沼气发酵技术及其发展应用

　　摘要：沼气是由微生物产生的一种可燃性混合气体，是一种理想的优质的气体燃料，其主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等气体。作为重要的可再生资源，具有很高的经济价值和环境效益。本文将对沼气发酵技术进行介绍，论述我国沼气发酵综合利用技术的现状，并结合生态农业的大背景，对沼气发酵的发展前景，及其应用进行分析。

　　前言（引言）：

　　沼气，是各种有机物质，在隔绝空气（还原条件），并在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃烧气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。沼气是一种可燃性混合气体，其主要成分是CH4、CO2，此外还有少量的N2、CO、H2、NH3、H2S等[1]。作为一种可再生的优质清洁能源，沼气能够有效地缓解农村能源紧缺的局面、保护和恢复森林植被、改善生态环境、增加农民收入，在农业和农村经济结构调整中占有举足轻重的地位[2]。

　　沼气发酵是生物质能转化最重要的技术之一，它不仅能有效处理有机废物，降低化学需氧量，还有杀灭致病菌，减少蚊蝇孳生的功能。此外，沼气发酵作为废物处理的手段，不仅能耗省，还能产生优质的燃料沼气和肥料。

　　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[3]联合降解有机物，最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。沼气发酵三个阶段理论将沼气发酵过程分为水解液化、酸化和甲烷化三个阶段：第一阶段为水解液化阶段；这一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简单的有机酸，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。

　　2.沼气发酵工艺

　　2.1发酵基本条件

　　2.1.1发酵菌群

　　制取沼气必须有沼气细菌。如果没有沼气细菌的作用，沼池内的有机物是不会转变成甲烷。含有优良沼气菌种的接种物普遍存在于粪坑底污泥，下水道污泥，正常使用的沼池料液，及反负刍动物（牛羊）新鲜的粪便。给启动的沼气池加入发酵污泥（称为接种物），加入接种物的操作过程称为接种。加入接种物的数量一般应占发酵料液总重量的10%---30%。如果不加入足够量的接种物，沼池常常很难启动或者是甲烷含量低，无法燃烧。

　　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。

　　2.1.2发酵环境

　　沼气发酵中起主要作用的微生物都是严格厌氧的，必须在隔绝空气的条件下，才能进行正常的生命活动。所以沼气池必须严格密封，不漏水不漏气，保证沼气细菌正常生命代谢活动。这就是所谓有氧产生二氧化碳无氧产生甲烷。

　　2.1.3发酵原料

　　沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气细菌赖以生存的营养来源。沼气细菌在沼气池内正常繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充足的营养物质，如水分、碳素、氮素和大量元素硫、磷、钾、纳、钙、镁，微量元素铁、铜、锰、钼、镍、钴等元素用以生命活动，成倍繁殖细菌和转化沼气。

　　2.1.3.1常见的沼气发酵原料

　　严格的说，有机物在一定条件下，经微生物都可转化成沼气，常见的植物秸秆、人畜粪便、树叶杂草、城市垃圾、工厂有机废水、污水处理厂的污泥等，都可作为沼气发酵的原料。

　　2.1.3.2原料特性

　　2.1.3.2.1富氮原料

　　主要是人、畜和禽的粪便以及易腐生活垃圾，它们的氮源素含量较高。粪便的颗粒较细，作为正常沼气池的原料，不必进行预处理，代谢分解和产气速率较快。

　　2.1.3.2.2富碳原料

　　这类原料主要是各种农作物秸秆（稻草、麦草、玉米秸等）和杂草，它们含碳量高。主要成分为木质素、纤维素、半纤维素和蜡，代谢利用和产气速率较慢。以这类物质为原料时，需要进行预处理，以提高原料的利用率和产气速率。[4]

　　2.1.4发酵温度

　　沼气发酵时温度的高低直接影响原料的消化速度和产气率，在适温范围内温度越高，沼气细菌的生长繁殖就越快，产气也就越多。适宜沼气发酵的温度范围较广，一般8—60摄氏度，都能产生沼气。低于10摄氏度或者高于60摄氏度，都严重抑制微生物生存、繁殖、影响产气。因为发酵工艺不同，人们把沼气发酵划分三个发酵区，即10—26摄氏度为常温发酵区，28—38摄氏度为中温发酵区，40—60摄氏度为高温发酵区。农户通常采用的是常温发酵工艺。另外，沼气发酵对温度的急剧变化反映明显，较大幅度的、急剧的温度变化，会导致产气量下降，甚至停止产气。所以沼气池还应有保温设施，使池温稳定在一定范围之内。

　　2.1.5发酵PH值

　　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微偏碱性（即PH值为6.5—7.5），过碱过酸都会影响产气。测定表明，酸碱度PH值6—8时，均可产气，以PH值为6.8—7.5时，产气量最高，PH值低于4.9或高于9时均不产气。

　　2.2发酵工艺过程

　　2.2.1沼气发酵工艺

　　沼气发酵的工艺流程一般包括原料预处理和发酵前准备、发酵运转及管理和发酵后期处理三个阶段。沼气发酵工程通常按照发酵池容的大小进行划分。我国规定的沼气工程国家和行业标准[5]将沼气发酵工程分为小型发酵工艺、中型发酵工程和大型发酵工艺。

　　大中型发酵工艺的特点是设备投资高、运行自动化程度高、具有良好的水力循环条件、运行维护成本高，但发酵效率也高，而且输出能量大，可以配套沼气发电设施或集中供热设施等面向社区的沼气利用工程。农村户用沼气池具有配套设施简单，建设和运行成本低，无需运行动力，地理环境适应能力强等优点。

　　2.2.2沼气的发酵过程

　　沼气发酵过程包括产酸和产气两个阶段。

　　2.2.2.1产酸阶段

　　沼气池中大分子有机物在一定温度、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;脂肪水解成甘油和脂肪酸;多糖水解成单糖等。这些小分子物质进入不产甲烷微生物菌群中挥发酸生成菌细胞，通过发酵作用被转化为乙酸等挥发性酸类和二氧化碳。由于这些中间产物和代谢产物都是酸性物质，使池内液体呈酸性，故称产酸阶段，也叫酸性发酵期。

　　2.2.2.2产气阶段

　　甲烷细菌将不产甲烷微生物产生的中间产物和最终代谢物分解转化成大量的甲烷、二氧化碳和氨，故称产气阶段[6]。因为甲烷和二氧化碳都能挥发而排出池外，而氨以强碱性的亚硝酸氨形式留在池中，中和了产酸阶段的酸性，创造了甲烷稳定的碱性环境，也叫沼气发酵期。

　　3.产物的综合利用

　　沼气发酵产物包括沼液、沼渣和沼气三部分。

　　3.1沼液的综合利用

　　沼液中含有多种微量元素和丰富的氨基酸。因此，沼液在种植业和养殖业得到了较为广泛的应用。

　　众所周知，氮、磷、钾种元素对农作物的生长、发育以及产量等有着特别重要的作用。但土壤中这种元素含量较少，因此需要进行人为地补充。化肥的利用率不高，以氮肥（如尿素、碳酸氢铵等）为例，只含有单一的肥料成分——铵态氮，不能满足作物对各种养分的需要，也不易被作物吸收，而且这些氮肥容易挥发，若施用不当，利用率就会更低。如果用沼液和这些氮素肥料配合使用，则可以促进化肥在土壤中溶解，使作物更容易吸收养分，减少氮素损失，提高化肥利用率。

　　3.2沼渣的综合利用

　　沼渣主要由未分解的原料固形物、新产生的微生物菌体组成。将沼气发酵料液风干就可得到沼渣。沼渣营养成分丰富，尤其是腐殖酸含量很高，它对改良土壤、增加土壤有机质都具有重要作用。

　　3.3沼气的综合利用

　　沼气是沼气发酵的主要产物，它的应用广泛。

　　3.3.1在塑料大棚蔬菜生产中的应用

　　一是利用沼气为大棚增温和保温。燃烧1m3的沼气可放出2.3×104kJ

　　热量，以此来确定不同容积的大棚增温和保温所需沼气量。二是利用沼气为蔬菜大棚提供二氧化碳气肥。

　　3.3.2沼气养蚕

　　沼气灯用于蚕种感光和燃烧沼气，给蚕室加温，可以达到孵化快，出蚕齐，缩短饲养期，提高蚕茧产量和质量的目的。

　　3.3.3沼气保鲜和贮存农产品

　　沼气中二氧化碳含量高，含氧少，造成一种高二氧化碳低氧的状态，以控制果疏、粮食的呼吸强度，减少储存过程中基质的消耗，防治虫、霉、病、菌，达到延长贮存时间并保持良好品质的目的。

　　3.3.4做饭、照明用

　　沼气、沼液和沼渣的综合利用，有效的实现了物质的循环利用以及能量的多级流动，极大的改善了环境，取得了良好了社会效益、生态效益和经济效益，实现了有机废物变废为宝和保护环境的目的，促进了农业的可持续发展。

　　4.沼气的发展及其应用

　　随着我国人民生活水平的不断提高，对肉类食品的需求也在急剧地增加，传统的分散型养殖越来越不能满足人们对肉类的需要，集约化的大型养殖场应运而生。虽然集约化的养殖可以有效降低养殖的成本，更好地对畜禽进行防疫，但是由于畜禽养殖的过于集中，粪便的排放也相对集中，大大超过了当地环境的承受能力，给当地的环境造成了巨大的压力[7-9]。畜禽粪便对土地总体负荷警戒安全值以0.4为宜，而全国总体平均水平已经达到0.49，对生态环境构成了明显的威胁态势[10]，同时也给当地居民的健康带来影响，制约了养殖场本身的可持续发展。由于畜禽粪便中含有丰富的生物质能，将其转化利用不但可以在一定程度上解决上述问题，而且可以获得能量，发酵产生的沼液、沼渣也可以作为很好的有机肥料[11-14]。于是，以畜禽粪便为原料的许多大型沼气发酵工程纷纷亮相。

　　通过对畜禽粪便的发酵处理，以及对发酵产物的综合利用，解决了畜禽养殖业发展中的阻碍，有利于畜禽养殖业规模的不断扩大，可以为社会提供更多的肉类食品，满足人们对肉类食品的需要，提高人民的生活水平。

　　同时，沼气作为家用能源在农村范围内也得到了大规模推广应用.能源、环境和资源需求对传统沼气提出了更高的要求，其用途将包括大规模集中供气、燃气发电、燃气汽车、火车和转化化工产品等.

　　从这个意义上讲，将来的沼气将成为以各种生物质为原料、通过大型自动化的现代工业发酵过程生产的、可以用于部分取代石油和天然气的一种能源产品——生物燃气。

　　结论：

　　我国是世界上最早利用沼气的国家之一。沼气事业发展得到了政府的大力支持，特别是在农村，沼气事业得到了充分发展。同时，我国的大中型沼气发酵工程也得到很好的发展，基本上具备了生产能源、减少污染和综合利用等多种功能，实现了能源、环境与经济三方面的综合效益。对于沼气发酵产物的利用，由于其成本低廉，均能够获得一定的经济效益。

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