第一章 農村沼氣相關基礎知識

第一節 沼氣的概念與特性

本章所論述的沼氣，是指利用人工的方法所獲得的“人工沼氣”，研究人工制取和利用沼氣的科學，稱為沼氣工程學。沼氣工程學涉及微生物學、化學、力學、建筑、機械、熱工、電力、土壤肥料、環保衛生等多種學科，只有掌握有關沼氣的基礎知識，才能更好地為沼氣建設事業服務，為生態家園建設作出更大的貢獻。

一、什么是沼氣

在日常生活中，特別是在氣溫較高的夏、秋季節，人們經常可以看到從死水塘、污水溝、儲糞池中咕嘟咕嘟地向表面冒出許多小氣泡，如果把這些小氣泡收集起來，用火去點，便可產生藍色的火苗，這種可以燃燒的氣體就是沼氣。由于它最初是從沼澤中發現的（圖1-1），所以叫做沼氣。沼氣又是有機物質在厭氧條件下產生出來的氣體，因此又稱為生物氣。

沼氣實質上是人畜糞尿、生活污水和植物莖葉等有機物質在一定的水分、溫度和厭氧條件下，經沼氣微生物的發酵轉換而成的一種方便、清潔、優質、高品位氣體燃料，可以直接炊事和照明，也可以供熱、烘干、貯糧。沼氣發酵剩余物是一種高效有機肥料和養殖輔助營養料，與農業主導產業相結合，進行綜合利用，可產生顯著的綜合效益。

二、沼氣的來源

沼氣發酵是自然界中普遍而典型的物質循環過程，按其來源不同，可分為天然沼氣和人工沼氣兩大類。天然沼氣是在沒有人工干預的情況下，由于特殊的自然環境條件而形成的。除廣泛存在于糞坑、陰溝、池塘等自然界厭氧生態系統外，地層深處的古代有機體在逐漸形成石油的過程中，也產生一種性質近似于沼氣的可燃性氣體，叫做“天然氣”。人類在分析掌握了自然界產生沼氣的規律后，便有意識地模仿自然環境建造沼氣池，將各種有機物質作為原料，用人工的方法制取沼氣，這就是“人工沼氣”。人工沼氣的性質近似于天然氣，但也有不同之處，其主要不同點見表1-1。

三、沼氣的成分

無論是天然產生的，還是人工制取的沼氣，都是以甲烷為主要有效成分的混合氣體，其成分不僅隨發酵原料的種類及相對含量不同而有變化，而且因發酵條件及發酵階段各有差異。一般情況下，沼氣中的主要成分是甲烷（CH4）、二氧化碳（CO2）和少量的硫化氫（H2S）、氫（H2）、一氧化碳（CO）、氮氣（N2）等氣體。其中，甲烷占50%～70%、二氧化碳占30%～40%，其他成分含量極少。沼氣中的甲烷、氫氣、一氧化碳等是可以燃燒的氣體，人類主要利用這一部分氣體的燃燒來獲得能量。

四、沼氣的性質

沼氣是一種無色氣體，由于它常含有微量的硫化氫（H2S）氣體，所以，脫除硫化氫前，有輕微的臭雞蛋味，燃燒后，臭雞蛋味消除。沼氣的主要成分是甲烷，它的理化性質也近似于甲烷。

（1）熱值 甲烷是一種發熱值相當高的優質氣體燃料。lm3純甲烷，在標準狀況下完全燃燒，可放出約35822kJ的熱量，最高溫度可達1400 ℃。而標準沼氣中因含有其他雜質氣體，發熱量要稍低一點，約為20000kJ/m3，最高燃燒溫度可達1200 ℃。因此，在人工制取沼氣中，應創造適宜的發酵條件，以提高沼氣中甲烷的含量。

（2）比重 與空氣相比，甲烷的比重為0.55，標準沼氣的比重為0.94。因此，在沼氣池氣室中，沼氣較輕，分布在上層；二氧化碳較重，分布于下層。沼氣比空氣輕，在空氣中容易擴散，擴散速度比空氣快3倍。當空氣中甲烷的含量達25%～30%時，對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 ℃、一個大氣壓下，100單位體積的水只能溶解3個單位體積的甲烷，這就是沼氣不但在淹水條件下生成，還可用排水法收集的原因。

（4）臨界溫度和壓力 氣體從氣態變成液態時，所需要的溫度和壓力稱為臨界溫度和臨界壓力。標準沼氣的平均臨界溫度為-37 ℃，平均臨界壓力為56.64×105Pa（即約56.64個大氣壓力）。這說明沼氣液化的條件是相當苛刻的，也是目前沼氣只能以管道輸氣，不能液化裝罐作為商品能源交易的原因。

（5）分子結構與尺寸 甲烷的分子結構是一個碳原子和四個氫原子構成的等邊三角四面體，分子量為16.04。其分子直徑為3.76×10-10m，約為水泥砂漿孔隙的1/4，這是研制復合涂料，提高沼氣池密封性的重要依據。

（6）燃燒特性 甲烷是一種優質氣體燃料，一個體積的甲烷需要兩個體積的氧氣才能完全燃燒。氧氣約占空氣的1/5，而沼氣中甲烷含量為60%～70%，所以，一個體積的沼氣需要6～7個體積的空氣才能充分燃燒。這是研制沼氣用具和正確使用灶具的重要依據。

（7）爆炸極限 在常壓下，標準沼氣與空氣混合的爆炸極限是8.80%～24.4%，沼氣與空氣按1∶10的比例混合，在封閉條件下，遇到火會迅速燃燒、膨脹，產生很大的推動力。因此，沼氣除了可以用于炊事、照明外，還可以用做動力燃料。

了解和熟悉沼氣的上述主要理化性質，對于制取和利用沼氣很有必要。

五、沼氣的功能與效應

1．能源功能與效應

沼氣具有能源功能是因為人們可以從沼氣中獲得生活用能，借助于沼氣燃燒過程中釋放的能量可以滿足生活需求，如做飯、供暖、照明等。從分類上講，沼氣屬于二次能源，來源于生物質能，是可再生能源。農村戶用沼氣池的建池體積一般是8～10m3，如果使用新型高效沼氣池技術，一年可產生沼氣380～450m3，提供的熱能能夠解決3～5口人的農戶10個月左右的生活燃料，年可節省柴草2000kg以上，節約電200千瓦·時左右，僅此兩項可節約200～400元的開支，另外還能減少作物秸稈的燃燒。

隨著社會的發展，農村的進步，人口的增多，沼氣逐漸成為當代農村的重要能源，正在逐步替代農村原有傳統能源，將是未來現代化農村的主體能源形式之一。

2．環境衛生功能與效應

沼氣能夠凈化農村家居庭院，創造衛生健康的生活環境。我國農村過去大多居住環境較差，人畜糞便在院內院外露天堆放，多數情況下疏于管理，成為蚊蠅孳生之地。同時，農戶養殖業近幾年的方興未艾，一些地方的養殖大戶的畜禽糞便處理成為棘手的問題。通過引入沼氣系統，重新合理規劃廁所、畜圈禽舍，把人、畜、禽糞便從地面引入地下，利用厭氧微生物發酵原理，一能獲得潔凈能源——沼氣；二能生產出充分腐熟的有機肥料——沼液和沼渣；三能消滅、殺死人畜禽糞便中蟲卵和病菌，使農村庭院結構從雜亂無序到整齊有序，從臟亂到潔凈。更重要的是因沼氣系統在農村的引入，刺激與加快了農村村容、村貌的變化，農村按功能統一規劃，出現了畜牧養殖小區、住宅小區和農產品加工小區，街道也進行了水泥硬化處理，院內院外干凈整潔，蚊子、蒼蠅減少，居住與生活環境大為改善與改觀，農村也有像城市一樣的面貌。已受益農民、農村對沼氣帶來的巨大變化十分認同，大大地促進了社會主義新農村建設步伐。

3．生態功能和效應

沼氣的生態功能首先體現在它能夠替代農村傳統能源——秸稈、薪柴，緩解農村能源緊缺的局面，改變農村能源結構，從而節省農戶秸稈，特別是減少了對薪柴的砍伐，保護了植被，減少水土流失，促進了生態環境的恢復與改善。據推算，一個8m3的戶用沼氣池，一年所產沼氣的能量相當于0.2hm2的薪炭林所產薪柴的能量。因此，推廣戶用沼氣池相當于保護喬灌植被，其生態效益十分可觀，特別在生態環境脆弱的西部地區尤其如此。農村戶用沼氣池推廣范圍越廣泛，推廣數量越大，其生態效益越顯著。在越來越重視生態環境建設的當今社會，沼氣技術無疑是推動實現山川秀美的有力措施。

另外，沼氣的生態功能還體現在它能生產出綠色無污染食品。現代農業由于大量施用農藥，導致有害物質殘留于農產品中，降低了使用價值，直接危害人類健康。同時還大量施用化肥，盡管產量上去了，但品質卻下來了，農產品特有的色、香、味不存在了，這樣的食品消費者極不滿意。沼氣發酵系統生產的優質無毒、無污染的有機肥料——沼液和沼渣，可以施入農田、果園與菜地，沼液不僅可做農作物的全素營養液，而且是預防和防治農作物病蟲害的“生物農藥”，這一點在高效設施農業中有著重要地位和巨大作用，不僅降低和減少了農民在農藥和化肥上的投資成本，而且向市場提供讓消費者滿意放心的安全綠色食品。

4．經濟功能和效益

沼氣除直接的能源效益外，還可帶來直接的經濟效益，它是農業生態系統的核心與紐帶，刺激和帶動農村的種、加、養發展，拓展農民致富的渠道，更重要的是還能發展綠色無污染農產品，其產值成倍增加。在不同的農業生態模式中，其效益表現不盡相同，只要農畜產品及其加工產品適銷對路，得到市場認同，形成產業化就會產生可觀的經濟效益。目前，沼氣與設施養殖及設施種植相結合的模式，經濟效益最好。沼氣除了創造經濟效益外，其節支效益也比較明顯，如戶用新型沼氣池全年可節約柴草2000kg，節電200千瓦·時，燃料節支可達300元，電費節支100元。戶用沼氣池一年生產的沼肥相當于50kg硫酸銨、40kg過磷酸鈣和15kg氯化鉀，化肥節支200元。

5．社會功能與效應

沼氣的社會功能與效應主要體現在：①為社會提供豐富、優質的農產品；②既能推動農業發展，又能引導農民增收；③解放婦女勞動力，優化農村勞動力結構；④可促進農村精神文明建設。