沼气发酵原理及其作用

1、 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 FermentationPeng Wuhou LuXin(Shanghai Meijing Environmental Protection engineering Co. Ltd., shanghai, )Abstract: This paper begins wit

2、h 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

3、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

4、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 沼气的来源及命名命名依据名称产生沼气的地点沼泽地及池塘沼气（Marsh gas）、污泥气（Sludge gas）阴沟阴沟气（Culvert gas）粪

5、坑粪料气（Manure gas）矿井和煤层瓦斯气、煤气、天然气（Gas）、天然瓦斯等研究者沃而塔发现其可燃沃而塔可燃气（Volta Combustible gas）气体成分主要是甲烷甲烷气（Methane gas）形成原料生物质生物气（Biogas）制造方法自然界形成沼气、天然气人工制造统称为沼气，国际上一般称之为生物气国家印度哥巴气（Gobar gas）、牛粪气（Cow manure gas）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

6、天然气的差异气体种类沼气天然气制取方法发酵法钻井法可燃成分甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢甲烷、丙烷、丁烷、戊烷甲烷含量（%）557085以上热值（KJ/m3）200002900039000左右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）5570%，二氧化碳（CO2）2540%，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 沼气成分的实测值地区成分（%）南充遂宁蓬溪东至绵阳德阳酒厂酒糟豆制品厂废水平均值甲烷65.3862.6360.6162.8560.635

7、9.3866.7167.4563.21二氧化碳33.3235.8437.4836.0233.8338.1432.1131.1434.74氮气0.911.251.000.795.232.121.471.701.81硫化氢0.050.030.040.060.010.020.060.040.05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 沼气发酵的特点特点具体表现参与反应的微生物种类

8、繁多没有应用单一菌种从废物中生产沼气的先例，生产和试验中用接种物（活性污泥）发酵发酵底物复杂，来源广泛各种有机质单一或混合均可作为发酵原料，终产物都是可燃性气体一沼气能处理各种浓度的废水和废物能处理COD含量50000mg/l以上的有机废水和固形物含量较高的工农业废物及垃圾沼气微生物自身耗能少在相同条件下，厌氧消化所释放的能量只有好氧分解的1/301/20发酵装置种类多，温度范围广从构造到材质各种装置只要设计合理并满足厌氧的条件制取沼气，温度从低到高（1065）均可产生沼气要求严格的厌氧环境产甲烷菌要求氧化还原电们330mv以下的生活环境，除氧以外，凡是具有高氧化还原电位的强氧化剂，对沼气发酵

9、也不利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发酵阶段代谢过程及相应的微生物类群简单评价两 阶 段 理 论水解性 脂肪酸 细菌产甲烷菌 有机质醇类 CH4水解发酵CO2,H2S,CO2等H2,NH3等 产甲烷生物如何利用甲醇以上的醇类及乙酸以上的有机酸难以解释，未得到确认。三 阶 段 理 论碳水化合物 双糖或单糖 挥发酸 CH4,H2蛋白质肽和氨基酸醇类 N2,CO2脂肪脂肪酸和甘油 中性化合物 CO,H2S H2,CO2等 液化阶段 产酸阶段 产甲烷阶段（不产甲烷菌

10、） （不产甲烷菌（产甲烷菌） 和产甲烷菌） 两阶段理论的矛盾得到解决，该理论被大多数学者所接受四 阶 段 理 论乙酸盐H2CO2乙酸戊酸丁酸丙酸乙酸甲酸CO2H2 第二类群细菌即专性质子 第一类群 还原或产氢产乙酸菌细菌CH4,CO2 第三类群细菌裂解乙 梭菌属、 酸盐的产甲烷菌CH4 拟杆菌属 等 利用氢的产甲烷菌乙酸盐 CO2 乙酸杆菌属、梭菌属 人畜粪便等复杂有机质的发酵分为四阶段，在不同的生态条件下，并非均包括此四阶段。该理论比较容易理解，似乎更为确切对于四阶段论还可用下图方式于以表述；复杂有机物（蛋白质、脂肪，碳水化合物）简单溶解性化合物脂肪酸、醇类（丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等）H2、

11、CO2CH4、CO2、H2、CO等直接燃用转化电能 （1）水解作用 （1）发酵 （1） （1） （2） 产氢产乙酸 （2）乙醇 同型产乙酸 （3） （4） （5）沼气利用 沼气利用图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

12、，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+CO2 CH4+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7095%。据新华社2006年

13、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

14、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，经研究和试用证明，沼液用于浸种，施肥、残渣制作花卉肥、鱼饵等，对减少虫害、促进增产都有良好效果。因此，沼气发酵技术有一举多得的功效。4有机废弃物的沼

15、气转化潜力 有机物均由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素组成。任何有机物知道C、H、O的量便可从巴斯维尔公式计算出经厌氧消化可能产生的甲烷（CH4）与二氧化碳（CO2）的量。厌氧条件下巴斯维尔公式为：沼气微生物CmHaOb+(m-a/4-b/2)H20(m/2-a/8+b/4)CO2+(m/2+a/8-b/4)CH4对于几种常用的有机物其产沼气的潜力如表6所示，由此看到类脂化合物沼气产量很高，每kg原料干物质可产生沼气1.4m3。因此，城市泔脚料收集后进行沼气转化处理也是理想的做法。表6 几种有机物的理论产气量及其成份项目有机质气体成份（%）干物质产气量L/kg甲烷二氧化碳

16、沼气甲烷碳水化合物5050750370类脂化合物722814001040蛋合质5050980490对于畜禽粪便中各成份的含量随着饮料成份的变化而变化，大致如表7所示：表7 畜禽粪的组份粪种类TS%VS%N%P%K%猪粪182514184.125.021.51牛粪1620150.300.250.10鸡粪2526224.782.541.57 畜禽粪的排泄量与畜禽大小及使用饮料的质量有关，表8列出了几类畜禽排泄量的大致数值，可供工艺设计参考。表8 畜禽类的排泄量分类体重一昼夜排泄量一年内排泄量粪尿合计粪尿合计猪5061521210054757665牛50020345473001241019710鸡1

17、.00.1/0.136.5/36.5畜禽粪的产沼气量及有关特性大致如下表所示，从而看到鸡粪产沼气量优予猪粪与牛粪。各类粪都有其特点：牛粪：纤维类物质多，浮渣易结蓋，易引起管路堵塞，工程工艺设计时，需有除浮渣的措施。鸡粪：钙质类的沉淀物多，易沉淀于管道内，引起管径变小以致堵塞，另外，鸡粪中混有羽毛之类的杂质也需清理，否则也会引起运行不畅。猪粪：随着喂养饮料的不同，粪的成份也不同，为获得高产沼气的效果，浓度的配置，发酵停留期的安排要适当。表9 几类粪污的产沼气潜力与特性种类TS%产沼气量m3/kgTS粪污特性猪粪220.30杂质一般，猪毛类物质需清理。发酵残留物肥效高。牛粪180.25浮渣多、粪污

18、中难分解物较多，发酵滞留期较长。鸡粪260.35沉淀物多，予处理要彻底，含氮 量高，发酵残留物是优质肥料。5沼气发酵工程设计中的注意点随着国家对开发生物质能的重视，在国家科委、农业部的大力支持下，各省市有关部门都在行动，纷纷立题建项，补贴资金，规划着生物质能工程的建设。然而工艺的选择要注意科学性，既要看到沼气发酵已有100多年的历史，是较成熟的发酵工艺，也要看到新工艺新装置层出不穷，尽量采用新工艺新装置保障工程的高产沼气、安全运行才是应取的态度。既要看到沼气发酵既是家喻户晓，操作容易，然而也要看到沼气发酵是复合微生物的作用，经过多步的复合反应最终才产生沼气，因此，菌种的选育、种类的齐全、满足微生物的生长条件都有它的科学性。只有认真对待才能保障高产沼气、废物得到较彻底处理。因此，下面把工程工艺设计中的注意点简介如下：（1）针对原料不同要选择完善的前处理装置（2）发酵装置要有防堵塞、防爆炸、防暴裂的设施、确保运行安全。（3）发酵微生物要认真培育，要有足够的种类与数量，运行过程 PH、TS浓度、温度要有保障。（4）沼气易燃、易爆、贮气柜与发酵池周边防明火进入，池内检修要了解安全操作规程，要彻底清除废物与废气并进行吹风处理后才能入内检修。（5）沼气发酵残留液是优质肥料，尽量在农作物中利用，以减少后处理