幾種促進(jìn)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣的途徑

高傳慶 王 靜 谷 巍 王 振

（①山東省濱州市動(dòng)物疾病預(yù)防與控制中心 256600②山東省寶來(lái)利來(lái)生物工程股份有限公司 泰安 ③山東農(nóng)業(yè)大學(xué)后勤管理處 泰安）

沼氣發(fā)酵時(shí)沼氣微生物在厭氧條件下分解有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生甲烷和二氧化碳的過(guò)程。整個(gè)厭氧消化過(guò)程分三個(gè)階段：水解發(fā)酵階段、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段、產(chǎn)甲烷階段[1]。整個(gè)厭氧消化過(guò)程中，微生物之間有著密不可分相互依存的內(nèi)在和外在的關(guān)聯(lián)。不過(guò)處在連鎖末端的甲烷菌對(duì)整個(gè)厭氧處理微生物生態(tài)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，起著至關(guān)重要的作用。產(chǎn)甲烷菌的活性受溫度、pH值、有毒物質(zhì)、以及C、N、P比值、無(wú)機(jī)元素等的影響[2]。

目前，促進(jìn)沼氣發(fā)酵的研究主要集中在生物強(qiáng)化、化學(xué)試劑的添加以及原料預(yù)處理。

1 生物強(qiáng)化

沼氣發(fā)酵過(guò)程是產(chǎn)甲烷細(xì)菌和非產(chǎn)甲烷細(xì)菌相互作用、相互制約的動(dòng)態(tài)厭氧消化過(guò)程。產(chǎn)甲烷菌與水解菌群、產(chǎn)乙酸菌群一起構(gòu)成厭氧消化三大菌群。乙酸營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌具有質(zhì)子調(diào)節(jié)作用，能夠利用產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌代謝產(chǎn)生的乙酸，維持pH的穩(wěn)定。而氫營(yíng)養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌代謝氫，從熱力學(xué)上為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌代謝多碳化合物提供了最適條件。因此，非產(chǎn)甲烷菌為甲烷菌的生長(zhǎng)提供生長(zhǎng)必須的基質(zhì)、為甲烷菌創(chuàng)造適宜的厭氧環(huán)境、清除有毒物質(zhì)，產(chǎn)甲烷菌為非產(chǎn)甲烷菌解除生化反應(yīng)反饋抑制，兩者協(xié)同維持發(fā)酵池中適宜pH值，共同維持發(fā)酵池的微生態(tài)平衡。文獻(xiàn)報(bào)道向沼氣系統(tǒng)中投加Caldicellulosyruptor saccharolyticus 可以提高160%～170%的產(chǎn)氣量。M.S.Miah利用好氧嗜熱菌使下水道污水沼氣反應(yīng)器產(chǎn)氣效率加快，產(chǎn)氣也明顯提高[3]。另有報(bào)道，白蟻腸道微生物也有利于甲烷的生成，對(duì)沼氣發(fā)酵存在潛在促進(jìn)作用[4]。

2 化學(xué)試劑投加

如代謝促進(jìn)劑Fe、Co、Ni、S等生長(zhǎng)必須的微量金屬元素和常量非金屬元素；可以投加物理吸附劑吸附料液中的有毒物質(zhì)或重金屬，從而促進(jìn)厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行。

厭氧消化的產(chǎn)甲烷階段對(duì)無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)的缺乏十分敏感。鋰、鈷、鐵等是甲烷菌必要的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)元素[5]。李亞新等(1996)發(fā)現(xiàn)微量營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)毒性物質(zhì)具有拮抗作用，從而緩解毒性物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌的限制作用。以血清瓶為反應(yīng)器，以乙酸鈣為基質(zhì)通過(guò)厭氧批量試驗(yàn)從動(dòng)力學(xué)的角度研究了微量金屬元素Fe、Co、Ni對(duì)甲烷菌的激活作用，結(jié)果表明，加入金屬元素Fe、Co、Ni能有效縮短厭氧消化反應(yīng)時(shí)間，提高基質(zhì)降解率和產(chǎn)氣速率[6]。

3 原料預(yù)處理

原料分富氮原料和富碳原料。富氮原料：以畜牧場(chǎng)糞污為主的發(fā)酵原料。在投料前，將新鮮畜禽糞便堆漚10～15d，使其酸化階段在堆漚階段就基本完成，降低其產(chǎn)酸階段產(chǎn)酸對(duì)沼氣池pH值的影響。富碳原料：以秸稈為主的發(fā)酵原料。添加纖維分解菌或白腐菌預(yù)先分解秸稈中的纖維素與半纖維素、木質(zhì)素，再投料能顯著提高產(chǎn)氣量，縮短產(chǎn)氣時(shí)間。

4 改善發(fā)酵工藝促進(jìn)沼氣發(fā)酵

4.1 控制料液濃度及發(fā)酵原料的碳氮比

（1）夏季6%左右，冬季8%左右(以干物質(zhì)算)[7]。控制好料液濃度，以獲得較穩(wěn)定的產(chǎn)氣率。（2）適宜碳氮比為20～30:1，最佳碳氮比25:1。畜禽糞便為主要發(fā)酵原料的碳氮比較低。用牛糞做原料發(fā)酵最好，純豬糞效果最差，豬養(yǎng)殖區(qū)可適量加牛糞和秸稈以確保沼氣正常產(chǎn)生、運(yùn)轉(zhuǎn)。牛糞與豬糞比例為1:1，如果添加秸稈則豬糞與牛糞各占45%，秸稈為10%。豬糞、牛糞、雞糞的產(chǎn)氣效果要比小麥秸稈、水稻秸稈和玉米秸稈好，但秸稈到達(dá)產(chǎn)氣高峰時(shí)間要比畜禽糞便要早[8]。

4.2 控制發(fā)酵池的pH值

厭氧消化的產(chǎn)酸菌最適合于在酸性條件下生長(zhǎng)，最佳pH5.8。而產(chǎn)甲烷菌則需要較為嚴(yán)格的弱堿性條件(堿性發(fā)酵)pH7.8，當(dāng)pH低于6.2時(shí)，就會(huì)失去活性，因此，在產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌共存的厭氧消化過(guò)程中，系統(tǒng)的pH應(yīng)控制在.6.5～5之間，最佳范圍是7.0～7.2。為了順利進(jìn)行沼氣發(fā)酵，使產(chǎn)氣早，產(chǎn)氣量高，必須調(diào)節(jié)好啟動(dòng)pH值，以pH值7.5左右最佳。發(fā)酵過(guò)程中，除一次添加過(guò)量新鮮作物秸稈或青草等易產(chǎn)酸原料，造成發(fā)酵液酸化，使pH值下降，需及時(shí)調(diào)節(jié)外，一般不需調(diào)節(jié)。只要流出液pH值在7～8之間，每天添加少量新料，也無(wú)需調(diào)節(jié)。

酸度過(guò)大的調(diào)節(jié)方法：（1）在投料前將新鮮畜禽糞便堆漚10～15 d再投入沼氣池,使其酸化階段在堆漚過(guò)程中基本完成。（2）對(duì)已酸化的料液利用草木灰上清液、氨水或2%的石灰水進(jìn)行調(diào)制使料液酸堿度保持為中性。如果pH值大于8，可加入適量牛糞、馬糞，同時(shí)加水稀釋。

4.3 控制沼氣池溫度

沼氣池溫度在53～55℃時(shí)，高溫菌活躍，此時(shí)產(chǎn)氣較快。常溫發(fā)酵沼氣池中發(fā)酵溫度不會(huì)突變，但中高溫發(fā)酵時(shí)，必須控制好溫度。因?yàn)闇囟韧蛔兊揭欢ǔ潭龋a(chǎn)氣會(huì)下降甚至停止。兩個(gè)產(chǎn)氣高峰溫度：中溫發(fā)酵為35℃，高溫發(fā)酵為54℃。

4.4 攪拌

沼氣發(fā)酵過(guò)程中的生化反應(yīng)時(shí)依靠基質(zhì)和微生物之間的接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，實(shí)現(xiàn)這種接觸最有效、最可行的強(qiáng)化手段就是混合攪拌。多數(shù)研究報(bào)道，對(duì)沼氣池進(jìn)行攪拌能有效提高產(chǎn)氣速度和處理效率。根據(jù)發(fā)酵規(guī)模大小，采用不同攪拌方法：（1）機(jī)械攪拌。攪拌裝置安裝在沼氣池液面以下，可定位。此法適合小型沼氣池。（2）液體攪拌。使用人工或泵使沼氣池料液循環(huán)流動(dòng)。（3）氣體攪拌。將沼氣池產(chǎn)生的沼氣，加壓后從池底沖入，利用產(chǎn)生的氣流，達(dá)到攪拌目的。后兩種方法適合中、大型沼氣工程。

[1]任南琪,瑗杰.厭氧生物技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.216-235.

[2]仇天雷.不同生境產(chǎn)甲烷古菌分離鑒定及初步應(yīng)用研究[D].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院,2007.

[3]M.S.Miah.Aerobic thermophilic bacteria enhance biogas production[J].J Mater Cycles Waste Manag.2005,7:48-54.

[4]程林.沼氣系統(tǒng)生物強(qiáng)化及相關(guān)研究[D].合肥:安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2006.

[5]李亞新.厭氧消化過(guò)程中甲烷菌的無(wú)機(jī)營(yíng)養(yǎng)需要[J].中國(guó)沼氣，1996,14(1):1-5.

[6]李亞新,楊建剛.微量金屬元素對(duì)甲烷菌激活作用的動(dòng)力學(xué)[J].中國(guó)沼氣,2000,18(2):116-118.

[7]張無(wú)敵，劉志華，宋洪川.沼氣發(fā)酵過(guò)程中幾種水解酶活性變化規(guī)律研究[J].新能源，1999,21(2):21-24.

[8]楚莉莉.不同原料及其配比厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果研究[D].西安:西北農(nóng)林科技大學(xué),2008.