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