沼气发酵原理及其作用

沼气发酵原理及其作用

彭武厚陆鑫

[摘要]本文从沼气称呼谈起，把沼气发酵原理及作用进行简单陈述，指出沼气发酵是有机废物的处理手段，是生物质能转化的重要技术，搞好沼气发酵有利于环境净化，有利于能源结构的改变。

[关键词]沼气、沼气发酵、废物处理、工程管理。

Principle and Application of the Methane Fermentation

Peng Wuhou LuXin

(Shanghai Meijing Environmental Protection engineering Co. Ltd., shanghai, 200032) Abstract:

This paper begins with the name of “methane”. Principle and application of the methane fermentation are stated briefly. It is indicated that methane fermentation is one of the disposal method of organic waste. It is one important technology of the biological matter energy conversion. Make methane fermentation well done will benefit the environmental cleansing and be good for the energy structure transform.. Key words:methane, methane fermentation, waste disposal, engineering management

沼气发酵（Biogas Fermentation、Methane Fermentation）又称厌氧消化（Anaerobic Digestion）是在厌氧的环境中，微生物分解有机物最终生成沼气的过程。其产品是沼气和发酵残留物。本文从沼气的

第一作者简介

彭武厚，教授级高工，国务院特殊津贴享受者，现任上海美境环保工程有限公司总工程师，兼任中国生物质能技术开发中心副理事长、中国太阳能学会生物质能专委会理事，著有“沼气技术问答”、“沼气技术手册”等书籍，发表相关论文60余篇。

称呼谈起，继而把沼气发酵的原理和作用作一简单介绍，供从事沼气发酵的工作者参考。

1. 沼气的称呼及成分

沼气是一种可燃性气体，随着其产生的地点和原料的不同有着多种称呼（表1）；最通常的称呼是沼气（Marsh gas）和生物气（Biogas）。

表1 沼气的来源及命名

注：本表与下述的几张表格内容摘自郭梦云、彭武厚编著的“沼气

技术手册”，略作修改。

沼气与自然界存在的天然气在成分、热值和制取方法上也有不同（表2）；在热值方面，天然气一般较沼气高出30%左右。

表2 沼气与天然气的差异

沼气的成份是个变量，其含量受发酵条件、工艺流程、原料性质等因素的影响。一般沼气中含甲烷（CH4）55～70%，二氧化碳（CO2）25～40%，还有少量的硫化氢（H2S）、氮气（N2）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）等有时还含少量的高级碳氢化合物（CmHn），测定值见表3。

表3 沼气成分的实测值

注：表中地区的数字是猪场粪污为原料，64口农村沼气的平均值。

2．沼气发酵原理

沼气发酵与味精发酵、柠檬酸发酵不同，有着许多独特的特点。表4列出了沼气发酵的几个特点，从而看到，许多的有机废物与废水均可作为沼气发酵原料，达到处理废物与废水产生沼气、降低COD 的目的。

表4 沼气发酵的特点

沼气发酵的过程十分复杂，国内外许多部门与专家投入了研究，有过二阶段论，三阶段论甚至四阶段论的说法（表5）。逐步把发酵过程的一些现象进行了阐述。

表5 沼气发酵过程的阶段性

对于四阶段论还可用下图方式于以表述；

图1，有机物厌氧消化生成沼气过程

（1）发酵性细菌（2）产氢产乙酸细菌

（3）同型产乙酸菌（4）利用H2和CO2的产甲烷菌（5）分解乙酸的产甲烷菌

从图1中可以看到，复杂有机物首先在水解性细菌的水解酶作用

下，生成相应构成复杂有机物的单位物质如单糖、脂肪酸、氨基酸等，继而在水解性细菌胞内酶的作用下，分解生成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇以及CO2和H2等。在有机物厌氧消化生成甲烷的过程中，第二类起重要作用的是产氢产乙酸细菌，它们的作用是把丁酸、丙酸、乙醇等转化成乙酸。第三类微生物是产甲烷细菌，它们分别按以下两种途径生成甲烷：

其一是在CO2存在下，利用H2生成甲烷：

4H2+CO2CH4+2H2O

其二是利用醋酸生成甲烷：

CH3COOH CH4+CO2

在甲烷形成过程中，各类反应的比例，可用图2表示，从而看到有机物以COD为表示时，甲烷的形成有72%是经过乙酸途经转化而来。

图2 城市废物、污泥等复杂废物形成甲烷的途径（图中百分数是废物的化学需氧量通过各条途径的转换率）

3．沼气发酵的作用

3.1 沼气发酵是高浓度有机废水及废物的重要处理手段；沼气发酵后病原菌、寄生虫卵可以杀灭，COD可以去除70～95%。据新华社2006年8月26日电（青年报，28日报导）我国废弃物堆积量已近80亿吨，占用和损坏土地200万亩以上，对土壤和水体造成了严重污染。在众多的废物中如畜禽业粪污、酒糟、生活有机垃圾等均可用沼气发酵技术予以处理。应用此技术对减少污物的堆积，环境的清净有重要的作用。

3.2 沼气发酵是开发生物质能源的重要方法；世界上生物质资源非常丰富，据估算全世界陆地和海洋生态中，每年有机物的产量为1640亿吨，其中农业生产量约为7亿多吨，仅北京、上海、武汉、成都四大城市几个行业生物质量每年便有2199万吨。

生物质能的利用技术有沼气发酵、液体燃料油的制取、热解气化、直接燃烧等，其中沼气发酵是效率高、技术成熟的方法，随着“再生能源法”的实施，认真搞好生物质能的开发利用，对改变能源利用结构，减少对矿物燃料的依赖都将会有重要意义。例如上海星火农场把2700头奶牛的粪便进行沼气发酵，产生近3000m3沼气可解决2700户居民炊事用气。又例如江苏太仓新太酒精厂年生产酒精5万吨，产生的酒糟经沼气发酵每天可产生5万m3沼气，可代替50吨煤的作用，可发电7.5万kwh。

3.3 沼气发酵残留物有促进鱼、畜、作物增产的妙用，有机物经厌氧分解，除保存原有营养成份外，还能形成一些生长促进因子，经研究