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户用沼气池的运行管理和安全使用第一讲沼气发酵基础知识第一节沼气的概念与特性一、什么是沼气二、沼气的来源三、沼气的成分四、沼气的性质一、什么是沼气沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。在含腐烂有机质较多的沼泽、池塘、污水沟和粪坑里，经常可以看到有气泡冒出。把这种冒出的气泡收集起来，可以用火点燃。因为这种可燃气体最先是在沼泽中发现的，所以称它为沼气。二、沼气的成分沼气是一种混合气体。它的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮（N2）等气体。其中甲烷约占50-70%、二氧化碳约占30-40%，其他成分含量极少。三、沼气的性质沼气的主要成分是甲烷，甲烷是一种简单的碳氢化合物。它的化学性质极为稳定，不溶于水，比空气轻一半，是一种无色、无味、无臭、无毒的可燃性气体。沼气未燃烧时略有蒜味或臭鸡蛋气味，是因为沼气中含有少量硫化氢气体的缘故。甲烷的分子式是CH4，是由一个碳原子和四个氢原子构成的化合物，不含氮、磷、钾等元素，所以在燃烧时不会把发酵原料中的肥分烧掉。当甲烷完全燃烧时，呈蓝白色火焰，燃烧温度可达1400℃，能够产生大量的热。每立方米甲烷气体，完全燃烧时，发热量为8717大卡。每立方米人工沼气的发热量为5000大卡左右。相当于1公斤优质煤或0.7公斤汽油的发热量。沼气是一种优质的气体燃料，不仅能用来烧菜、煮饭、点灯，还可以用作动力燃料，开动内燃机。一立方米的人工沼气，能供3-4口之家三餐饭菜的燃料，能使一盏60支光的沼气灯照明6小时，能使一马力的内燃机工作2小时，能发电1.25度。第二节沼气发酵基本原理一、什么是沼气发酵沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵和甲烷发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧的条件下，通过种类繁多、数量巨大、且功能不同的各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等混合气体（沼气）的复杂的生物化学过程。只有了解参加沼气发酵的多种微生物活动规律、生存条件及作用，并按照微生物的生存条件、活动规律去修建沼气池，收集发酵原料，进行日常管理，使参加发酵的各种微生物得到最佳的生长条件，才能获得较多的产气量和沼肥，满足生产、生活的需要。二、沼气发酵微生物（一）沼气微生物的种类（细菌）沼气发酵是一种极其复杂的微生物和化学过程，这一过程的发生和发展是五大类群微生物生命活动的结果。它们是：“发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌”。这五大类微生物按照各自的营养需要，起着不同的物质转化作用。各种复杂有机物（无论是固体的或是溶解状态的)，都可以经过上述五大类群微生物的分工合作和相互作用的发酵活动而最终生成沼气。在沼气发酵过程中，五大类群微生物（细菌）构成一条食物链，从各类群细菌的主要代谢产物或它们的活动对发酵液酸碱度（PH）的影响来看，沼气发酵过程可分为产酸阶段和产甲烷阶段。前三种细菌（发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌）的活动可使有机物形成各种有机酸，因此，将其统称为不产甲烷菌。后二种细菌（食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌）的活动可使各种有机酸转化为甲烷，因此，将其统称为产甲烷菌。五大菌群：①.发酵性细菌：一些不溶性物质被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、肽、氨基酸和脂酸，再将吸入细胞，发酵为乙酸、丙酸、丁酸等和醇类及一定量的H2及CO2以纤维素为例，反应过程如下：发酵性细菌（C6H10O5）n+nH2On(C6H12O6)(纤维素)（水解酶类）(葡萄糖）发酵性细菌2C6H12O6CH3COOH+CH3CH2COOH+CH3CH2CH2COOH+3CO2+3H2(乙酸)(丙酸）)(丁酸)②.产氢产乙酸菌：除甲酸、乙酸和甲醇外的物质均不能被产甲烷菌所利用，所以必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳反应过程如下：丙酸CH3CH2COOH+2H2OCH3COOH(乙酸)+CO2+3H2丁酸CH3CH2CH2COOH+2H2O2CH3COOH(乙酸)+2H2五大菌群：③.耗氢产乙酸菌：它们既能利用H2+CO2生成乙酸，也能代谢糖类生成乙酸。2CO2+4H2——→CH3COOH（乙酸）+2H2O直接代谢C6H12O6（糖类）——→3CH3COOH（乙酸）④.产甲烷菌（食氢、食乙酸）：它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢的终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸和H2/CO2转化成气体产物CH4/CO2。产甲烷菌广泛存在于水底沉积物和动物消化道等极端厌氧的环境中。生成CH4的主要反应如下：食氢产甲烷菌H2/CO2：4H2+CO2————→CH4+2H2O食乙酸产甲烷菌乙酸：CH3COOH—————→CH4+CO2食乙酸产甲烷菌甲酸：4HCOOH—————→CH4+3CO2+2H2O食乙酸产甲烷食乙酸产甲烷菌乙醇：4CH3OH—————→3CH4+CO2+2H2O五大菌群：各种发酵性细菌玉米秸发酵时的发酵性细菌五大菌群：食氢产甲烷菌甲烷八叠球菌甲烷丝菌（二）沼气发酵微生物的作用1、不产甲烷菌为产甲烷菌提供营养；2、不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境；3、不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；4、不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持环境中适宜的酸碱度。（三）沼气发酵微生物的特点1、分布广，种类多上至1.2万米的高空，下至2千米的地层深处都有微生物的踪迹；沼气微生物在自然界分布也很广，特别是在沼泽、粪池、污水池以及阴沟污泥中存在有各种各样的沼气发酵微生物，种类达200-300种。2、繁殖快，代谢强产酸菌在生长旺盛时，20分钟或更短的时间内就可以繁殖一代，产甲烷菌繁殖速度较慢，约为产酸菌的1/15。3、适应性强，容易培养与高等生物相比，多种微生物适应性较强，并且容易培养。例如，沼气池里的微生物在10-60°C条件下，都能进行沼气发酵。三、沼气发酵过程目前公认的沼气发酵过程复杂有机物（多糖、脂类、蛋白质等）可溶性物质（糖类、脂酸、氨基酸等）H2+CO2CH3COOH③⑤④①①①②②CH4H2O丙酸、丁酸等长链脂肪酸CH4CO2①发酵性细菌②产氢产乙酸菌③耗氢产乙酸菌④食氢产甲烷菌⑤食乙酸产甲烷菌沼气发酵过程，实质上是微生物的物质代谢和能量转换过程，在分解代谢过程中沼气微生物获得能量和物质，已满足自身生长繁殖，同时大部分物质转化为甲烷（CH4)和二氧化碳（CO2)。这样各种各样的有机物质不断地被分解代谢，就构成了自然界物质和能量循环的重要环节。科学测定分析表明：有机物约有90%被转化为沼气，10%被沼气微生物用于自身的消耗。所以说，发酵原料生成沼气是通过一系列复杂的生物化学反应来实现的。一般认为这个过程大体上分为水解发酵、产酸和产甲烷三个阶段。（一）水解发酵阶段（液化阶段）复杂有机物大多数在水中不能溶解，必须首先被发酵性细菌群所分泌的胞外酶、表面酶（纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶）等进行体外酶解，也就是把畜禽粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成可溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。这个阶段叫水解发酵阶段，也叫液化阶段。（二）产酸阶段这个阶段是三个细菌群体的联合作用，先由发酵性细菌将液化阶段产生的小分子化合物吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把发酵性细菌产生的丙酸、丁酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。另外还有耗氢产乙酸菌群，这种细菌群体利用氢和二氧化碳生成乙酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机物为乙酸。这个阶段主要的产物是乙酸，约占70%以上。所以称为产酸阶段。液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，统常称之为不产甲烷阶段，它是复杂的有机物转化成沼气的先决条件。在这个过程中，不产甲烷的细菌种类繁多、数量巨大，它们主要的作用是为产甲烷菌提供营养和为产甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分毒物。（三）产甲烷阶段在此阶段中，产甲烷细菌群，可以分为为食氢产甲烷菌和食乙酸菌两大类群，已研究过的就有70多种产甲烷菌。它们将产酸阶段不产甲烷的三种菌群所分解转化的甲酸、乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳，其中二氧化碳在氢气的作用下还原成甲烷。这一阶段叫产甲烷阶段，或叫产气阶段。产甲烷菌的共同特征是：①生长缓慢。如甲烷八叠球菌在乙酸上生长其倍增时间为1-2天，甲烷菌丝倍增时间为4-9天。②严格厌氧。对氧气和氧化剂非常敏感，在有空气的条件下就不能生存或死亡。③只能利用少数简单的化合物作为营养。④要求在中性偏碱和适宜温度环境条件。⑤代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要成分的沼气。第三节沼气发酵基本条件沼气发酵是由多种细菌群参加完成的，它们在沼气池中进行新陈代谢和生长繁殖过程中，需要一定的生活条件，只有用人工为其创造适宜生长条件，使大量的微生物迅速的繁殖，加快沼气池内的有机物分解。因此，只有满足微生物的生长条件和沼气池正常运行条件才能获得产气率高、沼气和有机沼肥多的效果。人工制取沼气的基本条件是：一、碳氮比适宜的发酵原料二、质优足量的菌种三、严格的厌氧环境四、适宜的发酵温度五、适度的发酵浓度六、适宜的酸碱度一、碳氮比适宜的发酵原料沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气发酵细菌赖以生存的养料来源。因为沼气细菌在沼气池内正常生长繁殖过程中，必须从发酵原料里吸取充分的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和生长素等，用于生命活动，成倍繁殖细菌和产生沼气。沼气发酵原料主要有：各种农业剩余物，如猪、牛、羊等家畜及家禽粪便等，各种农作物的秸秆、杂草、树叶等，农产品加工的废物废水等。沼气发酵原料按其营养成分可分为富氮原料和富碳原料。富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便。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。发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异很大。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，沼气发酵时，原料不仅需要充足，而且需要适当搭配。保持一定的碳氮比例（最适宜的C/N=25～30：1），这样才不会因缺碳素或缺氮素营养而影响沼气的产生和细菌正常繁殖。二、质优足量的沼气菌种（接种物）制取沼气必须有沼气细菌才行。这和发面需要有酵母一样。如果没有沼气细菌作用，沼气池内的有机物本身是不会转变成沼气的。所以沼气发酵启动时要有足够数量含优良沼气菌种的接种物，这是制取沼气的重要条件。农村户用沼气池的接种物一般来源于老沼气池的沼渣（沼液）、阴沟的污泥、粪坑底部的沉渣等。接种物用量一般占总发酵液的30%左右。在农村含有优良沼气菌种的接种物，普遍存在于粪坑底污泥、下水污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥、豆制品作坊下水沟中的污泥，这些含有大量沼气发酵细菌的污泥称为接种物。沼气发酵加入接种物的操作过程称为接种，新建沼气池第一次装料，如果不加入足够数量含有沼气细菌的接种物，常常很难产气或产气率不高，甲烷含量低无法燃烧。另外，加入适量的接种物可以避免沼气池发酵初期产酸过多而导致发酵受阻。农村沼气池一般加入接种物的量为总投料量的10～30%。三、严格的厌氧环境沼气微生物的核心菌体—产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，他们在生长、繁殖、代谢等生命活动中都不需要空气，在空气中暴露几秒钟就会死亡，就是说空气中的氧气对它们有毒害致死的作用。因此，严格的厌氧环境是沼气发酵的最主要条件之一。我们根据沼气细菌怕空气的特性，修建的沼气池除进出料口外必须严格密闭，达到不漏水、不漏气，保证沼气细菌正常生命代谢活动和贮存沼气。四、适宜的发酵温度沼气池内发酵液的温度，对产生沼气的多少有很大影响，这是因为在适宜的温度范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖越快，产沼气就多；如果温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气就少或不产气。所以，温度是沼气发酵的重要外因条件。研究发现，沼气细菌在10-60℃的范围内，均能正常发酵产气（最适温度为35℃）。低于10℃或高于60℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气。人们把不同的发酵温度区分为三个范围，即常温发酵区10-25℃、中温发酵区25-35℃、高温发酵区50-60℃。农村户用沼气