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保温式沼气罐沼气发酵及产气工艺一、沼气发酵的概念沼气发酵又称为厌氧消化、厌氧发酵，是指有机物质（如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等）在一定的水分、温度和厌氧条件下，通过各类微生物的分解代谢，最终形成甲烷和二氧化碳等可燃性混合气体（沼气）的过程。二、沼气发酵的基本过程第一阶段，水解阶段：将不溶解的有机化合物和聚合物通过酶法转化为可溶解的有机物；第二阶段，酸化阶段：将第一阶段的有机物发酵为有机酸；第三阶段，甲烷化阶段：由有机酸发酵产生甲烷。三、沼气发酵的基本条件沼气发酵是多种微生物分解有机物产生甲烷的过程。要使沼气发酵正常进行，获得较高产气量，就必须保证沼气细菌进行正常生命活动（包括生长、发育、繁殖、代谢等）所需要的基本条件。1、沼气细菌：制取沼气必须有沼气细菌才行，这和发面需要酵母菌一样。如果没有沼气细菌的作用，沼气池内的有机物本身是不会转变成沼气的。含有优良沼气菌种的接种物普遍存在于粪坑底污泥、下水道污泥、沼气发酵的渣水、沼泽污泥和豆制品作坊下水沟污泥中，新建沼气池可以到这些地方去收集菌种。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，新建沼气池头一次装料，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。一般投入的新鲜发酵原料本身带有的菌种很少，如果不预先富集和加入沼气菌种，将会迟迟不产气或产气少，所产沼气中甲烷含量也很少。因此在新池启动或老池大换料时，一定要添加一定量的接种物，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，影响产气量（见表2—1）。通过实践，加入接种物的数量一般应占发酵料液总重量的10%～30%为宜。对于中温和高温沼气发酵，还要注意沼气菌的驯化培养问题，以适应相应的发酵温度。表2—1接种量与产气量的关系原料（人畜粪便）（千克）接种量（千克）沼气量（升）甲烷含量（%）产气量（升/克）10228748.20.02910496156.50.09610102136.30.2022、严格的厌氧环境：沼气发酵中起主要作用的微生物都是严格厌氧的，必须在隔绝空气的条件下，才能进行正常的生命活动。它们对氧特别敏感，在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要氧气。空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。所以，修建的沼气池必须严格密闭，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。3、充足和适宜的发酵原料：沼气发酵原料是产生沼气的物质基础，又是沼气细菌赖以生存的养料来源。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足的营养物质，如水分、碳素、氮素、无机盐类和大量的硫、磷、钠、钙、镁等元素，用以生命活动，成倍繁殖细菌和转化沼气。在地球上，可作为沼气发酵原料的有机物质是相当丰富的，其产生沼气的潜力是十分可观的。除矿物油和木质素外，所有的有机物如人畜粪尿、作物秸秆、青草、垃圾、含有机质的工业废水、污泥等都可以作为沼气发酵原料（基质）。不同的发酵原料，由于所含的化学成分不同，其产气潜力和特性（如消化分解速度）也存在很大差异。在我国农村，人畜粪便和作物秸秆是主要的发酵原料。人、畜和家禽粪便富含氮元素，称“富氮原料”。这类原料经过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。秸秆和秕壳等农作物的残余物，这些原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质，称“富碳原料”。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，富碳原料其厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长，产气量高。氮素是构成微生物细胞质的重要原料，碳素不仅构成微生物细胞质，而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同，因发酵细菌消耗碳的速度比消耗氮的速度要快25～30倍。在其它条件具备的情况下，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。入池原料的碳氮比及干物质含量可根据公式（1）及公式（2）进行计算：a.入池混合原料的碳氮比按公式（1）计算：K=（C1X1+C2X2+C3X3…………）/（N1X1+N2X2+N3X3…………）……………（1）式中：K──混合原料的碳氮比；C──各种原料的碳素含量，％；N──各种原料的氮素含量，％；X──各种原料的重量，kg。b.入池混合原料的干物质含量按公式（2）计算：D=〔（T1X1+T2X2+T3X3…………）/（X1+X2+X3……）〕100………（2）式中：D──混合原料的干物质含量，％；T──各种原料的干物质含量，％；X──各种原料的重量，kg。上述两个公式也可以用来计算在配制一定的碳氮比或干物质含量时，某一原料的需要量。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的合理搭配。农村常用沼气发酵原料的碳氮比及产气情况（表2一2、2—3）。表2一2农村常用沼气发酵原料的碳、氮比（近似值）原料碳素占原料重量（%）氮素占原料重量（%）碳氮比（C:N）干麦草46.00.5387:1干稻草42.00.6367:1落叶41.01.0041:1大豆茎41.01.3032:1野草14.00.5427:1鲜牛粪7.30.2925:1鲜马粪10.00.4224:1鲜羊粪16.00.5529:1鲜猪粪7.80.6013:1鲜人粪2.50.852.9:1表2—31吨干原料的沼气产量发酵原料沼气生产转换率（米3/公斤）产沼气量备注猪粪0.25250含甲烷50～60%牛粪0.19190含甲烷50～60%鸡粪0.25250含甲烷50～60%人粪0.30300含甲烷50～60%稻草0.26260含甲烷50～60%麦草0.27270含甲烷50～60%玉米秸0.29290含甲烷50～60%干草0.33326含甲烷50%青草0.63630含甲烷70%纸厂废水0.60600含甲烷70%4、适宜的发酵温度：温度是生产沼气的重要条件。沼气发酵时温度的高低直接影响原料的消化速度和产气率，在适温范围内温度越高，沼气细菌的生长、繁殖就越快，产气也就越多。温度不适宜，沼气细菌生长发育慢，产气少或不产气。同时微生物对温度变化十分敏感，温度突升或突降，都会影响微生物的生命活动，使产气状况恶化。沼气发酵的温度范围较广，一般10～60℃都能产生沼气。低于10℃或高于60℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气。人们把沼气发酵划分为三个发酵区，即10～26℃为常温发酵区，28～38℃为中温发酵区，46～60℃为高温发酵区。一些发酵工业排出的有机废水、废物，如酒厂排出的酒糟，由于排放温度都在70℃以上，不需要外部补充热量来提高发酵原料温度，一般都采用高温发酵。城市污泥、工业有机废水、大中型农牧场的牲畜粪便等，适宜采用中温发酵。农村的沼气发酵，因为条件的限制，一般都采用常温发酵，冬季池温低产气少或不产气。为了提高沼气池温度，在北方寒冷地区，多把沼气池修建在塑料日光温室内或太阳能禽畜舍内，使池温增高，提高冬季的产气量，达到常年产气。5、适宜的干物质浓度：沼气细菌不光要“吃”，还要“喝”。沼气细菌在生长、发育、繁殖过程中，都需要足够的水分。水是沼气细菌的重要组成部分，沼气池里有机物质的发酵必须要有适量的水分才能进行。如果发酵料液中含水量过少，发酵原料过多，发酵液的浓度过大，甲烷菌又“吃”不了那么多，就容易造成有机酸的大量积累，不利于沼气细菌的生长繁殖，就会使发酵受到阻碍。如果水太多，发酵液过稀，单位容积内有机物含量少，产气量就少，不利于沼气池的充分利用。所以沼气池发酵液必须保持一定的干物质浓度。根据多年实践，农村沼气池一般要求发酵原料的干物质浓度为6～30%，在这个范围内，沼气池的初始浓度要低一些，这样做便于启动。夏季和初秋池温高，原料分解快，浓度可低一些，一般为6～8%。冬季、初春池温低，原料分解慢，干物质浓度应保持在10～30%。6、适宜的pH值：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微偏碱性（即pH=6.5～7.5），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=6.8～7.5产气量最高，pH值低于4.9或高于9时均不产气。沼气池沼气发酵初期，由于产酸细菌的活动产生大量的有机酸，使pH值下降，随着发酵继续进行，一方面氨化细菌产生的氨中和了一部分有机酸，另一方面甲烷菌利用有机酸转化成甲烷，这样使pH值又恢复到正常值，这样的循环继续下去使池内的pH值一直保持在7.0～7.5的范围内，使发酵正常进行。所以沼气池内的料液发酵时，只要保持一定的水分、接种物和适宜的温度，它就会正常发酵，不需要进行调整。如沼气池初始启动时，投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足，或者向沼气池内一次加入大量的鸡粪、薯渣，造成发酵料液浓度过高，都会因产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累，导致pH下降，造成沼气池启动失败或运行失常。此时，可取出部分料液，加入等量的新料液，稀释挥发酸，或添加适量的草木灰、石灰澄清液调整酸碱度。沼气原料干发酵的方法㈠、发酵原料的选择农村可用作沼气发酵的原料很多，最常用的是人畜（猪、牛、羊、马、鸡、鸭）粪便及各种农作物秸秆（稻草、麦草、玉米秸、油菜、大豆、花生秸），各类青杂草、烂菜叶、水葫芦、废渣、废水（酒糟、制豆腐的废渣水）等。㈡、沼气发酵原料的类型及特性①富N原料：通常是指人、畜和家禽粪便，也包括青草等碳氮比低的原料。其含氮量高，碳氮比多在25∶1以下，即在沼气发酵的适宜的碳氮比范围内或以下。这类原料中粪便经过了人和动物的胃肠系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量的低分子化合物─—人和动物未吸收的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时不必预处理，就容易厌氧分解，产气速度快，发酵周期较短。②富C原料：我国农村的另一大类发酵原料是秸杆和秕壳等农作物的残余物。这类原料富含纤维素、半纤维素、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质，含碳量高，其碳氮比多在40∶1以上，比沼气发酵适宜的碳氮比高，称富碳原料。这些物质的厌氧分解，比富N的粪便原料慢得多，发酵周期较长。秸秆类富C原料一般干物质含量比富N原料高，且比重小，进沼气池后容易飘浮形成死区─—浮壳层。为了提高原料的产气速率和利用率，这类原料在发酵前一般需要预处理。③城镇有机废物废水：主要包括人粪尿、生活污水、有机垃圾、有机工业废水、废渣和污泥等。④水生植物：主要包括水葫芦、水花生、水浮莲和其它水草和藻类等。这些水生植物利用太阳能的能力很强，繁殖速度快、产量高。由于组织鲜嫩，容易厌氧分解，作沼气原料，产气快、周期短。但水葫芦、水花生、水浮莲等水生植物体内有气室，直接进沼气池，容易飘浮。因此，用作沼气发酵原料时，宜稍晾干或堆沤2天后入池，效果较好。按原料的形态分：①固体原料：秸杆类、城市有机垃圾等都是固形物，其干物质含量比较高。它们主要可用于干发酵、坑填发酵。我国农村还将秸杆用作水压式沼气池的主要启动原料。它可弥补粪料的不足，缓慢地分解产气，延续产气高峰期。但是，它也容易在池内结壳、沉渣，造成出料困难。②浆液态原料：主要指人、畜和家禽粪便，它们一般随清洗水排入粪坑，呈浆液态。鲜粪干物质含量多在20%左右，与水混合后的浆液多在10%上下。它们可与固态原料混合，进行干发酵，同时也作为我国农村水压式沼气池的主要原料。另外，污水污泥也属于这一类。③有机废水：如酒精蒸馏废液、酵母厂废水、抗菌素厂废水、豆制品厂废水、制酱厂废水和纸浆废水等，它们含不同量的蛋白质、脂肪和碳水化合物，是产沼气的好原料，比天然有机物易于分解。一般可用高效的厌氧消化器处理沼气常用原料产气特征与温度的影响：原料产气特性是沼气发酵的一个重要技术参数。沼气发酵原料的种类很多，由于各自的化学成分不同，每种原料的产气特性也不同，包括原料的产气率和产气速度，不同原料不同温度