沼气 Biogas

　　有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。由于这种气体首先在沼泽地被发现，故名。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷50～70％，其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。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。

　　发展概况 　　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）。目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株，中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。

　　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。1985年中国农村户用沼气池的数量达 500万个。目前中国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。

　　发生机理 　沼气由有机物经微生物的厌氧消化而产生，其过程一般可分为水解、酸化和产生甲烷 3个阶段（图 1）。三者相互衔接、交错，并保持动态平衡，一旦条件改变，则需较长时间才能恢复新的平衡。

　　各种甲烷菌主要通过以下两条途径产生甲烷：

乙酸的分解：CH₃COOH→CH₄+CO₂

二氧化碳的还原： CO2+4H₂→CH₄+2H₂O

　　产生甲烷的菌种在自然界普遍存在，池塘的沉积污泥，动物肠胃里的沉积物内都聚集着大量的甲烷菌种。但产生沼气需具备以下基本条件：①足够的发酵原料。主要是有机物料和水分。可分解的有机物经厌氧消化后，其产气量和气体成分可按美国人A.M.巴斯维尔公式计算：

一般每千克有机物干物质只能得到200～600升的沼气。②恰当的碳氮比。不同发酵原料的碳、氮的含量差异很大，需要合理搭配，其计算方法如下：

式中K为所选的碳氮比值。实践表明,沼气发酵可在碳氮比很宽的范围内进行，在以秸秆和牲畜粪便为发酵原料时，其值一般为20～30:1。③一定的酸碱度(pH)。发酵物质的pH在6.8～7.4之间是沼气发酵的最佳范围。④严格的厌氧环境。甲烷菌种属厌氧细菌，对氧气非常敏感，在氧化还原电位高于－0.33伏时（即在一升30℃的水中，氧的含量仅1.48× 10-56分子）甲烷菌就不能繁殖产生甲烷，但并不死亡。⑤适宜的发酵温度。根据甲烷菌对温度的适应性可分为嗜温细菌和嗜热细菌两种，其最佳温度范围分别是30～37℃和55～65℃。⑥苯、醛、酚、铜、镍和合成洗涤剂等有毒物质不能超过允许的浓度。

　　沼气生产 　在不同环境和设备条件下，可采用多种发酵技术发酵工艺类型按温度分有常温、中温和高温；按原料的干物质浓度分有低浓度、标准浓度和高浓度；按发酵级数分有单级和多级等。典型农村户用沼气发生装置的工艺流程见图2。

　　W.罗迪格法即高负荷消化法已有效地应用于大、中型沼气装置。这种方法在中温发酵条件下，单位池容积的有机物负荷量可由原来的1.5～2千克/(米3·日)，提高到3～5千克/（米3·日），消化时间由原来的15～20天缩短为7～10天,其主要特点为：①新鲜污泥和接种污泥在进入消化池前已充分混合；②原料在进入发酵池前已进行预热，使原料温度符合消化温度；③能连续加入新鲜污泥；④提高原料和池内料液的浓度。

　　搅拌方法 　适当搅拌消化池内的发酵物，对于提高有机物的分解速度和分解程度，提高产气率有显著效果，搅拌方法主要有以下几种：①人工搅拌。方法简单，但效果较差，适用于农村小型户用沼气装置。②料液循环搅拌。又称泵循环法。利用液泵，通过管道使池内污泥循环搅动。其设备简单，维修方便；但单位池容积耗能较多，因此常采用间隙搅拌工艺。③机械搅拌。用安装在池内的机具使污泥上下搅动。搅拌机有叶片式、螺旋泵式等。具有单位池容积耗能少的优点，但设备易腐蚀，常用于大型沼气池。④气体搅拌。用气体压缩机将沼气池内的沼气抽出再由池底压入池内搅拌料液。消化污泥便于沉淀和脱水,且主要设备安装在池外，便于维修,单位池容积耗能较少。⑤综合搅拌。大中型沼气装置常将上述搅拌方式配合使用，即称“综合搅拌法”，效果较好。

　　池型 　户用沼气池装置容积一般为4～12立方米。主要有以下几种形式：①水压式沼气池。产生的沼气依靠同池体连通的水压间内液位的升降来贮存及维持其压力。中国的水压式沼气装置池体近似球形,容积较小,埋得浅，且有活动顶盖。池址一般与猪舍、厕所相连结(图3),具有省工、省料、占地面积小、有利于进料和改善环境卫生的特点。但出料困难，沼气稍有渗漏,不便于搅拌,气压波动较大。②浮罩式沼气池。中国分离浮罩式沼气池的贮气浮罩由水泥或塑料等材料制成，并与沼气池体分离。其气压稳定且低，沼气渗漏小，但造价稍高。印度戈巴型沼气池的钢制浮罩置于圆形池口的料液中,既贮气又可转动,并可依靠自身内侧的刮板将料液的浮渣进行破碎和搅动；但由于料液的腐蚀，钢浮罩的寿命仅为2～3年，且浮罩周围料液外露，卫生状况不佳。中国台湾省用镀锌铁板制作的方形浮罩置于沼气池体外圈的水封槽中，使用方便，价格虽高，但浮罩使用寿命可达10年左右，料液也不外露。③袋式沼气池。是一种将发酵原料装入类似圆柱或长方形的塑料袋中进行厌氧消化的沼气装置。安装、使用方便,价格较低,便于商品化生产。中国台湾省1974年研制成的红泥强化聚氯乙烯塑料沼气装置，使用寿命可达10年左右；但易受机械损伤。适宜于气温较高的地区或季节使用。

　　施工工艺 　中国户用水压式沼气池的建筑材料为水泥、砖、砂、石等。施工工艺有多种：①整体现浇施工法。现浇混凝土建池靠模具定型。建成的池体整体性好、相对强度高，尤其适于软土地基和膨胀土地区。既可采用土胎模一次成型，又可采用大开挖、支模现场浇注。施工中应注意确保各部位（特别是池拱）的几何形状和尺寸的准确性，并将混凝土捣实。②砖砌施工法。砌块分混凝土预制块、粘土砖和料石筑砌。采用无模悬砌筑拱法时无需拱架，也不用支模。建造既快又省，但施工技术要求较高。③组合施工法。根据现场土质、材料来源和施工难易程度，分别选用现浇和砌块两种工艺结合施工,可现浇建造池墙,用悬砌法漂砖砌拱；也可用预制块建造池墙，支模现浇混凝土筑拱。④密封层施工。密封层施工是提高沼气池质量的关键。密封层一般作 3层抹灰（每层5毫米）,3层刷浆,再加密封涂料而成。抹灰层要求薄抹重压、推磨平整、层间粘牢、面层抹光、不现砂粒。

　　大、中型沼气装置有常规沼气发酵装置和高速率厌氧消化装置两大类。常规沼气发酵装置的池型主要有卵型、纺锤型和圆柱型。其容积由数百立方米到上万立方米。常用钢筋混凝土结构，也有用钢结构的。建池工艺一般按水工构筑物处理。联邦德国设计的卵型沼气池自1956年开始使用以来，逐渐受到重视。目前比较成熟的高速率厌氧消化装置是厌氧过滤器和厌氧污泥层反应器，适用于低浓度(2％以下)可溶性的有机废水,如糖厂、酒厂和淀粉厂排放的废水。这类装置可增加并保持消化器内厌氧微生物的浓度，增大厌氧菌同新鲜料液的接触面积和机会，从而提高消化能力和产气效果。目前世界上推广应用的最大消化器容积为1.6万立方米。

　　附属设备 　主要包括：①进、出料机械。根据发酵原料的物理性状可选用不同的型式。中国农村已采用人力活塞式泥浆泵和抓料机，分别抽抓池内的稀料和沉渣。大、中型沼气装置则普遍采用各种泥浆泵，如离心式、活塞式、隔膜式、螺杆式等。②沼气内燃机。根据点火方式不同分为火花点燃式发动机和压燃式发动机。其热效率为30～35％。中国对小马力柴油机进行了改装，可使单位马力耗油降低80％左右。③沼气灯和炉具。是利用沼气直接燃烧的设备，大多采用空气式燃烧器。中国定型的沼气炉具热负荷大于8370千焦／小时，结构简单，使用可靠，热效率大于55％。

         沼气 有机固体废物通过厌氧微生物的生物化学反应生成的甲烷等可燃气体。在自然界中沼气多从沼泽底泥中发生，因而得名。

　　概述 　沼气是1663年舒勒发现的，但不知其化学成分。1776年沃尔塔测出沼气中主要成分是甲烷。1875年波波夫发现甲烷的产生过程是一个微生物作用过程。20世纪初，人们开始用厌氧消化法作处理有机废物的试验。第二次世界大战后，沼气由试验逐步转入实际应用。到50年代中期，许多国家开始大规模生产。

　　中国在沼气的开发、利用、推广和研究方面，近几年来取得了成就，受到许多国家的重视，对沼气的制取利用已由试验示范进入有计划地成片推广阶段。现在全国共建成户用沼气池700多万个,有21个县基本上普及了沼气。

　　发酵过程 　沼气是有机物在隔绝空气和保持一定的水分、温度、pH值等条件下，经过微生物的分解作用而产生的。细菌分解有机物的过程,大体分为两个阶段:第一阶段是将复杂的高分子有机物转化为低分子的有机物，如乙酸、丙酸、丁酸等；第二阶段是将第一阶段的产物转化为甲烷和二氧化碳，其反应可用下式表示：在上述过程中，发酵分解是多种细菌共同作用的结果。在第一阶段主要是分解蛋白质、脂肪、碳水化合物的各种细菌起作用。这些细菌一般称为产酸细菌，这个阶段称为酸性发酵期。第二阶段主要是甲烷杆菌、甲烷球菌和甲烷八叠球菌等起作用，称为碱性发酵期。甲烷的产生有以下几种化学反应：

　　①由脂肪酸形成甲烷：

CH3COOH──→CH4＋CO2

4CH3CH2CH2COOH＋2H2O──→

4CH3COOH＋3CH4＋CO2

2CH3CH2CH2COOH＋CO2＋2H2O──→

4CH3COOH＋CH4

　　②由乙醇形成甲烷：

2CH3CH2OH＋CO2──→2CH3COOH＋CH4

　　③由二氧化碳还原形成甲烷：

CO2＋4H2──→CH4＋2H2O

　　为了使发酵过程持续进行，必须提供和保持各种微生物所需的生活条件。

　　沼气制取 　制取沼气必须具备以下条件：①严格的厌氧环境：是保证发酵制取沼气的决定性因素。②充足和适宜的发酵原料：碳氮之比约为25:1为宜。③适宜的干物料浓度：干物料应占7～9％，夏季应含水稍多，冬季含水略少。④适宜的pH值：一般为7.2～7.6。⑤适宜的发酵温度:发酵温度范围5～60℃均可。一般有三种发酵温度：常温发酵温度为22～28℃，中温发酵为37℃左右，高温发酵为50～55℃左右。温度越高，原料消化就越快，产气率和杀灭病菌的效率也就高。中国青岛市采用高温发酵处理粪便，各项指标均可达到国家卫生标准，处理后的粪便也不再孳生蝇蛆。高温发酵和中温发酵需要加热装置，投资较大。美国、印度等许多国家多采用中温发酵。中国农村广泛采用常温发酵，而采用中温发酵的较少。

　　中国农村制取沼气，设备简单，主要是在房后与猪圈、厕所相邻处，建一座6～8立方米混凝土沼气池，使人、畜粪便直接流入池内,再配以少量输气管线即可,结构如图。一般一个五口之家和养两头猪的农户，所排的人、畜粪便，加上每天3～4公斤秸杆发酵制取的沼气，可供烧饭和照明使用。牲畜养殖场则可建较大型的沼气池和沼气发电站。发酵后的物料成为优质有机农肥。

沼气biogas
　　有机物经微生物厌氧消化而产生的可燃性气体。由于这种气体首先在沼泽地被发现，故名。沼气是多种气体的混合物，一般含甲烷 50％～70％ ， 其余为二氧化碳和少量的氮、氢和硫化氢等。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、福沼气动力灌溉尔马林、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。