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+ H2O

　　② 由乙酸或乙酸化合物产生甲烷反应为：

　　CH3C00H—CH4+CO2 ; CH 3COONH4+ H20—CH4+ NH4 HCO3

　　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

　　④ 产甲烷菌生长缓慢

　　四类群理论　

　　有人按生物化学转化过程(如下图)将发酵过程分为:

　　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、 沼气罐使用安装范例氨基酸等；

　　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；

　　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；

　　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

　　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。

　　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，如下图所示：

　　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℃～60℃，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一330mv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

　　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 ，巳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“猪一果”模式 、以及其他地 区因地制宜建立的“养殖一沼气植”、“猪一沼一鱼”和 “草一牛一沼” 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。

　　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0．6～0．8m0/kw h(沼气热值 ~>21MJ/m0)。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。

　　沼气燃料电池技术