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沼氣含義 

    沼氣沼氣，顧名思義就是沼澤里的氣體。人們經?？吹?，在沼澤地、污水溝或糞池里，有氣泡冒出來，如果我們劃著火柴，可把它點燃，這就是自然界天然發生的沼氣。沼氣，是各種有機物質，在隔絕空氣（還原條件），并必適宜的溫度、濕度下，經過微生物的發酵作用產生的一種可燃燒氣體。 

    人工下井清掏化糞池沼氣成分組成 

    沼氣的主要成分是甲烷。沼氣由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(CO2)、0％～5％氮氣(N2)、小于1％的氫氣(H2)、小于0．4％的氧氣(O2)與0．1％～3％硫化氫(H2S)等氣體組成 。由于沼氣含有少量硫化氫，所以略帶臭味。其特性與天然氣相似。空氣中如含有8.6～20.8％（按體積計）的沼氣時就會形成爆炸性的混合氣體。 

    沼氣的主要成分甲烷是一種理想的氣體燃料，它無色無味，與適量空氣混合后即對燃燒。每立方米純甲烷的發熱為 34000千焦，每立方米沼氣的發熱量約為20800－23600千焦。即1立方米沼氣完全燃燒后，能產生相當于0.7千克無煙煤提供的熱量。與其它燃氣相比，其抗爆性能較好，是一種很好的清潔燃料。沼氣除直接燃燒用于炊事、烘干農副產品、供暖、照明和氣焊等外，還可作內燃機的燃料以及生產甲醇、福爾馬林、四氯化碳等化工原料。經沼氣裝置發酵后排出的料液和沉渣，含有較豐富的營養物質，可用作肥料和飼料。 

   人工下井清掏化糞池 沼氣的發現與沼氣發酵的發展 

    沼氣是由意大利物理學家A.沃爾塔于1776年在沼澤地發現的。1916年俄國人Β.П.奧梅良斯基分離出了株甲烷菌（但不是純種）。中國于1980年首次分離甲烷八疊球菌成功。目前世界上已分離出的甲烷菌種近20株。 

    世界上個沼氣發生器（又稱自動凈化器）是由法國L.穆拉于1860年將簡易沉淀池改進而成的。1925年在德國、1926年在美國分別建造了備有加熱設施及集氣裝置的消化池，這是現代大、中型沼氣發生裝置的原型。第二次世界大戰后，沼氣發酵技術曾在西歐一些國家得到發展，但由于廉價的石油大量涌入市場而受到影響。后隨著世界性能源危機的出現，沼氣又重新引起人們重視。1955年新的沼氣發酵工藝流程──高速率厭氧消化工藝產生。它突破了傳統的工藝流程，使單位池容積產氣量(即產氣率)在中溫下由每天1立方米容積產生0.7～1.5立方米沼氣提高到4～8立方米沼氣，滯留時間由15天或更長的時間縮短到幾天甚至幾個小時。 

    中國于20世紀20年代初期由羅國瑞在廣東省潮梅地區建成了個沼氣池隨之成立了中華國瑞瓦斯總行以推廣沼氣技術。目前中國農村戶用沼氣池的數量達 1300萬座。而高速率厭氧消化工藝生產性試驗裝置已在糖廠和酒廠正常運行。 

    沼氣發酵 

    1 沼氣發酵微生物（聯想 細菌之間的關系：促進、抑制、競爭等） 

    沼氣發酵微生物是一個統稱，包括發酵性細菌、產氫產乙酸菌、耗氫產乙酸菌、食氫產甲烷菌、食乙酸產甲烷菌五大類群。五大類群細菌構成一條食物鏈，從各群細菌的生理代謝產物或它們的活動對發酵液pH值的影響來看，沼氣發酵過程可分為水解、產酸和產甲烷階段。前三類群細菌的活動可使有機物形成各種有機酸，因此，將其統稱為不產甲烷菌。后二類群細菌的活動可使各種有機酸轉化成甲烷，因此，將其統稱為產甲烷菌。 

    （1）不產甲烷菌 

    不產甲烷菌能將復雜的大分子有機物變成簡單的小分子量的物質。它們的種類繁多，根據作用基質來分，有纖維分解菌、半纖維分解菌、淀粉分解菌、蛋白質分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的細菌，如產氫菌、產乙酸菌等。 

    （2）產甲烷菌 

    產甲烷菌是沼氣發酵的主要成分--甲烷的產生者。是沼氣發酵微生物的核心，它們嚴格厭氧，對氧和氧化劑非常敏感，適宜的pH值范圍為中性或微堿性。它們依靠二氧化碳和氫生長，并以廢物的形式排出甲烷，是要求生長物質簡單的微生物。 

    2. 沼氣發酵的原理 （聯想 微生物生長代謝） 

    沼氣發酵又稱厭氧消化 ，是指各種有機物在厭氧條件下 ，被各類沼氣發酵微生物 分解轉化 ，終生成沼氣的過程。目前為大家所公認的沼氣發酵的過程如圖所示: 

    (說明：① I、I I為三階段理論，②I、II、II、IV、為四類群理論 ) 

    3.三階段理論 

    3.1 沼氣發酵過程的液化階段 

    用作沼氣發酵原料的有機物種類繁多，如禽畜糞便、作物秸稈、食品加工廢物和廢水，以及酒精廢料等，其主要化學成分為多糖、蛋白質和脂類。其中多糖類物質是發酵原料的主要成分，它包括淀粉、纖維素、半纖維 素、果膠質等。這些復雜有機物大多數在水中不能溶解，必須首先被發酵細菌所分泌的胞外酶水解為可溶 性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后，才能被微生物所吸收利用。發酵性細菌將上述可溶 性物質吸收進入細胞后，經過發酵作用將它們轉化為乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類及一定量的氫、二氧化碳。在沼氣發酵測定過程中，發酵液中的乙酸、丙酸、丁酸總量稱為中揮發酸(TVA)。蛋白質類物質被發酵性細菌分解為氨基酸，又可被細菌合成細胞物質而加以利用，多余時也可以進一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氫等。蛋白質含量的多少，直接影響沼氣中氨及硫化氫的含量，而氨基酸分解時所生成的有機酸類，則可繼續轉化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂類物質在細菌脂肪 酶的作用下，首先水解生成甘油和脂肪酸，甘油可進一步按糖代謝途徑被分解，脂肪酸則進一步被微生物分解為多個乙酸。 

    3.2 沼氣發酵過程的產酸階段 

    3．2．1 產氫產乙酸菌 

    發酵性細菌將復雜有機物分解發酵所產生的有機酸和醇類，除甲酸、乙酸和甲醇外 ，均不能被產甲烷菌所利用，必須由產氫產乙酸菌將其分解轉化為乙酸、氫和二氧 化碳。 

    3．2．2 耗氫產乙酸菌 

    耗氫產乙酸菌也稱同型乙酸菌，這是一類既能自養生活能異養生活的混合營養型細菌。它們既能利用 Hz+c0z生 成 乙酸 ，也能代謝產生乙酸。通過上述微生物的活 動，各種復雜有機物可生成有機酸和Hz／c0z等。 

    3．3 沼氣發酵過程中的產甲烷階段 

    3．3．1 產甲烷菌的類群 

    產甲烷菌包括食氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌兩大類群。在沼氣發酵過程中，甲烷 的形成是由一群生理上高度專業化的古細菌一產甲烷菌所引起的，產甲烷菌包括食 氫產甲烷菌和食乙酸產甲烷菌，它們是厭氧消化過程食物鏈中的后一組成員，盡 管它們具有各種各樣的形態，但它們在食物鏈中的地位使它們具有共同的生理特性。它們在厭氧條件下將前三群細菌代謝終產物，在沒有外源受氫體的情況下把乙酸 和 H2／CO2。轉化為氣體產 生-CH4／CO2，使有機物在厭氧條件下的分解作用以順利完成。目前已知的甲烷產生過程由以上兩組不同的產甲烷菌完成。 

    ① 由C02和H2產生甲烷反應為 ：C02+4H4—CH4+ H20 

    ② 由乙酸或乙酸化合物產生甲烷反應為： 

    CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3 

    3．3．2 產甲烷菌的生理特性 

    ① 產甲烷菌的生長要求嚴格厭氧環境 

    產甲烷菌廣泛存在于水底沉積物和動物消化道等極端厭氧的環境中。 

    ② 產甲烷菌食物簡單產甲烷菌只能代謝少數幾種碳素底物生成甲烷。 

    ③ 產甲烷菌適宜生存在pH值中性條件下 

    ④ 產甲烷菌生長緩慢 

    下圖為沼氣發酵中食物鏈和能量的分配圖： 

    4四類群理論 

    有人按生物化學轉化過程(如下圖)將發酵過程分為: 

    ①水解作用:由棱菌屬、擬桿菌屬等細菌將碳水化合物和蛋白質等大分子有機質降解為小分子有機化合物，如葡萄糖、氨基酸等； 

    ②發酵作用：由梭菌屬、擬桿菌屬及其他細菌（如乳酸菌類、丙酸桿菌屬）進一步將水解的產物降解為小分子的醇類、有機酸類、二氧化碳、氫氣、氨氣等； 

    ③產乙酸和產氫作用：把發酵作用所產生的小分子醇類和一些脂肪酸降解為乙酸、甲酸、二氧化碳和氫。人們對這類細菌了解尚少，甚至連種、屬都還沒有明確。但已肯定這類細菌所產生的氫對其自身進一步生長繁殖有抑制作用。因此，產乙酸和氫的細菌，必須與能利用氫的細菌，如產甲烷細菌和伍氏乙酸桿菌等共同生存； 

    ④產甲烷作用：由產甲烷細菌將前3階段所產生的氫氣、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺類等轉化為甲烷。產甲烷細菌形態多樣，但生理特性卻大致相同，在缺氧條件下，均以甲烷為主要代謝產物。 

    沼氣發酵微生物之間的生態關系 

    在沼氣發酵過程中，不產甲烷細菌和產甲烷細菌之間，相互依賴，互為對方創造與維持生命活動所需要的良好環境條件，但它們之間又互相制約，在發酵過程中總處于平衡狀態。它們之間的主要關系表現在下列幾方面： 

    ①不產甲烷細菌為產甲烷細菌提供生長和產甲烷所需要的基質 

    ②不產甲烷細菌為產甲烷細菌創造了適宜的氧化還原電位條件 

    ③不產甲烷細菌為產甲烷細菌清除了有害物質 

    ④產甲烷細菌又為不產甲烷細菌的生化反應解除了反饋抑制 

    ⑤不產甲烷細菌和產甲烷細菌共同維持環境中適宜的pH值 

    5 . 發酵工藝 

    根據發酵原料和發酵條件的不同，所采用的發酵工藝也多種多樣。 

    5．1 沼氣發酵的基本工藝流程 

    一個完整的大中型沼氣發酵工程 ，無論其規模大小，都包括了如下的工藝流程：原料(廢水)的收集、預處理、消化器(沼氣池)、出料的后處理和沼氣的凈化與儲存 等，如下圖所示 ： 

    5．2 沼氣發酵工藝的基本條件 （聯想微生物培養條件和培養基的制備） 

    （1） 適宜的發酵溫度 

    沼氣池的溫度條件分為：①常溫發酵 (也稱為低溫發酵)10℃～30℃，在這個溫度條件下，產氣率可為0．15～0．3 m3／m3•d。② 中溫發酵 30℃～ 45℃，在這個溫度條件下，池容產氣率可達1m3 ／m3•d左右。③高溫發酵45℃～ 6O℃，在這個溫度條件下，池容產氣率可達2～2．5 m3／m3•d左右。沼氣發酵經濟的溫度條件是35℃ ，即中溫發酵。 

    （2）適宜的發酵液濃度 

    發酵液的濃度范圍是2～30% 。濃度愈高產氣愈多。發酵液濃度在20%以上稱為干發酵。農村戶用沼氣池的發酵液濃度可根據原料多少和用氣需要以及季節變化來調 整。夏季以溫補料濃度為5～6%；冬季以料補溫10～ 12%。 

    （3） 發酵原料中適宜的碳、氮比例(C：N) 

    沼氣發酵微生物對碳素需要量多，其次是氮素，我們把微生物對碳素和氮素的需 要量的比值，叫做碳氮比，用 C：N來表示。目前一般采用C：N=25：1。但并不十 分嚴格，20：1、25：1、30：1都可正常發酵 。 

    （4） 適宜的酸堿度(pH值) 

    沼氣發酵適宜的酸堿度為pH=6．5～7．5 。pH值響酶的活性，所以影響發酵速率。 

    （5） 足夠量的菌種 

    沼氣發酵中菌種數量多少，質量好壞直接影響著沼氣的產量和質量。一般要求達到 發酵料液總量的10～30%，才能保證正常啟動和旺盛產氣。 

    （6） 較低的氧化還原電位(厭氧環境) 

    沼氣甲烷菌要求在氧化還原電位大于一330mv的條件下才能生長。這個條件即：嚴 格的厭氧環境。所以，沼氣池要密封。 

    [編輯本段]沼氣的利用及前景 

    1沼氣傳統利用和綜合利用技術 

    沼氣作為能源利用已有很長的歷史。我國的沼氣初主要為農村戶用沼氣池，20世紀70年代初，為解決的秸稈焚燒和燃料供應．不足的問題，我國政府在農村推廣沼氣事業，沼氣池產生的沼氣用于農村家庭的炊事來逐漸發展到照明和取暖。目前，戶用沼氣在我國農村仍在廣泛使用。我國的大中型沼氣工程始于1936年，此后，大中型廢水、養殖業污水、村鎮生物質廢棄物、城市垃圾沼氣的建立拓寬了沼氣的生產和使用范圍。隨著我國經濟發人民生活水平的提高，工業、農業、養殖業的發展，大廢棄物發酵沼氣工程仍將是我國可再生能源利用和環護的切實有效的方法。 

    自80年代以來建立起的沼氣發酵綜合利用技術沼氣為紐帶，物質多層次利用、能量合 理流動的高效農產模 式 ，巳逐漸成為我國農村地區利用沼氣技術促進可持續發展的有效方法。通過沼氣發酵綜合利用技術沼氣用于農戶生活用能和農副產品生產、加工 ，沼液用料、飼料、生物農藥 、培養料液 的生產，沼渣用于肥料、的生產，我 國北方推廣的塑料大棚、沼氣池、禽畜舍和相結合的“四位一體 ”沼氣生 態農業模式、中部地區的以沼氣為紐帶的生態果園模式、南方建立的“豬一果”模式 、以及其他地 區因地制宜建立的“養殖一沼氣植”、“豬一沼一魚”和 “草一牛一沼” 等模式都是以業為龍頭，以沼氣為紐帶，對沼氣、沼液、沼渣的多層次利用的生態農業模式，沼氣發酵綜合利用生態農業模建立使農村沼氣和農業生態緊密結合起來，是改善農村環境衛生的有效措施，是發展綠色種植業、養殖業的有效途徑 ，已成為農村經濟新的增長點。 

    2沼氣發電技術 

    沼氣燃燒發電是隨著大型沼氣池建設和沼氣綜合利用的不斷發展而出現的一項沼氣利用技術，它將厭氧發酵處理產生的沼氣用于發動機上，并裝有綜合發電裝置，以產生電能和熱能。沼氣發電具有創效、節能、安全和環保等特點，是一種分布廣泛且價廉的分布式能源。 

    沼氣發電在發達國家已受到廣泛重視和積極推廣。生物質能發電并網在西歐一些國家占能源總量的10%左右。 

    我國沼氣發電有30多年的歷史，在“十五”期間研制出20～600kW純燃沼氣發電機組系列產品，氣耗率0．6～0．8m0／kw h(沼氣熱值 ~>21MJ／m0)。但國內沼氣發電研究和應用市場都還處于不完善階段，特別是適用于我國廣大農村地區小型沼氣發 電技術研究更少，我國農村偏遠地區還有許多地方嚴重缺電，如牧區、海島、偏僻山區等高壓輸電較為困難，而這些地區卻有著豐富的生物質原料。如能因地制宜地發展小沼電站，則可取長補短就地供電。 

    3沼氣燃料電池技術 

    燃料電池是一種將儲存在燃料和氧化劑中的化學能， 直接轉化為電能的裝置。當源源不斷地從外部向燃料電池供 給燃料和氧化劑 時，它可以連續 發電。依據 電解質的不同，燃料電池分為堿性燃料電池(AFC)等。 

    燃料電池不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，潔凈、無污染、噪聲低，模塊結構、積木性強、比功率高，既可 以集中供電，也適合分散供電。 燃料電池將是21世紀有競爭力的高效、清潔的發電方式 ，它將在潔凈煤燃料電站 、電動汽車、移動 電源、不間斷電源、潛艇及空間電源等方面 ，有著廣泛的應用前景和巨大的潛在市場。 

    沼氣燃料電池是新出現的一種清潔、高效、低噪音的 電裝置 ，與沼氣發電機發電相比，不僅出電效率和能量利用率高，而且振動和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低 ，因此是很有發展前途的沼氣利用工藝，將沼氣用于燃料 電池發電，是有效利用沼氣 資源的一條重要途。我國的燃料電池研究始于1958年。但是 ，由于多年來在燃料電池研究方面投入資金數量很少，就燃料電池技術的總體水平來看，與發達國家尚有較大差距。燃料電池的出現與發展，將會給便 攜式電子設備帶來一場深刻 的革命，并且還會波及到汽車業、住宅以及社會各方面的集中供電系統 。 

    4污染治理 

    對于以農業為主的中國，沼氣技術在農業領域正發揮著很大的作用，目前，國家制定法律法規中有許多發展農村沼氣的有關政策規定，并在全國各地大力推動大中型沼氣工程建設，并且進一步提高設計、工藝和 自動控制技術水平。預計到2015年 ，處理工業有機廢水的大中型沼氣工程達2500座 ，形成年 生產沼氣能力40億立方米 ，相當于 343萬噸標準煤 ，年處理工業有機廢水37500萬立方米 。農業廢棄物沼氣工程到2015年累計建成近4100個，形成年生產沼氣能力4.5億立方米 ，相當于58萬噸 標準煤 ，年處理 糞便 量1．23億噸 ，從而解決全國集約化養殖場的污染治理問題 ，使糞便得到資源化利用。 

    中國發展沼氣產業的現實意義 

    沼氣是可再生的清潔能源，既可替代秸稈、薪柴等傳統生物質能源，也可替代煤炭等商品能源，而且能源效率明顯高于秸稈、薪柴、煤炭等。 

    中國農業資源和環境的承載力十分有限，發展農業和農村經濟，不能以消耗農業資源、犧牲農業環境為代價。農村沼氣把能源建設、生態建設、環境建設、農民增收鏈接起來，促進了生產發展和生活文明。發展農村沼氣，優化廣大農村地區能源消費結構，是中國能源戰略的重要組成部分，對增加優質能源供應、緩解國家能源壓力具有重大的現實意義。沼氣知識的普及和應用并非紙上談兵，是一個任重而道遠的過程！