甲烷發酵

本書是在日本多年對普及的甲烷發酵法的基礎上編寫而成的。全書共10章，分別介紹了甲烷發酵的研究和開發歷史、甲烷發酵過程理論、各種甲烷發酵過程、甲烷發酵工藝影響因素、甲烷發酵槽的運行管理、有機廢棄物的甲烷發酵、沼氣的有效利用、甲烷發酵的主要問題和對策、氫氣發酵工藝的可行性、甲烷發酵的課題和展望。

第1章?甲烷發酵的研究和開發歷史 / 1

1.1??甲烷發酵在地球環境保護和循環型社

會形成方面的意義 / 2

1.2?甲烷的發現 / 2

1.3?基於微生物反應的甲烷生成 / 3

1.3.1 初期的認識 / 3

1.3.2 二階段學説和化學解析的發展 / 3

1.3.3 產氫乙酸共生細菌的發現和三菌羣

學説 / 4

1.3.4 二相四階段學説的確定 / 4

1.4?反應過程的開發 / 6

1.4.1 厭氧消化反應過程的誕生 / 6

1.4.2 分離型消化槽和加熱技術的實施 / 7

1.4.3 基於連續攪拌的高效消化 / 7

1.4.4 甲烷發酵槽的設計 / 8

1.4.5 餐廚垃圾的甲烷發酵 / 9

1.5?日本的甲烷發酵歷史 / 10

1.5.1 普及階段 / 10

1.5.2 污水污泥處理 / 10

1.5.3 糞便處理 / 12

1.5.4 工廠排水處理 / 13

1.5.5 利用污泥再生處理中心對糞便和餐

廚垃圾的混合處理 / 13

1.5.6 家畜糞便的處理 / 14

參考文獻 / 15

第2章?甲烷發酵過程理論 / 17

2.1??根據投入有機物的組成分析簡單推算

甲烷轉化率 / 18

2.1.1 元素組成的利用 / 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的換算 / 21

2.1.5 活性污泥模型的利用 / 21

2.2??甲烷發酵過程中三菌羣參與説和二相

四段學説的地位 / 23

2.3?物質變化概要 / 24

2.3.1 分解反應 / 25

2.3.2 水解反應 / 28

2.3.3 產酸反應 / 31

2.3.4 異相氫轉移反應 / 44

2.3.5 甲烷生成反應 / 58

2.3.6 其他厭氧微生物反應 / 63

2.3.7 微生物的死亡和再增殖 / 65

2.4?温度的影響 / 65

2.5?相關的物理化學常數 / 66

2.5.1 平衡常數 / 66

2.5.2 亨利係數 / 71

2.5.3 總傳質係數 / 72

參考文獻 / 76

第3章?各種甲烷發酵過程 / 81

3.1?甲烷發酵過程分類 / 82

3.2?完全混合法 / 83

3.2.1 工藝流程 / 83

3.2.2 特徵和注意事項 / 87

3.3?厭氧接觸法 / 88

3.3.1 工藝流程 / 88

3.3.2 特徵和注意事項 / 88

3.3.3 應用實例 / 89

3.4?厭氧濾牀法 / 90

3.4.1 工藝流程 / 90

3.4.2 特徵和注意事項 / 91

3.5?厭氧流動牀法 / 93

3.5.1 工藝流程 / 93

3.5.2 特徵和注意事項 / 93

3.6?UASB法和EGSB法 / 95

3.6.1 工藝流程 / 95

3.6.2 特徵和注意事項 / 97

3.7?乾式甲烷發酵 / 99

3.7.1 工藝流程 / 101

3.7.2 特徵和注意事項 / 102

3.8?二相工藝 / 103

3.8.1 反應工藝 / 103

3.8.2 特徵和注意事項 / 104

3.9?其他甲烷發酵工藝 / 106

參考文獻 / 107

第4章?甲烷發酵的影響因素 / 111

4.1?温度 / 112

4.2?停留時間（HRT和SRT） / 114

4.3?有機物負荷 / 115

4.4?攪拌及混合 / 116

4.5?pH值、鹼度和揮發性有機酸濃度 / 116

4.6?基質組成（C/N比）和氨氮抑制 / 117

4.7?重金屬的阻害和反應的促進 / 118

參考文獻 / 120

第5章?甲烷發酵槽的運行管理 / 122

5.1?甲烷發酵工藝的啓動運行 / 123

5.1.1 接種污泥的導入 / 123

5.1.2 運行管理指標 / 125

5.1.3 常態下的馴化 / 126

5.1.4 不穩定狀態的原因 / 128

5.2?槽負荷和沼氣產生量 / 128

5.3?有機酸的積蓄和酸敗對策 / 129

5.4?穩定運行管理 / 130

參考文獻 / 131

第6章?有機廢棄物的甲烷發酵 / 132

6.1?生活污水污泥 / 133

【實例1：橫濱市北部污泥資源化中心】 / 134

6.2?餐廚垃圾 / 135

【實例2：中空知衞生設施組合】 / 136

6.3?家畜糞便 / 138

【實例3：酪農學園大學】 / 139

6.4?草木植物 / 140

6.5?混合物 / 141

【實例4：KAMPO循環工業園】 / 142

【實例5：株洲市京華中心—株洲生物能源促進計劃】 / 144

6.6?其他有機物 / 145

參考文獻 / 145

第7章?沼氣的有效利用 / 149

7.1?消化氣體的成分和熱量值 / 150

7.2?消化氣體的利用 / 151

7.2.1 消化槽的加熱 / 151

7.2.2 管理室的空調 / 151

7.2.3 都市燃氣 / 151

7.2.4 汽車燃料 / 152

7.2.5 消化氣體發電 / 152

7.2.6 燃料電池發電 / 155

7.3?沼氣的精製 / 156

7.3.1 硫化氫的去除 / 156

7.3.2 二氧化碳的去除 / 157

7.3.3 硅氧烷的去除 / 159

7.4?熱電聯產 / 161

7.4.1 氣體發電系統熱量平衡計算模型概

要 / 162

7.4.2 熱平衡計算結果示例 / 164

7.4.3 熱電聯產的設立條件 / 165

參考文獻 / 166

第8章?甲烷發酵的主要問題和對策 / 167

8.1??甲烷發酵系統的基本構成和主要問題 / 168

8.2?高濃度高温甲烷發酵的高效率化 / 168

8.3?氨氮積累和阻害的對策 / 169

8.4?消化液的處理 / 171

8.4.1 液肥利用 / 171

8.4.2 水處理 / 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 分別消化工藝 / 177

參考文獻 / 180

第9章?氫氣發酵工藝的可行性 / 182

9.1?厭氧細菌的氫氣發酵 / 183

9.1.1 氫氣生成的原理 / 183

9.1.2 厭氧產氫菌 / 185

9.1.3 工藝運行條件 / 188

9.2?氫氣發酵工藝的效率 / 189

9.2.1 原料 / 189

9.2.2 反應槽 / 190

9.2.3 能量回收計算 / 190

9.3?氫氣和甲烷二段工藝 / 190

9.4?氫氣發酵的安全管理 / 191

參考文獻 / 193

第10章?甲烷發酵的課題和展望 / 195

10.1??對日本生物能利用綜合戰略的期待 / 196

10.2??沼氣作為運輸用燃料對二氧化碳減排

的優勢 / 197

10.3?LOTUS項目 / 198

10.4?日本普及中的課題 / 199

10.5?甲烷發酵新功能的開發展望 / 200

10.5.1 通過污水管道對餐廚垃圾進行資源

回收 / 200

10.5.2 加入甲烷發酵的生物乙醇生產

系統 / 201

10.5.3 通過生物甲烷生產氫氣 / 201

10.5.4 有機氯化合物的分解 / 202

10.5.5 農業有效利用 / 203

10.5.6 環境保護中甲烷發酵的地位 / 204

參考文獻 / 205

附錄A?甲烷發酵的微生物學基礎 / 206

A.1??通過碳源和能源的種類對細菌進行

分類 / 207

A.2??通過電子受體的種類對細菌進行

分類 / 208

A.3??通過電子供體氧化反應類型進行細菌

分類 / 209

A.3.1 發酵 / 209

A.3.2 呼吸 / 210

A.3.3 發酵和呼吸的氫氣（電子）處理 / 211

A.4??厭氧環境下生存微生物的羣體構

造 / 213

A.4.1 甲烷發酵槽的細菌羣 / 213

A.4.2 真細菌種類 / 214

A.4.3 產甲烷菌的種類 / 216

A.5?分子生物學解析的意義 / 218

參考文獻 / 222

附錄B?甲烷發酵的數學模型 / 224

B.1?數學模型的種類 / 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?建立數學模型的注意事項 / 226

B.2.1 收支平衡參數的應用 / 226

B.2.2 模型的建立順序和思路 / 228

B.2.3 基於物質收支平衡和速度論的相關

表格的製作 / 229

B.2.4 參數的把握 / 231

參考文獻 / 237

附錄C?甲烷發酵的化學過程 / 238

C.1?基質分解和細菌增殖的關係 / 239

C.2?菌體的元素 / 243

C.3?氧化還原反應 / 245

C.4?菌體的生成 / 247

C.4.1 最大收率理論 / 247

C.4.2 維持代謝反應的機理 / 251

C.4.3 最大比增殖速率和親和常數理論 / 253

參考文獻 / 256

附錄D??氣體發電系統的熱收支平衡的

計算模型 / 258

D.1??污泥產生量、VS量的季節變化的

設定 / 259

D.2?模型消化槽的數據的確定 / 259

D.3?迴流負荷與模型的結合 / 260

D.4?加熱示範消化槽所需熱量的計算 / 260

D.5?消化氣產生量 / 262

D.6?發電量、廢熱回收量的計算 / 263

參考文獻 / 263