沼气技术培训资料
一、沼气的基本知识
1、沼气及其产生过程
沼气是有机物质在厌氧环境中, 在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下, 经过微生物发酵作用, 产生的一种可燃气体。由于这种气体最初是在沼泽、湖泊、池塘中发现的, 因此人们叫它沼气。沼气含有多种气体, 主要成分是甲烷)。沼气细菌分解有机物, 产生沼气的过程, 叫沼气发酵。根据沼气发酵过(CH
4
程中各类细菌的作用, 沼气细菌能够分为两大类。第一类细菌叫做分解菌, 它的
)等。第二类细菌叫作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO
2
含甲烷细菌, 一般叫甲烷菌, 它的作用是把简单的有机物及二氧化碳氧化或还原成甲烷。因此, 有机物变成沼气的过程, 就好比工厂里生产一种产品的两道工序: 首先是分解细菌将粪便、秸秆、杂草等复杂的有机物加工成半成品——结构简单的化合物; 再就是在甲烷细菌的作用下, 将简单的化合物加工成产品——即生成甲烷。
2、沼气的成分
沼气是一种混合气体, 它的主要成分是甲烷, 其次有二氧化碳、硫化氢S)、氮气及其它一些成分。沼气的组成中, 可燃成分包括甲烷、硫化氢、一
(H
2
氧化碳和重烃等气体; 不可燃成分包括二氧化碳、氮和氨等气体。在沼气成分中甲烷含量为55%～70%、二氧化碳含量为28%～44%、硫化氢平均含量为
0.034%。
3、沼气的理化性质
沼气是一种无色、有味、有毒、有臭的气体, 它的主要成分甲烷在常温
, 是一个碳原下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH
4
子与四个氢原子所结合的简单碳氢化合物。甲烷对空气的重量比是0.54, 比空气约轻一半。甲烷溶解度很少, 在20℃、 0.1千帕时, 100单位体积的水, 只
能溶解3个单位体积的甲烷。
甲烷是简单的有机化合物, 是优质的气体燃料。燃烧时呈蓝色火焰, 最高温度可达1400 ℃左右。纯甲烷每立方米发热量为36.8千焦。沼气每立方米的发
热量约23.4千焦, 相当于 0.55千克柴油或0.8千克煤炭充分燃烧后放出的热量。从热效率分析, 每立方米沼气所能利用的热量, 相当于燃烧3.03千克煤所能利用的热量。
二、家用沼气池的类型
随着中国沼气科学技术的发展和农村家用沼气的推广, 根据当地使用要求
和气温、地质等条件, 家用沼气池类型归总起来大致由水压式沼气池、浮罩式沼气池、半塑式沼气池和罐式沼气池四种基本类型变化形成的。
图2 8米3圆筒形水压式沼气池型(单位: 毫米)
水压式沼气池型有以下几个优点:
(1)池体结构受力性能良好, 而且充分利用土壤的承载能力, 因此省工省料, 成本比较低。
(2)适于装填多种发酵原料, 特别是大量的作物秸秆, 对农村积肥十分有
利。
(3)为便于经常进料, 厕所、猪圈能够建在沼气池上面, 粪便随时都能打扫进池。
(4)沼气池周围都与土壤接触, 对池体保温有一定的作用。
水压式沼气池型也存在一些缺点, 主要是:
(1)由于气压重复变化, 而且一般在4～16千帕(即40～160厘米水柱)压力之间变化。这对池体强度和灯具、灶具燃烧效率的稳定与提高都有不利的影响。
(2)由于没有搅拌装置, 池内浮渣容易结壳, 又难于破碎, 因此发酵原料的利用率不高, 池容产气率(即每立方米池容积一昼夜的产气量)偏低, 一般产气率每天仅为0.15米3/米3左右。
沼气池的使用及管理
沼气池生产运行管理是指从发酵原料的筹集、配比到启动、产气、应用、日常管理等周而复始的运转过程, 要使沼气池产气多, 持续均衡产气、供肥, 必须从开始投料起就认真抓好管理工作。
一、沼气发酵原料的配备
农村中能够用来作沼气发酵原料的有很多, 最常见的是人、畜(猪、牛、马、羊、鸡、鸭)粪便, 各种作物秸秆(稻草、麦草、玉米秸)、青杂草、烂菜叶、水葫芦、废渣废水(酒糟、制豆腐的废渣水、屠宰场废水)等都是很好的沼气发酵原料。
( 一) 、沼气发酵原料的类型及特性
根据沼气发酵原料的化学性质和来源, 能够分为以下几类:
(1)富氮原料富氮原料在农村主要指人、畜和家禽粪便, 这类原料颗粒较细, 含有较多的低分子化合物, 氮素的含量也较高, 其原料的碳、氮比一般都
小于25∶1。因此不必进行预处理, 分解和产气速度较快。这种原料是当前农村沼气发酵的主要原料。这类原料的特点是发酵周期较短, 产气速度快。
(2)其它类型的发酵原料
有机废物: 包括各种废渣、废水, 如酒糟、制豆腐的废渣水、屠宰场下水、废皮渣、生活污水和有机垃圾等。
青草及水生植物: 主要包括各种青草、水葫芦、水草。由于它们的组织鲜嫩, 易被微生物分解利用, 因此也是沼气发酵的好原料。
( 二) 、沼气池常见的原料产气特性
原料的产气特性是沼气发酵的一个重要技术参数。沼气发酵原料种类很多, 由于各自的化学成分不同, 每种原料都有自己的产气特性, 包括原料的产气率和产气速度。
(1)原料产气率原料产气率是指原料中单位总固体(TS)或挥发性固体(VS)在发酵过程中的产气量。在实际生产中, 原料产气率用米3沼气/千克·总固体(m3/kg·TS)来表示。
表1 常见发酵原料在不同温度条件下的产气率
原料名称中温(35℃) 常温(8℃~25℃)
猪粪牛粪人粪青草0.45
0.30
0.43
0.44
0.25~0.30
0.20~0.25
0.25~0.30
0.20~0.25
(2)产气速率所谓产气速率是指在适合的发酵条件下, 原料产生沼气的速度, 一般以某段时间内的沼气产量占总产量的百分数来表示。产气速率的大小与原料自身的成分、性质等内因有关, 同时也受发酵条件、发酵工艺、沼气池类型等外因的影响。常见发酵原料的产气速率见表2 所示。
表2 常见发酵原料的产气速率(占总气量的%)
发酵时间/
天
原料名称
10 20 30 40 50 60 70 80 90
人粪猪粪牛粪青草麦草40.7 81.5 94.1 98.2 98.7 100 46.0 78.1 93.9 97.5 99.1 100 34.4 74.6 86.2 92.7 97.3 100 - - 98.2 - 100 18.8 30.8 53.7 78.3 88.7 93.2 96.7 98.9 100
6%。
(三)、沼气发酵的工艺条件
沼气发酵是一个生物化学过程, 若不具备应有的保证条件, 将得不到沼气或得到很少。
(1)严格的厌氧条件沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类。产酸阶段的产酸菌(即不产甲烷菌)大多数是厌氧菌, 还有一部分为好氧菌、兼性厌氧菌, 而产气阶段的产甲烷菌是专性厌氧菌, 不但不需要氧, 氧对产甲烷菌反而有毒害作用, 因此, 必须创造厌氧条件。
沼气池中的这两大类型菌构成了一个复杂的生态系。沼气发酵启动或新鲜原料入池时, 带进一部分氧, 但由于在密闭的沼气池内, 好氧菌和兼性厌氧菌的活动迅速消耗了溶解氧, 从而创造了良好的厌氧条件。
(2)接种物有机废物厌氧分解产生甲烷的过程, 是由多种沼气微生物来完成的。因此, 在沼气发酵中, 加入足够的所需微生物作为接种物(亦称菌种)是极为重要的。沼气微生物在自然界中分布很广, 特别是在沼泽、粪池、污水池和各种有机污泥中都极为丰富。
对农村沼气发酵来说接种物量应占总发酵料液的10%以上。
(3)发酵温度沼气发酵与温度有密切关系。就某种意义上来说, 温度是产气的关键, 在一定温度范围内, 温度越高, 产气量越高。中国农村中的沼气池都在自然温度下进行发酵, 发酵温度随气温和季节而变化, 故称之为常温发酵。由于中国农村沼气池大多为地下式的, 气温和地温与池温有密切关系。直接影响池温的不是气温而是地温, 地温又随气温而变化, 离地面越近地温变化越大, 越接近气温; 离地表面越深则地温变化越小, 与气温差异越大。夏天离地面越近地温就越高, 相反, 冬天离地面越近地温越低。但深度在100厘米以下时地温变化缓慢, 几乎不受气温变化的影响, 而在190厘米处的地温与发酵温度基本一致。
表3 气温、地温与池温的关系
月
日温度
一月七月
3 9 16 23 30 3 1 0 17 2
4 31
当日气温 2.5 6.3 -1.3 11.4 3.0 33.2 32.3 28 28.9 27.4 距地面30厘米处地温 6.5 8 6.5 6.5 6.5 31 32.5 30.5 29 28 距地面100厘米处地温11 11 10 8.5 9.5 25 26 27 26 26 距地面190厘米地温14 13 13 11 11 21 21 21.5 21.5 22 平均发酵液温度13.5 11.5 11.5 11.5 11.5 21 21.5 22 22 22.5
度突然上升或下降5℃, 产气量显著降低, 若变化过大则产气停止。
(4)发酵液的pH值沼气发酵的最适pH值为6.8～7.5。一个正常发酵的沼气池一般不需调节pH值, 靠其自动调节就可达到平衡。在沼气发酵过程中, pH
值有其变化的规律。在发酵初期, 由于产酸菌的活动, 沼气池内会生成大量有机酸, 导致PH值下降。但随着发酵继续进行, 氨化作用产生的氨能够中和一部分
有机酸, 同时随着产甲烷菌的活动, 大量的挥发酸被利用, 这样就可使pH回升
到正常值。但如果原料配制不当, 或缺乏正常操作管理, 也会使挥发酸大量积累,
pH值下降。当pH值低于6或高于8时, 发酵过程就会受抑制, 甚至停止。一旦出现上述现象, 在农村一般采取以下措施来调节:
①经常少量出料, 同时投入同量的新料, 以稀释发酵料液中的挥发酸, 提
高pH 值。
②添加草木灰肥、稀释的氨水。若加石灰调节时, 用量一定要严格控制, 否则会影响沼气微生物的活动。
pH值一般见pH计、 pH试纸和酸碱指示剂来测定。pH试纸和酸碱指示剂在一定的pH范围内, 发生一定的颜色变化, 由颜色的变化可粗略地判断发酵液的pH值。
(5) 搅拌沼气池在不搅拌的情况下, 发酵液明显分三层: 上层为结壳层, 中层为清液层, 下层为沉渣层。发酵液分层不利于产气。搅拌可使原料和接种物均匀地分布于池内, 增加微生物与原料的接触面, 加快发酵速度, 提高产气量,
也有利于促进发酵产生的CO
2
和甲烷的释放。
( 四) 、沼气发酵的配比
农村沼气发酵一般采用混合原料入池发酵, 因此根据沼气发酵原料的来源、数量、种类等采用科学、适用的配料是很重要的。
(1)原料的碳氮比所谓原料的碳氮比是指原料中碳素总量和氮素总量的比例。几种原料碳氮比值见表6所示。
表4 农村常见沼气发酵原料的碳氮比
原料碳素占原料重
量/(%)
氮素占原料重
量/(%)
碳氮比
鲜牛粪7.3 0.29 25.0:1 鲜羊粪16.0 0.55 29.0:1 鲜马粪10.0 0.42 24.0:1