浅谈沼气技术

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[摘 要]在我国传统农业所面临的环境污染、生态破坏等问题日益突出，沼气能源化利用有利于减少农村种植业和养殖业废弃物造成的污染，提高环境质量，是我国生态农业建设的重要内容之一。本论文从沼气的发酵机理、工程应用方面进行了浅显的论述。

[关键词]湿法技术、干法技术

中图分类号：O654.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）24-0248-01

一、当前沼气技术简介

不同地区的自然、经济状况、养殖场规模和环境容量等条件各不相同，因此沼气能源化处理工艺技术和模式也存在差异。本论文根据厌氧发酵原料的干物质含量的不同，主要讨论两种不同的沼气能源化利用工艺：湿法技术和干法技术。

湿法技术：发酵原料的干物质含量一般小于8%，是液态有机物的处理方法。湿法技术具有物料传热、传质效果好，反应器可以在厌氧状态下连续进出料，易于工程放大等优点，被现阶段大中型沼气工程普遍采用。

干法技术：发酵原料的干物质含量在20%～40%，原料呈固态，虽然含水丰富，但没有或者几乎没有自由流动水的沼气厌氧微生物发酵过程，是有机固体生物质的处理方法。干法技术具有容积产气率高、处理过程中不产生污水、自身能耗低等独特优势。由于干法发酵原料呈固态，在反应器厌氧状态下连续进出料有较大难度，为避免使用高能耗的输送设备，一般采用全进全出的间歇式进出料工艺，但反应器形式和密封结构是工程化研究设计的难点。

二、沼气发酵的生物过程

沼气干法发酵的微生物学原理与湿法沼气发酵基本相同。

1、主要的菌群：发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌（同型产乙酸菌）、产甲烷菌。

沼气发酵的条件

1）发酵原料的C：N比：是指原料中有机碳素与氮素含量的比例关系，因为微生物生长对碳和氮有一定要求，其利用速度是20～30倍的关系，因此发酵原料的碳氮比20～30：1，或者BOD5：N：P= 200：5：1为宜。

2）足够的接种物（微生物量）：接种量一般为发酵液10%～50%；当采用老沼气池发酵液体作为接种物时，接种量应占总发酵液的30%以上。

3）严格的厌氧环境：产甲烷菌是一种厌氧性细菌，空气中的氧会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。因此正常沼气发酵，其发酵液的氧化还原电位越低越好（不产甲烷阶段+100～-100mV， 产甲烷阶段-150～-400mV），发酵环境处于无氧状态。

4）适宜的发酵温度：高温发酵：50-65 ℃，最适温度为55±2°C；中温发酵：20-45℃，最适温度为35±2°C；偏低温发酵：10-20℃；常温发酵：随自然温度而变化的发酵。

5）pH值与碱度

pH值：厌氧消化最适宜的pH值为6.8―7.4。当pH值6.4以下或7.6以上，都会对厌氧微生物产生不同程度的抑制作用，导致产气减少或中止。

碱度：指消化液中含有能与强酸相作用的所有物质的含量。主要以重碳酸盐，碳酸盐，氢氧化物三种形式存在。这些物质可与挥发酸发生反应，使pH值不会有太大变动。

6）毒性化合物

一般情况下，农作物秸秆中不会含有大量有毒物质，但畜禽养殖场和工厂中的有机废水中常含有消毒和防疫的药物或者重金属等有毒物质，这些有毒物质会抑制厌氧微生物的生长、代谢及繁殖等。例如，有些有机氯（CH2Cl2，CHCl3和CCl4等）毒性很强，如氯甲烷浓度在1mg/L左右，常引起产甲烷菌的中毒而使发酵失败。

3、主要调控指标

1）固体物

总固体（TS）是悬浮固体（SS）和溶解固体（DS）的总和，以单位体积水样在103-105℃蒸发干后残留物的重量表示。

2）化学需氧量（COD）和生化需氧量（BOD5）

3）挥发性有机酸（VFA）

挥发性有机酸（VFA）是厌氧消化过程中重要的中间产物。VFA在厌氧反应器中的积累能反映出甲烷菌的不活跃状态或反应器操作条件的恶化，较高的VFA（如乙酸） 对甲烷菌有抑制作用。

4）pH值和碱度

5）停留时间

水力停留时间简写作HRT，指进入反应器的废水在反应器内的平均停留时间，如果反应器的有效容积为V（m3），则：HRT=V/Q

污泥停留时间简写作SRT，也称为泥龄。

SRT=反应器内污泥总量/排出反应器的污泥量。

微生物停留时间简写作MRT，指从微生物细胞的生成到被置换出消化器的平均时间。

采取可能的措施，尽可能达到：MRT> SRT >HRT

6）原料产气率Mr

是指单位原料在一定条件下的产气量。原料产气率是衡量原料分解好坏的一个重要指标。产气率的单位通常用“m3/kg（COD）”。

7）反应器的容积负荷Nv

容积负荷Nv：单位反应器，在单位时间内要保证一定的处理效果所能承受的有机物的量，其单位为kgCOD/m3.d或KgBOD5/m3.d，则计算公式：

Nv=QS/ V

式中：进料浓度S （kgCOD/m3或kgBOD5/m3），流量Q（m3/d），反应器有效容积V（m3）。

8）容积产气率是指在一定条件下，厌氧消化器单位容积的产气量，单位：m3/m3.d。容积产气率是评价厌氧消化器反应效率的一个重要指标。它与发酵原料入池量、原料种类、厌氧消化器规模、消化时间、温度等有关。Gv： 池容产气率（m3/m3.d）

Gv==Nv×Mr式中：Nv--容积负荷（kgCOD/m3.d） Mr--原料产气率（m3/kgCOD）

国内工程应用

沼气发酵的工艺条件主要包括两个方面：一是满足厌氧发酵微生物生长繁殖的适宜条件，即微生物的生物学生长条件，包括C/N比、发酵温度、pH值、接种物量等参数的合理控制等。二是从工艺上满足沼气发酵的工程化生产问题。

1、湿法技术

河南省于2007年从丹麦引进车用燃料沼气工程技术并建造了第一座大型车用燃料沼气工程。该工程以当地收集的牛粪、猪粪、人粪、屠宰垃圾、厨余垃圾和生活污水处理厂的生污泥为原料，采用欧洲有机废弃物联合消化CSTR工艺，高温发酵，全自动化控制和远程监控，产气率2.0以上，设计生产符合国家车用天然气规范的车用沼气约10000m3 d-1。

2、干法技术

间歇式干法沼气工程与湿法沼气工程相比，有两个关键的技术问题需要解决：一是发酵初期与发酵结束时发酵室沼气浓度与空气浓度达到临界点15：85时的防爆安全；二是发酵菌在发酵物中的繁殖速度保障[1]。为了解决这两个关键问题，工程需要设置安全可靠的自动控制系统。

哈尔滨宾西沼气有限公司建设的车库型间歇式干法沼气工程使用德国工艺设备，日处理农作物秸秆7.88t和牛粪17.5t，主要包括车库式厌氧发酵仓，储液池，储气柜，辅助用房包括中控室、锅炉房、净化间、发电机房和提纯车间。项目投产后，年产沼气量182.5万m3，日生产沼气5000m3。日产沼渣10.89t，年产沼渣3974.44t。

四、结论

沼气能源化利用可以解决当前我国农业发展的“瓶颈”，有利于减少农村种植业和养殖业废弃物造成的污染，提高环境质量。有利于转变农业增长方式，发展农业循环经济。我国的科研人员和工程公司目前也在致力于工程化的研发，随着生态农业的逐步发展，国内的技术将会发生突飞猛进的变化。

参考文献

[1] 潘亚东，李剑，盛力伟，间歇式干法沼气工程自动监控系统的研制与展望，农机化研究，2011年4月.