第一节 沼气基本知识
一、沼气的命名
沼气是有机物在无氧（厌氧）的条件下，经微生物分解所产生的一种可燃性混合气体，其主要成份是甲烷（CH4）和二氧化碳（CO2）。早期人们发现湖泊或沼泽中，常常可以看到有气泡从水底污泥里冒出，将这些气体收集起来可以点燃，所以人们给它起名叫“沼气”。
沼气广泛存在于自然界，常见的地方有：水塘、污水沟、粪坑、城市下水道。根据其来源、产气地点及气体性质，沼气又被人们称之为污泥气、生物质气、瓦斯等。
沼气可分为天然沼气（分布于自然界中）和人工沼气两大类，人工沼气属可再生能源，就是以多种有机物质，比如人畜粪便、农作物秸杆、杂草、有机废水、有机垃圾等作为原料，在密封沼气池中发酵而获得，用于煮饭、点灯、发电等。
二、沼气的成份
沼气的成份是（个变量）变化的，各种气体的含量受发酵条件（浓度、温度、酸碱度等）、发酵原料成份和工艺流程的不同而变化。一般农村户用沼气池所产沼气中含甲烷（CH4）55～75%，二氧化碳（CO2）25～40%，氮气（N2）2%左右，氧气（O2）0.3%左右，硫化氢（H2S）0.05%左右，氢气（H2）和一氧化碳（CO）2.65%左右，有时还有少量其他碳氢化合物（CmHn）。
三、沼气的物理化学性质
沼气是一种可燃的混合气体。其性质是由沼气中各种气体性质和相对含量而决定。沼气的主要成份是甲烷和二氧化碳，因此沼气的一些特性受这两种气体影响较大。
1、物理性质。沼气中的甲烷、二氧化碳、一氧化碳、氢气、氮气都是无色无味的气体；沼气中的硫化氢、有时含极少量的氨气（NH4）是无色、略带臭味的气体；沼气中少量的硫化氢、一氧化碳是无色有毒气体。所以沼气是一种无色、有毒、略带臭味的气体。经燃烧后都会变成无毒、无臭味的气体，对人类的健康和环境没有影响，所以沼气是一种卫生的生活燃料。
2、化学性质。使用沼气主要是利用甲烷，甲烷是一种简单的饱和烃类碳氢化合物，化学性质极为稳定。在水中的溶解度很低，可以用水密封的方式来贮存沼气。在一个大气压的条件下，溶点是﹣182.5℃，沸点是﹣161.5℃，着火点是537.2℃。液化甲烷需要在﹣82.5℃、约45个大气压条件下才能液化，常温常压下，甲烷只能以气体存在。若沼气中含60%的甲烷，在常温常压下，当空气中混有9%～24%的沼气时，遇明火就会爆炸性燃烧。1立方米沼气完全燃烧可放出17911千焦～25075千焦的热量。
第二节 沼气的作用与效益
沼气的发展已由过去单纯解决烧柴问题走向解决农村面源污染、发展生态农业的方向。沼气已经成为连接养殖和种殖、生活用能和生产用肥的纽带，成为实现燃料、肥料和饲料转化的最佳途径。发展农村沼气既可为农民提供高品位清洁能源，又可以增加农民收入，同时，能够保护和恢复森林植被，减少农药化肥和大气污染，改善农村环境卫生，促进农业增产、农民增收和农村经济持续发展。
一、能源效益
一个4～5口人的农户，建一个8立方米的沼气池，只要管理得当，每年有10个月每天可以产气1立方米～1.8立方米，可以满足一天烧三顿饭菜，可使一盏相当于60瓦亮度的沼气灯照明6小时，全年节煤1200公斤左右，节电100度左右。
1立方米沼气相当于1公斤煤或0.7公斤汽油，能使1马力内燃机工作2小时，能发电1.25度。有的地方还应用沼气孵鸡、贮粮、煮饲料等。
二、经济效益
沼气作农户炊事用能，以柴或煤或液化气的价格折算，每户沼气池年可节约燃料开支500元左右。沼肥用于农业生产，年增收节支800～4500元。每户沼气池全年增收节支经济效益在1300元～5000元。
我们以沼肥种棉花为例来算一笔帐：沼肥种棉花，以叶面喷肥、施肥或埋肥的方式进行。可以减少棉花的病、虫害，同时对棉花的枯萎病、蚜虫、红蜘蛛有明显的抑制作用和控制作用，在有枯萎病的棉地连续三年施沼肥，发病株数就很稀少。一般亩增产10～30%。每个沼气池每年可以施二亩五分地的棉花地用肥，每亩可减少化肥一包。按二亩五分地计算：增收籽棉180斤（600斤×2.5亩×12%×2.5元），增收450元；节约化肥开支两包半250元左右（2.5亩×1包×100元/包），节支250元；减少农药开支100元。年增收节支合计800元。
按上述算法，每农户年增收节支1300以上。除此之外，在农业生产上，用沼气灯给温室蔬菜增施二氧化碳气肥，可使黄瓜增产30%，芹菜增产25%，西红柿增产200%；用沼气贮粮防虫、沼气保鲜水果等，具有设备简单、操作方便、不产生烟尘、费用省、效益好等优点；用沼液浸种，可以提高种子发芽率和成苗率，培育壮苗，增强幼苗抗病、抗寒能力，有较好的经济效益；沼液作为饲料添加剂喂猪，可提前20～30天出栏，每头猪平均节省成本40元左右；沼液养鱼，可增产100%；沼渣栽培蘑菇，可增产增收20%～300%。总之，将沼气发酵与农业产业相结合，经济效益将成倍增长。
三、生态效益
农村沼气的开发利用，能有效地缓解农村能源紧缺，保护和恢复森林植被，减少水土流失，促进生态环境的改善。解决燃料和肥料的问题，直接和间接减少化肥、农药对环境的污染。沼肥中的腐殖酸含量10%～20%，对土壤团粒的形成起着直接的作用；沼肥中的氨态氮和蛋白氮使该有机肥具有缓速兼备的肥效特性；沼肥中的纤维等有机成份为疏松土壤及增强土壤有机质含量提供了必不可少的基础；沼肥中大量活性微量元素则是提高肥料利用以及增强土壤肥力的因素。长期施用沼肥的土壤，有机质、氮、磷、钾等营养元素的含量明显增加，土壤酶活性增强，土壤物理性状得到不同程度的改善，增加作物对营养的利用和吸收，显著提高土壤肥力。沼肥肥效超过任何一种复合肥。
四、环卫效益
人畜粪便从卫生的角度看是许多疾病的传染源，用沼气池处理人畜粪便可以杀虫灭菌。建造厕所、猪栏、沼气池三结合系统，使人畜粪尿自流入池，经过沼气发酵处理后，可将其中绝大部分寄生虫卵杀灭：血吸虫卵7～22天被杀灭；蛔虫卵经过90天死亡率为75%；伤寒杆菌存活时间仅为30天；福氏痢疾杆菌经30小时后分离呈阴性，而在一般粪液中可活17天。通过连续三年对普及沼气池和未建沼气池农户菜地土壤样品的调查，前者比后者蛔虫卵的污染减少50～76%，污染程度也大大减轻，前者平均每百克泥土含蛔虫卵4.8只，后者高达22.4条。
发展沼气，能减少蚊蝇滋生。通过对建沼气和未建沼气的养殖户调查，结果表明：养猪场苍蝇密度前者比后者降低93%。沼气替代柴、煤，能减轻烧煤所带来的一氧化碳、二氧化硫、三氧化硫等有毒气体和致癌物质的室内空气污染，减少了煤灰等垃圾的处理和对环境的污染。根据对使用沼气做燃料和用煤做燃料的村庄对比调查，前者比后者室内CO浓度降低3.8倍，CO2浓度降低1.4倍，SO2浓度降低3.8倍，飘尘浓度降低4.4倍。发展农村沼气，能有效地保护水源，降低污染，改善水环境的质量。据对普及沼气和未建沼气的两类村庄饮用水源监测：前者比后者细菌总数的合格率提高41.86%～78.26%，大肠菌群合格率提高50%，氨氮合格率提高55.02%，氯化物合格率提高56.71%。
五、社会效益
建立以沼气为纽带的庭院生态农业体系后，可以有效地解决农村剩余劳动力的转移和消化，激发农户学科学，用科学的积极性，将实用技术转化为现实生产力，提高了农户的科技素质，使有限的庭院得到了高层次利用，为繁荣城乡市场的菜篮子做出贡献。发展沼气，可以将农村妇女从繁重的厨房劳作中解放出来，腾出时间从事庭院生产，增加经济收入。有利于提高农村人口的生活质量和健康水平，减少常见疾病的发病率。调查表明，应用沼气做能源的村民唾液溶菌酶含量高于燃煤村民1.3倍，碳氧血红蛋白的平均值则低于燃煤居民28%，显示使用沼气不仅提高了空气质量，还具有增进人体健康的作用。
综上所述，一口沼气池，相当于一个家庭清洁能源制造厂，一个小型养殖场，一个有机肥生产车间，一个庭院粪水净化器，一颗摇钱树，通过它既可以为农家生产优质高效有机肥料，还可以处理和净化庭院污染物，改变农村“脏、乱、差”的卫生面貌。同时，通过和农业主导产业相结合，进行沼肥、沼渣、沼液综合利用，可以提高农产品的产量和质量，增加农民的收入，促进农村现代化进程。
第三节 沼气发酵的条件
产生沼气必须具备以下几种物质和相应的条件，即：沼气菌种、有机质（发酵原料）、温度、水分和酸碱度等。
一、沼气菌种
如同发面粉做馒头包子要有酵母一样，产沼气也要有沼气菌种才行。沼气菌种是许多种细菌的总称。根据作用的不同，可以把沼气菌分为两大类：第一类叫做分解菌；第二类叫做产甲烷菌。分解菌有几十种，如蛋白质分解菌、脂肪分解菌和纤维分解菌等等；产甲烷菌也很多，主要有甲烷杆菌和甲烷八叠球菌等等。它们的作用是先由分解菌将有机质分解成结构比较简单的有机质；后由产甲烷菌把这些结构比较简单的有机物质转变成甲烷和二氧化碳。在沼气发酵过程中，这两类细菌的作用不是分开的而是相辅相成的。
二、有机质（发酵原料）
自然界中，沼气发酵原料十分广泛和丰富，几乎所有的有机质都可以作为沼气发酵原料。例如人、畜和家禽粪便，农作物秸杆，生活污水，工业和生活有机废物等。
生产沼气要经常向池里投放粪便、秸杆、杂草和垃圾等发酵原料，给沼气菌提供营养物质。沼气菌从有机物里吸收碳素、氮素和无机盐等养料来生长和繁殖后代，进行新陈代谢并产生沼气。不同发酵原料产生沼气量与成份也不同（见表1-1）。
表1-1 主要有机物沼气产量与成分
有机物 | 气体成分（%） | TS产气量（L/kg） |
CH4 | CO2 | CH4 | 沼气 |
糖类 | 50 | 50 | 370 | 740 |
脂肪 | 72 | 28 | 1040 | 1400 |
蛋白质 | 50 | 50 | 490 | 980 |
注:表中TS意为干物质或总固体数量。
农作物秸杆含有丰富的碳，分解速度慢，产气较均衡，周期长，半年至一年进出料一次，日常管理简单，进料时必须进行堆沤等预处理，出料时要使用抓卸机或专用工具，理想办法由专业队提供服务。人、畜和家禽粪便颗粒细容易分解，产气速度快，发酵周期短，一般1～30天进料一次，7～30天出料一次，日常管理较细，每月的进料总和应等于出料总和。我国人、畜、禽年平均排泄量见表1-2；农村常用沼气发酵原料的产气量及产气速度见表1-3。
表1-2 人、畜、禽粪便年均排泄量
种类 | 日排粪量（kg） | 日排尿量（kg） | 年排粪量（kg） | 年产沼气量（m3） |
人（成年） | 0.5 | 1 | 183 | 5.4～5.5 |
猪 | 2～3 | 4～6 | 730～1045 | 28～42 |
黄牛 | 10 | | 3650 | 110 |
水牛 | 15～20 | | 5475～7300 | 164～220 |
羊 | 1.5 | | 548 | 17.5 |
鸡 | 0.1 | | 36.5 | 2.7 |
鸭 | 0.15 | | 54.8 | |
鹅 | 0.25 | | 90 | |
表1-3 常用沼气发酵原料的产气量及产气速度
原料种类 | 各原料产气速度(%) | 产气量(m3/kg |
发酵天数(天) |
10 | 20 | 30 | 40 | 60 |
新猪粪 新人粪 新牛粪 玉米杆 麦杆 稻草 青草 | 74.2 40.7 34.4 75.9 48.2 46.2 75.0 | 86.3 81.5 74.6 90.7 71.8 69.2 93.5 | 97.6 94.1 86.2 96.3 85.9 84.6 97.8 | 98.0 98.2 92.7 98.1 91.8 91.0 98.9 | 100 100 100 100 100 100 100 | 0.42 0.43 0.3 0.5 0.45 0.4 0.44 |
三、温度
温度对沼气菌的生命活动影响很大。一般地说，沼气菌在8℃～70℃范围内都能进行发酵。沼气发酵分为三个温度范围：50～65℃称高温发酵；30～45℃称为中温发酵；随自然温度变化而变化的发酵方式称为常温发酵。温度高，产气快，温度低，产气慢。实践证明，高温发酵最佳温度为55℃，中温发酵最佳温度为35℃，中高温发酵一般用于有余热或废热的企业。广大农村户用沼气池的池温变化直接受地温的影响。据测定：最高池温在阳历的8月，只有25℃；最低池温在冬季为10℃。试验表明：当池温在15℃以上时，产气率可达0.1～0.2 m3/天；温度在20℃以上时，产气率可达0.4～0.5 m3/天；池温在10以下时，沼气发酵受到严重抑制，产气率仅为0.01 m3/天左右。因此在冬季，必须对沼气池采取一些保温措施，如在沼气池上面堆放稻草或进行双膜覆盖。
四、水份（浓度）
沼气菌在生长、发育和繁殖的过程中，都需要足够的水分，常用干物质浓度来表示和测定。一般常用发酵原料的干物质浓度是：新猪粪18%、污泥22%、青草24%、干秸杆80-83%。沼气池中发酵液最适宜的干物质浓度随温度变化，冬季为8-10%、夏季为6-8%。
五、酸碱度（PH值）
沼气发酵的最适PH值为6.8-7.4，6.4以下或7.6以上都对产气有抑制作用。PH值在5.5以下，产甲烷菌的活动则完全受到抑制。PH值上升至8甚至8.5时，仍能保持相当高的产气率，这时灶上点不着火。
农村沼气池启动时投料浓度过高，接种物中的产甲烷菌数量不足时，会因产酸与产甲烷的速度失调面引起挥发酸的积累，导致PH值下降。这往往是造成沼气池启动失败或运行失常的主要原因，尤其在冬季。
沼气池在启动或运行过程中，一旦发生酸化现象应立即停止进料，如PH值在6.0以上，可适当投入石灰水、碳酸钠溶液或碳酸氢氨溶液加以中和，也可靠因停止进料产酸作用下降，产甲烷作用相对增强，PH值则逐渐恢复正常。如果PH值降至6.0以下，则应在调整PH值的同时，大量投入接种污泥，以加快PH值的恢复。当发生偏碱时，投入青草、青稞、青菜类作物一次性200公斤左右进行调节。
六、发酵原料的碳氮比
沼气发酵过程是培养微生物的过程，必须考虑微生物生长所必须的碳、氮、磷以及其它微量元素及水和维生素等营养物质。发酵原料的碳氮比是指原料中有机碳和氮素含量的比例关系，有人认为13～16:1最好，但也有试验说明6～30:1的范围内仍然合适。
农村常用沼气发酵原料，如人畜粪便、秸秆和杂草等都是由生物质构成，从营养成分来看是比较齐全面丰富的，一般不需添加什么。常用原料的碳氮比值列于表1-4。
表1-4 农村常用原料的C/N值
原料种类 | 碳素含量/% | 氮素含量/% | C/N |
干麦秆 干稻草 玉米秆 大豆秧 花生秧 新羊粪 新牛粪 新猪粪 人粪 | 46 42 40 41 11 16 7.3 7.8 2.6 | 0.53 0.63 0.75 1.3 0.59 0.55 0.29 0.60 0.65 | 87﹕1 67﹕1 53﹕1 32﹕1 19﹕1 29﹕1 25﹕1 13﹕1 2.9﹕1 |
因此单纯人粪发酵时，应适时适当加入作物秸杆或猪牛粪；单纯牛粪或作物秸杆发酵时，应适当加入些尿素或碳氨。
七、搅拌
搅拌是微生物与食物接触的有效手段。发酵料液通常自然沉淀而分成4层，从上到下分别为浮渣层、上清层、活性层和沉渣层。厌氧微生物活动较为旺盛的场所只限于活性层内。因此，搅拌可使微生物与发酵原料充分接触，同时打破分层现象，使活性层扩大到全部发酵液内。搅拌强度，经研究表明适当搅拌可促进发酵，频繁搅拌反而不利。
建议农村沼气池搅拌每天一次每次两分钟。1、人工搅拌，用出料活塞在水压箱出料PVC管中来回抽动，向下时用力稍快推，向上时缓慢提起（在不出料的情况下）；2、安装电动自吸泵冲栏冲厕，实际上同步实现了发酵液回流搅拌。
八、负荷
单位体积沼气池每天所能承受的有机物的消化量称为负荷。农村沼气池在正常使用一个月以后，每天消化负荷为30-50公斤秸杆、猪粪或牛粪等。因此沼气池每天进料总量为30-50公斤，根据产气多少进行调节，气多时少加，气少时多加。可以每天加一次，也可以半个月加一次，每次加料前应先出等量的沼肥。
九、毒性物质
一般情况下，农业剩余物中不会含有大量有毒物质，但畜禽场消毒或防疫时会有较多药物进入粪便污水中。生活污水中常会有些有毒物质存在，如肥皂水、洗洁净水、洗厕净、灭蚊蝇药物、所有农药灭菌剂、注射抗菌素病人的尿液等等。这些物质会毒害或抑制沼气发酵过程
