产生沼气的基本原理

产生沼气的基本原理

1 沼气定义

沼气是指利用人畜粪便、秸秆、污泥、工业有机废水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧(没有氧气)条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种高效、清洁燃料，是各种有机物质在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下甲烷(CH4 )约占所产生的各种气体的50~70%，二氧化碳(CO2)约占30~40%,此外还有少量氢(H2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)等。

在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和综合利用生物质能的最有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。

我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；工业废水和禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右（相当于3.5亩森林植被），折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显著的防治效果。

2 沼气产生的基本原理

沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段，见

图

图 1 沼气产生过程示意图

第一阶段（液化阶段）：发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。

第二阶段（产酸阶段）：这个阶段是发酵性细菌将小分子化合物将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把其转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。第三阶段（产甲烷阶段）：产甲烷细菌群，利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。

沼气发酵的3个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用。在沼气发酵后期，则是3个阶段的作用同时进行，一定时间后，保持一定的动态平衡持续正常的产气。

3 沼气产生的条件

人工制取沼气必须具备两个条件：第一，必须具备严格的厌氧环境；第二，具备充足的发酵原料和足够的沼气接种物，而且具有适宜的发酵浓度、温度和酸碱度等。

3.1 适宜的温度

沼气池内的发酵温度是影响沼气产生和产气率高低的关键因素，在一定范围内，温度高，沼气微生物的生命活动活跃，发酵顺利进行，沼气产生得快，产气率也高；温度低，沼气微生物活动力差，原料的产气速率差，甚至长时间不产气。

根据发酵温度的高低可分为常温发酵、中温发酵、高温发酵三种。高温发酵，最适宜的温度是50-60℃，每1立方米池容，日产气2立方米以上；中温发酵最适宜的温度是30-35℃，每1立方米池容，日产气0.4-0.9立方米；常温发酵的温度是10-30℃，每1立方米池容，一般日产气量为0.1-0.25立方米[42,43]。温度虽然对沼气细菌的活动影响很大，但是多数沼气细菌是属于中温型的，一般最适合温度是在25-40℃之间，在此温度范围内，温度越高，发酵越好。但在普通沼气池中，保持较高温度是有一定困难的，如能经常维持在30℃左右，就很理想了。

由于沼气发酵需要一定的温度，由于冬季寒冷漫长，气温、地温低，原料分解率低，沼气的生产存在产气率低、使用率低、沼气使用综合效益差等问题，图 2是温度对产气率的影响，产气量是以每立方米池容中温厌氧消化在35℃时等于100L换算。

我国农村家用沼气池多建于地下，受地温影响很大，一般池内发酵原料温度基本都保持在10-30℃之间。寒冷地区冬季气温低，使池内温度随之降低，如果低于10℃以下就不能正常产气，必须采取保温和增温措施，保证沼气微生物的正常活动，以利于正常产气。

3.2 碳氮比、适宜的发酵原料

在沼气发酵过程中，发酵原料既是产生沼气的基质，又是沼气发酵微生物赖以生存的养料来源。沼气发酵原料十分广泛和丰富，除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都可以作为沼气发酵的原料，例如农作物秸秆，人、畜和家禽粪便，生活污水，工业和生活有机废物等。根据沼气发酵原料的化学性质和来源，可以分为以下几类：

富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便，这类原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量低分子化合物——人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时，它们不必进行预处理，就容易厌氧分解，产气很快，发酵期较短。

富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残余物，这类原料富含纤维素、半纤维、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质。干物质含量比富氮的粪便原料高，且质地疏松，比重小，进沼气池后容易飘浮形成发酵死区——浮壳层，发酵前一般需经预处理。富碳原料厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长。

氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料，碳素则构成微生物细胞质，而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25-30倍。因此，在其他条件都具备的情况下，碳氮比例配成25-30:1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。如果比例失调，就会使产气和微生物的生命活动受到影响。因此，制取沼气不仅要有充足的原料，还应注意各种发酵原料碳氮比合理搭配。

3.3 严格的厌氧环境

沼气微生物的核心菌群——产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要空气，空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。产甲烷菌只能在严格厌氧的环境中才能生长。所以，修建沼气池，要严格密闭，不漏水，不漏气，这不仅是收集沼气和贮存沼气发酵原料的需要，也是保证沼气微生物在厌氧的生态条件下生活得好，使沼气池能正常产气的需要。

3.4 PH值与碱度

沼气微生物的生长、繁殖，要求发酵原料的酸碱度保持中性，或者微偏碱性，过酸、过碱都会影响产气。测定表明，酸碱度在pH＝6-8之间，均可产气，以pH＝6.5-7.5产气量最高，