沼气
沼气（biogas）是一种可可再生能源，是有机物质在厌氧环境中，在一定的温度、湿度、酸碱度的条件下，以秸秆、禾本科杂草、人畜粪便、垃圾、生活污水、工业有机废物等为原料， 通过微生物发酵产生的一种可燃气体。其无色、有毒、有臭味，主要成分是CH4和CO₂，其次还含有少量H₂、H₂S、CO、N₂和O₂，以及甲烷以外的其它碳氢化合物。沼气中的甲、氢、硫化氢都是可燃物质，在空气中氧的作用下， 一遇明火即可燃烧。
沼气不仅可用作家庭燃料、动力能源（燃气机、车辆等的燃料）、化工原料，也是肥源（有机化合物中的有机氮、磷转变为无机氮、磷肥），而且还能保障环境卫生。
沼气中的甲烷和二氧化碳容易使人缺氧，一氧化碳、硫化氢及二氧化硫是有毒气体。密闭情况下，沼气中的甲烷达到一定浓度时，遇火容易发生爆炸。
相关历史
沼气因最先在沼泽地发现而得名，1776年发明电池的意大利物理学家沃尔塔（C.A.Volta）在写给他友人的信中，叙述了发现甲烷的经过：他在意大利北部科摩湖中取得淤泥，用木棒搅动淤泥，让冒出的气泡通入倒转过来并充满水的瓶中，收集到一种气体。将此气体点燃时，火焰呈青蓝色，燃烧较慢，需要10～12倍体积的空气才会燃烧或爆炸，不同于氢气的燃烧。沃尔塔认为沼气与湖泊沉积物中植物体腐烂有关，并对沼气成分进行了分析，但当时仍然没有人认识到它是怎么产生的。
波波夫于1873年发现沼气是微生物在厌氧条件下分解有机物质的产物，这引起了微生物学家的广泛重视，1961年俄国人B.N. 奥梅良斯基分离出第一株甲烷菌，世界上筛选出的甲烷菌种约20株。中国于1980年首次分离得到甲烷八叠球菌。世界上第一个沼气发生器是1860年法国科学家穆拉发明的，1925年在德国、1926年在美国分别建造了备有加热设施及集气装置的消化池，这是现代大中型沼气发生装置的原型。第二次世界大战后，沼气发酵技术曾在西欧一些国家得到发展，但由于廉价的石油大量涌入市场而受到影响，随着世界性能源危机的出现，沼气又重新引起人们的重视。
1981年，联合国在肯尼亚首都内罗毕召开了关于发展新能源的大会，呼吁各国加大发展太阳能、沼气等生物质能源，以逐步取代以石油为主的矿质能源，随着化石资源的大量消耗，各国努力开发利用以沼气为新能源的新兴能源。中国是研究开发沼气技术最早的国家，19世纪末广东省沿海就出现了适合农村应用的制取沼气的简易发酵池。
应用领域
沼气不但是能源，也是肥源，而且还能保障环境卫生。
用作家庭燃料
沼气是农村中理想的家庭燃料，可以用沼气煮饭，点灯。用沼气代替柴草后，大大改善了农民的家庭卫生面貌。农村常采用四位一体（蔬菜大棚-沼气池-畜圈-卫生厕所）和三位一体（厕所-猪舍-沼气池）的沼气模式，沼气池一般采用水压池（沼气池由发酵间和储气间组成）和分离浮罩池（发酵池与储气浮罩一体化）。
用作动力能源
沼气可以直接用作燃气机的燃料，也可以将柴油机或汽油机改装为沼气机，以沼气机开动内燃机，来完成碾米、磨面、抽水、发电等工作。有些地区还用沼气开动汽车和拖拉机。在瑞典和瑞士，沼气作为汽车燃料被公共汽车， 货车以及轿车使用已有很多年。如瑞典沼气厂使用城市垃圾和食品工业废气有机化合物为原料，经厌氧发酵工艺生产沼气，并将其提纯后提供给公交系统的大型车辆做燃料，同时通过加气站输送燃料。
瑞典还生产出世界上第一列沼气火车，该火车可连续运行600km。在德国，尽管尚未广泛使用，但是这类项目也已经很多。
用作化工原料
沼气的主要成分甲烷，在高温下可分解为碳和氢，因此甲烷可以用来制造碳黑和氢气，并可进一步制造乙炔，合成汽油、酒精、塑料、人造皮革、人造纤维等重要的化工产品。为了增加沼气热值和能量密度，需要进行沼气提纯，即先经过湿法脱硫塔以及干法脱硫塔进行脱硫处理，再进入沼气精制 (SP-SA) 装置进行脱水脱碳，净化成天然气后送往燃气管道供使用。
用作肥料
沼肥既有大量水分，也有大量速效养分，易于吸收。有机化合物中的有机氮、磷转变为无机氮、磷肥。人畜粪尿、青禾本科杂草、秸秆沼池发酵1个月，比对照(露地粪坑)氮、氨态氮、速效P均有所提高，增产效果明显。沼气池密闭条件下保肥，减少肥分散失（氮损失较少）。施用沼渣改良土壤，增加土壤有机质，氮、磷肥增加孔隙度，降低容重增加活土层，提高抗旱能力。
用作供热及发电
欧洲的沼气主要是用于供暖和发电，其中供热主要用于工厂和供热管网，如建筑供暖、保持生产最合适温度。发电是用沼气替代汽油、柴油或天然气作为发动机的燃料，通过沼气燃烧带动发动机运行，由发动机驱动发电机发电，产生的电能输送给用电设备或并入电网。在沼气发电过程中，产生的余热可以回收用于沼气发酵过程升温保温，多余的热能可用于农场职工、周边居民取暖或输送至公用供热网。德国、芬兰、丹麦等是较早使用沼气发电的国家，也是应用水平最高的国家。他们多采用往复式沼气发电机组进行沼气发电。在北美、欧洲和日本，燃料电池发电也发展迅速，
气体注入管网
沼气提纯注入天然气管网
在德国，生物甲烷被注入已经发展完善的天然气管网。无论在德国东部还是西部，都已建成大型的天然气输送系统。根据德国科学与技术协会下属的空气与水检测部门发布的技术守则和标准DVGWG260和G262，沼气可作为补充气源或添加气源注入燃气管网，当作为补充气源时，沼气的燃烧特性必须与局域分布气网基准气的燃烧特性相一致，气体组分也仅允许些许差别。当作为添加气源时，沼气的燃烧特性和气体组分均可以在规定的范围内与天然气存在差别。法规G685规定， 客户终端的热值与规定的标准热值间最大偏差为2%。
因此，天然气管网气体流速和沼气的燃烧特性共同决定了沼气注入的量。根据DVGW相关规定，可以通过以下几种方法进行气体间的互换：采用液化石油气进行热值调整；基于计算机的热值重构；以一定的热值对气网进行分区；以补充气源或添加气源形式注入。
并入微型气网
微型气网是将沼气工程的沼气通过管道连接到更多的沼气利用设施(分散式热电联产机组)的方法。如果沼气工程并不能现场利用所有沼气，但是在可接受的范围里又有热能需求时，可考虑利用微型气网。这与生物甲烷并入天然气管网很接近。不同之处在于并人微型气网的沼气预处理要求较低。 不需要改变沼气的热值，唯一的要求是干燥和脱硫。
化学组成
沼气的成分比较复杂，其中最主要的成分是CH4和CO₂，其次还含有少量其它气体，如H₂、H₂S、CO、N₂和O₂、氨气，以及甲烷以外的其它挥发性有机物（烷烃、硅氧烷和卤代烃）。混合发酵系统中很难测定各种成分的化学构造和浓度，实践中常通过经验数据进行估算。研究资料表明，甲烷细菌在特定的条件下，也可形成甲烷以外的碳氢化合物，如乙烯等。沼气中的其它碳氢化合物也可能由废水带入系统，而在升温后挥发进入沼气。甲烷以外碳氢化合物的总含量一般不大于1%～2%。
CH₄的体积百分含量范围为45%～80%，以55%~ 60%为常见；食品添加剂二氧化碳的含量范围为20%～45%，以30%左右为常见。CH₄和食品添加剂二氧化碳在沼气中的总量约为85%～98%，以90%左右为常见。
H2是厌氧消化过程中的重要中间产物，也是合成甲烷的主要前体之一。但由于氢和二氧化碳合成甲烷的生化反应较易进行，因
而残存于液相的氢量有限，致使逸入气相的氢也就不多。在沼气中约占0.5%～3%。
硫化氢是含硫有机化合物在厌氧条件下脱硫的产物。在中性条件下，仅有部分硫化氢逸入沼气中， 一般含量约为0.01%～0.05%。
一氧化碳是少数生化反应的产物，其含量一般不大于1.5%。
氮是氧化数氮(硝酸盐和亚硝酸盐)的还原产物。但也可能由进料带入，在温度升高后逸入沼气中，或者因集气室气密性不良而由空气渗入所致。氮的含量约为1%～5%，高时可达10%。
氧的来源不清， 一般认为由进料中的溶解氧因升温逸出，或由空气渗入而来，其含量约为0%～3%。
氨是沼气中常见的杂质气体，氨来源于养殖废水、屠宰废水以及奶制品废水的蛋白质水解过程。
硅氧烷作为底物进入反应器，由于蒸发效应，沼气中会有少量硅氧烷。在垃圾填埋气中也发现有硅氧烷。卤代烃是一类含氯、溴或的碳氢化合物。在填埋场中，卤代烃由于含卤材料的挥发而出现在沼气中。
理化性质
物理性质
密度和比重
甲烷的密度为0.717kg/m³，二氧化碳的密度为1.977kg/m³，空气的密度为1.293kg/m³，如果将空气的密度定义为1.0，则与空气相比，甲烷的比重为0.555，二氧化碳的比重为1.529，标准沼气（CH460%，CO₂\u003c40%）的比重为0.94。所以，在沼气池贮气室中，甲烷较轻，分布在上层；二氧化碳较重，分布于下层。甲烷比空气轻，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到25%～30%时，对人畜有一定的麻醉作用。
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。甲烷的临界温度为-82.5℃，临界压力为44.88×10⁵Pa；二氧化碳的临界温度为31.1℃，临界压力为71.44×10⁵Pa；标准沼气的平均临界温度为-37℃，平均临界压力为56.64×10⁵Pa。
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。所以沼气池可以用水封办法来储存沼气。
颜色气味
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。
着火温度
着火温度不是一个固定数值，它取决于可燃气体在空气中的浓度及其混合程度、压力以及燃烧室的形状与大小。沼气中因含大量CO₂惰性气体，其着火温度为540℃左右，高于甲烷的着火温度，也就是说沼气比其他可燃气体难以点燃，这就为沼气燃具的设计和制造提出了更高的要求。
化学性质
沼气中的甲烷、氢、硫化氢都是可燃物质，在空气中氧的作用下， 一遇明火即可燃烧，并散发出光和热。
制备
利用厌氧微生物进行有机废弃物厌氧分解的工艺称之为厌氧处理；以产出沼气为重要指标的厌氧处理就是沼气发酵工艺。沼气发酵过程经历水解、液化、 酸化和气化四个阶段，最终由产甲烷细菌作用而生成甲烷和二氧化碳。各种有机的生物质，如秸秆、禾本科杂草、人畜粪便、垃圾、生活污水、工业有机废物等都可以作为生产沼气的原料。沼气池中为保证细菌的厌氧消化过程，就要使厌氧菌能够旺盛地生长、发育、繁殖和代谢。细菌的生长越旺盛，产生的沼气就越多。产甲烷细菌可通过两种途径产生甲烷。
传统沼气池
沼气发酵是在没有硝酸盐、硫酸盐、氧气和光线的条件下，经过微生物氧化分解的作用，把复杂有机化合物中的碳素化合物彻底氧化分解成二氧化碳， 一部分碳素彻底还原成甲烷的过程。可以人为地将秸秆、禾本科杂草、树叶、 人畜粪便等有机废弃物投入到沼气池中，调节环境温度、湿度、酸度，隔绝空气，为有机物厌氧发酵创造适宜的条件，产生沼气供人们生活生产使用。中国农村的沼气发酵就是典型的利用厌氧消化法处理农业废物获得能源的代表。
高效厌氧消化
高效厌氧消化的原料包括高浓度有机废水以及城市污水处理产生的污泥。高浓度有机废水主要包括养殖场废水以及啤酒、酒精、柠檬酸、味精、制糖、淀粉、食品和化工等行业所排放的工业废水。高浓度有机废水因其有机化合物含量高而多采用厌氧菌法进行处理， 废水经过厌氧微生物的作用，其中大量的有机质被微生物利用转化成为沼气。
厌氧处理适用于有机物浓度较高的工业废水，如发酵废水、淀粉废水、 食品废水、纺织印染废水、抗菌素废水、中药废水、酱品废水、含油废水、 有机磷农药废水、造纸废水、制革废水等，同时也适用于生活污水以及稀释的工业废水等低浓度有机废水。固体垃圾中，有机垃圾可以进行生物处理，包括好氧堆肥和厌氧消化。在最初阶段，土壤中的氧持续被好氧菌消耗掉，产生厌氧环境；在厌氧环境中，借厌氧微生物的作用，垃圾中的有机化合物被分解产生甲烷和二氧化碳等其他气体，即垃圾填埋气。
发展状况
欧洲国家
欧洲是农场沼气工程技术最发达、推广数量最多、技术最成熟的地区。其沼气工程数量较多的国家是德国、丹麦和英国。其中，德国在沼气技术发展领域处于领先地位，很重要的方面体现在沼气工程质量控制体系的保证作用，如安全操作规程、农业贸易协会安全规程、欧盟机械指南、德国工业标准等都对沼气工程适用。 据世界银行统计数据显示，截至2007年年底，欧洲沼气产量达到590万t油当量（相当于70亿N立方米 天然气），其中德国为191万t油当量/a，英国为170万t油当量/a。德国、瑞典、英国、美国等欧美发达国家在沼气工程发展现状也代表了国际沼气工程产业的现状。
丹麦于20世纪80年代末最早开始运作集中厌氧消化系统，已经建成20座大型的集中厌氧消化系统沼气装置，用于集中处理畜禽粪污及屠宰场废物等。集中厌氧消化系统的工艺模式为：温度要求为中温或者高温；每座装置规模在2000—4000m³；厌氧消化工艺主要是全混合沼气发酵（CSTR) 和推流式发酵工艺，停留时间在12—20d；处理规模为50—400t/d。
俄罗斯在二次世界大战之前开始研究厌氧消化技术，1941年开始实际应用。20世纪50年代初苏联科学院建成了两座日处理3000t酒精废液，并利用沼液、沼渣生产维生素的车间。 世界性环保-能源危机之后苏联建造了一批大型禽畜场沼气工程，解决了自身环境污染和增温问题。苏联解体后，俄罗斯农业实行私有化，调整了沼气发展战略，主要发展工厂化生产的小型、高效沼气发酵装置。
根据欧洲沼气行业2020年报的数据，欧洲有18943家沼气电厂，其中生物甲烷厂数量由2018年的483家增至2020年的729家，增速大51%。截至年报发布时，欧洲共有18个国家生产生物甲烷，德国生物甲烷厂数量最多（232家），其次时法国（131家）和英国（80家）。到2022年欧洲沼气技术发展成熟，其中德国有9600余座沼气工程，意大利有1500余座。德国农民25%的收入来自沼气。因大规模沼渣、沼液还田，欧洲化肥、农药的使用量处在全球较低水平，土壤有机质含量保持较高水平。沼气产业已成为欧洲2050年实现碳中和目标的重要支撑。
其他国家
美国发展沼气工程虽然起步较晚，但是截至2022年3月，全美有超过2600处城市垃圾填埋场，其中有540多个已经建成了甲烷收集利用设施，还有470多处具备甲烷采集利用的条件。
1958年中国不少省市曾推广沼气，但因技术不成熟和缺乏经验而没能巩固下来。20世纪70年代，由于农村燃料产生严重不足，又一次重视并大力推广沼气建设，再次掀起沼气建设高潮。农村沼气从1970年的600户发展到1980年的723万户。20世纪80年代以后，中国开展了大量有关沼气发酵的理论和应用技术的研究，沼气建设开始稳步发展。从“八五”期间的平均每年新增36万户，“九五”期间内每年新增75万户，到2000年年底全国有农村户用沼气池980万口，其中55%的沼气池开展了综合利用。2004年年底全国已有农村户用沼气池1450万口，大中型沼气工程1960处。2008年年底， 养殖场大中型沼气工程达到39510处，全国发展户用沼气池2400多万座，工业废水沼气工程2400多座，生活污水净化沼气池14万处，沼气年总利用量达90亿立方米。截至2019年底，中国畜禽养殖场大中型沼气工程数量为1700处左右，农村沼气用户达5000万~5500万户。截至2020年，中国农林废弃物、餐厨垃圾、污泥的沼气市场规模总和可达3450.8亿m3/年。
印度是继中国之后户用沼气数量最多的国家，截至2021年，印度有超过500万个沼气厂在运营。沼气市场规模达到14.0亿美元。
安全事宜
健康危害
消防
安全施工，防止火灾、烧伤，防止爆炸(密闭时，沼气空气混合，甲烷达到5%～14%时，遇火立即爆炸)，不可在导气管口试火，要在灶具上试火。沼气泄不能点火试气。
急救措施
沼气中毒要及时抢救，先向池中输入新气，再下人入池救人，放在空气流通处，做心脏按摩，人工呼吸，注射尼可刹米、咖啡因，再送医院。
存储
沼气的贮存不需特制的贮存装置，贮存在气室部位，是较原始的贮气方式。
运输
沼气的输配装置是指按用气要求，把沼气从沼气池内引出，直接送往用户或贮气柜，再由贮气柜送至用户的管网及其配套设施。沼气运输过程安全措施有两个：压力控制和阻火控制。
相关标准和法规
美国环境保护署 (美国国家环境保护局) 于 2015 年 8 月 27 日在《联邦公报》上发布《垃圾填埋气规则》，其对非甲烷有机化合物的排放和垃圾填埋气的手机制定了规则。
2018年，欧盟废物立法发布的《垃圾填埋指令》对垃圾填埋场提出了严格的操作要求。同年，欧盟对《可再生能源指令》进行了修订，该指令为可再生能源支持计划、生物质的可持续性标准、可再生能源生产和消耗，以及建立可再生能源社区的权利制定了共同原则和规则。
中国的《中华人民共和国农业法》规定，合理开发和利用水能、沼气、太阳能等可再生能源和清洁能源，发展生态农业，保护和改善生态环境。2006年又颁布了《中华人民共和国可再生能源法》。2013年中国国务院公布《畜禽规模养殖污染防治条例》，提出国家鼓励和支持采取粪肥还田、支制取沼气、制造有机肥等方法，对畜禽养殖废弃物进行综合利用；国家鼓励和支持沼气制取、有机肥生产等废弃物综合利用以及沼渣沼液输送和施用、沼气发电等相关配套设施建设。2019年，中国农村农业部发布了《沼气工程安全管理规范》NY/T3437-2019，规定了沼气工程安全管理的基本要求，引导沼气工程安全管理相关主体在沼气工程项目全生命周期内明确安全管理责任、履行安全管理义务。
参考资料
India Biogas Market Size，Growth.fortunebusinessinsights.2023-10-16
Regulations: Changes Proposed to NSPS and EG Rules for Landfills.Wasteadvantage magazine.2023-10-16
Landfill waste.European Commission.2023-10-16
Renewable Energy Directive.European Commission.2023-10-16