.3?有机物负荷 / 115

4.4?搅拌及混合 / 116

4.5?pH值、碱度和挥发性有机酸浓度 / 116

4.6?基质组成（C/N比）和氨氮抑制 / 117

4.7?重金属的阻害和反应的促进 / 118

参考文献 / 120

第5章?甲烷发酵槽的运行管理 / 122

5.1?甲烷发酵工艺的启动运行 / 123

5.1.1 接种污泥的导入 / 123

5.1.2 运行管理指标 / 125

5.1.3 常态下的驯化 / 126

5.1.4 不稳定状态的原因 / 128

5.2?槽负荷和沼气产生量 / 128

5.3?有机酸的积蓄和酸败对策 / 129

5.4?稳定运行管理 / 130

参考文献 / 131

第6章?有机废弃物的甲烷发酵 / 132

6.1?生活污水污泥 / 133

【实例1：横滨市北部污泥资源化中心】 / 134

6.2?餐厨垃圾 / 135

【实例2：中空知卫生设施组合】 / 136

6.3?家畜粪便 / 138

【实例3：酪农学园大学】 / 139

6.4?草木植物 / 140

6.5?混合物 / 141

【实例4：KAMPO循环工业园】 / 142

【实例5：株洲市京华中心—株洲生物能

源促进计划】 / 144

6.6?其他有机物 / 145

参考文献 / 145

第7章?沼气的有效利用 / 149

7.1?消化气体的成分和热量值 / 150

7.2?消化气体的利用 / 151

7.2.1 消化槽的加热 / 151

7.2.2 管理室的空调 / 151

7.2.3 都市燃气 / 151

7.2.4 汽车燃料 / 152

7.2.5 消化气体发电 / 152

7.2.6 燃料电池发电 / 155

7.3?沼气的精制 / 156

7.3.1 硫化氢的去除 / 156

7.3.2 二氧化碳的去除 / 157

7.3.3 硅氧烷的去除 / 159

7.4?热电联产 / 161

7.4.1 气体发电系统热量平衡计算模型概

要 / 162

7.4.2 热平衡计算结果示例 / 164

7.4.3 热电联产的设立条件 / 165

参考文献 / 166

第8章?甲烷发酵的主要问题和对策 / 167

8.1??甲烷发酵系统的基本构成和主要问题 / 168

8.2?高浓度高温甲烷发酵的高效率化 / 168

8.3?氨氮积累和阻害的对策 / 169

8.4?消化液的处理 / 171

8.4.1 液肥利用 / 171

8.4.2 水处理 / 173

8.4.3 排入污水管道 / 173

8.4.4 消化液中氮和磷的去除 / 174

8.4.5 分别消化工艺 / 177

参考文献 / 180

第9章?氢气发酵工艺的可行性 / 182

9.1?厌氧细菌的氢气发酵 / 183

9.1.1 氢气生成的原理 / 183

9.1.2 厌氧产氢菌 / 185

9.1.3 工艺运行条件 / 188

9.2?氢气发酵工艺的效率 / 189

9.2.1 原料 / 189

9.2.2 反应槽 / 190

9.2.3 能量回收计算 / 190

9.3?氢气和甲烷二段工艺 / 190

9.4?氢气发酵的安全管理 / 191

参考文献 / 193

第10章?甲烷发酵的课题和展望 / 195

10.1??对日本生物能利用综合战略的期待 / 196

10.2??沼气作为运输用燃料对二氧化碳减排

的优势 / 197

10.3?LOTUS项目 / 198

10.4?日本普及中的课题 / 199

10.5?甲烷发酵新功能的开发展望 / 200

10.5.1 通过污水管道对餐厨垃圾进行资源

回收 / 200

10.5.2 加入甲烷发酵的生物乙醇生产

系统 / 201

10.5.3 通过生物甲烷生产氢气 / 201

10.5.4 有机氯化合物的分解 / 202

10.5.5 农业有效利用 / 203

10.5.6 环境保护中甲烷发酵的地位 / 204

参考文献 / 205

附录A?甲烷发酵的微生物学基础 / 206

A.1??通过碳源和能源的种类对细菌进行

分类 / 207

A.2??通过电子受体的种类对细菌进行

分类 / 208

A.3??通过电子供体氧化反应类型进行细菌

分类 / 209

A.3.1 发酵 / 209

A.3.2 呼吸 / 210

A.3.3 发酵和呼吸的氢气（电子）处理 / 211

A.4??厌氧环境下生存微生物的群体构

造 / 213

A.4.1 甲烷发酵槽的细菌群 / 213

A.4.2 真细菌种类 / 214

A.4.3 产甲烷菌的种类 / 216

A.5?分子生物学解析的意义 / 218

参考文献 / 222

附录B?甲烷发酵的数学模型 / 224

B.1?数学模型的种类 / 225

B.1.1 黑匣子模型 / 225

B.1.2 白匣子模型 / 226

B.1.3 灰匣子模型 / 226

B.2?建立数学模型的注意事项 / 226

B.2.1 收支平衡参数的应用 / 226

B.2.2 模型的建立顺序和思路 / 228

B.2.3 基于物质收支平衡和速度论的相关

表格的制作 / 229

B.2.4 参数的把握 / 231

参考文献 / 237

附录C?甲烷发酵的化学过程 / 238

C.1?基质分解和细菌增殖的关系 / 239

C.2?菌体的元素 / 243

C.3?氧化还原反应 / 245

C.4?菌体的生成 / 247

C.4.1 最大收率理论 / 247

C.4.2 维持代谢反应的机理 / 251

C.4.3 最大比增殖速率和亲和常数理论 / 253

参考文献 / 256

附录D??气体发电系统的热收支平衡的

计算模型 / 258

D.1??污泥产生量、VS量的季节变化的

设定 / 259

D.2?模型消化槽的数据的确定 / 259

D.3?回流负荷与模型的结合 / 260

D.4?加热示范消化槽所需热量的计算 / 260

D.5?消化气产生量 / 262

D.6?发电量、废热回收量的计算 / 263

参考文献 / 263

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