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2沼气产生的基本原理
沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物（统称沼气细菌）的分解而产生的。
沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。
这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段，见图1.
图1沼气产生过程示意图
第一阶段（液化阶段）：
发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。
第二阶段（产酸阶段）：
这个阶段是发酵性细菌将小分子化合物将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把其转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。
第三阶段（产甲烷阶段）：
产甲烷细菌群，利用以上不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸、氢和二氧化碳小分子化合物等生成甲烷。
沼气发酵的3个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。
在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用。
在沼气发酵后期，则是3个阶段的作用同时进行，一定时间后，保持一定的动态平衡持续正常的产气。
3沼气产生的条件
人工制取沼气必须具备两个条件：
第一，必须具备严格的厌氧环境；
第二，具备充足的发酵原料和足够的沼气接种物，而且具有适宜的发酵浓度、温度和酸碱度等。
3.1适宜的温度
沼气池内的发酵温度是影响沼气产生和产气率高低的关键因素，在一定范围内，温度高，沼气微生物的生命活动活跃，发酵顺利进行，沼气产生得快，产气率也高；
温度低，沼气微生物活动力差，原料的产气速率差，甚至长时间不产气。
根据发酵温度的高低可分为常温发酵、中温发酵、高温发酵三种。
高温发酵，最适宜的温度是50-60℃，每1立方米池容，日产气2立方米以上；
中温发酵最适宜的温度是30-35℃，每1立方米池容，日产气0.4-0.9立方米；
常温发酵的温度是10-30℃，每1立方米池容，一般日产气量为0.1-0.25立方米[42,43]。
温度虽然对沼气细菌的活动影响很大，但是多数沼气细菌是属于中温型的，一般最适合温度是在25-40℃之间，在此温度范围内，温度越高，发酵越好。
但在普通沼气池中，保持较高温度是有一定困难的，如能经常维持在30℃左右，就很理想了。
由于沼气发酵需要一定的温度，由于冬季寒冷漫长，气温、地温低，原料分解率低，沼气的生产存在产气率低、使用率低、沼气使用综合效益差等问题，图2是温度对产气率的影响，产气量是以每立方米池容中温厌氧消化在35℃时等于100L换算。
我国农村家用沼气池多建于地下，受地温影响很大，一般池内发酵原料温度基本都保持在10-30℃之间。
寒冷地区冬季气温低，使池内温度随之降低，如果低于10℃以下就不能正常产气，必须采取保温和增温措施，保证沼气微生物的正常活动，以利于正常产气。
图2温度对产气率的影响
3.2碳氮比、适宜的发酵原料
在沼气发酵过程中，发酵原料既是产生沼气的基质，又是沼气发酵微生物赖以生存的养料来源。
沼气发酵原料十分广泛和丰富，除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都可以作为沼气发酵的原料，例如农作物秸秆，人、畜和家禽粪便，生活污水，工业和生活有机废物等。
根据沼气发酵原料的化学性质和来源，可以分为以下几类：
富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便，这类原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量低分子化合物——人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高。
因此，在进行沼气发酵时，它们不必进行预处理，就容易厌氧分解，产气很快，发酵期较短。
富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残余物，这类原料富含纤维素、半纤维、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质。
干物质含量比富氮的粪便原料高，且质地疏松，比重小，进沼气池后容易飘浮形成发酵死区——浮壳层，发酵前一般需经预处理。
富碳原料厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长。
氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料，碳素则构成微生物细胞质，而且提供生命活动的能量。
发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。
从营养学和代谢作用角度看，沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25-30倍。
因此，在其他条件都具备的情况下，碳氮比例配成25-30:
1可以使沼气发酵在合适的速度下进行。
如果比例失调，就会使产气和微生物的生命活动受到影响。
因此，制取沼气不仅要有充足的原料，还应注意各种发酵原料碳氮比合理搭配。
3.3严格的厌氧环境
沼气微生物的核心菌群——产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要空气，空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。
产甲烷菌只能在严格厌氧的环境中才能生长。
所以，修建沼气池，要严格密闭，不漏水，不漏气，这不仅是收集沼气和贮存沼气发酵原料的需要，也是保证沼气微生物在厌氧的生态条件下生活得好，使沼气池能正常产气的需要。
3.4PH值与碱度
沼气微生物的生长、繁殖，要求发酵原料的酸碱度保持中性，或者微偏碱性，过酸、过碱都会影响产气。
测定表明，酸碱度在pH＝6-8之间，均可产气，以pH＝6.5-7.5产气量最高，pH低于6或高于9时均不产气。
农村户用沼气池发酵初期由于产酸菌的活动，池内产生大量的有机酸，导致pH下降。
随着发酵持续进行，氨化作用产生的氨中和一部分有机酸，同时甲烷菌的活动，使大量的挥发酸转化为甲烷和二氧化碳，使pH逐渐回升到正常值。
所以，在正常的发酵过程中，沼气池内的酸碱度变化可以自然进行调解，先由高到低，然后又升高，最后达到恒定的自然平衡（即适宜的pH），一般不需要进行人为调节。
只有在配料和管理不当，使正常发酵过程受到破坏的情况下，才可能出现有机酸大量积累，发酵料液过于偏酸的现象。
此时，可取出部分料液，加入等量的接种物，将积累的有机酸转化为甲烷，或者添加适量的草木灰或石灰澄清液，中和有机酸，使酸碱度恢复正常。
3.5接种物
为加快沼气发酵启动的速度和提高沼气池产气量，要向沼气池加入含有丰富沼气微生物的物质，称为接种物（也叫活性污泥）。
在一般的沼气发酵原料和水中，沼气微生物的含量很少，靠其自己繁殖，很难启动。
所以，在新池装料前，要收集一定量的接种物。
城市下水污泥，湖泊、池塘底部的污泥，粪坑底部沉渣，屠宰场、食品加工厂的污泥，以及污水处理厂厌氧消化池里的活性污泥等都含有大量的沼气微生物，是良好的接种物。
加入接种物的数量要足够，接种物太少，不利于产气；
接种物过多，又会占去沼气池的有效容积，影响总产气量。
因此加入接种物的数量一般应占发酵料液的10%-30%。
3.6搅拌
静态发酵沼气池原料加水混合与接种物一起投进沼气池后，按其比重和自然沉降规律，从上到下将明显的逐步分成浮渣层、清液层、活性层和沉渣层。
这样的分层分布，对微生物以及产气是很不利的。
导致原料和微生物分布不均，大量的微生物集聚在底层活动，因为此处接种污泥多，厌氧条件好，但原料缺乏，尤其是用富碳的秸秆做原料时，容易漂浮到料液表层，不易被微生物吸收和分解，同时形成的密实结壳，不利于沼气的释放。
为了改变这种不利状况，就需要采取搅拌措施，变静态发酵为动态发酵。
沼气池的搅拌通常分为机械搅拌、气体搅拌和液体搅拌三种方式。
机械搅拌是通过机械装置运转达到搅拌目的；
气体搅拌是将沼气从池底部冲进去，产生较强的气体回流，达到搅拌的目的；
液体搅拌是从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后从进料管冲入沼气池内，产生较强的液体回流，达到搅拌的目的。
实践证明，适当的搅拌方式和强度，可以使发酵原料分布均匀，增强微生物与原料的接触，使之获取营养物质的机会增加，活性增强，生长繁殖旺盛，从而提高产气量。
搅拌又可以打碎结壳，提高原料的利用率及能量转换效率，并有利于气泡的释放。
采用搅拌后，平均产气量可提高30%以上。
4沼气发展历史
4.1国外的发展历史
沼气的生成是一种古老的生物现象，人们早已发现在湖泊或沼泽中常常有气泡从水底的污泥中冒出，这些气体收集起来可以点燃，便称这种气体为“沼气”，但是当时并不知道它的成分。
直到1776年，意大利物理学家AlexanderVolta测出湖泊底部植物体腐烂所产生的气体中含有甲烷，但当时仍然没有人知道它是怎样产生的。
1859年，“发酵之父”法国科学家Louis.Pasteur用著名的Pasteur实验，证明发酵现象是微小生命体进行的化学反应。
1875年俄国学者Popoff首先利用河泥加入纤维素物质，产生甲烷，并发现甲烷发酵是一个微生物学过程，这引起了人们广泛的兴趣。
1896年英国在一个小城市里建起了一座沼气池，用来处理生活污水所产生的污泥，所产生的沼气可以照明一条街道。
1914年，美国有14座城市建立了厌氧消化池。
1936年，H.A.Barker发现沼气发酵分为产酸和分解酸两个阶段产生甲烷。
1940年，在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了厌氧污泥与废水的混合，提高了处理效率。
1950年，美国R.E.Hungate教授建立了厌氧技术，沼气池也由开始时的简单化粪池发展到高速消化器。
1967年布赖恩特分离纯化了沼气发酵微生物中的产氢、产乙酸菌和产甲烷菌，人们对沼气发酵的微生物学原理开始有了正确的认识。
1969年，厌氧技术出现了突破性的进展，Young和McCarty发明了厌氧滤池。
与此同时，Zeikus等人提出了厌氧消化的四类群理论，更确切地阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。
1979年，厌氧技术出现了重大的突破，荷兰农业大学环境系Lettinga等研制成功了上流式厌氧污泥床。
这些新工艺使可溶性原料在池内发酵时间大大缩短，使沼气发酵技术得到广泛的推广。
俄罗斯在二次世界大战之前开始研究厌氧消化技术，1941年，开始实际应用。
世界性环保——能源危机之后，苏联建造了一批大型沼气工程，解决了自身环境污染和增温问题。
苏联解体后，俄罗斯调整了沼气发展战略，主要发展适合于任何气候地区的工厂化生产的小型、高效沼气发酵装置，可日处理200kg畜禽粪，产沼气7-8m3。
1927年，德国开始用沼气发电，并用冷却发电机组的热水来加热沼气池。
1948年，在德国的Odenwald小镇出现了第一个沼气设备。
由于世界性的能源危机，德国沼气利用的研究和实践也取得了进展。
在英国，建立了甲烷的自动化工厂。
据估计，英国利用人和动物的各种有机废物厌氧发酵所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。
苏格兰设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场和家庭使用。
英国以垃圾为原料实现了沼气发电。
美国已拥有24处利用微生物厌氧发酵的能量转化工程，如爱荷华州建立沼气工程，可日处理1500头牲畜废弃物。
墨西哥从1987年建成第一套厌氧装置起，到1996年一共建成了75项沼气工程。
印度也是一个沼气使用历史悠久的国家，18世纪后期就有了使用沼气的记载，1900年，印度建造了用人粪作原料的沼气池。
从20世纪70年代起，印度就制定了有关沼气的发展计划。
韩国在1969-1975年期间发展了近3万口农村家用沼气池，1976年以后发展了一批150m3左右村级规模的沼气装置。
在1992-1998年期间，尼泊尔总共装置37000座小型沼气池，供应20万人使用。
4.2国外沼气技术的发展
（1）德国
在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力来自于一系列优惠鼓励政策的出台。
德国是农场沼气工程发展最好的国家，主要是因为激励系统刺激了农场沼气工程的快速增长。
德国沼气产量的增加主要是由于农场小型沼气工程（热电联供）的大规模增加，在2006年，基本上每个月新建50座沼气工程，到2006年底，沼气工程的数量达到3500座，总装机达1100MW。
德国沼气协会估计，到2020年，总装机将达到9500。
2005年底，德国在沼气行业大约投资6.50亿欧元用于沼气工程建设，产生了8000个工作岗位。
在国内市场快速发展的基础上，德国沼气工业的出口也持续增长，2004年达到2700万欧元，约占行业总产值的10%，在不久的将来，预计达到30%。
（2）奥地利
根据欧盟的要求，2002年制订了《绿色电力法》，鼓励建设消化能源作物与畜禽粪便的沼气工程，不鼓励消化有机废弃物的沼气工程。
含有有机废弃物的沼气工程，上网电价比消化能源植物与畜禽粪便的沼气工程低25%。
自从绿电法案颁布以来，农场沼气工程发展迅速，2001至2002年期间，沼气工程数量翻倍。
2003到2005年间新建了100多座沼气工程，其中15.5%的工程，发电装机小于100kW，72%在100-500kW之间，大于500kW占12.5%。
大约50座新建沼气工程将在2005年运行，平均装机500kW。
到2006年底，沼气工程数量达到了350座。
奥地利沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。
（3）英国
2002年英国开始实行绿色证书系统——《可再生能源义务证书系统》，该系统要求电力供应商逐年增加可再生能源发电的份额，从2002-2003年度的3%，增加到2003-2004年度的4.3%，2004-2005年度4.9%，2005-2006年度5.5%，在2026-2027年度达到15.4%。
在该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源。
对厌氧消化生产沼气，主要有三方面的激励机制：
（a）对沼气项目的研究、开发、示范项目进行支持。
可再生能源项目覆盖了沼气产业的几乎所有类别：
农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化。
（b）对农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化工程的沼气发电，非化石燃料义务项目（NFFO）提供上网电价补贴。
（c）通过增加废弃物生产者许可证、填埋税、填埋标准等措施提高废弃物处置管理费用。
与环境效益相比，厌氧消化技术的能源效益仍较低。
但是，能源利用对工程运行的经济贡献十分显著。
通过非化石燃料义务项目（NFFO）的实施，英国政府的能源政策鼓励可再生能源发电量达到1500MW。
以前英国是欧洲生产与利用沼气最多的国家，处于欧洲沼气的领头羊位置，2006年，这一位置被德国取代。
但人均沼气产量在欧洲仍然是第一。
沼气初级能源的增加主要是填埋气发电市场的增加。
填埋气是绿色证书系统（可再生义务证书系统RenewableObligationCertificateSystem，ROCS）的受益者。
绿色证书系统要求电力提供商每年增加可再生能源发电所占的份额，2005-2006年度为5.7%，2015年将达到15.4%。
2004-2005年度，沼气占可再生能源发电的35.9%（填埋气占33.6%，污水处理沼气占23%），相当于3.9TWh，2005-2006年度达到4.3TWh。
英国污泥消化沼气工程产生的沼气用于发电，发的电和余热供污水处理厂使用或并入国家电网[28]。
（4）瑞典
沼气主要有两个来源：
污水处理厂（140座，沼气产量69.3ktoe，1ktoe是1千吨石油当量），填埋场（60座，沼气产量35.8ktoe）。
供热和发电不是沼气的主要利用方式，瑞典的沼气利用选择作汽车燃料，占17.2ktoe。
在2006年底，瑞典建设世界上最大的沼气工程，来自市政污水处理厂的沼气经净化后作汽车燃料，沼气产量1600m3/h。
另外，也将净化后的沼气注入天然气燃气网，每年相当于180万m3天然气。
瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家，沼气作汽车燃料开始于1996年，并建立了沼气作汽车燃料的标准。
目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车，2004年开始，火车开始也以这种方式运行。
在交通工具的气体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。
（5）丹麦
大部分沼气来自20个集中式联合发酵沼气工程和60个农场沼气工程（57.5ktoe），其余是填埋气（14.3ktoe），生物固体处理沼气工程（20.5ktoe）。
热电联产也发展很快，占整个国家沼气发电的99.3%，占沼气工业的84.6%。
丹麦的沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。
丹麦的沼气可以并入天然气网。
丹麦沼气工程的收入主要来源于三个方面：
出售电占1/3，供热占1/3，收购工业废弃物占1/3[28]。
4.3国内的发展历史
我国沼气事业开始于1930年前后，绝大多数城镇无电力供应，制取沼气的重要目的是用于一些商店、寺庙的照明。
1929年夏季在汕头开设了我国第一个沼气商号叫中国天然气瓦斯灯行，后来在十几个省建立了分行。
所用池型是由罗国瑞发明的水压式沼气池，与我国目前使用的水压式沼气池基本相似。
1958年，我国沼气事业出现第二次高潮，全国很多省市都修建了沼气池，目的是想解决农村的炊事用能。
但由于严格厌氧微生物研究技术上的困难未能解决，理论研究未能深入下去，修建的沼气池又缺乏正确的技术管理，留下来能够使用的沼气池为数不多。
中国沼气的大规模应用探索是在70年代，这也是尝试和积累经验的阶段。
70年代初，中国农村一些地方农户生活用能出现严重短缺。
在当时条件下靠商品能源没法解决这一问题，于是沼气应用重新得到重视，在一些地方将沼气发展列入了政府的议事日程，成立了相应机构。
由政府支持和组织，以解决能源为主，以户用沼气池为重点是这一时期沼气发展的主要特点。
这一时期沼气发展存在的主要问题是：
（1）没有对沼气技术本身进行系统研究，沼气池建造技术未过关；
（2）沼气的一些基本常识还未得到普及；
（3）片面强调建池速度要快，成本要低，要大力普及。
由于上述问题，虽然沼气池数量发展很快，但质量得不到保证。
其中大多数沼气在短期使用后报废，但也有一部分质量好的沼气池可以长期使用。
这一阶段虽然出了些问题，但为后来的发展提供了经验。
随着户用沼气池的发展，70年代后期也建了一些大中型沼气工程，这些工程以工业废水和禽畜粪便为原料，以获取沼气能源为主。
这批沼气工程的质量相对于户用池较高，但是配套差、池容产气率低、出料困难、综合效益不高。
1979年，召开了全国沼气工作会议，总结了经验教训。
1980年，成立了中国沼气协会，使沼气建设事业逐步走上依靠科学技术、保证建池质量、重视经济效益、建管并重、稳步发展的道路，使沼气事业形成了以能源、环境保护、生态农业为目标的发展方向。
90年代以来通过对沼气发酵的科学原理和应用技术进行大量的科学研究与实验，取得了许多出色的研究成果。
在沼气发酵工艺研究方面，基本上达到了世界先进水平。
到2007年底，我国农村户用沼气已发展到2650万户，年产沼气102亿立方米，相当于替代1600万吨标准煤。
各类沼气工程达到2.66万处，其中大型沼气工程1600多处。
今年，中央和地方对农村沼气的投入力度进一步加大，农村沼气保持了快速发展的良好势头，预计全年新增户用沼气450万户。
目标到2010年，全国将有4000万农户用上沼气，达到适宜农户的30%左右。
全国规模化养殖场大中型沼气工程总数达4700处左右，达到适宜畜禽养殖场总数的39%左右。
全国4000万户沼气，每年可产生约154亿立方米的沼气，相当于替代2420万吨标准煤。
沼气农户每年节约燃料费、电费、化肥和农药等直接支出约500元，全国4000万户沼气可年增收节支200亿元。
过去二十多年，我国在农村沼气的建设方面取得了世界公认的成绩，但是在户用型沼气池的建设和利用过程中，仍然存在一些技术问题亟待解决。
由以上国外的应用典型可知国外的沼气主要用于发电等工业用途，而我国的沼气目前大部分还是作为农村能源的一部分，其特殊性就决定我们必须找出适合我国的沼气发展的方法。
5在冬季沼气增温的方法
沼气增温技术是沼气科学领域的一个研究热点，也是一个难点。
沼气科技工作者在利用生物质、煤炭等热源为沼气池加热增温方面做了大量的工作，取得了明显的增温效果，但因这些方法都需使用不可再生能源，而且容易产生污染，将被逐渐淘汰。
因此，研究者都把目光投向取之不尽、用之不竭的清洁能源—太阳能作为沼气增温热源，太阳能增温技术必将成为沼气工程领域的一个研究重点。
沼气增温技术是对现有的沼气设备及其相关环境进行热量补充的技术。
中国沼气经过几十年的研发应用，不论是厌氧消化工艺技术，还是建造、运行管理等都积累了丰富的经验，整体技术水平已进入国际先进行列。
但是在寒冷地区沼气工程太阳能热利用方面，国内虽有一些相关应用，但在该方面深入系统的研究还不多见。
相关的增温节能技术也有一定的发展，当前主要运用的增温手段有以下几种：
（1）塑料暖棚增温技术
其结合了蔬菜大棚的保温特点，利用太阳能为系统提高温度。
在晋南地区，采取太阳能塑料暖圈技术后，暖圈内温度可比室外温度提高6-15℃，最高时达20℃以上，沼气池内温度均可达到12℃以上，基本满足该地区冬季沼气的正常发酵，但是在北纬40度以北地区，要想实现全年高效产气就需要对该模式作进一步完善。
（2）燃池增温技术
现在多在我国东北地区推广，该技术采用对原有沼气池外围再增建一个环形或半环形燃烧池，具体以锯末或农作物秸秆，再加上一定配比的水为原料，可燃烧一个冬天，是一种节能增温效果较为明显的新型技术，但是该技术需要消耗大量秸秆，而且污
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