1 沼气定义
沼气是指利用人畜粪便、秸秆、污泥、工业有机废水等各种有机物在密闭的沼气池内，在厌氧(没有氧气)条件下，被种类繁多的沼气发酵微生物分解转化，最终产生沼气的过程。沼气是一种高效、清洁燃料，是各种有机物质在适宜的温度、湿度下，经过微生物的发酵作用产生的一种可燃气体。其主要成分是甲烷和二氧化碳，通常情况下甲烷(CH4 )约占所产生的各种气体的50~70%，二氧化碳(CO2)约占30~40%,此外还有少量氢(H2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)和氨(NH3)等。
在构成生物体的物质中，除了矿物质和木质素外，几乎所有的生物质都可以用来产生沼气，包括动物和人的排泄物、污水污泥、农作物秸秆、含碳工业废物等，所以沼气的成本相当低廉。沼气的生产工艺比较简单，一个农村家庭就可以建造自己的沼气池。沼气的用途也很广泛，它不仅能用于燃烧和照明，还可以作为燃料用于发电。沼气这种来源丰富、成本低廉的优质气体燃料，无论在发达国家还是在发展中国家均得到高度重视。发达国家主要从保护环境出发，建立了很多沼气工程，以处理城乡有机废弃物，并获得煤气替代品。在发展中国家，沼气是解决农村能源的一项重要途径，印度和中国是最早大力开发沼气的国家，并且取得了巨大的成就。沼气是一种高热值、高品位的能源，它是最合理利用、多次利用和综合利用生物质能的最有效形式，可以将植物机体的肥料、饲料、热能3种机能充分发挥出来。在广大农村牧区普及沼气，可以把人畜粪便和杂草、秸秆、枯叶等一起投入沼气池发酵，制取沼气作燃料。沼气池中的水和沉渣，保存了植物和粪便中的绝大部分氮、磷、钾元素，是优质的有机肥料，可以使生物质能利用3次至4次，使生物体内的能量和各种成份都能得到充分的利用。在城镇利用工业生产中的废物和生活污水来生产沼气也正在迅速发展，造纸厂、酿酒厂、屠宰厂的废水和生活污水中均有大量的有机物，这些废物都可以作为沼气生产的原料，变废为宝，从而减少城市污染，造福市民。
我国是一个农业大国，农业废弃物资源分布广泛，其中农业秸秆年产量超过6亿吨，可作为能源用的秸秆约3.5亿吨，约折合1.5亿吨标准煤；工业废水和
禽畜养殖场废弃物理论上可以产生沼气近800亿立方米，相当于5700万吨标准煤。沼气已成为我国农村能源的重要组成部分，它不仅可解决农村的部分能源问题，而且可以把养殖业、种植业有机的融为一体，形成绿色农业、环保农业，促进农村经济的快速发展。沼气技术在我国具有巨大的发展潜力。据专家测算，安装一个6-8m3的沼气罐，能解决5口之家每年的做饭、取暖、照明、洗浴等生活能源。每年可节约煤约8000块、节电约230度、薪柴和秸秆2吨左右（相当于3.5亩森林植被），折合人民币可节约2500元以上，同时还可减少2吨二氧化碳的排放，保护森林资源和防治水土流失。一次产生的沼渣相当于300斤氮肥、250斤磷肥、200斤钾肥，含有17种氨基酸和多种微量元素，对40多种农作物病虫害有显著的防治效果。
2 沼气产生的基本原理
沼气是有机物质在隔绝空气和保持一定水分、温度、酸碱度等条件下，经过多种微生物(统称沼气细菌)的分解而产生的。沼气细菌分解有机物质产生沼气的过程，叫沼气发酵。这是沼气产生的基本原理，即厌氧机理，其发酵的生物化学过程，大致可分为3个阶段，见图 1.
液化阶段
产酸阶段产甲烷阶段
图 1 沼气产生过程示意图
第一阶段（液化阶段）：发酵性细菌群利用它所分泌的胞外酶，把禽畜粪便、作物秸秆、豆制品加工后的废水等大分子有机物分解成能溶于水的单糖、氨基酸、甘油和脂肪酸等小分子化合物。
第二阶段（产酸阶段）：这个阶段是发酵性细菌将小分子化合物将其分解为乙酸、丙酸、丁酸、氢和二氧化碳等，再由产氢产乙酸菌把其转化为产甲烷菌可
利用的乙酸、氢和二氧化碳。
第三阶段（产甲烷阶段）：产甲烷细菌群，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。
沼气发酵的3个阶段是相互依赖和连续进行的，并保持动态平衡。在沼气发酵初期，以第一、二阶段的作用为主，也有第三阶段的作用。在沼气发酵后期，则是3个阶段的作用同时进行，一定时间后，保持一定的动态平衡持续正常的产气。
3 沼气产生的条件
人工制取沼气必须具备两个条件：第一，必须具备严格的厌氧环境；第二，具备充足的发酵原料和足够的沼气接种物，而且具有适宜的发酵浓度、温度和酸碱度等。
3.1 适宜的温度
沼气池内的发酵温度是影响沼气产生和产气率高低的关键因素，在一定范围内，温度高，沼气微生物的生命活动活跃，发酵顺利进行，沼气产生得快，产气率也高；温度低，沼气微生物活动力差，原料的产气速率差，甚至长时间不产气。
根据发酵温度的高低可分为常温发酵、中温发酵、高温发酵三种。高温发酵，最适宜的温度是50-60℃，每1立方米池容，日产气2立方米以上；中温发酵最适宜的温度是30-35℃，每1立方米池容，日产气0.4-0.9立方米；常温发酵的温度是10-30℃，每1立方米池容，一般日产气量为0.1-0.25立方米[42,43]。温度虽然对沼气细菌的活动影响很大，但是多数沼气细菌是属于中温型的，一般最适合温度是在25-40℃之间，在此温度范围内，温度越高，发酵越好。但在普通沼气池中，保持较高温度是有一定困难的，如能经常维持在30℃左右，就很理想了。
由于沼气发酵需要一定的温度，由于冬季寒冷漫长，气温、地温低，原料分解率低，沼气的生产存在产气率低、使用率低、沼气使用综合效益差等问题，图2是温度对产气率的影响，产气量是以每立方米池容中温厌氧消化在35℃时等
于100L 换算。
我国农村家用沼气池多建于地下，受地温影响很大，一般池内发酵原料温度基本都保持在10-30℃之间。寒冷地区冬季气温低，使池内温度随之降低，如果低于10℃以下就不能正常产气，必须采取保温和增温措施，保证沼气微生物的正常活动，以利于正常产气。
温度120
100
8060
40
60504030
2010每
天
产
气
量
(L
)
图 2 温度对产气率的影响
3.2 碳氮比、适宜的发酵原料
在沼气发酵过程中，发酵原料既是产生沼气的基质，又是沼气发酵微生物赖以生存的养料来源。沼气发酵原料十分广泛和丰富，除了矿物油和木质素外，自然界中的有机物质一般都可以作为沼气发酵的原料，例如农作物秸秆，人、畜和家禽粪便，生活污水，工业和生活有机废物等。根据沼气发酵原料的化学性质和来源，可以分为以下几类：
富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽粪便，这类原料经过了人和动物肠胃系统的充分消化，一般颗粒细小，含有大量低分子化合物——人和动物未吸收消化的中间产物，含水量较高。因此，在进行沼气发酵时，它们不必进行预处理，就容易厌氧分解，产气很快，发酵期较短。
富碳原料通常指富含碳元素的秸秆和秕壳等农作物的残余物，这类原料富含纤维素、半纤维、果胶以及难降解的木质素和植物蜡质。干物质含量比富氮的粪便原料高，且质地疏松，比重小，进沼气池后容易飘浮形成发酵死区——浮壳层，
发酵前一般需经预处理。富碳原料厌氧分解比富氮原料慢，产气周期较长。
氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要原料，碳素则构成微生物细胞质，而且提供生命活动的能量。发酵原料的碳氮比不同，其发酵产气情况差异也很大。从营养学和代谢作用角度看，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，在其他条件都具备的情况下，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。如果比例失调，就会使产气和微生物的生命活动受到影响。因此，制取沼气不仅要有充足的原料，还应注意各种发酵原料碳氮比合理搭配。
3.3 严格的厌氧环境
沼气微生物的核心菌群——产甲烷菌是一种厌氧性细菌，对氧特别敏感，它们在生长、发育、繁殖、代谢等生命活动中都不需要空气，空气中的氧气会使其生命活动受到抑制，甚至死亡。产甲烷菌只能在严格厌氧的环境中才能生长。所以，修建沼气池，要严格密闭，不漏水，不漏气，这不仅是收集沼气和贮存沼气发酵原料的需要，也是保证沼气微生物在厌氧的生态条件下生活得好，使沼气池能正常产气的需要。
3.4 PH值与碱度
沼气微生物的生长、繁殖，要求发酵原料的酸碱度保持中性，或者微偏碱性，过酸、过碱都会影响产气。测定表明，酸碱度在pH＝6-8之间，均可产气，以pH＝6.5-7.5产气量最高，pH低于6或高于9时均不产气。
农村户用沼气池发酵初期由于产酸菌的活动，池内产生大量的有机酸，导致pH下降。随着发酵持续进行，氨化作用产生的氨中和一部分有机酸，同时甲烷菌的活动，使大量的挥发酸转化为甲烷和二氧化碳，使pH逐渐回升到正常值。所以，在正常的发酵过程中，沼气池内的酸碱度变化可以自然进行调解，先由高到低，然后又升高，最后达到恒定的自然平衡（即适宜的pH），一般不需要进行人为调节。只有在配料和管理不当，使正常发酵过程受到破坏的情况下，才可能出现有机酸大量积累，发酵料液过于偏酸的现象。此时，可取出部分料液，加入等量的接种物，将积累的有机酸转化为甲烷，或者添加适量的草木灰或石灰澄清
液，中和有机酸，使酸碱度恢复正常。
3.5 接种物
为加快沼气发酵启动的速度和提高沼气池产气量，要向沼气池加入含有丰富沼气微生物的物质，称为接种物(也叫活性污泥)。在一般的沼气发酵原料和水中，沼气微生物的含量很少，靠其自己繁殖，很难启动。所以，在新池装料前，要收集一定量的接种物。城市下水污泥，湖泊、池塘底部的污泥，粪坑底部沉渣，屠宰场、食品加工厂的污泥，以及污水处理厂厌氧消化池里的活性污泥等都含有大量的沼气微生物，是良好的接种物。加入接种物的数量要足够，接种物太少，不利于产气；接种物过多，又会占去沼气池的有效容积，影响总产气量。因此加入接种物的数量一般应占发酵料液的10%-30%。
3.6 搅拌
静态发酵沼气池原料加水混合与接种物一起投进沼气池后，按其比重和自然沉降规律，从上到下将明显的逐步分成浮渣层、清液层、活性层和沉渣层。这样的分层分布，对微生物以及产气是很不利的。导致原料和微生物分布不均，大量的微生物集聚在底层活动，因为此处接种污泥多，厌氧条件好，但原料缺乏，尤其是用富碳的秸秆做原料时，容易漂浮到料液表层，不易被微生物吸收和分解，同时形成的密实结壳，不利于沼气的释放。为了改变这种不利状况，就需要采取搅拌措施，变静态发酵为动态发酵。
沼气池的搅拌通常分为机械搅拌、气体搅拌和液体搅拌三种方式。机械搅拌是通过机械装置运转达到搅拌目的；气体搅拌是将沼气从池底部冲进去，产生较强的气体回流，达到搅拌的目的；液体搅拌是从沼气池的出料间将发酵液抽出，然后从进料管冲入沼气池内，产生较强的液体回流，达到搅拌的目的。实践证明，适当的搅拌方式和强度，可以使发酵原料分布均匀，增强微生物与原料的接触，使之获取营养物质的机会增加，活性增强，生长繁殖旺盛，从而提高产气量。搅拌又可以打碎结壳，提高原料的利用率及能量转换效率，并有利于气泡的释放。采用搅拌后，平均产气量可提高30%以上。
4 沼气发展历史
4.1 国外的发展历史
沼气的生成是一种古老的生物现象，人们早已发现在湖泊或沼泽中常常有气泡从水底的污泥中冒出，这些气体收集起来可以点燃，便称这种气体为“沼气”，但是当时并不知道它的成分。直到1776年，意大利物理学家Alexander Volta 测出湖泊底部植物体腐烂所产生的气体中含有甲烷，但当时仍然没有人知道它是怎样产生的。1859年，“发酵之父”法国科学家Louis.Pasteur用著名的Pasteur 实验，证明发酵现象是微小生命体进行的化学反应。1875年俄国学者Popoff首先利用河泥加入纤维素物质，产生甲烷，并发现甲烷发酵是一个微生物学过程，这引起了人们广泛的兴趣。1896年英国在一个小城市里建起了一座沼气池，用来处理生活污水所产生的污泥，所产生的沼气可以照明一条街道。1914年，美国有14座城市建立了厌氧消化池。1936年，H.A.Barker发现沼气发酵分为产酸和分解酸两个阶段产生甲烷。1940年，在澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了厌氧污泥与废水的混合，提高了处理效率。1950年，美国R.E.Hungate教授建立了厌氧技术，沼气池也由开始时的简单化粪池发展到高速消化器。1967 年布赖恩特分离纯化了沼气发酵微生物中的产氢、产乙酸菌和产甲烷菌，人们对沼气发酵的微生物学原理开始有了正确的认识。1969 年，厌氧技术出现了突破性的进展，Y oung和McCarty发明了厌氧滤池。与此同时，Zeikus 等人提出了厌氧消化的四类群理论，更确切地阐明了复杂有机物厌氧消化的微生物过程。1979 年，厌氧技术出现了重大的突破，荷兰农业大学环境系Lettinga 等研制成功了上流式厌氧污泥床。这些新工艺使可溶性原料在池内发酵时间大大缩短，使沼气发酵技术得到广泛的推广。
俄罗斯在二次世界大战之前开始研究厌氧消化技术，1941年，开始实际应用。世界性环保——能源危机之后，苏联建造了一批大型沼气工程，解决了自身环境污染和增温问题。苏联解体后，俄罗斯调整了沼气发展战略，主要发展适合于任何气候地区的工厂化生产的小型、高效沼气发酵装置，可日处理200kg畜禽粪，产沼气7-8m3。
1927年，德国开始用沼气发电，并用冷却发电机组的热水来加热沼气池。1948年，在德国的Odenwald小镇出现了第一个沼气设备。由于世界性的能源危机，德国沼气利用的研究和实践也取得了进展。
在英国，建立了甲烷的自动化工厂。据估计，英国利用人和动物的各种有机废物厌氧发酵所产生的甲烷，可以替代整个英国25%的煤气消耗量。苏格兰设计出一种小型甲烷发动机，可供村庄、农场和家庭使用。英国以垃圾为原料实现了沼气发电。
美国已拥有24处利用微生物厌氧发酵的能量转化工程，如爱荷华州建立沼气工程，可日处理1500头牲畜废弃物。墨西哥从1987年建成第一套厌氧装置起，到1996年一共建成了75项沼气工程。
印度也是一个沼气使用历史悠久的国家，18世纪后期就有了使用沼气的记载，1900年，印度建造了用人粪作原料的沼气池。从20世纪70年代起，印度就制定了有关沼气的发展计划。韩国在1969-1975年期间发展了近3万口农村家用沼气池，1976年以后发展了一批150m3左右村级规模的沼气装置。在1992-1998年期间，尼泊尔总共装置37000座小型沼气池，供应20万人使用。
4.2 国外沼气技术的发展
(1)德国
在欧洲国家中，德国是发展中小型农场沼气工程的典型代表，主要动力来自于一系列优惠鼓励政策的出台。德国是农场沼气工程发展最好的国家，主要是因为激励系统刺激了农场沼气工程的快速增长。德国沼气产量的增加主要是由于农场小型沼气工程(热电联供)的大规模增加，在2006年，基本上每个月新建50座沼气工程，到2006年底，沼气工程的数量达到3500座，总装机达1100MW。德国沼气协会估计，到2020年，总装机将达到9500。2005年底，德国在沼气行业大约投资6.50亿欧元用于沼气工程建设，产生了8000个工作岗位。在国内市场快速发展的基础上，德国沼气工业的出口也持续增长，2004年达到2700万欧元，约占行业总产值的10%，在不久的将来，预计达到30%。
(2)奥地利
根据欧盟的要求，2002年制订了《绿色电力法》，鼓励建设消化能源作物与
畜禽粪便的沼气工程，不鼓励消化有机废弃物的沼气工程。含有有机废弃物的沼气工程，上网电价比消化能源植物与畜禽粪便的沼气工程低25%。自从绿电法案颁布以来，农场沼气工程发展迅速，2001至2002年期间，沼气工程数量翻倍。2003到2005年间新建了100多座沼气工程，其中15.5%的工程，发电装机小于100kW，72%在100-500kW之间，大于500kW占12.5%。大约50座新建沼气工程将在2005年运行，平均装机500kW。到2006年底，沼气工程数量达到了350座。奥地利沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。
(3)英国
2002年英国开始实行绿色证书系统——《可再生能源义务证书系统》，该系统要求电力供应商逐年增加可再生能源发电的份额，从2002-2003年度的3%，增加到2003-2004年度的4.3%，2004-2005年度4.9%，2005-2006年度5.5%，在2026-2027年度达到15.4%。在该系统中，沼气是最具代表性的可再生能源。对厌氧消化生产沼气，主要有三方面的激励机制：
(a)对沼气项目的研究、开发、示范项目进行支持。可再生能源项目覆盖了沼气产业的几乎所有类别：农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化。
(b)对农场沼气工程、填埋气利用、市政垃圾厌氧消化、工业有机废水厌氧消化工程的沼气发电，非化石燃料义务项目(NFFO)提供上网电价补贴。
(c)通过增加废弃物生产者许可证、填埋税、填埋标准等措施提高废弃物处置管理费用。
与环境效益相比，厌氧消化技术的能源效益仍较低。但是，能源利用对工程运行的经济贡献十分显著。通过非化石燃料义务项目(NFFO)的实施，英国政府的能源政策鼓励可再生能源发电量达到1500MW。
以前英国是欧洲生产与利用沼气最多的国家，处于欧洲沼气的领头羊位置，2006年，这一位置被德国取代。但人均沼气产量在欧洲仍然是第一。沼气初级能源的增加主要是填埋气发电市场的增加。填埋气是绿色证书系统(可再生义务证书系统Renewable Obligation Certificate System，ROCS)的受益者。绿色证书系统要求电力提供商每年增加可再生能源发电所占的份额，2005-2006年度为
5.7%，2015年将达到15.4%。2004-2005年度，沼气占可再生能源发电的35.9%(填埋气占33.6%，污水处理沼气占23%)，相当于3.9TWh，2005-2006年度达到4.3 TWh。英国污泥消化沼气工程产生的沼气用于发电，发的电和余热供污水处理厂使用或并入国家电网[28]。
(4)瑞典
沼气主要有两个来源：污水处理厂(140座，沼气产量69.3ktoe，1 ktoe是1千吨石油当量)，填埋场(60座，沼气产量35.8ktoe )。供热和发电不是沼气的主要利用方式，瑞典的沼气利用选择作汽车燃料，占17.2ktoe。在2006年底，瑞典建设世界上最大的沼气工程，来自市政污水处理厂的沼气经净化后作汽车燃料，沼气产量1600m3/h。另外，也将净化后的沼气注入天然气燃气网，每年相当于180万m3天然气。瑞典是使用沼气作汽车燃料最先进的国家，沼气作汽车燃料开始于1996年，并建立了沼气作汽车燃料的标准。目前，有779辆沼气燃料公共汽车，4500辆汽油、沼气与天然气混合燃料的小汽车，2004年开始，火车开始也以这种方式运行。在交通工具的气体燃料中，沼气占54%，其余是天然气。
(5)丹麦
大部分沼气来自20个集中式联合发酵沼气工程和60个农场沼气工程(57.5ktoe)，其余是填埋气(14.3ktoe)，生物固体处理沼气工程(20.5ktoe)。热电联产也发展很快，占整个国家沼气发电的99.3%，占沼气工业的84.6%。丹麦的沼气用于发电，电并入国家电网，农场主就地利用发电余热。丹麦的沼气可以并入天然气网。丹麦沼气工程的收入主要来源于三个方面：出售电占1/3，供热占1/3，收购工业废弃物占1/3[28]。
4.3 国内的发展历史
我国沼气事业开始于1930年前后，绝大多数城镇无电力供应，制取沼气的重要目的是用于一些商店、寺庙的照明。1929年夏季在汕头开设了我国第一个沼气商号叫中国天然气瓦斯灯行，后来在十几个省建立了分行。所用池型是由罗国瑞发明的水压式沼气池，与我国目前使用的水压式沼气池基本相似。
1958年，我国沼气事业出现第二次高潮，全国很多省市都修建了沼气池，目的是想解决农村的炊事用能。但由于严格厌氧微生物研究技术上的困难未能解
决，理论研究未能深入下去，修建的沼气池又缺乏正确的技术管理，留下来能够使用的沼气池为数不多。中国沼气的大规模应用探索是在70年代，这也是尝试和积累经验的阶段。70年代初，中国农村一些地方农户生活用能出现严重短缺。在当时条件下靠商品能源没法解决这一问题，于是沼气应用重新得到重视，在一些地方将沼气发展列入了政府的议事日程，成立了相应机构。由政府支持和组织，以解决能源为主，以户用沼气池为重点是这一时期沼气发展的主要特点。这一时期沼气发展存在的主要问题是：(1)没有对沼气技术本身进行系统研究，沼气池建造技术未过关；(2)沼气的一些基本常识还未得到普及；(3)片面强调建池速度要快，成本要低，要大力普及。
由于上述问题，虽然沼气池数量发展很快，但质量得不到保证。其中大多数沼气在短期使用后报废，但也有一部分质量好的沼气池可以长期使用。这一阶段虽然出了些问题，但为后来的发展提供了经验。随着户用沼气池的发展，70年代后期也建了一些大中型沼气工程，这些工程以工业废水和禽畜粪便为原料，以获取沼气能源为主。这批沼气工程的质量相对于户用池较高，但是配套差、池容产气率低、出料困难、综合效益不高。1979年，召开了全国沼气工作会议，总结了经验教训。1980年，成立了中国沼气协会，使沼气建设事业逐步走上依靠科学技术、保证建池质量、重视经济效益、建管并重、稳步发展的道路，使沼气事业形成了以能源、环境保护、生态农业为目标的发展方向。90年代以来通过对沼气发酵的科学原理和应用技术进行大量的科学研究与实验，取得了许多出色的研究成果。在沼气发酵工艺研究方面，基本上达到了世界先进水平。到2007年底，我国农村户用沼气已发展到2650万户，年产沼气102亿立方米，相当于替代1600万吨标准煤。各类沼气工程达到2.66万处，其中大型沼气工程1600多处。今年，中央和地方对农村沼气的投入力度进一步加大，农村沼气保持了快速发展的良好势头，预计全年新增户用沼气450万户。目标到2010年，全国将有4000万农户用上沼气，达到适宜农户的30%左右。全国规模化养殖场大中型沼气工程总数达4700处左右，达到适宜畜禽养殖场总数的39%左右。全国4000万户沼气，每年可产生约154亿立方米的沼气，相当于替代2420万吨标准煤。沼气农户每年节约燃料费、电费、化肥和农药等直接支出约500元，全国4000万户沼气可年增收节支200亿元。
过去二十多年，我国在农村沼气的建设方面取得了世界公认的成绩，但是在户用型沼气池的建设和利用过程中，仍然存在一些技术问题亟待解决。由以上国外的应用典型可知国外的沼气主要用于发电等工业用途，而我国的沼气目前大部分还是作为农村能源的一部分，其特殊性就决定我们必须找出适合我国的沼气发展的方法。
5 在冬季沼气增温的方法
沼气增温技术是沼气科学领域的一个研究热点，也是一个难点。沼气科技工作者在利用生物质、煤炭等热源为沼气池加热增温方面做了大量的工作，取得了明显的增温效果，但因这些方法都需使用不可再生能源，而且容易产生污染，将被逐渐淘汰。因此，研究者都把目光投向取之不尽、用之不竭的清洁能源—太阳能作为沼气增温热源，太阳能增温技术必将成为沼气工程领域的一个研究重点。
沼气增温技术是对现有的沼气设备及其相关环境进行热量补充的技术。中国沼气经过几十年的研发应用，不论是厌氧消化工艺技术，还是建造、运行管理等都积累了丰富的经验，整体技术水平已进入国际先进行列。但是在寒冷地区沼气工程太阳能热利用方面，国内虽有一些相关应用，但在该方面深入系统的研究还不多见。相关的增温节能技术也有一定的发展，当前主要运用的增温手段有以下几种：
(1)塑料暖棚增温技术
其结合了蔬菜大棚的保温特点，利用太阳能为系统提高温度。在晋南地区，采取太阳能塑料暖圈技术后，暖圈内温度可比室外温度提高6-15℃，最高时达20℃以上，沼气池内温度均可达到12℃以上，基本满足该地区冬季沼气的正常发酵，但是在北纬40度以北地区，要想实现全年高效产气就需要对该模式作进一步完善。
(2)燃池增温技术
现在多在我国东北地区推广，该技术采用对原有沼气池外围再增建一个环形或半环形燃烧池，具体以锯末或农作物秸秆，再加上一定配比的水为原料，可燃烧一个冬天，是一种节能增温效果较为明显的新型技术，但是该技术需要消耗大
量秸秆，而且污染严重。
(3)“猪-沼-炕”增温技术
该技术是将过去北方的连灶炕与沼气建设相结合，把灶炕里的高温烟气通过烟道强送到沼气装置周围为其加温，此技术也提高了对炕灶火的热利用率，有效的提高了沼气池的环境温度，但对大中型工程来讲操作起来比较困难。
(4)隔热材料保温法
该方法现在多用于坝上，就是在地底、池四周加保温、隔热材料，中断沼气池与大地的热传导通道。其有两大好处：①防止大地封冻、解冻过程因地温下降，降低池温；②隔绝池体内热量向接壤的土层传导，有效保持池内温度。该技术只能延缓料液降温的速度，在冬季不能保证沼气工程运行。
(5)沼气池表面覆盖柴草保温方法
盖料有秸秆、草类、池面堆肥或者加厚土层等，覆盖面要大于池面以利保温，该方法具有一定的保温效果，只适用于户用沼气池。
(6)挖环形沟保温法
在沼气池周围挖好环形沟，沟内堆沤粪草，利用发酵酿热来实现保温和增温，该方法是对堆沤发酵热的有效利用，但在一定程度上也污染了沼气装置的周围环境。
(7)秸秆废弃物的燃烧方法
这是一种使用较早的增温方法，它在一定程度上也能对沼气设备的环境温度的提高有所帮助，但热利用率不高，对环境也造成一定程度的二次污染。
(8)塑料薄膜覆盖法
该方法是将塑料薄膜覆盖在沼气装置的上面，再结合方法四，在薄膜周围堆放一些柴草的办法来进行保温，该方法效果不明显。
(9)热水锅炉加热法
该方法通过燃烧煤炭加热水产生蒸汽通入沼气池内，以达到沼气池升温的目的，但是由于需要大量煤炭，从能源利用角度上来讲不经济。
综上所述，现在所使用的沼气池增温方法仍以燃烧以秸秆为主的生物质能为主，再加上一些保温材料以达到增温目的，但这些方法热能转化率低，而且污染大，目前已不适应沼气工程的发展要求，急需寻找一种切实可行的增温方法。由
于太阳能和石化能源相比有许多优点，它具有储量的“无限性”，存在的普遍性，利用的清洁性以及经济性等优点。因而利用太阳热能作为沼气系统增温热源是沼气发展趋势之一。而且，利用太阳能热水器来收集太阳能，为沼气供热增温是较好的选择。
6 沼气中CO2甲烷化
2 沼气池的建造技术 2.1 沼气的基本知识 2.1.1 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，通过微生物发酵作用，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，所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，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。 2.1.2 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(H2S)、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一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%。 2.1.3 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下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原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 1?400? ℃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。 2.2 家用沼气池的类型 随着我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，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、曲流布料水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式虽然多种多样，但是归总起来大体由水压式沼气池、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。与四位一体生态型大棚模式配套的沼气池一般为水压式沼气池，它又有几种不同形式。 2.2.1 固定拱盖水压式沼气池 固定拱盖水压式沼气池有圆筒形(见图2.1)、球形(见图2.2)和椭球形(见图2.3) 三种池型。这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”(也就是U形管沼气压力表显示的数值)。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就称之为水压式沼气池。
2 沼气池的建造技术 沼气的基本知识 2.1.1 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，通过微生物发酵作用，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，所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，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。 ? 2.1.2 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(H2S)、氮及其他一些成分。沼气的组成中，可燃成分包括甲烷、硫化氢、一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%。 ? 2.1.3 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下是一种无色、无味、无臭、无毒的气体。甲烷分子式是CH4，是一个碳原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，比空气约轻一半。甲烷溶解度很少，在20℃、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千焦。沼气每立方米的发热量约千焦，相当于千克柴油或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，相当于燃烧千克煤所能利用的热量。 ? 家用沼气池的类型 随着我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，家用沼气池有固定拱盖的水压式池、大揭盖水压式池、吊管式水压式池、曲流布料水压式池、顶返水水压式池、分离浮罩式池、半塑式池、全塑式池和罐式池。形式虽然多种多样，但是归总起来大体由水压式沼气池、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。与四位一体生态型大棚模式配套的沼气池一般为水压式沼气池，它又有几种不同形式。 ? 2.2.1 固定拱盖水压式沼气池 固定拱盖水压式沼气池有圆筒形(见图、球形(见图和椭球形(见图三种池型。这种池型的池体上部气室完全封闭，随着沼气的不断产生，沼气压力相应提高。这个不断增高的气压，迫使沼气池内的一部分料液进到与池体相通的水压间内，使得水压间内的液面升高。这样一来，水压间的液面跟沼气池体内的液面就产生了一个水位差，这个水位差就叫做“水压”(也就是U形管沼气压力表显示的数值)。用气时，沼气开关打开，沼气在水压下排出；当沼气减少时，水压间的料液又返回池体内，使得水位差不断下降，导致沼气压力也随之相应降低。这种利用部分料液来回串动，引起水压反复变化来贮存和排放沼气的池型，就称之为水压式沼气池。
课后作业(十三) [基础巩固] 一、甲烷的结构、存在和用途 1．在我国的南海、东海海底已发现天然气(含甲烷等)的水合物，它易燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。“可燃冰”的开采，有助于解决人类面临的能源危机。下列说法正确的是( ) ①甲烷属于烃类②在相同条件下甲烷的密度大于空气 ③甲烷难溶于水④可燃冰是一种极具潜力的能源 A．①②③B．②③④ C．①③④D．①②④ [解析]甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为CO2和H2O，所以可燃冰是一种极具潜力的能源，因此C项正确。 [答案] C 2．能够证明甲烷分子空间结构为正四面体的事实是( ) A．甲烷的四个碳氢键的强度相等 B．甲烷的四个碳氢键的键长相等 C．甲烷的一氯代物只有一种 D．甲烷的二氯代物只有一种 [解析]甲烷无论是正四面体结构，还是正方形的平面结构，CH4中都含有4个相同的C—H，键的强度、键长均相等；且一氯代物均只有一种。所以A、B、C三项错误；CH2Cl2若是正方形的平面结构，则其结构应有两种，即 ，若是正四面体结构，则其结构只有一种；所以D项正确。 [答案] D 3．下列关于甲烷分子结构的说法正确的是( )
A ．甲烷分子的电子式为 ，分子中各原子都达到8电子稳定结构 B ．甲烷分子中的化学键全部为非极性键 C ．CH 4分子比SiH 4分子稳定，说明碳元素的非金属性比硅元素的非金属性强 D ．CH 3Cl 的四个价键的键长和强度相同，夹角相等 [解析] 甲烷分子中H 原子最外层只有2个电子，不是8电子稳定结构，A 项错误；甲烷分子中的化学键均为极性键，B 项错误；元素的非金属性越强，其简单氢化物越稳定，反之也成立，C 项正确；一氯甲烷中C —Cl 键与C —H 键的键长和强度不同，故四个键的键角也不完全相等，D 项错误。 [答案] C 二、甲烷的燃烧及相关计算 4．鉴别甲烷、一氧化碳和氢气等三种无色气体的方法是( ) A ．通入溴水―→通入澄清石灰水 B ．点燃―→罩上涂有澄清石灰水的烧杯 C ．点燃―→罩上干冷烧杯―→罩上涂有澄清石灰水的烧杯 D ．点燃―→罩上涂有澄清石灰水的烧杯―→通入溴水 [解析] 点燃，用干燥的烧杯可以检验出是否生成水，从而确定原气体是否含有氢元素；用涂有澄清石灰水的烧杯可检验出是否生成CO 2，从而确定原气体中是否含有碳元素。 [答案] C 5．将标准状况下11.2 L 甲烷和22.4 L 氧气混合点燃，恢复到原状况后，气体的体积为( ) A ．11.2 L B ．22.4 L C ．33.6 L D ．44.8 L [解析] CH 4＋2O 2――→点燃 CO 2＋2H 2O ，因标准状况下11.2 L 甲烷与22.4 L 氧气恰好完全反应生成11.2 L 的CO 2气体，此时H 2O 不是气体，故选A 。 [答案] A 三、取代反应的理解 6．下列化学反应中不属于取代反应的是( ) A ．CH 2Cl 2＋Br 2――→光照 CHBrCl 2＋HBr
第1课时甲烷的性质 课后篇巩固提升 基础巩固 1.下列有关有机化合物的说法不正确的是( ) A.有机化合物都易燃烧 B.有机化合物中一定含碳元素 C.有机化合物的熔、沸点一般较低 ,如CCl4可做灭火剂。 ,科学家在海底发现了一种冰状物质——可燃冰,其有效成分为甲烷,下列说法正确的是( ) ①甲烷属于烃类②在相同条件下,甲烷的密度大于空气③甲烷难溶于水④可燃冰是一种极具潜力的能源 B.②③④ C.①③④ D.①②④ ,属于正四面体结构的是( ) https://www.doczj.com/doc/909194192.html,l4 B.CHCl3 2 D.CH3Cl CCl4是正四面体,另外三种物质都只是四面体,但不是正四面体。 ( ) A.CH4C+2H2 B.2HI+Cl22HCl+I2 C.CH4+2O2CO2+2H2O 2CH3Cl+HCl 项属于分解反应;B项属于置换反应;C项属于氧化反应;D项属于取代反应,要从反应实质的 ( ) A.甲烷分子的立体构型是正四面体,所以,CH2Cl2有两种不同构型 B.甲烷可以与氯气发生取代反应,因此,可以使氯水褪色 C.甲烷能够燃烧,在一定条件下会发生爆炸,因此,是矿井安全的重要威胁之一 KMnO4溶液褪色 项,由于甲烷是正四面体结构,四个顶点中任意两个氢原子都是相邻关系,故CH2Cl2只有一种B项,CH4只能跟氯气在光照下反应,与氯水不反应。D项,CH4比较稳定,不能被酸性KMnO4溶液 3种无色气体的方法,是将它们( ) A.先后通入溴水和澄清石灰水 B.点燃后罩上涂有澄清石灰水的烧杯 C.点燃,先后罩上干燥的冷烧杯和涂有澄清石灰水的烧杯 ,通入溴水 4、CO和H2与溴水、澄清石灰水都不反应,A项不可选。CH4和CO燃烧都生成CO2,B、D项不 ,涂有澄清石灰水的烧杯可检验燃烧产物中是否有CO2生成。
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，通过微生物发酵作用，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，所以人们叫它沼气。沼气含有多种气体，主要成分是甲烷(CH4)。沼气细菌分解有机物，产生沼气的过程，叫沼气发酵。根据沼气发酵过程中各类细菌的作用，沼气细菌可以分为两大类。第一类细菌叫做分解菌，它的作用是将复杂的有机物分解成简单的有机物和二氧化碳(CO2)等。它们当中有专门分解纤维素的，叫纤维分解菌；有专门分解蛋白质的，叫蛋白分解菌；有专门分解脂肪的，叫脂肪分解菌；第二类细菌叫含甲烷细菌，通常叫甲烷菌，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。 沼气系统由哪几部分组成？
我国户用沼气系统多属于地下水压式沼气发酵系统，可分为两大类，即静态沼气发酵系统和动态沼气发酵系统。静态沼气发酵系统的代表性池型是标准水压沼气池，动态沼气发酵系统以北方地区的旋流布料自动循环太阳能沼气池为代表。标准水压式沼气池主要有进料间、发酵间、出料间、水压间、导气管、天窗盖等构成。旋流布料自动循环太阳能沼气池，在旧池构成的基础上增值了旋流布料墙、水压酸化间、抽渣管、单向阀太阳能增温装置等构件。 怎样安全使用沼气 沼气是一种取之不尽、用之不竭且清洁、卫生、投资少，能给人类造福的生物能源。但是它和水、电、天然气一样，当人们没有掌握它的安全使用知识和技术的时候，也会给人类带来灾害。使用沼气容易发生的事故，主要是窒息中毒、烧伤和火灾等。 一、“安全第一、预防为主”。这是生产和利用沼气中仍须遵循的基本方针。过去一些地方因对沼气特性和安全使用的科学知识宣传不够，曾经发生多起因沼气用户缺乏安全使用沼气知识而引起的中毒、窒息、火灾、淹溺等严重安全事故，造成生命和财产的重大损失。因此，宣传和普及安全使用沼气的科学知识是发展沼气建设必须高度重视和认真抓好的工作。 二、安全使用沼气知识教育。主要针对沼气生产工，包括一般生产技术知识教育、一般安全使用沼气科学知识教育和专业安全技术知识教育。沼气生产工通过沼气安全使用教育，提高技能，防止误操作；
1.2.2 厌氧处理工艺选择 1、各类厌氧工艺性能概述 （1）完全混合厌氧工艺（CSTR） CSTR是在常规消化器内安装了搅拌装置，使发酵原料和微生物处于完全混合状态，该消化器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。在该消化器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与发酵期内的发酵液混合，使发酵池底浓度始终保持相对较低的状态。而其排除的料液又与发酵液的底物浓度相等，并且在出料时微生物也一起被排出，所以，出料浓度一般较高。该消化器具有完全混合的状态，其水力停留时间、污泥停留时间、微生物停留时间完全相等，即HRT=SRT=MRT。为了使生长缓慢的产甲烷菌的增殖和冲出速度保持平衡，要求HRT较长，一般要10-15d或更长的时间，进料浓度8%-12%。中温发酵时负荷为3-4kgCOD（m3.d），高温发酵为5-6 kgCOD（m3.d）。 CSTR的优点：1.可以进入高悬浮固体含量的原料；2.消化器内物料的均匀分布，避免了分层状态，增加了底物和微生物接触的机会；3. 消化器内温度分布均匀；4.进入消化器的抑制物质，能够迅速分散，保持较低的浓度水平；5.避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象。 缺点：1.由于消化器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要消化器体积较大；2.要有足够的搅拌，所以能量消耗较高；3.生产用大型消化器难以做到完全混合；4.底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。 （2）厌氧接触工艺反应器 厌氧接触工艺反应器是完全混合式的，是在连续搅拌完全混合式厌氧消化反应器（CSTR）的基础上进行了改进的一种较高效率的厌氧反应器。反应器排出的混合液首先在沉淀池中进行固液分离，污水由沉淀池上部排出，沉淀池下部的污泥被回流至厌氧消化池内。这样的工艺既保证污泥不会流失，又可提高厌氧消化池内的污泥浓度，从而提高了反应器的有机负荷率和处理效率，与普通厌氧消化池相比，可大大缩短水力停留时间。目前，全混合式的厌氧接触反应器已被广泛应用于SS浓度较高的废水处理中。其不足之处在于，厌氧污泥经沉淀池再回流，温度变化较大，影响了厌氧处理效率的提高，同时，厌氧罐内的热能损失也较大。但因受水泵性能的限制，该装置进料的干物质浓度（TS%）为4-6%，故需配兑2.5-3倍于发酵原料重量的配料污水；还需多级“预处理”以去除堵察水泵和管道的秸草等较大固形物。 （3）厌氧滤器（AF） 厌氧滤器是采用填充材料作为微生物载体的一种高速厌氧反应器，厌氧菌在填充材料上附着生长，形成生物膜。生物膜与填充材料一起形成固定的滤床。厌氧滤床可分为上流式厌氧滤床和下流式厌氧滤床二种。污水在流动过程中生长并保持与充满厌氧细菌的填料接触，因为细菌生长在填料上将不随出水流失，在短的水力停留时间下可取得较长的污泥泥龄。厌氧滤器的缺点是填料载体价格较贵，反应器建造费用较高，此外，当污水中SS含量较高时，容易发生短路和堵塞。 （4）上流式厌氧污泥床反应器（UASB） 待处理的废水被引入UASB反应器的底部，向上流过由絮状或颗粒状厌氧污泥的污泥床。随着污水与污泥相接触而发生厌氧反应，产生沼气引起污泥床的扰动。在污泥床产生的沼气有一部分附着在污泥颗粒上，自由气泡和附着在污泥颗粒上的气泡上升至反应器的上部。污泥颗粒上升撞击到三相分离器挡板的下部，这引起附着的气泡释放；脱气的污泥颗粒沉淀回到污泥层的表面。自由状态下的沼气和由污泥颗粒释放的气体被收集在三相分离器锥顶部的集气室内。液体中包含一些剩余的固体物和生物颗粒进入到三相分离器的沉淀区内，剩余固体物和生物颗粒从液体中分离并通过三相分离器的锥板间隙回到污泥层。UASB反应器的特点在于可维持较高的污泥浓度，很长的污泥泥龄（30天以上），较高的进水容积负荷率，
沼气的起源及发展历史 一、沼气的起源 沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪池里，有气泡咕嘟咕嘟往外冒出，气温越高，气泡冒得越多，如果我们把这些小气泡收集起来，用火一点，它就会燃烧。这些气泡内的气体，就是沼气。由于最初人们在沼泽中发现这种气体，所以就给它命名为“沼气”。又因沼气是生物在厌氧条件下产生出来的气体，因此又叫生物气。 根据沼气的来源不同，沼气分为天然沼气和人工沼气两大类。天然沼气是在自然环境条件下有机质被微生物厌氧分解产生的，是自发的厌氧发酵产物。人工沼气是在人为创造厌氧微生物所需要的营养条件和环境条件下，在特定的装置里，积累高浓度厌氧微生物，分解发酵配制好的有机质而产生的。 在自然界中，沼气分布非常广泛。除人工制取沼气外，沼泽、粪窖、阴沟、城市下水道、海洋深处以及人和动物的消化道中都有沼气存在。譬如：反刍动物的瘤胃就是一个典型的沼气发生器，在牛的瘤胃中有大量的沼气发酵细菌，这些细菌通过消化分解纤维，形成甲烷和二氧化碳，当其打嗝时，这些气体释放出来。自然界稻田中有机质在厌氧情况下，经微生物作用也会释放出甲烷。城市生活污水的地下管网，生活垃圾的填埋场都在自然环境下进行着沼气发酵。总之，沼气发酵是自然界普遍存在的厌氧发酵过程，只要存在厌氧生态系统，就普遍产生沼气，每年从这些地方产生释放到大气中的甲烷可达13亿吨之多，约占大气中甲烷来源总量的90%。天然气也是一种生物气，它是远古年代地底下的动植物残体及其它有机物质在厌氧条件下，经微生物的分解产生的高品位气体燃料，其甲烷含量比沼气中甲烷含量高，一般在95%左右。 二、沼气的成份及燃烧特性 沼气是各种有机物质在隔绝空气，并有适宜温、湿度条件下，经过微生物的发酵作用而产生的一种可燃性气体。它不是单一的气体，而是由多种气体组成的混合气体，含有甲烷、二氧化碳、硫化氢、一氧化碳、氢、氧、氮等气体。其中主要成分是甲烷和二氧化碳，甲烷占总体积的55～70%，二氧化碳含量为30～45%。其它几种气体含量较少，一般不超过总体积的2%。 沼气燃烧主要是甲烷的燃烧。甲烷是一种理想的气体燃料，它无色、无味、无毒，分子式为CH4，分子量为16.04，它和适量的空气混合后即可燃烧，每立方米纯甲烷发热量为34000焦耳，燃烧时发出蓝色的火焰，并放出大量热能。 每立方米沼气的发热量约为20800～23600焦耳，即1立方米沼气完全燃烧后，能产生相当于0.7公斤无烟煤提供的能量。由于沼气中含有硫化氢，常会闻到臭鸡蛋的气味，点火
课时分层作业(十一) (建议用时：30分钟) [合格基础练] 1．下列化合物不是有机化合物的是( ) A．CH 4B．CHCl 3 C．CO 2D．CH 3 COOH [答案] C 2．在我国的南海、东海海底已发现天然气(含甲烷等)的水合物，它易燃烧，外形似冰，被称为“可燃冰”。“可燃冰”的开采，有助于解决人类面临的能源危机。下列说法正确的是( ) ①甲烷属于烃类②在相同条件下甲烷的密度大于空气 ③甲烷难溶于水④可燃冰是一种极具潜力的能源 A．①②③B．②③④ C．①③④D．①②④ C [甲烷是最简单的烃，难溶于水，因其相对分子质量为16，故相同条件下 密度小于空气，甲烷燃烧放出较多的热量且产物为CO 2和H 2 O，所以可燃冰是一种 极具潜力的能源，因此C正确。] 3．下列物质分子中，属于正四面体结构的是( ) A．CCl 4B．CHCl 3 C．CH 2Cl 2 D．CH 3 Cl [答案] A 4．取一支硬质大试管，通过排饱和食盐水的方法先后收集半试管甲烷和半试管氯气(如图)，下列对于试管内发生的反应及现象的说法正确的是( ) A．此反应无光照也可发生 B．甲烷和Cl 2反应后的产物只有CH 3 Cl和HCl C．盛放饱和食盐水的水槽底部会有少量晶体析出
D．CH 4和Cl 2 完全反应后液面上升，液体充满试管 C [甲烷与Cl 2在光照条件下发生取代反应生成CH 3 Cl、CH 2 Cl 2 、CHCl 3 、CCl 4 和HCl，其中CH 2Cl 2 、CHCl 3 、CCl 4 是油状液体，CH 3 Cl是气体，故液体不会充满试 管，A、B、D三项错误。甲烷与Cl 2 反应后产物最多的是HCl，HCl溶于饱和食盐水会有少量NaCl晶体析出，C项正确。] 5．下列反应属于取代反应的是( ) A．C 2H 4 ＋3O 2 ――→ 点燃 2CO 2 ＋2H 2 O B．Zn＋CuSO 4===ZnSO 4 ＋Cu C．CH 2Cl 2 ＋Cl 2 ――→ 光 CHCl 3 ＋HCl D．CH 2===CH 2 ＋Br 2 ―→ [答案] C 6．瓦斯爆炸是空气中含甲烷5%～15%(体积分数)时遇火所产生的，发生爆炸最剧烈时，甲烷在空气中的体积分数大约为 ( ) A．10.5% B．9.5% C．8% D．5% B [由CH 4＋2O 2 ――→ 点燃 CO 2 ＋2H 2 O可知，瓦斯爆炸最剧烈时，CH 4 和O 2 的体积比 应为1∶2，因此CH 4与空气的体积比为1∶(2× 100 21 )＝ 21 200 ，那么它在空气中的体 积分数为21 200＋21 ×100%≈9.5%。] 7．如图所示，U形管的左端被水和胶塞封闭，充有甲烷和氯气(体积比为1∶4)的混合气体，假定氯气在水中的溶解可以忽略不计。将封闭有甲烷和氯气的混合气体的装置放置在光亮的地方，让混合气体缓慢反应足够长的时间。 (1)假设甲烷与氯气充分反应，且只生成一种有机物，请写出该反应的化学方程式_________________________________________________________________
沼气发酵 食品院轻化071 肖小根 目录 ?课程感言 ?沼气发酵简介 ?沼气发酵机理 ?沼气发酵工艺 ?沼气发酵工艺条件 ?沼气池的类型 ?沼气的利用与前景 ?中国发展沼气产业的现实意义 课程感言 “发酵工程原理与技术”这门课程内容分为五篇，前三篇从原料到产物阐述了发酵的整个过程后两篇是对发酵工程的延伸。第五篇讲述的“发酵工厂废物处理和清洁生产技术”是目前我们国家及至全世界都在致力于发展的技术，以应对日趋严重的能源、资源和环境危机。 整本书的主要内容侧重于对发酵工程原理的介绍，大部分内容与“工业微生物学”和“生物化工”相类似，可以说是以往学习的相关知识的综合，在学习过程中也是一种巩固。我认为学习这门课程的目的最重要还是要知道如何去运用它。在本教中关于发酵工程的应用内容不多主要集中在第五篇：关于发酵工厂废物处理和清洁生产技术的介绍。这部分内容我也大略地看过，由于全球环境污染日趋严重，节能减排、防污治污技术必然成为全球的聚集点。对于这方面的内容我也比较感兴趣，我希望能找到一种技术，通过查找一些资料来系统地它认识和了解，同时也希望以此作为一根主线用具体的例子来串连起教材的所有内容，最终我选择了沼气发酵。选择它的理由有三点：1、更贴近于实际生活；2、它能够在节能减排、资源循环利用的条件下有效地改善农村居民的生活；3、该技术已经成熟，相关资料比较多，但亟待大力推广，学习它在将来更有可能用得上。 在介绍沼气发酵这一技术中，我主要引用了：《微生物学教程》（第二版高教出版社周德庆主编）和《发酵工程》（科学出版社韦革宏杨祥主编）和百度关于沼气发酵的内容。 我希望能够通过对“沼气发酵”的全面了解，以后自己可以来建造沼气池。
第一节最简单的有机化合物——甲烷 第1课时甲烷 (时间:40分钟) 知识点题号 有机物判断与计算3,8,11,12 甲烷的结构与性质1,2,4,5,7 综合6,9,10,13,14 基础过关 1.(2016·甘肃庆阳期末)下列关于甲烷分子结构的叙述中,正确的是( D ) A.甲烷分子中C、H原子间是离子键 B.甲烷分子的空间结构是正方体 C.甲烷的结构式为CH4 D.甲烷分子中4个碳氢键完全相同 解析:非金属元素之间形成共价键,甲烷分子中C、H原子间是共价键,A错误;甲烷分子是空 间正四面体结构,结构式为,4个碳氢键完全相同,B、C错误,D正确。 2.(2017·黑龙江哈尔滨六中期中)下列关于甲烷的说法正确的是( B ) A.实验室可用向上排空气法收集甲烷 B.甲烷点燃之前需要验纯 C.甲烷可以与溴水发生取代反应 D.甲烷在空气中燃烧只可能生成CO2和H2O 解析:甲烷的密度比空气的小,不能用向上排空气法收集,A错误;甲烷与溴蒸气能发生取代反应,与溴水不能发生取代反应,C错误;甲烷在空气中若不完全燃烧,会产生CO,D错误。 3.下面列举的是某化合物的组成和性质,能说明该物质肯定是有机物的是( A ) A.仅由碳、氢两种元素组成 B.仅由碳、氢、氧三种元素组成 C.在氧气中燃烧只生成二氧化碳 D.熔点低而且难溶于水 解析:烃都是有机化合物,A正确;碳酸(H2CO3)不属于有机物,B错误;单质碳、一氧化碳在氧气中燃烧只生成二氧化碳,它们均不属于有机物,C错误;Br2、CO等熔点低且难溶于水但不属于有机物,D错误。 4.为验证甲烷分子中含有碳、氢两种元素,可将其燃烧产物通过①浓硫酸;②澄清石灰水;③无水硫酸铜。正确的顺序是( D ) A.①②③ B.②③ C.②③① D.③② 解析:甲烷的燃烧产物是H2O和CO2,先通过无水硫酸铜(变蓝色),证明生成物中有H2O,则证明甲烷中含有氢元素;再通过澄清石灰水(变浑浊),证明生成物中有CO2,则证明甲烷中含有碳元素,D正确。
土卫六甲烷雨形成湖泊 从卡西尼号探测器传回的图像中可以看出，在甲烷云团下，土卫六的表面布满了巨大的湖泊。（图片提供:NASA/JPL/SPACE SCIENCE INSTITUTE） 想象一下，周围世界的日平均气温只有-179摄氏度，瓢泼的甲烷雨从天而降，并最终形成了一个巨大但较浅的湖泊，其面积甚至比北美洲的五大湖区还要大。尽管这一幕多少有点儿科幻小说的味道，但美国宇航局（NASA）卡西尼号探测器的最新观测结果表明，这一切真就发生在土星最大的一颗卫星，也就是泰坦（土卫六）的表面上。这一发现说明，寒冷的泰坦居然在某些方面与地球非常类似，例如季节性的气候变化。新发现同时暗示了这样一种可能性，即土卫六的表面下蕴藏着丰富的碳氢化合物——它可能是人们在太阳系中找到的第一个具有这种特征的天体。 尽管与太阳相距12亿公里，但泰坦依然是太阳系中最活跃的天体之一。这颗卫星的大气层比地球大气层还要厚，从而也就成了云团和风的老巢。除此之外，自从卡西尼号探测器于2004年到达土卫六后，科学家已经在这里发现了季节性气候的证据——它们出现在可能由甲烷雨填充的湖泊形成的暗区中。 新的发现表明这些湖泊真的存在。从卡西尼号探测器传送回地球的图像可以看出，土卫六表面的黑斑随着时间的推移正在扩大，从而证明了它们实际上是由
甲烷构成的。显而易见的是，这些黑斑头顶上的云团似乎正在下着甲烷雨。由马里兰州劳雷尔市约翰斯霍普金斯大学应用物理学实验室的Elizabeth Turtle领导的一个研究小组，在最新出版的《地球物理学研究快报》上报告了这一研究成果。 然而这一发现又为科学家带来了一个新的谜团。参与该项研究的纽约市NASA戈达德空间研究所的Anthony Del Genio指出，“紫外辐射会持续地分解甲烷”，因此，即便有甲烷雨从天而降，所有的甲烷也应该在很久之前便消失殆尽。那么，这些甲烷到底是从何而来的呢？研究人员推测，这些化合物的源头很可能位于土卫六的表面之下。这颗卫星上的火山所释放的或许不是熔岩而是甲烷。作为形成土卫六的原始气体云的一种残留物，这些甲烷的数量是如此巨大，足以维持多雨的气候。 图森市亚利桑那大学的行星科学家Jonathan Lunine认为，这是“一项完美的研究工作”。Lunine说，NASA下一步将扩展卡西尼号探测器的观测范围直至2016年或2017年，从而“让科学家们能够在土卫六完整的北方春季观测这些甲烷湖泊”。到那时，他们能够在实时状态下更近距离地观察这些湖泊的填充过程，从而寻找有关甲烷来源的更多线索。 （《地球物理学研究快报》（Geophysical Research Letters），doi:10.1029/2008GL035964. ，M. E. Brown, R. N. Clark）
常见沼气发酵工艺类型汇总 对于沼气发酵工艺，从不同角度有不同的分类方法。一般从投料方式、发酵温度、发酵阶段、发酵级差、料液流动方式等角度，可作如下分类： （一）以投料方式划分 根据沼气发酵过程中的投料方式不同，可将发酵工艺分为连续发酵、半连续发酵和批量发酵三种工艺。 1、连续发酵工艺 沼气池发酵启动后，根据设计时预定的处理量，连续不断地或每天定量地加人新的发酵原料，同时排走相同数量的发酵料液，使发酵过程连续进行下去。发酵装置不发生意外情况或不检修时，均不进行大出料。采用这种发酵工艺，沼气池内料液的数量和质量基本保持稳定状态，因此产气量也很均衡。 这种工艺流程是先进的，但发酵装置结构和发酵系统比较复杂，造价也较昂贵，因而适用于大型的沼气发酵系统，如大型畜牧场粪污、城市污水和工厂废水净化处理，多采用连续发酵工艺。 该工艺要求有充分的物料保证，否则就不能充分有效地发挥发酵装置的负荷能力，也不可能使发酵微生物逐渐完善和长期保存下来。因为连续发酵不会因大换料等原因而造成沼气池利用率上的浪费，从而使原料消化能力和产气能力大大提高。 2、半连续发酵工艺 沼气发酵装置发酵启动初始，一次性投入较多的原料（一般占整个发酵周期投料总固体量的1/4?1/2)，经过一段时间，开始正常发酵产气，随后产气逐渐下降，此时就需要每天或定期加入新物料，以维持正常发酵产气，这种工艺就称为半连续沼气发酵。 我国农村的沼气池大多属于半连续发酵。其中的“三结合”沼气池，就是将猪圈、厕所里的粪便随时流入沼气池，在粪便不足的情况下，可定期加人铡碎并堆怄后的秸秆等纤维素原料，起到补充碳源的作用。这种工艺的优点是比较容易做到均衡产气和计划用气，能与农业生产用肥紧密结合，适宜处理粪便和秸秆等混合原料。 3、批量发酵工艺 发酵原料成批量地一次投入沼气池，待其发酵完后，将残留物全部取出，又成批地换上新料，开始第二个发酵周期，如此循环往复。农村小型沼气干发酵装置和处理城市垃圾“卫生填埋法”均采用这种发酵工艺，这种工艺的优点是投料启动成功后，不再需要进行管理，简单省事，其缺点是产气分布不均衡，高峰期产气量高，其后产气量低，因此所产沼气适用性较差。 （二）以发酵温度划分 沼气发酵的温度范围一般在10?60℃，温度对沼气发酵的影响很大，温度升高，产气率也随之提高，通常以沼气发酵温度区分为：高温发酵、中温发酵和常温发酵工艺。 1、高温发酵工艺 高温发酵工艺指发酵料液温度维持在46?60℃。实际控制温度多在53℃±2℃，该工艺的特点是
第三章有机化合物 第一节最简单的有机化合物----甲烷（第1课时） 【学习目标】 1、了解甲烷在自然界的存在和用途。 2、掌握甲烷的电子式、结构式和甲烷的正四面体结构。 3、掌握甲烷的重要化学性质，并理解取代反应的涵义。 【本课新知识】 一、有机物 1、有机物的定义：，但为无机物。 2、大多数有机物的特点： (1)结构复杂(2)熔沸点低(3)难溶于水、易溶于有机溶剂( 4)易燃烧、不易导电、导热( 5)绝大多数有机物为非电解质，如乙醇、蔗糖等。 3、烃是指的有机物。其中是最简单的有机物。 二、甲烷的结构与性质 1、甲烷的存在：。 2、甲烷的分子式：，电子式：，结构式：。甲烷的分子分子结构及分子模型： 甲烷分子的结构特点为：①CH4是非极性分子②空间结构，碳原子位于氢原子位于，键角③碳氢单键 【思考】（Ⅰ）下列物质的结构CH3Cl、CH2Cl2 、CHCl3 、CCl4 （Ⅱ）如果甲烷是平面结构，则CH2Cl2有几种结构？ 3、甲烷的物理性质：色，味的气体，溶于水，密度空气。 4、甲烷的化学性质 在通常情况下，甲烷稳定，与、、不反应。但在特定条件下也能发生某些反应。 （1）甲烷的氧化反应
甲烷是一种优良的气体燃料，甲烷燃烧时，火焰呈_______________，生成___________和__________，燃烧的化学方程式为________________。甲烷气体在点燃前需______________。【思考】甲烷燃烧时，若在火焰上方罩一干燥的烧杯，会有何现象？如何证明反应中有二氧化碳生成？ （2）甲烷的取代反应 阅读教材P61【科学探究】，思考下列问题？ ①实验原理： ②实验现象（从试管内的液面、试管壁上的物质、试管中气体的颜色等方面描述） 【说明】 （Ⅰ）有机反应比较复杂，常伴有副反应发生，所以在书写有机反应方程式时一般用 符号而不用等号。 （Ⅱ）认识四种物质：CH3Cl、CH2Cl2 、CHCl3 、CCl4 （名称和状态）（Ⅲ）甲烷的取代反应是逐步进行的，故反应后的生成物成分有、、、四种有机物，其中最多。 （Ⅳ）甲烷取代反应的规律：取代氢原子，消耗氯气 5、取代反应的定义： 取代反应的特点：原子或原子团有上有下 【课堂训练】 1、用一支试管收集一定量的甲烷和氯气倒扣于盛有AgNO3溶液的水槽中，光照时会有怎样 的现象？ 2、（1）甲烷与溴水能发生反应吗？与溴蒸气呢？条件呢？ （2）假设1mol甲烷中的氢原子完全被取代，最多能与多少氯气反应？
沼气发酵工艺流程 从全社会能源消费与供给的发展趋势，随着工业化发展进程使得矿物质能源日趋枯竭，尽管这是未来将会发生的事，当然也是历史发展的必然结果，将会引起全社会的关注。世界各国都在寻求可再生的替代能源，虽然探矿开采不会立即结束，但是可再生能源的试生产也要立即开始，甚至早已经开始了。沼气工程作为即可处理废弃的有机物又可从中回收能源，这是采用现代化技术开发生物质能源利用的重要组成部分，也是沼气工程产业将会乘胜发展的必然。 我国的沼气产业已从单纯的能源利用发展成为废弃物处理和生物质多层次综合利用，并与养殖、种植业广泛结合，在农村生产和生活中发挥了重要作用 沼气发酵技术确切的应该称为厌氧发酵技术，是指从发酵原料到产出沼气的整个过程，所采用的技术和方法。沼气发酵技术主要包括原料的预处理，接种物的选取和富集，发酵器（在厌氧发酵过程中的发酵器也称反应器，是沼气发酵罐、沼气池、厌氧发酵装置的统称）结构的设计，工程起动和日常运行管理等一系列技术措施。其流程图如下所示： 进料池 青贮 秸秆 粉碎预处理 沼液沼渣（再利用） 1.秸秆预处理： 1.1.预处理： 农作物秸秆通常是由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成，其产气特点是分解速度较慢，产气周期较长。使用这种原料在入池前需进行预处理，以提高产气效果。 常用的预处理方法有物理、化学与生物方法等。物理方法主要有切碎、粉碎、汽爆等。生物法的研究主要集中在菌种的筛选和发酵条件优化方面。目前研究最多的微生物是白腐真菌。生物方法具有环境友好、处理效率高等优点，但需要无菌操作条件和专门的培养设施，目前有关研究较多，实际应用很少。化学法主要利用酸和碱等化学物质对秸秆进行预处理，通过化学作用破坏秸秆的内部结构，从而提高秸秆的厌氧消化性能。化学法具有处理方法简单、时间短、效果好等优点，但化学处理剂有可能产生二次污染。 1.2.青贮：青贮池设计以为矩形，若有多个青贮池可并联或串联使用。 粉碎的秸秆贮入青贮池后应轧实，减少内部氧气存有量，避免原料浪费。 秸秆含水量控制在65%左右，密度以大于500㎏/m3为宜。
1、沼气量理论计算公式： 沼气产量＝废水浓度（kgCOD/m3）×设备去除率（%）×废水日排放量（m3/d） ×产沼气率 产沼气率： 0.7 m3/kgCOD（理论值） 2、沼气换算燃煤公式 沼气含甲烷率：65%；甲烷热值：6000K/ m3 沼气与热值为4000K燃煤的换算公式： 燃煤量＝沼气产量×沼气含甲烷率×甲烷热值÷4000K 3、有关猪粪转化沼气率 一般来说，鲜猪粪含SS（固形物）20%，1公斤SS可以0.2-0.4 m3的沼气。 去除每千克COD产0.35方沼气，每方沼气相当于一公斤标准煤 实际产气计算去除COD千克数*0.35*0.8 除1公斤COD可产0.4方沼气，每方沼气可以发电1.2-1.6度 根据美国麦卡蒂教授的推算，每去除1kgCOD在理想状态下可产甲烷350L，折合含甲烷60%的沼气583L。每去除1kgBOD产生的沼气稍高，约为1m3左右。 一立方沼气等于0.714公斤标煤；日产1000立方沼气能节约714公斤标准煤.。一立方沼气产热值20514KJ。标准煤热值29306KJ。 20514/29306=0714 追问 可是培训时，老师说一立方沼气要等于3公斤标煤，因为沼气的利用热效率比煤高多了，沼气可达90%以上，而煤低多了。这样的算对吗？ 错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。错误！未找到引用源。 回答 能源的种类很多，所含的热量也各不相同，为了便于相互对比和在总量上进行研究，我国把每公斤含热7000大卡（29306千焦）的定为标准煤,也称标煤。另外，我国还经常将各种能源折合成标准煤的吨数来表示，如1吨秸秆的能量相当于0.5吨标准煤，1立方米沼气的能量相当于0.7公斤标准煤。
甲烷对全球气候暖化的影响 姓名：李萍 班级：高2010级04班 学号：20100404 摘要：随着全球人口的增长，人们对物质生活的要求越来越高，使得人类活动加剧，导致大气中温室气体的含量大量增加，全球暖化已经成为全世界所关注的热点。而甲烷作为一种温室气体，对温室效应的作用仅次于二氧化碳。到2005年，世界甲烷排放量达到6607490千吨，所以正确认识甲烷的产热机理和作用尤为重要。 关键词：甲烷全球气候暖化 1.引言 随着全球人口的增加，科学技术的突飞猛进，人们对大自然空间的夺取越来越剧烈，对自然环境的影响不断加大而且影响的范围也越来越大。所以，人类在创造伟大的同时，也在毁灭这份伟大，并付出了沉重的代价：能源危机、大气污染、水土流失、植被退化、厄尔尼诺、赤潮、臭氧层空洞等等全球气候变迁问题出现，使得地球的大气、土壤和水源遭到严重破坏。 近年来，人类活动的加剧，排入大气中的气体也迅速增长，其中二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等温室气体，使得大气中温室气体的含量成倍地增加，这些气体影响气候系统，并
通过气候系统控制环境中自然能量的流动，即借助大气的循环运动，改变大气气候，增加全球气候暖化的可能性，从而影响全球气候。 ２.温室效应全球暖化是温室效应所带来的后果,而非温室效应的另一含义,温室效应的含义是温室气体的排放超过一定的平衡值(即地球可正常"消化"的数量单位),而温室效应的产生,其中一个恶果即是全球暖化.全球暖化导致冰川加速溶解,海平面上升,人类可居住地减少等负面反应。所谓温室气体，就是能使温度升高的气体。有二氧化碳、甲烷、氟碳化物、氧化亚氮、六氟化碳等气体。而这些气体具有很强的吸收辐射的能力，它们选择性的吸收地球辐射的长波辐射，并释放一些长波辐射，在一定程度上补偿了地面因长波辐射而失去的热量，结果使大气中的热能积聚，于是造成了地球温度比其辐射平衡时的温度高，形成了温室效应。 自工业革命以来，人类活动使大气中的温室气体含量不断增加，例：甲烷在工业革命前为(0．6～0．8)×10-6，到1992年增加到1．72×10-6，增加了大约145％。温室气体增加结果直接导致了地表增暖和海平面上升。据显示，自19世纪以来，全球平均气温上升了0．3～0．6℃【1】。如果没有措施对此进行控制的话，到2100年全球表面平均温度将上升0．9～3．5℃【2】。而且全球温度升高，海洋热膨胀和冰川、极地冰区的融化，过去150年来地球上的冰川面积一直在缩
厌氧产生甲烷的过程以及产生量 厌氧反应过程是对复杂物质（指高分子有机物以悬浮物和胶体形式存在于水中）生物降解的复杂的生态系统。其反应过程可分为四个阶段： 1 水解阶段——被细菌胞外酶分解成小分子。例如：纤维素被纤维酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦牙糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等，这些小分子的水解产物能被溶解于水，并透过细胞为细胞所利用。 2 发酵阶段——小分子的化合物在发酵菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物，并分泌到细胞外。这一阶段主要产物为挥发性脂肪酸（VFA）醇类、乳酸、CO、氢、氨、硫化氢等。 3 产酸阶段——上一阶段产物被进一步转化为乙酸、氢、碳酸以及新的细胞物质。 4 产甲烷阶段——在这一阶段乙酸、氢、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新细胞物质。 a、水解阶段——含有蛋白质水解、碳水化合物水解和脂类水 解。 b、发酵酸化阶段——包括氨基酸和糖类的厌氧氧化，以及较 高级脂肪酸与醇类的厌氧氧化。
产乙酸阶段一一含有从中间产物中形成乙酸和氧气，以及氢气和二氧化碳形成乙酸。 d、产甲烷阶段一一包括从乙酸形成甲烷，以及从氧、 二氧化碳形成甲烷。废水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原 过程。 厌氧发酵以及氧化过程化学计算： 甲烷菌只能利用有限的几种基质，如下所示，其反应 定义为CO2型反应和甲基型反应，包括氢、甲酸、一氧化碳、甲醇、甲胺、和醋酸盐氧化反应。 2H2 CO2 CH4 2H2O 4HCOO 4H CH4 3CO2 2H2O 4CO 2H2O CH4 3CO2 4CH3OH 3CH4 CO2 2H 2O 4CH33N H2O 9CH4 3CO2 6H2O 4NH3 CH3COOH CH4 CO2 发酵过程中COD的变化一般用COD平衡而不用氧的消耗进行计算。利用厌氧反应器中甲烷产生量可算出COD损失量。通过化学计算即可确定甲烷COD的当量，甲烷的COD值是降甲烷氧化变成二氧化碳和水时氧的需要量。 CH 2 202CO 2 2H 2O 有方程可知道：1mol甲烷COD为2(32g°2/mol)，即等于 64g°2/mol CH4,在标准状态下，1mol甲烷的体积为22.414L， 即等于0.35L甲烷/gCODo