關(guān)于作者
中國科學(xué)院老科學(xué)家科普演講團(tuán)副團(tuán)長；中國科學(xué)院微生物研究所研究員，博士生導(dǎo)師，中國科學(xué)院研究生院教授；中國生物工程學(xué)會繼續(xù)教育工作委員會主任、工業(yè)與與環(huán)境委員會委員，中國生物化學(xué)與分子生物學(xué)學(xué)會工業(yè)生化委員會委員，中國微生物學(xué)會酶與酶工程委員會委員。主要從事酶學(xué)、酶工程、基因工程和生化工程研究。
微生物發(fā)酵出的寶貝
孫萬儒
2011年04月28日
人們經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)在沼澤地、污水溝或糞池里有氣泡冒出，可以用燃燒的火柴把它點燃，這就是天然產(chǎn)生的沼氣。沼氣是各種有機物（作物秸稈、雜草、糞便、污水等）在隔絕空氣條件，在適宜的溫度、濕度下經(jīng)過多種微生物的發(fā)酵產(chǎn)生的一種可燃燒氣體。其甲烷含量大約為50%～80％，還有20％～40％二氧化碳、5％以下的氮氣、小于1％的氫氣、小于0.4％的氧氣與0.1％～3％硫化氫等氣體組成。因含有少量硫化氫，所以略帶臭味。沼氣的特性與天然氣相似，與其它燃?xì)庀啾龋淇贡阅茌^好，是種清潔燃料。沼氣可直接燃燒用于做飯、烘干、供暖、照明和氣焊等，還可作內(nèi)燃機的燃料用作動力或發(fā)電。如果將作為沼氣發(fā)酵的原料直接燃燒，秸稈的熱效率只有8%，薪柴為15%，糞便為18%，而氣化后產(chǎn)生沼氣燃燒熱效率可高達(dá)65%，比直接燃燒柴草提高了好幾倍，又降低了因直接燃燒柴草等所帶來的環(huán)境污染。沼氣還可作為甲醇、甲醛、四氯化碳等化工產(chǎn)品的生產(chǎn)原料。沼氣發(fā)酵排出的料液和沉渣含有較豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，在沼氣發(fā)酵過程還會殺滅蟲卵、病原菌等，因此可安全的用作肥料和飼料。沼氣生產(chǎn)的原料來源豐富，造價低廉，熱效率高，清潔衛(wèi)生，還可以綜合利用，變廢為寶，一舉解決能源、環(huán)境衛(wèi)生、生產(chǎn)有機肥料和維持環(huán)境的生態(tài)平衡等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活中的重大問題。
沼氣作為能源已有很長的歷史，四千年前在我國的西南地區(qū)就開始利用天然的沼氣，八百年前四川隆昌、自貢一帶就利用過天然沼氣。1929年前后我國的羅國端就對沼氣進(jìn)行過十多年的研究并設(shè)計出我國最早的一種沼氣發(fā)酵裝置——水壓式沼氣池，當(dāng)時被稱為“中華國端式天然瓦斯發(fā)生裝置”。1929年他在汕頭試辦沼氣，之后在上海、武漢、廣州、寧波等地舉辦過沼氣培訓(xùn)班和開過沼氣瓦斯公司，羅國端編寫的“中華國端天然瓦斯庫講義”仍流傳到今。
我國能源總量（包括生物質(zhì)能）約8.55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中農(nóng)村耗能占去3.128億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占總耗能的38%，其中生物質(zhì)能為2.75億噸標(biāo)準(zhǔn)煤（折合四億噸秸稈），主要作為八億多人口的生活燃料，占農(nóng)村耗能總量的68.6%。這些生物質(zhì)能直接燃燒的熱能利用率很低，發(fā)展農(nóng)村沼氣事業(yè)，仍是我國燃料史上事在必行的一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性的能源措施。
20世紀(jì)70年代初，為解決我國農(nóng)村秸稈焚燒和燃料供應(yīng)不足問題，在農(nóng)村推廣沼氣工程，用于農(nóng)村家庭的煮飯，逐漸發(fā)展到照明和取暖。目前沼氣在我國農(nóng)村仍在大力推廣，已建成了5000萬口6m3～10m3容積的農(nóng)民家用小沼氣池，每年生產(chǎn)沼氣約3000億m3，約有100萬農(nóng)業(yè)人口用上了沼氣。我國農(nóng)村每年從地里收獲的農(nóng)作物秸稈約有五億多噸。若將秸稈的一半用來制取沼氣，每年可生產(chǎn)沼氣約500～600億m3，除滿足農(nóng)民生活燃料外，剩余60～100億m3沼氣用于發(fā)電，每年可生產(chǎn)100多億度電，這是一筆具大的能源財富。將農(nóng)村沼氣和農(nóng)業(yè)生態(tài)緊密結(jié)合起來，是改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的有效措施，是發(fā)展綠色種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的有效途徑 ，已成為農(nóng)村經(jīng)濟新的增長點。
將沼氣用于燃料電池發(fā)電，是有效利用沼氣資源的一條重要途。沼氣燃料電池是最近出現(xiàn)的一種清潔、高效、低噪音的發(fā)電裝置，與沼氣發(fā)電機發(fā)電相比，不僅發(fā)電效率和能量利用率高，而且振動和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是很有發(fā)展前途的沼氣利用技術(shù)，但我國燃料電池技術(shù)的總體水平與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。
隨著我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，利用廢棄物發(fā)酵的沼氣工程將是我國可再生能源利用和加強環(huán)境保護(hù)的切實有效的方法，是廢棄物資源化、能源化解決我國能源問題的有效途徑。
沼氣作為能源已有很長的歷史，四千年前在我國的西南地區(qū)就開始利用天然的沼氣，八百年前四川隆昌、自貢一帶就利用過天然沼氣。1929年前后我國的羅國端就對沼氣進(jìn)行過十多年的研究并設(shè)計出我國最早的一種沼氣發(fā)酵裝置——水壓式沼氣池，當(dāng)時被稱為“中華國端式天然瓦斯發(fā)生裝置”。1929年他在汕頭試辦沼氣，之后在上海、武漢、廣州、寧波等地舉辦過沼氣培訓(xùn)班和開過沼氣瓦斯公司，羅國端編寫的“中華國端天然瓦斯庫講義”仍流傳到今。
我國能源總量（包括生物質(zhì)能）約8.55億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中農(nóng)村耗能占去3.128億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，占總耗能的38%，其中生物質(zhì)能為2.75億噸標(biāo)準(zhǔn)煤（折合四億噸秸稈），主要作為八億多人口的生活燃料，占農(nóng)村耗能總量的68.6%。這些生物質(zhì)能直接燃燒的熱能利用率很低，發(fā)展農(nóng)村沼氣事業(yè)，仍是我國燃料史上事在必行的一項長遠(yuǎn)的戰(zhàn)略性的能源措施。
20世紀(jì)70年代初，為解決我國農(nóng)村秸稈焚燒和燃料供應(yīng)不足問題，在農(nóng)村推廣沼氣工程，用于農(nóng)村家庭的煮飯，逐漸發(fā)展到照明和取暖。目前沼氣在我國農(nóng)村仍在大力推廣，已建成了5000萬口6m3～10m3容積的農(nóng)民家用小沼氣池，每年生產(chǎn)沼氣約3000億m3，約有100萬農(nóng)業(yè)人口用上了沼氣。我國農(nóng)村每年從地里收獲的農(nóng)作物秸稈約有五億多噸。若將秸稈的一半用來制取沼氣，每年可生產(chǎn)沼氣約500～600億m3，除滿足農(nóng)民生活燃料外，剩余60～100億m3沼氣用于發(fā)電，每年可生產(chǎn)100多億度電，這是一筆具大的能源財富。將農(nóng)村沼氣和農(nóng)業(yè)生態(tài)緊密結(jié)合起來，是改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生的有效措施，是發(fā)展綠色種植業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的有效途徑 ，已成為農(nóng)村經(jīng)濟新的增長點。
沼氣發(fā)電供熱工程
我國城市人口約有三億，大小城市3300多個，有大量集中的廚余垃圾、生活廢水、廢渣、糞便，還有許多食品、釀造、屠宰、制藥、紡織、飲料、皮革加工企業(yè)，是有機廢水、廢物集中的地方。如果不經(jīng)處理直接填埋和排放，會造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。在城市興辦沼氣，就可變廢為寶，不僅成本低廉，原料集中而豐富，而且可解決環(huán)境污染問題和回收能源、控制疾病等問題。目前在我國的大中城市已建有大中型沼氣池二萬多個，將生產(chǎn)的沼氣用于發(fā)電，拓寬了沼氣的生產(chǎn)和使用范圍。以沼氣作為燃料的發(fā)動機與發(fā)電裝置配套，即可發(fā)電又可產(chǎn)熱。沼氣發(fā)電具有高效、節(jié)能、安全和環(huán)保等特點，是一種廢物利用的價廉發(fā)電方式，規(guī)?？纱罂尚?。我國偏遠(yuǎn)地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電，如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等輸電困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料，如能因地制宜地發(fā)展小型沼氣發(fā)電站，則可取長補短就地供電。將沼氣用于燃料電池發(fā)電，是有效利用沼氣資源的一條重要途。沼氣燃料電池是最近出現(xiàn)的一種清潔、高效、低噪音的發(fā)電裝置，與沼氣發(fā)電機發(fā)電相比，不僅發(fā)電效率和能量利用率高，而且振動和噪音小，排出的氮氧化物和硫化物濃度低，因此是很有發(fā)展前途的沼氣利用技術(shù)，但我國燃料電池技術(shù)的總體水平與發(fā)達(dá)國家尚有較大差距。
隨著我國工業(yè)、農(nóng)業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展和人民生活水平的提高，利用廢棄物發(fā)酵的沼氣工程將是我國可再生能源利用和加強環(huán)境保護(hù)的切實有效的方法，是廢棄物資源化、能源化解決我國能源問題的有效途徑。