第一章 农村沼气相关基础知识

第一节 沼气的概念与特性

本章所论述的沼气，是指利用人工的方法所获得的“人工沼气”，研究人工制取和利用沼气的科学，称为沼气工程学。沼气工程学涉及微生物学、化学、力学、建筑、机械、热工、电力、土壤肥料、环保卫生等多种学科，只有掌握有关沼气的基础知识，才能更好地为沼气建设事业服务，为生态家园建设作出更大的贡献。

一、什么是沼气

在日常生活中，特别是在气温较高的夏、秋季节，人们经常可以看到从死水塘、污水沟、储粪池中咕嘟咕嘟地向表面冒出许多小气泡，如果把这些小气泡收集起来，用火去点，便可产生蓝色的火苗，这种可以燃烧的气体就是沼气。由于它最初是从沼泽中发现的（图1-1），所以叫做沼气。沼气又是有机物质在厌氧条件下产生出来的气体，因此又称为生物气。

沼气实质上是人畜粪尿、生活污水和植物茎叶等有机物质在一定的水分、温度和厌氧条件下，经沼气微生物的发酵转换而成的一种方便、清洁、优质、高品位气体燃料，可以直接炊事和照明，也可以供热、烘干、贮粮。沼气发酵剩余物是一种高效有机肥料和养殖辅助营养料，与农业主导产业相结合，进行综合利用，可产生显著的综合效益。

二、沼气的来源

沼气发酵是自然界中普遍而典型的物质循环过程，按其来源不同，可分为天然沼气和人工沼气两大类。天然沼气是在没有人工干预的情况下，由于特殊的自然环境条件而形成的。除广泛存在于粪坑、阴沟、池塘等自然界厌氧生态系统外，地层深处的古代有机体在逐渐形成石油的过程中，也产生一种性质近似于沼气的可燃性气体，叫做“天然气”。人类在分析掌握了自然界产生沼气的规律后，便有意识地模仿自然环境建造沼气池，将各种有机物质作为原料，用人工的方法制取沼气，这就是“人工沼气”。人工沼气的性质近似于天然气，但也有不同之处，其主要不同点见表1-1。

三、沼气的成分

无论是天然产生的，还是人工制取的沼气，都是以甲烷为主要有效成分的混合气体，其成分不仅随发酵原料的种类及相对含量不同而有变化，而且因发酵条件及发酵阶段各有差异。一般情况下，沼气中的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氢（H2S）、氢（H2）、一氧化碳（CO）、氮气（N2）等气体。其中，甲烷占50%～70%、二氧化碳占30%～40%，其他成分含量极少。沼气中的甲烷、氢气、一氧化碳等是可以燃烧的气体，人类主要利用这一部分气体的燃烧来获得能量。

四、沼气的性质

沼气是一种无色气体，由于它常含有微量的硫化氢（H2S）气体，所以，脱除硫化氢前，有轻微的臭鸡蛋味，燃烧后，臭鸡蛋味消除。沼气的主要成分是甲烷，它的理化性质也近似于甲烷。

（1）热值 甲烷是一种发热值相当高的优质气体燃料。lm3纯甲烷，在标准状况下完全燃烧，可放出约35822kJ的热量，最高温度可达1400 ℃。而标准沼气中因含有其他杂质气体，发热量要稍低一点，约为20000kJ/m3，最高燃烧温度可达1200 ℃。因此，在人工制取沼气中，应创造适宜的发酵条件，以提高沼气中甲烷的含量。

（2）比重 与空气相比，甲烷的比重为0.55，标准沼气的比重为0.94。因此，在沼气池气室中，沼气较轻，分布在上层；二氧化碳较重，分布于下层。沼气比空气轻，在空气中容易扩散，扩散速度比空气快3倍。当空气中甲烷的含量达25%～30%时，对人畜有一定的麻醉作用。

（3）溶解度 甲烷在水中的溶解度很小，在20 ℃、一个大气压下，100单位体积的水只能溶解3个单位体积的甲烷，这就是沼气不但在淹水条件下生成，还可用排水法收集的原因。

（4）临界温度和压力 气体从气态变成液态时，所需要的温度和压力称为临界温度和临界压力。标准沼气的平均临界温度为-37 ℃，平均临界压力为56.64×105Pa（即约56.64个大气压力）。这说明沼气液化的条件是相当苛刻的，也是目前沼气只能以管道输气，不能液化装罐作为商品能源交易的原因。

（5）分子结构与尺寸 甲烷的分子结构是一个碳原子和四个氢原子构成的等边三角四面体，分子量为16.04。其分子直径为3.76×10-10m，约为水泥砂浆孔隙的1/4，这是研制复合涂料，提高沼气池密封性的重要依据。

（6）燃烧特性 甲烷是一种优质气体燃料，一个体积的甲烷需要两个体积的氧气才能完全燃烧。氧气约占空气的1/5，而沼气中甲烷含量为60%～70%，所以，一个体积的沼气需要6～7个体积的空气才能充分燃烧。这是研制沼气用具和正确使用灶具的重要依据。

（7）爆炸极限 在常压下，标准沼气与空气混合的爆炸极限是8.80%～24.4%，沼气与空气按1∶10的比例混合，在封闭条件下，遇到火会迅速燃烧、膨胀，产生很大的推动力。因此，沼气除了可以用于炊事、照明外，还可以用做动力燃料。

了解和熟悉沼气的上述主要理化性质，对于制取和利用沼气很有必要。

五、沼气的功能与效应

1．能源功能与效应

沼气具有能源功能是因为人们可以从沼气中获得生活用能，借助于沼气燃烧过程中释放的能量可以满足生活需求，如做饭、供暖、照明等。从分类上讲，沼气属于二次能源，来源于生物质能，是可再生能源。农村户用沼气池的建池体积一般是8～10m3，如果使用新型高效沼气池技术，一年可产生沼气380～450m3，提供的热能能够解决3～5口人的农户10个月左右的生活燃料，年可节省柴草2000kg以上，节约电200千瓦·时左右，仅此两项可节约200～400元的开支，另外还能减少作物秸秆的燃烧。

随着社会的发展，农村的进步，人口的增多，沼气逐渐成为当代农村的重要能源，正在逐步替代农村原有传统能源，将是未来现代化农村的主体能源形式之一。

2．环境卫生功能与效应

沼气能够净化农村家居庭院，创造卫生健康的生活环境。我国农村过去大多居住环境较差，人畜粪便在院内院外露天堆放，多数情况下疏于管理，成为蚊蝇孳生之地。同时，农户养殖业近几年的方兴未艾，一些地方的养殖大户的畜禽粪便处理成为棘手的问题。通过引入沼气系统，重新合理规划厕所、畜圈禽舍，把人、畜、禽粪便从地面引入地下，利用厌氧微生物发酵原理，一能获得洁净能源——沼气；二能生产出充分腐熟的有机肥料——沼液和沼渣；三能消灭、杀死人畜禽粪便中虫卵和病菌，使农村庭院结构从杂乱无序到整齐有序，从脏乱到洁净。更重要的是因沼气系统在农村的引入，刺激与加快了农村村容、村貌的变化，农村按功能统一规划，出现了畜牧养殖小区、住宅小区和农产品加工小区，街道也进行了水泥硬化处理，院内院外干净整洁，蚊子、苍蝇减少，居住与生活环境大为改善与改观，农村也有像城市一样的面貌。已受益农民、农村对沼气带来的巨大变化十分认同，大大地促进了社会主义新农村建设步伐。

3．生态功能和效应

沼气的生态功能首先体现在它能够替代农村传统能源——秸秆、薪柴，缓解农村能源紧缺的局面，改变农村能源结构，从而节省农户秸秆，特别是减少了对薪柴的砍伐，保护了植被，减少水土流失，促进了生态环境的恢复与改善。据推算，一个8m3的户用沼气池，一年所产沼气的能量相当于0.2hm2的薪炭林所产薪柴的能量。因此，推广户用沼气池相当于保护乔灌植被，其生态效益十分可观，特别在生态环境脆弱的西部地区尤其如此。农村户用沼气池推广范围越广泛，推广数量越大，其生态效益越显著。在越来越重视生态环境建设的当今社会，沼气技术无疑是推动实现山川秀美的有力措施。

另外，沼气的生态功能还体现在它能生产出绿色无污染食品。现代农业由于大量施用农药，导致有害物质残留于农产品中，降低了使用价值，直接危害人类健康。同时还大量施用化肥，尽管产量上去了，但品质却下来了，农产品特有的色、香、味不存在了，这样的食品消费者极不满意。沼气发酵系统生产的优质无毒、无污染的有机肥料——沼液和沼渣，可以施入农田、果园与菜地，沼液不仅可做农作物的全素营养液，而且是预防和防治农作物病虫害的“生物农药”，这一点在高效设施农业中有着重要地位和巨大作用，不仅降低和减少了农民在农药和化肥上的投资成本，而且向市场提供让消费者满意放心的安全绿色食品。

4．经济功能和效益

沼气除直接的能源效益外，还可带来直接的经济效益，它是农业生态系统的核心与纽带，刺激和带动农村的种、加、养发展，拓展农民致富的渠道，更重要的是还能发展绿色无污染农产品，其产值成倍增加。在不同的农业生态模式中，其效益表现不尽相同，只要农畜产品及其加工产品适销对路，得到市场认同，形成产业化就会产生可观的经济效益。目前，沼气与设施养殖及设施种植相结合的模式，经济效益最好。沼气除了创造经济效益外，其节支效益也比较明显，如户用新型沼气池全年可节约柴草2000kg，节电200千瓦·时，燃料节支可达300元，电费节支100元。户用沼气池一年生产的沼肥相当于50kg硫酸铵、40kg过磷酸钙和15kg氯化钾，化肥节支200元。

5．社会功能与效应

沼气的社会功能与效应主要体现在：①为社会提供丰富、优质的农产品；②既能推动农业发展，又能引导农民增收；③解放妇女劳动力，优化农村劳动力结构；④可促进农村精神文明建设。