作者：齐岳 主编
出版社：化学工业出版社
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沼气工程建设手册试读：
前言
目前，全球普遍存在的农村工业化所造成的环境污染以及城市化进程加速带来的环境变化和气候变化等，已经成为国际热点，同时也提上了中国政府的议事日程。在这样的环境下，沼气工程技术就变得越来越重要，因为它有助于在未来低碳社会中实现循环经济、环境保护、减排温室气体和生产可再生能源等目标。农村沼气工程建设把可再生能源技术与高效生态农业技术结合起来，对解决农户炊事用能、改善农民生产、生活条件、促进农业结构调整和农民增收节支、巩固生态环境建设成果有重要意义。
沼气技术已经成为我国生态农业发展和新农村建设的重要技术支撑之一，本书全面系统地介绍了农业生态工程中的户用沼气技术和大中型沼气技术。内容主要包括国内外大中型沼气工程发展现状、大中型沼气工程的设计原则、工艺流程、发酵原理、前处理技术、厌氧处理技术及消化器，以及沼气的净化、储存、输配、发电和安全使用，发酵剩余物的综合利用，沼气工程的施工与验收、核心设备及安装、沼气工程的维护运行及实例分析。最后，深入浅出地介绍了户用沼气工程的选址、设计、施工、质量控制与检修、启动与运行、故障与排除，以及典型模式与实例剖析，充分反映了沼气技术在我国农业生态工程中的研究成果和实践经验。未来沼气工程的建设将向产业化、标准化、模块化、集成化方向发展。
本书在编写过程中，参考了国内外已经发表的有关资料，引用了编者多年的科研成果和工程实践经验，得到了中国农村能源行业协会、农业部规划设计研究院有关专家的指导和帮助，谨此一并表示衷心的感谢。
本书内容涉及面广、编者虽然收集了新的科研成果和内容，但受到学术水平和实践经验所限，书中还可能有不足及疏漏之处，敬请读者提出宝贵意见，以使本书日臻完善编 者2012年12月第一章 沼气工程设计原则第一节 沼气工程概述一、沼气工程的定义、组成和分类
沼气工程是以农业废弃物和有机垃圾的厌氧消化为主要技术环节，集污水处理、沼气生产、资源化利用为一体的系统工程。沼气工程一般由原料收集系统、预处理系统、厌氧消化系统、出料的后处理系统和沼气净化、储存、利用系统五部分组成（图1-1）。沼气工程一般以畜禽粪便和有机垃圾为原料。规模化养殖场的粪尿排泄物及废水中含有的大量氮、磷、悬浮物及致病菌，污染物数量大而且集中，尤其以水质污染和恶臭对环境造成的污染最为严重，一般采用中温厌3氧发酵。大中型沼气工程是指沼气池单体容积在50m以上，或总体33沼气池容积在100m以上，日产沼气在50m以上的，具有原料预处理，沼气、沼渣、沼液综合利用配套系统的系统工程。图1-1 沼气工程全景
我国NY/T 667—2003《沼气工程规模分类》标准根据沼气工程的单体装置容积、总体装置容积、日产沼气量和配套系统的配置四个指标将沼气工程的规模分为大型、中型和小型（表1-1），其中单体装置容积和配套系统的配置为必要指标，总体装置容积和日产沼气量为择用指标。确定规模时要根据两个必要指标和一个择用指标确定沼气工程的规模。表1-1 沼气工程规模分类指标注：沼气产量是指在发酵温度大于25℃时总体装置的沼气产量。二、沼气的主要成分和特性
沼气是一种混合气体，除主要成分甲烷（CH）外，还含有二氧4化碳（CO）、硫化氢（HS）、一氧化碳（CO）等气体，有时还含22有高级烃类化合物（CH）。沼气的成分随发酵原料、发酵条件和mn工艺流程的不同而不同。通常情况下，甲烷含量为50％～70％，二氧化碳含量为25％～40％，其他气体含量较低。
甲烷是沼气中的主要燃烧成分，影响着沼气的特性。甲烷的分子式为CH，属于最简单的有机化合物，分子量为16.04。甲烷是没有4颜色、没有气味的可燃性气体，沸点为-161.5℃，比空气轻，极难溶于水。甲烷和空气按一定比例混合，遇火花会发生爆炸。甲烷的化学性质相当稳定，一般不跟强酸、强碱或强氧化剂（如KMnO）等起4反应，但在适当条件下会发生氧化、热解及卤代等反应。甲烷的主要特性见表1-2。甲烷在自然界分布很广，是天然气、沼气、坑气及煤气的主要成分之一。它可用作燃料及制造氢气、一氧化碳、炭黑、乙炔、氢氰酸及甲醛等物质。表1-2 甲烷的基本特性
沼气的组分影响着沼气的特性，不同组分沼气的特性可参见表1-3。表1-3 不同组分沼气的特性参数
1.密度
燃气的密度是指单位体积燃气的质量，一般是指在标准状态下（温度为0℃，压力为1标准大气压）的密度，可按下式计算：03式中 ρ——生物质燃气在标准状态下的密度，kg/m；
x——燃气中各组成气体的体积百分数，％；i3——燃气中各组成气体在标准状态下的密度，kg/m，其中，甲烷33的密度为0.717kg/m，二氧化碳的密度为1.977kg/m。
在燃气的应用过程中，经常用燃气的密度与干空气密度3（1.293kg/m）之比来表征其特性，即相对密度。沼气的密度随沼气成分中二氧化碳体积含量的变化而变化，当CO含量为50％时，沼气2的相对密度大于1；当CO含量为40％时，其相对密度小于1。2
2.热值3
每立方米沼气的热值约为21520kJ，约相当于1.45m煤气或30.69m天然气产生的热值。
3.燃烧方式
在沼气燃料燃烧中，由于燃料与氧化剂都是气态，所以它属于一种均相燃烧。根据沼气是否预先与氧化剂混合，沼气燃烧可分为预混燃烧和非预混燃烧两种方式。预混燃烧是指沼气与氧化剂预先按一定比例均匀混合，形成可燃混合气，再进行燃烧，燃烧速率取决于化学反应速率，燃烧过程受化学动力学因素控制。非预混燃烧是指沼气在燃烧前不预先与空气混合，而是在燃烧装置内边扩散边燃烧，此时，燃烧过程主要受到化学动力学因素与扩散混合因素的影响，如果燃烧过程主要受到扩散混合因素控制，称为扩散燃烧，如果燃烧过程主要受化学动力学因素控制，则称为动力燃烧。三、中国大中型沼气工程的发展现状
1.中国沼气产业发展历程
沼气发酵在自然界中普遍存在，人类发现这一技术也有很久的历史了。中国沼气应用的历史可追溯到20世纪20年代，沼气工程的建设始于20世纪50年代，大中型畜禽养殖场沼气工程发展始于20世纪70年代末。沼气工程的整个发展过程与中国养殖业的发展规模和集约化程度密切相关，也与整个社会对环境保护的关注程度有关。20世纪70年代末到80年代中期，这一阶段发展畜禽养殖场沼气工程主要是为了得到沼气能源，以缓解当时农村地区能源供应的严重不足，发酵液不经处理，直接被用作肥料。20世纪80年代以后，中国开展了大量有关厌氧消化制沼气的理论和应用技术的研究，并取得了可喜的研究成果，国内的沼气工程开始稳步发展。20世纪90年代以来，沼气工程技术获得重大突破，研究开发出了多种新型高效发酵工艺，厌氧消化器的处理能力、产气率、COD去除率都明显提高。此后，大中型沼气工程的建设重视强调工程的环境效益，并通过开展综合利用来增加工程的经济效益。中国许多地区先后开展了不同程度的沼气综合利用实践活动，走出了一条以沼气为纽带，并使之与种植、养殖和农产品加工等有机结合，发展农村经济的新路子。21世纪以来，以制取沼气、治理污染为目的的大中型沼气工程进入了稳步、健康的发展阶段。
中国沼气产业的发展依据其发展驱动力和目的不同，概括为三个阶段：第一阶段源于农民用能，以小型户用沼气池提供农户做饭和照明用能为主；第二阶段源于环境保护和资源利用，以大中型沼气工程提供生活和生产用能为主；将要进入的第三阶段源于可持续发展，以大型商业化沼气工程建设和独立经营为主，并提供清洁能源和有机肥料。
2.中国沼气工程研究现状
中国的大中型沼气工程工艺技术已日趋成熟，配套设备已达到或接近国际先进水平。在沼气工程的配套技术方面，可根据猪粪、鸡粪、牛粪等原料特性的不同，对包括预处理系统、厌氧发酵系统、沼气输配系统、制肥系统、消化液后处理系统进行差异化的设计；在发酵工艺方面，生物厌氧发酵机理研究、不同粪便高效能发酵工艺（如CSTR、UASB、USR、HCPF）的制定、沼气工程产气率、COD去除率已居国际领先水平；在配套设备方面，中国已研制出纯燃沼气发电机组，制罐、自动控制、脱硫脱水、固液分离等装置已形成标准化成熟产品。除此之外，根据中国的经济实力和具体国情，开发出以CSTR（全混合厌氧消化器）和HCPF（塞流式厌氧消化器）为主的“能源生态型”和以高效厌氧消化器（UASB、EGSB）与好氧处理（SBR、水生植物塘）相结合为主的“能源环保型”的典型处理工艺。中国现阶段沼气工程的研究与废弃物资源化处理、沼气发酵产物综合利用、生态环境保护等和农业生产活动密切相关。
根据全国农村可再生能源统计，截至2006年底，农业废弃物沼气工程达到17475处，年产沼气2.2亿立方米，其中大型沼气工程共1228处，年产沼气约1.1亿立方米，中型沼气工程4050处，年产沼气约0.6亿立方米，小型沼气工程12197处，年产沼气约0.5亿立方米。2010年，总供气量达93亿立方米。这些工程的设计、建造和运行都为进一步规模化推广大中型沼气工程奠定了基础。这些建设在不同地区、不同自然条件下，并成功运行的沼气工程都从实践上成功验证了在中国开展大中型沼气工程的技术可行性。
目前，中国沼气工程技术基本成熟，标准体系初步建立。中国已经颁布实施了30多项沼气产业的国家或行业标准。农业部在2003年发布《沼气工程规模分类》的基础上，又于2006年发布了沼气工程建设急需的8项农业行业标准。这8项标准包括《沼气工程技术规范 第1部分：工艺设计》、《沼气工程技术规范 第2部分：供气设计》、《沼气工程技术规范 第3部分：施工及验收》、《沼气工程技术规范 第4部分：运行管理》、《沼气工程技术规范第5部分：质量评价》、《规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程》、《规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范》和《沼气发电机组》。2007年出台了农村户用沼气输气系统的三项标准。2008年《沼气饭锅》的发布完善了1998年以来出台的沼气灯、沼气灶等沼气使用器具的标准。2010年，农业部又出台了两项沼渣、沼液抽排设备标准。这些标准的颁布，有力地规范了畜禽养殖场沼气工程的设计建造。国家有关部门不仅出台了一系列沼气工程的标准，还举办相关的技术培训、技术研讨会等，为沼气工程的推广提供了质量保障和技术支撑。
畜禽养殖场沼气工程发展到现在有了很大的进步，主要表现在：研究开发了多种适合不同地区、不同物料、不同规模的发酵工艺，并建成多座示范工程；工程建造不断采用新材料、新技术、新工艺和新产品，如利普罐技术、搪瓷钢板拼装制罐技术、干式单膜和干式双膜储气柜、软体材料发酵罐、产气储气一体化装置、生物脱硫技术等；在厌氧消化保温增温措施方面开发出了太阳能温室及太阳集热工程利用、沼气发电机余热利用以及其他增温保温方面的综合利用技术等；沼气工程运行状况的显示和自动控制技术也有所进展，有些工程项目运行开始实施在线传输显示和部分实现自动控制；“三沼（沼气、沼渣、沼液）”的综合利用领域不断拓宽；从事沼气工程设计、咨询、施工的企业逐年增多；工艺路线和技术模式各有特色。四、国外沼气工程发展现状（一）德国沼气工程现状
德国是欧洲最大的沼气生产国。德国沼气协会估计，到2020年，德国生产的沼气将比整个欧盟目前从俄罗斯进口的天然气还多，沼气发电的总装机将达到9500MW，年发电量为760亿千瓦·时。在德国，大约94％的农场沼气工程是混合原料发酵，牛粪或猪粪占混合发酵原料的比例在50％～80％之间，有机副产品、农产品和食品加工废弃物、能源作物以及作物收割残余物是最常用补充发酵原料。德国大约90％的沼气工程发酵装置是立式罐，并采用完全混合式工3艺，装置容积为800～1500m，几种集中沼气工程发酵装置容积为32000～5000m。卧式发酵罐主要用于小工程或高固体含量的原料。卧式发酵罐采用推流式工艺，约占沼气工程的4％，典型容积为1503～600m。德国农场沼气工程进液TS浓度一般在10％左右。90％的沼气工程采用中温发酵，大约9％的工程采用高温发酵。中温厌氧消33化装置的池容产气率达1.3～2.5m/（m·d）。厌氧消化滞留期（HRT）为18d以上。98％的沼气工程采用热电联产（CHP）模式。沼气工程发电平均装机容量330kW。发酵罐体材料有钢和不锈钢结构、钢筋混凝土结构（预制成型块组装或现浇铸）。ECB、ENVIRO、BERLIN AC公司还曾经开发过高强度有机废物的两相厌氧消化工艺。
德国农场沼气工程一般采用机械搅拌。早期，普遍采用快速潜水推进式搅拌。目前，低速搅拌逐渐成为发展趋势。根据德国法律规定，所有的沼气工程均设有高温消毒的工艺过程。从20世纪90年代起，德国大量资助了新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发。20世纪90年代末，德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了测试，2002年，生产出工业级装备并投入实际运行。为了推动沼气工程的发展，政府对修建沼气池的农户提供建池经费总额20％左右的补助。
德国多数沼气工程采用生物脱硫和活性炭脱硫相结合的方法进行脱硫。沼气工程所产的沼气用于发电上网实现热电联产、供热和自用，多余沼气通过专门燃烧装置直接烧掉（此装置为CDM项目的必备设施），杜绝直接排入大气。也有部分企业生产的沼气除发电外，经过提纯进入天然气管网供炊事、采暖。在德国将沼气用作汽车燃料从20世纪30年代就有应用，当时德国的许多城市用钢瓶储存压缩沼气用作汽车燃料。沼渣、沼液储存期约3～6个月，施于周围农田。德国沼气工程从原料收集、分类、进料、高温消毒、发酵、产气、脱硫提纯、发电上网、出料及沼渣、沼液储存、运输等全过程全部实现机械化和自动化管理。
近年来，沼气工程在德国得到了快速发展，特别是在2000年其可再生能源法出台以后。2000年之前的10年间，德国沼气工程的数量增加了近1000处，而从2000年—2004年的4年间就增加了1450处，到2008年底已经达到了4000处（整个欧洲大约在5000处）。德国沼气工程总量历年的变化情况见图1-2。图1-2 德国沼气工程总量历年变化情况
德国沼气工程发展主要有以下几个特点。
1.主要采用全混合发酵工艺
在德国，建设沼气工程以获取能源为主要目的，因此追求最大原料产气率是这些工程最为重要的经济指标。从原料产气率角度分析，一些作物，如玉米、甜菜、甜高粱及大麦的干物质产气率可高达6003～1000m/t，远远高于动物粪便的产气率，而动物粪便与这些原料掺在一起进行混合发酵，可以弥补这些原料氮源不足的问题，从而更有利于沼气的生产。此外，这些作物的单位产量也很高，例如种植231hm甜菜可以收获100t甜菜和26t甜菜叶，而1t新鲜甜菜可生产100m沼气。同时采用这两种原料有充足的资源保证。德国每年的秸秆产量大约为4800万吨，目前的畜牧业养殖规模大约为牛1600万头，猪2600万头，马400万匹，家禽1.14亿只，这些家畜和家禽每天产生的粪便所含干物质可达57500t。因此，这种采用作物和粪便两种原料进行混合发酵的沼气工程在德国得到了快速发展。
由于混合发酵原料SS含量和TS浓度都比较高，适合采用全混合厌氧反应器。从采用的反应器类型看，约90％为立式全混合反应器；少数采用卧式反应器，主要用于含沙和纤维量高的原料，而且受3结构限制此类反应器的容积一般小于300m；还有不到10％的工程采用两种反应器联合应用的方式。随着材料技术的发展，一些工程采用了将发酵罐和储气柜一体化的设计，即在反应器的上部安装双层膜用以储存沼气，见图1-3和图1-4。受结构的局限，这种反应器的容积最3大不宜超过1200m，如果建造更大容积的反应器，则多采用图1-5所示结构形式的反应器。图1-3 双层膜顶反应器结构示意图图1-4 双层膜顶反应器照片图1-5 立式大型全混合反应器
基于所用沼气发酵原料的特点，此类沼气工程设有固体原料进料装置，见图1-6。许多农场建的沼气工程多采用2个发酵罐串联发酵，其中第一个发酵罐采用连续进出料方式，其排出的料液进入第二个发酵罐储存并在其中继续产气，同时该罐还兼作沼气储气装置。储存在第二个发酵罐的料液经过一段时间后被排放出来，然后作为有机肥喷施到农田里，所以不存在废液二次污染问题。图1-6 沼气池固体原料进料系统
2.沼气主要用于发电和供热
德国的沼气工程所产生的沼气主要用来发电，同时多数将发电过程中产生的废热用于供热，即热电联产工艺。这也是“可再生能源法（Renewable Energy Act）”所鼓励的。沼气发电的方式主要是利用内燃机带动发电机进行发电。所采用的内燃机以双燃料内燃机为主，占72％，其余28％为单燃料内燃机。图1-7所示为一小型沼气发电设备。图1-7 沼气发电系统
3.沼气生物脱硫技术的应用
在德国一些沼气工程采取有控制的向沼气反应器内充空气的方法来脱硫。这种脱硫方法的原理是利用兼性厌氧微生物在微量氧气（<0.1mg/L）存在的情况下，将硫化物氧化为单质硫。这类细菌属于无色硫细菌，其中硫杆菌（Thiobacillus）就是一种典型的脱硫细菌，它属于自养细菌，以无机硫化物为电子供体，以CO为碳源。这种生2物脱硫方法的关键在于氧含量的控制，控制不好就会破坏反应器的厌氧环境，导致沼气发酵效果下降或停止产气。目前较为可靠的控制方法是采用氧化还原电位（ORP）在线监测的方法控制料液的充氧浓度。
近年来德国沼气工程的快速发展，主要得益于以下两个方面。
第一，强有力的政策推动。近年来德国非常重视可再生能源的发展，为了促进包括沼气在内的可再生能源的发展，制订了“可再生能源法”。该法于2000年开始实施，并在2004年进行了重新修订以加大对可再生能源的扶持力度。该法提出的目标是到2010年由可再生能源提供的电能要占德国总电能消耗的12.5％，到2020年至少达到20％。为实现该目标，该法制定了可再生能源发电补贴措施，其中对生物质能发电的补贴方法见表1-4，根据发电设备装机容量的不同，制定了不同的上网电价补偿标准。此外，对利用能源植物做原料的电厂，或者采用热电联产工艺的电厂，在上网电价基本补偿标准的基础上再给予不同额度的奖励。进而，如果新建的热电联产工厂在生物质转换利用环节采用热化学气化技术、燃料电池等新技术，可以再获得奖励。上述规定适用于2004年1月1日以后运行的沼气发电工程，保持20年不变，但在2005年1月1日后建设的电站其基本补偿价格每年递减5％。电网运营商收购可再生能源电力增加的费用由全国分摊。同时，该法被认为是最有效的环境保护措施，2003年在德国可再生能源对温室气体CO的减排量贡献已达到5300万吨，而其中的23002万吨应归功于该法的推动作用。除了可再生能源法外，其他一些法规，如废弃物处理和循环利用法（Recycling and Treatment of Wastes Act）、生物废弃物条例（Biowaste Ordinance）等都对沼气的发展起到了推动作用。表1-4 德国新的可再生能源法对生物质能发电的补偿标准注：能享受额外基本补偿额1、2、3的对象依次为：利用能源植物做原料的发电厂，新建热电联产工程，采用热电联产新工艺的新建工程。
此外，在解决沼气工程建设资金方面，政府可以为企业或农场主提供长期低息贷款。
第二，完善的质检控制体系。在德国有一套完善的沼气工程质量控制法规和标准。如《安全操作规程》（Operational Safety Regulations）、 《农业贸易协会安全规程》（Agricultural Trade Association Safety Regulations）、《欧盟机械指南》（EU Machinery Directive）、《德国工业标准》（DIN Standards）等都对沼气工程适用。
由于沼气是一种易燃易爆的气体，所以根据《安全操作规程》的要求，需要对沼气工程进行防爆监控。需要监控的系统必须满足以下要求：
①正式投入生产之前以及进行大的改造之后必须对系统进行检查；
②至少每3年重复检查1次；
③制订防爆文件；
④每年对员工开展培训；
⑤在爆炸危险区使用的设备必须获得许可。
而防爆文件的制定必须包含以下内容：
①易爆位置地图；
②设备正常情况下的操作与开关程序；
③非正常情况下的操作和故障处理程序；
④自动操作系统发生故障时手动操作程序；
⑤检查和维护方法说明；
⑥沼气发生泄漏和存在爆炸危险时紧急处理预案及通知；
⑦操作步骤或流程图；
⑧维护记录及检查清单；
⑨防爆措施说明；
⑩事故检查报告备案。
对在易爆地点使用的设备，必须符合防爆要求，设备是否是防爆设备，检查时只需看该设备是否贴有Ex标志，即防爆标志。根据ATEX Gudielines要求，只有通过ATEX认证的设备才允许贴Ex标志。
对机械设备，根据《欧盟机械指南》要求，生产商对该设备的说明必须与其实际性能相一致，并粘贴CE标志，即实行CE标志强制认证制度。
在德国，沼气工程从申请建设到投入使用有一套严格的程序：
①业主编制工程建设可行性研究报告；
②向政府提出申请；
③获得批准，按照批准的可行性研究报告进行工程建设；
④工程完工，试运行2个月；
⑤向检测机构提出检测申请；
⑥检测机构派出人员现场检测；
⑦检测人员写出工程评价报告；
⑧通过认证，工程进入正常运行。
如果工程未通过检测，对于非关键性问题，检测机构将向业主提出整改建议，由业主解决后可以进入正常运行；但是对于存在比较严重问题的，问题解决后还必须通过检测机构的复查，才允许运行。
由于有质量控制法规做依据，检查人员对工程的检查和验收相对比较简单，基本不需要检测仪器，特别是对机械设备的检查，只需检查工程是否按相关标准要求选用设备，判断的依据就是设备上的认证标志。（二）其他国家沼气工程现状
几千年以前人类就发现了沼气技术，并开始加以利用。1776年，意大利物理学家Alexander Volta第一次测出沼气中含有CH。4Bechalnp在1866年第一次提出CH的形成是通过微生物的作用。俄国4学者Popof在1875年第一次在纤维素物质中加入河泥，使其产生出沼气，并发现了沼气发酵过程是通过微生物完成的，这一突破引起微生物学家的广泛关注，并为沼气发酵的研究与应用奠定了基础。1881年法国建成了一个处理城市污水的厌氧消化工程。荷兰学者在1901年用一个比较清楚的概念描述了甲烷菌的形态及特征以及它们的转化过程，并进一步发现CO和H混合发酵可以生成CH。俄国微生物学224家Omeliansky在1916年首次分离得到第一株甲烷菌，称其为奥氏甲烷菌。H A Barker在1936年首次发现沼气发酵过程由产酸和产甲烷两个阶段组成，并初次提出沼气厌氧消化的两阶段学说。R E Hungate在1950年建立了一种厌氧技术，通过它可以分离出甲烷菌，并对其进行培养。M P Bryant在1967年通过对R E Hungate技术的改良，分离得到了奥氏甲烷菌，发现这种菌株是两种菌的共生体，从而证明了产甲烷菌和产氢菌之间密切关系，进一步促进了人们对厌氧消化制沼气的研究。
国外厌氧技术的研究已有一百多年的历史。不论是在沼气工程技术、相关政策，还是在沼气工程带来的经济、环境和能源效益等方面，一些欧洲国家走在了世界前列。欧洲的农场沼气工程主要采用完全混合式厌氧反应器、推流式反应器或其组合工艺。
英国人均沼气产量居欧洲第一。1936年，英国在泰晤士河畔的废水工厂中应用厌氧消化技术建成了沼气工程，并将回收的沼气用作本厂的补充能源。第二次世界大战后，欧洲许多国家都大力发展厌氧消化处理废水和污泥的技术。以前英国是欧洲生产与利用沼气最多的国家，处于欧洲沼气的领头羊位置，2006年被德国取代。荷兰、比利时等国早在20世纪70年代就建立了许多沼气工厂。荷兰在有机废水厌氧消化领域处于世界领先地位，但是其农场沼气工程发展缓慢。瑞典、瑞士和奥地利已经成功将沼气并入天然气管网。
芬兰的沼气工程与德国的沼气工程基本相同。丹麦在1980年首先使用沼气发酵，政府对集中式沼气工程的政策扶持开始于19843年。丹麦发酵装置体积大约在2000～4000m之间，采用中温或高温发酵，全混合沼气发酵和推流式发酵工艺是当前主要的厌氧消化工艺，HRT为12～20d。沼气工程在运行过程中，还要对原料和发酵残余物进行巴氏灭菌，以防止该系统传播病菌。
美国沼气工程的发展速度与欧洲和中国相比总体上比较缓慢。美国沼气工程的主流厌氧工艺为塞流式、完全混合式和覆膜厌氧塘，其数量分别占总沼气工程的58％、27％和19％。也有个别农场采用ASBR和UASB工艺处理猪粪污水。近年来，为推动畜禽粪污沼气工程建设，实现节能减排，美国农业部（USDA）、美国环境保护署（EPA）、美国能源部（DOE）共同推出AgSTAR项目，建立沼气项目发展服务管理平台，提供沼气工程建设的政策、法律、技术、设备和市场服务信息。美国联邦政府和各州也制定鼓励发展沼气工程的项目和提供财政支持。因此，大多数沼气工程可以得到美国联邦政府和各州不同激励政策的财政补助。近年来，加拿大也新建了可处理几千头牛粪尿的大型全混合沼气发酵设备。
印度在1974年成立了农村科技应用组织，一部分人研究适合于农村户用的能源装置，并设计出由石头和砖砌成的生物反应器，用来3处理咖啡果生产过程中产生的污水，容积为60m，设计水力滞留时3间为7d，处理由生产1t咖啡果而产生的污水可以得到20～30m沼3气，建设日产气量为40～60m的生物反应器投资不足2258美元。
日、韩两国在几十年前已经利用沼气技术。Junichi Fujino对日本畜禽粪的利用现状进行了研究，并从促进畜禽粪便正确管理和利用的法律以及实现温室气体减排的角度进行了分析。研究显示，日本畜禽粪便厌氧消化生产的沼气和家禽粪便在发电厂中焚烧能产生4.1TW·h15的电能和46PJ（10J）的热量，替代化石能源引起的CO减排量达2到6.9Mt。
国外在沼气工程建设与管理上主要采取公司化的形式。这些公司化中，有的国家实行非营利性的公司运行形式，也有的国家采取独立自主、自负盈亏的运行形式。欧洲的沼气工程有专业化的公司生产沼气设备和提供咨询、运营等服务，沼气站一般是独立的经营机构，方便产业数据的统计。国外的沼气工程也注重政府在物业化管理中的重要作用。各国（地区）的物业化管理模式均结合自己国情，符合自身特点，如印度形成了政府统筹型的物业化管理模式，尼泊尔形成专业的物业化管理公司组织模式。政府一般不规定物业管理具体的收费标准，具体收多少管理费由沼气池业主（委托方）与物业化管理公司或组织（受托方）双方讨价还价决定，视市场供求状况、当地的人均收入、沼气池的数量、服务的内容等情况而不同。政府多以详尽、完善的法律、法规规范物业化管理各方面关系、人的行为与责、权、利。第二节 沼气工程相关政策、法规和标准一、发展农村沼气的有关政策规定《中共中央国务院关于做好农业和农村工作的意见》（中发［2003］3号）指出：“农村中小型基础设施建设，对直接增加农民收入、改善农村生产生活条件效果显著，要加快发展”，“国家农业基本建设投资和财政支农资金，要继续围绕节水灌溉、人畜饮水、乡村道路、农村沼气、农村水电、草场围栏‘六小’工程，扩大投资规模，充实建设内容。要重点支持退耕还林地区发展农村沼气”。《中共中央国务院关于促进农民增加收入若干政策的意见》（中发［2004］1号）指出，农村沼气等“六小”工程“对改善农民生产生活条件、带动农民就业、增加农民收入发挥着积极作用，要进一步增加投资规模，充实建设内容，扩大建设范围”。《中共中央国务院关于进一步加强农村工作提高农业综合生产能力若干政策的意见》（中发［2005］1号）要求“加快农村能源建设步伐，继续推进农村沼气建设”。《国务院关于做好建设节约型社会近期重点工作的通知》（国发［2005］21号）文件要求“在农村大力发展户用沼气池和大中型畜禽养殖场沼气工程，推广省柴节煤灶”。
十六届五中全会要求“大力普及农村沼气，积极发展适合农村特点的清洁能源”。《中共中央国务院关于推进社会主义新农村建设的若干意见》（中发［2006］1号）指出：“要加快农村能源建设步伐，在适宜地区积极推广沼气。大幅度增加农村沼气建设投资规模，有条件的地方，要加快普及户用沼气，支持养殖场建设大中型沼气。以沼气池建设带动农村改圈、改厕、改厨。”二、发展农村沼气的相关法规《中华人民共和国农业法》第五十七条规定：“发展农业和农村经济必须合理开发和利用水能、沼气、太阳能、风能等可再生能源和清洁能源、发展生态农业，保护和改善生态环境”。《中华人民共和国节约能源法》第四条规定：“国家鼓励开发、利用新能源和可再生能源”。第十一条规定：“国务院和省、自治区、直辖市人民政府应当在基本建设、技术改造资金中安排节能资金，用于支持能源的合理开发利用以及新能源和可再生能源的开发”。《中华人民共和国可再生能源法》第十八条规定：“国家鼓励和支持农村地区的可再生能源开发利用。县级以上地方人民政府管理能源工作的部门会同有关部门，根据当地经济社会发展、生态保护和卫生综合治理需要等实际情况，制定农村地区可再生能源发展规划，因地制宜地推广应用沼气等生物质资源转化、户用太阳能、小型风能、小型水能等技术。县级以上人民政府应当对农村地区的可再生能源利用项目提供财政支持。”《退耕还林条例》第五十二条规定：“地方各级人民政府应当根据实际情况加强沼气、小水电、太阳能、风能等农村能源建设，解决退耕还林者对能源的需求”。三、沼气设计有关标准、规范
GB/T 3606—2001家用沼气灶；
NY/T 682—2003畜禽场场区设计技术规范
NY/T 344—1998家用沼气灯
NY/T 667—2003沼气工程规模分类
NY/T 858—2004户用沼气脱硫器
NY/T 1168—2006畜禽粪便无害化处理技术规范
NY/T 1220.1—2006沼气工程技术规范 第1分部：工艺设计
NY/T 1220.2—2006沼气工程技术规范 第2分部：供气设计
NY/T 1220.3—2006沼气工程技术规范 第3分部：施工及验收
NY/T 1220.4—2006沼气工程技术规范 第4分部：运行管理
NY/T 1220.5—2006沼气工程技术规范 第5分部：质量评价
NY/T 1221—2006规模化畜禽养殖场沼气工程运行、维护及其安全技术规程
NY/T 1222—2006规模化畜禽养殖场沼气工程设计规范
NY/T 1223—2006沼气发电机组
NY/T 2142—2012秸秆沼气工程工艺设计规范
NY/T 2141—2012秸秆施工工程施工操作规程
畜禽养殖业废弃物排放应按《畜禽养殖业污染防治管理办法》和《畜禽养殖业污染物排放标准》执行，做到减量化、无害化和资源化。目前各地执行的标准主要有：《农田灌溉水质标准》（GB 5084—1992）和《畜禽养殖业污染物排放标准》（GB 18596—2001）。第三节 沼气工程设计原则一、沼气工程总体设计原则（1）沼气工程的设计应该符合当地总体规划，因地制宜，考虑当地环境容量，形成养殖与种植、处理与利用的有机和谐。（2）沼气工程的设计应以减量化、无害化、资源化为目标，应首先考虑养殖场改进生产工艺，实行清洁生产，从源头上减少粪污排放量。（3）畜禽养殖场污染物的特性及其技术参数，以实际测定数据为准。（4）沼气工程的设计应充分考虑当地的社会经济水平和主要原辅材料价格，高自动化水平，降低劳动强度，降低投资和运行费用。（5）工艺设计应根据沼气工程规划年限、工程规模和建设目标，选择投资省、占地少、工期短、运行稳定、操作简便的工艺路线，做到技术先进，经济合理，安全适用。（6）所设计的工艺流程、构（建）筑物、主要设备、设施等应能最大限度地满足生产和使用的需要，以保证沼气工程功能的实现。（7）为防止因某些突发事故而造成沼气工程停运，其被处理的原料应有安全溢流和超越的措施。二、沼气工程选址
沼气工程的选址应符合养殖场整个生产系统的规划和要求，并应根据以下因素综合考虑确定。（1）在畜禽养殖场和附近居民区主导风向的下风侧。（2）在畜禽养殖场的标高较低处。（3）有较好的工程地质条件。（4）满足防疫要求。（5）有方便的交通运输和供水、供电条件。三、沼气工程总体布置
沼气工程的总体布置应考虑到养殖场远期生产规模扩展的可能性，如有必要，应以此做出分期建设方案。（1）总体布置应满足沼气工程工艺的要求，布局紧凑，便于施工、运行和管理。应结合地形、气象和地质条件等因素，经过技术经济分析确定并应符合CJJ 64中相关规定。（2）竖向设计应充分利用原有地形坡度，并达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的要求。（3）构筑物的间距应紧凑、合理，并应满足施工、设备安装维护和安全的要求。（4）附属建筑物宜集中布置，并应与生产设备和处理构筑物保持一定距离，应符合CJJ 31中相关规定。（5）厌氧消化器、储气柜、输气管道的设计及防火要求见CBJ 16中的相关规定。（6）各种管线应全面安排，避免迂回曲折和相互干扰，输送污水、污泥和沼气管线布置应尽量减少管道弯头，以减少能量消耗和便于清通。各种管线应用不同颜色加以区分。（7）应设置废渣等物料堆放及停车的场地。（8）平面布置应留有汽车进出通道，各构筑物间应留有连接通道，其设计应符合下列要求。
①主要车行道的宽度：单车道为3m，双车道为5m，并应有回车道；车行道转弯半径不小于6m。
②人行道的宽度为1～1.5m。
③通向建筑物顶端的扶梯与水平面夹角不大于40°，其宽度为0.8～1.0m。
④高架物上不经常通行的部分可设置爬梯，其宽度为0.4m。
⑤绿地面积不宜小于总面积的30％。（9）沼气工程应设围墙（栏）。（10）单个建筑物和构筑物群体效果应与周围环境相协调。（11）主要畜禽污水处理设施应设置溢流口、排泥管、排空阀和检修人孔；厌氧消化器和储气柜应设有安全窗，确保装置正常运转。（12）应设置给水和排水系统，拦截暴雨的截水沟和排水沟应与场区排水通道相连接。（13）应配置简单的化验设备和必要仪器、仪表、自动控制设备及沼气流量计等设备，其设备选择应按CJJ 31相关规定执行。（14）处理构筑物和储气柜应设置护栏等安全设施，护栏高度不宜低于1.1m，并应有保温防冻措施。（15）沼气工程供电应按三类负荷设计，厂区内设置操作控制间、独立的动力和照明配电系统。（16）沼气工程的安全、防爆、防雷与接地参照GB 12801、GB 50028、GBJ 16、GB 50057、GB/T 50065等相关条款执行。（17）控制室应有良好的照明，设有监控所有设备运转、故障、程序操作、显示的控制屏（台），操作应具有集中与就地操作的功能；应有紧急状态报警装置；应采用可靠的自动控制系统进行自动控制、自动检测；并应设有值班人员休息室。（18）化验室应配有动力电源、给排水系统、排风措施及良好的照明。第四节 沼气工程的基本工艺流程一、工艺设计
工艺设计包括生产工艺、流程、设备的选择，参数和物料、能量平衡及配套公用工程的计算等。
1.工艺技术流程的选择和确定
通过多方案的比较，选择最佳的生产工艺方案和制定生产流程。生产流程反映由原料到产品的生产过程中，物料和能量的流向、变化以及所经历的设备、仪器和工艺过程。
2.工艺参数计算和物料衡算
①工艺参数是生产过程中应控制的各种技术数据，包括各个工艺单元的进料、出料有机物浓度，有机物去除率，污水量，厌氧工艺产沼气量，沼气的含硫量等。
②计算正常生产所需要的原材料、辅助材料、公用工程的用量，以及产生的主、副产物及废料量。
③生产装备和设备的确定。比选各设备方案对建设规模的满足程度、对产品质量和生产工艺要求的保证程度、设备使用寿命、物料消耗指标、操作要求、备品备件保证程度、安装试车技术服务，以及所需设备的型号、规格和数量。
④工艺设计图。包括工艺流程图、工艺平面布置图、水力高程图、各个处理工艺单元的条件图。二、典型工艺方案的介绍
根据沼气工程的目的和周边环境条件的不同，大中型沼气工程可分为“高浓度厌氧工艺”（也称为能源生态型工艺）和“低浓度厌氧工艺”（也称为能源环保型工艺）两种类型。这两种工艺是目前比较成熟和典型的大中型沼气工程工艺。“高浓度厌氧工艺”沼气工程是指畜禽场污水和鲜粪经厌氧无害化处理后不直接排入自然水体，而是作为农作物的有机肥料的工程，工艺流程如图1-8所示，即沼气工程周边的农田、鱼塘、植物塘等能够完全消纳经沼气发酵后的沼渣、沼液，使沼气工程成为生态农业园区的纽带。图1-8 高浓度厌氧工艺流程图“低浓度厌氧工艺”沼气工程指的是畜禽场的畜禽污水经处理后直接排入自然水体或以回用为最终目的的工程。该工程要求最终出水达到国家或地方规定的排放标准。此类型沼气工程周边环境无法消纳沼气发酵后的沼液，必须将鲜粪和污泥制成商品肥料，将沼液处理后达标排放。因此该工艺类型主要适用于以污水达标排放为目标的畜禽养殖场沼气工程。
采用“高浓度厌氧工艺”的沼气工程，项目建设目标是尽可能多地生产沼气，并实现沼渣、沼液的综合利用。目前该工艺一般采用全混式厌氧消化工艺，该工艺属第三代厌氧反应器，属国内先进工艺。畜禽粪便、废水在经厌氧消化处理和沉淀或固液分离后，沼渣、沼液作为优质有机肥料，用于绿色食品生产，使粪便得到能源、肥料多层次的资源化利用，生态农业得以持续发展，并最终达到区域内畜禽场粪污的零排放。这种工艺遵循了生态农业原则，具有良好的经济效益和社会、环境效益。
高浓度厌氧工艺沼气工程工艺适宜的条件为：养殖业和种植业的合理配置，即周围有足够的农田或市场能够消纳厌氧发酵后的沼液、沼渣，使沼气工程成为能源生态农业的纽带；项目建设点周边环境容量大，排水要求不高的地区。
采用低浓度厌氧工艺的沼气工程，项目建设目标是实现污水的达标排放、固体粪便制作有机肥，并通过对沼气的利用降低工程运行费用。此类工程项目经济成本较高，但具有良好的社会效益和环境效益。目前该工艺一般采用高效厌氧消化器（UASB、IC）与先进的好氧反应池（SBR、MBR）相结合的典型工艺路线。
低浓度厌氧工艺沼气工程的工艺适宜条件为：规模化养殖场周边排水要求高，无沼液消纳的土地，污水需达标排放。第二章 厌氧发酵原理第一节 厌氧发酵的原理一、厌氧发酵的原理
厌氧发酵是一个复杂的微生物学过程，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类厌氧微生物分解转化，最终转化为甲烷、二氧化碳、水、硫化氢和氨。畜禽粪便废水的厌氧发酵过程如图2-1所示。其中有五大类群的细菌参与了沼气发酵活动。它们是：①发酵性细菌；②产氢产乙酸菌；③耗氢产乙酸菌；④食氢产甲烷菌；⑤食乙酸产甲烷菌。沼气是一种混合气体，其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常甲烷占60％左右，二氧化碳占40％左右，此外还有少量氢气、硫化氢、一氧化碳、氮气和氨等。图2-1 厌氧发酵过程中五类细菌的作用及碳素转化二、厌氧发酵过程的产酸阶段
在厌氧发酵过程中，五类细菌构成一条食物链，从各类细菌的生理代谢产物和活动及对料液pH值的影响来看，可分为产酸阶段和产甲烷阶段。前三类菌的活动可使有机物形成各种有机酸。
1.发酵性细菌
畜禽粪便的主要化学成分为多糖、脂类、蛋白质，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。这些复杂有机物大多数在水中不能溶解，必须首先被发酵性细菌所分泌的胞外酶水解为可溶性的糖、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，经发酵作用将它们转化为乙酸、丙酸、丁酸等长链脂肪酸和醇类及一定量的氢气、二氧化碳。
2.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、氢气和二氧化碳。
3.耗氢产乙酸菌
这是一类既能自养生活又能异养生活的混合营养型细菌，也称同型乙酸菌。它们既能利用H+CO生成乙酸，也能代谢糖类产生乙酸。22这些菌在沼气发酵过程中的重要性还未被广泛研究，有学者估计这些菌形成的乙酸在中温消化器中占1％～4％，在高温消化器中占3％～4％。
这些菌在沼气池中的作用在于增加了形成甲烷的直接前体物质——乙酸，同时由于它们在代谢H+CO时要消耗氢气，而在分解有22机物时又不产生氢气，因而在保持沼气池中较低的氢分压方面起一定的作用。
通过上述三类微生物的活动，各种复杂有机物可生成有机酸和H、CO等，而生成有机酸的种类与厌氧发酵过程中氢的调节作用有22关。氢分压低时，三类菌的活动结果主要是生成乙酸；氢分压高时，除积累乙酸外还会有丙酸、丁酸等较长链的有机酸生成。因此，通过有机酸成分及含量的测定，可以知道厌氧消化过程的进行是否正常。三、厌氧发酵过程的产甲烷阶段
1.产甲烷菌的生理特性
产甲烷菌包括食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌，它们在厌氧条件下将前三类细菌的代谢终产物，在没有外源受氢体的情况下，把乙酸、H/CO转化为气体产物——CH/CO，使有机物在厌氧条件下的分2242解作用得以顺利完成。
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。由于产甲烷菌对氧高度敏感，环境中的氧化还原电位高于-0.33V时，产甲烷菌则不能生长。饱和了空气的水氧化电位为+0.80V。在沼气池中，由于产甲烷菌和上述产酸细菌共同生活在一起，特别是发酵性细菌的代谢活动，不仅可将氧气消耗殆尽，并且可产生大量的还原物质，使环境氧化还原电位下降，为产甲烷菌的生长繁殖创造了条件。在厌氧污泥的微生态颗粒中，产甲烷菌生存于颗粒内，处于产酸菌及胶体物质的包围之中，因而容易得到低氧化还原电位的保护。
产甲烷菌只能代谢少数几种底物生成甲烷，其主要反应及生成1mol甲烷的自由能如下：
H/CO：4H+CO→CH+2HO-135kJ222242
甲酸： 4HCOOH→CH+3CO+2HO-145kJ422
甲醇： 4CHOH→3CH+CO+2HO-105kJ3422
乙酸： CHCOOH→CH+CO-31kJ342
除上述4种基质外，有的产甲烷菌可代谢甲胺、二甲胺、三甲胺生成甲烷。利用放射性同位素标记的底物研究表明，在沼气池中70％以上的甲烷是由乙酸裂解形成的，而其余的大多数来自H和CO22的还原，因此，乙酸是沼气池中最重要的产甲烷前体物质，无论中温消化器还是高温消化器均是如此。
2.产酸与产甲烷的速度平衡
在稳定运行的沼气池内，产酸与分解酸产生甲烷的速度处于一个相对平衡状态，发酵液中既无过多的有机酸积累，又可以保持较高的甲烷产率。如果发酵液内可分解的有机物浓度过高，则产酸菌繁殖旺盛，产酸过快，会造成有机酸的积累，使发酵液酸化，pH值下降，产甲烷菌的活动受到抑制，这样就打破了产酸与产甲烷的速度平衡，导致沼气发酵运行过程的失败。如果发酵液中有机物浓度过低，酸的生成满足不了产甲烷菌的需求，则会使沼气发酵的速率降低。
从表2-1可以看出，葡萄糖的酸化阶段细菌繁殖最快，而且在0.4g/L浓度时，就可达到最高繁殖速度，即每天繁殖7.2代。乙酸甲烷化阶段细菌的值最低，每天只繁殖0.49代，其中K为4.2g/L，就是s说裂解乙酸的产甲烷菌可能出现的最大繁殖速度比葡萄糖菌群要慢得多，产酸菌的繁殖速度大约是产甲烷菌的15倍。这种在繁殖速度上产酸菌与产甲烷菌的差别，是造成产酸与产甲烷速度失调的主要原因。表2-1 在中温条件下的û、K常数s注：û—细菌在适宜条件下的最高繁殖速率（各种细菌繁殖速度不同）；K—底物浓度。s
在实际运行中，我们可通过控制消化器内底物浓度和细菌总量来调整产酸与产甲烷的速度平衡。例如，在消化器启动时，一是投入原料底物的浓度不能太高，特别是含葡萄糖类等易生成有机酸的物质不能太多；二是要投入大量厌氧活性污泥，使发酵启动一开始就要使消化器内具有较多的产甲烷菌群。在消化器运行阶段，一是要控制消化器负荷，即每单位体积消化器每日投入有机物的量，使消化器负荷不能波动太大；二是设法使消化器内生长着的活性污泥，特别是污泥中的产甲烷菌保留于消化器内，减少出料时微生物的流失。第二节 厌氧发酵的影响因素
厌氧发酵是厌氧微生物一系列生命活动的结果，也就是微生物不断地进行新陈代谢和生长繁殖的结果。保持厌氧细菌良好的生活条件，才有可能有较高的沼气生产率或污水净化效果。综合起来，影响厌氧发酵的因素有厌氧发酵的原料、厌氧消化活性污泥、消化器负荷、发酵温度、pH值、碳氮比、有害物的控制及搅拌等。
其中厌氧消化最重要的影响因素是温度和pH值，还有主要的营养元素和过量的有毒和有抑制性的化合物浓度。一、温度
沼气发酵可分为3个温度范围：50～65℃称高温发酵；20～45℃称中温发酵；20℃以下称低温发酵。此外，随自然温度变化的发酵方式称常温发酵。
在同一温度类型条件下，温度发生波动会给发酵带来一定影响。在恒温发酵时，于一小时内温度上下波动不宜超过±（2～3℃）。短时间内温度升降5℃，沼气产量明显下降，波动的幅度过大时，甚至停止产气。在进行中温发酵时，不仅要考虑产能的多少，还应考虑为保持中温所消耗热能的多少，选择最佳净产能温度。一般认为35℃左右的处理效率最高。池温在15℃以上时，厌氧发酵才能较好地进行。池温在10℃以下时，无论是产酸菌还是产甲烷菌都受到严重抑制。温度在10℃以上时，产酸菌首先开始活动，总挥发酸直线上升可达4000mg/L。温度在15℃以上时产甲烷菌的代谢活动才活跃起来，产气率明显升高，挥发酸含量迅速下降。在气温下降时必须考虑厌氧消化池的保温。
关于不同温度对厌氧消化速率和程度的影响已有许多研究者进行了研究（表2-2）。Harrem Oes（1983年）对众多的实验结果进行了评价，得出了下列结论：第一，中温厌氧消化的最优温度范围为30～40℃；第二，当温度低于最优下限温度时，每下降1℃消化速率下降11％。表2-2 中、高温污泥在不同温度下的产甲烷活性二、pH值
产甲烷菌pH值范围为6.5～8.0，最适宜的pH值范围为6.8～7.2。如果pH值低于6.3或高于7.8，甲烷化速率降低。产酸菌的pH值范围为4.0～7.0，在超过甲烷菌的最佳pH值范围时，酸性发酵可能超过甲烷发酵，结果反应器内将发生“酸化”。
影响pH值变化的因素主要有以下几点：一是发酵原料的pH值、畜禽场废水的pH值一般在6.5～7.5之间；二是在沼气池启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量又不足，以及在消化器运行阶段突然升高负荷，都会因产酸与产甲烷的速度失调而引起挥发酸的积累，导致pH值下降，这往往是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因。
沼气池在启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料，如pH值在6.0以上，可适当投入石灰水、NaCO溶液加以中和，23也可靠因停止进料产酸作用下降、产甲烷作用相对增强，使积累于发酵液内的有机酸逐渐分解，pH值则逐渐恢复正常。如果pH值降至6.0以下，则应在调整pH值的同时，大量投入接种污泥，以加快pH值的恢复。
为防止沼气发酵酸化作用的发生，应当加强对消化器的检测，如果所产气体中CO比例突然升高或发酵液中挥发酸含量突然上升，这2都是pH值要下降的预兆，这时就应采取措施减少进料，降低消化器负荷，酸化现象就可避免。一旦酸化现象发生，再进行补救，就困难得多。三、有毒和抑制性基质
一般情况下，农业剩余物中不会含有大量有毒物质，但畜禽场消毒或防疫时会有较多药物进入粪便污水中。
所谓“毒物”是相对的，在非常低的浓度的情况下它们可能起促进作用，只是到了一定浓度时这些物质才产生抑制作用，而各种物质达到抑制作用的浓度又不相同。如重金属盐类，在每升只有1mg的情况下它们对生物活性起促进作用；当浓度上升超过最佳浓度时，促进作用开始下降，浓度增加到某一点时，生物活性开始低于没有这种物质的水平，这时就显出了该物质的毒性作用。
大多数重金属包括它们的有机或无机盐类，如汞、银、铅、锌、铜等都有很强的毒性。这是因为它们多是蛋白质的沉淀剂，当它们与蛋白质或酶结合时则使其变性，引起酶反应的抑制或细胞的死亡。经研究表明，如果含有重金属盐类时的产气量与不含时的产气量相比不低于80％为允许浓度。各种重金属化合物的允许浓度如表2-3所示。表2-3 沼气发酵液中重金属化合物的允许浓度
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