作者：张无敌、刘伟伟、尹芳 等编著
出版社：化学工业出版社
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农村沼气工程技术试读：
版权信息书名：农村沼气工程技术作者：张无敌,刘伟伟,尹芳 等[编著]排版：昷一出版社：化学工业出版社出版时间：2016-03-01ISBN：9787122258557本书由化学工业出版社（2017）授权北京当当科文电子商务有限公司制作与发行。— · 版权所有 侵权必究 · —第一章 农村沼气技术第一节 基本概念一、沼气的来源与生态环境沼气是由厌氧微生物的代谢产生的，沼气发酵是自然界中物质循环的一个极其重要的组成部分。在含腐烂有机物较多的池塘、粪坑以及阴沟里，经常可以看到有气泡从池底冒出，如果用火点燃，便产生蓝色的火焰。由于这种气体常见于池沼中，所以称它为“沼气”，英文为“marsh gas”或“biogas（生物气）”（表1-1）。一些高等动植物体内部已发现了产甲烷菌，其中反刍动物的瘤胃就是一个典型的沼气发生器。在牛的瘤胃中有大量的沼气发酵细菌，并形成甲烷和二氧化碳。一头大乳牛的瘤胃中有100L纤维发酵物，每天可产200多升甲烷，这些气体在打嗝时放出。表1-1 沼气的来源及命名
沼气与天然气的主要成分相同，都是可燃气体甲烷，但甲烷的含量不同。一般天然气中的甲烷含量不低于90％，而沼气中的甲烷含量一般不超过70％。
在自然界中，产甲烷菌通常存在于下列七类生态环境中。（1）淡水沉积物和水稻田 在湖泊、池塘等水体环境中，补偿浓度（即光合作用产生的氧量恰好等于水呼吸作用消耗的氧量时的深度）下层为耗氧水层，主要厌氧菌类群的垂直分布从上往下依次为光合细菌、硫酸盐还原菌和产甲烷菌。在淡水沉积物中硫酸盐和硝酸盐的数量通常很少，因而沉积物中动植物残体的分解与厌氧消化器系统很相似，也属于产甲烷菌的第一类生态环境。很多观察实验都表明，尽管存在水质和地质条件的差异，淡水沉积物中产甲烷菌的垂直分布仍具有明显的规律性。即从水层-沉积物的接触面开始，随着深度的增加，甲烷浓度也随之增加，在2～27cm深度之间达到最大值，深度继续增加则甲烷深度开始下降。可能是由于在2～27cm这段深度内，营养条件、氧化还原电位及其它限制性条件均适合产甲烷菌和生理伴生菌群生长需要的缘故。
水稻田通常吸收有大量的有机物，一旦被水淹没很快转变成厌氧状态。相关的研究表明，处于赤道线上的国家，每平方米水稻土壤每年形成的甲烷量可达温带国家的上千倍，但其产甲烷菌的数量并不太26多，仅为10～10个/g土。我国学者对杭州地区水稻田的研究表明，水稻田的甲烷主要在水稻根系土壤区域生成并由水稻植株释放进入大气。值得一提的是产甲烷菌也参与固氮，某些产甲烷菌具有固氮能力。（2）海洋和地质深层沉积物 海洋约占地球表面积的70％，海洋中有机物质也比较丰富，但从海洋释放进入大气的甲烷量却很少。海洋中大多数甲烷来自于非竞争性的甲烷基质，即主要是从甲基化合物生成的。海洋动物的尸体分解后一般可形成单甲胺、二甲胺和三甲胺等化合物，从而在海洋沉积物中形成一条特别的由甲基化合物生成甲烷的代谢途径。海洋沉积物中产甲烷菌的垂直分布与淡水沉积物相似，在一定浓度范围甲烷沉积物浓度也随浓度成线性增加（表1-2）。表1-2 不同沉积环境中的产甲烷菌（3）地热生态环境 地热环境如温泉、热泉和火山湖等属于简单无机自养生态系统，有些也属于产甲烷菌的生态环境。在陆地的地热区中，微生物生态学家已对温度为40～100℃的温泉、热泉、火山湖等中的微生物进行了一系列研究，产甲烷菌在这些生境中是普遍存在的，在这种情况下，绝大多数产甲烷菌是利用氢还原二氧化碳进行生长的，很少有乙酸营养型产甲烷菌。不过有一例外，在俄罗斯Kamchatka热泉中，分离得到了利用乙酸的甲烷丝菌（Methanothrix sp.）。在海洋近海岸的热泉中，分布着嗜热产甲烷菌，已经分离得到的嗜热产甲烷菌有：嗜热自养甲烷球菌（Meth-anococcus thermolithotrophicus），最适温度为65℃；詹氏产甲烷高热球菌（Methanocoldococcus jannaschii），最适温度为85℃；火源甲烷球菌（Methanococcus igneus），最适温度为88℃；火热产甲烷菌（Methanopyris kandleri），最适温度为105℃等，所有分离得到的嗜热产甲烷菌均属氢营养型。由于在100℃以上的环境中证实了存在有发育良好的化能自养微生物群，从而改变了人们对生命存在的传统观点，拓宽了生命存在的范围。（4）动物瘤胃及肠道环境 绝大多数动物的胃肠道内都有产甲烷菌的存在。牛、绵羊、山羊、鹿、糜、北美野牛、羚羊等属瘤胃动物，瘤胃内温度恒定在39℃左右，氧化还原电位可低达-350mV。在瘤胃气体中，二氧化碳占65％，甲烷占35％，瘤胃中的甲烷分压可10达0.35个大气压。瘤胃液中的微生物浓度很高，细菌达10个/mL，6原生动物达10个/mL，并含有少量分解纤维素的厌氧真菌。瘤胃中的产甲烷菌主要是氢营养型产甲烷菌。在白蚁的后肠囊腔中，存在有产甲烷菌，有人将白蚁的肠称之为“袖珍瘤胃”。包括人在内的大多数动物都有后肠发酵腔室，这一场所中存在有产甲烷菌。（5）中国传统发酵酿酒窖池 中国浓香型白酒是在泥质窑池中酿制而成的，酿酒窑泥是一类独特的厌氧生态环境。在细菌的空间分布上，老窖池中的甲烷菌数量随窖泥上、中、下层顺序而表现出递增趋势，如表1-3所列。老窖泥中除存在产乙酸菌的产香功能菌外，还有产甲烷菌。它们既是生香功能菌，又是老窖生产性能的指标。窖泥中多种形状（杆状、球状、不规则状等）的产甲烷菌的存在，说明酒窖中的厌氧环境和各种基质（如二氧化碳、氢气、甲酸、乙酸等）给产甲烷菌的生长与发酵提供了有利条件。表1-3 酿酒窑池中厌氧功能菌分布的数量特征（6）与原生动物共生 大阿米巴（Pelomyxo）和一些纤毛虫细胞内存在有大量分散的产甲烷菌，在阿米巴鞭毛虫（Psalteri-omonas lanterna）的细胞内有杆状甲烷菌共生。已经从原生动物细胞中分离出了甲酸甲烷杆菌（Methanobacterium formicium）和内共生甲烷叶状菌（Methanoplanus endosymbiosus），这两种产甲烷菌均属氢营养型。（7）湿木 在一些比较坚硬的树木如杨树、榆树、栎树、木棉树、柳树等的树心中，由于某种原因而含有大量水分，称之为湿木。湿木的pH值偏碱性，缺氧，有产甲烷菌存在，并能从湿木中产生甲24烷气体。相关的研究表明，产甲烷菌的数量为10～10个/g，固氮菌5667的数量为10～10个/g，厌氧异养菌的数量为10～10个/g，并从湿木中分离得到了嗜树木甲烷短杆菌（Methanobrevibacter arboriphilus）。湿木中的纤维素异常丰富，但未发现纤维素降解作用。湿木中的产甲烷菌数量虽不多，但却是产甲烷菌一类独特的生境。二、沼气的性质
1.沼气的组成
沼气是有机物质在厌氧条件下，经过微生物的发酵作用而生成的一种可燃气体。由于这种气体最先是在沼泽中发现的，所以称为沼气。
沼气和天然气的主要成分都是甲烷和二氧化碳，天然气中的甲烷含量一般高于90％，而沼气中的甲烷含量一般不超过70％。一般情况下，沼气中除甲烷和二氧化碳外，还含有少量的氮气、一氧化碳、氢气、硫化氢和氧气。其中甲烷含量为50％～70％，二氧化碳为25％～40％。因为沼气的主要成分是甲烷，所以它的性质也主要由甲烷来决定。
沼气与空气的密度之比为0.85:1，略比空气轻。沼气的容重为31.22kg/m。沼气的燃烧范围为占空气体积的8.8％～24.44％。
2.甲烷的物理性质
甲烷的分子式为CH，相对分子质量为16.04，是由一个碳原子4和四个氢原子结合而成的简单碳氢化合物。甲烷分子中的一个碳原子和四个氢原子不在同一平面，而是分布在空间，形成一个正四面体的立体结构。碳原子处于正四面体的中心，四个氢原子分别连接在四面体的四个顶点上。碳原子的四个价键之间的键角彼此相等，均为109°28'，各碳氢键之间的键长也相同，均为1.09（1=0.1nm，图1-1）。图1-1 甲烷分子的正四面体结构
甲烷是一种无色、无味、无毒的气体。因其沼气中常常含有少量的硫化氢，因而沼气在燃烧前略带有蒜味或臭鸡蛋味。甲烷在水中的溶解度很小，在20℃时，通常100体积的水只能溶解3.3体积的甲烷（标准状态），即溶解度为3％，易溶于汽油、煤油等有机溶剂。甲烷3比空气轻，相对分子质量为16.043，其密度为0.7174g/cm，相对密度为0.555。甲烷的燃烧温度最高可达1400℃，扩散较空气快3倍。甲烷的熔点为-182.5℃，沸点为-161.5℃，着火点为537.2℃。甲烷的临界温度较低，为-82.5℃（1个大气压下），液化比较困难，需5在-82.5℃，46.4×10Pa（45.8大气压）下才能液化。因此，甲烷在常温下不能液化，只能以气体形式存在。甲烷气体可以压缩，贮存于钢瓶之中备用。3
甲烷燃烧时，每体积甲烷需2体积氧，大约10体积空气。1m甲烷在标准状况下可放出35822.6kJ的热量。沼气中甲烷的含量一般为350％～70％，即1m沼气可放出17911.3～25075kJ的热量。其计算如下：33
沼气发热量（kJ/m）=甲烷发热量（kJ/m）×沼气中甲烷的含量（％）
=35822.6×50％（或70％）
=17911.3（或25075）33
1m沼气相当于1kg煤，或0.7kg汽油，或1.5m煤气，可发电1.25kW·h。几种燃料的热值比较参见表1-4。表1-4 几种燃料的热值
沼气的火焰燃烧情况及火焰的颜色与甲烷的含量关系密切，我们可以点燃沼气直观地判断甲烷的含量（表1-5）。表1-5 沼气火焰颜色与甲烷含量
当甲烷在空气中的含量为5.4％～13.9％时，遇火花就会发生猛烈的爆炸，煤矿的瓦斯爆炸就是因此而产生的。含60％甲烷的沼气，在空气中的爆炸下限是9％，上限是23％。
3.甲烷的化学性质
在一般情况下，甲烷的化学性质很不活泼，强酸、强碱或强氧化剂等也不易与它反应。例如，把甲烷通入酸性高锰酸钾溶液中，紫色并不褪去。但当外界条件适合时，也能发生一系列反应，并且是重要的能源和化工原料。（1）氧化与燃烧 甲烷在常温下不能被强氧化剂氧化，但在高温时能在空气中燃烧，发出淡蓝色火焰，生成二氧化碳和水，并释放出大量的热：
沼气中通常还含有氢气和硫化氢气体，燃烧时也能放出热量：
当甲烷在空气中不完全燃烧时，会产生大量黑烟，工业上利用这个原理，以甲烷为原料来制取炭黑：
当甲烷在空气中的含量为5.4％～13.9％时，遇火花就会发生猛烈的爆炸，煤矿的瓦斯爆炸就是因此而产生的。（2）热分解反应 甲烷在1000～1200℃的高温下可生成炭黑和氢气，若温度继续升高，达到1500℃时，则生成乙炔：（3）与水反应 在催化剂条件下，甲烷与水蒸气在高温下可反应生成一氧化碳和氢气：（4）与氯气反应 在光照或加热至400℃的条件下，甲烷与氯气会发生剧烈的反应，生成一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷和四氯甲烷：
有关甲烷的相关化学反应可参见图1-2。图1-2甲烷各种利用途径注：○—反应类型；□—产物三、相关概念
1.总固体含量（total solids，TS）
总固体含量简称TS（即total solids，TS），它是将粪便保持在105℃±5℃下蒸发水分直至粪便质量保持不变时的干物质质量。生物质原料的总固体含量包括非挥发性固体含量和挥发性固体含量。
总固体的测定：将发酵原料样品在105℃±5℃温度下烘至恒重后进行计算，即指样品除去水分之后的部分，以TS表示：
式中 W——样品质量，g；0
W——样品烘至恒重后的质量，g。1【例1-1】 称取秸秆5.0g，在105℃±5℃温度下烘至恒重后称得4.2g，求秸秆的总固体含量。
解：TS％=×100=84或TS=84％
答：秸秆的总固体含量为84％。【例1-2】 称取鲜猪粪10.0g，在105℃±5℃温度下烘至恒重后称得2.0g，求鲜猪粪的总固体含量。
解：TS％=×100=20或TS=20％
答：鲜猪粪的总固体含量为20％。
2.挥发性固体（volatile solids，VS）
将总固体含量减去上述的非挥发性固体含量，即为挥发性固体含量（volatile solids，VS）。挥发性固体含量是生物质原料中的有机物质，也就是沼气发酵可以分解代谢产生沼气的这部分物质。
挥发性固体的测定：将上述测定总固体的恒重样品置于550℃±20℃条件下灼烧至恒重，得到灰分质量，挥发性固体以VS表示，即
式中 W——灰分质量，g。2【例1-3】 将例1-1中恒重的样品置于550℃±20℃条件下灼烧至恒重，得到0.84g灰分，求该秸秆的挥发性固体含量。
解：VS％=×100=80或VS=80％
答：该秸秆的挥发性固体含量为80％。
说明：灰分含量=100％-VS％=100％-80％=20％，或【例1-4】 将例1-2中恒重的样品置于550℃±20℃条件下灼烧至恒重，得到0.2g灰分，求该秸秆的挥发性固体含量。
解：VS％=×100=90或VS=90％
答：该秸秆的挥发性固体含量为80％。
说明：灰分含量=100％-VS％=100％-90％=10％，或
相关沼气发酵原料的总固体（TS）、挥发性固体（VS）、水分（moisture）和灰分（ash）之间的组成关系如下：
3.水力滞留时间（hydraulic retention time，HRT）
水力滞留时间以HRT表示，单位一般为天（农村沼气发酵中），它是指原料在池内平均滞留物的时间，即3
式中 V——沼气池的有效容积，m；03
V——每天进料的体积，m。t
滞留时间是设计沼气池的重要参数。知道了每天的进料量或进料容积，确定了滞留时间，就可计算出还需要建的沼气池的有效容积。滞留时间选择过小，原料不能充分分解利用，甚至使发酵不能正常进行，因此，某些条件确定之后，从发酵工艺角度考虑，要确定一个极限水力滞留时间。滞留时间选择过长，原料分解利用固然好，但建池容积增大，池容产气率下降，沼气成本增高，投资回收期加长，容光引发浪费，也是不合算的。3【例1-5】 一口6m的农村户用沼气池，日进料量为60kg，有效3容积（或发酵容积）为总池容的90％，即5.4m，计算该沼气池的原料滞留时间。
答：计算该沼气池的原料滞留时间为90d。3
说明：在计算中，可将体积等同于质量，即1000kg近似于1m。3
大多数粪便原料容重为1000kg/m左右，即可近似地将质量分数换算为容重，这样便于以后发酵工艺的计算。如总固体浓度为317％（TS=17％），可以近似地变为170kgTS/m，6％浓度可近似地3变为60kgTS/m。3【例1-6】 某养猪场沼气工程的有效容积为600m，设计的猪粪滞留时间为30d，问每天需进料多少立方米？3
答：该沼气工程每天需进料20m。
4.池容产气率（gas production rate）
池容产气率是指在一定条件下，沼气池单位容积的产气量，单位33为m/（m·d）3
式中 V——每天产气量，m/d；d3
V——沼气池的体积，m。3【例1-7】 一口6m的农村户用沼气池，平均每天产生的沼气为31.5m，求该户用沼气池的池容产气率。33
解：池容产气率==0.25[m/（m·d）]33
答：该户用沼气池的池容产气率为0.25m/（m·d）。【例1-8】 深圳集约化猪场粪便及冲洗水沼气工程，采用UASB3+AF工艺，UASB与AF各一个厌氧罐，容积均为137m，有效容积均33为130m，平均每天产生沼气210m，问该沼气工程的池容产气率是多少？3
解：该沼气工程的有效厌氧容积为130×2=260（m）
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