第三节 沼气发酵基本条件

一、碳氮比适宜的发酵原料

沼气发酵原料是沼气微生物赖以生存的物质基础，也是沼气微生物进行生命活动和产生沼气的营养物质。沼气发酵原料按其物理形态分为固态原料和液态原料两类；按其营养成分又有富氮原料和富碳原料之分；按其来源分为农村沼气发酵原料、城镇沼气发酵原料和水生植物三种。

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稻壳等农作物的残余物，这类原料富含纤维素、半纤维素、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，碳素不仅构成微生物细胞质，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（表1-2、表1-3），还应注意各种发酵原料碳氮比的合理搭配。农村常用沼气发酵原料的碳氮比、体积与重量换算关系列于表1-4和表1-5，供使用中参考。

二、质优足量的菌种

沼气发酵微生物是人工制取沼气的内因条件，一切外因条件都是通过这个基本的内因条件才能起作用。因此，沼气发酵的前提条件就是要接入含有大量这种微生物的接种物，或者说含量丰富的菌种。沼气发酵微生物都是从自然界来的，而沼气发酵的核心微生物菌落是产甲烷菌群，一切具备厌氧条件和含有有机物的地方都可以找到它们的踪迹。接种物的来源主要有：沼气池、湖泊、沼泽、池塘底部；阴沟污泥之中；积水粪坑之中；动物粪便及其肠道之中；屠宰场、酿造厂、豆制品厂、副食品加工厂等阴沟之中以及人工厌氧消化装置之中。

给新建的沼气池加入丰富的沼气微生物群落，目的是为了快速启动发酵，而后又使其在新的条件下繁殖增生，不断富集，以保证大量产气。农村沼气池一般加入接种物的量为总投料量的10%～30%。在其他条件相同的情况下，加大接种量，产气快，气质好，启动不易出现偏差。

三、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。这就是为什么把漏水、漏气的沼气池称为“病态池”的道理。

四、适宜的发酵温度

温度是沼气发酵的重要外因条件，温度适宜则细菌繁殖旺盛，活力强，厌氧分解和生成甲烷的速度就快，产气就多。从这个意义上讲，温度是产气好坏的关键。研究发现，10～60 ℃时，沼气均能正常发酵产气，低于10 ℃或高于60 ℃都严重抑制微生物生存、繁殖，影响产气。在这一温度范围内，一般温度愈高，微生物活动愈旺盛，产气量愈高（图1-5）。微生物对温度变化十分敏感，温度突升或突降，都会影响微生物的生命活动，使产气状况恶化。

通常把不同的发酵温度区分为三个范围，即把46～60 ℃称为高温发酵，28～38 ℃称为中温发酵，10～26 ℃称为常温发酵。农村沼气池靠自然温度发酵，属于常温发酵。常温发酵虽然温度范围较广，10～26 ℃时，温度越高，产气越好。这就是为什么沼气池在夏季，特别是气温最高的7月份产气量大，而在冬季最冷的1月份产气很少，甚至不产气的原因，也是农村沼气池在管理上强调冬天必须采取越冬措施，以保证正常产气的原因。

五、适宜的酸碱度

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，pH为6～8，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（CH4）和二氧化碳（CO2），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节，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，使酸碱度恢复到正常。

六、适度的发酵浓度

农村沼气池的负荷常用容积有机负荷表示，即单位体积沼气池每天所承受的有机物的数量，通常以千克COD/（m3·d）为单位（COD为化学需氧量）。容积负荷是沼气池设计和运行的重要参数，其大小主要由厌氧活性污泥的数量和活性决定的。

农村沼气池的负荷通常用发酵原料浓度来体现，适宜的干物质浓度为4%～10%，即发酵原料含水量为90%～96%。发酵浓度随着温度的变化而变化，夏季一般为6%左右，冬季一般为8%～10%。浓度过高或过低，都不利于沼气发酵。浓度过高，则含水量过少，发酵原料不易分解，并容易积累大量酸性物质，不利于沼气菌的生长繁殖，影响正常产气。浓度过低，则含水量过多，单位容积里的有机物含量相对减少，产气量也会减少，不利于沼气池的充分利用。

七、持续的搅拌

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（图1-6），对微生物以及产气很不利，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。

实践证明，适当的搅拌方法和强度，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。

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（图1-7）。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。

农村户用沼气池通常采用强制回流的方法进行人工液体搅拌，即用人工回流搅拌装置或污泥泵将沼气池底部料液抽出，再泵入进料部位，促使池内料液强制循环流动，提高产气量。此外，可利用沼气池的产气动力，实现沼气发酵装置自动搅拌和持续动态发酵的目的。

八、毒性物质或添加剂

1．沼气发酵毒性物质

沼气发酵微生物的生命活动会受到很多物质的影响。沼气池中挥发性有机酸浓度过高时，对发酵有抑制或毒害作用；氨态氮浓度过高时，对发酵细菌有抑制或杀伤作用。许多农药对微生物都有极强的毒杀能力，即使微量农药也极有可能完全破坏沼气发酵的正常进行，一般有一个允许浓度，如表1-6所示。很多盐类，特别是很多金属离子，如汞、银、铅、铜等大多数重金属元素对细菌都有很强的毒性，超过一定浓度时都会强烈地抑制沼气发酵。沼气发酵料液中应当避免有毒物质的进入。一般情况下，农村沼气发酵原料中不会含大量的有毒物质，但是在施用农药或防疫时可能会造成较多的农药进入原料中。另外，也可能由于进料不当而投入了对沼气发酵有抑制作用的大蒜、桃叶、马钱子、解放草或被毒死的畜禽等。

2．沼气发酵添加剂

添加剂是能够促进原料分解、提高产气量的各种物质的统称，种类较多，包括水解酶类、无机物和有机物。在进料时或在沼气池中添加一定数量的水解酶可以提高20%左右原料的利用率和产气量，这是因为提高了原料的分解效率。用纤维素酶为主的水解酶预处理秸秆，可以大幅提高产气速度。直接添加产多种水解酶的黑曲霉，也可以提高产沼气的能力。但是，在沼气发酵过程中，蛋白酶量多、活性高，会影响正常的沼气发酵，降低沼气产气速率和产气量。可能的原因是在蛋白酶的催化作用下，纤维素酶、淀粉酶、脂肪酶等其他水解酶被分解，从而影响了对原料的利用。

适量的碱金属元素和碱土金属元素对沼气发酵有刺激作用。在以牛粪为原料的沼气发酵中，适量添加尿素能够得到较高的产气速度、较高的产气量（257 L/t干物质）和原料分解率（36.92%）；添加油饼作为氮源，能够提高沼气质量，所产的沼气中的甲烷和氢的含量增加。在沼气发酵中添加活性炭粉可以提高产气量2～4倍，在碳浓度为500～4000mg/L时，产气量与浓度成比例增加，并且沼气中的甲烷含量增加。