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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 依据碳源和能源的种类对细菌进行分类207

A.2 依据电子受体的种类对细菌进行分类208

A.3 依据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