沼气技术

本书从沼气发酵微生物原理入手，系统介绍了我国三种类型的沼气发酵系统，户用沼气池、生活污水净化沼气池和沼气工程的原理及技术特点，然后比较详细地阐述了沼气发酵装置材料与结构、沼气储存、沼气净化与提纯、沼气利用、沼渣沼液利用等几种类型沼气发酵装置的基础知识与技术关键。本书内容详实、深入浅出、实用性强，适合可再生能源、农业生态工程以及废弃物处理利用专业人士参考，也可作为农业生物环境与能源工程、环境工程专业的教学参考书。 

邓良伟，男，1966 年4月出生，博士，研究员，博士生导师，农业部沼气科学研究所总工程师。农业科研杰出人才，四川省有突出贡献的优秀专家。1987年毕业于四川农业大学土壤及农业化学专业，农学学士；1996年毕业于南京大学环境生物学专业，理学硕士；2007年毕业于浙江大学环境工程系，工学博士。曾在四川省安岳县环境保护局从事环境监测工作，现从事废水、固体废弃物处理及沼气工程的研究、设计和调试工作。主持了20多项省部级研究课题，设计调试了蒙牛澳亚国际示范牧场(存栏10000头奶牛)沼气发电综合利用工程、四川省邛崃市金利实业有限公司固驿种猪场沼气工程等沼气及废水处理工程30多座。发表研究论文130多篇；编写专著2部、参编专业书籍8部，获得国家发明专利授权6项，实用新型专利授权3项。获得国家科技进步二等奖1项（第5完成人），四川省科技进步奖一等奖1项（第1完成人）。对畜禽养殖废弃物沼气化利用及沼液处理技术进行了比较深入的研究，发明了“厌氧-加原水-间歇曝气(Anarwia)新工艺”、“基于浓稀分流的猪场粪污处理技术”、“无氧生物脱硫方法与装置”等工艺技术，在畜禽粪污处理利用工程中得到了大面积推广。 

第一章沼气发酵微生物（）第一节微生物的基本特性（）
第二节沼气发酵微生物（）
第三节影响沼气发酵的因素（）第二章农村户用沼气池（）第一节户用沼气池发酵原料（）
第二节户用沼气池发酵工艺（）
第三节户用沼气池的衍生池型（）
第四节户用沼气池的设计（）
第五节以沼气为纽带的能源生态模式（）
第六节户用沼气池的启动与运行管理（）第三章生活污水净化沼气池（）第一节农村生活污水水质水量特征（）
第二节生活污水净化沼气池的特点及适用范围（）
第三节生活污水净化沼气池工艺流程及结构（）
第四节其他生活污水厌氧处理技术（）
第五节生活污水净化沼气池的净化效果（）
第六节生活污水厌氧处理出水后处理技术（）
第七节生活污水净化沼气池的运行及管理（）第四章沼气工程（）第一节沼气工程发酵原料及特性（）
第二节沼气工程系统组成与工艺流程（）
第三节沼气工程工艺单元（）第五章沼气发酵装置材料与结构（）第一节砖混结构沼气发酵池（）
第二节钢筋混凝土结构沼气发酵池（）
第三节钢制沼气发酵罐（）
第四节膜结构沼气发酵池（）
第五节玻璃钢结构沼气发酵池（）
第六节沼气发酵装置检验（）第六章沼气净化与提纯（）第一节沼气特性与质量要求（）
第二节沼气净化（）
第三节沼气提纯（）第七章沼气储存（）第一节沼气储存压力与储气柜容积（）
第二节水压式储气（）
第三节湿式储气柜（）
第四节干式储气柜（）
第五节中压或次高压储气罐（）第八章沼气利用（）第一节沼气燃烧特性（）
第二节沼气民用（）
第三节沼气发电（）
第四节沼气作车用燃气（）第九章沼渣沼液利用（）第一节沼渣、沼液的成分（）
第二节沼渣、沼液在农业生产上的作用（）
第三节沼渣的利用（）
第四节沼液的利用（）参考文献（）

前言

沼气技术在废弃物处理、可再生能源开发和温室气体减排等方面发挥了重要作用，得到了许多国家高度重视。1983年，作者所在单位——当时的农牧渔业部成都沼气科学研究所组织所内外科研人员编写了《沼气技术》一书，作为国内县以上农村沼气管理干部和技术人员的沼气技术/农村能源培训班培训教材，培训了20多个省、区沼气技术人才10 000多名。培训教材尽管没有正式出版，但是其后有关沼气发酵工艺、技术正式出版物大量参考和引用了此书，对我国沼气技术的推广应用做出了较大贡献。30多年过去了，我国及国际沼气技术在基础理论、工艺技术、装置装备、发展模式和运行管理方面都取得了长足的进步。为了适应技术的发展和时代的需求，农业农村部沼气科学研究所组织了具有比较深厚理论基础和丰富实践经验的科研与推广人员，对我国及国际沼气技术进行梳理和总结，重新编著了《沼气技术》一书，作为《现代农业科学精品文库》的组成部分，正式出版。
本书首先从沼气发酵微生物入手，简单介绍了沼气发酵微生物、生物化学过程及发酵过程影响因素，接着分别阐述了我国三种类型的沼气发酵系统，户用沼气池、生活污水净化沼气池和沼气工程的原理及技术特点，然后将三种沼气发酵系统共通的基础知识与技术关键，如沼气发酵装置材料与结构、沼气储存、沼气净化与提纯、沼气利用、沼渣沼液利用等，进行统一介绍与阐述。
本书作者均为多年从事沼气技术研究、设计、建设和调试工作的专业人员。具有比较厚实的研究积淀和丰富的户用沼气池、生活污水净化沼气池和沼气工程设计、调试及运行经验。同时，也参考、引用了国内外专家学者、工程技术和管理人员卓有成效的工作。本书的完成得益于作者所在单位以及国内外沼气科研工作者和工程技术人员长期科研积累和工程经验的总结，谨向前辈们和相关著作者的贡献表示敬意与感谢。书稿完成后，邓良伟对全书所有章节进行了统稿与修改，相近专业的作者对内容进行了相互校核。施国中、雷云辉研究员对部分章节进行了审校，研究生王霜整理了全书的参考文献。本书的出版得到了国家重点研发计划、国家生猪产业技术体系以及中国农业科学院农业科技创新工程的支持，在此一并表示感谢。
本书著者较多，涉及专业广，给统稿校稿带来较大难度，加之著者水平有限，难免存在一些疏漏、不妥甚至错误之处，希望本书读者给与谅解并提出宝贵意见。

作者2018年6月于成都

第一章沼气发酵微生物
沼气发酵是自然界普遍存在的现象。在淡水及海底沉积物、稻田土壤、湿地、沼泽、部分动物瘤胃等环境中都有沼气产生。通过有机废弃物、废水厌氧处理人工反应器，人们可以有目的地生产利用沼气。沼气的产生是多种微生物协同作用的生物化学过程，这个过程涉及多种不同类型的厌氧或兼性厌氧微生物。微生物是沼气发酵过程的作用主体，对沼气发酵效率起着决定性作用。
第一节微生物的基本特性
沼气发酵微生物是一大类与沼气产生相关的微生物，具有微生物的一些基本特性。因此，在阐述沼气发酵微生物之前，首先介绍微生物的基本特性。
一、什么是微生物
微生物（microorganisms，microbes）是一切个体微小、结构简单、肉眼看不见或看不清的低等生物的总称。微生物类群庞杂，种类繁多，既包括细胞型微生物，也包括非细胞型微生物。细胞型微生物即具有细胞形态的微生物，如细菌、古菌和真核微生物，而不具细胞结构的病毒、类病毒等则称为非细胞型微生物。细胞型微生物又可分为原核微生物和真核微生物。原核微生物即广义的细菌，是指一大类细胞核无核膜包裹，遗传物质DNA裸露于核区的原始单细胞生物，包括细菌和古菌两个域，细菌（狭义）、放线菌、蓝细菌（蓝藻）、支原体（又称霉形体）、衣原体和立克次氏体等都属于细菌域的范畴。真核微生物即细胞核有核膜包裹，细胞能进行有丝分裂，细胞质中存在线粒体或同时存在叶绿体等多种细胞器的微生物。菌物界的真菌（酵母菌、霉菌和蕈菌）、植物界的显微藻类和动物界的原生动物都属于真核微生物。
由于微生物个体微小、外貌不明显等原因，人们对微生物的认知比动物、植物晚得多。从安东尼·列文虎克（Antoni van Leeuwenhoek，1632—1723）首次观察到微生物以来，人们对微生物的认识不过300多年的历史。微生物学从建立到现在，其学科发展也只有100多年的历史。但微生物以其丰富的多样性以及独特的生物学特性和功能在整个生命科学领域中占据着举足轻重的地位，在自然界物质循环以及工业、农业、医疗保健、环境保护等领域中发挥着重要作用。
二、微生物学发展中的重要事件
在漫长的人类社会活动史中，人类对动物、植物的认识可以追溯到人类的出现，但对微生物却长期缺乏认知。英国数学家和博物学家罗伯特·虎克（Robert Hooke，1635—1703）在他的Micrographia一书中通过显微观察描述了霉菌的结构，这是第一个已知的微生物显微结构的描述。1676年，“微生物学的先驱者”——安东尼·列文虎克用自制的显微镜首次观察到细菌，但此后近200年，微生物并未引起人们足够的重视。19世纪中期，费迪南德·科恩（Ferdinand Cohn，1828—1898）在研究细菌的抗热性时，发现细菌会产生内生孢子。后来，德国医学微生物学家罗伯特·科赫（Robert Koch，1843—1910）创立了培养基制备技术、固体培养基分离和纯化技术，至今这些微生物基本操作技术仍在应用。1857年，法国科学家路易·巴斯德（Louis Pasteur，1822—1895）通过曲颈瓶实验推翻了当时十分流行的生命自然发生说，建立了生命的胚种学说。以此为标志，逐渐建立起了一个新的学科——微生物学。
三、微生物的特点及分布
微生物种类繁多，形态各异，但个体都极其微小，属于结构简单的低等生物，因此具有一些共同的特征。
（一）个体微小，比面值大
微生物的测量通常以微米为单位，病毒则以纳米为单位。但近年来也发现有肉眼可见的微生物，如1993年确定的费氏刺骨鱼菌（Epulopicsium fishelsoni）和1998年报道的纳米比亚硫黄珍珠菌（Thiomargarita namibiensis）。因微生物个体微小，因此比表面积大。
（二）分布广泛，种类繁多
微生物在自然界中分布极其广泛，动植物体内外、土壤、空气、深海、冰川、盐湖、沙漠、油井和岩层下都存在着大量的微生物，微生物在自然界中可以说无处不在。
地球上到底有多少生物物种尚无准确答案。迄今为止，已记载的生物物种数约200万种，其中微生物约20万种。已分离微生物物种仅占总数的3%～5%，因此，还有大量的微生物资源有待发掘。
（三）生长繁殖快，代谢能力强
微生物具有很大的比表面积，有利于与周围环境进行物质、能量和信息交换，因此转化快，代谢旺，繁殖迅速，在适宜的条件下几十分钟至几小时就可以繁殖一代，能在短时间内分解超过自重数千倍的物质。
（四）环境适应性强，易变异
微生物存在于各种环境中，能适应各种恶劣环境，是动物和植物所不能比的。但由于微生物多为单细胞生物，直接接触各种环境，使其遗传物质DNA容易发生改变。
微生物的以上特点为人类开发利用微生物资源提供了基础。
四、微生物在生态循环中的作用
生态系统中的生物成分包括生产者、消费者和分解者，其中生产者与分解者是不可或缺的部分，任何一个缺失都会导致生态系统崩塌。微生物在生态系统中扮演着重要角色，微生物既可以作为初级生产者，也可以作为分解者；既是物质循环的重要成员，也是物质和能量的重要储存者。但微生物在生态系统中的主要功能是作为分解者，以植物为主的生产者和以动物为主的消费者最终都要在异养型微生物的分解作用下完成物质循环和能量流动。微生物在碳、氮、硫等元素的循环中发挥着重要作用。如果没有微生物的作用，自然界中的各种元素和物质就不可能重复循环利用，自然界的生态平衡就会失调。
第二节沼气发酵微生物
沼气发酵是在无氧条件下，通过厌氧或兼性厌氧微生物的作用将有机质转化成甲烷和二氧化碳的过程，又称厌氧消化或甲烷形成作用。沼气发酵过程是一个复杂的生物化学过程，参与这个代谢过程的微生物统称为沼气发酵微生物，其种类繁多，大体可分为产甲烷菌和不产甲烷菌两大类群。
一、沼气发酵的生物化学过程
理论上，一切含有糖类、蛋白质、脂肪的有机质都可以作为沼气发酵的原料。有机质转化生成沼气可用以下反应式表示：
CcHhOoNnSs yH2O→xCH4 nNH3 sH2S (c-x)CO2（1-1）
x=18(4c h-2o-3n-2s)
y=14(4c-h-2o 3n 3s)
糖类、蛋白质、脂肪转化成沼气的反应式如下：
糖类：C6H12O6→3CH4 3CO2（1-2）
脂类：C12H24O6 3H2O→75CH4 45CO2（1-3）
蛋白质：C13H25O7N3S 6H2O→65CH4 65CO2 3NH3 H2S（1-4）
不同原料用于沼气发酵，产生的CO2与CH4的比例有所不同，二者的比例由原料的元素组成及降解比例决定。单纯以糖类、脂类、蛋白质为发酵原料时，理论上沼气中甲烷含量分别为50%、625%和382%。
在沼气发酵过程的研究中，不同的研究者提出了不同的发酵阶段理论，如二阶段、三阶段及四阶段发酵理论。
（一）沼气发酵两阶段理论
20世纪初期，Thumn和Reichie（1914）及Imhoff（1916）分别报道了沼气发酵过程可分为酸性发酵和碱性发酵两个阶段。后来，Buswell和Neave（1930）验证并肯定了他们的说法。在随后的一段时间里，人们普遍认为沼气发酵过程分为以上两个阶段。第一阶段为酸性发酵阶段，大分子有机物（碳水化合物、脂类、蛋白质）在发酵性细菌的作用下，被分解成脂肪酸、醇类、二氧化碳和水等产物。由于脂肪酸的积累，发酵液的pH值下降，因此称为酸性发酵阶段或产酸阶段，相应地，参与这个反应过程的微生物称为发酵性细菌或产酸细菌。第二阶段为碱性发酵阶段，在这个阶段，产甲烷古菌将第一阶段产生的代谢产物进一步转化成CH4和CO2，反应系统中的有机酸逐渐被消耗，pH值不断升高，因此称为碱性发酵阶段或产甲烷阶段。
（二）沼气发酵三阶段理论
随着对厌氧微生物尤其是产甲烷微生物研究的不断深入，研究者发现产甲烷微生物只能利用一些简单的有机物如乙酸、甲酸、甲醇、甲胺类以及H2/CO2产甲烷，而不能利用含两个碳以上的脂肪酸。为此，第二阶段（碱性发酵阶段）如何利用这些短链脂肪酸，两阶段理论就很难加以解释。
基于对厌氧微生物在沼气发酵过程中作用的理解和认识，以及对沼气发酵过程中生化反应研究的深入，Lawrence和McMarty（1967）及Bryant（1979）分别提出了沼气发酵“三阶段理论”。该理论将沼气发酵过程分为水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段（图1-1），分别由不同类群的微生物完成。在第一阶段，碳水化合物、脂肪和蛋白质等复杂有机物首先被水解成多糖、脂肪酸和氨基酸等能被微生物吸收利用的可溶性有机物，发酵性细菌再将可溶性有机物降解成挥发酸、乙醇等小分子物质；在第二阶段，产氢产乙酸菌将这些小分子有机物转化成乙酸、H2和CO2等更小的分子；在第三阶段，产甲烷古菌将乙酸、H2/CO2转化成CH4，完成沼气发酵过程。参与的微生物分为发酵细菌、产氢产乙酸菌和产甲烷古菌三大类群。
图1-1沼气发酵三阶段
（三）沼气发酵四阶段理论
在沼气发酵三阶段理论提出的同时，Zeikus（1979）在其研究中发现，沼气发酵过程中还存在一类能将H2/CO2转化成乙酸并被产甲烷古菌利用的微生物，称为同型产乙酸菌，这种转化被称为同型产乙酸作用（图1-2）。基于这些研究，Zeikus（1979）提出了沼气发酵四阶段理论。分别是水解阶段、产酸阶段、产乙酸阶段和产甲烷阶段（图1-2），每个阶段分别由不同类群的微生物完成。这些不同的微生物类群在一定程度上存在互营共生关系，并且对生长环境有不同的要求。

图1-2沼气发酵四阶段
（1）水解阶段。不溶性大分子化合物，如碳水化合物、脂类、蛋白质无法透过细胞膜，它们需要在水解性细菌（厌氧或兼性厌氧微生物）分泌的胞外酶（如蛋白酶、纤维素酶、半纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶等）的作用下被水解成可溶性糖、脂肪酸和甘油、氨基酸等可溶性化合物，才能被细菌吸收利用。
在水解反应中，大分子物质的共价键发生了断裂。通常水解反应可用以下反应式表示：
R-X H2O→R-OH X- H （1-5）
水解的时间与原料种类有关，碳水化合物的水解可以在几小时内完成，而蛋白质和脂类的水解则需要几天时间。在水解过程中兼性厌氧微生物会消耗掉溶解在水中的氧，降低发酵系统的氧化还原电位，为严格厌氧微生物提供有利的生长条件。
（2）产酸阶段。在沼气发酵第二阶段，即产酸阶段，发酵细菌利用水解阶段的产物作为生长底物，并将它们进一步转化成乳酸、丙酸、丁酸等短链脂肪酸及乙醇、H2和CO2等小分子物质。底物种类和参与酸化的微生物种群以及产生的氢离子浓度都会影响产酸代谢。
产酸过程由大量的、多种多样的发酵性细菌共同完成。如醋杆菌属微生物通过β-氧化途径降解脂肪酸。在降解过程中脂肪酸首先与辅酶A结合，然后被逐步氧化，每一步β-氧化反应脱掉的2个碳原子以乙酸盐的形式释放出来。肉毒梭菌（Clostridium botulinum）通过Stickland反应降解氨基酸，Clostridium botulinum每次同时吸收2个氨基酸分子，其中一个作为氢供体，一个作为氢受体，反应生成乙酸、氨和CO2。在半胱氨酸的降解过程中还会产生H2S。
（3）产乙酸阶段。产酸阶段产生的丙酸、丁酸、乳酸等中间代谢物必须被转化成更简单的小分子才能被产甲烷古菌利用，乙酸的生成过程称为产乙酸作用。乙酸一部分由产氢产乙酸菌产生，另一部分则由既能利用有机质产乙酸又能利用H2/CO2产乙酸的细菌产生，这类细菌称为同型产乙酸菌。表1-1列出了几种底物的产乙酸反应。
① 发酵产乙酸。在这个过程中，产氢产乙酸菌利用产酸阶段的产物作为底物生长并产乙酸。丙酸、丁酸等短链脂肪酸和乙醇等在产氢产乙酸菌的作用下被转化成乙酸、H2、CO2等。表1-1标准条件下部分底物的产乙酸反应和自由能变化a(Dolfing 1988，Khanal 2008)底物反应ΔG0′(kJ/mol)乙醇CH3CH2OH H2O→CH3COO- H 2H2 96丙酸CH3CH2COO- 2H2O→CH3COO- CO2 3H2 761丁酸CH3CH2CH2COO- 2H2O→2CH3COO- H 2H2 481苯甲酸C6H5COO- 7H2O→3CH3COO- 3H HCO3- 3H2 53注：a为25℃；H2为气态，其他为液态产氢产乙酸反应是吸能反应，例如丙酸的氧化降解需要吸收761 kJ/mol的能量，乙醇的氧化降解需要吸收96 kJ/mol的能量（表1-1）。产氢产乙酸菌在产乙酸过程中，氢分压需保持在很低的水平，否则反应无法进行。因为，只有在氢分压（PH2）很低的情况下，这种反应在热力学上才是可能发生的，产氢产乙酸菌才能获得生长繁殖所需的能量。如果不将产生的H2消耗掉，必然导致H2的不断积累，这将不利于产氢产乙酸菌的生长和产氢产乙酸反应的进行。因此，产氢产乙酸菌必须和耗氢微生物（如产甲烷古菌）生活在一起才能很好地生长。
② 同型产乙酸作用。同型产乙酸菌能不断地利用H2将CO2还原成乙酸并释放出能量［式(1-6)］，乙酸进一步被产甲烷古菌利用，这个过程既能降低氢分压，又可以为乙酸营养型产甲烷古菌提供底物。
2CO2 4H2CH3COOH 2H2OΔG0′=-1046(kJ/mol)（1-6）
沼气发酵产生的甲烷中约有30%是通过H2还原CO2产生的，但是只有5%～6%的甲烷是由溶解在水相中的H2还原CO2产生的。这种情况可以用“种间氢转移”来解释，即产氢产乙酸菌产生的H2被直接转移给产甲烷古菌利用，而不经过氢气溶解的过程。
（4）产甲烷阶段。产甲烷过程发生在沼气发酵的第四阶段，也是沼气发酵的最后一个阶段，这个过程由产甲烷古菌完成。产甲烷古菌能利用的底物基本都是最简单的一碳和二碳化合物，产甲烷代谢途径如图1-3所示。
图1-3产甲烷代谢途径（承磊，郑珍珍et al2016）
当产氢产乙酸菌与氢营养型产甲烷古菌互营共生时产甲烷过程能正常进行，但是当产氢产乙酸菌与其他利用氢的微生物共生时产甲烷过程就会受到影响。其他利用氢的微生物，如硫酸盐还原菌会与产甲烷古菌产生竞争氢的关系，减少产甲烷古菌利用的底物，影响甲烷的产量。此外，硫酸盐还原菌产生的H2S还会对产甲烷古菌产生毒害作用。不同产甲烷途径产生的能量是不一样的。乙酸发酵产甲烷与CO2还原产甲烷途径相比，只释放少量的能量［式(1-7)、式(1-8)］。
CH3COOHCH4 CO2ΔG0′=-31kJ/mol（1-7）
CO2 4NADH/H CH4 2H2O 4NAD ΔG0′=-136kJ/mol（1-8）
从以上反应的热力学条件来说，CO2还原产甲烷途径虽然会释放更多的能量，在热力学上更容易发生，但在厌氧消化产生的甲烷中，除H2还原CO2途径产生的甲烷（约30%）外，另外70%的甲烷是通过乙酸发酵途径产生的。