1.1 沼气发酵原料介绍
1.1.1 畜禽养殖场的污染物排放
近年来，随着经济的发展和人们生活水平的提高，畜禽产品需求量不断增加，生产规模不断扩大，我国畜禽养殖模式已从每家每户养殖转向规模化、集约化养殖，集约化程度已发展到相当高的水平，大的养猪场已突破50×104头，养鸡场100×104只。然而随着生产规模的扩大，排放的粪便带来的污染也越严重。国家环保总局对全国23个省、自治区、直辖市进行规模化畜禽养殖业污染情况调查，结果显示：一是粪便排放量大；二是畜禽污染物波及面广且危害大，畜禽粪便的COD排放量已经远远超过工业与生活污水排放量之和；三是呈现较为严重的生态压力。调查还显示，我国畜禽粪便的总体土地负荷警戒值已经达到0.49（正常值应小于0.4）；这个值已体现出一定的环境胁迫水平和比较严重的环境压力。对环境影响比较大的大中型畜禽养殖场80%主要分布在人口比较集中、水系比较发达的东部沿海地区和诸多大城市周围；中部地区不到总数的20%；而整个西部地区仅占总量的1%左右。这些畜禽养殖场多靠近水源；畜禽养殖生产带来的环境污染问题愈来愈多，严重影响人畜健康及畜禽养殖业的可持续发展。
1.1.2畜禽养殖场的危害畜禽养殖场所排放的污染物主要是畜禽的排泄物，如果得不到妥当处理，将会造成严重的环境污染。
畜禽养殖所引起的污染主要有以下几个方面：
一、对大气的污染
畜禽排泄物迅速腐烂发酵，产生H2S、NH3、硫醇、苯酚、挥发性有机酸等上百种有害物质，加上畜禽体内排出的有害气体，对大气环境造成污染，严重影响养殖场周围居民的健康。氮沉降是构成当前环境危害的重大因素，它可造成酸雨、水体富养化，甚至导致同温层臭氧浓度的变化。
二、对水体的污染
畜禽粪便淋溶性极强，若不及时处理，便通过经流污染地表水，进而通过土壤渗滤污染地下水。畜禽粪便和废水中含有大量的有机物N、P、K、S及致病菌等污染物并有恶臭。
未经处理的高浓度有机废水的集中排放，大量消耗水体中的溶解氧，使水体变黑发臭。水中N、P等营养物促使水体富营养化，或使地下水中的硝态氮或亚硝氮浓度增高，例如，北京市集约化禽畜养殖废水中BOD5含量每年为30万t，为全市工业和生活污水中BOD5含量的3倍；仅有不足3%的粪尿废弃物在排放前经过无害化处理，绝大部分就近排入水渠汇入河道或渗入地下，一些养殖场距地面100m地下水中的氨、氮含量已超出正常值的2—3倍，严重危及养殖场周围地下水水体的质量和居民的健康，也影响了养殖业自身的可持续发展。
三、对农田环境的污染
当前畜禽粪便主要的消耗途经是作为有机肥料直接还田。畜禽粪便中含有的N、P、K是作物生长必不可少的营养元素，但是畜禽粪便中还含有大量的病源微生物和有害物质，如果不加限制地还田，其负荷超出了农田环境的消化能力，对环境构成了污染威胁。
四、传播人畜共患病
据世界卫生组织和联合国粮农组织的有关资料报道，目前全世界人畜共患疾病如炭疽、禽流感、结核病等约有250种，我国有120种，其传染途径主要是通过感染动物的粪尿、分泌物、污水、饲料和畜栏内垫草等。
五、影响畜禽的自身生长
畜禽生长的环境卫生状况与畜禽的正常生长发育有很大关系，比如由粪便产生的氨、硫化氢等气体可使猪的生产性能下降，严重时会造成仔猪中毒死亡，氨还影响猪的繁殖性能。
1.1.3其他发酵原料除了家畜、家禽粪便外，农作物秸秆、酒精废醪和餐厨垃圾及生活垃圾等都可以作为沼气工程的发酵原料，其他各种发酵原料的特点如下。
农作物秸秆是一种重要的富含有机质（80%-90%）的生物质能量源。因此，利用现代技术将作物秸秆转化为高效、洁净、方便的高品位能源—沼气，对缓解我国常规能源紧张具有重要意义。但因为秸秆中含有大量纤维素、木质素、所以其发酵速率低，需进行预处理。
酿酒生产中产生的甑底锅水和酒糟废液，含有大量的蛋白质、氨基酸等有机物，为高浓度污水，COD值高达15000mg/L以上，完全可以满足沼气发酵的关键条件（COD浓度≥1000mg/L），因此，用酿酒废水制沼气是完全可行的。
餐厨垃圾的厌氧发酵工艺源于工业污水、污泥的厌氧处理技术，是一种较成熟的应用技术，国内外关于餐厨垃圾的厌氧处理也屡见报导。餐厨垃圾厌氧生物处理的优点在于厌氧微生物的高有机负荷承受能力，全封闭的生物反应器减少了处理过程对环境的二次污染，更为重要的是在处理废弃物的同时回收生物质能(氢气、甲烷) ，这对于能源日益紧张的现今社会具有更为重要的现实意义。
2.2厌氧消化器介绍
2.2.1 常规消化反应器近年来，厌氧处理工艺发展十分迅速，各种新工艺、新方法不断出现，包括适宜处理高固含量原料的完全混合式厌氧反应器（CSTR）、升流式厌氧固体反应器(USR）和适宜处理溶解性有机物原料的升流式厌氧污泥床（UASB）、内循环厌氧反应器（IC）和厌氧接触工艺等。现对常用的工艺进行介绍。
2.2.2 USR反应器USR即升流式固体厌氧反应器（Upflow Solids Reactor），是一种在升流式厌氧微生物污泥床理论基础上发展起来的结构简单、适用于高悬浮固体有机物原料的反应器。
原料从底部进入反应器内，与反应器里的活性污泥接触，使原料得到快速消化。未消化的有机物固体颗粒和沼气发酵微生物靠自然沉降滞留于反应器内，上清液从反应器上部溢出，这样可以得到比水力滞留期高得多的固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT），从而提高了固体有机物的分解率和反应器的效率。
在畜禽养殖行业的沼气工程中，先对各类畜禽粪便及其它有机物进行预处理，除去大颗粒和粗纤维物质，进料TS浓度范围可以在1-6%，然后进入USR反应器，USR反应器采用上流式污泥床原理，容积产气率视温度不同在0.4-1.2之间。沼渣沼液COD浓度含量很高，不适宜好氧处理达标排放，一般用于农电施肥进行生态化处理，是典型的能源生态型沼气工程工艺。
2.2.3 CSTR反应器
CSTR反应器即完全混合厌氧反应器（Complete Stirred Tank Reactor），全混式厌氧发酵技术是在常规厌氧消化器内安装了搅拌装置。使发酵原料和微生物处于完全混合的状态，其效率比传统常规反应器明显提高。
CSTR反应器常采用恒温连续投料或半连续投料运行，适用于高浓度及含有大量悬浮固体原料的处理。在反应器内，新进入的原料由于搅拌作用很快与反应器内的全部发酵液混合，使发酵底物浓度始终保持相对较低状态。该反应器可采用发酵罐和储气柜一体化的设计，即在反应器的上部安装贮气膜用以储存沼气。
2.2.4 UASB反应器
UASB即升流式厌氧污泥床(Upflow Anaerobic Sludge Bed) ，UASB系统原理是在形成沉降性能良好的污泥凝絮体的基础上，并结合在反应器内设置污泥沉淀系统使气、液、固三相得到分离。UASB的技术关键是三相分离器、布水系统及该装置的运行条件，形成和保持沉淀性能良好的污泥。
废水首先被尽可能均匀的引入反应器底部，污水向上通过包含颗粒污泥或絮状污泥的污泥床。厌氧反应发生在废水与污泥颗粒的接触过程中，在厌氧状态下产生的沼气引起了内部循环，这对于颗粒污泥的形成和维持有利，在污泥层形成的一些气体附着在污泥颗粒上，附着和没有附着的气体向反应器顶部上升，其上部设置专用的气、液、固三相分离器，可使反应器中保持高活性及良好的沉淀性能的厌氧微生物，经分离污泥颗粒将沉淀到污泥床的表面，气体进入集气室。
2.2.5 IC反应器
IC即内循环厌氧反应器（Internal Circulation），主要由混合区、颗粒污泥膨化区、深处理区、内循环系统、出水区五部分组成，核心部分由布水器、下三相分离器、上三相分离器、提升管、泥水回流管、气液分离器、罐体及溢流系统组成。
基本原理如下：两层三相分离器人为的将整个反应区分为上、下两个区域，下部为高负荷区域，上部为深处理区。废水在进入IC反应器底部时，与从下三相气液分离器回流的水混合，混合水在通过反应器下部的颗粒污泥层时，将废水中大部分的有机物分解，产生大量的沼气。通过下三相分离器的废水由于沼气的提升作用被提升到上部的气水分离装置，将沼气和废水分离，沼气通过管道排出，分离后的废水再回流到罐的底部，与进水混合；经过下三相分离器的废水继续进入上部的深处理区，进一步降解废水中的有机物。最后废水通过上三相分离器进入分离区将颗粒污泥、水、沼气进行分离，污泥则回流到反应器内以保持生物量，沼气由上部管道排出，处理后的水经溢流系统排出。
2.2.6 厌氧接触工艺
在消化池后设沉淀池，将沉淀污泥回流至消化池，形成了厌氧接触法（anaerobic contact process)。通过污泥回流，保持消化池内污泥浓度较高，一般为10-15g/L，耐冲击能力强；消化池的容积负荷较普通消化池高，中温消化时，一般为2-l0kgCOD/m3·d，水力停留时间比普通消化池大大缩短，如常温下，普通消化池为15-30天，而接触法小于10天。
工艺名称
优点
缺点
适用范围
升流式固体反应器（USR）
a、 工艺较简单，反应器内不设三相分离器不需要污泥回流，投资较省；
b、 池形结构简单，操作简单，运行管理方便，维修量少；
c、 无需搅拌，运行费用较低；
d、 SRT和MRT较长，处理效率较高。
a、 对进料均布性要求较高，在设计施工中技术要求较高；
b、 当含固量高时，要采取强化搅拌措施。
猪粪、鸡鸭粪等纤维含量少的粪种
完全混合厌氧反应器（CSTR）
a、 投资省、运行管理简单；
b、 具有搅拌装置，避免了浮渣结壳、堵塞、气体逸出不畅现象；
c、 耐冲击负荷能力强。
a、 由于该反应器无法做到使SRT和MRT在大于HRT的情况下运行，所以需要反应器体积较大；
b、 要有足够的搅拌，能量消耗较高；
c、 底物流出该系统时未完全消化，微生物随出料而流失。
各种粪种，主要适用于牛粪
升流式厌氧污泥床反应器（UASB）
a、 反应器内污泥浓度高；一般平均污泥浓度为30-40mg/L；
b、 有机负荷高，水力停留时间短；
c、 反应器内设三相分离器，被沉淀区分离的污泥能自动回流到反应区，一般无污泥回流设备；
d、 无混合搅拌设备；
e、 污泥床内不填载体，节省造价及避免堵塞问题。
a、 反应器内有短流现象，影响处理能力；
b、 进水中的悬浮物应比普通消化池低得多，特别是难消化的有机物固体不宜太高；
c、 运行启动时间长，对水质和负荷突然变化比较敏感。
适合处理悬浮物浓度小于1500mg/L、COD浓度在2000mg/L～20000mg/L之间的原料。
内循环厌氧反应器（IC）
a、 容积负荷高
b、 节省投资和占地面积
c、 抗冲击负荷能力强
d、 抗低温能力强
e、 具有缓冲pH值的能力
f、 内部自动循环，不必外加动力
a、IC反应器内部结构比普通厌氧反应器复杂，设计施工要求高
b、 由于IC厌氧反应器相对较短的水力停留时间将会影响不溶性有机物的去除效果。
适用于有机高浓度废水，如，玉米淀粉废水、柠檬酸废水、啤酒废水、土豆加工废水、酒精废水。
厌氧接触反应器
a、 投资较省、运行管理简单；
b、 容积负荷率高，
c、 耐冲击负荷能力强。
a、 停留时间相对较长；
b、 需要设置污泥回流装置；
c、 需要外加一个沉淀池来收集污泥。
各种粪种
3.3 平面布置和工艺选择
3.3.1工艺模式介绍
能源生态模式
该模式依靠现代化的设备组成比较完善的处理系统，将畜禽粪便经过一系列的生物发酵处理，产生沼气，最大限度地回收能源，以能源开发（供热、发电）为核心，以沼液、沼渣的综合利用为纽带，以现代化设施农业利用为依托，大幅度提高畜禽养殖场废弃物综合利用效益，消除畜禽养殖场废弃物造成的环境污染。
能源环保模式
该模式是先对畜禽场粪便进行固液分离，固体部分厌氧处理后制成沼气供暖或发电，液体部分处理后达标排放。该模式工程投资较大，运行费用、管理、操作技术要求较高。
能源环保复合型
我国南方养殖场用水量较大，粪污产量大，且灌溉要求较高，因此多采用能源环保型方式处理粪污。以传统能源环保型处理方式为主，引入能源生态型高浓粪污发酵，将高浓发酵产生的沼气发电，为污水处理提供电能，并利用高浓发酵产生的沼渣制取有机肥料，用高浓发酵产生的经济效益来抵消污水处理的运行费用，最大限度的提高粪污综合处理的效益，实现“以粪治水”。
3.3.2 工艺选择
一、进料方式的选择
进料系统：一般根据粪源的不同可以分为铰刀潜污泵进料，螺杆泵进料和
切割泵+螺杆泵进料。
铰刀潜污泵进料：
适用范围：浓度小于6%的猪粪和鸡粪。
优点：整体投资较低，供货商较多。不需要单独的泵房。
缺点：进料浓度低，故障率较高。
螺杆泵进料：
适用范围：浓度在6-8%的牛粪，且长纤维较少。
优点：进料浓度比潜污泵高。
缺点：螺杆泵吸程不稳定，启动前需要加水保证泵腔内充满液体。杂草需提前处理。
切割泵+螺杆泵进料：
适用对象：进料浓度在10%左右的含杂草或者鸡毛较多的粪污。
优点：进料浓度较高。切割泵对杂草和鸡毛有较好的切割效果，不需前处理去除。
比地上螺杆泵模式运行稳定。
缺点：整体造价高，运行费用较高。设备操作要求高。
二、工艺的选择
常用的发酵模式有单体发酵罐(搪顶)，一体化（发酵罐+储气膜）以及二次发酵模式（发酵罐+一体化发酵罐）。
单体发酵罐：
常用的工艺有：USR和CSTR
适合土地不紧张，气候条件恶劣的地区，高寒，多风等。
特点：保温性能好，抗风效果好。需要配套的储气膜和沼液池。
一体化模式
常用的工艺有：USR和CSTR
适合占地面积小，投资相对少的工程。
特点：需要配套沼液池。储气容积受限制，较适合发电项目。节约占地面积，减少投资。
二次发酵模式
一级发酵罐常用：USR和CSTR
适合对工程形象和产气率要求较高的工程。
特点：储气容积受限制，不适合大规模供气工程。无需配置站内沼液池和储气装置。工程形象好。环保效果好。产气量增加。
三、沼气的储存
目前在养殖场沼气工程中常采用的供气方式有三种：低压湿式储气系统、低压干式初期系统和高压干式初期系统，除高压干式储气方式外，低压湿式储气系统和低压干式储气系统储气柜容积按产气量的50%~60%计算；民用、发电或烧锅炉各一半时，按产气量的40%计算。在选用工程储气方式时，要根据沼气工程的建设区域气候条件、用气方式、供气距离和用气户数，综合考虑供气压力、建设投资、运行管理费用等因素，合理选择适当的储气方式。
（一） 低压湿式储气系统
低压湿式储气柜属可变容积金属柜，它主要由水槽、钟罩以及升降导向装置所组成，当沼气输入气柜内储存时，被水密封的钟罩随之逐渐升高，当沼气从气柜导出时，钟罩随之渐渐降低，利用水封将沼气与大气隔绝，形成密闭的储气空间。其储气的特点是结构简单、冬天水槽易结冰，需要采取一定的保温加温措施；另外钟罩常年处于干湿交替的状态，必须进行防腐处理。
（二） 低压干式储气系统
低压干式储气系统是今年来国内外应用发展较快的一种储气系统，已经有超过25年的应用历史。采用双层柔性膜储存沼气，可以实现比湿式气柜方式更远的沼气运输距离，设备简单，运行费用相对较低，但沼气配送需进行增压，否则沼气无法输送到用户，另外再特别寒冷地区（极端温度再-40摄氏度以下）慎用。
（三） 高压干式储气系统
高压干式储气系统的特点是储气不受温度影响，根据沼气可压缩的特点和目前工程使用的情况，最大压缩比可达到1：8，大大减小了储气容积，其气体输送距离远，储气设备投资费用低。但该储气系统相对其他储气系统电耗较大，运行费用高，每年需进行安检，工程运行需有备用电源。
高压沼气输配系统工艺路线如下:
厌氧发酵罐—水封—脱水—脱硫—缓冲罐—空压机—高压气柜—一级减压（0.2MPa）—二级减压（5kPa）—供气管网—户用
高压沼气输配系统需要配备0.8MPa的高压储气柜，由于是高压运行，每年高压储气柜必须要技术监督局复审，并且高压运行具有一定的危险性，其设计和安装应有专门的具有压力容器设计生产资质的单位完成。
3.3.3 平面布置
一、工程选址
大中型沼气工程站址的选择应符合经济实用、有利生产的原则。
大中型沼气工程站址的选择应满足下列要求：
1、应根据工程建设的总体规划、沼气站规模、运行特点和综合利用要求，考虑地形、地质、水源、电源、枢纽布置、对外交通、占地、拆迁、施工、管理等因素以及扩建的可能性，经技术经济比较后选定，其中：
1）在山丘区建站时，宜选择在地形开阔、岸坡适宜、有利于工程布置的地点；
2）沼气站站址应根据地质测绘资料，选择在岩土坚实、抗渗性能良好的天然地基上，不应设在大的和活动性的断裂构造带以及其它不良地质地段。
2、大中型沼气工程站址的选择应靠近沼气发酵原料的产地，用于集中供气的项目应根据用气区域分布特点选择合理的站址，用于发电上网的项目应靠近输供电线路；
3、在厂区或场区主导风向的下风侧；
4、满足环境影响评价和审批文件的要求。
二、平面布置
原则
1、要求满足人流（生产和参观人员流动）、物流（原料、煤炭、碳渣和沼渣沼液的运输）和能流（沼气输配）这“三流”的安全性、独立性和合理性；
2、要求满足沼气站同站外的养殖场整体环境风格、养殖场周边整体环境风格和业户的企业文化理念等大环境的协调统一；
3、本着节省投资、布置紧凑、工艺流畅、便于建设实施的原则，按功能区分布置，一次规划用地，充分考虑到业主远期发展的需要。
具体要求
(1)沼气工程的总体布置应考虑到养殖场远期生产规模扩展的可能性，如必要，应依此作出分期建设方案。
(2)总体布置应满足沼气工程工艺的要求，布置紧凑，便于施工、运行和管理。应结合地形、气象和地质条件等因素，经过技术经济分析确定。
(3)竖向设计应充分利用原有地形坡度，并达到排水畅通、降低能耗、土方平衡的要求。
(4)构筑物的间距应紧凑、合理，并应满足施工、设备安装与维护、安全的要求。
(5)附属建筑物宜集中布置，并应与生产设备和处理构筑物保持一定距离。
(6)厌氧反应器、贮气柜、输气管道的设计及防火要求见GBJ16中的相关规定。
(7)各种管线应全面安排，避免迂回曲折和相互干扰，输送污水、污泥和沼气管线布置应尽量减少管道弯头，以减少能量损耗和便于清通。各种管线应用不同颜色加以区别。
(8)应设置废渣等物料堆放及停车的场地。
(9)平面布置应留有汽车进出通道，各建筑物间应留有连接通道，其设计应符合下列要求：
①主要车行道的宽度：单车道为3m，双车道为5m，并应有回车道。车行道转弯半径不小于6m；
② 人行道的宽度为1m ～1.5m；
③ 通向建筑物顶端的扶梯与水平面夹角不大于40°,其宽度0.8 m～1.0 m；
④ 高架物上不经常通行的部位可设置爬梯,其宽度为0.4m；
⑤ 绿地面积不宜小于总面积的30％。
(10)沼气工程应设围墙(栏)。
(11)各建筑物和构筑物群体效果应与周围环境相协调。
(12)主要畜禽污水处理设施应设置溢流口、排泥管、排空阀和检修人孔。厌氧消化器和贮气柜应设有安全窗，确保装置正常运转。
(13)应设置给水和排水系统，拦截暴雨的截水沟和排水沟应与场区排水通道相连接。
(14)应配置简单的化验设备和必要的仪器、仪表、自动控制设备及沼气流量计。
(15)处理构筑物和贮气柜应设置护栏等安全设施，护栏高度不宜低于1.1m。
(16)沼气工程应有保温防冻措施。
(17)沼气工程供电应按三类负荷设计，站区内设置操作控制间、独立的动力和照明配电系统。
(18)沼气工程的安全、防爆、防雷与接地参照GB12801、GB50028、GBJ50016-2006 、GB50057、GBJ65等的相关规定执行。
(19)控制室应有良好的照明，设有监控所有设备运转、故障、程序操作、显示的控制屏（台），操作应具有集中与就地操作的功能。应有紧急状态报警装置。应采用可靠的自动控制系统进行自动控制、自动检测。并应设有值班人员休息室。
4.4 三沼综合利用
4.4.1 沼气净化
沼气作为一种能源在使用前必须经过净化，使沼气的质量达到标准要求。
沼气的净化一般包括沼气的脱水、脱硫。
沼气从厌氧发酵装置产出时，携带大量的水分，特别是在中温或高温发酵时，沼气具有较高的湿度。一般来说1m3干沼气中饱和含湿量，在30℃时为35g，而到50℃时则为111g。当沼气在管路中流动时，由于温度、压力的变化露点降低，水蒸气冷凝增加了沼气在管路中流动的阻力，而且由于水蒸气的存在，还降低了沼气的热值。而水与沼气中的硫化氢共同作用，更加速了金属管道、阀门和流量计的腐蚀或堵塞。另外，沼气中硫化氢燃烧后生成二氧化硫，与燃烧产物中的水蒸气结合成亚硫酸，使燃烧设备的低温部位金属表面产生腐蚀，还会造成对大气环境的污染，影响人体健康。因此，需要对沼气中的冷凝水及硫化氢进行脱除。
一、 沼气脱水
根据沼气用途不同，可用两种方法将沼气中的水分去除。
（一）、脱水方法
① 为了满足氧化铁脱硫剂对湿度的要求，对高、中温的沼气温度应进行适当降温，通常是采用重力法，即常用沼气气水分离器的方法，将沼气中的部分水蒸气脱除。
② 在输送沼气管路的最低点设置集水器，将管路中的冷凝水排出。
（二）、脱水装置
为了使沼气的气液两相达到工艺指标的分离要求，常在塔内安装水平及竖直滤网，当沼气以一定的压力从脱水装置上部以切线方式进入后，沼气在离心力作用下进行旋转，然后依次经过水平滤网及竖直滤网，促使沼气中的水蒸气与沼气分离，水滴沿内壁向下流动，而积存于装置底部并定期排除。
二、 沼气脱硫
1.干法脱硫
干法脱除沼气气体中硫化氢（H2S）的设备基本原理是以O2使H2S 氧化成硫或硫氧化物的一种方法，也可称为干式氧化法。干法设备的构成是，在一个容器内放入填料，填料层有活性炭、氧化铁等。气体以低流速从一端经过容器内填料层，硫化氢（H2S）氧化成硫或硫氧化物后，余留在填料层中，净化后气体从容器另一端排出。
2.湿法脱硫
湿法脱硫可以归纳分为物理吸收法、化学吸收法和氧化法三种。物理和化学方法存在硫化氢再处理问题，氧化法是以碱性溶液为吸收剂，并加入载氧体为催化剂，吸收H2S，并将其氧化成单质硫，湿法氧化法是把脱硫剂溶解在水中，液体进入设备，与沼气混合，沼气中的硫化氢（H2S）与液体产生氧化反应，生成单质硫吸收硫化氢的液体有氢氧化钠、氢氧化钙、碳酸钠、硫酸亚铁等。成熟的氧化脱硫法，脱硫效率可达99.5%以上。
在大型的脱硫工程中，一般采用先用湿法进行粗脱硫，之后再通过干法进行精脱硫。
3.生物脱硫
生物脱硫技术包括生物过滤法、生物吸附法和生物滴滤法，三种系统均属开放系统，其微生物种群随环境改变而变化。在生物脱硫过程中，氧化态的含硫污染物必须先经生物还原作用生成硫化物或H2S然后再经生物氧化过程生成单质硫，才能去除。在大多数生物反应器中，微生物种类以细菌为主，真菌为次，极少有酵母菌。常用的细菌是硫杆菌属的氧化亚铁硫杆菌，脱氮硫杆菌及排硫杆菌。最成功的代表是氧化亚铁硫杆菌，其生长的最佳pH值为2.0～2.2。
目前国内生物脱硫技术还未形成一定规模的工业应用。预计优化脱硫工艺，更有效地控制溶解氧，提高单位硫的产率，并与目前已得到广泛应用的湿法脱硫技术相结合，是今后生物烟气脱硫技术发展的方向。
4、干法脱硫、湿法脱硫特、生物脱硫的比较
（1）干法脱硫的特点
①结构简单，使用方便。
②工作过程中无需人员值守，定期换料，一用一备，交替运行。
③脱硫率新原料时较高，后期有所降低。
④与湿式相比，需要定期换料。
⑤运行费用偏高。
（2）湿法脱硫的特点
①设备可长期不停的运行，连续进行脱硫。
②用PH值来保持脱硫效率，运行费用低。
③工艺复杂需要专人值守。
④设备需保养。
（3）生物脱硫的特点
①不需催化剂和氧化剂(空气除外)。
②不需处理化学污泥。
③产生很少生物污染，低能耗，回收硫，效率高，无臭味。
④缺点是过程不易控制，条件要求苛刻等。
4.4.2 沼气发电及CDM简介
一、沼气发电
1、概述
构成沼气发电系统的主要设备有沼气发动机、发电机和热回收装置。沼气经脱硫器由贮气罐供给燃气发动机，从而驱动与沼气内燃机相连接的发电机而产生电力。沼气发动机排出的冷却水和废气中的热量通过热回收装置进行回收后，作为沼气反应器的加温热源。
2、沼气发动机装置
在我国，有全部使用沼气的单燃料沼气发动机及部分使用沼气的双燃料沼气-柴油发动机。下表为两种发动机的性能比较。
将“空气沼气”的混合物在气缸内压缩，用火花塞使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力
将“空气燃烧气体”的混合物在气缸内压缩，用点火燃料使其燃烧，通过火塞的往复运动得到动力，是复合燃料发动机
优点：
① 不需要辅助燃料油及其供给设备
② 燃料为一个系统，在控制方面比可烧两种燃料的发动机简单
③ 发动机价格较低
① 用液体燃料或气体燃料都可工作
② 对沼气的产量和甲烷浓度的变化能够适应
③ 如由用气体燃料转为用柴油燃料在停止工作，发动机内不残留未燃烧的气体，因为饿耐腐蚀性好
缺点：
工作受到供给的沼气的数量和质量的影响
① 用气体燃料工作时也需要液体辅助燃料
② 需要液体燃料供给设备
③ 控制机构稍复杂
④ 借个较单燃料式发动机稍高
近十几年由于农村家庭责任制、大中型的工厂化畜牧场的建立及环境保护等原因，我国的沼气机、沼气发电机组已向两极方向发展。农村主要向3～10千瓦沼气机和沼气发电机组方向发展，而酒厂、糖厂、畜牧场、污水处理厂的大中型环保能源工程，主要向单机容量为50～200千瓦的沼气发电机组方向发展。国外，绝大多数小型沼气发电机均有原汽油机改装而成，其功率大都下降，一般下降15%～20%，而柴油机改装成小功率的沼气机很少，原因在于其控制系统均采用电子调速系统来控制混合器，增加了成本。在国内，大多数小功率沼气机的改装都以柴油机为主，功率相对下降10%～15%，主要原因为沼气中含甲烷量少，发动机工作容积不变，不能增加混合气热值所致，热效率在33%～36%之间。
3、沼气发电余热回收方法
为了提高沼气发电系统对沼气的利用率，应对沼气发电过程中废气和发动机冷却系统中产生的余热加以充分利用，具体如下：
（1）发动机废气的余热利用有三种
a发动机废气的余热→通过废热锅炉产生蒸汽→加热消化器
b发动机废气的余热→通过换热器产生热水→加热消化器
c发动机废气的余热→通过废气吸收式冷热水热水器→用于空调系统
（2）发动机冷却水中余热利用
发动机冷却水中余热→通过换热器产生热水以加热消化器
沼气发电系统能积极、有效地利用沼气，可以将沼气中约30%的能量变为电力，40%的能量变为热能。沼气发动机在完全满足人们对环保严格要求的同时，利用四冲程、高压点火、涡轮增压、中冷器、稀释燃烧等技术，通过沼气在汽缸内燃烧做功，将沼气的化学能转换成机械能。于此同时，利用热回收技术可将燃气内燃机中润滑油、中冷器、缸套水和尾气排放中的热量充分回收利用而组成热动机组。一般从发动机热回收系统中吸收的热量以90℃的热水形式供给热交换中心使用。内燃机正常回水温度为70℃。在污水处理厂中可利用这一热量给消化池进行加热。燃气内燃机机械效率通常达40%，热效率可达50%，总效率高达90%。通常在O2为5%的情况下燃烧后排放的NOx500毫克/米，完全满足环保的要求。因此，通过沼气发动机利用沼气是一种非常理想的途径。
三、 CDM简介
清洁发展机制是《京都议定书》第十二条确定的一个基于市场的灵活机制，其核心内容是允许发达国家与发展中国家合作，在发展中国家实施温室气体减排项目。
清洁发展机制的设立具有双重目的：促进发展中国家的可持续发展和为实现公约的最终目标做出贡献；协助发达国家缔约方实现其在《京都议定书》第三条之下量化的温室气体减限排承诺。通过参与清洁发展机制项目，发达国家的政府可以获得项目产生的全部或者部分经核证的减排量，并用于履行其在《京都议定书》下的温室气体减限排义务。对于发达国家的企业而言，获得的CERs可以用于履行其在国内的温室气体减限排义务，也可以在相关的市场上出售获得经济收益。由于获得CERs的成本远低于其采取国内减排行动的成本，发达国家政府和企业通过参加清洁发展机制项目可以大幅度降低其实现减排义务的经济成本。对于发展中国家而言，通过参加清洁发展机制项目合作可以获得额外的资金和／或先进的环境友好技术，从而可以促进本国的可持续发展。因此，清洁发展机制是一种“双赢”的机制。清洁发展机制合作也可以降低全球实现温室气体减排的总体经济成本。
4.4.3 沼气供户
沼气作为一种生活能源当向居民供气时需要输配系统。沼气的输配系统是指自沼气站至用户前一系列沼气输配设施的总称。对于较大工程来说，主要由中低压力的管网、居民小区的调压器组成。对于小规模居民区或大中型沼气工程站内的供气系统，主要包括低压管网及管路附件。
输气管道在工程建设中占有相当重要的位置，它在输配系统总投资中约占60%，因此，合理选择性能可靠、施工方便、经济耐用的管材，对安全供气和降低工程造价有着重要意义。
一、常用管材
（一）钢管
钢管是燃气输配工程中使用的主要管材，它具有强度大、严密性好、焊接技术成熟等优点，但它耐腐蚀性差，需进行防腐。钢管按制造方法分为无缝钢管及焊接钢管。在沼气输配中，常用直缝卷焊钢管，其中用得最多的是水煤气输送钢管。钢管按表面处理不同分为镀锌（白铁管）和不镀锌（黑铁管）；按壁厚不同分为普通钢管、加厚钢管及薄壁钢管三种。
小口径无缝钢管以镀锌管以镀锌管为主，通常用于室内，若用于室外埋地敷设时，也必须进行防腐处理。大于∅150mm的无缝钢管为不镀锌的黑铁管。沼气管道输送压力不高，采用一般无缝管或由碳素软钢制造的水煤气输送钢管；但大口径燃气管通常采用对接焊缝和螺旋焊缝钢管。
（二）塑料管
在沼气输送工程中主要采用聚乙烯管，有的南方地区也常使用聚丙烯管，虽然聚丙烯管比聚乙烯管表面硬度高，耐温较高，但耐磨性、热稳定性较差，其脆性较大，又因这种材料极易燃烧，故不宜在寒冷地区使用，也不宜安装在室内。
四、沼气管网的运行管理
（一）运行管理的基本任务
①把沼气安全地、不间断地供给所有用户。
②经常对沼气官网及其附属构筑物进行检查、维修，保证沼气设施的完好。
③迅速地消除沼气官网中出现的漏气、损坏和故障。
④负责新用户的接线。
⑤负责对沼气管线的施工质量监督，并参加管线竣工验收工作。
⑥负责其他单位施工时与正在运行的沼气管线发生矛盾或需要配合的事宜处理。
⑦排除沼气官网中的冷凝水。
（二）沼气管网的运行和安全技术
①运行中的沼气管道的检修和抢修工作，常是带气作业，因此，要严禁明火，戴好防毒面具。当在沼气管道带气操作时，沼气压力应控制在200~800Pa范围之内。带气操作时，必须两人以上，沟槽上留一人观察。
②对低压沼气管道每月至少两次巡视，对闸井、地下构筑物的定期预防检查应同时进行。主要检查闸井的完好程度，沿线凝水器定期排除以及其他地下设施被沼气污染的程度。在闸井打开时，禁止吸烟、点火、使用非防爆灯等。
③沼气管道日常维护管理的主要工作之一是管道的检漏。可以根据沼气味的浓淡程度，初步确定出一个大致的漏气范围，可选用下列方法进行查找：
a.钻孔查漏。沿着沼气管道的走向，在地面上每隔一定距离（2~6m）钻一孔眼，用嗅觉或检漏仪进行检查。
b.挖探坑。在管道位置或接头位置上挖坑，露出管道或接头，检查是否漏气。
c.井室检查。在敷设沼气管道的道路下，可利用沿线下水井、上水阀门井、电缆井、雨水井等井室或其他地下设施的各种护罩或井盖，用嗅觉来判断是否有漏气。
d.观察植物生长。地下管道漏出的燃气到土壤中将引起树林及植物的枝叶变黄和枯干。
e.利用凝水器（抽水缸）判断漏气。在按周期有规律性的抽水时，如突然发现水量大幅度增多，有可能沼气管道产生缝隙，地下水渗入抽水缸，从而也可以预测到沼气的泄漏。
巡查检漏的周期、次数应根据管道的运行压力、管材、埋设年限、土质、地下水位、道路的交通量以及以往的漏气记录等全面考虑后决定。巡查检漏工作应有专人负责、常年坚持、形成制度，除平时的检漏处，每隔一定年限还应有重点地、彻底地检漏一次，检漏方法可结合管道的具体情况适当选定。
4.4.4 沼气提纯
沼气提纯工作原理是将系统外送来的10-25KPa的沼气通过初步除水后,进入脱硫系统,本系统根据原料气的特点,提供最合理的反应条件，可经济地将硫化氢脱除至 3ppm以下。脱硫后的气体除尘后加压进入吸收塔，在特定的吸收剂和反应条件下，调整气体中甲烷浓度到90%，同时全部或部分除去氨、氮氧化物、硅氧烷等多种杂质。气体得到调整和净化后，经冷却、分离送入天然气管网；溶液经自净系统将杂质分离出来，并在再生系统解吸出纯度≥95%的二氧化碳气体，该气体可考虑做相关产品的原料。
4.4.5 沼液沼渣综合利用
沼气发酵不仅是一个生产沼气能源的过程，也是一个造肥的过程。在这个过程中，作为生长所需的氮、磷、钾和微量元素本身上都保留下来，同时，存留了丰富的氨基酸、B族维生素、各种水解酶、生长素、对病虫害有抑制作用的物质或因子。因此，沼肥是很好的有机肥料，具有广泛的综合利用前景。同时，由于厌氧发酵主要消耗碳水化合物，特别是淀粉、糖类等碳水化合物，基质总量变小，相对提高了不易损失的蛋白质和矿物质含量，使得沼肥可作为淡水养殖和腐食动物的营养饵料。
一、沼肥在种植中的利用
农业上，用来提高农作物产量的化肥（氮肥、磷肥和钾肥）由于长期过量施用和施用不当，结果造成了环境污染，破坏了土壤结构，尤其是土壤中的大量化肥给人类健康构成威胁。一般农家肥带有大量的病原体和寄生虫卵，常常由于腐熟不充分施入土壤中对农作物造成感染而发生病虫害，而沼肥因其独特的成分和性能，使其具有生物肥料和生物农药的功效，能够代替部分化肥、农药的功效，在种植业中广泛应用。
（一） 沼液的利用
1． 沼液浸种
沼液浸种就是利用沼液中所含的营养组分、生理活性物质以及相对稳定的温度对种子进行播种前的处理。
沼液除含有沼肥三要素（氮、磷、钾）外，还含有种子萌发和发育所需的多种养分和微量元素，且大多数呈速效状态。在浸种期间，钾离子、铵离子、磷酸根离子等都能因渗透作用或生理特性，不同程度地被种子吸收，同时，微生物再分解发酵原料时分泌出的多种活性物质能有效激活种胚和胚乳中的酶源，增强酶的活力，使养分运转和新陈代谢过程加速，具有催芽和刺激生长的作用。因此，幼苗“胎里壮”，抗病、抗虫、抗逆能力强，为高产奠定了基础。
水稻、小麦、玉米、棉花、甘薯、花生等采用沼液浸种实验开展较多，实践证明沼液浸种优于单纯的温汤浸种、药物浸种，具有出芽率高、幼苗生长旺盛、能防治某些病虫害、作物产量高以及简便易行，经济实用等优点。
2． 沼液用做无土栽培的营养液
沼液与其他元素配制成无土栽培的营养液，用于水培蔬菜，比较适合植物的营养需求，且来源广，成本低。水培用的沼液从水压间取出后需放置3天。由于沼液成分变化较大，需要根据目前国内水培蔬菜采用的营养配方补充各种元素，并用98%磷酸调节pH值到5.5~6.0。沼液添加其他营养元素做的培养液，种植的番茄、黄瓜产量与人工合成营养也相当，采收期也大致相同。
3． 沼液叶面喷施
沼液中营养成分相对富集，是一种速效的水肥，叶面喷洒后，其所含的营养物质、厌氧微生物的代谢产物，尤其是其中的生理活性物质，还有大量水分可被作物叶面快速吸收，利用率高。一般喷施后24h内，叶片可吸收喷施量的80%左右，从而能及时补充作物生长对营养的需要。叶面喷施沼液不仅可调节作物生长代谢，为作物提供营养，同时可抑制某些病虫害。
4． 沼液与水耦合灌溉根部追施
结合农业灌溉，沼液与水按适当比例对作物进行耦合灌溉，能够使沼肥和水结合在一起，均匀地施入田里，有利用作物吸收，并节省人力、物力、时间。可以采用沟槽灌溉，也可以采用滴灌方式灌溉。采用节水灌溉时，要首先对沼液进行处理，以去除其中的固形物，防治滴孔堵塞。
5． 沼液防治作物病虫害
沼液是一种溶肥性质的液体，不仅含有较丰富的可溶性无机盐类，而且含有抑菌和提高植物抗逆性的激素、抗生素等有益物质，具有营养、抑菌、刺激、抗逆等功效。将沼液及其沼液与农药配合制备的生化剂用于农作物、果树等植物的浸种、页面喷施和灌根等，不仅能够及时补充植物生长期的养分需要，而且具有抗病防虫的效果。
（二） 沼渣的利用
1． 作为基肥
沼渣一般作为基肥直接泼洒田里，立即翻耕入土，提高肥效。连续多年施用沼渣，可提高土壤有机质含量，使活土层加厚，明显改良土壤。
2． 作为追肥
在作物生长期内，沼渣还可以再作物根部周围直接开沟挖穴施入土壤，并覆土以提高肥效。
3． 沼渣与氮肥配合施用
氨水与碳酸氢铵呈碱性，肥分易挥发损失，若施用不当，肥效利用率就不高。将沼渣与其配合施用，能促进化肥再土壤中的溶解、吸附、并刺激作物吸收，这样可减少氮素损失，提高化肥的利用率。
4． 沼渣堆沤腐殖酸铵肥、腐植酸磷肥
沼渣中腐植酸含量较高，将氨水或碳酸氢铵注入沼渣堆沤堆中，氨水或碳酸氢铵溶液与腐植酸分子结构中的酸性集团生成腐植酸铵，可以增加腐殖质的火星，增强肥效。也可将沼渣与磷矿粉或过磷酸钙一起堆沤制成腐植酸磷肥。腐植酸磷肥堆沤过程中加入氨水即成腐植酸磷铵复合肥。腐植酸类肥料是一种有机肥与无机肥相结合的复合肥料，同时这种堆沤方法，还具有杀灭寄生虫卵的作用。一般腐植酸铵肥料作为底肥施入，也可再苗期作为追肥使用。
5． 制作营养土、营养钵
营养土和营养钵主要用于蔬菜、花卉和特种作物的栽培和大田作物的育苗，因此，对营养条件要求高，自然土壤往往难以满足，而沼渣营养全面，来源广泛，可以代替泥炭、厩肥配制营养土、营养钵。用沼渣配制营养土和营养钵，应采用腐熟度号、质地细腻的沼渣，其用量占混合物总量的20%~30%，再掺入50%~60%的泥土、5%~6%的锯屑、0.1%~0.2%的氮、磷、钾化肥及微量元素、农药等拌匀即可。如果要压制成营养钵，则配料时要调节黏土、砂土、锯屑的比例，使其具有适当的黏结性，以便于压制成型，同时要有一定的松散性。
二、沼肥在养殖中的利用
沼渣、沼液作为有机复合肥料应用于作物种植中是沼肥的主要利用方式。但近年来，随着沼肥成分检测的进展，发现沼肥中含有动物所需的较全面的氨基酸、蛋白质、矿物质、微量元素等，可作为动物的饲料添加剂。注意必须使用正常产气的沼气池，池内不要有有毒物质和农药。
（一） 沼肥养鱼
鱼池投入沼肥后，可改善鱼池的营养条件，促进浮游生物繁殖，耗氧量减少，水质改善，而且常用沼液，水面能保持茶褐色，易吸收光热，提高水温，价值沼液的pH为中性偏碱，能使鱼池保持中性，这些有利因素能促进鱼类更好生长，并减少鱼病，改善鱼肉品质。
（二） 沼肥饲养畜禽
实验证明，用沼肥（沼渣和沼液）作为饲料添加剂饲喂猪、鸡等，可增加替中国，提高肉质（或产胆量），提早上市期，提高饲养料报酬率。
（三） 沼渣养殖蚯蚓
蚯蚓是一种富含高蛋白质和高营养物质的低等环节动物，以摄取土壤中的有机残渣和微生物为生，繁殖力强。可将出池的沼渣晾干，让氨气、硫化氢、沼气逸出后，按不超过80%的比例与树叶、菜叶、瓜果皮、秸秆等有机物混合，堆放20~25cm，并保持水分含量再60%~70%之间，控制温度再15~20℃范围内，进行蚯蚓培养。蚯蚓粪含有较高的腐殖酸，能活化土壤，促进作物增产。用沼渣养蚯蚓，方法简单易行，投资少，效益大。尤其是把沼渣养蚯蚓与饲养畜禽结合起来，能最大限度地利用有机物质，并净化环境。
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