第九章 沼气发酵
沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化厌氧
沼气发酵基本原理沼气发酵基本原理沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷以酵，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。
一、沼气发酵微生物沼气发酵微生物是人工制取沼气最重要的因素，只有有了大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物得到基本的生长条件，沼气发酵原料才能在微生物的条件下转化为沼气。
（一）沼气微生物的种类沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发酵和发展是五大类群微生物生命活动的结果。
它们是：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌。
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。
从复杂不机物的降解，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，从各类群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（pH）的影响来看，沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。
前三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。
后二群细菌的活动可使各种有机转化成甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。
1、不产甲烷菌在沼气发酵过程中，不能直接产生甲烷微生物统称为不产甲烷菌。
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，现已观察到的包括细菌、真菌和原生动物三大类。
以细菌种类最多，目前已知的有18个属51个种，随着研究的深入和分离方法的改进，还在不断发现新的种。
根据微生物的呼吸类型可将其分为好氧菌、厌氧菌、兼性厌氧菌三大类型。
其中，厌氧菌数量最大，比兼性厌氧菌、好氧菌多100~200倍，是不产甲烷阶段起主要作用的菌类。
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、脂肪分解菌和其他一些特殊的细菌，如产氢菌、产乙酸菌等。
2、产甲烷菌在沼气发酵过程中，利用小分子量化合物形成沼气的微生物统称为产甲烷菌。
沼气发酵
沼气发酵第一节概述一、定义：沼气发酵，又称厌氧发酵或厌氧消化，是指有机物质（如作物秸杆、杂草、人畜粪便、垃圾、污泥及城市生活污水和工业有机废水等）在厌氧条件下，通过种类繁多、数量巨大、功能不同的各类微生物的分解代谢，最终产生沼气的过程。
二、沼气的组成：沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，其主要成分是甲烷(CH4)，大约占60%，其次是二氧化碳(CO2)大约占35%，此外还有少量其它气体，如水蒸气、硫化氢、一氧化碳、氮气等。
不同条件下产生的沼气，其成分有一定的差异。
例如人粪、鸡粪、屠宰废水发酵时，所产生的甲烷含量可达70%以上，农作物秸杆发酵所产生的沼气中甲烷含量一般为55%左右。
第二节沼气发酵的微生物学过程一、沼气发酵的微生物种类：第一类叫发酵细菌。
包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主要作用是将复杂的有机物分解成较为简单的物质。
例如多糖转化为单糖，蛋白质转化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。
第二类叫产氢产乙酸细菌。
其主要作用是前一类细菌分解的产物进一步分解成乙酸和二氧化碳。
第三类细菌称产甲烷菌。
它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳产生甲烷。
在实际的发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完成产沼气过程。
二、沼气发酵过程的三个阶段第一阶段是含碳有机聚合物的水解。
纤维素、半纤维素、果胶、淀粉、脂类、蛋白质等非水溶性含碳有机物，经细菌水解发酵生成水溶性糖、醇、酸等分子量较小的化合物，以及氢气和二氧化碳；第二阶段是各种水溶性产物经微生物降解形成甲烷底物，主要是乙酸、氢气和二氧化碳；第三阶段是产甲烷菌转化甲烷底物生成CH4和CO2。
另外，在沼气发酵过程中还存在某些逆向反应，即由小分子合成大分子物质的微生物过程。
第三节沼气发酵原料的分类与特性自然界中几乎所有的有机物质都可作为沼气发酵的原料。
人工制取沼气的主要原料是畜禽粪便污水、食品加工业、制药和化工废水、生活污水等。
在农村，也用农作物秸杆制取沼气。
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残留物的利用
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残留物的分类
残留物
沼液
沼渣
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沼液的利用
沼液是沼气发酵后的水性物质，其中存 留了丰富的氨基酸、消解酶、生长素、对病 虫害有抑制作用的物质或因子。沼液中已经 测出各类氨基酸、维生素、蛋白质、赤霉素、 生长素、糖类、核酸以及抗生素等物质是综 合利用的基础。
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沼液的利用
沼液 的利
用
农作物 浸种
果菜叶 面肥
沼液喂 猪
沼液防 止病虫
害
Hale Waihona Puke 高附加 值的开 发性处理
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沼渣的利用
沼 渣 是 沼气发酵后残留在沼气池底部 的半固体物质，含有丰富的有机质、腐殖酸、 粗蛋白、氮、磷、钾和各种矿物质，质地疏 松，保湿性能好，且酸碱度适中，具有速缓 兼备的肥效特点。
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沼气发酵的产物
产物
沼气
沼液
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沼渣
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沼气的利用
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大棚种植
• 增 施 沼气二氧化碳对蔬菜具有促进生长的作 用。
• 增 施 沼气二氧化碳具有提高果菜类结果率的 作用。
• 增 施 沼气二氧化碳具有提高蔬菜早期产量和 总产的作用。
• 增 施沼气二氧化碳具有提升产品质量的作用。
分布广，种类多 繁殖快，代谢强 适应性强，容易培养
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沼气发酵过程
有机质
水解
产甲烷
产酸 沼气
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沼气发酵
沼气发酵李兴杰(河北省唐山师专生物学教研室063000) 沼气是有机物经沼气发酵微生物的发酵作用而产生的一种混合气体。
因人们最初是在沼泽地带发现并认识这种气体的,故命名为“沼气”。
其主要成分是甲烷(CH4),另外还有二氧化碳和少量的硫化氢、一氧化碳、氢等气体。
甲烷是一种无色无味的可燃气体,它和空气混合遇明火就能燃烧并放出大量的热。
1 沼气发酵1.1 沼气发酵微生物 沼气发酵微生物种类繁多,分为不产甲烷群落和产甲烷群落。
不产甲烷微生物群落主要是一类兼性厌氧菌,从生理功能上又可分为基质分解菌群和挥发酸生成菌群。
它们具有水解和发酵大分子有机物而产生酸的功能,在满足自身生长繁殖需要的同时,为产甲烷微生物提供营养物质和能量。
此类微生物包括的范围很广,有化能自养菌、化能异养菌和光能异养菌,甚至还有真菌、原生动物的存在。
产甲烷微生物群落,通常称为甲烷细菌,依照形态特征可分为甲烷杆菌属、甲烷球菌属、甲烷八叠球菌属、甲烷螺菌属。
甲烷细菌的分类地位迄今尚未能确定,属于一类特殊细菌。
甲烷细菌的细胞壁结构没有典型的肽聚糖骨架,其生长不受青霉素的抑制。
在甲烷细菌细胞之中没有发现细胞色素C,但细胞内有其它细菌所没有的专一性转甲基的载体——辅酶M。
在厌氧条件下,甲烷细菌可利用不产甲烷微生物的中间产物和最终代谢产物作为营养物质和能源而生长繁殖,并最终产生甲烷和二氧化碳等。
1.2 沼气发酵过程 沼气发酵过程一般包括2个阶段,即产酸阶段和产气阶段。
沼气池中的大分子有机物,在一定的温度、水分、酸碱度和密闭条件下,首先被不产甲烷微生物菌群之中基质分解菌所分泌的胞外酶,水解成小分子物质。
如蛋白质水解成肽和氨基酸;脂肪水解成丙三醇和脂肪酸;多糖水解成单糖类等。
然后这些小分子物质进入不产甲烷微生物菌群中的挥发酸生成菌细胞,通过发酵作用被转化成为乙酸等挥发性酸类和二氧化碳。
由于不产甲烷微生物的中间产物和代谢产物都是酸性物质,使沼气池液体呈酸性,故称酸性发酵期,即产酸阶段。
沼气发酵
沼气发酵在自然界中绿色植物经光合作用合成碳水化合物，主要形成糖、淀粉、纤维素等。
纤维素合成的数量最大，贮量也最多，是地球上很难被微生物分解的物质。
在好氧条件下，纤维素可被少数微生物氧化分解，最终产生CO2和H2O。
目前所知绿色木霉是分解纤维素最强的微生物。
（C6H10O5）n+nO2→nCO2+nH2O在厌氧条件下，纤维素经厌氧微生物发酵作用最终产生CH4。
在自然界形成甲烷的地方主要有沼泽地、水稻田、井地、河湖淤泥及反刍动物瘤胃。
反刍动物瘤胃具有产甲烷的良好条件，所以瘤胃被称为产甲烷的天然高效能的连续发酵罐。
1．甲烷形成的微生物学过程从有机物质厌氧发酵到形成甲烷，是非常复杂的过程，不是一种细菌所能完成的，是由很多细菌参与联合作用的结果。
（1）联合作用从有机物到甲烷形成，是由很多细菌联合作用的结果。
甲烷细菌在合成的最后阶段起作用。
它利用伴生菌所提供的代谢产物H2、CO2等合成甲烷。
整个过程可分以下几个阶段：以上几个阶段不是截然分开的，没有明显的界限，也不是孤立进行的，而是密切联系在一起互相交叉进行的。
（2）种间H2的转移作用在沼气发酵过程中，产酸菌、伴生菌发酵有机物产H2，H2又被甲烷细菌用于还原CO2合成CH4。
伴生菌和甲烷细菌在发酵过程中形成了共生关系，S-菌系分解乙醇产H2，H2对它继续分解乙醇有阻抑作用，而MOH-菌系可利用H2，这样又为S-菌系清除了阻抑，两者在一起生活互惠互利，单独存在都生活不了。
（3）由乙酸产生甲烷乙酸是有机物在厌氧发酵过程中主要中间代谢产物，也是形成甲烷的重要中间产物。
McCarty实验证明，有机物发酵分解产生乙酸形成甲烷，约占甲烷总生成量的72％，由其他产物形成甲烷约占28％。
由乙酸形成甲烷过程也是很复杂的，用14C示踪原子试验表明，由乙酸形成甲烷有两种途径：①由乙酸的甲基形成甲烷②由乙酸转化为CO2和H2形成甲烷2．沼气发酵微生物之间的生态关系沼气发酵是一个极其复杂的生物化学过程，包括各种不同类型微生物所完成的各种代谢途径。
沼气发酵的原理与条件
沼气发酵的原理与条件目前，沼气池已经进入千家万户，成为农村家庭不可缺少的基础设施之一，为农民生活提供了优质生活燃料，为农村生产提供了高效有机肥料。
但是在实践中经常出现沼气池建好了，原料也装上了，就是产气不好，甚至有不产气的情况。
这是为什么呢？本人多年从事农村能源工作，在此想根据我工作、学习的体会与家有沼气池的农民朋友进行一下交流探讨。
首先让我们了解一下沼气发酵的原理和保证沼气发酵正进行的条件。
一、沼气发酵的原理沼气发酵是指各种有机物（如人畜粪便、秸秆、青草等）在厌氧（没有氧气）条件下，被各类沼气发酵微生物（也叫沼气细菌）分解转化，最终生成沼气的过程。
这是一个有多种沼气发酵微生物参加、非常复杂的生物学过程，在这一过程中，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（沼气中主要的可燃成分，约占55—70%）的形成，就是由它们分工合作和相互作用来完成的。
这些微生物按其在沼气发酵中的作用可分为两类：一是不产甲烷菌。
它们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。
二是产甲烷菌。
它们是甲烷的生产者，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。
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。
在沼气池中，发酵原料生成沼气，是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的，一般认为这个过程大体上分为三个阶段：1、水解发酵阶段。
固体的有机物通常不能进入微生物体内为微生物利用，只有将固体有机质水解成分子量较小的可溶性物质才可以进入微生物细胞内被进一步分解利用。
这个将不容于水的大分子物质变成能溶于水的小分子物质的过程，就叫做水解，它是由一些好氧和厌氧微生物完成的。
2、产酸阶段。
各种可溶性的物质在微生物的细胞内继续分解转化成低分子物质，同时也有一部分氢、二氧化碳等无机物释放出来，但这一阶段中的主要产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶段。
详细说明沼气发酵的微生物学过程
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沼气发酵的原理
沼气发酵是一种利用微生物降解有机物产生气体的过程，主要产生的气体是甲烷和二氧化碳。
其原理可以概括为以下几个步骤：
1. 填料阶段：有机废料（如农畜禽粪便、食品废弃物等）被投放进沼气池，与水混合形成废料混合物。
沼气池通常由混合池和发酵池两部分组成，混合池用于预处理废料混合物。
2. 水解与酸化阶段：混合池中的废料经过微生物的作用，发生水解和酸化反应。
此阶段，厌氧菌主要将有机物转化为简单有机酸，如乙酸、丙酸和酒精等。
这些简单有机酸在厌氧的条件下生成。
3. 产甲烷阶段：水解与酸化后的废料混合物流入发酵池，其中的简单有机酸会被产甲烷菌进一步转化为甲烷气体（沼气）。
产甲烷菌是一类厌氧微生物，它们能够利用简单有机酸进行氧化反应，产生甲烷和二氧化碳。
4. 气体收集与利用：在沼气池中产生的沼气会积聚在池顶部，通过管道收集起来。
沼气可用于供应燃气灶、热水器、发电机等能源设备，从而实现能源的利用和再利用。
此外，沼气消耗后的污泥还可以作为有机肥料来施用。
总的来说，沼气发酵利用了特定的微生物来分解有机物，经过一系列的生化反应，产生甲烷和二氧化碳的混合气体。
这一过程不仅能够有效利用有机废料，并减少环境污染，同时还能够提供可再生的清洁能源。
沼气发酵的原理
沼气发酵的原理沼气发酵是一种利用有机废弃物产生可燃性气体的过程，其原理是通过微生物的作用将有机物质分解产生沼气。
沼气主要由甲烷和二氧化碳组成，可以作为可再生能源用于发电、取暖和烹饪等用途。
下面将详细介绍沼气发酵的原理。
首先，沼气发酵的原料主要包括农业废弃物、畜禽粪便、城市生活垃圾等有机物质。
这些有机物质经过预处理后，进入发酵罐中进行发酵。
在发酵过程中，有机物质被微生物分解产生沼气。
其次，发酵过程中的微生物主要包括厌氧菌和好氧菌。
厌氧菌主要参与有机物质的分解产生甲烷气体，而好氧菌则参与有机物质的氧化分解。
这些微生物在适宜的温度和pH值条件下，能够高效地将有机物质转化为沼气。
另外，发酵过程需要一定的温度和湿度条件。
一般来说，适宜的发酵温度为25-35摄氏度，湿度在60%-70%之间。
这些条件有利于微生物的生长和代谢，从而促进沼气的产生。
此外，发酵过程中需要一定的时间来完成有机物质的分解产生沼气。
一般来说，完整的发酵过程包括初期发酵、主发酵和后期发酵。
初期发酵主要是有机物质的预处理和微生物的适应期；主发酵是有机物质的分解产生沼气的阶段；后期发酵则是沼渣的腐熟和沼气产量的稳定期。
最后，沼气发酵的原理是一个复杂的生物化学过程，需要注意发酵罐的密封性、搅拌均匀性、发酵温度和湿度的控制等因素。
只有合理地控制这些因素，才能保证沼气的产量和质量。
综上所述，沼气发酵的原理是通过微生物的作用将有机物质分解产生沼气。
合理利用沼气发酵技术，可以实现有机废弃物资源化利用，减少环境污染，促进可再生能源的发展。
希望本文介绍的沼气发酵原理对您有所帮助。
沼气发酵产生沼气的原理
沼气发酵产生沼气的原理
沼气发酵产生沼气的原理是通过微生物的发酵作用将有机物质分解成沼气成分。
具体来说，沼气发酵过程主要包括以下几个步骤：
1. 垃圾装入沼气池：将有机废弃物、粪便等有机物装入密闭的沼气池中。
2. 发酵阶段：在沼气池中，有机物质被厌氧微生物（包括细菌、放线菌和古细菌）分解为可供微生物利用的有机质。
这些微生物以厌氧的方式进行代谢，分解有机物质，产生沼气、有机酸和其他可溶性有机物。
主要的代谢过程是酸化阶段和甲烷生成阶段。
3. 酸化阶段：在酸化阶段，有机物质被厌氧细菌分解为有机酸、醇和二氧化碳等。
这些产物会使反应液呈酸性，并发酵过程的温度升高。
4. 甲烷生成阶段：在甲烷生成阶段，产酸细菌进一步将有机酸和醇分解为甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2），同时还会产生少量的氮气和硫化氢等气体。
这些产物就是我们所说的沼气。
总体来说，沼气发酵通过厌氧微生物的作用，将有机物质分解为沼气和其他有机物质。
发酵过程是在没有氧气的环境下进行的，主要产物是甲烷。
因此，沼气发
酵是一种既能有效处理有机废弃物，又能产生可再生能源的环保技术。
沼气发酵原理和方法
沼气发酵原理和方法沼气发酵沼气发酵是科学综合多重利用有机废弃物的形式，因为在利用贮藏于其中的生物能以后，发酵残渣中的粗蛋白、粗脂肪、灰分及氨基酸和维生素可作饲料或生产食用菌的原料，最后作为肥料施用。
沼气发酵后的残渣和肥液就是沼气肥，也可直接施用。
(1)沼气发酵的原理。
沼气发酵是有机物在严格嫌气条件下，由多种厌氧性异养型微生物参与，产生沼气的过程。
一般认为，沼气发酵存在有机物分解反应和沼气生成反应。
参与前一反应的微生物主要是厌氧性发酵细菌，包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质氨化菌、脂类水解菌和其他厌氧细菌及产乙酸细菌等。
在这些微生物的作用下，复杂的有机物被转化为简单的有机酸、醇、酮、 H2和CO2等，为产甲烷细菌提供了生长基质和产生CH4的底物。
参与后一反应的微生物是严格专一性厌氧细菌，即产甲烷细菌，将第一阶段产生的不同分解程度的产物(如乙酸、甲酸等低级醇酸类以及CO2和H2等)转变为沼气，例如：(2)沼气发酵的条件。
嫌气：产甲烷细菌属绝对厌氧细菌，在空气中几分钟就会死亡，实践中通过水层和严密的沼气池来隔绝空气，为其创造生存条件。
营养：厌氧性发酵细菌能从发酵材料中取得营养，但产甲烷细菌只能从简单的脂肪酸和醇中取得碳源和能源，从铵态氮中取得氮源。
氮的最低需要量约为有机碳的2．5％，磷酸盐的需要量约为氮的20％。
发酵液中氨的浓度宜在0.01％~0.10％之间，故要注意控制材料中的C/N，一般以25~30:l最佳。
温度：沼气发酵有高温型(47~55℃)、中温型(30~38℃)和常温型(10~30℃，也称自然温度发酵)3种；发酵液日产气量相应为5～6m3、2—3m3及0.1—0.5 m3。
当池温低于15℃产气就差，3℃以下基本不产气。
故需从建池、配料、管理等方面人手，尽量提高池温，以利于产气。
水分：足够的水分是创造严格嫌气条件的重要手段，但过多过少均不相宜。
发酵材料和水的比例，夏季以8～10:92～90，冬季以15:85为宜。
沼气发酵
提出微生物代谢途径的可能改善方向，为过程优 化奠定良好的基础。
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生物反应器工程。包括生物反应过程的参数 检测与控制。生物反应器的形式、结构、操 作方式、物料的流动与混合状况，传递过程 特征等是影响生物反应器宏观动力学的主要 因素。在工程设计中，化学计量式、微生物 反应和传递现象都是需要解决的问题参数检 测与控制时发酵过程中最基本的手段，只有 及时检测各种反应组分浓度的变化，才有可 能对发酵过程进行优化，使微生物发酵在最 佳状态中进行。
五、沼气的净化、储存和输配
沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸 盐的还原作用也会有一定量硫化氢（HS）气体生成并进入沼气。大型沼气工 程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和HS。水的冷 凝会造成管路堵塞，有时气体流量计中也充满了水，脱水通常采用脱水装置 进行。HS是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。HS本 身及燃烧时生成的SO对人体也有毒害作用。沼气的HS含量在1—12/m之间， 蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的HS含量就较高。硫化氢的脱 除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。
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产甲烷阶段
由产甲烷菌将第二阶段分解出来的乙酸 等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中 二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一 阶段叫产气阶段，或叫产甲烷阶段。
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整个发酵过程可分为：
一、原料的收集 二、原料的预处理
原料常混杂有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程 中出现故障，或为了减少原料中的浮沉固体含量，有的在进入消化器前还要 进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。
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产酸阶段
各种可溶性物质（单糖、氨基酸、脂肪酸）， 在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细 菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质，如 丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物 质；同时也有部分氢(H2)、二氧化碳(CO2)和氨 (NH4)等无机物的释放。但在这个阶段中，主要 的产物是乙酸，约占70%以上，所以称为产酸阶 段。参加这一阶段的细菌称之为产酸菌。
高中生物-沼气发酵技术
【高中生物-沼气发酵技术】沼气发酵技术发展及应用现状沼气是沼气发酵微生物在厌氧环境下将农作物秸秆或者禽畜粪便等可降解的生物质经过厌氧消化生成的可燃气体。
其主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷约占45 %～70 %、二氧化碳约占25 %～55 %；此外，沼气还含有大约5 %的其他气体（如H2S、N2、H2、CO、NH3等）。
沼气是具有很高热值的清洁燃料，经过净化的沼气完全燃烧后只生成H2O 和CO2，不会对环境造成污染。
沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的经济价值和社会效益。
1沼气发酵原理及影响因素1.1 沼气发酵原理沼气是生物质经过多种微生物联合厌氧消化作用而生成的可燃气体。
厌氧消化就是在无氧的条件下,由兼性厌氧菌和专性厌氧菌联合降解有机物，最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。
人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议；目前主要认为，沼气发酵过程可分为水解液化、酸化和甲烷化三个阶段。
第一阶段为水解液化阶段，兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中较大分子的成分(如纤维素等)水解成可溶于水的有机酸和醇类等。
第二阶段为酸化阶段；产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成小分子物质，同时生成氢气和二氧化碳。
第三阶段为甲烷化阶段；产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体，即发酵的最终产物沼气。
1.2 沼气发酵的影响因素影响沼气发酵的因素很多，其中最主要的因素包括原料成分、原料预处理情况、接种物种类、进料浓度、发酵温度和pH。
原料成分的影响：能够用来发酵产沼气的生物质很多。
传统的沼气发酵原料主要包括以秸秆类物质为代表的农业废弃物、禽畜粪便和污水处理厂的厌氧活性污泥、以及生活垃圾等。
选择容易降解的原料(如人畜粪便等)可以加快发酵的启动过程和提高发酵效率。
若原料选择不当则容易造成发酵系统酸积累严重而发酵无法启动或启动后产气量不高等后果。
原料预处理的影响：原料预处理是利用物理、化学或者生物等方法使生物质中不易被降解的物质提前得到腐化分解，在进料后更快启动发酵。
沼气发酵方法及发酵系统论文
沼气发酵方法及发酵系统论文沼气发酵是一种利用微生物进行有机废弃物转化的过程，可以生产出高能量、低污染的沼气。
这种过程对于环保以及可持续发展至关重要。
这篇论文主要介绍沼气发酵方法及发酵系统，以及对其优缺点进行分析。
沼气发酵方法主要包括两种：一种是湿法发酵，也叫连续式发酵；另一种是干法发酵，也叫批式发酵。
湿法发酵的原理是将有机物质与水混合后进行发酵。
这种方法产生的沼气比干法发酵更加稳定，因为湿法发酵中微生物的活性更加强劲。
但是湿法发酵需要稳定的温度和PH值来维持微生物的活动，同时也需要连续投料和排出沼渣，更加复杂和昂贵。
干法发酵是将有机物质直接堆放在空气流动的环境中。
这种方法较为简单，不需要排放废水，并且不需要很高的投入。
但是干法发酵中的沼气质量不稳定，难以保持持续发酵。
为了解决湿法发酵和干法发酵各自的缺陷，故有了半湿法发酵。
半湿法发酵是将固体废弃物和液态废弃物混合，然后进行蠕虫预处理，接着直接投料进行发酵。
这种方法可以使沼气的质量更稳定，同时也方便控制温度和PH值。
沼气发酵系统也有多种不同类型。
最基本的沼气发酵系统是将废弃物放在封闭式的容器中进行发酵，同样需要加入微生物来催化发酵。
这种发酵系统的优点是发酵过程能够在封闭的容器中进行，从而避免排放大量污染物，也方便控制发酵的温度和PH值。
同时也可以产生大量的有机肥料。
为了提高发酵系统的效率，一些最新的发酵技术也被应用。
比如混合热调节反应器（HTR），这种反应器可以在水平方向使用高速混合器，也可以在垂直方向使用自然对流等方式来进行混合。
因此，这种反应器的性能非常好，不仅可以提高发酵速度，还可以提高沼气的产量。
其它一些发酵技术还包括生物膜反应器、内部混合反应器、外部循环反应器等。
这些发酵技术使得沼气发酵系统更加智能化、高效化。
尽管沼气发酵有很多优点，但是也有着一些局限性，例如必须选择适宜的废弃物种类、适宜的微生物以及适宜的发酵条件等。
同时，发酵中也会产生一些杂质气体，需要采用特殊的处理方法进行清除。
沼气发酵 PPT
沼液沼渣循环利用技术
在特色产业种植区，与发展无公害农产 品相结合，建立沼液沼渣为纽带的循环农业 生产模式，进一步延伸利用链条，增加附加 值。 有以下两种模式： 一、“四位一体”模式； 二、“畜-沼-果（菜）”模式。
“四位一体”模式
把沼气池建到冬暖式蔬菜大棚里，在大 棚一端养猪，猪圈下建沼气池，棚内种植瓜、 果、菜等高效作物。猪粪入池产生沼气，点 燃沼气可增加大棚的二氧化碳，沼液、沼渣 用作有机肥源。一般可增产10%～20%，种植 的产品质量可达到绿色食品或无公害食品标 准。
沼气发酵原料的特点
• 水生植物原料
农村的一些水生植物如水葫芦、水花生、 水草等，由于其繁殖速度快、产量高、组织 鲜嫩，能被沼气菌群分解利用，也是沼气发 酵的一种良好原料。
沼气发酵原料的特点
• 农产品加工的各种有机废物和废水
农产品加工的有机废物、废水如酸酒、 食品、屠宰废水等含有有机物成分，是沼气 发酵的好原料，但由于其来源不同，化学成 分、发酵产气潜力等差异较大，因而其发酵 工艺不尽相同。
在常规饲 养情况下，利用沼液作为添加 剂喂猪，是促进生猪生长的一项技术措施。 沼液不仅可促进生物能的转化，加快体内肝 糖、肥糖的积存，加快生长速度和提高饲料 转化率，而且可降低饲料消耗，是一项无害、 安全的实用技术。
沼液喂猪
• 饲喂技术
①饲喂沼液前，应对猪进行驱虫、健胃和防疫， 并把喂熟食改为喂生食；
报告人：周建峰
目录
• • • • 沼气发酵原料及特点 沼气发酵技术 沼气发酵的产物及利用 沼气发酵的前景
沼气发酵原料
沼气发酵原料的特点
• 富氮原料
富氮原料主要是指人、畜、家禽的粪便 等。这类原料经过动物肠胃系统的充分消化， 含有较多的低分子化合物和较高的含水量， 且颗粒较细，氮素含量较高，碳氮比一般都 小于25:1。富氮原料的产气特点是分解速度 快、发酵周期短、产气速度快，单位原料的 总产气量比农作物秸秆低，是目前农村沼气 发酵原料的主要来源之一。
沼气发酵的基本原理和工艺培训
沼气发酵的基本原理和工艺培训前言沼气发酵是一种利用有机废弃物产生可再生能源的环保技术。
本文将介绍沼气发酵的基本原理和工艺流程，帮助读者了解沼气发酵的原理以及如何进行沼气发酵工艺培训。
沼气发酵的基本原理沼气是一种混合气体，主要成分为甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)，产生于生物发酵过程。
沼气发酵主要涉及废弃物经过厌氧发酵作用产生的气体，其中主要的化学反应是碳水化合物被微生物分解生成甲烷和二氧化碳。
通过恰当控制发酵条件，可以最大化产生甲烷，提高沼气的能量效率。
沼气发酵的工艺流程沼气发酵的工艺一般包括原料处理、发酵系统建设、气体处理等流程。
以下是典型的沼气发酵工艺流程：1.原料处理–选择适合的废弃物作为原料，如畜禽粪便、农作物秸秆等。
–进行预处理，如破碎、调理等，以提高原料的降解性能。
2.发酵系统建设–沼气池设计：确定池型、尺寸和材质，以及进气、出气等系统的建设。
–混合料投料：将原料与发酵菌种混合，投入发酵池内。
3.发酵过程–发酵温度和PH值的控制：保持适宜的温度和PH值，有利于沼气生产。
–搅拌通气：保证沼气池内氧气的充足，促进菌种生长繁殖。
4.气体处理–沼气收集：通过管道将产生的沼气收集到储气罐中。
–沼气利用：将沼气用于生活、工业、农业领域，实现资源化利用。
沼气发酵的工艺培训对于进行沼气发酵工艺的人员来说，必须掌握相关的培训知识，以下是一些培训内容建议：1.基本原理培训–深入了解沼气发酵的基本原理，包括反应机理、菌种选择等。
2.工艺流程培训–熟悉沼气发酵的工艺流程，包括原料处理、发酵系统建设、气体处理等。
3.操作技能培训–掌握发酵过程中的操作技能，包括温度、PH值的调控，池体搅拌通气等。
4.安全生产培训–学习沼气发酵过程中的安全操作技能，防止事故发生。
结语沼气发酵是一种环保、可持续的能源生产技术，通过深入了解沼气发酵的基本原理和工艺流程，且接受相关的培训，可以有效提高沼气生产的效率和质量。
希望本文对读者在沼气发酵领域有所帮助。
沼气发酵原理和方法
沼气发酵原理和方法沼气发酵沼气发酵是科学综合多重利用有机废弃物的形式，因为在利用贮藏于其中的生物能以后，发酵残渣中的粗蛋白、粗脂肪、灰分及氨基酸和维生素可作饲料或生产食用菌的原料，最后作为肥料施用。
沼气发酵后的残渣和肥液就是沼气肥，也可直接施用。
(1)沼气发酵的原理。
沼气发酵是有机物在严格嫌气条件下，由多种厌氧性异养型微生物参与，产生沼气的过程。
一般认为，沼气发酵存在有机物分解反应和沼气生成反应。
参与前一反应的微生物主要是厌氧性发酵细菌，包括纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质氨化菌、脂类水解菌和其他厌氧细菌及产乙酸细菌等。
在这些微生物的作用下，复杂的有机物被转化为简单的有机酸、醇、酮、 H2和CO2等，为产甲烷细菌提供了生长基质和产生CH4的底物。
参与后一反应的微生物是严格专一性厌氧细菌，即产甲烷细菌，将第一阶段产生的不同分解程度的产物(如乙酸、甲酸等低级醇酸类以及CO2和H2等)转变为沼气，例如：(2)沼气发酵的条件。
嫌气：产甲烷细菌属绝对厌氧细菌，在空气中几分钟就会死亡，实践中通过水层和严密的沼气池来隔绝空气，为其创造生存条件。
营养：厌氧性发酵细菌能从发酵材料中取得营养，但产甲烷细菌只能从简单的脂肪酸和醇中取得碳源和能源，从铵态氮中取得氮源。
氮的最低需要量约为有机碳的2．5％，磷酸盐的需要量约为氮的20％。
发酵液中氨的浓度宜在0.01％~0.10％之间，故要注意控制材料中的C/N，一般以25~30:l最佳。
温度：沼气发酵有高温型(47~55℃)、中温型(30~38℃)和常温型(10~30℃，也称自然温度发酵)3种；发酵液日产气量相应为5～6m3、2—3m3及0.1—0.5 m3。
当池温低于15℃产气就差，3℃以下基本不产气。
故需从建池、配料、管理等方面人手，尽量提高池温，以利于产气。
水分：足够的水分是创造严格嫌气条件的重要手段，但过多过少均不相宜。
发酵材料和水的比例，夏季以8～10:92～90，冬季以15:85为宜。
9章 沼气发酵
固废处理与利用 Treatment and Utilization of Solid Waste
一、沼气发酵的影响因素 （一）厌氧环境
产甲烷菌繁殖的最基本条件之一——无氧环境
高温沼气发酵条件下，适宜的E为-560~600mV; 中温和常温沼气发酵条件下，适宜的E为-300~350mV
为了保证厌氧条件，必须修建严格密闭的沼气发 酵池，绝对不能漏水漏气。 问题：沼气池中的好氧细菌对厌氧环境有何贡献？
有 机 物 (C 、 N、O、H、 P、S等)
细胞物质(微生物繁殖) 细胞物质 有机酸、醇类、 CO2 、 H2S、NH3、能量 CO2 、 CH4 等 ， 能量
酸性发酵阶段
ymhuang1971@
碱性发酵阶段
资源环境学院
College of Resources and Environment
资源环境学院
College of Resources and Environment
固废处理与利用 Treatment and Utilization of Solid Waste
第九章 沼气发酵 （Anaerobic Digestion）
掌握沼气发酵的微生物学过程及影响沼气发酵 的因素。 掌握沼气发酵的物料配比方法，水压式沼气池 的主要构造和工作原理，检查沼气池密封性的 方法。 了解沼气池的类型及其工艺流程。 了解沼气池的设计参数等。
3 COD ( kg / m ) 沼气池进料中 浓度 3 COD有机负荷率 kg / m d 水力滞留期(d )
2.水力负荷 每单位体积沼气池每天所承受发酵料液的体积，单位是 m3 /(m3 ·d)。 大小与有机物的浓度有关：浓度高则水力负荷低。
ymhuang1971@
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（3）厌氧生物滤池
AF内厌氧污泥的保留方式有两种：
① AF内固定的填料表面形成生物膜； ② 在填料之间细菌聚集呈絮状。
厌氧滤池的优点
• 生物固体浓度高，有机负荷高；
• SRT长，可缩短HRT，耐冲击负荷能力强 • 启动时间较短，停止运行后的再启动也较 容易； • 无需回流污泥，运行管理方便；
• 运行稳定性好；
（2）浮罩式沼气池
浮罩式沼气池是将发酵间产生的沼气用浮 沉式气罩储存起来。一般有：
• 活动浮罩式沼气池 • 分离浮罩式沼气池
• 浮罩式沼气池由水封池和气罩两部分组成。 当沼气向上压力大于气罩自重和配重时， 气罩将沿水封池内壁的导向轨道上升，直 到平衡为止；当用气时，气罩内压力下降， 气罩也随之下沉。
第一阶段 水解酸化阶段：复杂的大分子、 不溶性有机物在微生物胞外酶作用下水解 成简单的可溶性小分子有机物，然后这些 简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧 发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等挥 发性有机酸和醇类、醛类等。
第二阶段，产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸 菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段 产生的中间产物，如丙酸、丁酸等脂肪酸 和醇类转化成乙酸、H2和CO2。 第三阶段，产甲烷阶段。产甲烷菌利用乙 酸、乙酸盐、H2和CO2产生甲烷。
缺点：容易堵塞。
（4） 上流式厌氧污泥床
将厌氧消化与固气-液三相分离集 中在一起。
• 整个UASB由底部进水区、池内反应区、气 -固-液三相分离器、沼气罩、出水区。
• 在反应区，下部为颗粒污泥床，上部为悬 浮污泥层。
UASB的特点
• 污泥的颗粒化使反应器内的平均浓度为50g VSS/L， 污泥龄一般为30d以上。 • 反应器的水力停留时间相应较短，反应器具有很高 的容积负荷。 • 不仅适合于处理高、中浓度的有机工业废水，也适 合于处理低浓度的城市污水。 • UASB反应器集生物反应和沉淀分离于一体，结构紧 凑，构造简单，操作运行方便。 • UASB处理系统不设机械搅拌设施，上升的水流和 产生的沼气使污泥进行自身回流，因而动力消耗低。 反应器内不需要装填料，节省了费用，构造简单， 便于管理。
常见的同型产乙酸细菌
• 伍迪乙酸梭菌
• 威林格乙酸梭菌 • 乙酸梭菌 • 威林格乙酸杆菌
2、产甲烷菌
产甲烷菌是一群形态多样，具有特殊细胞成 分，可以代谢H2和CO2及少数几种简单有 机物生成甲烷的严格厌氧古菌。
食氢产甲烷菌 是乙酸产甲烷菌
产甲烷菌在厌氧条件下将前三群不产甲烷 细菌代谢的产物，在没有外源氢受体的情 况下，把乙酸和H2/CO2---CH4、CO2和水， 使有机物在厌氧条件下的分解作用得以顺 利完成。
甲烷的消耗有两种途径，在大气中与对羟自 由基反应被清除，在土壤中被甲烷氧化菌 氧化。
三、地球上甲烷的产生和分解量
在自然环境条件下，甲烷含量应处于“源 汇”平衡的状态。但在过去200年中，大气 中甲烷含量增长了一倍多，对流层甲烷浓 度呈线性上升趋势。
四、地球上甲烷引起的温室效应
温室效应是指大气中能使太阳短波辐射达 到地面，但地表向外放出的长波热辐射却 被大气吸收，这样就使得地表与低层大气 温度增高。
（二）大中型沼气工程的发展与现状
1、大中型沼气工程国内概况
• 20世纪60年代初期，出现第一个大型沼气 发酵装臵-南阳酒精厂。
• 经历了由小到大（单位上万立方米），由 少到多，由低效消化池到高效厌氧消化系 统的发展历程。
2、大中型沼气工程国外概况
（1）英国
（2）德国 （3）瑞典 （4）奥地利 （5）西班牙 （6）法国
2、三阶段理论
该理论认为产甲烷细菌只能利用一些简单有 机物作为基质，其中主要是一些简单的一 碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及H2、 CO2等，二碳物质中只有乙酸，而不能利用 其他二碳或以上的脂肪酸和甲醇以外的醇 类。长链脂肪酸和醇类必须经过产氢产乙 酸菌转化为乙酸、 H2、CO2等，才能被产 甲烷菌利用。
（2）适宜的料液浓度
（3）产气量、产气速度与产气率
产气率分为
• 原料产气率：单位原料重量在整个发酵过 程中的产气量。 • 料液产气率：单位体积的发酵料液每天产 沼气的数量 • 池容产气率：厌氧消化器单位容积每天生 产沼气的多少，说明厌氧消化器被利用水 平高低。
（4）pH
通常厌氧发酵适宜的pH范围在6.0-6.8，pH 过高或过低都会抑制厌氧微生物的生理活 性，从而限制甲烷的产量。 （5）原料营养钵 厌氧微生物在生长繁殖过程中需按一定的 比例摄取碳、氮磷以及其他微量元素。工 程上主要控制的碳、氮磷比例不完全一致。
发酵细菌将水解产物吸入细胞内，经细胞 内复杂的酶系统的催化下将一部分有机物 转化为代谢产物，排入细胞外的溶液，成 为参与下一阶段生化反应的细菌菌群吸收 利用的基质。
（2）产氢产乙酸细菌
发酵性细菌将复杂有机物分解发酵产生的有 机酸和醇类，除乙酸、甲酸和甲醇外均不 能被产甲烷菌所利用，其余的发酵产物必 须由产氢、产乙酸菌将其分解转化成乙酸、 氢和二氧化碳。
产甲烷菌具有以下特性
• 生长在严格厌氧环境
• 营养特性：利用简单的碳素化合物；利用 铵态氮为氮源；需要某些维生素和微量元 素。 • 偏中性的pH环境 • 生长繁殖缓慢
3、产甲烷细菌与不产甲烷菌的相互作用
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底 物。 ② 不产甲烷菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还 原电位。 ③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有毒物质。 ④ 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了 反馈抑制。 ⑤ 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的 适宜pH。
（二）沼气产生的生理生化机理 1、两阶段理论
• 酸性发酵阶段：主要功能是复杂的有机物 如糖类、脂肪和蛋白质等，在产酸菌（厌 氧或兼性厌氧）的作用下被分解成低分子 的中间产物。 • 产甲烷阶段：又称碱性发酵阶段。产甲烷 菌（专性厌氧菌）利用前一阶段的中间产 物，并将其分解转化为CH4和CO2，同时系 统中有NH4+的存在，使发酵液的pH不断升 高。
二、常见的沼气发酵工艺及装臵
（一）农村户用沼气池
1、装臵类型 沼气池是沼气发酵过程中的核心部分，原 料是发酵罐中最终转化成沼气。
（1）水压式沼气池
• 由发酵间、进料管和水压间三部分组成。
• 工作原理：当有沼气产生后，气体的增多， 池内的气压随之增加，出料间液面和池内 液面形成压力差，将发酵间内的料液压到 出料间，致使内外压力平衡；当用户使用 沼气时池内压力减少，池外出料间的液体 便压回池内，维持新的平衡。
（二）大中型沼气工程
1、装臵类型
（1）全混式厌氧消化池
• 在传统厌氧消化池的基础上使用了搅拌装 臵，使发酵原料与微生物充分接触并处于 完全混合状态，整个消化池均处于活性区。
• 采用连续投料或半连续投料运转，运用于 含有大量悬浮固体的有机废水和废物。
（2）接触式厌氧工艺
• 在参考好氧活性污泥法的基础上，在高速 消化池后增设二沉池和污泥回收系统，并 将其应用于有机废水的处理。
主要反应过程
• 丙酸 CH3CH2COOH+2H2O----CH3COOH+CO2+3H2
• 丁酸 CH3CH2CH2COOH+2H2O----2CH3COOH+2H2 • 乙醇 CH3CH2OH+2H2O----CH3COOH+2H2 • 乳酸 CH3CHOHCOOH+H2O----CH3COOH+CO2+H2
（2）二氧化碳
常温下是一种无色无味气体，密度比空气 略大，能溶于水。 （3）硫化氢 有毒气体，微量时具有恶臭，沼气中的臭 味主要来自硫化氢。
二、微生物学原理
（一）沼气产生中的厌氧微生物及其作用
五大生理类群的细菌参与发酵过程： 发酵性细菌 产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌 脱硫弧菌 普通脱硫弧菌 沃尔夫互营单胞菌 沃林互营杆菌
（3）产氢产乙酸细菌
也称同型乙酸菌，这是一类既能自养生活 又能异氧生活的混合营养型细菌。它们既 能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类产 生乙酸。
2CO2+4H2----CH3COOH+2H2O C6H12O6-----CH3COOH
（6）接种物
在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物。
（7）有毒物质
常见的有毒物质如S2-、SO42-、NH3、NH4+、 CN-、Cl-、有机氯化物等。 （8）混合和搅拌
机械搅拌、水力搅拌和沼气搅拌。
第三节 沼气工程技术
一、沼气工程的发展与现状
（一）农村户用沼气发展和现状 ① 初始发展阶段 ② 技术突破和工艺完善阶段 ③ 加快发展阶段
1、不产甲烷菌及其作用
（1）发酵性细菌
发酵性细菌将可溶性物质吸收进入细胞后， 经发酵作用将其转化为乙酸、丙酸、丁酸 脂肪酸和醇类，同时产生一定数量的氢和 二氧化碳。 参与水解反应的发酵性细菌是复杂的混合 菌群，种类繁多。
发酵性细菌的主要功能： 部分水解细菌分泌的胞外水解酶的催化作 用下，将大分子不溶性有机物水解成小分 子的水溶性有机物。
（5）内循环厌氧反应器（IC反应器）
• 可以看作是由两个UASB反 应器串联而成的。第一个 UASB反应器产生的沼气作 为提升的内动力，使升流管 与回流管的混合液产生密度 差，实现下部混合液的内循 环，使出水达到预期的处理 要求。 • 上面的第二个UASB反应器 对废水继续进行后处理，使 出水达到预期的处理要求。
第二节 沼气发酵原理
各种有机质（包括农作物秸秆、畜禽粪便 以及农业排放废水中所含的有机物等）在 厌氧及其他适宜的条件下，通过微生物的 作用，做种转化成沼气，完成这一复杂的 过程，即为沼气发酵。
一、沼气的理化性质
（1）甲烷
• 甲烷是无色、无味、可燃和微毒气体。
• 甲烷燃烧产生明亮的蓝色火焰，然而有可 能偏绿。 CH4+O2=CO2+2H2O+890KJ