生物质厌氧发酵制备生物燃气技术

随着我国对能源结构优化、生态环境保护的需求，寻求可替代的清洁能源已成为重要的能源发展战略。有机废弃物厌氧发酵制备生物燃气同步实现了能源化、资源化和无害化利用，在减少环境污染、补充常规能源等方面发挥了重要的作用。

我国政府对沼气发展给予了高度重视。2017年国家发展和改革委员会发布了《全国农村沼气发展“十三五”规划》，对“十三五”期间我国农村沼气发展提出了总体发展目标。规划指出到2020年将新建规模化生物天然气工程172个、规模化大型沼气工程3150个、认定果（菜、茶）-沼-畜循环农业基地1000个，供气供肥协调发展新格局基本形成。沼气和生物天然气作为畜禽粪便等农业废弃物主要处理方向的作用更加突出，基本解决大规模畜禽养殖场粪污处理和资源化利用问题。

本书通过国内外文献资料与笔者及团队多年的科研成果和工程实践相结合，从生物燃气制备的产业链出发，系统介绍了生物燃气制备原料、发酵工艺及装置、高值化利用工艺及装置、剩余物生态化利用技术，同时也从微观角度详述了发酵工艺中涉及的微生物及其代谢产甲烷途径，集宏观与微观、技术与工程、单元及系统于一体，使图书具有较强的知识性、系统性、实用性和针对性。全书共分为7章：第1章概述了生物燃气基本性质，并介绍了国内外生物燃气发展现状；第2章系统介绍了目前可用的生物质资源及其估算方法；第3章介绍了厌氧发酵涉及的不同微生物种类及其相关代谢途径；第4章介绍了生物燃气制备过程中涉及的相关调控工艺及设备；第5章介绍了生物燃气高值化利用技术，主要涉及脱硫、脱氧及脱碳工艺；第6章介绍了厌氧发酵剩余物沼液、沼渣的理化性质及其利用途径；第7章介绍了我国生物燃气政策与产业现状。

本书编著者为来自中国科学院广州能源研究所的科研人员，具体分工如下：第1章由袁振宏编著；第2章由孔晓英编著；第3章由李连华和李颖编著；第4章由孙永明和邢涛编著；第5章由甄峰编著；第6章由胡克勤和张宇编著；第7章由王瑶编著。全书后由袁振宏统稿并定稿。

鉴于本书编著时间及编著者专业方面的局限，编著过程中难免存在疏漏和不足，衷心期望广大读者对书中不足给予指正，让我们共同努力，促进我国生物燃气技术和产业的发展。

编著者

2019年12月

本书为“现代生物质能高效利用技术丛书”中的一个分册，在概述生物燃气、生物质的定义及特点、厌氧发酵微生物学的基础上，详细介绍了生物质燃气制备的厌氧发酵工艺、生物燃气的利用工艺、厌氧发酵剩余物利用技术及工艺，*后分析了我国生物燃气政策与产业现状。

本书具有较强的技术性、可操作性和针对性，可供从事生物燃气基础研究、技术开发、工程建设的科研技术人员、工程人员参考，也可供高等学校生物工程、能源工程、再生资源科学与工程及相关专业师生参阅。

袁振宏，中国科学院广州能源研究所，研究院，主要从事生物质能利用和能源战略的研究和开发工作，带领科研团队承担863、科技攻关、重大国际合作项目和广东省研究项目等科研项目83项，取得了水平较高的科研成果和较大的经济效益；其成果分别荣获广东省专利金奖、广东省科技进步一等奖、欧盟IEA-Bioerngy委员会Linneborn奖、商业联合会科学技术奖一等奖、中国科学院科技促进发展奖二等奖、国家能源局“能源科技进步二等奖”，以及中国可再生能源学会“科技进步三等奖”等，并成为我国国内首位林内伯恩奖获得者。

第1章生物燃气概述001

1.1生物燃气的组成与性质002

1.1.1甲烷和二氧化碳002

1.1.2氮气、氧气、一氧化碳、氨气和硫化氢003

1.1.3其他气体004

1.2国内外生物燃气发展004

1.2.1中国生物燃气发展004

1.2.2欧洲生物燃气发展006

参考文献007

第2章生物质的定义及特点009

2.1生物质概述010

2.1.1生物质定义010

2.1.2生物质的特点010

2.1.3生物质原料类型011

2.2生物质资源量估算方法012

2.2.1农作物资源012

2.2.2薪柴资源012

2.2.3人畜粪便资源013

2.2.4草资源014

2.3生物燃气制备原料014

2.3.1农业类发酵原料014

2.3.2工业类发酵原料022

2.3.3市政类发酵原料023

2.3.4水生植物发酵原料024

参考文献027

第3章厌氧发酵微生物学概述029

3.1生物燃气制备的厌氧发酵理论030

3.2有机化合物厌氧生物降解途径031

3.2.1脂类化合物的厌氧降解031

3.2.2蛋白质类化合物的厌氧降解032

3.2.3碳水化合物的厌氧降解032

3.3厌氧发酵过程中的微生物种类034

3.3.1发酵产酸微生物034

3.3.2产氢产乙酸微生物038

3.3.3同型产乙酸微生物040

3.3.4产甲烷微生物041

3.3.5产甲烷菌的分类055

3.3.6产甲烷古菌的基因组研究069

3.3.7产甲烷菌的生态多样性072

3.4甲烷形成的生物代谢途径075

3.4.1H2和CO2产甲烷途径076

3.4.2甲酸产甲烷途径082

3.4.3甲醇和甲胺产甲烷途径082

3.4.4乙酸产甲烷途径084

3.5生物燃气制备的厌氧发酵微生态学087

参考文献089

第4章生物燃气制备的厌氧发酵工艺093

4.1生物燃气制备的预/前处理工艺094

4.1.1原料的收集、运输和储存094

4.1.2除杂工艺与设备095

4.1.3粉碎工艺与装置097

4.1.4预处理工艺099

4.1.5匀质工艺及设备100

4.1.6物料输送设备100

4.2生物燃气制备的厌氧发酵工艺102

4.2.1厌氧发酵工艺类型102

4.2.2厌氧消化反应器105

4.3生物燃气制备的调控工艺123

4.3.1pH值123

4.3.2温度124

4.3.3营养物质124

4.3.4抑制物质124

4.4固液分离设备125

4.4.1卧式离心分离机125

4.4.2挤压式螺旋分离机125

4.5生物燃气的存储126

4.5.1湿式存储127

4.5.2干式存储128

参考文献133

第5章生物燃气的利用工艺135

5.1生物燃气的利用方式136

5.2生物燃气净化技术138

5.2.1生物燃气脱硫工艺138

5.2.2生物燃气脱氧工艺145

5.2.3生物燃气脱水工艺146

5.2.4其他微量气体脱除工艺148

5.3生物燃气提质技术153

5.3.1变压吸附脱碳工艺153

5.3.2高压水洗脱碳工艺159

5.3.3有机溶剂脱碳工艺167

5.3.4膜分离脱碳工艺172

5.3.5低温提纯工艺179

参考文献180

第6章厌氧发酵剩余物利用技术及工艺183

6.1厌氧发酵剩余物的特性与质量标准184

6.1.1营养成分184

6.1.2污染物185

6.1.3卫生性能187

6.1.4质量标准189

6.2发酵剩余物的加工工艺191

6.2.1固液分离191

6.2.2沼液深加工194

6.2.3沼渣深加工199

6.3发酵剩余物的利用途径199

6.3.1沼液利用途径199

6.3.2沼渣利用途径201

参考文献203

第7章我国生物燃气政策与产业现状205

7.1中国生物燃气产业政策环境分析206

7.1.1国家法律206

7.1.2发展规划及产业指导政策206

7.1.3财税政策208

7.1.4规范与标准211

7.2中国生物燃气产业化分析212

7.2.1中国农村户用沼气发展状况213

7.2.2大型沼气工程发展现状213

7.2.3沼气产业链构成214

7.2.4沼气政策在产业链上的布局215

7.2.5生物燃气产业化发展的障碍216

7.3生物燃气产业经济效益分析216

7.3.1户用沼气经济效益评价216

7.3.2气热电联产模式经济效益分析218

7.3.3集中供气生物燃气工程经济效益分析220

7.4生物燃气产业社会效益分析222

7.4.1大中型沼气工程222

7.4.2农村户用沼气223

7.5生物燃气产业发展对环境的影响分析224

7.5.1生物燃气环境效益评价224

7.5.2生物燃气生态效应分析226

7.6生物燃气工程案例226

7.6.1热电联产生物燃气工程226

7.6.2纯化供气生物燃气工程229

参考文献231

索引233

本书为“现代生物质能高效利用技术丛书”中的一个分册，在概述生物燃气、生物质的定义及特点、厌氧发酵微生物学的基础上，详细介绍了生物质燃气制备的厌氧发酵工艺、生物燃气的利用工艺、厌氧发酵剩余物利用技术及工艺，*后分析了我国生物燃气政策与产业现状。

本书具有较强的技术性、可操作性和针对性，可供从事生物燃气基础研究、技术开发、工程建设的科研技术人员、工程人员参考，也可供高等学校生物工程、能源工程、再生资源科学与工程及相关专业师生参阅。

袁振宏，中国科学院广州能源研究所，研究院，主要从事生物质能利用和能源战略的研究和开发工作，带领科研团队承担863、科技攻关、重大国际合作项目和广东省研究项目等科研项目83项，取得了水平较高的科研成果和较大的经济效益；其成果分别荣获广东省专利金奖、广东省科技进步一等奖、欧盟IEA-Bioerngy委员会Linneborn奖、商业联合会科学技术奖一等奖、中国科学院科技促进发展奖二等奖、国家能源局“能源科技进步二等奖”，以及中国可再生能源学会“科技进步三等奖”等，并成为我国国内首位林内伯恩奖获得者。