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认识沼气

沼气是什么
      沼气,顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到,在沼泽地、污水沟或粪池里有气泡冒出来,如果我们划着火柴,可把它点燃,这就是自然界天然产生的沼气。沼气是各种有机物质在隔绝空气(还原条件),并在适宜的温度、湿度下,经过微生物的发酵作用产生的一种可燃性气体。


沼气成分组成
      沼气的主要成分是甲烷。沼气由60%~80%甲烷(CH4)、20%-40%二氧化碳(CO2)、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可燃烧。每立方米纯甲烷的发热量为34000千焦,每立方米沼气的发热量约为20800-23600千焦。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。


沼气的原材料
      制取沼气的原材料有:农作物秸秆,人畜粪便(人,牛,马,猪,鸡,羊)、树叶、杂草、菜叶、淀粉废渣、城市有机垃圾、污水处理厂的污泥等。


沼气的发现与发展
      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1300万座。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。最近几年,华园新能源工程公司采用多种新能源复合专利技术,对传统的农村沼气使用进行技术更新,采用太阳能和沼气工程相结合的技术-即大型太阳能恒温窖室沼气工程,有效解决了传统单户使用沼气的六大弊病,广泛适用于养殖场、新农村改造、食品加工等各行业。产生的沼渣沼液还是富有营养的有机肥,可以为工程项目方增加工程收益。


沼气发酵
      沼气发酵基本条件:(1)优良的沼气细菌(2)严格的厌氧环境(3)充足的发酵原料(4)适宜的发酵温度(5)合适的料液浓度(6)中性适度的pH值(7)控制避免有毒物质入罐。
      1、沼气发酵微生物(联想细菌之间的关系:促进、抑制、竞争等)
沼气发酵微生物是一个统称,包括发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌五大类群。五大类群细菌构成一条食物链,从各群细菌的生理代谢产物或它们的活动对发酵液pH值的影响来看,沼气发酵过程可分为水解、产酸和产甲烷阶段。前三类群细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。后二类群细菌的活动可使各种有机酸转化成甲烷,因此将其统称为产甲烷菌。
      1.1不产甲烷菌
不产甲烷菌能将复杂的大分子有机物变成简单的小分子量的物质。它们的种类繁多,根据作用基质来分,有纤维分解菌、半纤维分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌和一些特殊的细菌,如产氢菌、产乙酸菌等。
      1.2产甲烷菌
产甲烷菌是沼气发酵的主要成分-甲烷的产生者。是沼气发酵微生物的核心,它们严格厌氧,对氧和氧化剂非常敏感,最适宜的pH值范围为中性或微碱性。它们依靠二氧化碳和氢生长,并以废物的形式排出甲烷,是要求生长物质最简单的微生物。
      2、 沼气发酵的原理(微生物生长代谢)
沼气发酵又称厌氧消化,是指各种有机物在厌氧条件下,被各类沼气发酵微生物分解转化,最终生成沼气的过程。
      3、三阶段理论
      3.1 沼气发酵过程的液化阶段
      用作沼气发酵原料的有机物种类繁多,如禽畜粪便、作物秸秆、食品加工废物和废水以及酒精废料等,其主要化学成分为多糖、蛋白质和脂类。其中多糖类物质是发酵原料的主要成分,它包括淀粉、纤维素、半纤维素、果胶质等。这些复杂有机物大多数在水中不能溶解,必须首先被发酵细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性糖、肽、氨基酸和脂肪酸后,才能被微生物所吸收利用。发酵性细菌将上述可溶性物质吸收进入细胞后,经过发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类及一定量的氢、二氧化碳。在沼气发酵测定过程中,发酵液中的乙酸、丙酸、丁酸总量称为中挥发酸(TVA)。蛋白质类物质被发酵性细菌分解为氨基酸,又可被细菌合成细胞物质而加以利用,多余时也可以进一步被分解生成脂肪酸、氨和硫化氢等。蛋白质含量的多少,直接影响沼气中氨及硫化氢的含量,而氨基酸分解时所生成的有机酸类,则可继续转化而生成甲烷、二氧化碳和水。脂类物质在细菌脂肪酶的作用下,首先水解生成甘油和脂肪酸,甘油可进一步按糖代谢途径被分解,脂肪酸则进一步被微生物分解为多个乙酸。
      3.2 沼气发酵过程的产酸阶段
      3.2.1产氢产乙酸菌
      发酵性细菌将复杂有机物分解发酵所产生的有机酸和醇类,除甲酸、乙酸和甲醇外,均不能被产甲烷菌所利用,必须由产氢产乙酸菌将其分解转化为乙酸、氢和二氧化碳。
      3.2.2耗氢产乙酸菌
      耗氢产乙酸菌也称同型乙酸菌,这是一类既能自养生活能异养生活的混合营养型细菌。它们既能利用H2+CO2生成乙酸,也能代谢产生乙酸。通过上述微生物的活动,各种复杂有机物可生成有机酸和H2/CO2等。
      3.3 沼气发酵过程中的产甲烷阶段
      3.3.1产甲烷菌的类群
      产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大类群。在沼气发酵过程中,甲烷的形成是由一群生理上高度专业化的古细菌一产甲烷菌所引起的,产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌,它们是厌氧消化过程食物链中的最后一组成员,尽管它们具有各种各样的形态,但它们在食物链中的地位使它们具有共同的生理特性。它们在厌氧条件下将前三群细菌代谢终产物,在没有外源受氢体的情况下把乙酸和H2/CO2。转化为气体产生CH4/CO2,使有机物在厌氧条件下的分解作用以顺利完成。目前已知的甲烷产生过程由以上两组不同的产甲烷菌完成。

      ①由CO2和H2产生甲烷反应为:CO2+4H2—CH4+2H2O

      ② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为:
            CH3COOH—CH4+CO2;CH3COONH4+ H2O—CH4+ NH4HCO3
      3.3.2产甲烷菌的生理特性
      ① 产甲烷菌的生长要求严格厌氧环境
      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。

      ②产甲烷菌食物简单产甲烷菌只能代谢少数几种碳素底物生成甲烷。

      ③ 产甲烷菌适宜生存在pH值中性条件下 (最好是微碱性)。
      ④ 产甲烷菌生长缓慢。
      4、 四类群理论
      有人按生物化学转化过程将发酵过程分为:
      ① 水解作用:由棱菌属、拟杆菌属等细菌将碳水化合物和蛋白质等大分子有机质降解为小分子有机化合物,如葡萄糖、氨基酸等;
      ② 发酵作用:由梭菌属、拟杆菌属及其他细菌(如乳酸菌类、丙酸杆菌属)进一步将水解的产物降解为小分子的醇类、有机酸类、二氧化碳、氢气、氨气等;
      ③ 产乙酸和产氢作用:把发酵作用所产生的小分子醇类和一些脂肪酸降解为乙酸、甲酸、二氧化碳和氢。人们对这类细菌了解尚少,甚至连种、属都还没有明确。但已肯定这类细菌所产生的氢对其自身进一步生长繁殖有抑制作用。因此,产乙酸和氢的细菌,必须与能利用氢的细菌,如产甲烷细菌和伍氏乙酸杆菌等共同生存;
      ④ 产甲烷作用:由产甲烷细菌将前3阶段所产生的氢气、二氧化碳以及甲酸、乙酸、甲醇和甲胺类等转化为甲烷。产甲烷细菌形态多样,但生理特性却大致相同,在缺氧条件下,均以甲烷为主要代谢产物。
      沼气发酵微生物之间的生态关系
      在沼气发酵过程中,不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间,相互依赖,互为对方创造与维持生命活动所需要的良好环境条件,但它们之间又互相制约,在发酵过程中总处于平衡状态。它们之间的主要关系表现在下列几方面:
① 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长和产甲烷所需要的基质
② 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位条件
③ 不产甲烷细菌为产甲烷细菌清除了有害物质
④ 产甲烷细菌又为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制
⑤ 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中适宜的pH值
      5、发酵工艺
      根据发酵原料和发酵条件的不同,所采用的发酵工艺也多种多样。
      5.1 沼气发酵的基本工艺流程
      一个完整的大中型沼气发酵工程,无论其规模大小,都包括了如下的工艺流程:原料(废水)的收集、预处理、消化器(沼气池)、出料的后处理和沼气的净化与储存等。
      5.2 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 。
(4)适宜的酸碱度(pH值)
      沼气发酵适宜的酸碱度为pH=6.5~7.5。pH值影响酶的活性,所以影响发酵速率。
(5)足够量的菌种
      沼气发酵中菌种数量多少,质量好坏直接影响着沼气的产量和质量。一般要求达到发酵料液总量的10~30%,才能保证正常启动和旺盛产气。
(6)较低的氧化还原电位(厌氧环境)
      沼气甲烷菌要求在氧化还原电位大于330mv的条件下才能生长。这个条件即严格的厌氧环境。所以,沼气池要密封。


沼气的利用及前景
      1、沼气传统利用和综合利用技术
       沼气作为能源利用已有很长的历史。我国的沼气最初主要为农村户用沼气池,20世纪70年代初,为解决的秸秆焚烧和燃料供应.不足的问题,我国政府在农村推广沼气事业,沼气池产生的沼气用于农村家庭的炊事来逐渐发展到照明和取暖。目前,户用沼气在我国农村仍在广泛使用。我国的大中型沼气工程始于1936年,此后,大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾沼气的建立拓宽了沼气的生产和使用范围。随着我国经济发人民生活水平的提高,工业、农业、养殖业的发展,大废弃物发酵沼气工程仍将是我国可再生能源利用和环护的切实有效的方法。
      自80年代以来建立起的沼气发酵综合利用技术沼气为纽带,物质多层次利用、能量合理流动的高效农产模式,已逐渐成为我国农村地区利用沼气技术促进可持续发展的有效方法。通过沼气发酵综合利用技术沼气用于农户生活用能和农副产品生产、加工,沼液用料、饲料、生物农药、培养料液的生产,沼渣用于肥料的生产,我国北方推广的塑料大棚、沼气池、禽畜舍和相结合的“四位一体”沼气生态农业模式、中部地区的以沼气为纽带的生态果园模式、南方建立的“猪-果”模式、以及其他地区因地制宜建立的“养殖-沼气植”、“猪-沼-鱼”和“草-牛-沼”等模式都是以业为龙头,以沼气为纽带,对沼气、沼液、沼渣的多层次利用的生态农业模式,沼气发酵综合利用生态农业模建立使农村沼气和农业生态紧密结合起来,是改善农村环境卫生的有效措施,是发展绿色种植业、养殖业的有效途径,已成为农村经济新的增长点。
      2、沼气发电技术
      沼气燃烧发电是随着大型沼气池建设和沼气综合利用的不断发展而出现的一项沼气利用技术,它将厌氧发酵处理产生的沼气用于发动机上,并装有综合发电装置,以产生电能和热能。沼气发电具有创效、节能、安全和环保等特点,是一种分布广泛且价廉的分布式能源。
沼气发电在发达国家已受到广泛重视和积极推广。生物质能发电并网在西欧一些国家占能源总量的10%左右。
      我国沼气发电有30多年的历史,在“十五”期间研制出20~600kW纯燃沼气发电机组系列产品,气耗率0.6~0.8m3/kwh(沼气热值>21MJ/ m3)。但国内沼气发电研究和应用市场都还处于不完善阶段,特别是适用于我国广大农村地区小型沼气发电技术研究更少,我国农村偏远地区还有许多地方严重缺电,如牧区、海岛、偏僻山区等高压输电较为困难,而这些地区却有着丰富的生物质原料。如能因地制宜地发展小沼电站,则可取长补短就地供电。
      3、沼气燃料电池技术
      燃料电池是一种将储存在燃料和氧化剂中的化学能,直接转化为电能的装置。当源源不断地从外部向燃料电池供给燃料和氧化剂时,它可以连续发电。依据电解质的不同,燃料电池分为碱性燃料电池(AFC)等。
      燃料电池不受卡诺循环限制,能量转换效率高,洁净、无污染、噪声低,模块结构、积木性强、比功率高,既可以集中供电,也适合分散供电。燃料电池将是21世纪最有竞争力的高效、清洁的发电方式,它将在洁净煤燃料电站、电动汽车、移动电源、不间断电源、潜艇及空间电源等方面有着广泛的应用前景和巨大的潜在市场。
      沼气燃料电池是最新出现的一种清洁、高效、低噪音的电装置,与沼气发电机发电相比,不仅出电效率和能量利用率高,而且振动和噪音小,排出的氮氧化物和硫化物浓度低,因此是很有发展前途的沼气利用工艺,将沼气用于燃料电池发电,是有效利用沼气资源的一条重要途。我国的燃料电池研究始于1958年。但是,由于多年来在燃料电池研究方面投入资金数量很少,就燃料电池技术的总体水平来看,与发达国家尚有较大差距。燃料电池的出现与发展,将会给便携式电子设备带来一场深刻的革命,并且还会波及到汽车业、住宅以及社会各方面的集中供电系统。
      4 、污染治理
      对于以农业为主的中国,沼气技术在农业领域正发挥着很大的作用,目前,国家制定法律法规中有许多发展农村沼气的有关政策规定,并在全国各地大力推动大中型沼气工程建设,并且进一步提高设计、工艺和自动控制技术水平。预计到2015年,处理工业有机废水的大中型沼气工程达2500座,形成年生产沼气能力40亿立方米,相当于343万吨标准煤,年处理工业有机废水37500万立方米。农业废弃物沼气工程到2015年累计建成近4100个,形成年生产沼气能力4.5亿立方米,相当于58万吨标准煤,年处理粪便量1.23亿吨,从而解决全国集约化养殖场的污染治理问题,使粪便得到资源化利用。


中国发展沼气产业现实意义
      沼气是可再生的清洁能源,既可替代秸秆、薪柴等传统生物质能源,也可替代煤炭等商品能源,而且能源效率明显高于秸秆、薪柴、煤炭等。
      中国农业资源和环境的承载力十分有限,发展农业和农村经济,不能以消耗农业资源、牺牲农业环境为代价。农村沼气把能源建设、生态建设、环境建设、农民增收链接起来,促进了生产发展和生活文明。发展农村沼气,优化广大农村地区能源消费结构,是中国能源战略的重要组成部分,对增加优质能源供应、缓解国家能源压力具有重大的现实意义。沼气知识的普及和应用并非纸上谈兵,是一个任重而道远的过程!