沼氣發(fā)酵技術(shù)及其發(fā)展應(yīng)用

　　摘要：沼氣是由微生物產(chǎn)生的一種可燃性混合氣體，是一種理想的優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，其主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等氣體。作為重要的可再生資源，具有很高的經(jīng)濟價值和環(huán)境效益。本文將對沼氣發(fā)酵技術(shù)進(jìn)行介紹，論述我國沼氣發(fā)酵綜合利用技術(shù)的現(xiàn)狀，并結(jié)合生態(tài)農(nóng)業(yè)的大背景，對沼氣發(fā)酵的發(fā)展前景，及其應(yīng)用進(jìn)行分析。

　　前言（引言）：

　　沼氣，是各種有機物質(zhì)，在隔絕空氣（還原條件），并在適宜的溫度、濕度下，經(jīng)過微生物的發(fā)酵作用產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。由于這種氣體最先是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以稱為沼氣。沼氣是一種可燃性混合氣體，其主要成分是CH4、CO2，此外還有少量的N2、CO、H2、NH3、H2S等[1]。作為一種可再生的優(yōu)質(zhì)清潔能源，沼氣能夠有效地緩解農(nóng)村能源緊缺的局面、保護(hù)和恢復(fù)森林植被、改善生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)民收入，在農(nóng)業(yè)和農(nóng)村經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整中占有舉足輕重的地位[2]。

　　沼氣發(fā)酵是生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化最重要的技術(shù)之一，它不僅能有效處理有機廢物，降低化學(xué)需氧量，還有殺滅致病菌，減少蚊蠅孳生的功能。此外，沼氣發(fā)酵作為廢物處理的手段，不僅能耗省，還能產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)的燃料沼氣和肥料。

　　1.沼氣發(fā)酵原理

　　沼氣是生物質(zhì)經(jīng)過多種微生物聯(lián)合厭氧消化作用而生成的可燃?xì)怏w。厭氧消化就是在無氧的條件下，由兼性厭氧菌和專性厭氧菌[3]聯(lián)合降解有機物，最終生成二氧化碳和甲烷等氣體的過程。沼氣發(fā)酵三個階段理論將沼氣發(fā)酵過程分為水解液化、酸化和甲烷化三個階段：第一階段為水解液化階段；這一階段兼性厭氧菌和發(fā)酵性細(xì)菌將原料中較大分子的成分(如纖維素等)水解成可溶于水的有機酸和醇類等。第二階段為酸化階段；產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將第一階段生成的有機酸和醇繼續(xù)分解成簡單的有機酸，同時生成氫氣和二氧化碳。第三階段為甲烷化階段；產(chǎn)甲烷菌將第二階段生成的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳?xì)怏w，即發(fā)酵的最終產(chǎn)物沼氣。

　　2.沼氣發(fā)酵工藝

　　2.1發(fā)酵基本條件

　　2.1.1發(fā)酵菌群

　　制取沼氣必須有沼氣細(xì)菌。如果沒有沼氣細(xì)菌的作用，沼池內(nèi)的有機物是不會轉(zhuǎn)變成甲烷。含有優(yōu)良沼氣菌種的接種物普遍存在于糞坑底污泥，下水道污泥，正常使用的沼池料液，及反負(fù)芻動物（牛羊）新鮮的糞便。給啟動的沼氣池加入發(fā)酵污泥（稱為接種物），加入接種物的操作過程稱為接種。加入接種物的數(shù)量一般應(yīng)占發(fā)酵料液總重量的10%---30%。如果不加入足夠量的接種物，沼池常常很難啟動或者是甲烷含量低，無法燃燒。

　　沼氣發(fā)酵微生物種類繁多，分為不產(chǎn)甲烷群落和產(chǎn)甲烷群落。不產(chǎn)甲烷微生物群落主要是一類兼性厭氧菌，從生理功能上又可分為基質(zhì)分解菌群和揮發(fā)酸生成菌群。它們具有水解和發(fā)酵大分子有機物而產(chǎn)生酸的功能，在滿足自身生長繁殖需要的同時，為產(chǎn)甲烷微生物提供營養(yǎng)物質(zhì)和能量。此類微生物包括的范圍很廣，有化能自養(yǎng)菌、化能異養(yǎng)菌和光能異養(yǎng)菌，甚至還有真菌、原生動物的存在。產(chǎn)甲烷微生物群落，通常稱為甲烷細(xì)菌，依照形態(tài)特征可分為甲烷桿菌屬、甲烷球菌屬、甲烷八疊球菌屬、甲烷螺菌屬。

　　2.1.2發(fā)酵環(huán)境

　　沼氣發(fā)酵中起主要作用的微生物都是嚴(yán)格厭氧的，必須在隔絕空氣的條件下，才能進(jìn)行正常的生命活動。所以沼氣池必須嚴(yán)格密封，不漏水不漏氣，保證沼氣細(xì)菌正常生命代謝活動。這就是所謂有氧產(chǎn)生二氧化碳無氧產(chǎn)生甲烷。

　　2.1.3發(fā)酵原料

　　沼氣發(fā)酵原料是產(chǎn)生沼氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，又是沼氣細(xì)菌賴以生存的營養(yǎng)來源。沼氣細(xì)菌在沼氣池內(nèi)正常繁殖過程中，必須從發(fā)酵原料里吸取充足的營養(yǎng)物質(zhì)，如水分、碳素、氮素和大量元素硫、磷、鉀、納、鈣、鎂，微量元素鐵、銅、錳、鉬、鎳、鈷等元素用以生命活動，成倍繁殖細(xì)菌和轉(zhuǎn)化沼氣。

　　2.1.3.1常見的沼氣發(fā)酵原料

　　嚴(yán)格的說，有機物在一定條件下，經(jīng)微生物都可轉(zhuǎn)化成沼氣，常見的植物秸稈、人畜糞便、樹葉雜草、城市垃圾、工廠有機廢水、污水處理廠的污泥等，都可作為沼氣發(fā)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、畜和禽的糞便以及易腐生活垃圾，它們的氮源素含量較高。糞便的顆粒較細(xì)，作為正常沼氣池的原料，不必進(jìn)行預(yù)處理，代謝分解和產(chǎn)氣速率較快。

　　2.1.3.2.2富碳原料

　　這類原料主要是各種農(nóng)作物秸稈（稻草、麥草、玉米秸等）和雜草，它們含碳量高。主要成分為木質(zhì)素、纖維素、半纖維素和蠟，代謝利用和產(chǎn)氣速率較慢。以這類物質(zhì)為原料時，需要進(jìn)行預(yù)處理，以提高原料的利用率和產(chǎn)氣速率。[4]

　　2.1.4發(fā)酵溫度

　　沼氣發(fā)酵時溫度的高低直接影響原料的消化速度和產(chǎn)氣率，在適溫范圍內(nèi)溫度越高，沼氣細(xì)菌的生長繁殖就越快，產(chǎn)氣也就越多。適宜沼氣發(fā)酵的溫度范圍較廣，一般8—60攝氏度，都能產(chǎn)生沼氣。低于10攝氏度或者高于60攝氏度，都嚴(yán)重抑制微生物生存、繁殖、影響產(chǎn)氣。因為發(fā)酵工藝不同，人們把沼氣發(fā)酵劃分三個發(fā)酵區(qū)，即10—26攝氏度為常溫發(fā)酵區(qū)，28—38攝氏度為中溫發(fā)酵區(qū)，40—60攝氏度為高溫發(fā)酵區(qū)。農(nóng)戶通常采用的是常溫發(fā)酵工藝。另外，沼氣發(fā)酵對溫度的急劇變化反映明顯，較大幅度的、急劇的溫度變化，會導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降，甚至停止產(chǎn)氣。所以沼氣池還應(yīng)有保溫設(shè)施，使池溫穩(wěn)定在一定范圍之內(nèi)。

　　2.1.5發(fā)酵PH值

　　沼氣微生物的生長，繁殖、要求發(fā)酵原料的酸堿度保持中性或微偏堿性（即PH值為6.5—7.5），過堿過酸都會影響產(chǎn)氣。測定表明，酸堿度PH值6—8時，均可產(chǎn)氣，以PH值為6.8—7.5時，產(chǎn)氣量最高，PH值低于4.9或高于9時均不產(chǎn)氣。

　　2.2發(fā)酵工藝過程

　　2.2.1沼氣發(fā)酵工藝

　　沼氣發(fā)酵的工藝流程一般包括原料預(yù)處理和發(fā)酵前準(zhǔn)備、發(fā)酵運轉(zhuǎn)及管理和發(fā)酵后期處理三個階段。沼氣發(fā)酵工程通常按照發(fā)酵池容的大小進(jìn)行劃分。我國規(guī)定的沼氣工程國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5]將沼氣發(fā)酵工程分為小型發(fā)酵工藝、中型發(fā)酵工程和大型發(fā)酵工藝。

　　大中型發(fā)酵工藝的特點是設(shè)備投資高、運行自動化程度高、具有良好的水力循環(huán)條件、運行維護(hù)成本高，但發(fā)酵效率也高，而且輸出能量大，可以配套沼氣發(fā)電設(shè)施或集中供熱設(shè)施等面向社區(qū)的沼氣利用工程。農(nóng)村戶用沼氣池具有配套設(shè)施簡單，建設(shè)和運行成本低，無需運行動力，地理環(huán)境適應(yīng)能力強等優(yōu)點。

　　2.2.2沼氣的發(fā)酵過程

　　沼氣發(fā)酵過程包括產(chǎn)酸和產(chǎn)氣兩個階段。

　　2.2.2.1產(chǎn)酸階段

　　沼氣池中大分子有機物在一定溫度、水分、酸堿度和密閉條件下，首先被不產(chǎn)甲烷微生物菌群中基質(zhì)分解菌所分泌的胞外酶，水解成小分子物質(zhì)，如蛋白質(zhì)水解成肽和氨基酸;脂肪水解成甘油和脂肪酸;多糖水解成單糖等。這些小分子物質(zhì)進(jìn)入不產(chǎn)甲烷微生物菌群中揮發(fā)酸生成菌細(xì)胞，通過發(fā)酵作用被轉(zhuǎn)化為乙酸等揮發(fā)性酸類和二氧化碳。由于這些中間產(chǎn)物和代謝產(chǎn)物都是酸性物質(zhì)，使池內(nèi)液體呈酸性，故稱產(chǎn)酸階段，也叫酸性發(fā)酵期。

　　2.2.2.2產(chǎn)氣階段

　　甲烷細(xì)菌將不產(chǎn)甲烷微生物產(chǎn)生的中間產(chǎn)物和最終代謝物分解轉(zhuǎn)化成大量的甲烷、二氧化碳和氨，故稱產(chǎn)氣階段[6]。因為甲烷和二氧化碳都能揮發(fā)而排出池外，而氨以強堿性的亞硝酸氨形式留在池中，中和了產(chǎn)酸階段的酸性，創(chuàng)造了甲烷穩(wěn)定的堿性環(huán)境，也叫沼氣發(fā)酵期。

　　3.產(chǎn)物的綜合利用

　　沼氣發(fā)酵產(chǎn)物包括沼液、沼渣和沼氣三部分。

　　3.1沼液的綜合利用

　　沼液中含有多種微量元素和豐富的氨基酸。因此，沼液在種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

　　眾所周知，氮、磷、鉀種元素對農(nóng)作物的生長、發(fā)育以及產(chǎn)量等有著特別重要的作用。但土壤中這種元素含量較少，因此需要進(jìn)行人為地補充?；实睦寐什桓?，以氮肥（如尿素、碳酸氫銨等）為例，只含有單一的肥料成分——銨態(tài)氮，不能滿足作物對各種養(yǎng)分的需要，也不易被作物吸收，而且這些氮肥容易揮發(fā)，若施用不當(dāng)，利用率就會更低。如果用沼液和這些氮素肥料配合使用，則可以促進(jìn)化肥在土壤中溶解，使作物更容易吸收養(yǎng)分，減少氮素?fù)p失，提高化肥利用率。

　　3.2沼渣的綜合利用

　　沼渣主要由未分解的原料固形物、新產(chǎn)生的微生物菌體組成。將沼氣發(fā)酵料液風(fēng)干就可得到沼渣。沼渣營養(yǎng)成分豐富，尤其是腐殖酸含量很高，它對改良土壤、增加土壤有機質(zhì)都具有重要作用。

　　3.3沼氣的綜合利用

　　沼氣是沼氣發(fā)酵的主要產(chǎn)物，它的應(yīng)用廣泛。

　　3.3.1在塑料大棚蔬菜生產(chǎn)中的應(yīng)用

　　一是利用沼氣為大棚增溫和保溫。燃燒1m3的沼氣可放出2.3×104kJ

　　熱量，以此來確定不同容積的大棚增溫和保溫所需沼氣量。二是利用沼氣為蔬菜大棚提供二氧化碳?xì)夥省?/p>

　　3.3.2沼氣養(yǎng)蠶

　　沼氣燈用于蠶種感光和燃燒沼氣，給蠶室加溫，可以達(dá)到孵化快，出蠶齊，縮短飼養(yǎng)期，提高蠶繭產(chǎn)量和質(zhì)量的目的。

　　3.3.3沼氣保鮮和貯存農(nóng)產(chǎn)品

　　沼氣中二氧化碳含量高，含氧少，造成一種高二氧化碳低氧的狀態(tài)，以控制果疏、糧食的呼吸強度，減少儲存過程中基質(zhì)的消耗，防治蟲、霉、病、菌，達(dá)到延長貯存時間并保持良好品質(zhì)的目的。

　　3.3.4做飯、照明用

　　沼氣、沼液和沼渣的綜合利用，有效的實現(xiàn)了物質(zhì)的循環(huán)利用以及能量的多級流動，極大的改善了環(huán)境，取得了良好了社會效益、生態(tài)效益和經(jīng)濟效益，實現(xiàn)了有機廢物變廢為寶和保護(hù)環(huán)境的目的，促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

　　4.沼氣的發(fā)展及其應(yīng)用

　　隨著我國人民生活水平的不斷提高，對肉類食品的需求也在急劇地增加，傳統(tǒng)的分散型養(yǎng)殖越來越不能滿足人們對肉類的需要，集約化的大型養(yǎng)殖場應(yīng)運而生。雖然集約化的養(yǎng)殖可以有效降低養(yǎng)殖的成本，更好地對畜禽進(jìn)行防疫，但是由于畜禽養(yǎng)殖的過于集中，糞便的排放也相對集中，大大超過了當(dāng)?shù)丨h(huán)境的承受能力，給當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境造成了巨大的壓力[7-9]。畜禽糞便對土地總體負(fù)荷警戒安全值以0.4為宜，而全國總體平均水平已經(jīng)達(dá)到0.49，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了明顯的威脅態(tài)勢[10]，同時也給當(dāng)?shù)鼐用竦慕】祹碛绊?，制約了養(yǎng)殖場本身的可持續(xù)發(fā)展。由于畜禽糞便中含有豐富的生物質(zhì)能，將其轉(zhuǎn)化利用不但可以在一定程度上解決上述問題，而且可以獲得能量，發(fā)酵產(chǎn)生的沼液、沼渣也可以作為很好的有機肥料[11-14]。于是，以畜禽糞便為原料的許多大型沼氣發(fā)酵工程紛紛亮相。

　　通過對畜禽糞便的發(fā)酵處理，以及對發(fā)酵產(chǎn)物的綜合利用，解決了畜禽養(yǎng)殖業(yè)發(fā)展中的阻礙，有利于畜禽養(yǎng)殖業(yè)規(guī)模的不斷擴大，可以為社會提供更多的肉類食品，滿足人們對肉類食品的需要，提高人民的生活水平。

　　同時，沼氣作為家用能源在農(nóng)村范圍內(nèi)也得到了大規(guī)模推廣應(yīng)用.能源、環(huán)境和資源需求對傳統(tǒng)沼氣提出了更高的要求，其用途將包括大規(guī)模集中供氣、燃?xì)獍l(fā)電、燃?xì)馄嚒⒒疖嚭娃D(zhuǎn)化化工產(chǎn)品等.

　　從這個意義上講，將來的沼氣將成為以各種生物質(zhì)為原料、通過大型自動化的現(xiàn)代工業(yè)發(fā)酵過程生產(chǎn)的、可以用于部分取代石油和天然氣的一種能源產(chǎn)品——生物燃?xì)?/strong>。

　　結(jié)論：

　　我國是世界上最早利用沼氣的國家之一。沼氣事業(yè)發(fā)展得到了政府的大力支持，特別是在農(nóng)村，沼氣事業(yè)得到了充分發(fā)展。同時，我國的大中型沼氣發(fā)酵工程也得到很好的發(fā)展，基本上具備了生產(chǎn)能源、減少污染和綜合利用等多種功能，實現(xiàn)了能源、環(huán)境與經(jīng)濟三方面的綜合效益。對于沼氣發(fā)酵產(chǎn)物的利用，由于其成本低廉，均能夠獲得一定的經(jīng)濟效益。

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