第一章
1、沼气的产生
沼气是多种有机质在一定温度、湿度、酸碱度及厌氧条件下，经微生物分解代谢所产生的一种可燃性混合气体。
沼气的产生过程称为沼气发酵，国际上统称厌氧消化。
地球上每年由光合作用生成4×10吨有机物，其中约5%以不同形式在厌氧条件下被微生物分解生成沼气。
2、沼气的主要成分
沼气是一种混合气体，除主要成分甲烷（CH4）外，还含有二氧化碳（CO2）、硫化氢（H2S）、氢气（H2）、一氧化碳（CO）等气体，其中甲烷含量为55%～70%，二氧化碳含量为25%～40%，其他含量较低。
甲烷（CH4），最简单的有机化合物，厌氧消化的最终产物，可燃，无色、无味，极难溶于水，性质较稳定，是沼气、天然气、煤气的主要成分之一。
3、沼气的特性
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沼气热值：20000~22000kJ/m，约沼气热值：5000大卡； 煤气热值：15000kJ/m3，3580大卡； 天然气：37000~39000kJ/m，9300大卡； 液化石油气：50000kJ/m3，11900大卡；
4、沼气工程的概念：最初是指以粪便、秸秆等农业废弃物为原料，以沼气生产为目标的系统工程。单纯追求能源生产。目前已拓展为以各种有机废弃物厌氧发酵为手段，以追求能源为目标，最终实现沼气、沼液、沼渣的综合利用。
5、请通过文献查阅，了解沼气工程在我国的发展历史、现状及存在问题； 第二章
1、原料有机物含量和沼气产量评价指标 （1）总固体（TS）
又称干物质浓度，指将一定量的原料放置在100~105℃烘箱内，烘干至恒重，烘干物质占总重的百分比。单位：%
（2） 悬浮固体含量（SS）
是指水中不能通过过滤器的固体物。测定方法：定量滤纸过滤水样，将滤渣于100~105℃烘干称重得出。单位：g/L或mg/L
（3）挥发性固体（VS）和挥发性悬浮固体（VSS）
将测过TS和SS的残留物进一步放于马弗炉中，于550±50 ℃灼烧至恒重，挥发部分占原烘干物的质量百分比。单位：% （4）总有机碳（TOC）
样品中有机碳（物质）的含量，CH4的物质来源。单位：mg/L或mg/kg； （5）化学需氧量（COD）
指在一定条件下，水中的有机物被强氧化剂（重铬酸钾）完全氧化，消耗氧化剂的量，以氧气（O2）表示。单位：mg/L
（6）生化需氧量（COD）
由于微生物活动，将水中的有机物氧化分解所消耗的氧的量。通常用在20 ℃恒温培养5d，所消耗的溶解氧的量来衡量，用BOD5。
（7）BOD5/COD
反应水中有机物被微生物分解程度。最大0.58。
（8）原料产气量（产气潜力）
指单位质量或单位体积的原料，在适宜条件下经厌氧微生物完全消化所产生的沼气量。
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单位：L/（kg·TS）或L/（kg·VS）
（9）产气速率
指单位时间的产气量。单位： L/h
（10）池容产气率
指单位时间、单位发酵罐容积的产气量。单位：m3/m3·d
2、厌氧反应器的运行参数
（1）容积负荷
消化器单位体积每天所承受（能消化分解）的有机物的量，通常以kgCOD/m·d表示。沼气工程上常用kgTS/m3·d或kgVS/m3·d表示。 容积负荷是消化器设计和运行的重要参数。 （2）厌氧反应器污泥负荷
指每千克厌氧活性污泥每天所承受的有机物的量，单位：
kgCOD/（VSS·d）。是衡量厌氧活性污泥活性（对有机物分解能力）的重要指标。 （3）水力滞留时间（HRT）
指进入消化器的水在反应器内的平均停留时间，单位d或h。
HRT（d）=消化器有效容积（m3）/每天进料量（m3）
（4）污泥停留时间（SRT）
单位生物量在处理系统中的平均停留时间。 （5）污泥体积指数（SVI）
曝气池出口处的混合液在静置30min后，每克悬浮固体所占的体积（mL）。或单位体积水样在静置30min后，污泥的体积数（mL）。 是衡量污泥沉降性能的重要指标。
（6）污泥的比产甲烷活性
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指单位质量的厌氧活性污泥产甲烷的最大速率。单位：m·CH4/（kgVSS·d）。 该参数表示了厌氧活性污泥所具有的潜在产甲烷能力。 3、沼气发酵的特点
沼气发酵是一个复杂的生物化学过程，具有以下特点：
（1）参与发酵微生物种类繁多，混菌发酵。
（2）发酵原料复杂，来源广泛，可处理高浓度有机废水（COD大于50000mg/L）； （3）厌氧发酵自身能耗低，相同条件下仅为好氧分解的1/30~1/20； （4）沼气发酵装置（厌氧反应器）种类繁多，条件适合，均可产气； （5）产甲烷菌要求氧化还原电位-330mv以下，即严格厌氧环境。 4、参与沼气发酵的细菌（沼气发酵的微生物类群） （1）发酵性细菌
水解纤维素、蛋白质、脂类为可溶性糖类、肽、氨基酸和脂肪酸等。 水解菌（大多为厌氧菌，也有兼性菌）：梭状芽孢杆菌、拟杆菌、丁酸菌、嗜热双歧杆菌、产气梭状芽孢杆菌、产琥珀酸梭状菌、北京丙酸杆菌和产氢螺旋体等。 （2）产氢产乙酸菌
将上述分解物（主要为有机酸）进一步分解为乙酸、H2和CO2
（3）耗氢产乙酸菌 将H2和CO2合成为乙酸，以及代谢糖类产生乙酸。
（4）产甲烷菌
甲烷形成是由一群生理上高度专化的细菌——产甲烷菌所引起的。产甲烷菌是厌氧消化过程中所形成的食物链中的最后一组成员。 将乙酸和H2/CO2转化为沼气。
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（5）不产甲烷菌
沼气发酵系统中不直接产生甲烷的微生物，主要包括一些好氧菌、兼性厌氧菌和专性厌氧菌。 主要作用为将复杂的大分子有机物降解成简单小分子有机物。二者的关系： ①不产甲烷菌为产甲烷菌提供食物；
②不产甲烷菌为产甲烷菌创造适宜的厌氧环境； ③不产甲烷菌为产甲烷菌清除有毒物质；
④产甲烷菌为不产甲烷菌清除代谢废物，解除反馈抑制； ⑤不产甲烷菌与产甲烷菌共同维持发酵环境的pH值。
5、沼气发酵的三阶段理论
1979年，Bryant等人提出，将沼气发酵过程分成由三大代谢类群微生物引起的三阶段理论，即水解阶段、产酸阶段和产甲烷阶段；
6、沼气发酵的基本条件 （1）严格厌氧环境
（2）适宜、稳定的发酵温度（8 ℃ ~65℃）
常温：15~30 ℃；中温：35 ℃左右；高温：55 ℃左右
（3）充足、质优的发酵原料
粪便、秸秆等农业有机废弃物及酒糟、糖渣、高浓度有机肥水等工业有机废弃物。 （4）适宜的料液浓度（以TS浓度计算）
6%~12%，南方偏低、北方偏高，夏天偏低、冬天偏高。 （5）适宜的酸碱度
沼气微生物最适宜的pH值范围是6.8~7.5，即中性稍偏碱。
（6）合适的C、N、P等营养元素比例 C：N一般（20~30）：1为佳；
C：N：P比例以10：4：0.8为宜。
（7）适量的添加剂和严格控制的抑制剂（毒性物质）
（8）合理的搅拌
搅拌有利于发酵原料与沼气发酵微生物充分接触，混合均匀，促进传质；有利于产生沼气及时逸出，具有破壳作用；搅拌可明显提高沼气工程产气效率，对各规模沼气工程均十分重要。 （9）充足的接种物（活性污泥） 正常发酵沼气池发酵液、阴沟底泥或自行培养等厌氧环境下的含有沼气发酵微生物菌群的微生物体系，良好的接种物是沼气发酵快速启动、稳定运行的基础。
厌氧消化过程生成的H2S使污泥呈黑色，因此发育良好的污泥一般为油亮的黑色。 一般采用每克VSS的每天最大甲烷产量750mL的污泥作为标准厌氧活性污泥。接种物用量一般在10-30%，需根据工程实际及接种物质量灵活调整；
（10）合理的消化器容积负荷：需根据不同发酵阶段、原料类型、工程效率等来确定。
7、几种常见厌氧反应器的优缺点 （1）常规厌氧反应器（常规沼气池）
密闭池体，无搅拌装置，结构简单、应用广泛；
原料在消化器内自然沉降分层：浮渣层、上清液层、活性层、沉渣层；
厌氧消化活动旺盛场所只限于活性层，因而效率低。多于常温下运行，批量或半批量发酵。我国农村水压式沼气池属于此类。
（2）全混式反应器（CSTR）
在常规厌氧反应器内安装了搅拌装置，是发酵原料和微生物处于完全混合状态，因此活性区遍布整个消化器，其效率比常规消化器明显提高，故又名高速消化器。
运行方式上常采用恒温连续投料或半连续投料，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。中温发酵负荷3~4kgCOD/（m·d），高温发酵5~6kgCOD/（m·d）。
优点：（1）可进入高悬浮固体原料；（2）消化器内物料混合均匀，增加了底物和微生物的接触机会；（3）消化器内温度分布均匀；（4）进入消化器的物料能够迅速分散，保持较低的浓度水平；（5）避免了浮渣、结壳、堵塞、气体逸出不畅和短流现象；
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