沼气发酵原理及其作用

第1页共13页沼气发酵原理及其作用彭武厚陆鑫[摘要]本文从沼气称呼谈起，把沼气发酵原理及作用进行简单陈述，指出沼气发酵是有机废物的处理手段，是生物质能转化的重要技术，搞好沼气发酵有利于环境净化，有利于能源结构的改变。[关键词]沼气、沼气发酵、废物处理、工程管理。PrincipleandApplicationoftheMethaneFermentationPengWuhouLuXin(ShanghaiMeijingEnvironmentalProtectionengineeringCo.Ltd.,shanghai,200032)Abstract:Thispaperbeginswiththenameof“methane”.Principleandapplicationofthemethanefermentationarestatedbriefly.Itisindicatedthatmethanefermentationisoneofthedisposalmethodoforganicwaste.Itisoneimportanttechnologyofthebiologicalmatterenergyconversion.Makemethanefermentationwelldonewillbenefittheenvironmentalcleansingandbegoodfortheenergystructuretransform..Keywords:methane,methanefermentation,wastedisposal,engineeringmanagement沼气发酵（BiogasFermentation、MethaneFermentation）又称厌氧消化（AnaerobicDigestion）是在厌氧的环境中，微生物分解有机物最终生成沼气的过程。其产品是沼气和发酵残留物。本文从沼气的第一作者简介彭武厚，教授级高工，国务院特殊津贴享受者，现任上海美境环保工程有限公司总工程师，兼任中国生物质能技术开发中心副理事长、中国太阳能学会生物质能专委会理事，著有“沼气技术问答”、“沼气技术手册”等书籍，发表相关论文60余篇。第2页共13页称呼谈起，继而把沼气发酵的原理和作用作一简单介绍，供从事沼气发酵的工作者参考。1.沼气的称呼及成分沼气是一种可燃性气体，随着其产生的地点和原料的不同有着多种称呼（表1）；最通常的称呼是沼气（Marshgas）和生物气（Biogas）。表1沼气的来源及命名命名依据名称产生沼气的地点沼泽地及池塘沼气（Marshgas）、污泥气（Sludgegas）阴沟阴沟气（Culvertgas）粪坑粪料气（Manuregas）矿井和煤层瓦斯气、煤气、天然气（Gas）、天然瓦斯等研究者沃而塔发现其可燃沃而塔可燃气（VoltaCombustiblegas）气体成分主要是甲烷甲烷气（Methanegas）形成原料生物质生物气（Biogas）制造方法自然界形成沼气、天然气人工制造统称为沼气，国际上一般称之为生物气国家印度哥巴气（Gobargas）、牛粪气（Cowmanuregas）注：本表与下述的几张表格内容摘自郭梦云、彭武厚编著的“沼气技术手册”，略作修改。沼气与自然界存在的天然气在成分、热值和制取方法上也有不同（表2）；在热值方面，天然气一般较沼气高出30%左右。第3页共13页表2沼气与天然气的差异气体种类沼气天然气制取方法发酵法钻井法可燃成分甲烷、氢气、一氧化碳、硫化氢甲烷、丙烷、丁烷、戊烷甲烷含量（%）55～7085以上热值（KJ/m3）20000～2900039000左右沼气的成份是个变量，其含量受发酵条件、工艺流程、原料性质等因素的影响。一般沼气中含甲烷（CH4）55～70%，二氧化碳（CO2）25～40%，还有少量的硫化氢（H2S）、氮气（N2）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）等有时还含少量的高级碳氢化合物（CmHn），测定值见表3。表3沼气成分的实测值地区成分（%）南充遂宁蓬溪东至绵阳德阳酒厂酒糟豆制品厂废水平均值甲烷65.3862.6360.6162.8560.6359.3866.7167.4563.21二氧化碳33.3235.8437.4836.0233.8338.1432.1131.1434.74氮气0.911.251.000.795.232.121.471.701.81硫化氢0.050.030.040.060.010.020.060.040.05注：表中地区的数字是猪场粪污为原料，64口农村沼气的平均值。第4页共13页2．沼气发酵原理沼气发酵与味精发酵、柠檬酸发酵不同，有着许多独特的特点。表4列出了沼气发酵的几个特点，从而看到，许多的有机废物与废水均可作为沼气发酵原料，达到处理废物与废水产生沼气、降低COD的目的。表4沼气发酵的特点特点具体表现参与反应的微生物种类繁多没有应用单一菌种从废物中生产沼气的先例，生产和试验中用接种物（活性污泥）发酵发酵底物复杂，来源广泛各种有机质单一或混合均可作为发酵原料，终产物都是可燃性气体一沼气能处理各种浓度的废水和废物能处理COD含量50000mg/l以上的有机废水和固形物含量较高的工农业废物及垃圾沼气微生物自身耗能少在相同条件下，厌氧消化所释放的能量只有好氧分解的1/30～1/20发酵装置种类多，温度范围广从构造到材质各种装置只要设计合理并满足厌氧的条件制取沼气，温度从低到高（10～65℃）均可产生沼气要求严格的厌氧环境产甲烷菌要求氧化还原电们－330mv以下的生活环境，除氧以外，凡是具有高氧化还原电位的强氧化剂，对沼气发酵也不利沼气发酵的过程十分复杂，国内外许多部门与专家投入了研究，有过二阶段论，三阶段论甚至四阶段论的说法（表5）。逐步把发酵过程的一些现象进行了阐述。第5页共13页表5沼气发酵过程的阶段性发酵阶段代谢过程及相应的微生物类群简单评价两阶段理论水解性脂肪酸细菌产甲烷菌有机质――――﹥醇类―――――﹥CH4水解发酵CO2,H2S,CO2等H2,NH3等产甲烷生物如何利用甲醇以上的醇类及乙酸以上的有机酸难以解释，未得到确认。三阶段理论碳水化合物双糖或单糖挥发酸CH4,H2蛋白质肽和氨基酸醇类N2,CO2脂肪脂肪酸和甘油中性化合物CO,H2SH2,CO2等液化阶段产酸阶段产甲烷阶段（不产甲烷菌）（不产甲烷菌（产甲烷菌）和产甲烷菌）两阶段理论的矛盾得到解决，该理论被大多数学者所接受四阶段理论第二类群细菌即专性质子第一类群还原或产氢产乙酸菌细菌―――﹥第三类群细菌裂解乙梭菌属、酸盐的产甲烷菌拟杆菌属等利用氢的产甲烷菌乙酸杆菌属、梭菌属人畜粪便等复杂有机质的发酵分为四阶段，在不同的生态条件下，并非均包括此四阶段。该理论比较容易理解，似乎更为确切对于四阶段论还可用下图方式于以表述；乙酸戊酸丁酸丙酸乙酸甲酸CO2H2乙酸盐H2CO2CH4,CO2CH4乙酸盐CO2第6页共13页（1）水解作用（1）发酵（1）（1）（2）产氢产乙酸（2）同型产乙酸（3）（4）（5）沼气利用沼气利用图1，有机物厌氧消化生成沼气过程（1）发酵性细菌（2）产氢产乙酸细菌（3）同型产乙酸菌（4）利用H2和CO2的产甲烷菌（5）分解乙酸的产甲烷菌从图1中可以看到，复杂有机物首先在水解性细菌的水解酶作用乙醇复杂有机物（蛋白质、脂肪，碳水化合物）简单溶解性化合物脂肪酸、醇类（丙酸、丁酸、乙醇、乳酸等）H2、CO2CH4、CO2、H2、CO等直接燃用转化电能第7页共13页下，生成相应构成复杂有机物的单位物质如单糖、脂肪酸、氨基酸等，继而在水解性细菌胞内酶的作用下，分解生成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇以及CO2和H2等。在有机物厌氧消化生成甲烷的过程中，第二类起重要作用的是产氢产乙酸细菌，它们的作用是把丁酸、丙酸、乙醇等转化成乙酸。第三类微生物是产甲烷细菌，它们分别按以下两种途径生成甲烷：其一是在CO2存在下，利用H2生成甲烷：4H2+CO2CH4+2H2O其二是利用醋酸生成甲烷：CH3COOHCH4+CO2在甲烷形成过程中，各类反应的比例，可用图2表示，从而看到有机物以COD为表示时，甲烷的形成有72%是经过乙酸途经转化而来。第8页共13页图2城市废物、污泥等复杂废物形成甲烷的途径（图中百分数是废物的化学需氧量通过各条途径的转换率）第9页共13页3．沼气发酵的作用3.1沼气发酵是高浓度有机废水及废物的重要处理手段；沼气发酵后病原菌、寄生虫卵可以杀灭，COD可以去除70～95%。据新华社2006年8月26日电（青年报，28日报导）我国废弃物堆积量已近80亿吨，占用和损坏土地200万亩以上，对土壤和水体造成了严重污染。在众多的废物中如畜禽业粪污、酒糟、生活有机垃圾等均可用沼气发酵技术予以处理。应用此技术对减少污物的堆积，环境的清净有重要的作用。3.2沼气发酵是开发生物质能源的重要方法；世界上生物质资源非常丰富，据估算全世界陆地和海洋生态中，每年有机物的产量为1640亿吨，其中农业生产量约为7亿多吨，仅北京、上海、武汉、成都四大城市几个行业生物质量每年便有2199万吨。生物质能的利用技术有沼气发酵、液体燃料油的制取、热解气化、直接燃烧等，其中沼气发酵是效率高、技术成熟的方法，随着“再生能源法”的实施，认真搞好生物质能的开发利用，对改变能源利用结构，减少对矿物燃料的依赖都将会有重要意义。例如上海星火农场把2700头奶牛的粪便进行沼气发酵，产生近3000m3沼气可解决2700户居民炊事用气。又例如江苏太仓新太酒精厂年生产酒精5万吨，产生的酒糟经沼气发酵每天可产生5万m3沼气，可代替50吨煤的作用，可发电7.5万kwh。3.3沼气发酵残留物有促进鱼、畜、作物增产的妙用，有机物经厌氧分解，除保存原有营养成份外，还能形成一些生长促进因子，经研究第10页共13页和试用证明，沼液用于浸种，施肥、残渣制作花卉肥、鱼饵等，对减少虫害、促进增产都有良好效果。因此，沼气发酵技术有一举多得的功效。4．有机废弃物的沼气转化潜力有机物均由碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、硫（S）等元素组成。任何有机物知道C、H、O的量便可从巴斯维尔公式计算出经厌氧消化可能产生的甲烷（CH4）与二氧化碳（CO2）的量。巴斯维尔公式为：CmHaOb+(m-a/4-b/2)H20(m/2-a/8+b/4)CO2+(m/2+a/8-b/4)CH4对于几种常用的有机物其产沼气的潜力如表6所示，由此看到类脂化合物沼气产量很高，每kg原料干物质可产生沼气1.4m3。因此，城市泔脚料收集后进行沼气转化处理也是理想的做法。表6几种有机物的理论产气量及其成份项目有机质气体成份（%）干物质产气量L/kg甲烷二氧化碳沼气甲烷碳水化合物5050750370类脂化合物722814001040蛋合质5050980490对于畜禽粪便中各成份的含量随着饮料成份的变化而变化，大致沼气微生物厌氧条件下第11页共13页如表7所示：表7畜禽粪的组份粪种类TS%VS%N%P%K%猪粪18～2514～184.125.021.51牛粪16～20150.300.250.10鸡粪25～26224.782.541.57畜禽粪的排泄量与畜禽大小及使用饮料的质量有关，表8列出了几类畜禽排泄量的大致数值，可供工艺设计参考。表8畜禽类的排泄量分类体重一昼夜排泄量一年内排泄量粪尿合计粪尿合计猪5061521210054757665牛50020345473001241019710鸡1.00.1/0.136.5/36.5畜禽粪的产沼气量及有关特性大致如下表所示，从而看到鸡粪产沼气量优予猪粪与牛粪。各类粪都有其特点：牛粪：纤维类物质多，浮渣易结蓋，易引起管路堵塞，工程工艺设计时，需有除浮渣的措施。鸡粪：钙质类的沉淀物多，易沉淀于管道内，引起管径变小以致堵塞，另外，鸡粪中混有羽毛之类的杂质也需清理，否则也会引起运行不畅。猪粪：随着喂养饮料的不同，粪的成份也不同，为获得高产沼气第12页共13页的效果，浓度的配置，发酵停留期的安排要适当。表9几类粪污的产沼气潜力与特性种类TS%产沼气量m3/kgT