沼气发酵

沼气发酵

食品院轻化071 肖小根

目录

✧课程感言

✧沼气发酵简介

✧沼气发酵机理

✧沼气发酵工艺

✧沼气发酵工艺条件

✧沼气池的类型

✧沼气的利用与前景

✧中国发展沼气产业的现实意义

课程感言

“发酵工程原理与技术”这门课程内容分为五篇，前三篇从原料到产物阐述了发酵的整个过程后两篇是对发酵工程的延伸。第五篇讲述的“发酵工厂废物处理和清洁生产技术”是目前我们国家及至全世界都在致力于发展的技术，以应对日趋严重的能源、资源和环境危机。

整本书的主要内容侧重于对发酵工程原理的介绍，大部分内容与“工业微生物学”和“生物化工”相类似，可以说是以往学习的相关知识的综合，在学习过程中也是一种巩固。我认为学习这门课程的目的最重要还是要知道如何去运用它。在本教中关于发酵工程的应用内容不多主要集中在第五篇：关于发酵工厂废物处理和清洁生产技术的介绍。这部分内容我也大略地看过，由于全球环境污染日趋严重，节能减排、防污治污技术必然成为全球的聚集点。对于这方面的内容我也比较感兴趣，我希望能找到一种技术，通过查找一些资料来系统地它认识和了解，同时也希望以此作为一根主线用具体的例子来串连起教材的所有内容，最终我选择了沼气发酵。选择它的理由有三点：1、更贴近于实际生活；2、它能够在节能减排、资源循环利用的条件下有效地改善农村居民的生活；3、该技术已经成熟，相关资料比较多，但亟待大力推广，学习它在将来更有可能用得上。

在介绍沼气发酵这一技术中，我主要引用了：《微生物学教程》（第二版高教出版社周德庆主编）和《发酵工程》（科学出版社韦革宏杨祥主编）和百度关于沼气发酵的内容。

我希望能够通过对“沼气发酵”的全面了解，以后自己可以来建造沼气池。

沼气发酵简介

沼气成分组成

沼气的主要成分是甲烷。沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(C O2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成。由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。其特性与天然气相似。空气中如含有8.6～20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。

沼气的主要成分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34000千焦，每立方米沼气的发热量约为2080 0－23600千焦。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。与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。

沼气的发现与沼气发酵的发展

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。

世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。1955年新的沼气发酵工艺流程──高速率厌氧消化工艺产生。它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7～1.5立方米沼气,提高到4～8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。

中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。目前中国农村户用沼气池的数量达13 00万座。而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已

在糖厂和酒厂正常运行。

沼气发酵机理

沼气（marsh gas ,swamp gas )又称生物气（biogas)，

是一种混合可燃气体，主要成分为甲烷，另有少量H2 、

N2和CO2。沼气发酵又称甲烷形成（methanogenesis)，

其生物化学本质是：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H 2还原 CO 2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废物——CH 4的过程。CH 4是其厌氧呼吸链的还原产物。CH 4形成可分3个阶段（图1）：

1、发酵性细菌

2、产甲烷细菌 （厌氧，兼性厌氧） （厌氧）

1 2产氢产乙酸

细菌（厌氧）

图1 甲烷形成的3个阶段

（微生物学教程第二版 周德庆）

（1）水解阶段 由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、H 2和CO 2。参与本阶段的水解性细菌包括专性厌氧菌如Clostridium （梭菌属）、Bacteroides （拟杆菌属）、Butyrivibrio （丁酸弧菌属）、Eubacterium （真杆菌属）和Bifidobacterium （双歧杆菌属）等；兼性厌氧菌如Streptococcus （链球菌属）和一些肠道杆菌等。

（2） 产酸阶段 由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、H 2和CO 2的过程。产氢产乙酸细菌旧称“Methanobacterium omelianskii ”（奥氏甲烷杆菌），1967年，M.P.Bryant 发现它实为两种细菌的共生体，其一是产氢产乙酸菌，称“S 菌”（G -，厌氧，能运动，杆状，能发酵乙醇产乙酸和H 2，当环境中H 2浓度高于0.5大气压时，生长受抑制）；另一称“MOH 菌（methanobacterium-oxidising hydrogen ，革兰氏染色可变，厌氧性杆菌，不能利用乙醇，但能利用H 2产甲烷）。

（3） 产气阶段 由严格厌氧的产甲烷菌群（methanogens ) 利用一碳化合物（CO 2、甲醇、甲酸、甲基胺或CO ）、二碳化合物（乙酸）和H 2产生甲烷的过程。

沼气发酵工艺

沼气发酵的基本工艺流程

图2 沼气发酵的基本工艺流程图 生物质： 多糖 蛋白质 脂肪

H 2 CO 2 乙酸 CH 4 CO 2 丙酸 丁酸 琥珀酸 乙醇 有机废物 调节池

预处理 厌氧消化器 后处理 排放

沼气 净化 储存 用户

剩余污泥