沼气2

沼气是一些有机物质（如秸秆、杂草、树叶、人畜粪便等废弃物）在一定的温度、湿度、酸度条件下，隔绝空气（如用沼气池），经微生物作用（发酵）而产生的可燃性气体。

沼气是气体的混合物，其中含甲烷60～70％，此外还含有二氧化碳、硫化氢、氮气和一氧化碳等。

它含有少量硫化氢，所以略带臭味。

发酵是复杂的生物化学变化，有许多微生物参与。

反应大致分两个阶段：（1）微生物把复杂的有机物质中的糖类、脂肪、蛋白质降解成简单的物质，如低级脂肪酸、醇、醛、二氧化碳、氨、氢气和硫化氢等。

（2）由甲烷菌种的作用，使一些简单的物质变成甲烷。

要正常地产生沼气，必须为微生物创造良好的条件，使它能生存、繁殖。

沼气池必须符合多种条件。

首先，沼气池要密闭。

有机物质发酵成沼气，是多种厌氧菌活动的结果，因此要造成一个厌氧菌活动的缺氧环境。

在建造沼气池时要注意隔绝空气，不透气、不渗水。

其次，沼气池里要维持20～40℃，因为通常在这种温度下产气率最高。

第三，沼气池要有充足的养分。

微生物要生存、繁殖，必须从发酵物质中吸取养分。

在沼气池的发酵原料中，人畜粪便能提供氮元素，农作物的秸杆等纤维素能提供碳元素。

第四，发酵原料要含适量水，一般要求沼气池的发酵原料中含水80％左右，过多或过少都对产气不利。

第五，沼气池的pH值一般控制在 7～8.5。

沼气是一种混合气体，主要成分是甲烷(CH4)和二氧化碳(C02)。

甲烷占60％一70％，二氧化碳占30％一40％，还有少量氢、一氧化碳、硫化氢、氧和氮等气体。

由于含有可燃气体甲烷，故沼气可做燃料。

沼气是细菌在厌氧条件下分解有机物的一种产物。

城市有机垃圾、污水处理厂的污泥、农村的人畜粪便、作物秸杆等，皆可做产生沼气的原料。

细菌分解有机物的过程，大体分为两个阶段：第一阶段，将复杂的高分子有机物质转化为低分子的有机物，例如乙酸、丙酸、丁酸等；第二阶段，将第一阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳。

在上述过程中，起发酵分解作用的是多种细菌共同作用的结果。

为了使沼气发酵持续进行，必须提供和保持沼气发酵中各种微生物所需的生活条件。

产生甲烷的细菌是厌氧的，少量的氧也会严重影响其生长繁殖。

这就需要一个能隔绝氧的密闭消化池。

温度在厌氧消化过程中是一个重要因素，甲烷菌能在0一80℃的温度范围内生存，有分别适应低温(20℃)、中温(30℃)、高温(50℃)的各类细菌，最适宜的繁殖温度分别为15℃、35℃、53℃左右。

甲烷菌生长繁殖最适宜的pH值约为7．0一7．5，超出此范围，厌氧消化的效率就会降低。

在厌氧消化过程中担负废弃物发酵作用的细菌，还需要氮、磷和其他营养物质。

投入沼气池的原料比例，大体上要按照碳氮比等于20：1一25：1。

此外，还应控制影响沼气发酵的有害物质浓度。

沼气能的诱人前景在千姿百态的生物世界中，存在一种我们肉眼看不见、摸不着的微生物，能为人类提供能源。

提起微生物，往往会使人们想起它会使食物腐烂变质，也会使人感染上各种疾病。

因此，对它们又害怕、又憎恶。

但是，在微生物的家族中，因为种类不同，它们的作用也不尽相同，有的会给人类带来灾难，有的会给人类带来幸福。

微生物中，能为人类提供能量的甲烷细菌和酵母菌，它们可以生产出沼气和酒精，为人类作出贡献。

说到沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。

人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡冒出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生的沼气。

沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并必适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。

沼气的主要成分是甲烷，约占所产生的各种气体的60%一80%。

甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。

每立方米纯甲烷的发热最为 34000焦耳，每立方米沼气的发热量约为20800－23600焦耳。

即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。

关于沼气发生的基本原理，目前尚在探索之中。

沼气的形成过程大致可分为两个阶段，首先将各种复杂的有机物转化为低级脂肪酸，例如丁酸、丙酸、乙酸；然后把上述各类产物继续转化为甲烷和二氧化碳等。

目前，世界各国已经开始将沼气用作燃料和用于照明。

用沼气代替汽油、柴油，发动机器的效果也很好。

将它作为农村的能源，具有许多优点。

例如，修建一个平均每人l －1．5平方米的发酵池，就可以基本解决一年四季的燃柴和照明问题；人、畜的粪便以及各种作物秸杆、杂草等，通过发酵后，既产生了沼气，还可作为肥料，而且由于腐熟程度高使肥效更高，粪便等沼气原料经过发酵后，绝大部分寄生虫卵被杀死，可以改善农村卫生条件，减少疾病的传染。

现在，沼气的应用正在各国广大农村推广，沼气能源的开发利用的普及等方面，已经取得了较好的成绩。

世界上一些发达国家，也正在进行利用微生物厌氧消化农场废物、生产甲烷的较大规模试验。

英国建立了甲烷的自动化工厂。

在厌氧消化器中有三个基本过程：第一阶段的水解把不溶解的有机化合物和聚合物，通过酶法转化为可溶解的有机物。

第二阶段再将上一步转化成的产物如碳水化合物、蛋白质、脂肪类、醇等发酵为有机酸。

第三阶段由有机酸发酵产生甲烷。

据估计，在英国，利用人和动物的各种有机废物，通过微生物厌氧消化所产生的甲烷，可以替代整个英国25％的煤气消耗量。

苏格兰已设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场或家庭使用。

美国一牧场兴建了一座工厂，主体是一个宽30米、长213米的密封池组成的中烷发酵结构，它的任务是把牧场厩肥和其他有机废物，由微生物转变成甲烷、二氧化碳和干燥肥料。

这座工厂每天可处理1650吨厩肥，每日可为牧场提供11.3万立方米的甲烷，足够1万户家庭使用。

目前美国已拥有24处利用微生物发酵的能量转化工程。

从世界范围看，利用各种微生物协同作用生产甲烷的研究和应用，正处于方兴未艾的阶段。

近年来，我国沼气事业获得了迅速的发展，沼气池总数已达到1000多万个。

在四川、浙江、江苏、广东、上海等省市农村，有些地方除用沼气煮饭、点灯外，还办起了小型沼气发电站，利用沼气能源作动力进行脱粒、加工食料、饲料和制茶等，闯出了用“土”办法解决农村电力问题的新路子。

专家们认为，21世纪沼气在农村之所以能够成为主要能源之一，是因为它具有不可比拟的特点，特别是在我国的广大农村，这些特点就更为显著了。

首先，沼气能源在我国农村分布广泛，潜力很大，凡是有生物的地方都有可能获得制取沼气的原料，所以沼气是一种取之不尽，用之不竭的再生能源。

其次，可以就地取材，节省开支。

沼气电站建在农村，发酵原料一般不必外求。

兴办一个小型沼气动力站和发电站，设备和技术都比较简单，管理和维修也很方便，大多数农村都能办到。

据调查对比，小型沼气电站每千瓦投资只要400元左右，仅为小型水力电站的1/2－1/3，比风力、潮汐和太阳能发电低得多。

小型沼气电站的建设周期短，只要几个月时问就能投产使用，基本上不受自然条件变化的影响。

采用沼气与柴油混合燃烧，还可以节省17％的柴油。

我国地广人多，生物能资源丰富。

研究表明，在21世纪无论在农村还是城镇，都可以根据本地的实际情况，就地利用粪便、桔杆、杂草、废渣、废料等生产的沼气来发电。

沼气发酵原理与条件利用微生物代谢作用来生产各种产品的工艺过程称为发酵。

沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合性气体（沼气）的复杂的生物化学过程。

沼气发酵是一个复杂的微生物学过程，了解这一过程中各类微生物的作用及其活动规律，才能把沼气发酵建立在科学的基础之上。

只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会在微生物的作用下转化为沼气。

一、沼气发酵微生物的种类沼气发酵微生物是一个统称，包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。

这些微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。

从复杂有机物的降解，到甲烷的形成，就是由它们分工合作和相互作用而完成的。

在沼气发酵过程中，五大类群细菌构成一条食物链，从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看，沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。

前三类群细菌的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。

后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。

1.不产甲烷菌不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。

它们的种类繁多，根据作用基质来分，有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。

2.产甲烷菌产甲烷菌是沼气发酵的主要成分--甲烷的产生者。

是沼气发酵微生物的核心，它们严格厌氧，对氧和氧化剂非常敏感，最适宜的pH值范围为中性或微碱性。

它们依靠二氧化碳和氢生长，并以废物的形式排出甲烷，是要求生长物质最简单的微生物。

二、沼气微生物的生长规律生物和生命活动以新陈代谢为基础，沼气发酵微生物的生长和代谢过程可分适应期、对数生长期、平衡期、衰亡期四个时期（见图4-1）。

1.适应期菌种刚刚接入新鲜培养液中，细菌的各种生理机能需要有一个适应过程，细胞内各种酶系统要经过一番调整，这一时期细菌并不马上进行繁殖。

适应期的长短与细菌的种类及环境变化条件有关。

例如，繁殖速度快的酸化菌，一般适应期较短，繁殖速度慢的产甲烷菌适应期就较长。

此外接种量的多少，接种物所处的生长发育阶段及其前后生活条件都对适应期的长短有所影响。

2.对数生长期细胞经过一段适应后，逐步以最快速度进行繁殖，即按1、2、4、8、16......的级数上升。

这一段时间内发酵产物的增长速度随细胞数量的增加而上升。

如果微生物所处的环境条件能够不断得到更新，所需的营养物质能够及时得到供应和保障，这种增长速度可以一直保持下去。

这就是连续投料发酵可以获得高产气率的理论根据。

3.平衡期微生物细胞经过一定时期高速繁殖后，由于养料的消耗和代谢产物的积累，以及其环境条件（如酸碱度，氧化还原势等）的变化使得细胞繁殖速度减慢，少数细胞开始死亡，因此表现在一定时期内繁殖速度与死亡速度相对平衡。

这一时期发酵液内细胞总数达到最高水平，是积累代谢产物的重要时期。

4.衰亡期由于培养基中营养物质的显著减少，环境条件越来越不适宜微生物的生长繁殖，细胞死亡速度加快，以至细胞死亡数目大大超过新生数目，活菌总数明显下降。

通过以上对微生物生长规律的分析，微生物在旺盛生长期内生长的速度高，生理活性也最强，如采用这一时期的微生物进行接种就可以缩短适应期。

在发酵工艺上，采用连续投料发酵的方法，可以保证微生物始终在适应条件下旺盛生长，从而获到较高的产气量。