生物质资源开发 与利用
第三章
生物质能源利用原理与技术
3.3 生物转换技术 －沼气技术
内容提要
概述 沼气发酵原理 小型户用沼气技术 大中型沼气工程 沼气综合利用
第一节 概述
基本概念 沼气的理化性质 沼气的生态分布 沼气发酵研究的历史 沼气发酵的应用
1.1 基本概念
什么是沼气？
一种可燃气体 生物质在厌氧和其他适宜条件下，经 微生物分解代谢，产生的甲烷和二氧 化碳为主体的混合气体。
生物质是地表植被在光合作用下的产物，因此从光 合作用的角度来说，沼气是生物质能一种可再生能 源。
1.2 沼气的理化性质
沼气是一种混合气体，其主要成分：
甲烷CH4：55% -70% 二氧化碳CO2：25% -45％ 少量N2、H2、O2、NH3、H2S和CO等气体
CH4、H2和CO是可以燃烧的气体，主要是 利用这部分气体的燃烧获得能量。
甲烷是由碳和氢组 成的化合物，化学 式是CH4 相对分子量16.043 相对密度0.555(与 空气相比）
甲烷常温呈气态，无 色、无味的气体，极 难溶于水。 甲烷具有可燃性，纯 甲烷燃烧时，呈浅蓝 色火焰。 燃烧时生成二氧化碳 和水，同时放出大量 的热。 CH4+2O2
点燃
CO2+2H2O＋890kJ
1.3 沼气的生态分布
池沼
1.3 沼气的生态分布
沼泽
1.3 沼气的生态分布
粪窖、阴沟
1.3 沼气的生态分布
水田、海洋 深处以及人 和动物的消 化道中都有 沼气存在。 天然气含有 约95%的甲 烷。
1.4 沼气发酵研究的历史
1776年，意大利物理学家A.沃尔塔测出湖泊底 部植物体腐烂而产生的气体中含有甲烷。 1875年，俄国学者波波夫首先发现将河泥加入 纤维素物质中可产生沼气，并发现了甲烷发酵 是一个微生物学过程。 1901年，荷兰学者桑格明确了甲烷细菌的形态 特征以及它们所能进行的转化作用，并发现氢 和二氧化碳的混合物能发酵生成甲烷。
1916年，俄国微生物学家奥梅梁斯基分离 出第一株甲烷菌。 1936年，巴克尔将其命名为奥氏甲烷杆 菌，并发现沼气发酵分为产酸和分解酸形 成沼气两个阶段。 1950年，美国微生物学家亨格特教授创立 了严格厌氧微生物培养技术，解决了甲烷 菌的分离和培养难题。
1967年，布赖恩特将奥氏甲烷 杆菌进行分离纯化，获得甲烷 杆菌MOH菌株和“S”有机体，证实 了原奥氏甲烷杆菌是此两种菌 的共生体，从而揭示了产氢细 菌和产甲烷菌之间的相互依赖 关系，即沼气发酵的微生物学 原理 。
近年来，在甲烷菌研究方面的进展尤为 突出，对甲烷菌的分离、培养、分类、 生理代谢、细微结构和碱基序列等方面 都有一定的研究成果。
近几十年来，发展了许多新的厌氧处理工 艺，如厌氧过滤器、上流式污泥床、两步 发酵法
等。
1.5 沼气发酵的应用
1881年，摩热斯在法国建立了世界上第 一个处理废水的厌氧消化器。随后，英 国、美国和印度等过相继建立起大型的 沼气发酵装置，处理城市污水。 20世纪30年代，德国许多城市用钢瓶贮 存压缩沼气，用作汽车的燃料。
1.5 沼气发酵的应用
20世纪初，开始发展了许多类型的小型沼 气池，主要以各种作物秸秆和人畜粪便为 原料，生产沼气，供作生活燃料。 小型沼气以我国和印度最为普遍。 20世纪60年代，我国开始发展大中型沼气 工程，集中供热 目前，国外发达国家推行热电联产，实行 沼气发电。
视频：北方沼气工程 思考问题？
什么农村生态模式？ 主要组成机构？ 沼气具体产生过程？ 沼气池主要结构？
第二节 沼气发酵原理
沼气的发酵过程 沼气发酵微生物及其作用 沼气发酵工艺条件
2.1 沼气的发酵过程
沼气发酵是复杂的微生物学过程，只有存在 大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物 得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会 在微生物的作用下转化为沼气。 各种有机质(秸秆、人畜粪便等)在厌氧及其 他适宜条件下，通过微生物作用，最终转化 为沼气的复杂过程，即为沼气发酵。
沼气发酵过程
有机质 产酸 液化 产甲烷 沼气
厌氧沼气发酵的主要反应历程
单 多 糖 液化 脂 类 蛋白质
糖 产酸 丁酸 丙酸 乙酸 乳酸 H2 + CO2 产甲烷 CH3COOH CH4+H2O CO2 CH4+H2O
低聚糖 脂肪酸 氨基酸
第一阶段─液化
纤维素 蛋白质 脂肪
纤维酶 蛋白酶 脂肪酶
双糖或单糖 多肽和氨基酸 脂肪酸和甘油
液化阶段
各种有机废弃物都是以大分子状态存在的碳水化 合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。 它们不能被微生物直接利用，必须通过微生物分 泌的胞外酶（如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）作 用，酶解成可溶于水的小分子化合物：
多糖分解成单糖或二糖 蛋白质分解成肽和氨基酸 脂肪分解成甘油和脂肪酸
第二阶段──产酸
单糖
溶 性 物 可 简 单 乙酸
氨基酸 脂肪酸 质
产酸菌
物
化 丙酸＋CO 2 合 ＋氢气
醇类
产酸阶段
在产酸微生物群的作用下将单糖类、肽、 氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单 的有机酸（如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和 乳酸）、醇（如甲醇、乙醇等）以及二氧 化碳、氢气、氨气和硫化氢等。 产酸阶段主要的产物是挥发性有机酸，以 乙酸为主，约占80％。
第三阶段--产甲烷
乙酸 单 丙酸
物 醇类 合 化 简
甲烷菌 甲烷
二氧化碳
产甲烷阶段
有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又 被产甲烷微生物群（又称产甲烷细菌）利 用。 产甲烷细菌分解乙酸、醇等形成甲烷和二 氧化碳等。 以甲烷和
二氧化碳为主的混合气体便称为 沼气。
实际沼气发酵过程中，上述三个阶段界线不 明显，无法截然分开。 液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，许多 参与液化的微生物也会参与产酸过程，可统 称为不产甲烷阶段。
不产甲烷阶段 沼气发酵 产甲烷 液化 产酸
2.2 沼气发酵 微生物及其作用
1.沼气微生物的种类
沼 气 微 生 物
产甲烷菌 发酵性细菌 不产甲烷菌 产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌 食乙酸产甲烷菌
不产甲烷菌
不产甲烷菌能将纤维、半纤维、淀粉、 蛋白质、脂肪等复杂有机物分解成乙酸、 丙酸、丁酸等简单的小分子量的物质。 不产甲烷的细菌为产甲烷菌提供营养和 为甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分 毒物。
产甲烷菌
产甲烷菌是沼气发酵微生物 的核心，它们严格厌氧，适宜 在中性环境中繁殖，依靠乙 酸、二氧化碳和氢生长，并以 废物的形式排出甲烷。
不产甲烷细菌群
发酵性细菌：将液化阶段产生的小分子化合物
吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、 氢和二氧化碳等。
产氢产乙酸菌：把发酵性细菌产生的丙酸、丁
酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。
耗氢产乙酸菌群：利用氢和二氧化碳生成乙
酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机 物为乙酸。
产甲烷细菌群
食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大 类群
已研究过的就有70多种产甲烷菌 它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分 解转化的甲酸、乙酸 、氢和二氧化碳小 分子化合物等生成甲烷。
产甲烷细菌群
产甲烷菌的共同特征是：
生长非常缓慢，如甲烷菌丝倍增时间为4-9天； 严格厌氧，有空气的条件下不能生存或死亡； 只能利用少数简单的化合物作为营养； 要求中性偏碱和适宜温度环境条件； 代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要 成分的沼气。
2.沼气微生物生长规律
生物和生命活动以新陈代谢为 基础，沼气发酵微生物的生长和 代谢过程分为适应期、对数生长 期、平衡期、衰亡期四个时期。
沼气微生物生长曲线
逐步以1、2、4、 8、16......的级数 上升，发酵产物的 酸化菌适应期较 增长速度随细胞数 短，产甲烷菌适 应期较长 量的增加而上升。 细胞繁殖速度与死 亡速度相对平衡。 营养物质减少，细 发酵料液内细胞总 胞死亡速度超过新 数达到最高水平 生数目，活菌总数 下降。
2.3 沼气发酵的工艺条件
充足的沼气发酵原料 质优量多的沼气微生物 严格厌氧的生态环境 适宜的酸碱度（6.8～7.5） 合适的负荷（料液浓度） 持续的搅拌
沼气发酵原料
原料是沼气微生物赖以生存和产生沼气的物质基础。
液态原料
原料
营 养 成 分
物理形态
固态原料 富氮原料 富碳原料
动物粪便 农作物秸秆等
原料碳氮比
沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗 氮的速度要快25～30倍。因此，碳氮 比例配成25～30:1可以使沼气发酵在 合适的速度下进行。
各种原料的碳氮比（C/N）
原料 牛厩肥 鲜马粪 鲜羊粪 碳氮比 18:1 24:1 29:1 原料 初沉池污泥 二沉池污泥 鲜猪粪 碳氮比 5:1 10:1 13:1
合适的料液浓度
料液中干物质含量的百分比为料液浓度。 发酵料液浓度随季节的变化而要求不同。 一般在夏季，发酵料液浓度可以低些，要 求浓度在6％左右；冬季浓度应高一些， 为8％左右。
搅拌和混合
搅拌可使物料分布均匀，温度均匀，加快 消化速度，并使消化产物及时分离，从而 提高消化效率、增加产气量。 不搅拌，消化料液明显地分成结壳层、清 液层、沉渣层，严重影响消化效果。 搅拌方法：机械搅拌、气体搅拌、液体搅 拌
螺旋搅拌型
通过机械装置运转达到搅拌的目的 多用于大中型沼气工程
气搅拌
将沼气从池底部冲进去，产生较强的气 体回流，达到搅拌目的。
液搅拌、泵循环
从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后 又从进料管冲人沼气池内，产生较强的 液体回流，达到搅拌目的
第三节 小型户用沼气技术
小型沼气技术的发展历程 小型沼气池类型 小型沼气池发酵工艺类型
3.1小型沼气技术的发展历程
我国小型沼气技术及其利用，无论技术 水平还是实用范围，乃至应用数量，均 处于国际领先地位。 其发展历程分为4个阶段
起步阶段 探索阶段 发展阶段 推广及综合利用阶段
起步阶段
始于20世纪初期 主要解决了2项关键技术
沼气的储气技术 沼气池的密封技术
探索阶段
20世纪70年代，源于农村生活用能的严重 短缺 存在的主要问题：
技术缺乏系统研究 知识普及不足 片面强调建池数量 建池质量得不到保证，沼气池寿命不长
发展阶段
20世纪80年代 国家建立了一批沼气研究机构 沼气研究列入国家攻关计划 国际交流频繁 形成了中国特色的发酵工艺、适合不同情 况的水压式池型、完善了配套技术
推广及综合利用阶段
20世纪90年代以来 沼气技术与农业生产，与环境、生 态、资源综合利用等领域紧密结合 2002年底，全国小型沼气池保有量 超过1000万个。
3.2 小型沼气池类型
水压式沼气池 浮罩式沼气池 气袋式沼气池 玻璃钢沼气池 铁罐式沼气池 印度牛粪沼气装置
水压式沼气池构造
由发酵间、进料 管和水压间组成 储气室的气压靠 水压间和发酵间 的液面高度差实 现。
水压式沼气池供气原理
标准型水压式沼气池
84年发布、85年实施“农村小型水压式
沼气池标准图集”，明 确3种标准池型：
设搅拌装置的水压式沼气池
机械搅拌装置，用以解决料液分层和结壳现象
浮罩式沼气池
发酵间产生的沼气由沉浮式气罩储存 主要特点： 压力稳定 建池出渣容易 保温性能不如水压式 金属浮罩易腐蚀
沉浮式气罩
直接储气浮罩式沼气池
浮罩式沼气池
分离储气浮罩式沼气池
气袋式沼气池
发酵间无储气部分，沼气直接输入储气袋，其余构造同水压式
主要特点： 池内气压低，有利于产气；料 液溶积基本不变；气袋价格较 贵；多用于大中沼气工程。
玻璃钢沼气池
铁罐式沼气池
印度“戈巴”（牛粪）沼气池
结构特点：
井状地下建筑， 直径1.5-6m; 浮罩由薄钢板制 成，内装搅拌 棍； 可多年不需大出 料，节约劳力。 一种浮罩式沼气池
3.3 小型沼气池发酵工艺类型
半连续投料沼气发酵 分层满装料沼气发酵 批量投料沼气发酵 干发酵工艺 两步发酵工艺
半连续投料沼气发酵工艺
工艺特点：启动时，一次投入较多原料，产气→用气， 经过一段时间，当产气量下降时，开始定期添加新料和 排出旧料，以维持较稳定的产气率。
分层满装料沼气发酵工艺
特点：混合原料，分层装满，池内堆沤，干湿发酵结合， 启动用水少，操作简单，节省劳力。
批量投料沼气发酵工艺
特点：
一次性投料， 发酵周期结束 后，取出旧 料，再投入下 一批新料。 玻璃钢沼气池
干法沼气发酵工艺
属批量投料沼气发酵 特点
秸秆：粪便＝3：1 发酵原料总固体含量高 (>20％)，省水，池容产 气率高，适宜于习惯用固 体肥料的农村和干旱地 区。 设备：铁罐式沼气池
两步法沼气发酵工艺
产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个池子里进行 符合沼气微生物活动特点，实现了沼气发酵过程最优化
产出酸液
无渣滓 产气率高 甲烷含量高
水压式 沼气池
第四节 大中型沼气工程
沼气工程规模划分 大中型沼气工程现状与发展 大中型沼气工程实例
4.1 沼气工程规模划分
沼气工程规模划分／m3
规模 小型 中型 大型 单体容积 1000 单体容积之 和 1000 日产气量 1000
4.2 大中型沼气工程的 现状与发展
国内概况
20世纪60年代，第一个大中型沼气工程：隧道式 半地下大型沼气发酵装置。南阳酒精厂，酒精废 液处理。
70年代，以畜禽粪污为原料的大中型沼气工程 出现。 近十几年发展较快，环保意识提高，集约化畜 禽养殖废弃物和食品工业废水处理。
国外概况
德国：技术水平较高，是世界上沼气工程密度最高的
地区之一。以农场沼气工程为主，普遍采用“沼气发 电、余热升温、中温发酵、无储气罐、自
动控制、加氧 脱硫、沼液施肥”的模式。
前苏联：20年代开始研究，70年代重新兴起，80年代
后发展迅速，研制农户和家庭农场沼气装置，基本采用 高温（52℃）发酵。
印度：沼气多数发电为主 尼泊尔：沼气占全国总能耗的90％以上 养殖业发达，重视环保，养殖废弃物必须经无害 化处理，促进大中型沼气工程的发展。
德国沼气发展的几个特点 沼气发酵原料主要为作物秸 秆、粮食和动物粪便 沼气绝大多数用来发电 沼气反应器80%采用全混合厌 氧反应器 沼气发酵剩余物全部还田
4.3 大中型沼气工程实例
废弃物
沼气工程
预处理
发电
连续混合 保持温度37oC 厌氧消化
沼气
供气 供热
后处理
生物肥料
集约化禽畜场沼气工程
集约化禽畜场沼气工程
万头育肥猪场，日产粪水60ｍ3，设计池 容500m3，产气率为0.39m3/m3•d，总投资为 175万元 年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨 收益=沼气+有机肥+避免排污罚款+畜禽发 病率减少避免的损失
美国FLORIDA州的一个沼气工程
加工废弃物 农田废弃物
燃气涡轮发电机 沼气
养殖废弃物
水解罐 水循环
产气罐 热水
电负荷
绿色植物或牧草 固体肥料 沼液用于灌溉 热水或蒸汽 供热
第五节 沼气综合利用
沼气综合利用是指将沼气、沼液、沼渣 （简称“三沼”）运用到生产过程中，降低 生产成本，提高经济效益。 以沼气设施为纽带的生态模式
1 北方农村能源生态模式
“四位一体”生态模式，起源于20世纪80年代 辽宁省农村。
日光 温室
沼气池
养殖 业
太阳能
禽 舍
厕所
畜
种植业
相互依存、优势互补、多业结合，完整的农村能源生态系统
沼
气
2 “五配套”生态果园工程模式
西北农林科技大学为渭北旱塬所设计。
太阳能热 水器 畜禽舍 水泵 储肥池 沼气池 水窖 滴灌系统
五配套：沼气池－畜禽舍－厕所－水窖－滴灌系统
3 “草-牧-沼-果”农业生态模式
赣中南泰和县，以种草、养牛、果树为 经济支柱的生态型经济模式。
沼液、沼渣
红 壤 低 丘 荒 山
开荒
种 植
果树 牧草
经济 作物
养 植
牛 猪 禽
粪便 沼 气 池
水果
肉、蛋、奶
燃料、照明
“草-牧-沼-果”生态经济模式流程
“五位一体”生态农业模式
广西恭城瑶族自治县 一个沼气池，带一个小猪圈、一处小果园、 一个小鱼塘
“猪－沼－酒”庭院生态模式
鲁北地区 以猪粪尿生产沼气，做酿酒室燃料，酒糟喂 猪。
思考题
沼气发酵原理？简述沼气发酵的基本反应 历程。 沼气发酵的工艺条件有哪些？ 小型沼气池有几种类型？ 小型沼气池发酵工艺类型有哪些？ 举例说明以沼气设施为纽带的生态模式。
生物质资源开发 与利用
第三章
生物质能源利用原理与技术
3.3 生物转换技术 －沼气技术
内容提要
概述 沼气发酵原理 小型户用沼气技术 大中型沼气工程 沼气综合利用
第一节 概述
基本概念 沼气的理化性质 沼气的生态分布 沼气发酵研究的历史 沼气发酵的应用
1.1 基本概念
什么是沼气？
一种可燃气体 生物质在厌氧和其他适宜条件下，经 微生物分解代谢，产生的甲烷和二氧 化碳为主体的混合气体。
生物质是地表植被在光合作用下的产物，因此从光 合作用的角度来说，沼气是生物质能一种可再生能 源。
1.2 沼气的理化性质
沼气是一种混合气体，其主要成分：
甲烷CH4：55% -70% 二氧化碳CO2：25% -45％ 少量N2、H2、O2、NH3、H2S和CO等气体
CH4、H2和CO是可以燃烧的气体，主要是 利用这部分气体的燃烧获得能量。
甲烷是由碳和氢组 成的化合物，化学 式是CH4 相对分子量16.043 相对密度0.555(与 空气相比）
甲烷常温呈气态，无 色、无味的气体，极 难溶于水。 甲烷具有可燃性，纯 甲烷燃烧时，呈浅蓝 色火焰。 燃烧时生成二氧化碳 和水，同时放出大量 的热。 CH4+2O2
点燃
CO2+2H2O＋890kJ
1.3 沼气的生态分布
池沼
1.3 沼气的生态分布
沼泽
1.3 沼气的生态分布
粪窖、阴沟
1.3 沼气的生态分布
水田、海洋 深处以及人 和动物的消 化道中都有 沼气存在。 天然气含有 约95%的甲 烷。
1.4 沼气发酵研究的历史
1776年，意大利物理学家A.沃尔塔测出湖泊底 部植物体腐烂而产生的气体中含有甲烷。 1875年，俄国学者波波夫首先发现将河泥加入 纤维素物质中可产生沼气，并发现了甲烷发酵 是一个微生物学过程。 1901年，荷兰学者桑格明确了甲烷细菌的形态 特征以及它们所能进行的转化作用，并发现氢 和二氧化碳的混合物能发酵生成甲烷。
1916年，俄国微生物学家奥梅梁斯基分离 出第一株甲烷菌。 1936年，巴克尔将其命名为奥氏甲烷杆 菌，并发现沼气发酵分为产酸和分解酸形 成沼气两个阶段。 1950年，美国微生物学家亨格特教授创立 了严格厌氧微生物培养技术，解决了甲烷 菌的分离和培养难题。
1967年，布赖恩特将奥氏甲烷 杆菌进行分离纯化，获得甲烷 杆菌MOH菌株和“S”有机体，证实 了原奥氏甲烷杆菌是此两种菌 的共生体，从而揭示了产氢细 菌和产甲烷菌之间的相互依赖 关系，即沼气发酵的微生物学 原理 。
近年来，在甲烷菌研究方面的进展尤为 突出，对甲烷菌的分离、培养、分类、 生理代谢、细微结构和碱基序列等方面 都有一定的研究成果。
近几十年来，发展了许多新的厌氧处理工 艺，如厌氧过滤器、上流式污泥床、两步 发酵法
等。
1.5 沼气发酵的应用
1881年，摩热斯在法国建立了世界上第 一个处理废水的厌氧消化器。随后，英 国、美国和印度等过相继建立起大型的 沼气发酵装置，处理城市污水。 20世纪30年代，德国许多城市用钢瓶贮 存压缩沼气，用作汽车的燃料。
1.5 沼气发酵的应用
20世纪初，开始发展了许多类型的小型沼 气池，主要以各种作物秸秆和人畜粪便为 原料，生产沼气，供作生活燃料。 小型沼气以我国和印度最为普遍。 20世纪60年代，我国开始发展大中型沼气 工程，集中供热 目前，国外发达国家推行热电联产，实行 沼气发电。
视频：北方沼气工程 思考问题？
什么农村生态模式？ 主要组成机构？ 沼气具体产生过程？ 沼气池主要结构？
第二节 沼气发酵原理
沼气的发酵过程 沼气发酵微生物及其作用 沼气发酵工艺条件
2.1 沼气的发酵过程
沼气发酵是复杂的微生物学过程，只有存在 大量的沼气微生物，并使各种类群的微生物 得到最佳的生长条件，各种有机物原料才会 在微生物的作用下转化为沼气。 各种有机质(秸秆、人畜粪便等)在厌氧及其 他适宜条件下，通过微生物作用，最终转化 为沼气的复杂过程，即为沼气发酵。
沼气发酵过程
有机质 产酸 液化 产甲烷 沼气
厌氧沼气发酵的主要反应历程
单 多 糖 液化 脂 类 蛋白质
糖 产酸 丁酸 丙酸 乙酸 乳酸 H2 + CO2 产甲烷 CH3COOH CH4+H2O CO2 CH4+H2O
低聚糖 脂肪酸 氨基酸
第一阶段─液化
纤维素 蛋白质 脂肪
纤维酶 蛋白酶 脂肪酶
双糖或单糖 多肽和氨基酸 脂肪酸和甘油
液化阶段
各种有机废弃物都是以大分子状态存在的碳水化 合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。 它们不能被微生物直接利用，必须通过微生物分 泌的胞外酶（如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等）作 用，酶解成可溶于水的小分子化合物：
多糖分解成单糖或二糖 蛋白质分解成肽和氨基酸 脂肪分解成甘油和脂肪酸
第二阶段──产酸
单糖
溶 性 物 可 简 单 乙酸
氨基酸 脂肪酸 质
产酸菌
物
化 丙酸＋CO 2 合 ＋氢气
醇类
产酸阶段
在产酸微生物群的作用下将单糖类、肽、 氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单 的有机酸（如甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和 乳酸）、醇（如甲醇、乙醇等）以及二氧 化碳、氢气、氨气和硫化氢等。 产酸阶段主要的产物是挥发性有机酸，以 乙酸为主，约占80％。
第三阶段--产甲烷
乙酸 单 丙酸
物 醇类 合 化 简
甲烷菌 甲烷
二氧化碳
产甲烷阶段
有机酸、醇以及二氧化碳和氨气等物质又 被产甲烷微生物群（又称产甲烷细菌）利 用。 产甲烷细菌分解乙酸、醇等形成甲烷和二 氧化碳等。 以甲烷和
二氧化碳为主的混合气体便称为 沼气。
实际沼气发酵过程中，上述三个阶段界线不 明显，无法截然分开。 液化阶段和产酸阶段是一个连续过程，许多 参与液化的微生物也会参与产酸过程，可统 称为不产甲烷阶段。
不产甲烷阶段 沼气发酵 产甲烷 液化 产酸
2.2 沼气发酵 微生物及其作用
1.沼气微生物的种类
沼 气 微 生 物
产甲烷菌 发酵性细菌 不产甲烷菌 产氢产乙酸菌 耗氢产乙酸菌 食氢产甲烷菌 食乙酸产甲烷菌
不产甲烷菌
不产甲烷菌能将纤维、半纤维、淀粉、 蛋白质、脂肪等复杂有机物分解成乙酸、 丙酸、丁酸等简单的小分子量的物质。 不产甲烷的细菌为产甲烷菌提供营养和 为甲烷菌创造适宜的厌氧条件，消除部分 毒物。
产甲烷菌
产甲烷菌是沼气发酵微生物 的核心，它们严格厌氧，适宜 在中性环境中繁殖，依靠乙 酸、二氧化碳和氢生长，并以 废物的形式排出甲烷。
不产甲烷细菌群
发酵性细菌：将液化阶段产生的小分子化合物
吸收进细胞内，并将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、 氢和二氧化碳等。
产氢产乙酸菌：把发酵性细菌产生的丙酸、丁
酸转化为产甲烷菌可利用的乙酸、氢和二氧化碳。
耗氢产乙酸菌群：利用氢和二氧化碳生成乙
酸，还能代谢糖类产生乙酸，它们能转变多种有机 物为乙酸。
产甲烷细菌群
食氢产甲烷菌和食乙酸产甲烷菌两大 类群
已研究过的就有70多种产甲烷菌 它们利用以上不产甲烷的三种菌群所分 解转化的甲酸、乙酸 、氢和二氧化碳小 分子化合物等生成甲烷。
产甲烷细菌群
产甲烷菌的共同特征是：
生长非常缓慢，如甲烷菌丝倍增时间为4-9天； 严格厌氧，有空气的条件下不能生存或死亡； 只能利用少数简单的化合物作为营养； 要求中性偏碱和适宜温度环境条件； 代谢活动主要终产物是甲烷和二氧化碳为主要 成分的沼气。
2.沼气微生物生长规律
生物和生命活动以新陈代谢为 基础，沼气发酵微生物的生长和 代谢过程分为适应期、对数生长 期、平衡期、衰亡期四个时期。
沼气微生物生长曲线
逐步以1、2、4、 8、16......的级数 上升，发酵产物的 酸化菌适应期较 增长速度随细胞数 短，产甲烷菌适 应期较长 量的增加而上升。 细胞繁殖速度与死 亡速度相对平衡。 营养物质减少，细 发酵料液内细胞总 胞死亡速度超过新 数达到最高水平 生数目，活菌总数 下降。
2.3 沼气发酵的工艺条件
充足的沼气发酵原料 质优量多的沼气微生物 严格厌氧的生态环境 适宜的酸碱度（6.8～7.5） 合适的负荷（料液浓度） 持续的搅拌
沼气发酵原料
原料是沼气微生物赖以生存和产生沼气的物质基础。
液态原料
原料
营 养 成 分
物理形态
固态原料 富氮原料 富碳原料
动物粪便 农作物秸秆等
原料碳氮比
沼气发酵细菌消耗碳的速度比消耗 氮的速度要快25～30倍。因此，碳氮 比例配成25～30:1可以使沼气发酵在 合适的速度下进行。
各种原料的碳氮比（C/N）
原料 牛厩肥 鲜马粪 鲜羊粪 碳氮比 18:1 24:1 29:1 原料 初沉池污泥 二沉池污泥 鲜猪粪 碳氮比 5:1 10:1 13:1
合适的料液浓度
料液中干物质含量的百分比为料液浓度。 发酵料液浓度随季节的变化而要求不同。 一般在夏季，发酵料液浓度可以低些，要 求浓度在6％左右；冬季浓度应高一些， 为8％左右。
搅拌和混合
搅拌可使物料分布均匀，温度均匀，加快 消化速度，并使消化产物及时分离，从而 提高消化效率、增加产气量。 不搅拌，消化料液明显地分成结壳层、清 液层、沉渣层，严重影响消化效果。 搅拌方法：机械搅拌、气体搅拌、液体搅 拌
螺旋搅拌型
通过机械装置运转达到搅拌的目的 多用于大中型沼气工程
气搅拌
将沼气从池底部冲进去，产生较强的气 体回流，达到搅拌目的。
液搅拌、泵循环
从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后 又从进料管冲人沼气池内，产生较强的 液体回流，达到搅拌目的
第三节 小型户用沼气技术
小型沼气技术的发展历程 小型沼气池类型 小型沼气池发酵工艺类型
3.1小型沼气技术的发展历程
我国小型沼气技术及其利用，无论技术 水平还是实用范围，乃至应用数量，均 处于国际领先地位。 其发展历程分为4个阶段
起步阶段 探索阶段 发展阶段 推广及综合利用阶段
起步阶段
始于20世纪初期 主要解决了2项关键技术
沼气的储气技术 沼气池的密封技术
探索阶段
20世纪70年代，源于农村生活用能的严重 短缺 存在的主要问题：
技术缺乏系统研究 知识普及不足 片面强调建池数量 建池质量得不到保证，沼气池寿命不长
发展阶段
20世纪80年代 国家建立了一批沼气研究机构 沼气研究列入国家攻关计划 国际交流频繁 形成了中国特色的发酵工艺、适合不同情 况的水压式池型、完善了配套技术
推广及综合利用阶段
20世纪90年代以来 沼气技术与农业生产，与环境、生 态、资源综合利用等领域紧密结合 2002年底，全国小型沼气池保有量 超过1000万个。
3.2 小型沼气池类型
水压式沼气池 浮罩式沼气池 气袋式沼气池 玻璃钢沼气池 铁罐式沼气池 印度牛粪沼气装置
水压式沼气池构造
由发酵间、进料 管和水压间组成 储气室的气压靠 水压间和发酵间 的液面高度差实 现。
水压式沼气池供气原理
标准型水压式沼气池
84年发布、85年实施“农村小型水压式
沼气池标准图集”，明 确3种标准池型：
设搅拌装置的水压式沼气池
机械搅拌装置，用以解决料液分层和结壳现象
浮罩式沼气池
发酵间产生的沼气由沉浮式气罩储存 主要特点： 压力稳定 建池出渣容易 保温性能不如水压式 金属浮罩易腐蚀
沉浮式气罩
直接储气浮罩式沼气池
浮罩式沼气池
分离储气浮罩式沼气池
气袋式沼气池
发酵间无储气部分，沼气直接输入储气袋，其余构造同水压式
主要特点： 池内气压低，有利于产气；料 液溶积基本不变；气袋价格较 贵；多用于大中沼气工程。
玻璃钢沼气池
铁罐式沼气池
印度“戈巴”（牛粪）沼气池
结构特点：
井状地下建筑， 直径1.5-6m; 浮罩由薄钢板制 成，内装搅拌 棍； 可多年不需大出 料，节约劳力。 一种浮罩式沼气池
3.3 小型沼气池发酵工艺类型
半连续投料沼气发酵 分层满装料沼气发酵 批量投料沼气发酵 干发酵工艺 两步发酵工艺
半连续投料沼气发酵工艺
工艺特点：启动时，一次投入较多原料，产气→用气， 经过一段时间，当产气量下降时，开始定期添加新料和 排出旧料，以维持较稳定的产气率。
分层满装料沼气发酵工艺
特点：混合原料，分层装满，池内堆沤，干湿发酵结合， 启动用水少，操作简单，节省劳力。
批量投料沼气发酵工艺
特点：
一次性投料， 发酵周期结束 后，取出旧 料，再投入下 一批新料。 玻璃钢沼气池
干法沼气发酵工艺
属批量投料沼气发酵 特点
秸秆：粪便＝3：1 发酵原料总固体含量高 (>20％)，省水，池容产 气率高，适宜于习惯用固 体肥料的农村和干旱地 区。 设备：铁罐式沼气池
两步法沼气发酵工艺
产酸阶段和产甲烷阶段分别在两个池子里进行 符合沼气微生物活动特点，实现了沼气发酵过程最优化
产出酸液
无渣滓 产气率高 甲烷含量高
水压式 沼气池
第四节 大中型沼气工程
沼气工程规模划分 大中型沼气工程现状与发展 大中型沼气工程实例
4.1 沼气工程规模划分
沼气工程规模划分／m3
规模 小型 中型 大型 单体容积 1000 单体容积之 和 1000 日产气量 1000
4.2 大中型沼气工程的 现状与发展
国内概况
20世纪60年代，第一个大中型沼气工程：隧道式 半地下大型沼气发酵装置。南阳酒精厂，酒精废 液处理。
70年代，以畜禽粪污为原料的大中型沼气工程 出现。 近十几年发展较快，环保意识提高，集约化畜 禽养殖废弃物和食品工业废水处理。
国外概况
德国：技术水平较高，是世界上沼气工程密度最高的
地区之一。以农场沼气工程为主，普遍采用“沼气发 电、余热升温、中温发酵、无储气罐、自
动控制、加氧 脱硫、沼液施肥”的模式。
前苏联：20年代开始研究，70年代重新兴起，80年代
后发展迅速，研制农户和家庭农场沼气装置，基本采用 高温（52℃）发酵。
印度：沼气多数发电为主 尼泊尔：沼气占全国总能耗的90％以上 养殖业发达，重视环保，养殖废弃物必须经无害 化处理，促进大中型沼气工程的发展。
德国沼气发展的几个特点 沼气发酵原料主要为作物秸 秆、粮食和动物粪便 沼气绝大多数用来发电 沼气反应器80%采用全混合厌 氧反应器 沼气发酵剩余物全部还田
4.3 大中型沼气工程实例
废弃物
沼气工程
预处理
发电
连续混合 保持温度37oC 厌氧消化
沼气
供气 供热
后处理
生物肥料
集约化禽畜场沼气工程
集约化禽畜场沼气工程
万头育肥猪场，日产粪水60ｍ3，设计池 容500m3，产气率为0.39m3/m3•d，总投资为 175万元 年产沼气10万立方米，固体有机肥540吨 收益=沼气+有机肥+避免排污罚款+畜禽发 病率减少避免的损失
美国FLORIDA州的一个沼气工程
加工废弃物 农田废弃物
燃气涡轮发电机 沼气
养殖废弃物
水解罐 水循环
产气罐 热水
电负荷
绿色植物或牧草 固体肥料 沼液用于灌溉 热水或蒸汽 供热
第五节 沼气综合利用
沼气综合利用是指将沼气、沼液、沼渣 （简称“三沼”）运用到生产过程中，降低 生产成本，提高经济效益。 以沼气设施为纽带的生态模式
1 北方农村能源生态模式
“四位一体”生态模式，起源于20世纪80年代 辽宁省农村。
日光 温室
沼气池
养殖 业
太阳能
禽 舍
厕所
畜
种植业
相互依存、优势互补、多业结合，完整的农村能源生态系统
沼
气
2 “五配套”生态果园工程模式
西北农林科技大学为渭北旱塬所设计。
太阳能热 水器 畜禽舍 水泵 储肥池 沼气池 水窖 滴灌系统
五配套：沼气池－畜禽舍－厕所－水窖－滴灌系统
3 “草-牧-沼-果”农业生态模式
赣中南泰和县，以种草、养牛、果树为 经济支柱的生态型经济模式。
沼液、沼渣
红 壤 低 丘 荒 山
开荒
种 植
果树 牧草
经济 作物
养 植
牛 猪 禽
粪便 沼 气 池
水果
肉、蛋、奶
燃料、照明
“草-牧-沼-果”生态经济模式流程
“五位一体”生态农业模式
广西恭城瑶族自治县 一个沼气池，带一个小猪圈、一处小果园、 一个小鱼塘
“猪－沼－酒”庭院生态模式
鲁北地区 以猪粪尿生产沼气，做酿酒室燃料，酒糟喂 猪。
思考题
沼气发酵原理？简述沼气发酵的基本反应 历程。 沼气发酵的工艺条件有哪些？ 小型沼气池有几种类型？ 小型沼气池发酵工艺类型有哪些？ 举例说明以沼气设施为纽带的生态模式。