1　可燃冰、天然气、沼气开发利用的新图景

2017年5月18日，我国国土资源部中国地质调查局宣布，3月28日我国位于珠海市东南320km的神狐海域的可燃冰试采作业区第一口井试采成功，5月10日14时52分点火成功（图1-1），消息一经公布引起了轰动。

可燃冰的主要成分是甲烷的水合物。甲烷是最简单的有机化合物，是一种清洁燃料。人们关注在海底蕴藏量可观的可燃冰的勘探、开采，实际上是关心能源的开发。可燃冰被认为是具有战略意义的新能源，可燃冰的开发利用将会大大提升我国能源安全保障程度，进一步优化能源消费结构。

我们知道地壳中蕴藏着天然气，池沼底部有沼气形成。天然气、沼气都是自然界为我们提供的以甲烷为主要成分的资源，可以作为能源和化工原料。天然气的开发早已得到重视和发展。20世纪后，人们也开始探索从垃圾制造沼气的技术。可燃冰发现之后，勘探开采可燃冰、获取甲烷的研究就成为科学家关注的课题。目前，我国在可燃冰勘探、试开采方面取得的进展以及世界各国在垃圾制造沼气技术上取得的成效，描绘了甲烷资源开发应用的新图景。

甲烷的分子式是CH4，是饱和气态烃。它的分子构型为正四面体，碳原子位于正四面体中心，4个氢原子分别处于四面体的4个顶点，碳原子和4个氢原子以共价单键结合（图1-2）。

甲烷完全燃烧的化学方程式是：

CH4（g）+2O2（g） CO2（g）+2H2O（l）　　ΔH=-890.3kJ/mol

甲烷是无色、无味的气体（家用天然气为了安全，添加了甲硫醇或乙硫醇，有特殊气味，以便泄漏时能及时发现，保证使用安全）。甲烷完全燃烧生成的物质不会污染环境，使用比较安全，是清洁燃料。

甲烷除用作气体燃料外，还用于生产合成氨、尿素和炭黑，还可用于生产甲醇、乙炔等化工产品。甲烷高温分解生成炭黑，用作颜料、油墨、涂料以及橡胶的添加剂等；甲烷氯化可得一氯甲烷、二氯甲烷、三氯甲烷（氯仿）及四氯化碳，氯仿和四氯化碳都是重要的有机溶剂。

1.1　天然气

天然气一般指蕴藏于地层中的烃类和非烃类气体的混合物。它主要由甲烷（85%）和少量乙烷（9%）、丙烷（3%）、氮（2%）、丁烷（1%）组成。密度约为0.71g/cm3，比空气轻，无色、无味。天然气蕴藏在地下多孔隙岩层中，包括油田气、气田气、煤层气、泥火山气和生物生成气等，也有少量出于煤层。天然气的成因十分复杂、多样。地壳中，目前已探明的天然气总储量超过200Mm3。

天然气是低碳能源，作为燃料，每千克的热值约为3.6×104kJ，接近汽油、柴油［（43～46）×103kJ］，高于煤炭［（25～33）×103kJ］；而排放的二氧化碳、环境污染物少。采用天然气作为能源，可减少煤和石油的用量，改善环境污染问题。1m3天然气替代相应量的煤炭可减排CO2 65.1%、SO2 99.6%、氮氧化物88.0%；若替代燃料油，可减排CO2 24%、CO 97%、SO2 90%、碳氢化合物72%、氮氧化物39%、粉尘100%。天然气用于汽车燃油，还可使颗粒悬浮物减少40%，噪声减少约40%，不会产生硫、铅、苯等有毒有害物质。车用天然气价格较低，能降低车辆运行成本。天然气用在城镇居民生活、城市商业和服务业中的烹调、取暖、供热中，替代煤、电等常规城市燃料，可以大幅度减少城市粉尘、CO2及其他废气的排放量，而且提高城镇居民居家、出行、办公的环境质量。

天然气可以加工成压缩天然气储存在容器中，也可以压缩冷却成液化天然气运输、使用。液化天然气的密度是标准状态下甲烷的625倍，1m3液化天然气可气化成625m3天然气。它的体积能量密度约为汽油的72%。液化天然气贮存和运输比较方便。天然气在送到最终用户之前，为便于泄漏检测，还要用硫醇、四氢噻吩等给天然气添加气味。

天然气也是优质的化工原料。现阶段主要用于生产合成氨、甲醇、乙炔、炭黑、氯甲烷、氢氰酸、二硫化碳等重要的无机化工和有机化工原料。在世界合成氨产量中，约80%是以天然气为原料生产的；世界甲醇生产中70%以天然气为原料；以天然气为原料的乙烯装置生产能力约占世界乙烯生产能力的32%。

（1）利用甲烷制乙炔　从天然气的主要成分甲烷制乙炔的生产过程十分复杂。简单概括，主要包括甲烷氧化裂解（部分氧化），压缩裂解气并提高其中乙炔的浓度，分离、提纯出乙炔气体几个步骤。作为原料的天然气和氧气除去杂质、经预热后送往乙炔炉，控制天然气的流量，调节氧气的流量使氧气和天然气比例约为0.5∶1，在1500℃下发生氧化和热分解反应。甲烷裂解，全部或部分碳氢键断裂，转化为乙炔或炭黑，并析出氢气。主要反应包括：

2CH4 C2H2+3H2　（1）；CH4+2O2CO2+2H2O　（2）；

2CH4+O2 2CO+4H2　（3）；CO+H2O CO2+H2　（4）；

C2H2 2C+H2　（5）

乙炔的产率取决于乙炔生成反应（1）和乙炔分解反应（5）的速率差。这些反应速率的比例可通过改变反应温度来调节。

裂解气引出后经洗涤、冷却，除去炭黑，过滤、除尘，除去精细炭黑，提高其中的乙炔浓度，再经过分步吸收，分离成3种馏分：①合成气（H2、CO等混合气）；②乙炔（产品）；③高级炔及其同系物的混合物。乙炔馏分经洗去挥发性溶剂后成为产品。

（2）以天然气制氨　天然气先经脱硫，然后通过二次转化和一系列变换制得3∶1的纯净合成气，经压缩机压缩而进入氨合成塔合成氨（图1-3）。制造氨的合成气，是使用脱硫后的天然气与水蒸气在催化剂作用下发生转化反应，生成H2、CO、CO2。一次转化的主要反应是：

CH4+H2O（g） CO+3H2

在二次转化阶段，引入空气，在更高的温度（1000℃）下使CH4基本上完全反应。空气中的氧气在反应器内与CH4和部分的H2反应，完全耗尽，生成CO、H2，余下N2。而后再利用H2O和CO反应（CO+H2O CO2+H2），生成CO2。在除去CO2后，得到合成氨的原料气。

（3）利用天然气制造甲醇　目前常见的方法是间接转化法。先把甲烷和氧气按9∶1的体积比混合，在200℃和100atm的条件下，由甲烷制得一定碳氢比的合成气（CO、H2、CO2），然后经合成气生成甲醇。主要反应包括：

CH4+H2OCO+3H2；CH4+2H2O CO2+4H2；

CH4+CO2 2CO+2H2；CO+H2O CO2+H2

CO2、CO、H2合成甲醇：CO+2H2 CH3OH；CO2+3H2 CH3OH+H2O

上述的间接转化法反应条件苛刻，能耗很高。目前，国内外学者非常关注直接氧化法制造甲醇的研究。希望研究开发新型催化剂和高效的反应系统。美国陶氏化学公司（DOW）研究出了一种全新的甲醇制备工艺，可以在温和条件下采用金基纳米管作为催化剂（反应温度30～90℃，反应压力在0.05～7.0MPa之间）。中国科学院通过一种高效催化剂进行天然气（甲烷）制甲醇的催化反应，转化率可以超过60%。美国亚利桑那大学首次将包括锌在内的金属原子插入到甲烷气体分子中，并精确地测定了所得到的“金属-甲烷化合物”分子的结构，使其成为天然气活化制甲醇的关键步骤。

我国天然气供应量的增长速度不及消费量的增长速度。2011年1月至10月，我国进口天然气约250亿立方米，同比增长近1倍。整个世界对能源的需求不断增长，能源紧缺，煤和石油燃烧的二氧化碳、污染物排放严重。在这一背景下，天然气的开采、使用迅速发展，目前天然气在我国能源结构中的比例进入快速发展的新阶段。

1.2　可燃冰的组成结构与储量

可燃冰的学名是“天然气水合物”。它是水和天然气在合适的条件下以固态形式相结合形成的一种笼状的固态结晶水合物。天然气水合物中的主要气体为甲烷。甲烷分子含量超过99%的天然气水合物通常称为甲烷水合物，这种类似“冰块”的结晶水合物可直接点燃，因此被称为“可燃冰”（图1-4）。温度升高或压力降低，固体水合物便趋于崩解，甲烷逸出。

甲烷水合物的结构可用图1-5表示。在高压下，甲烷水合物在18℃的温度下仍能维持稳定。其组成一般用mCH4·nH2O来表示，m代表水合物中的气体分子，n为水合指数（也就是水分子数）。一般的甲烷水合物的组成为1mol的甲烷及5.75mol的水，用化学式CH4·8H2O表示它的化学组成。然而这个比例取决于多少的甲烷分子“嵌入”水晶格各种不同的包覆结构中。

1m3可燃冰可转化为164m3的天然气和0.8m3的水。因此，可燃冰可以看成是浓缩的甲烷，燃烧值极高。可燃冰的能量密度是煤的10倍左右，是一种能量密度高的能源。1m3可燃冰完全燃烧的热值相当于164m3天然气燃烧的热值。

据专家估计，地壳中蕴藏的可燃冰中有机碳含量相当于目前已知的煤、石油和天然气总量的两倍。全世界石油总储量只有2700亿～6500亿吨。按照目前的消耗速度，再有50～60年，全世界的石油资源将消耗殆尽。而可燃冰资源分布广泛且储量巨大，全球约27%的陆地和90%的海底区域具备可燃冰形成的条件。海底可燃冰分布的范围约4000万平方千米，占海洋总面积的10%，储量够人类使用1000年。可燃冰的发现，让陷入能源危机的人类看到新希望。可燃冰高效、清洁、储量大，且完全燃烧的产物不会造成环境污染。因此，成为解决能源紧缺问题的最好的自然资源，被世界各国视作战略性替代能源。可燃冰的勘探、开发，对国家的后续能源供应和经济的可持续发展，具有重大战略意义。

迄今，世界上至少有30多个国家和地区在进行可燃冰的研究与调查勘探。1988年，美国科学家预测，全球可燃冰资源量相当于21万亿吨油当量。美国于1969年开始实施可燃冰调查。1998年，把可燃冰作为国家发展的战略能源列入国家级长远计划。1960年，苏联在西伯利亚发现了第一个可燃冰气藏，并于1969年投入开发。日本在1992年开始关注可燃冰。目前，已基本完成周边海域的可燃冰调查与评价，钻探了7口探井，圈定了12块矿集区，并成功取得可燃冰样本。

我国探测证据表明，仅我国南海北部的可燃冰储量，就已达到我国陆上石油总量的一半左右；此外，在西沙海槽已初步圈出可燃冰5242km2，其资源估算达4.1万亿立方米。我国地质调查局预测，我国海域天然气水合物资源量相当于800亿吨油当量，与全国陆海常规和非常规天然气地质资源量总和大致相当。我国从1993年起成为纯石油进口国，预计到2020年，石油净进口量将增至2亿吨左右。可燃冰的勘探、开采、利用也就必然成为关系到我国经济发展、社会稳定繁荣的具有战略意义的问题。

1.3　可燃冰的形成条件

勘探发现，地壳里绝大部分的天然气水合物分布在海底300～500m以下，主要附存于陆坡、岛屿和盆地的表层沉积物或沉积岩中，也可以散布于洋底以颗粒状存在。在高纬度地区（南北极冻土区）的永久冻土带也存在天然气水合物。

这些地区的天然气水合物是怎么形成的呢？科学家对此做了许多研究。

1778年，英国化学家普得斯特里着手研究气体生成气体水合物的温度和压力。1934年，苏联西伯利亚地区在油气管道和加工设备中发现了有冰状固体堵塞管道的现象，发现这些固体是天然气水合物，一位美国学者发表了水合物造成天然气输气管线堵塞的有关数据，人们开始更加详细地研究天然气水合物和它的性质。1965年苏联科学家依据研究预言，天然气的水合物可能存在于海洋底部的地表层中。这一预测已被勘察证实。到目前，已经在北极、西伯利亚、日本周围海域、我国南海海域的深海海底发现蕴藏着大量甲烷水合物。

化学家、原清华大学宋心琦教授，引用美国《化学工程与新闻》上的一篇文献指出，水在超临界状态对于很多气体和物质，具有几乎无限制的溶解能力，接近于气体互相扩散的情况；甲烷在可燃冰层中的均匀分布应当与此有关。

什么是水的“超临界状态”呢？

许多物质有我们常见的气态、液态、固态三种状态（物质除上述三种状态外，还有第四态——等离子体和第五态——超固态）。无论哪种物质处于固体状态，都有一定的形状、大小，因为固体中分子或原子只能围绕各自的平衡位置微小振动；以液体存在，就有一定体积，其形状会随容器而定，易流动，不易压缩，因为液体的分子或原子没有固定的平衡位置，可以在一定范围内自由移动，但还不能分散远离；气体没有固定的体积和形状，自发地充满容器，易流动，易压缩，因为气体的分子或原子总是作无规则热运动，分子或原子间不能维持一定的距离，可以彼此远离。

外界条件（如温度、压力）改变，物质可以从一个相态演变为另一个相态，这个过程被称为相变。固态物质融化，从固态变为液态，物质从液态冻结变为固态，液态物质沸腾变为气态，气态物质凝结成液态，这些状态变化都是相变。

某些气态或液态物质，还可以处于气液两相性质非常相近、以至于无法分别的状态。这种特殊状态，称为“超临界状态”，处于超临界状态的液体称为“超临界液体”（SCF）。

物质所处的状态，受到一定的温度、压力的限制。温度、压力变化达到某个数值时，物质存在的状态会发生变化。在常压（1atm，1atm=101325Pa）下，温度从常温上升到100℃，水会沸腾，从液态转变为气态（水蒸气）；在常压下，温度从常温下降到0℃，水会凝结，从液态转变为固态（冰）。在直角坐标系中描绘物质发生相变的温度、压力条件的数据点，把这些点连接成曲线，就能得到该物质的相图。图1-6是水的相图。坐标系的两个坐标轴分别表示压力和温度的数值，图中三段曲线上的各点是发生某类相变时的温度和压力。三段曲线分别表示液相-固相、液相-气相、固相-气相的转变的温度和压力。三段曲线称为相界。曲线把坐标系区间分割成三个区域，分别是固、液、气三相存在的压力和温度范围。从图中可以看到，在1atm、100℃时水从液相转变为气相；压力降低，水沸腾的温度也降低。而在1atm、0℃时，水从固相转变为液相；压力增大，熔点降低。在0.006atm、0.0098℃时，水可以三相共存（三相处于动态平衡），这一点称为水的三相点。从图中可以观察到，在374℃、218atm处，水的液态和气态的相界中断了，说明在该温度、压力以上水的液态和气态无法区分。374℃、218atm是液态水的临界点。在稍高于该点温度、压力的条件下水处于超临界状态，是“超临界液体”（超临界水）。超临界液体也是物质在某个温度、压力下呈现的一种状态。某种气体或液体处于高于某一温度（临界温度，Tc）和压力（临界压力，Pc）而又接近该温度、压力的条件下，就呈现出超临界状态。

同一种物质的气态和液态，密度不同。体系的密度可因压力而变化，在几千帕的压力范围内，压力的变化可以使得水等液体的密度发生很大变化。如果对气体不断地加压，气体的密度就会不断增加；而给液体不断地加温，液体就会不断地膨胀，与此同时，密度却会不断地下降。例如，常温常压下水的密度在1kg/L左右，而在临界点的水密度只有0.3kg/L。物质温度和压力，略高于临界点时，处于超临界状态。此时，液态和气态无法区分，液态和气态之间的分界线逐渐消失，密度趋于相等。处于超临界状态的水，具有许多独特的性质，如黏度小、黏度和扩散系数接近水蒸气；密度和溶剂化能力接近液态水；密度、扩散系数、溶剂化能力等性质随温度和压力变化十分敏感。当超临界水的密度达到足够大时，不仅一些常见的物质，如食盐、白糖等在其中可以溶解，一些平时不溶于水的物质如汽油、白蜡等也可以变得像酒精一样和水完全混溶。甲烷和其他的碳氢化合物与高密度的超临界水可以完全混溶。地球化学家认为这种超常性质是了解地壳深处矿物形成过程的一把钥匙。

据研究，天然气水合物的形成有三个基本条件：地底要有大量的天然气气源、低温和高压。一般需要低于10℃的温度和大于100atm的压力（水深1000m以下）。天然气水合物的生成过程实际上是水合物-溶液-气体三相平衡变化的过程，任何能影响相平衡的因素都能影响水合物的生成/分解过程。如温度升高或压力降低，水合物就分解成天然气和水，即由固相变为气相和液相；反之，天然气和水又可生成水合物。现在科学家们已经可以通过试验数据获得水合物稳定性的平衡温压曲线，并根据该曲线对比陆地或海底地层的实际温度和压力，求出水合物形成带的厚度与深度。理论上讲，在水合物稳定带内只要同时具有充足的天然气和水就可以形成天然气水合物。实验表明，有大量气源和水，0℃时，30atm以上它就可能生成。2002年，在青岛海洋地质研究所的天然气水合物模拟实验室中我国科学家首次合成出了“可燃冰”，并成功地点燃了提取出的气体。实验通过模拟海底低温高压的环境使反应釜中的水和气体发生了变化，形成可燃冰。把水放在高压釜里，把釜里的空气抽出来，用磁力搅拌器搅拌使气体溶在水里，在降温过程中，水合物逐渐由小到大最终结成雪块状物质，漂在水的上面。经过几十个小时，固化后的天然气水合物就成了“可燃冰”。

关于可燃冰的成因，目前主要有两种观点。一种观点认为天然气水合物中的甲烷大多数是当地生物活动产生的。海底的有机物沉淀都有几千、几万年甚至更久远的历史，鱼虾、藻类体内的碳，经过生物转化，形成充足的甲烷气源。海底的动植物残骸腐烂产生细菌，细菌排出甲烷。海底的地层是多孔介质，在温度、压力和气源三项条件都具备的情况下，便会在介质的空隙中生成甲烷水合物的晶体。另一种观点认为可燃冰由海洋板块活动形成。当海洋板块下沉时，较古老的海底地壳会下沉到地球内部，海底石油和天然气便随板块的边缘涌上表面。当在深海压力下接触到冰冷的海水，天然气与海水产生化学作用，形成水合物。

2017年9月我国中央电视台报道，我国科学考察队用无人潜水器携带的深海激光拉曼光谱探针，首次在我国南海约1100m的深海海底，探测到两个站点中存在裸露于海底的可燃冰。一个站点分布在冷泉化能极端生物群落中，另一个站点位于一个活动的冷泉喷口的内壁。裸露在海底表面的天然气水合物则需要大量的深海冷泉流体作为气源，极难存在。数据显示，快速生成的天然气水合物并非单一的笼状结构，其内部存在大量的甲烷、硫化氢等自由气体。新发现的裸露的天然气水合物是怎么形成的，以及它的结构之谜，还需要人们的探究。事实再一次证明，科学的发现和探究，是无止境的。

1.4　可燃冰开采的难度

可燃冰开采难度大，目前距离大规模商业开采还有很长一段路要走。

这是由于可燃冰在低温高压的海底或深部陆地冻土区以固体形式存在。大多数情况下可燃冰与地层中的土颗粒相互混合（图1-7），很少出现纯净的完整可燃冰矿藏。可燃冰一般埋藏在海底500m以下的地方，其封存靠零度以下的低温。可燃冰上面没有任何盖层，只要温度升高了，冰融化了，水合物中的甲烷气就会从海底各处溢出来。同时，可燃冰又是大面积连续分布在海底之下的。由于开采活动，可燃冰开采层及周围的温度会上升。当温度高于冰的熔点时，绝大部分甲烷气体不会顺着管道往外流，它可以不受限制地从四处溢出。开采过程可能引起地层不稳定以及气体泄漏，如果海底出现大面积甲烷气溢出，就会成为生态灾难。

当可燃冰分解成天然气时土中孔隙增大而且体积膨胀，这个过程如同蒸馒头时面粉内产生大量气泡导致体积膨胀。当土中孔隙增大时，地层内部的连接能力减弱甚至发生破裂，将会产生巨大变形甚至触发大规模的海底滑坡，对开采平台、海底管线与光缆等基础设施造成巨大破坏。当地层破裂面整体贯通后，可燃冰分解出的甲烷会通过破裂面泄漏出来并排放到大气中，将导致比二氧化碳更严重的增强温室效应（甲烷所起的作用比二氧化碳大10～25倍）。大规模泄漏可能会引起全球性的气象灾难。此外，陆缘海边的可燃冰开采，如果出现井喷事故，就会造成海水汽化，发生海啸。天然气水合物经常作为沉积物的胶结物存在，它对沉积物的强度起着关键的作用。天然气水合物的分解能够影响沉积物的强度，进而诱发海底滑坡等地质灾害的发生。

可燃冰开采真正的技术难题不是如何能把气开采出来，而是开采气的同时不使温度升高，不使甲烷气从海底溢出。如何保证开采过程中固体可燃冰能安全释放为天然气，是一个关键问题。世界上至今都还没有完美的开采方案。研究可燃冰在地层中赋存的温度和压力条件、可燃冰分解过程中地层的力学稳定性，对可燃冰资源安全开采具有重要的指导意义。

令我们自豪的是，几年来我国科学家在可燃冰资源勘察方面，在可燃冰开采的关键技术问题的研究方面都取得了丰硕的研究成果。这些成果为2017年可燃冰的成功试采开辟了道路。在南海的可燃冰试开采，实现了多项有关可燃冰成矿、贮藏、开采的系统理论，实现了六大技术体系、二十项关键技术和三项重大工程管理系统的自主创新。在连续产气的22天里，平均日产8350m3，气压气流稳定，井底状态良好。在试采过程中，利用大气、海水、海底和井下四位一体监测体系，对甲烷、二氧化碳等参数及海底沉降进行的实时监测说明，开采过程海底地形无变化、没有环境污染、没有发生地质灾害。

1.5　沼气的生产和利用

沼气原指产生于池沼底部或农村沼气池的气体（图1-8）。20世纪50～60年代，我国曾形成兴建沼气池、使用沼气作为生活燃料的热潮。利用垃圾生产沼气，不仅可解决城市垃圾处理问题，还可以制得燃料，用于发电。

沼气是由意大利物理学家A.沃尔塔于1776年在沼泽地发现的，利用厌氧消化产生沼气的研究和应用也已有一百多年的历史。当今世界，城市大量的生活垃圾的处理成为一个问题。利用城市生活垃圾和污水污泥混合料进行的一系列研究试验表明，可以运用厌氧发酵处理城市生活垃圾产生沼气。

厌氧发酵又称为厌氧消化，是指在一定条件下，几种微生物的组合体将有机物转化为甲烷、二氧化碳、硫化氢、无机营养物质和腐殖质的过程。自然界中厌氧发酵过程广泛存在着，它是一个复杂的生物化学过程。有机物不断被分解，最后将其中大部分的碳以甲烷和二氧化碳的形式释放出来。被分解的有机化合物的能量大部分储存在生成的甲烷中，仅有一小部分氧化成二氧化碳，释放的能量供给微生物生命活动的需要。20世纪，科学家分离出产甲烷的厌氧细菌（沼气菌），进一步揭示出了有机物厌氧消化产生沼气的微生物学机理。

沼气菌是一种厌气细菌，如发酵性细菌、产氢产乙酸菌、耗氢产乙酸菌、食氢产甲烷菌、食乙酸产甲烷菌等。它们的整个生命活动，（生长、发育、繁殖代谢等）都不需要氧气，广泛存在于阴沟、粪坑、旧沼气池底部的污泥沉沙中。沼气菌有各自不同的代谢方式，但都能在没有硝酸盐、硫酸盐、氧气和光线的条件下，在弱碱性环境中（pH 6.5～7.5）和适宜的温度（28～30℃）下，通过复杂的生化反应分解有机物，形成沼气。垃圾中的复杂有机物质在菌种水解酶的作用下，先生成相应的复杂有机物（如单糖、脂肪酸、氨基酸等），继而在水解性细菌胞内酶的作用下，分解成乙酸、丙酸、丁酸、乳酸、乙醇以及CO2和H2等，然后在产氢产乙酸菌或耗氢产乙酸菌的作用下，将上述产物转化成乙酸，再经过食氢产甲烷菌或食乙酸产甲烷菌的作用，分解乙酸产生甲烷。

1896年，英国小城市Exeter建起了一座处理生活污水污泥的厌氧消化池，所产沼气成为一条街道的照明燃料。1906年印度建造了利用人粪生产沼气的沼气池。20世纪五六十年代，我国农村修建的家用沼气池，发酵的原料是禽畜粪便、农作物秸秆、青草等有机物质及淀粉厂、糖厂、酒精厂的污水。新建的沼气池，在加入发酵原料的同时要加入沼气发酵液。沼气发酵液也可以用农村较为肥沃的阴沟污泥，添加人畜粪便堆沤1周左右来代替。生成的沼气，每立方米完全燃烧释放出的热量可以烧开水45kg。一个四口家庭，每天煮饭、烧水、照明用1.5m3左右的沼气就足够了。发酵后的渣肥（沼肥）是高效有机肥。在农村地区，利用人和动物排泄物、秸秆、蚕沙生产沼气的技术已经趋于成熟。

城市生活垃圾中有大量含有有机物成分的废弃物，如废纸、废木料、厨房菜渣、果皮、菜皮叶、剩饭菜、人和动物排泄物等，其中可生物降解的物质含量很高。常见的垃圾处理方法是填埋和焚烧。填埋会造成土壤、地下水污染等，焚烧会产生大量CO2及有害气体，带来各种环境问题。

近十年来，利用垃圾生产沼气成为城市垃圾处理发展的趋势（图1-9）。垃圾厌氧消化系统在德国、瑞士、奥地利、芬兰、瑞典等国家发展尤其迅速，日本荏原公司也从欧洲引进技术，在日本建设了首座厌氧消化示范工程。随着我国城市的发展，城市垃圾的产生量可达到数百亿吨，随着垃圾分类收集工作的大力推广与发展，必将有更多的厨余类有机垃圾被分选出来，可用来进行厌氧消化处理。

垃圾填埋产生的填埋气富含沼气，填埋与沼气化技术工艺是世界各国普遍采用的工艺。垃圾填埋场所产生的填埋气，可以集中用于发电、也可转化为管道天然气。美国对垃圾填埋的利用发展较快，1982—1990年，利用填埋沼气的填埋场由16个发展到244个。据估算，美国全国天然气消费量的1%可以被填埋气体中的甲烷所代替，全国约有1000个填埋场适合开展填埋气体的利用，每年可产生570亿立方米的沼气，如果全部加以利用相当于4亿～5亿美元的价值。欧洲第一个完全使用垃圾填埋的沼气发电的工厂建于1987年。截至1990年，欧盟的垃圾填埋的沼气利用项目就有175个。欧洲对填埋沼气的利用以将其转换为热能和发电为主。拉丁美洲自1977年以来，已完成5个填埋沼气利用项目，使拉丁美洲的发展中国家在这一领域居于领先地位。填埋沼气经过净化后主要用于厨房、照明、机动车燃料和管道煤气，年利用量约为2.17亿立方米。

目前我国城市垃圾状况和管理方式正从单纯的末端处理向源头治理和综合管理方向发展。采用填埋与沼气化技术工艺处理城市生活垃圾也将成为一个非常重要方法。例如，深圳下坪填埋气制取天然气项目2014年开始建设，2015年3月已经投产。计划天然气年产量4500万立方米，年产值1.2亿元人民币，年碳减排量达到80万吨。该项目的实施既可治理填埋场产生的臭气，又可将沼气转变为能源——天然气。该项目是目前国内建成的最大的生活垃圾填埋气制取天然气项目，为国内填埋场填埋气的利用和节能减排提供了示范。