農(nóng)村沼氣建設與科學管理農(nóng)村沼氣建設與科學管理 能源辦能源辦 電話：* 第一篇 沼氣基礎知識 第一篇 沼氣基礎知識 w一、什么是沼氣 w二、 沼氣的來源 w三、沼氣的成分 w四、沼氣的性質 w五、沼氣發(fā)酵的原理 返回 一、什么是沼氣 沼氣是自然界中有機物質在適宜的溫度、 濕度、酸堿度和厭氧條件下，經(jīng)過多種微生 物分解轉化而產(chǎn)生的一種可燃性氣體。由于 這種氣體最先是在沼澤中發(fā)現(xiàn)的，所以人們 稱它為沼氣。 沼氣，不僅在沼澤、湖泊、坑塘、污水 溝、糞坑中等處能夠產(chǎn)生，而且用人工的方 法，給它創(chuàng)造一個適宜產(chǎn)生的環(huán)境，也能制 取沼氣。 沼澤、湖泊、坑塘產(chǎn)生的沼氣 二、 沼氣的來源 沼氣發(fā)酵是自然界中普遍而典型的物質循環(huán) 過程，按其來源不同，可分為天然沼氣和人工沼 氣兩大類。 天然沼氣是在沒有人工干預的情況下，由于 特殊的自然環(huán)境條件而形成的。除自然界厭氧生 態(tài)系統(tǒng)外，地層深處的古代有機體在形成石油的 過程中也產(chǎn)生一種近以沼氣的可燃氣體，叫做天 然氣。 人類有意識地模仿自然環(huán)境建造沼氣池，用 人工的方法制取沼氣，就是人工沼氣。 人工沼氣的性質近似于天然氣，但有不同。 氣體 種類 制取 方法 可燃成 分 含量 (%) 熱值(千焦/ 米3) 人工 沼氣 發(fā)酵 法 甲烷、 氫氣 5570 20000 29000 天然 氣 鉆井 法 甲烷、 丙烷、 丁烷、 戊烷 90以上 36000左右 人工沼氣和天然氣的差異 沼氣是一種混合氣體，其主要成分是甲烷 。沼氣的組成成分，不僅隨生產(chǎn)沼氣原料的 種類及比例的不同而有變化，而且因發(fā)酵條 件及發(fā)酵的不同階段各有差異。通常情況下 ，沼氣中甲烷（CH4）含量占60左右，二 氧化碳（CO2）含量40左右，另外還有少 量的氫氣（H2） 、一氧化碳（CO） 、硫化 氫（H2S） 、氮氣（N2）和氨氣（NH3）等 成分。甲烷、氫氣、一氧化碳等是可以燃燒 的氣體。 三、沼氣的成分 沼氣成分 沼氣成分所占比例 甲烷（CH4）60左右 二氧化碳（CO2）40左右 氫氣（H2） 一氧化碳（CO） 硫化氫（H2S） 氮氣（N2） 氨氣（NH3） 四、沼氣的性質 1、甲烷的性質 甲烷是一種無色、無味、無毒的氣體。 甲烷的相對密度為0.55，比空氣輕一半 。 甲烷的溶解度很小。 甲烷的分子結構是一個正四面體，分子 直徑很小，只有3.76埃米，擴散速度比空 氣快3倍，溶點為-82.5，沸點為-61.5 ，著火點為537.2。 甲烷是一種優(yōu)質的氣體燃料，當它與 適量的空氣混合完全燃燒時，產(chǎn)生淡藍色火 焰，并能放出大量的熱量?？諝庵腥缁煊? -5的甲烷，遇火就會發(fā)生爆炸；含甲烷量 達到25-30時，對人體會有麻醉作用。甲 烷燃燒的化學反應方程式如下： 甲烷最簡單的有機物 結構： 正四面體 俗稱： 沼氣、坑氣 天然氣的主要成分 二氧化碳可極大地溶于水，為提高 沼氣中的甲烷含量和熱值，可以利用石 灰水來吸收沼氣中的二氧化碳，形成碳 酸鈣沉淀。 2、二氧化碳的性質 3、硫化氫的性質 w硫化氫是一種有毒氣體，對金屬有較強的腐蝕性 ，微量時具有惡臭，沼氣中的臭味主要來源于它 。一般沼氣中僅含萬分之幾的硫化氫。硫化氫燃 燒后，被氧化成硫或二氧化硫，失去臭味，毒性 減輕。 幾種燃料的燃燒熱值 五、沼氣發(fā)酵的原理 w 1、厭氧消化微生物 w w 2 2沼氣發(fā)酵的生物化學過程沼氣發(fā)酵的生物化學過程 w w 3 3沼氣發(fā)酵的有機物分解代謝過程沼氣發(fā)酵的有機物分解代謝過程 w 4、沼氣發(fā)酵的特點 1、厭氧消化微生物 沼氣的產(chǎn)生，簡單地說，是有機物 在隔絕空氣和保持一定的溫度、濕度、 酸堿度等條件下，經(jīng)過多種微生物(統(tǒng)稱 沼氣細菌)的發(fā)酵分解而產(chǎn)生的。根據(jù)沼 氣發(fā)酵過程中細菌的作用，沼氣細菌可 以分為兩大類，第一類細菌叫做分解菌 ，第二類細菌叫做甲烷菌。 指厭氧消化過程中不直接參與甲烷生成反應的 微生物統(tǒng)稱，包括水解性細菌和產(chǎn)酸細菌等。 其作用是： 為產(chǎn)甲烷菌提供養(yǎng)分； 為產(chǎn)甲烷菌創(chuàng)造適宜的氧化還原條件； 為產(chǎn)甲烷菌消除部分有毒物質； 和產(chǎn)甲烷菌一起，共同維持發(fā)酵的pH值。 不產(chǎn)甲烷菌： 產(chǎn)甲烷菌： 隸屬于原核生物。其主要生態(tài)特征有 ： 嚴格厭氧，對氧和氧化劑非常敏感； 宜于中性偏堿性環(huán)境條件下繁殖； 菌體倍增時間長，4-5天才系列增殖1 代； 只能利用少數(shù)簡單化合物作營養(yǎng)，但 卻都能利用分子氫作代謝能量； 代謝最終產(chǎn)物是CH4和CO2。 2 2沼氣發(fā)酵的生物化學過程沼氣發(fā)酵的生物化學過程 (1)(1)第一階段為水解階段第一階段為水解階段 微生物的胞外酶，如纖維素酶、 淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等，首先對 發(fā)酵池內的有機物質進行體外酶解， 將多糖分解成單糖(或二糖)，將蛋白質 轉化成肽和氨基酸，脂肪轉化成甘油 和脂肪酸。也就是把固體有機物質轉 化成可溶于水的物質。 (2)(2)第二階段為產(chǎn)酸階段第二階段為產(chǎn)酸階段 第一階段的液化產(chǎn)物進入微生物細胞 ，在酶的作用下，轉化成低分子化合物。 如低級脂肪酸、醇等，其中主要是揮發(fā)性 酸(包括乙酸、丙酸和丁酸)，乙酸所占比例 最大，約有80。因此，第二階段稱產(chǎn)酸 階段。 第一、二兩個階段是一個連續(xù)過程， 統(tǒng)稱它為不產(chǎn)甲烷階段。是一個合成甲烷 的準備階段。 (3)(3)第三階段為產(chǎn)甲烷階段第三階段為產(chǎn)甲烷階段 在此階段中，產(chǎn)氨細菌大量活動，使 氨態(tài)氮濃度增高，氧化還原降低，為產(chǎn) 甲烷菌生活提供適宜的環(huán)境條件。 在甲烷菌的作用下，將不產(chǎn)甲烷階段 所產(chǎn)生的合成甲烷物質，最后轉變?yōu)榧?烷。這一階段是影響沼氣發(fā)酵速度的 限速步驟。 沼氣發(fā)酵的三個階段是相互依賴和連續(xù) 進行的，并保持動態(tài)平衡。在發(fā)酵初期，第 一、二階段的作用為主，也有第三階段的作 用；在發(fā)酵后期，則是三個階段的作用同時 進行，到一定時期，保持一定的動態(tài)平衡才 能持續(xù)而正常地產(chǎn)氣。 3 3沼氣發(fā)酵的有機物分解代謝過程沼氣發(fā)酵的有機物分解代謝過程 沼氣發(fā)酵過程十分復雜，其中參與發(fā)酵的 主要物質是碳水化合物、蛋白質和脂肪等。 復雜復雜 有機物有機物 碳碳水化水化 合物合物 蛋白質蛋白質 化合物化合物 類脂類脂 化合物化合物 （1）、總生化反應式 （2）、碳水化合物分解代謝方程式： (3)、脂類化合物在厭氧消化原料中含量低，其代 謝過程為： (4)、蛋白質類化合物在厭氧發(fā)酵原料中所占比例 變化大，養(yǎng)殖場廢物中有時高達20%，其代謝過程 為： 4、沼氣發(fā)酵的特點 （1）沼氣發(fā)酵的優(yōu)點： w 沼氣發(fā)酵后殘渣中有機物含量減少； w消化后殘渣是一種氣味很小的固體或流體， 不吸引蒼蠅或鼠類； w 可產(chǎn)生有用的終產(chǎn)物甲烷，它是清潔而方 便的燃料； w 在沼氣發(fā)酵過程中雜草種子和一些病原物被 殺滅； w 發(fā)酵過程中N、P、K等肥料成分幾乎得到全 部保留，一部分有機氮被水解成氨態(tài)氮，速 效性養(yǎng)分增加； w 發(fā)酵殘渣可作為飼料； w 沼氣發(fā)酵在處理有機物可大量地節(jié)省曝氣消 化所消耗的能量； w 厭氧活性污泥可保存數(shù)月而無需投加營養(yǎng)物 ，當再次投料時可很快啟動； （2）沼氣發(fā)酵的缺點： w 設備較復雜，建設投資較高； w 要求高標準的施工、管理和保養(yǎng)； w 由于厭氧菌繁殖速度慢，工藝啟動時間長；