0引言
沼气是一种可再生的优质清洁能源，在缓解农村能源紧缺、保护和恢复森林植被、改善生态环境方面具有重要意义。在当前油价居高不下，电力、煤炭等能源资源短缺及生态环境恶化的形势下，发展使用廉价、环保的清洁能源已成为人们最为关注的问题之一。沼气作为一种可再生的优质清洁能源，能够有效地缓解农村能源紧缺的局面、保护和恢复森林植被、改善生态环境、增加农民收入，在农业和农村经济结构调整中占有举足轻重的地位[1-2]。原料是产生沼气的物质基础，具备充足的发酵原料才能保证沼气发酵的持续运行，因此，合理选择及充分利用各种生物质原料对沼气的进一步发展有着非常重要的意义。生物质是指由光合作用而产生的有机体，光合作用将太阳能转化为化学能
而储存在生物质中。自然界中生物质资源庞大，种类繁多，它包括所有的陆生、水生植物，人类和动物的排泄物以及工业有机废物等[3]。在一定的水分、温度和厌氧条件下，生物质原料能通过种类繁多、数量巨大且功能不同的各类微生物的分解代谢，形成甲烷和二氧化
碳等混合性气体（沼气）[4]
。目前，国内外有关农村沼气
能源的研究已有很多报道，如农村沼气建设[2,5-7]、沼气发酵技术[8]、沼气发酵的原料[9-10]、沼气发酵菌种[11-12]等。笔者系统综述了沼气发酵的富氮和富碳原料以及水生植物、农产品加工的各种有机废物和废水、城市垃圾及生活污水等方面的原料，用以比较分析各种原料的产沼气速率及产沼气量的大小，同时分析存在的问题及将来可能的突破点，以期为大规模发展沼气提供有利条件，为以后关于沼气发酵原料的利用研究提供参考。
基金项目：广西自然科学基金青年项目“能源植物麻疯树在桂西的资源分布、评价及应用研究”（2011GXNSFB018044）；广西高校重点实验室建设项目“生物能源研究与开发实验室”（桂教科研[2007]20号）；广西高校科技培训活动项目“农村户用沼气技术的应用与推广”（桂教科研[2009]25号-11）。第一作者简介：李荣峰，女，1980年出生，广西灵川人，讲师，硕士，主要从事植物生理生态、微生物及沼气发酵研究。通信地址：533000广西百色市中山二路21号百色学院化学与生命科学系，Tel ：0776-*******，E-mail ：anny1119520@https://www.doczj.com/doc/e78595610.html, 。收稿日期：2011-09-18，修回日期：2011-10-20。
沼气发酵原料研究进展
李荣峰，兰翠玲，马博，史兵方
（百色学院化学与生命科学系，广西百色533000）
摘要：为了拓宽沼气生产的使用范围和发展空间，促进中国农村生态能源事业的快速发展。综述了国内外有关沼气发酵原料的研究，主要从富氮和富碳原料以及水生植物、农产品加工的各种有机废物和废水、城市垃圾及生活污水等方面的发酵沼气进行阐述，并对其发展趋势进行了展望，旨在为农村沼气的深化研究与合理利用提供参考。关键词：户用沼气；发酵原料；研究进展中图分类号：S216.4
文献标志码：A
论文编号：2011-2659
Research Progress of Crude Material on Methane Ferment
Li Rongfeng,Lan Cuiling,Ma Bo,Shi Binfang
(Department of Chemistry and Life Science,Baise College ,Baise Guangxi 533000)
Abstract:In order to broaden the usable range and developmental space of biogas production,promote rural
Ecological energy industry's rapid development.This study reviews the research from home and abroad on methane fermenting raw materials,mainly aspects of methane fermentation from nitrogen-rich and carbon-rich raw materials and aquatic plants,agro-processing organic waste and wastewater,municipal waste and sanitary sewage were summarized,and the trend was predicted,in order to give references for further study and rational
use of rural biogas.Key words:household biogas;fermenting materials;research progress
中国农学通报2011,27(30):1-5Chinese Agricultural Science Bulletin
中国农学通报https://www.doczj.com/doc/e78595610.html,
1富氮原料
富氮原料主要是指人、畜、家禽的粪便等。这类原料经过动物肠胃系统的充分消化，含有较多的低分子化合物和较高的含水量，且颗粒较细，氮素含量较高，碳氮比一般都小于25:1（含碳量与含氮量之比，用C/N 表示）。富氮原料的产气特点是分解速度快、发酵周期短、产气速度快，单位原料的总产气量比农作物秸秆低，是目前农村沼气发酵原料的主要来源之一。富氮原料在入池前必须进行堆沤，在堆沤过程中，可使发酵细菌大量生长繁殖，减缓酸化作用，还能防止料液入池后干粪漂浮于上层而结壳或产酸过多，使发酵受阻[13]。
1.1以猪、牛、羊、马等畜类粪便作为主要发酵原料
猪、牛、羊、马等畜类粪便是沼气的主要发酵氮素原料，均可单独作为沼气发酵原料使用，无需和其他发酵原料配合使用即可正常产气。同时，猪、牛、羊、马等畜类粪便也是新池的主要启动原料，作为新池启动，以猪粪为发酵原料的，必须加入适量的接种物，如最好添加牛粪或马粪、羊粪，方可正常快速产气，而以牛粪、羊粪和马粪为主要发酵原料的可少加接种物或不加，因为牛、羊、马粪便中含有甲烷菌。当正常产气后，可以添加不同的原料作为日常产气用料[14]。刘德江等[15]进行了猪粪、牛粪、羊粪沼气发酵比较试验，研究表明在保持相同发酵浓度、同等温度的条件下，发酵气体中CH4含量的大小顺序为：牛粪>羊粪>猪粪。
1.2以人粪尿作为主要发酵原料
人粪尿是富氮的有机质，这类原料在沼气细菌少的情况下，料液容易酸化，使发酵不能正常进行。因此，不能单独作为沼气发酵原料，必须和其他富碳的有机质（如稻草秸秆、青草、叶菜类等富含粗纤维的有机质）混合使用，使池内的发酵原料的碳氮比趋于合理才有利于正常产气[16]。以8m3沼气池为例：人粪尿和稻草秸秆等粗纤维发酵原料的比例以2:1为好，可以采用批量进料也可以采用阶段进料，同时要做好出料。1.3以鸡、鸭、鹅等禽类粪便作为主要发酵原料
鸡、鸭、鹅粪氮素含量较高，具备分解速度快、发酵周期短、产气速度快的特点。沼气池正常产气一个月后，每天从出料口挑出1~2担的沼液，同时将5kg的鸡粪冲入沼气池，并补充适量的清水，至出料口原有液面。这样做的好处有两个：一是产气均衡持久；二是缩小碳氮比，加快甲烷菌群的繁殖，使之多产气。特别是在冬季产气量少的季节，向池内一次添加100~200kg 的鸡粪，至少可以保证两星期正常产气，保证一日三餐正常用气，这样可以使沼气池在24~48h内启动并维持较高的产气水平。此外，沼气池正常产气后，由于鸡粪本身pH偏酸性，所以要适时用pH试纸测试酸碱度，若pH值小于7时，用1%的石灰水和草木灰从进料口冲入池内缓慢调节pH值到7~7.5之间，以适应发酵细菌的要求，保证沼气池正常产气。
2富碳原料
富碳原料在农村主要是各种秸秆等农作物的残余物和杂草、树叶及蔬菜等叶菜类，其碳素含量较高，原料的碳氮比一般在30:1以上，其产气特点是分解速度较慢、产气周期较长、单位原料总产气量较高，与人、畜粪便一样，农作物残余物也是中国农村沼气主要发酵原料之一。这类原料通常是由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和难降解的木质素和植物蜡质等化合物组成，干物质含量高，质地疏松，常温条件下在沼气池内不容易消化分解，厌氧分解慢，产气周期长。此外，富碳发酵原料进料时，要注意原料的浓度，夏季保持在2%~ 4%，冬季保持在6%~10%为宜[17]。
2.1作物秸秆
玉米秸杆、水稻秸杆、棉花秸秆、豆秸、小麦秸秆在农村来源广、成本低，是极好的发酵原料[18]。作物秸秆沼气作为一种清洁、方便、廉价的可再生能源，具有比人畜粪便更容易获取、操作方便、投入劳动力更少等优点[19]。但作物秸秆不宜直接作为沼气发酵原料，因为作物秸秆的纤维多、腊质多、木质素的含量也较高，常温条件下在沼气池内不容易消化分解，产气速度慢，在沼气池中滞留时间长，易形成大量浮渣结壳，影响产气和用气。但使用秸秆复合菌剂处理后可作为发酵原料。当以秸秆原料为主进行沼气发酵启动时，可加入一定量的人、畜粪便来调节碳氮比，必要时作物秸秆要经粉碎处理，然后加水浸泡，再加入“绿秸灵”菌剂堆沤，这样效果更好[20]。为使作物秸秆充分好氧发酵，目前作物秸秆发酵时多采用二相发酵法，将好氧与厌氧分离，这样既可以提高产气效率，且出渣方便，便于管理。杨立等[21]作了不同秸秆厌氧发酵产沼气效果的比较。以猪粪为接种物，以水稻秸秆、玉米秸秆和棉花秸秆为发酵原料，在严格控制发酵温度(37±1)℃的条件下进行厌氧发酵产沼气的研究。结果表明棉花秸秆的平均日产气量、累积产气量和甲烷含量（体积分数）最高，玉米秸秆次之，水稻秸秆最低。
2.1.1玉米秸秆玉米秸秆含有大量的纤维素、木质素等难以分解的有机物，C/N很高，一般认为不宜作为发酵原料[22]。但农村的玉米秸秆原料相当丰富，可以加以利用补充粪便原料的不足。玉米秸秆不能作为单独的发酵原料，而是将其与一些禽畜类动物粪便一起作为沼气的发酵原料。刘德江[23]对玉米秸秆与牛粪混合
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原料的沼气发酵试验表明，在保持相同温度、浓度和碳氮比的条件下，牛粪中所加的秸秆越少，其产气总量和甲烷含量就越高。纯玉米秸秆原料也能产气，但发酵慢、产气量较低。玉米秸秆配比越多的处理越不利于沼气的发酵生产，产气量也就越少，主要原因是秸秆中含有较多的纤维素等难以分解的物质，纯净的纤维素容易被沼气微生物降解，但天然的纤维素由于与木质素等其他物质结合在一起，发酵时则不易降解[24]。
2.1.2水稻秸秆水稻秸秆富含纤维素，一般用水稻秸秆作为沼气发酵的原料要与猪粪、沼液或池塘水等混合在一起进行预处理，才能在发酵中多产沼气。前人对不同秸秆原料发酵产沼气试验研究中得出结论表明，采用猪粪、沼液和池塘水、稻草秸杆进行预处理，在5天内采用沼液预处理的稻草秸秆都变为褐色，质地柔软，表面布满白色菌落和菌丝，在厌氧反应中产沼气量最多。稻草秸秆是沼气发酵的理想原料，采用沼液对稻草秸秆进行预处理，能够方便、快捷的产生沼气，沼气的产气量可在50天内维持一个稳定、较高的水平，并且甲烷含量达到60%以上[25]。
2.1.3棉花秸秆棉花秸秆也是富含碳的有机物，可用于发酵获得沼气。王永泽等[26]进行了棉花秸秆厌氧发酵产沼气工艺条件的研究，试验表明以污泥或猪粪作接种物时，以60g/L接种产气效果最好，平均日产气量分别为218mL、223mL；以污泥、猪粪加棉花秸秆三者混合做接种物时接种量以45g/L产气效果最好，平均日产气量为286mL。接种量相同时，混合接种物的产气效果最好，累积产气量比单一接种物猪粪和鱼塘污泥高7.3%~98.4%，平均日产气量高
3.1%~67.3%，表明适量的猪粪和鱼塘污泥组成的混合接种物对提高棉花秸秆厌氧发酵产沼气起着重要作用。
2.2杂草、树叶、蔬菜等叶菜类
杂草、树叶和蔬菜等叶菜类发酵物的特点是产气量大、分解速度快，以每天少量连续进料为宜。值得注意的是，这类发酵原料因含固率低、碳氮比高不宜作为主要替代原料，进行投料时必须与其他富碳原料配合，以调节其pH在6.5~8.0之间，利于产气。此外，热带地区的甘蔗叶、木薯渣、菠萝叶渣及香蕉茎秆渣中也含有沼气发酵所需的成分，是优良的富碳原料，特别是甘蔗叶，纤维素含量高达52.30%。欧忠庆等[27]研究表明，在常温27~35℃下进行沼气湿发酵，香蕉茎秆渣每克干物质可生产沼气0.273L，产气高峰期为投料后3~5天，期间产气量占整个产气周期产气量的39.36%；菠萝叶渣每克干物质的产气量为0.364L，投料后3天内产气量占整个产气周期气量的59%。3水生植物原料
农村的一些水生植物如水葫芦、水花生、水草等，由于其繁殖速度快、产量高、组织鲜嫩，能被沼气菌群分解利用，也是沼气发酵的一种良好原料。
3.1水葫芦做沼气原料
水葫芦(Eichhornia crassipes)又名凤眼莲，属于纤维素类生物质，他与稻草、秸杆等农业废弃物相比，具有三个突出特点：一是含水量高达95%左右；二是含有丰富的蛋白质；三是根部富集了许多重金属等污染物。众多研究表明，水葫芦是一种良好的沼气发酵原料。黄和等[28]对氧化塘放养的水葫芦进行了厌氧发酵制产沼气的研究，结果表明批量发酵沼气量可达到0.344L/TS。查国君[29]以水葫芦为实验原料，在25℃环境下采用批量发酵的工艺进行发酵产沼气实验，表明其产沼气潜力为634mL/gTS或834mL/gVS。
3.2水花生做沼气原料
水花生[Alternanthera philoxeroides(Mart.)Griseb]又名空心莲子草，是一种多年生宿根性杂草、生命力强、适应性广、生长繁殖迅速，水陆均可生长。因此，利用水花生作为沼气发酵的原料来源充足，成本低。将水花生风干或晒干，切碎后放入沼气池中，掺入人畜粪便，进行发酵气化处理，从而获得沼气。关于单独利用水花生作为发酵产沼气原料的相关研究很少，大多是利用多种水生植物混合在一起，加上人畜粪便或是污泥等进行预处理后发酵产生沼气。秦蓉、徐亚同等[30]对水生植株残体厌氧发酵产气的研究表明利用水花生等植物进行厌氧发酵产沼气、产气量多、甲烷含量高。4农产品加工的各种有机废物和废水
农产品加工的有机废物、废水如酸酒、食品、屠宰废水等含有有机物成分，是沼气发酵的好原料，但由于其来源不同，化学成分、发酵产气潜力等差异较大，因而其发酵工艺不尽相同。某些工业废水，如酒糟废液、脂肪酸废水等，其可溶性有机物较多，在入池发酵前已完成了液化阶段，因此，他们的发酵速度极快，原料滞留时间缩短到几十小时或几个小时，可获得很高的产气率。酒糟废液中含有相当高的有机质含量，利用酒糟废液进行厌氧发酵产生沼气，既获得新的能源，又减少了废弃物的排放，沼渣还可以做肥料。
日用化工、油脂加工、合成脂肪酸、肉类加工、乳制品等工业排出的废水中，含有大量的脂肪酸，如果直接排放，将造成环境污染。而对脂肪酸废水进行厌氧处理不仅可以减轻其对环境的污染，而且可以产生沼气，为人们所用。徐洪峰、王鸿道等[31]对合成脂肪酸废水先采用氧化钙处理，使其SO42-浓度降低到3000mg/L
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以下，再采用中温厌氧生物处理。在平均水力停留时间为5天时，废水的CODCr去除率达79.1%，沼气产率为0.41nm3/kg CODCr。
5城市垃圾及生活污水
城市垃圾是城市中固体废物的混合体，其中除无机物外主要是有机物，如淀粉、纤维素和蛋白质等。城市生活垃圾的有机成分非常高，在发达国家的城市垃圾中，有机成分的含量高达70%。城市垃圾的累积会产生严重的污染问题，而将城市垃圾中的有机成分通过生物转化的方法获得沼气，不仅可以大大减轻污染问题，还可将沼气应用于城市居民的日常生活中，从而产生社会效益。有资料估计，中国农产品加工产生的有机废弃物可生产500亿ｍ3沼气，相当于3500万t的产能。对垃圾的有机部分进行厌氧发酵，是一个很好的获得沼气资源的方法。中国科学院成都生物所在研究城市固体废物垃圾厌氧发酵中，改进工艺，采用二步中性条件发酵使甲烷产量提高80.1%，单位容积产甲烷量提高56%[32]。
生活污水是指城市机关、学校和居民在日常生活中产生的废水，包括厕所粪尿、洗衣洗澡水、厨房等家庭排水以及商业、医院和游乐场所的排水等。生活污水中含有大量有机物，如纤维素、淀粉、糖类和脂肪蛋白质等；也常含有病原菌、病毒和寄生虫卵；无机盐类的氯化物、硫酸盐、磷酸盐、碳酸氢盐和钠、钾、钙、镁等。总的特点是含氮、含硫和含磷高，在厌氧细菌作用下，易生恶臭物质。城区内大量污废水不经处理直接排入天然水域，造成水环境严重污染。但城市污水是重要的有机物污染源，也是生物质原料资源。一般城市污水污泥1m3（含水率96%）产沼气10m3是可能的。利用城市污水进行厌氧发酵可以减轻其对环境的污染，还可获得沼气资源。
6其他原料
6.1豆渣
豆渣是生产豆奶或豆腐过程中的副产品，每年全球豆渣的产量都很大。大豆中有一部分营养成分残留在豆渣中，一般豆腐渣含水分85%、蛋白质3.0%、脂肪0.5%，碳水化合物（纤维素、多糖等）8.0%；此外，还含有钙、磷、铁等矿物质。豆渣作发酵原料的技术还没普及，主要是因为豆渣成本相对高，易变质且不易储存，所以现在的沼气技术中，豆渣通常不作为主要沼气原料。若豆渣充足，对正常启动后的沼气池，每月用量以100~120kg为宜，分3次下料，每次50~60kg，可连续用气7~10天。
6.2笋壳、酒糟、水果等
此类发酵物是一种极易降解的有机原料，其在沼气发酵过程中极易造成挥发性有机酸的累积，在对其进行沼气发酵时应严格控制其料液浓度和密切关注其pH值变化。笋壳、酒糟和水果等只可作为日常发酵原料，不可作为启动原料，日常进料量以少量多次为主。
6.3不易用作沼气发酵的杂料
并不是所有的植物及废弃物都可作为沼气发酵的原料。如桃叶、马钱子、皮皂子、百部、元江金光菊、元江黄芩和大蒜等，对沼气发酵有较强的抑制作用，不宜作为发酵原料进入沼气池。其次，严禁将含磷有机原料入池，如菜籽饼、棉籽饼、磷酸钙、磷矿粉和钙镁磷肥等。因为这些物质在绝对厌氧的条件下，会产生磷化氢等剧毒气体，使人中毒甚至死亡。另外，喷洒了农药的作物茎叶，刚消过毒的禽畜粪便，各种剧毒农药（特别是有机杀菌剂、抗菌素、驱虫剂等）及各类消毒制剂、电石、洗衣粉、洗衣服水等均不宜入池。
7展望
中国农村沼气发酵的原料相当充足，大中型废水、养殖业污水、村镇生物质废弃物、城市垃圾等发酵沼气的建立也大大拓宽了沼气的生产和使用范围，有力地促进了农村循环经济的进一步发展。但是针对目前众多沼气项目来说也存在一些原料上的问题，譬如用人畜家禽粪便等富氮原料存在成本昂贵和运输成本过高的问题；而富含大量难降解的纤维素、木质素类秸秆等作为发酵原料则会导致沼气发酵启动慢、产气率低等问题，这些将长期制约着沼气池发酵原料的发展。因此，有关沼气发酵原料的选择和合理利用研究还有待进一步开展。
随着农村沼气研究的不断深入，沼气发酵的原料利用将会越来越广泛，在中国经济快速发展，人民生活水平提高以及工业、农业、养殖业发展的背景下，大规模废弃物发酵沼气工程将是中国可再生能源利用和环境保护的切实有效的方法。展望未来，随着沼气工程建设项目的增多，沼气综合利用将会大大有助于实现资源循环、节能减排，有效缓解中国的能源紧缺状况，为促进社会的可持续发展做贡献。
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