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摘要：沼氣是由微生物產生的一種可燃性混合氣體，是一種理想的優質的氣體燃料，其主要成分是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）等氣體。作為重要的可再生資源，具有很高的經濟價值和環境效益。本文將對沼氣發酵技術進行介紹，論述我國沼氣發酵綜合利用技術的現狀，并結合生態農業的大背景，對沼氣發酵的發展前景，及其應用進行分析。
前言（引言）：
沼氣，是各種有機物質，在隔絕空氣（還原條件），并在適宜的溫度、濕度下，經過微生物的發酵作用產生的一種可燃燒氣體。由于這種氣體最先是在沼澤中發現的，所以稱為沼氣。沼氣是一種可燃性混合氣體，其主要成分是CH4、CO2，此外還有少量的N2、CO、H2、NH3、H2S等[1]。作為一種可再生的優質清潔能源，沼氣能夠有效地緩解農村能源緊缺的局面、保護和恢復森林植被、改善生態環境、增加農民收入，在農業和農村經濟結構調整中占有舉足輕重的地位[2]。
沼氣發酵是生物質能轉化最重要的技術之一，它不僅能有效處理有機廢物，降低化學需氧量，還有殺滅致病菌，減少蚊蠅孳生的功能。此外，沼氣發酵作為廢物處理的手段，不僅能耗省，還能產生優質的燃料沼氣和肥料。
1.沼氣發酵原理
沼氣是生物質經過多種微生物聯合厭氧消化作用而生成的可燃氣體。厭氧消化就是在無氧的條件下，由兼性厭氧菌和專性厭氧菌[3]聯合降解有機物，最終生成二氧化碳和甲烷等氣體的過程。沼氣發酵三個階段理論將沼氣發酵過程分為水解液化、酸化和甲烷化三個階段：第一階段為水解液化階段；這一階段兼性厭氧菌和發酵性細菌將原料中較大分子的成分(如纖維素等)水解成可溶于水的有機酸和醇類等。第二階段為酸化階段；產氫產乙酸菌將第一階段生成的有機酸和醇繼續分解成簡單的有機酸，同時生成氫氣和二氧化碳。第三階段為甲烷化階段；產甲烷菌將第二階段生成的小分子物質轉化為甲烷和二氧化碳氣體，即發酵的最終產物沼氣。
2.沼氣發酵工藝
2.1發酵基本條件
2.1.1發酵菌群
制取沼氣必須有沼氣細菌。如果沒有沼氣細菌的作用，沼池內的有機物是不會轉變成甲烷。含有優良沼氣菌種的接種物普遍存在于糞坑底污泥，下水道污泥，正常使用的沼池料液，及反負芻動物（牛羊）新鮮的糞便。給啟動的沼氣池加入發酵污泥（稱為接種物），加入接種物的操作過程稱為接種。加入接種物的數量一般應占發酵料液總重量的10%---30%。如果不加入足夠量的接種物，沼池常常很難啟動或者是甲烷含量低，無法燃燒。
沼氣發酵微生物種類繁多，分為不產甲烷群落和產甲烷群落。不產甲烷微生物群落主要是一類兼性厭氧菌，從生理功能上又可分為基質分解菌群和揮發酸生成菌群。它們具有水解和發酵大分子有機物而產生酸的功能，在滿足自身生長繁殖需要的同時，為產甲烷微生物提供營養物質和能量。此類微生物包括的范圍很廣，有化能自養菌、化能異養菌和光能異養菌，甚至還有真菌、原生動物的存在。產甲烷微生物群落，通常稱為甲烷細菌，依照形態特征可分為甲烷桿菌屬、甲烷球菌屬、甲烷八疊球菌屬、甲烷螺菌屬。
2.1.2發酵環境
沼氣發酵中起主要作用的微生物都是嚴格厭氧的，必須在隔絕空氣的條件下，才能進行正常的生命活動。所以沼氣池必須嚴格密封，不漏水不漏氣，保證沼氣細菌正常生命代謝活動。這就是所謂有氧產生二氧化碳無氧產生甲烷。
2.1.3發酵原料
沼氣發酵原料是產生沼氣的物質基礎，又是沼氣細菌賴以生存的營養來源。沼氣細菌在沼氣池內正常繁殖過程中，必須從發酵原料里吸取充足的營養物質，如水分、碳素、氮素和大量元素硫、磷、鉀、納、鈣、鎂，微量元素鐵、銅、錳、鉬、鎳、鈷等元素用以生命活動，成倍繁殖細菌和轉化沼氣。
2.1.3.1常見的沼氣發酵原料
嚴格的說，有機物在一定條件下，經微生物都可轉化成沼氣，常見的植物秸稈、人畜糞便、樹葉雜草、城市垃圾、工廠有機廢水、污水處理廠的污泥等，都可作為沼氣發酵的原料。
2.1.3.2原料特性
2.1.3.2.1富氮原料
主要是人、畜和禽的糞便以及易腐生活垃圾，它們的氮源素含量較高。糞便的顆粒較細，作為正常沼氣池的原料，不必進行預處理，代謝分解和產氣速率較快。
2.1.3.2.2富碳原料
這類原料主要是各種農作物秸稈（稻草、麥草、玉米秸等）和雜草，它們含碳量高。主要成分為木質素、纖維素、半纖維素和蠟，代謝利用和產氣速率較慢。以這類物質為原料時，需要進行預處理，以提高原料的利用率和產氣速率。[4]
2.1.4發酵溫度
沼氣發酵時溫度的高低直接影響原料的消化速度和產氣率，在適溫范圍內溫度越高，沼氣細菌的生長繁殖就越快，產氣也就越多。適宜沼氣發酵的溫度范圍較廣，一般8—60攝氏度，都能產生沼氣。低于10攝氏度或者高于60攝氏度，都嚴重抑制微生物生存、繁殖、影響產氣。因為發酵工藝不同，人們把沼氣發酵劃分三個發酵區，即10—26攝氏度為常溫發酵區，28—38攝氏度為中溫發酵區，40—60攝氏度為高溫發酵區。農戶通常采用的是常溫發酵工藝。另外，沼氣發酵對溫度的急劇變化反映明顯，較大幅度的、急劇的溫度變化，會導致產氣量下降，甚至停止產氣。所以沼氣池還應有保溫設施，使池溫穩定在一定范圍之內。
2.1.5發酵PH值
沼氣微生物的生長，繁殖、要求發酵原料的酸堿度保持中性或微偏堿性（即PH值為6.5—7.5），過堿過酸都會影響產氣。測定表明，酸堿度PH值6—8時，均可產氣，以PH值為6.8—7.5時，產氣量最高，PH值低于4.9或高于9時均不產氣。
2.2發酵工藝過程
2.2.1沼氣發酵工藝
沼氣發酵的工藝流程一般包括原料預處理和發酵前準備、發酵運轉及管理和發酵后期處理三個階段。沼氣發酵工程通常按照發酵池容的大小進行劃分。我國規定的沼氣工程國家和行業標準[5]將沼氣發酵工程分為小型發酵工藝、中型發酵工程和大型發酵工藝。
大中型發酵工藝的特點是設備投資高、運行自動化程度高、具有良好的水力循環條件、運行維護成本高，但發酵效率也高，而且輸出能量大，可以配套沼氣發電設施或集中供熱設施等面向社區的沼氣利用工程。農村戶用沼氣池具有配套設施簡單，建設和運行成本低，無需運行動力，地理環境適應能力強等優點。
2.2.2沼氣的發酵過程
沼氣發酵過程包括產酸和產氣兩個階段。
2.2.2.1產酸階段
沼氣池中大分子有機物在一定溫度、水分、酸堿度和密閉條件下，首先被不產甲烷微生物菌群中基質分解菌所分泌的胞外酶，水解成小分子物質，如蛋白質水解成肽和氨基酸;脂肪水解成甘油和脂肪酸;多糖水解成單糖等。這些小分子物質進入不產甲烷微生物菌群中揮發酸生成菌細胞，通過發酵作用被轉化為乙酸等揮發性酸類和二氧化碳。由于這些中間產物和代謝產物都是酸性物質，使池內液體呈酸性，故稱產酸階段，也叫酸性發酵期。
2.2.2.2產氣階段
甲烷細菌將不產甲烷微生物產生的中間產物和最終代謝物分解轉化成大量的甲烷、二氧化碳和氨，故稱產氣階段[6]。因為甲烷和二氧化碳都能揮發而排出池外，而氨以強堿性的亞硝酸氨形式留在池中，中和了產酸階段的酸性，創造了甲烷穩定的堿性環境，也叫沼氣發酵期。
3.產物的綜合利用
沼氣發酵產物包括沼液、沼渣和沼氣三部分。
3.1沼液的綜合利用
沼液中含有多種微量元素和豐富的氨基酸。因此，沼液在種植業和養殖業得到了較為廣泛的應用。
眾所周知，氮、磷、鉀種元素對農作物的生長、發育以及產量等有著特別重要的作用。但土壤中這種元素含量較少，因此需要進行人為地補充。化肥的利用率不高，以氮肥（如尿素、碳酸氫銨等）為例，只含有單一的肥料成分——銨態氮，不能滿足作物對各種養分的需要，也不易被作物吸收，而且這些氮肥容易揮發，若施用不當，利用率就會更低。如果用沼液和這些氮素肥料配合使用，則可以促進化肥在土壤中溶解，使作物更容易吸收養分，減少氮素損失，提高化肥利用率。
3.2沼渣的綜合利用
沼渣主要由未分解的原料固形物、新產生的微生物菌體組成。將沼氣發酵料液風干就可得到沼渣。沼渣營養成分豐富，尤其是腐殖酸含量很高，它對改良土壤、增加土壤有機質都具有重要作用。
3.3沼氣的綜合利用
沼氣是沼氣發酵的主要產物，它的應用廣泛。
3.3.1在塑料大棚蔬菜生產中的應用
一是利用沼氣為大棚增溫和保溫。燃燒1m3的沼氣可放出2.3×104kJ
熱量，以此來確定不同容積的大棚增溫和保溫所需沼氣量。二是利用沼氣為蔬菜大棚提供二氧化碳氣肥。
3.3.2沼氣養蠶
沼氣燈用于蠶種感光和燃燒沼氣，給蠶室加溫，可以達到孵化快，出蠶齊，縮短飼養期，提高蠶繭產量和質量的目的。
3.3.3沼氣保鮮和貯存農產品
沼氣中二氧化碳含量高，含氧少，造成一種高二氧化碳低氧的狀態，以控制果疏、糧食的呼吸強度，減少儲存過程中基質的消耗，防治蟲、霉、病、菌，達到延長貯存時間并保持良好品質的目的。
3.3.4做飯、照明用
沼氣、沼液和沼渣的綜合利用，有效的實現了物質的循環利用以及能量的多級流動，極大的改善了環境，取得了良好了社會效益、生態效益和經濟效益，實現了有機廢物變廢為寶和保護環境的目的，促進了農業的可持續發展。
4.沼氣的發展及其應用
隨著我國人民生活水平的不斷提高，對肉類食品的需求也在急劇地增加，傳統的分散型養殖越來越不能滿足人們對肉類的需要，集約化的大型養殖場應運而生。雖然集約化的養殖可以有效降低養殖的成本，更好地對畜禽進行防疫，但是由于畜禽養殖的過于集中，糞便的排放也相對集中，大大超過了當地環境的承受能力，給當地的環境造成了巨大的壓力[7-9]。畜禽糞便對土地總體負荷警戒安全值以0.4為宜，而全國總體平均水平已經達到0.49，對生態環境構成了明顯的威脅態勢[10]，同時也給當地居民的健康帶來影響，制約了養殖場本身的可持續發展。由于畜禽糞便中含有豐富的生物質能，將其轉化利用不但可以在一定程度上解決上述問題，而且可以獲得能量，發酵產生的沼液、沼渣也可以作為很好的有機肥料[11-14]。于是，以畜禽糞便為原料的許多大型沼氣發酵工程紛紛亮相。
通過對畜禽糞便的發酵處理，以及對發酵產物的綜合利用，解決了畜禽養殖業發展中的阻礙，有利于畜禽養殖業規模的不斷擴大，可以為社會提供更多的肉類食品，滿足人們對肉類食品的需要，提高人民的生活水平。
同時，沼氣作為家用能源在農村范圍內也得到了大規模推廣應用.能源、環境和資源需求對傳統沼氣提出了更高的要求，其用途將包括大規模集中供氣、燃氣發電、燃氣汽車、火車和轉化化工產品等.
從這個意義上講，將來的沼氣將成為以各種生物質為原料、通過大型自動化的現代工業發酵過程生產的、可以用于部分取代石油和天然氣的一種能源產品——生物燃氣。
結論：
我國是世界上最早利用沼氣的國家之一。沼氣事業發展得到了政府的大力支持，特別是在農村，沼氣事業得到了充分發展。同時，我國的大中型沼氣發酵工程也得到很好的發展，基本上具備了生產能源、減少污染和綜合利用等多種功能，實現了能源、環境與經濟三方面的綜合效益。對于沼氣發酵產物的利用，由于其成本低廉，均能夠獲得一定的經濟效益。
參考文獻：
[1]李興杰.沼氣發酵[J].生物學通報，1999，34(3):16-17.
[2]岳喜生.當前農村沼氣發展前景及建議.農業科技與信息[J]，2009，(7): 50-51.
[3]林聰，王久臣，周長吉.沼氣技術理論與工程[M].北京:化學工業出版社，2007：8-9.
[4]李興泰.沼氣發酵原料精選.湖南農業[J]，2011，（4）：26.
[5]NY/T 667-2003，沼氣工程規模分類[S].
[6]李長生.農家沼氣實用技術[M].北京:金盾出版社，2006.（5）：29-32
[7]PizarroC，MulbryW，BlerschD，etal.An economic a ssessment of algal turf scrubber technologyfor treatmentof dairy manure effluent[J].Ecological Engineering，2006，26: 321-327.
[8]姚向君，郝先榮，郭憲章.畜禽養殖場能源環保工程的發展及其商業化運作模式的探討[J].農業工程學報，2002，18(1):181-184.
[9]陳同斌，鄭玉琪，高定，等.豬糞好氧堆制不同階段氧氣含量變化特征[J].應用生態學報，2004，15(11):2179-2183.
[10]翁伯琦.防治畜禽養殖污染刻不容緩[J].農業環境保護，2002，21(3):288.
[11]XinshanQi，ShupingZhang，YuzhiWang，etal.Advantages of the integrated pig-biogas- vegetable greenhouse system in China[J].Ecolog-ical Engineering，2005，24:177- 185.
[12]Junichi Fujino，Akihiro Morita，Yasunari Matsuoka，etal.Vision for utilization of livestock residue as bioenergy resource in Japan[J].Biomass & Bioenergy，2005，29:367- 374.
[13]Mohd.YusofHj.Othman，Baharudin Yatim，Muhammad Mat Salleh.Chicken dung biogas power generating system in Malaysia[J].RenewableEnergy，1996，9(1-4):930-933.
[14]顏麗,劉膺虎,梅自立.我國大中型沼氣工程現狀及發展前景探討[J].中國沼氣,1996,14(1):15-16. |
