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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