沼气发酵食品院轻化071 肖小根目录✧课程感言✧沼气发酵简介✧沼气发酵机理✧沼气发酵工艺✧沼气发酵工艺条件✧沼气池的类型✧沼气的利用与前景✧中国发展沼气产业的现实意义课程感言“发酵工程原理与技术”这门课程内容分为五篇，前三篇从原料到产物阐述了发酵的整个过程后两篇是对发酵工程的延伸。

第五篇讲述的“发酵工厂废物处理和清洁生产技术”是目前我们国家及至全世界都在致力于发展的技术，以应对日趋严重的能源、资源和环境危机。

整本书的主要内容侧重于对发酵工程原理的介绍，大部分内容与“工业微生物学”和“生物化工”相类似，可以说是以往学习的相关知识的综合，在学习过程中也是一种巩固。

我认为学习这门课程的目的最重要还是要知道如何去运用它。

在本教中关于发酵工程的应用内容不多主要集中在第五篇：关于发酵工厂废物处理和清洁生产技术的介绍。

这部分内容我也大略地看过，由于全球环境污染日趋严重，节能减排、防污治污技术必然成为全球的聚集点。

对于这方面的内容我也比较感兴趣，我希望能找到一种技术，通过查找一些资料来系统地它认识和了解，同时也希望以此作为一根主线用具体的例子来串连起教材的所有内容，最终我选择了沼气发酵。

选择它的理由有三点：1、更贴近于实际生活；2、它能够在节能减排、资源循环利用的条件下有效地改善农村居民的生活；3、该技术已经成熟，相关资料比较多，但亟待大力推广，学习它在将来更有可能用得上。

在介绍沼气发酵这一技术中，我主要引用了：《微生物学教程》（第二版高教出版社周德庆主编）和《发酵工程》（科学出版社韦革宏杨祥主编）和百度关于沼气发酵的内容。

我希望能够通过对“沼气发酵”的全面了解，以后自己可以来建造沼气池。

沼气发酵简介沼气成分组成沼气的主要成分是甲烷。

沼气由50％～80％甲烷(CH4)、20％～40％二氧化碳(C O2)、0％～5％氮气(N2)、小于1％的氢气(H2)、小于0．4％的氧气(O2)与0．1％～3％硫化氢(H2S)等气体组成。

由于沼气含有少量硫化氢，所以略带臭味。

其特性与天然气相似。

空气中如含有8.6～20.8％（按体积计）的沼气时,就会形成爆炸性的混合气体。

沼气的主要成分甲烷是一种理想的气体燃料，它无色无味，与适量空气混合后即对燃烧。

每立方米纯甲烷的发热最为34000千焦，每立方米沼气的发热量约为2080 0－23600千焦。

即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7千克无烟煤提供的热量。

与其它燃气相比，其抗爆性能较好，是一种很好的清洁燃料。

沼气除直接燃烧用于炊事、烘干农副产品、供暖、照明和气焊等外，还可作内燃机的燃料以及生产甲醇、福尔马林、四氯化碳等化工原料。

经沼气装置发酵后排出的料液和沉渣，含有较丰富的营养物质，可用作肥料和饲料。

沼气的发现与沼气发酵的发展沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的。

1916年俄国人Β.П.奥梅良斯基分离出了第一株甲烷菌（但不是纯种）。

中国于1980年首次分离甲烷八叠球菌成功。

目前世界上已分离出的甲烷菌种近20株。

世界上第一个沼气发生器（又称自动净化器）是由法国L.穆拉于1860年将简易沉淀池改进而成的。

1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大、中型沼气发生装置的原型。

第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响。

后随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们重视。

1955年新的沼气发酵工艺流程──高速率厌氧消化工艺产生。

它突破了传统的工艺流程，使单位池容积产气量(即产气率)在中温下由每天1立方米容积产生0.7～1.5立方米沼气,提高到4～8立方米沼气，滞留时间由15天或更长的时间缩短到几天甚至几个小时。

中国于20世纪20年代初期由罗国瑞在广东省潮梅地区建成了第一个沼气池,随之成立了中华国瑞瓦斯总行,以推广沼气技术。

目前中国农村户用沼气池的数量达13 00万座。

而高速率厌氧消化工艺生产性试验装置已在糖厂和酒厂正常运行。

沼气发酵机理沼气（marsh gas ,swamp gas )又称生物气（biogas)，是一种混合可燃气体，主要成分为甲烷，另有少量H2 、N2和CO2。

沼气发酵又称甲烷形成（methanogenesis)，其生物化学本质是：产甲烷菌在厌氧条件下，利用H 2还原 CO 2等碳源营养物以产生细胞物质、能量和代谢废物——CH 4的过程。

CH 4是其厌氧呼吸链的还原产物。

CH 4形成可分3个阶段（图1）：1、发酵性细菌2、产甲烷细菌 （厌氧，兼性厌氧） （厌氧）1 2产氢产乙酸细菌（厌氧）图1 甲烷形成的3个阶段（微生物学教程第二版 周德庆）（1）水解阶段 由多种厌氧或兼性厌氧的水解性或发酵性细菌把纤维素、淀粉等糖类水解成单糖，并进而形成丙酮酸；把蛋白质水解成氨基酸，并进而形成有机酸和氨；把脂类水解成甘油和脂肪酸，并进而形成丙酸、乙酸、丁酸、琥珀酸、乙醇、H 2和CO 2。

参与本阶段的水解性细菌包括专性厌氧菌如Clostridium （梭菌属）、Bacteroides （拟杆菌属）、Butyrivibrio （丁酸弧菌属）、Eubacterium （真杆菌属）和Bifidobacterium （双歧杆菌属）等；兼性厌氧菌如Streptococcus （链球菌属）和一些肠道杆菌等。

（2） 产酸阶段 由厌氧的产氢产乙酸细菌群把第一阶段产生的各种有机酸分解成乙酸、H 2和CO 2的过程。

产氢产乙酸细菌旧称“Methanobacterium omelianskii ”（奥氏甲烷杆菌），1967年，M.P.Bryant 发现它实为两种细菌的共生体，其一是产氢产乙酸菌，称“S 菌”（G -，厌氧，能运动，杆状，能发酵乙醇产乙酸和H 2，当环境中H 2浓度高于0.5大气压时，生长受抑制）；另一称“MOH 菌（methanobacterium-oxidising hydrogen ，革兰氏染色可变，厌氧性杆菌，不能利用乙醇，但能利用H 2产甲烷）。

（3） 产气阶段 由严格厌氧的产甲烷菌群（methanogens ) 利用一碳化合物（CO 2、甲醇、甲酸、甲基胺或CO ）、二碳化合物（乙酸）和H 2产生甲烷的过程。

沼气发酵工艺沼气发酵的基本工艺流程图2 沼气发酵的基本工艺流程图 生物质： 多糖 蛋白质 脂肪H 2 CO 2 乙酸 CH 4 CO 2 丙酸 丁酸 琥珀酸 乙醇 有机废物 调节池预处理 厌氧消化器 后处理 排放沼气 净化 储存 用户剩余污泥（周孟津等，2004）1、原料处理充足而稳定的原料供应是厌氧消化工艺的基础，原料的收集方式又直接影响原料的质量。

收集到的原料一般要进入调节池储存，因为原料收集时间往往比较集中，而消化器的进料常需在一天内均匀分配。

所以，调节池的大小一般要能储存24小时废物量。

在温暖季节，调节池常可兼有酸化的作用，这对改善原料性能和加速厌氧消化有好处。

2、原料的预处理原料常混有生产作业中的各种杂物，为便于用泵输送及防止发酵过程中出现故障，或为了减少原料中的悬浮固体含量，有的在进入消化器前还要进行升温或降温等，因而要对原料进行预处理。

在预处理时，应将牛粪或猪粪中较长的草、鸡粪中的鸡毛去除，否则极易引起管道堵塞。

再配用切割泵进一步切短残留的较长的纤维或草，可有效地防止管路堵塞。

鸡粪中还含有较多贝壳粉和砂砾等，必须沉淀清除，否则会很快大量沉积于消化器底部并且难以排除。

乙醇和丙酮丁醇废醪因加热蒸馏，排出温度高达100摄氏度，因此需要降温后才能进入消化器，有条件时还可采用各种固液分离机械将固体残渣分出用作饲料，有较好的经济效益。

有些高强度的无机酸碱废水在进料前还应进行中和，最好采用酸性废水和碱性废水混合处理，如将酸性味精废水和碱性造纸废水加以混合即可收到良好效果。

3、消化器（沼气池）消化器或称沼气池是沼气发酵的核心设备。

微生物的繁殖，有机物的分解转化，沼气的生成都是在消化器时进行的，因此，消化器的结构和运行情况是沼气工程设计的重点。

首先要根据发酵原料或处理污水的性质以及发酵条件选择适宜的工艺类型和消化器结构。

目前应用较多的工艺类型及消化器结构有三类。

4、出料处理出料后的处理为大型沼气工程所不可缺少的构成部分，过去有些工程未考虑出料的处理，导致二次污染。

出料后处理的方式多种多样，最简便的是直接用作肥料施入土壤或鱼塘，但施用有季节性，不能保证连续的后处理。

可靠的方法是将出料进行沉淀后再将沉渣进行固液分离，固体残渣用作肥料或配合适量化肥做成适用于各种花果的复合肥；清液部分可经曝气池、氧化塘等好氧处理后排放，也可用于灌溉或再回用于生产用水。

目前采用的固液分离方式有沙滤式干化槽、卧螺式离心机、水力筛、带式压滤机和螺旋挤压式固液分离机等。

5、沼气的净化、储存和输配沼气发酵时会有水分蒸发进入沼气，由于微生物对蛋白质的分解或硫酸盐的还原作用也会有一定量硫化氢气体生成并进入沼气。

大型沼气工程，特别是用来进行集中供气的工程必须设法脱除沼气中的水和硫化氢。

水的冷凝会造成管路堵塞，有时气体流量计中也充满了水，脱水通常采用脱水装置进行。

H2S是一种腐蚀性很强的气体，它可引起管道及仪表的快速腐蚀。

H2S本身及燃烧时生成的SO2对人也有毒害作用。

沼气中的H2S含量在1~12%/m3之间，蛋白质或硫酸盐含量高的原料，发酵时沼气中的H2S含量就较高。

H2S的脱除通常采用脱硫塔，内装脱硫剂进行脱硫。

沼气的储存通常用浮罩式储气柜，以调节产气和用气的时间差别，以便稳定供应用气。

沼气的输配是指将沼气输送分配至各用气户（点），输送管道通常采用金属管，近年来采用高压聚乙烯塑料管。

沼气发酵工艺条件沼气发酵工艺的基本条件（联想微生物培养条件和培养基的制备）（1）适宜的发酵温度沼气池的温度条件分为：①常温发酵(也称为低温发酵)10℃～30℃，在这个温度条件下，产气率可为0．15～0．3 m3／m3•d。

②中温发酵30℃～45℃，在这个温度条件下，池容产气率可达1m3 ／m3•d左右。

③高温发酵45℃～6O℃，在这个温度条件下，池容产气率可达2～2．5 m3／m3•d左右。

沼气发酵最经济的温度条件是35℃，即中温发酵。

（2）适宜的发酵液浓度发酵液的浓度范围是2～30% 。

浓度愈高产气愈多。

发酵液浓度在20%以上称为干发酵。

农村户用沼气池的发酵液浓度可根据原料多少和用气需要以及季节变化来调整。

夏季以温补料浓度为5～6%；冬季以料补温10～12%。

（3）发酵原料中适宜的碳、氮比例(C：N)沼气发酵微生物对碳素需要量最多，其次是氮素，我们把微生物对碳素和氮素的需要量的比值，叫做碳氮比，用C：N来表示。

目前一般采用C：N=25：1。

但并不十分严格，20：1、25：1、30：1都可正常发酵。