第四节　沼气发酵工艺学

沼气发酵过程是利用有机物作为营养，在厌氧条件下，微生物代谢生长形成甲烷和二氧化碳的过程。沼气发酵工艺学就是要解决沼气生产的技术和方法。因此，沼气工艺学将涉及厌氧、温度、浓度、pH值、发酵原料、接种物等问题。

一、沼气发酵的厌氧环境

一般地，沼气发酵微生物主要由严格厌氧菌和部分兼性厌氧微生物所组成，在沼气发酵过程中，起主导作用的产氢产乙酸菌和产甲烷细菌是严格厌氧的，不能在有氧的情况下生活，哪怕是微量的氧存在，也会使沼气发酵受阻，微生物的生长代谢被抑制，甚至死亡。因此，建造沼气池时，做到不漏水、不漏气，是人工制取沼气的关键。

氧化还原电位（oxidation reduction potential）是衡量厌氧程度的指标。氧化还原电位的变化对沼气发酵微生物过程和生物化学过程有着重要的影响。氨化细菌的活动能使氧化还原电位降低到能够开始进行甲烷发酵的范围。氧化还原电位通常用Ninster方程表示：

式中　Eh——氧化还原电位；

E0——标准电极电位；

R——气体常数，8.315J；

T——绝对温度，273+t℃；

F——法拉第常数，96500℃；

n——电子转移数目；

ln——自然对数，2.303lg10数值。

在自然界中，厌氧体系，即O2→2O2-其电子转移数目n=4，因此，我们可得到25℃时的电位计算为：

在-330mV时，氧的浓度是大气中氧浓度的10-（0.8+0.33）/0.015，即为10-75，按Hungate的计算，在1个大气压下，1L30℃的水中所含的氧气量就为1.48×1019分子；这样，1L30℃的水，在-330mV时氧的含量为：1.48×1019×10-75=1.48×10-56分子。因此，在高温沼气发酵条件下，适宜的氧化还原电位为-600～-560mV；中温发酵条件下适宜的氧化还原电位为-350～-300mV；自然温度发酵的氧化还原电位与中温条件差不多。施用还原剂和加大接种量都有利于沼气发酵的启动。

沼气池装料和进出料时，都要带进空气，此时好氧微生物大量活动，消耗进入沼气池中的氧，从而使发酵液的氧化还原电位降低，创造厌氧环境，沼气发酵得以正常进行。因此，沼气池中的好氧细菌对造成厌氧环境是有贡献的，另外，兼性厌氧菌也能消耗一部分氧气，对造成厌氧环境也有积极作用。

二、沼气发酵适宜的温度

沼气发酵微生物的代谢活动与温度有着密切的关系，在一定范围内，温度越高，沼气微生物的代谢越旺盛，沼气产量越多，即温度升高有利于提高沼气的产量。一般地，在8～60℃温度范围内都能发酵产沼气，参见表1-31。但是，对于中温发酵而言，最理想的温度是35℃左右，在38～48℃时，产气量会有所下降（图1-26）。

我国农村沼气池一般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。因此，当地的年均气温较高，则有利于沼气的推广应用。地温随气温的变化而变化，而且离地表越近温度变化越大，越接近气温；夏季沼气池离地面越近温度越高，冬季离地面越近温度越低。以上分析表明，从维持比较稳定的发酵温度来说，在气温较低的地区，农村沼气池适当建深一点为好。

从发酵的周期来看，温度越低，原料的发酵周期越长，温度越高，发酵周期越短，参见表1-32和表1-33。

为防止沼气发酵温度的突然上升或下降，农村沼气池可采取如下保温措施：

①沼气池建于背风向阳处，发酵间建于冻土层下，进、出料口不要修得过大。

②沼气池进、出料口都要加盖，冬季还可用秸秆等物覆盖保温，有条件的情况下，可在沼气池上堆沤发酵原料。

③将沼气池修建在猪圈、厕所下面，有利于沼气的防寒保温。

④利用太阳能加温、保温是一种非常有效的方法。

在实际应用中，温度涉及气温、地温和池温三个概念。发酵温度与池温直接相关，池温受地温影响，地温又与气温相关，因此池温变化总是滞后于气温。表1-34～表1-36给出了杭州、成都和长沙三个地区全年气温、地温和池温的变化。

另外，沼气发酵温度的突然升高或降低，对产气量都会有明显的影响，若变化过大，则产气几乎停止。如，一个35℃条件下正常产气的沼气池，若温度突然下降到20℃，则产气几乎完全停止。

三、沼气发酵的适宜pH值

沼气发酵微生物最适宜的pH值为6.5～7.5，超出这一范围，沼气微生物的代谢将减慢或产甲烷细菌受抑制或是被杀死。因此，维持沼气发酵适宜的pH值是保证正常产气的又一关键性指标。在沼气发酵过程中，pH值并非固定不变，随发酵的进行而逐渐增大，并维持一定的值。在沼气发酵的初期，碳酸化和氨化未达到平衡，大量有机酸产生，pH值呈下降趋势；随后氨化作用产生缓冲剂氨，pH值上升（图1-27）。

沼气发酵启动后，碳酸化与氨化尚未达到平衡，沼气发酵的pH值变化速率与发酵温度等因素有关。发酵速率越快，变化过程的时间越短；发酵越慢，变化过程的时间越长。当发酵温度为22～26℃时，6d即达到沼气发酵的pH值，而不再有大的变化。当发酵温度为18～20℃时，经过14～18d发酵pH值才达到相对稳定。我国农村沼气发酵温度较低，发酵速率较慢，pH值的变化不明显，其变化速率也不会超出适宜的范围。农村常见各种粪便原料的pH值并不相同，粪便pH值微偏酸性，而尿均为碱性（表1-37）

在正常情况下，沼气发酵的pH值有一个自然平衡过程，一般不需要进行调节。当管理不当时，出现挥发性有机酸的大量积累，pH值下降，沼气发酵受到抑制，在这种情况下可采取如下方法调节以恢复正常产气。

①稀释发酵液中的挥发酸，提高pH值，此种情况可能是发酵料液浓度过高而导致的。

②可适当加入氨水或草木灰以调节适宜的pH值，用氨水调节时，应考虑发酵原料的性质。若是发酵原料为粪便时，氮含量偏高，此时不宜用氨水调节。

③用石灰水调节pH值，特别是在发酵液过酸时，加入石灰水调节pH值相当有效，但要注意只适宜加澄清石灰水，并且加的次数和数量不能太多，否则大量的碳酸钙沉淀会抑制沼气发酵，甚至中止产气。其基本做法为：从沼气池的出料间取出沼液溶解石灰，充分搅拌后，取澄清石灰水从进料口加入，并不断从出料间取沼气从进料口倒入，使加入的澄清石灰水能进入沼气池中并混合均匀，注意澄清石灰水加入应采取少量多次的原则，每加一次都需从出料间取沼液从进料口倒入，发酵料液pH值调至6.8即可。

四、沼气发酵原料

沼气发酵过程是有机物彻底矿化的微生物厌氧代谢过程。绝大多数有机物都可用作沼气发酵的原料。沼气微生物的生长代谢需要从发酵原料中吸取主要的营养物质——碳、氮、氢、硫、磷等元素，其中碳供给微生物能量，氮则构成细胞。适宜的碳氮比是保证沼气正常发酵的重要因素，研究结果表明，沼气发酵适宜的碳氮比为（20～30）:1，我国农村常见原料的碳氮比参见表1-38。从表1-38可以看出，作物秸秆类发酵原料碳氮比较高，属富碳原料；粪便类发酵原料的碳氮比较低，属富氮原料。因此，两类原料配比发酵能够获得较佳的产气效果，尤其在第一次投料时，可以加快启动速度。如果使用秸秆发酵时，人畜粪便数量不多，则可添加适量的碳酸氢铵等氮肥补充氮素来调节适宜的碳氮比。

农村沼气发酵原料通常是混合原料，根据表1-38可以算出原料的碳氮比，同时也可确定各种原料的配比，其公式如下：

式中　K——混合原料的碳氮比；

C——某种原料的碳百分含量；

N——某种原料的氮百分含量；

X——某种原料的质量。

对于粪便原料而言，通常的发酵周期为60d，而秸秆原料则为90d，表1-39给出了几种原料的产气速率。

注：发酵温度为35℃，料液浓度为6％。

沼气发酵原料的不同，所产沼气的量亦有差别。从表1-40中不难看出，数量相同而原料不同的各种有机物所产沼气的量也就不同。表1-41是各种有机物的来源及其数量。通过这两个表中的数据，便可估算建池农户每天或每年能够生产多少沼气，这在实际的应用中是相当重要的。

五、沼气发酵料液浓度/有机负荷

沼气发酵浓度通常是指农村沼气发酵料液的TS浓度，农村户用沼气池运行的料液浓度一般TS为6％～10％，在气温偏高的春夏季节，发酵浓度TS可控制在6％～8％，气温偏低的秋冬季节，发酵浓度TS可适当提高至8％～10％。TS浓度过高或过低都不利于产气。若发酵浓度太低，即料液含水量太高，发酵原料相应减少，会降低沼气池单位容积中沼气的产量，不利于沼气池的充分利用；若发酵浓度太高，即料液中的含水量较低，不利于沼气微生物的活动，发酵原料不易分析，从而使沼气发酵受阻，产气慢且少。

厌氧消化的有机负荷可以有多种表示方法，如容积有机负荷、污泥负荷、水力负荷等。

①容积有机负荷：即单位体积消化器（或沼气池）每天所承受的有机物的量，通常以kgCOD/（m3·d）或kgBOD/（m3·d）为单位，有时（尤其是户用沼气池）可以用TS或VS来表示有机物的量。容积有机负荷是消化器（或沼气池）设计和运行的重要工艺参数。容积有机负荷的大小主要是由厌氧活性污泥的数量和活性决定的。

②污泥负荷：即每千克厌氧活性污泥每天所承受的有机物的量，通常以kgCOD/（kgVSS·d）或kgBOD/（kgVSS·d）为单位。在消化器运行（或沼气发酵）过程中确定容积负荷的根据是污泥负荷。

③水力负荷：即单位体积消化器每天承受污水的体积，单位为m3/（m3·d）。在相同容积有机负荷的条件下，发酵原料浓度不同，投料体积则不一样，这就构成不同的水力负荷。有机物浓度高，则水力负荷低；有机物浓度低，则水力负荷高。当有机物浓度基本稳定时，水力负荷则成为厌氧消化工艺控制的主要条件。

影响负荷的主要因素有污泥的数量与活性、发酵原料的性质、厌氧消化的工艺类型、水力负荷等。

在一定条件下，影响容积有机负荷的主要因素是消化器（或沼气池）内污泥的数量和活性以及污泥的沉降性能。即消化器（或沼气池）内存在多少标准污泥，污泥的沉降性能如何。但污泥的这些性质并不是固定不变的，在发酵启动阶段，开始时活性污泥的数量和性能都相对较低，因而容积负荷一定要低，一般控制在0.5～1.0kgCOD/（m3·d），具体情况视接种物的数量和性能而定，维持污泥负荷只有0.1～0.2kgCOD/（kgVSS·d）。启动阶段的目的在于不断提高活性污泥的数量和性能。由于厌氧消化时代谢同样多的底物，厌氧微生物所获得的能量比好氧微生物少得多，因而污泥生成较少，一般为所消化COD的5％左右。所以，厌氧活性污泥在消化器中的增长较为缓慢。因此，厌氧消化器的启动需要较长的时间，一般为8～12周。随着污泥的增长，消化器的负荷不断增加，在中温条件下，一般负荷可达5～8kgCOD/（m3·d），视工艺类型和原料性质而定。启动完成后进入稳定运行阶段，消化器负荷则稳定下来，这要通过消化器内污泥数量和性能的稳定性来实现。

发酵原料的性质对负荷有较大的影响。通常可溶性污水容易分解，负荷较高；而固体颗粒含量多的废物或废水，因固体物分解需要较长时间，并且有一定量难分解的物质沉淀于污泥中，使污泥中微生物数量减少，因而限制了负荷的提高。例如，在利用UASB处理酒精废醪液时，当进水中的固体悬浮物含量为2～4g/L时，其负荷为6～9kgCOD/（m3·d），进水中悬浮物含量超过4g/L时，若在同样负荷下运行，则会使工艺遭到破坏。污泥中非活性固体物质大量积累，污泥活性大大降低，发酵料液pH值下降，沼气中的二氧化碳含量上升，出水带有明显恶臭。

厌氧消化工艺类型是决定负荷的主要因素。不同的厌氧消化工艺类型通过影响消化器中活性污泥的性状和数量，进而影响消化器的负荷，如完全混合式工艺（CSTR），微生物和废水同时被排出，所以负荷很低，在城市污水和工业废水的处理中不宜采用这一工艺。而UASB工艺由于可使消化器内保留大量活性污泥，因而负荷较高，是20世纪90年代以来发展和应用最快的工艺类型。几种工艺类型的负荷及产气情况如表1-42所列。而第三代厌氧消化工艺的负荷更高，如内循环反应器（IC）和膨胀颗粒污泥床（EGSB）不但能保留大量活性污泥，同时还有利用进水与微生物良好的接触，从而提高了负荷。

水力负荷影响着容积负荷，特别是在处理低浓度废水时，这种影响更为明显。一般情况下，原料浓度高，水力负荷低，滞留时间长，负荷可以较高；而原料浓度低，水力负荷高，滞留时间短，结果负荷偏低。这是因为水力负荷过高会引起污泥的流失，从而使消化器运行难以稳定。例如，在利用UASB处理浓度为10000mg/LCOD的豆制品废水时，水力负荷为1m3/（m3·d），滞留时间为24h，消化器容积负荷为10kgCOD/（m3·d）；而当处理低浓度生活污水时，其COD浓度为300mg/L，则水力负荷为6m3/（m3·d），滞留时间为4h，消化器容积负荷只有1.8kgCOD/（m3·d）。

控制负荷可以提高消化器处理有机物的效率，同时可获得较高的沼气产气率和较低有机物浓度的出水。一个厌氧消化器负荷的高低决定了厌氧消化器的效率，随着负荷的提高，消化器的处理效率和沼气产气率也随之提高，但发酵液中挥发酸的积累趋于上升，废水中的有机物去除率趋于下降（图1-28）。负荷过高消化器的处理效率反而会下降，例如，一个消化器的负荷为10kgCOD/（m3·d）时，其COD的去除率为65％，其容积COD去除率不超过6.5kgCOD/（m3·d）；另一个消化器的负荷为8kgCOD/（m3·d）时，其COD的去除率为85％，其容积COD去除率可达到6.8kgCOD/（m3·d）。这样前者的实际效率并未高于后者。

负荷太高会使产酸和产甲烷速度失调，消化器的效率反而降低；负荷太低，由于营养物质不足，使微生物处于饥饿状态，污泥增长速度慢，难以培养出良好的活性污泥。

在消化器启动初期主要是污泥的驯化，一般负荷较低，使接种污泥中的微生物能尽快适应所处理有机物的要求，然后则以积累污泥为主，给污泥以较高的负荷，使其迅速生长。但由于这时的消化器内污泥浓度低，所以容积负荷仍然不高，COD去除率也偏低。随着污泥量的增长，负荷不断提高，直至污泥的生成和死亡与流出处于平衡状态，消化器内积累了足够的污泥，这时启动即告完成而进入正常运行阶段。在正常运行阶段根据厌氧消化目的的不同而确定容积负荷。如以生产沼气为主，则可提高负荷，充分发挥消化器去除有机物并产生沼气的能力；如以环境保护为主，则应考虑出水COD浓度高低，是否适宜排放或进行后处理。不一定追求消化器的最高效率，可适当降低容积负荷而保证出水的COD浓度达到较低标准。

六、沼气发酵接种物

沼气发酵是一个多种微生物菌群代谢的过程，从代谢产生甲烷的角度可以将沼气发酵微生物分为两类，即产甲烷菌和非产甲烷菌。通常情况下，非产甲烷菌主要是水解性细菌、产氢产乙酸菌和同型产乙酸菌，这些细菌的繁殖速度比产甲烷菌要快得多，而产甲烷菌的倍增时间通常是以天来计算，许多产甲烷菌繁殖一代所需的时间为4～5d，甚至还更长。因此，在沼气发酵过程中，产甲烷菌的数量和活性决定着发酵的速率。一旦产甲烷数量较少时，不能及时代谢消耗非产甲烷菌的代谢产物——有机酸，则发酵体系就会导致酸的累积，从而使发酵料液酸化，最终影响沼气发酵的启动和运行。

在沼气发酵启动和运行中，通常以活性污泥形式加入沼气发酵微生物。沼气发酵活性污泥是由厌氧消化微生物与悬浮物质和胶体物质结合在一起所形成的具有很强吸附分解有机物质能力的絮凝体、颗粒体或附着膜，由于在沼气发酵过程中产生的硫化氢与一些金属离子形成硫化物，从而使沼气发酵活性污泥呈现黑色。在沼气发酵活性污泥中，微生物以胶团的形式存在。根据电镜观察，在微生物胶团里有些微生物表面具有黏液，大部分微生物不具有黏液，而微生物之间充满由脂多糖构成的胞外多聚物。产酸菌固定于胶团内，或分散于微生物胶团外。甲烷丝菌样丝状产甲烷菌或多或少地分布于各种污泥的内外，而甲烷八叠球菌则往往被网络其中或游离存在。在初形成的污泥中，悬浮物质较多，微生物较少，因而产甲烷活性较低。发育良好的活性污泥中微生物很多，特别是甲烷丝菌普遍分布，悬浮物质较少，并且有良好的结构，因而产甲烷活性也较高。在发育良好的沼气发酵活性污泥中，各种微生物群的数量可参见表1-43。

对于沼气活性污泥的活性问题，人们进行了种种研究，通常采用存在于消化器中的VSS（volatile suspended substance，挥发性悬浮固体）的量作为衡量微生物群体量的指标。多年来，人们先后采用分析活性污泥中微生物的数量、污泥中的DNA、氢化酶、F420、ATP等的含量来表示污泥的活性，但都因分析方法复杂，并且与污泥的相关性波动较大而难以采用。近年来人们逐渐认识到采用测定活性污泥中各群微生物的数量和污泥最大产甲烷活性相结合的方法，可以较为准确地反映污泥活性。各群微生物数量的测定，是采用MPN（most probable number，最大可能数）的方法进行，利用亨盖特厌氧微生物技术和各群微生物可代谢的底物及产物的不同来进行。

在正常情况下，消化器中标准活性污泥的量与消化器的负荷及产气率呈正相关。消化器中标准活性污泥浓度越高，厌氧消化的效率也越高（表1-44）。由于厌氧消化过程中活性污泥的生成速率低，特别是污泥中产甲烷菌生长缓慢，因而，设法保留高浓度的活性污泥于消化器内，延长活性污泥在消化器内的滞留时间，减少污泥流失，则成为消化器设计与运行的首要问题。厌氧消化工艺，一直沿着保留消化器内最大数量的活性污泥及污泥活性得以充分发挥向前发展。

沼气发酵过程是多种微生物协同完成的微生物生物化学过程，因此，要提高沼气发酵的效率，首先应注意所进原料与微生物之间的一致性，这对于利用难降解有机物作为原料尤为重要。例如，用河底污泥作接种物处理有机废水则启动较慢，其原因是与发酵原料相适应的微生物群体繁殖起来需要一定时间，其次还应注意活性污泥中产甲烷菌的数量。接种物通常要做富集驯化与培养，其基本方法是选择活性较强的污泥，逐步增加投料量，使其逐渐适应发酵的基质和发酵的温度，经过一段时间的富集驯化与培养后才能作为沼气发酵的接种物。在沼气发酵投料启动时，接种物的用量一般为总投料量的10％～30％。