沼气的概念

1.1　沼气的概念

1.1.1　沼气的定义

沼气是有机物在厌氧（无氧）条件下经微生物发酵作用而生成的一种可燃性气体。它的主要成分是甲烷（CH₄）、二氧化碳（CO₂），通常沼气中含有60%～70%的甲烷，30%～35%的二氧化碳，以及少量的氢气（H₂）、氮气（N₂）、硫化氢（H₂S）、一氧化碳（CO）、水蒸气和少量碳氢化合物。近年来，在沼气中还发现了少量的有剧毒硫化氢气体，这可能是使人体中毒的原因之一。通俗地说，像人们常见的从水沟、泥塘里冒出来的水泡就是沼气（甲烷气）。如果你将这些大气泡小气泡收集起来，用火机点燃时就会燃烧，火苗呈蓝色。又如麦草摞或纯牛马粪堆被淋湿，长时间会出现自燃现象，这就是产生了沼气的原故。这种可燃气体由于最初是池沼中发现的，所以就命名为沼气。

1.1.2　沼气的化学组成和理化性质

（1）沼气的物理性质：沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体，它的主要成分是甲烷（瓦斯），在常温下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。沼气难溶于水，在20℃、一个大气压下，100单位体积的水只能溶解3个体积的沼气。沼气从气态变成液态时所需要的平均临界温度为－37℃，平均临界压力为56.64个大气压，这就是说明沼气液化的条件非常苛刻，也即是沼气只能以管道输气，不能液化装罐的主要因素。当空气中甲烷的含量达到25%～30%时，对人畜有一定的麻醉作用。

（2）沼气的化学性质：沼气的主要成分是甲烷，甲烷的分子式是CH₄，分子量为16.04。是1个碳原子与4个氢原子所结合的简单碳氢化合物，是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰，每立方纯甲烷在标准状况下完全燃烧可放出35822kJ的热量，最高温度可达1400℃左右。纯甲烷发热量36.8kJ/m³。沼气的发热量23.4kJ/m³，相当于0.55kg柴油或0.8kg煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析，每立方米沼气所能利用的热量相当于燃烧3.03kg煤所能利用的热量。

沼气在空气中燃烧，一个体积的沼气需要6～7个体积的空气才能充分燃烧。在常压下，标准沼气与空气混合的爆炸极限是8.8%～24.4%，沼气与空气按1∶10的比例混合，在密闭条件下遇火会迅速燃烧、膨胀，产生很大的推动力（如户用沼气往往有冲开沼气池天窗口盖的现象），因此，沼气除了可以用作炊事、照明外，还可用作动力燃料（用汽车动力燃料）。

沼气的发热值是比较高的，其平均值高达3.03×10⁶J。因此，沼气不仅仅是一种优质的人工气体燃料，而且是一种可再生的、就地生产、就地消费、干净卫生、使用方便的新能源。

1.1.3　制取沼气的条件

制取沼气的过程实质上是沼气发酵的过程，沼气发酵的基本条件是：

（1）严格的厌氧环境：要求沼气发生器（沼气池）严格密封，使其不漏水不跑气。充足的发酵原料：富氮原料（富含氮元素）的物质，如人畜粪便。富碳原料（富含碳元素）的物质，如秸秆、秕壳等。这两种元素的比例要适宜，即适宜的碳氮比（碳∶氮＝（25～30）∶1）。几种常用原料的碳氮比适宜的是鲜牛粪25∶1，鲜马粪24∶1，鲜猪粪13∶1，鲜羊粪29∶1。

（2）优质适量的接种物：所谓接种物是指富含沼气菌的物质。如豆腐坊、酒作坊等的下脚料正常产气的沼气池中的沼液。为总投料量的10%～30%。

（3）适宜的发酵浓度：干物质浓度为6%～12%（夏季不低于6%，冬季不低于12%）。即发酵原料含水量为88%～94%。

（4）适宜的温度：产生沼气的适宜温度是10℃～60℃范围。高于60℃或低于10℃都不能正常产气，因为不适宜的温度会抑制沼气微生物生存、生长、繁殖，影响产气。在这种范围内温度越高沼气微生物活动越旺盛，产气量越高。46℃～60℃为高温发酵，28℃～45℃为中温发酵，10℃～27℃为低温发酵。为使冬季像夏季一样产气，要求在沼气池上面建设暖棚圈舍以增温保温。为保证第一次装料启动成功，就要预热堆沤原料：粪的温度达40℃，并加热水，水温达30℃～40℃，沼气池要预热处理，这就是三热装料。启动户用沼气池配置料液的比例是：接种物∶原料∶水＝1∶2∶5。8m³沼气池需接种物0.8m³，原料1.8m³，水4.5m³。

（5）适宜的酸碱度：沼气发酵所需发酵料液的酸碱度要适宜，过酸过碱都不能产气。沼气菌活动的适宜酸碱度是pH值＝6.8～7.5。

（6）持续的搅拌：通过搅拌使原料分布均匀，沼气微生物与原料充分接触，增强活性，增强生长繁殖能力提高产气率。

1.1.4　沼气生产的基本原理

沼气生产过程实际上是有机物在厌氧条件下经过沼气微生物发酵作用而生成一种可燃性气体的过程。生产沼气首先要培养沼气菌。沼气菌有哪些种类呢？

（1）沼气微生物种类、作用及其特点：种类、沼气微生物主要有发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌，这三种微生物是不产甲烷菌，但它们使有机物形成有机酸。食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是产甲烷菌，并能使有机酸形成甲烷。不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养，创造适宜厌氧环境，清除有毒物质；产甲烷菌和不产甲烷菌共同维持环境中酸碱度。特点是：沼气菌种类多、分布广、繁殖快、代谢强，适宜性强，易于培养。

（2）沼气微生物的物质代谢和能量转换过程

沼气发酵从根本上来说，是有机物在严格的厌氧条件下经过多种微生物的分解转化，使复杂有机物中的碳素化合物一部分彻底氧化分解成二氧化碳，另一部分彻底还原成甲烷的过程就是沼气产生的过程。这个复杂的分解过程可分为三个阶段，即水解阶段、酸化阶段和产甲烷阶段。

①水解阶段：复杂有机物如有机废水、粪水、酒糟、糖醪，它们的化学成分主要是多糖、蛋白质和脂类等不溶于水的大分子有机物，发酵细菌所分泌的各种酶类可以把它们水解成可溶性小分子。

纤维素、多糖、蛋白质、脂肪等大分子有机物在各种酶的作用下水解成双糖或单糖；多肽和氨基酸；脂肪酸和甘油。

②产酸阶段：发酵性细菌继续把水解产物发酵，生成乙酸、丙酸、丁酸、醇类及二氧化碳和水。这些生成物中只有乙酸和氢能产生沼气，丙酸、丁酸、乙醇等必须再分解成乙酸、氢气和水。这时产氢产乙酸菌使丙酸、丁酸等分解成乙酸，又把产生的部分二氧化碳和氢合成乙酸，为产生沼气做好了充分准备。

即：

③产甲烷阶段：产甲烷菌是分解有机物过程中最后出场的菌种，包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们是厌氧消化过程中的“清道夫”，分别以氢和乙酸为主要食物。只要给它们足够的食物，我们就能源源不断地得到甲烷。

即：