沼气发酵原料的配备

时间：2023-11-19 百科知识版权反馈

【摘要】：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。原料的产气特性是沼气发酵的一个重要技术参数。沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷菌两大类。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。沼气发酵与池内气体压力有密切的关系，沼气池内压力过高或处于变压状态对产气量有一定的影响。

（一）沼气发酵原料的配备

农村中可以用来做发酵原料的有很多，最常用的是人、畜（猪、牛、马、羊、鸡、鸭）粪便，各种作物秸秆（稻草、麦草、玉米）、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。但“四位一体”生态模式中的沼气池不能用各种作物秸秆作发酵原料，因为秸秆在沼气池中的滞留期长达90天以上，影响对蔬菜的施肥，而且出料困难，所以不能采用作物秸秆作发酵原料。

1.沼气发酵原料的类型及特性

（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就可分解和产气。这种原料是目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）其他类型的发酵原料

①有机废物：包括各种废渣、废水，如酒糟、制豆腐的废渣水、屠宰场废水、废皮渣、生活污水和有机垃圾等，这类原料一般富含有机质。

②青草及水生植物：主要包括各种青草、水草等。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。作物秸秆含碳纤维也可用于厌氧发酵生产沼气，但在使用时应将其粉碎、堆沤变软处理后，方可投入到沼气池中使用。需要注意的是“四位一体”模式内的沼气池一定不要填用该类原料。

2.沼气常用的原料产气特性

原料的产气特性是沼气发酵的一个重要技术参数。所谓沼气发酵是指有机物质（如人畜粪便、垃圾、杂草、秸秆、污泥等）在厌氧条件下，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，最终产生沼气的过程。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或挥发性固体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”来表示。常用发酵原料的产气率如表2所示。

表2　常用发酵原料在不同温度条件下的产气率

单位：米3沼气/千克总固体

注：发酵周期为60天，发酵料液浓度为6％。

（2）产气速率

由于各种原料的化学成分的组成不同，其产气速率也不同。原料中含易被微生物分解利用形成甲烷的有机化合物成分愈多，则产气速度就愈快，反之，产气速度就慢。一般富氮原料的产气速度比富碳原料快。产气快的叫速效性原料，产气慢的叫迟效性原料。所谓产气速率是指在适宜的发酵条件下，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。掌握原料的产气速率，对合理配料和日常管理有指导意义。根据各种原料有其不同的原料产气率和产气速度这些特性，相互搭配使用，以保证发酵过程既有较高的产气量，又有利于均衡产气。常用发酵原料的产气速率如表3所示。

表3　常用发酵原料的产气速率（占总气量的％）

注：发酵温度为35℃，发酵周期60天，发酵料液浓度总固体含量为6％。

3.沼气发酵的工艺条件

沼气发酵是一个生物化学过程，如果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，不仅不需要氧，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。粪便和其他发酵原料经过一段时间的厌氧沤制后，可起到富集菌种的作用。沼气池大换料时，采用沼气发酵液作为接种物，也可达到同样效果。

对农村沼气发酵来说，采用下水道污泥作为接种物时，接种量一般为发酵料液的10％～15％，当采用沼气池发酵液作为接种物时，接种量应占总发酵料液的30％以上，若以底层沉渣作为接种物时，接种量应占总发酵料液的10％以上。接种物数量对产气量有较大影响，如表4所示。

表4　接种物数量对产气量的影响

注：1．发酵温度为28℃，产气量为28天累计数；

2.接种物为沼气池发酵残渣，其产气量已被扣除。

（3）发酵温度

沼气发酵与温度有密切关系。就某种意义来说，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。我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，所以称之为常温发酵。

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。从表5可看出，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5　气温、地温与池温的关系

单位：℃

沼气发酵温度的突然上升或下降，对产气率都有明显的影响。一般认为，温度突然上升或下降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，氨化作用产生的氨可以中和一部分有机酸，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值通常用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）发酵液碱度

碱度是指发酵液吸收质子的能力，也就是指发酵液中和过酸或过碱物质的缓冲能力。碱度通常用发酵液所相当的CaCO₃（毫克/升）来表示。据研究，正常沼气发酵液碱度大致在3 000～8 000毫克/升。测定发酵液碱度，可以预示发酵体系的稳定性和揭示潜在的失败可能性。

（6）压力

沼气发酵与池内气体压力有密切的关系，沼气池内压力过高或处于变压状态对产气量有一定的影响。上海工业微生物研究所于1979年试验表明，压强为15厘米水柱高时的产气量较压强为45厘米水柱高时的产气量高8.13％，如表6所示。

表6　不同压力对发酵产气的影响

注：1.试验为自然温度发酵，发酵温度为18～28℃。

2.为批量发酵。

（7）搅拌

沼气池在不搅拌的情况下，发酵液明显分3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CO₂和甲烷的释放。

目前采用的搅拌方法主要有机械搅拌、液搅拌、气搅拌。

①机械搅拌：机械搅拌器安在沼气池上部。这种装置适于单一原料粪便和粉碎后的作物秸秆原料。

②液搅拌：用人工或泵从沼气池中抽取一定量的料液，再将其倾入沼气池中，以产生较强的液体回流，达到搅拌的目的。

③气搅拌：将沼气压缩后从池底冲入池内，产生较强的气体回流，达到搅拌的目的。

（8）添加剂和抑制剂

有不少物质可以促进发酵作用，因此可作为添加剂来促进发酵。而另外有些物质则可抑制发酵的进行，需要在发酵时加以控制。但还有一些物质对发酵的影响，往往与它们的浓度相关。如在低浓度时它们可起到刺激作用，而在高浓度时则产生抑制作用。为保证沼气发酵的正常进行，提高产气量，寻找各种添加剂和控制发酵抑制剂是很重要的。

添加剂包括一些酶类、无机盐类及有机物质。例如，进料时加入一定数量的纤维素酶可起到加速物质分解、提高产气量的作用。

沼气池内挥发酸浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用。各种农药，特别是剧毒农药，都有极强的杀菌作用，即使微量也可使正常的沼气发酵完全遭到破坏。其他一些盐类，特别是很多金属离子，当超过一定浓度时，有强烈的抑制作用。

4.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。几种原料碳氮比值如表7所示。

表7　几种原料碳氮比值