生物質厭氧發酵技術產沼氣的研究進展及展望

鄭文軒 楊瑛* 李艷賓

（塔里木大學a．機械電氣化工程學院；b．生命科學學院，新疆阿拉爾843300）

中國石油、天然氣、煤炭人均儲量僅為世界水平的7．7%、7．1%和58．6%，以現在的開采能力和探明儲量測算，中國煤炭、石油、天然氣可開采年限僅剩下80年、15年、30年，而世界水平是230年、45年和61年。從能源戰略的角度考慮，利用生物能源是不容懷疑的，多做前期準備工作是非常有必要的［1］。現代生物能源的利用主要是在氣體燃料、液體燃料、固體燃料等方面，筆者主要從生物質能源利用沼氣產出方面加以論述。沼氣主要是利用畜禽養殖業糞便和工業有機廢水等進行厭氧消化或者城市生活垃圾填埋得到的一種可再生能源，是生物質能利用的一個重要途徑。厭氧發酵技術可分為單相厭氧發酵技術、兩相厭氧發酵技術和混合厭氧發酵技術。本文將近年來國內外研究者對不同生物質原料、不同預處理方法和厭氧發酵工藝進行的大量研究進行總結討論，并對厭氧發酵技術提出展望，旨在為研究厭氧發酵技術的學者們提供一定的理論總結參考和方法借鑒。

1 發酵原料

厭氧發酵過程本質上是微生物的培養、繁殖過程。發酵原料既是產生沼氣的底物，又是厭氧發酵細菌賴以生存的養料來源。沼氣中的主要成分是甲烷和二氧化碳，兩種氣體的含量達90%。C是轉換甲烷的原料，N是甲烷菌繁殖必需的元素，甲烷菌的產生特點為只能利用簡單的一、二碳化合物作為營養，所以產甲烷菌幾乎都是利用分子氫，代謝的主要終產物是CH4和CO2。原料中碳與氮的平衡（亦即碳/氮比（C/N））是非常重要的。C/N比值是指發酵原料中有機碳素含量和氮素含量的比例關系，若原料中C/N比值不合適，外部調節將會給沼氣生產增加成本，因而了解原料秸稈C/N比值是具有重要意義的。常用原料中C/N比值見表1［2］。

C/N比值較高時，容易出現酸化現象，從而抑制甲烷菌的活動，造成發酵啟動失敗；C/N比值較低時，微生物在轉化有機氮素時，有一部分氮素合成菌體維持生長，多余的氮素則會被分解成無機氮素而放出氨，這樣就增加了發酵液的堿度，這對防止發酵起動過程中酸化現象的產生有一定作用。

表1 常用發酵原料的C/N比值

在發酵過程中，原料的C/N比值并不是固定不變的，微生物將一部分有機碳素分解為甲烷和CO2，這些氣態產物從發酵液中逸出，另一部分碳素和氮素物質被微生物吸收，多余的氮素物質則以NH4HCO3的形式溶于發酵液中。這樣經過一次分解C/N比值會下降一次。因此，發酵液的C/N比值要比發酵原料的C/N比值低。因此，研究者要根據各種原料自身不同的碳/氮比（C/N）做適當的調節，才能達到好的產氣效果。發酵起動時，原料的碳氮比包括接種物在內不應超過30∶1。根據各種原料的碳素和氮素的含量，可以計算出混合原料的C/N比值，其計算公式如下：

K=∑CiWi/∑NiWi

式中Ci——原料的碳素含量（%）；

Ni——原料的氮素含量（%）；

Wi——原料的質量；

K——混合原料的C/N比值。

除了上述所說的常用原料之外，研究者還對其他原料進行了沼氣實驗，如Tatsuya［3］對城市固體廢棄物中有機部分的生物產氫可行性進行了研究，宋學剛等對腐爛柑橘與沼液配比對產氣效果的影響進行了初步研究［4］，李艷賓等對柑橘皮渣進行了常溫厭氧消化技術研究［5］，劉亮等對花生秧厭氧發酵產沼氣進行了試驗研究［6］，王壽權、嚴群等研究了接種比例對豬糞與藍藻混合發酵產甲烷的影響［7］，劉榮厚、王遠遠等進行了蔬菜廢棄物厭氧發酵制取沼氣的試驗研究［8］，結果發現厭氧消化產氣量和沼氣中甲烷含量沒有常用原料產氣量多、甲烷含量高。因此，在今后的提高產氣量、產甲烷量的研究中，可以在上述原料中添加一些含氮、磷高的有機物一起進行厭氧發酵。

2 發酵方法

2．1 原料預處理

由于秸稈中的木質纖維素含量一般較高，厭氧消化產氣率低，經濟性差，通常要對原料進行預處理，破壞秸稈的物理化學結構并把它降解成簡單化合物，進而提高厭氧消化效率和產氣量。常見的預處理方法有機械粉碎、真菌、酶解和酸、堿化學處理、汽爆等。

陳永生、朱德文介紹了歐洲不同類型的原料預處理裝置［9］，從一定程度上代表了當今世界沼氣工程的先進水平。以能源植物為主的原料預處理工藝如圖1所示，以畜禽糞便為主的原料預處理工藝如圖2所示，以生活垃圾為主的原料預處理工藝如圖3所示。

Muller［10］從22種擔子菌中篩選出了降解木質素最快的菌種Pleurotus florida，用其預處理后，可明顯提高麥秸的產氣量；來航線、楊興華等［11］采用自制菌劑預處理原料對沼氣發酵效果的影響研究，證明發酵菌劑對沼氣發酵有明顯促進作用；萬楚筠、黃鳳洪［12］等研究了微生物預處理油菜秸稈對提高沼氣產量的影響，發現通過混合菌劑降解油菜秸稈中的纖維素、木質素和半纖維素，可促進秸稈生物質轉化為沼氣；閆志英、袁月祥［13］研究了復合菌劑預處理秸稈產沼氣，得到實驗室干發酵玉米稈經復合菌劑預處理后的產氣量比未加復合菌劑預處理的對照組有所提高。艾平［14］、康佳麗［15］、覃國棟［16］、邵艷秋［17］等研究了堿預處理厭氧發酵產沼氣的影響，得到堿處理能有效促進秸稈水解、半纖維素降解十分明顯，總產氣量、單位TS產氣量、TS和VS去除率顯著提高，且厭氧消化時間大大縮短。覃國棟、劉榮厚等［18］研究了酸預處理對水稻秸稈沼氣發酵的影響，酸處理能顯著地改變水稻秸稈的生物降解產沼氣的性質，提高產氣率；張琴、李艷賓等［19］采用微生物降解汽爆棉稈及優化發酵工藝，得到汽爆棉稈的微生物降解啟動較快的效果。

2．2 接種物

當發酵起動時必須把大量活性污泥加入發酵罐內進行接種，這是厭氧發酵起動階段成敗的關鍵。在厭氧發酵過程中，各種微生物需要不斷地分解有機物，從中吸收營養以獲得生命活動所需的能量。微生物生長所必需的營養成分主要包括碳、氮、磷以及其他微量元素等。由于待消化的有機物是微生物的營養物質，有機物中含有的營養物質的種類和數量就顯得非常重要。除了需要保持足夠的營養“量”之外，還需要保持各營養成分之間合適的比例，為微生物提供“充足”且“平衡”的養分。適合的接種物及接種量是厭氧發酵產氣速率、產氣量達到較好條件的重要因素。另外，根據微生物區系不同的特點，在發酵之前對接種物的馴化也是至關重要的。

現列舉一些接種物研究達到好的效果的研究：白云、李為等［20］對棉稈沼氣發酵生物預處理及馴化接種物做了研究，得出采用河底泥、臭水溝泥、工廠廢水底泥、荷塘底泥、湖底泥等5種污泥混合后馴化的活性污泥，可作為棉稈沼氣發酵的有效接種物，其沼氣發酵的日產氣量和累積產氣量均較單種污泥馴化的接種物高；王壽權、嚴群等［7］研究了接種比例對豬糞與藍藻混合發酵產甲烷的影響實驗，得到了合適的接種比例對藍藻發酵產甲烷的較好效果；李艷賓、張琴等［21］研究了接種量及物料配比對棉稈沼氣發酵的影響，選用豬糞、牛糞兩種原料，得出足夠量的接種物能有效提高棉稈的產氣速率與產氣量的結論。

2．3 溫度控制

溫度是影響厭氧發酵的關鍵因素之一。厭氧發酵微生物對溫度的要求范圍較寬，一般在10～60℃之內都能生長。根據發酵溫度，厭氧發酵分為高溫發酵（50～55℃）、中溫發酵（30～38℃）和常溫發酵（溫度隨季節氣溫變化而變化）三大類型。在一定溫度范圍內，溫度越高，產氣量越多，厭氧發酵周期越短；但并不是溫度越高越好，因為中溫發酵和高溫發酵的微生物區系是不同的，活性污泥中的有效成分是活的微生物群體，不同來源的活性污泥其生物活性差別很大。與常溫發酵相比，中溫發酵具有原料分解快、產氣率高、氣質好等特點。高溫發酵時有機物分解旺盛，發酵快，物料在發酵罐內停留時間短，非常適于城市生活垃圾和畜禽糞便的處理，可達到殺死蟲卵和病原菌的目的，缺點是氣質稍差、耗能較多。選擇哪種類型溫度進行發酵，要根據發酵原料的性質、來源、數量、處理有機物的目的、要求、用途和經濟效益等因素綜合考慮。

2．4 pH值調節

在沼氣產生的過程中產甲烷菌要求中性的環境條件。厭氧發酵的適宜酸堿度pH值為6．8～7．4，6．4以下或7．6以上都對產氣有抑制作用。一般產酸菌的繁殖速度是產甲烷菌的15倍，酸化速度高于甲烷化速度，一般容易出現偏酸，影響甲烷菌的生活環境。當pH值在5．5以下時，產甲烷菌的活動則完全受到抑制，出現酸中毒，這往往是造成發酵起動失敗的原因。為防止發酵過程中pH值過度降低，除了在發酵原料的選擇上選擇易降解的原料外，還要選擇優良的接種物，并加大接種物用量，同時監控發酵過程中發酵罐內的pH值變化情況，因為有機質在酸化過程中產生酸，往往啟動時或一次加料多時容易酸化。當pH值低于6．4時，可加入適量澄清石灰水進行調節。

2．5 攪拌

發酵罐內的發酵液通常自然地分成四層，從上到下依次為浮渣層、上清液層、活性層和沉渣層。而厭氧微生物活動較為旺盛的場所主要在活性層內，其他各層或因原料缺乏，或因不適宜微生物的活動，使厭氧消化難以進行。所以對發酵液進行攪拌，可使微生物與發酵原料充分接觸，打破分層現象，使活性層擴大到全部發酵液內，增加原料的分解速度，提高產氣率。常用的攪拌方法有三種：液流攪拌、氣流攪拌和機械攪拌。對厭氧干發酵而言，攪拌尤為重要，攪拌可使物料混合均勻，能避免局部酸化，并有利于沼氣逸出。攪拌的缺點是有可能引起發酵罐中的局部壓力增加，對產氣產生一定的負面影響；且根據微生物的生命極限速率，攪拌速度過快會危及到微生物的生存。因此，設計適當的攪拌工藝是沼氣發酵效果的一個影響因素，同時也會影響到整個工藝的經濟性。

3 發酵裝置

傳統型沼氣裝置具有發酵溫度受環境溫度的影響較大，發酵溫度不穩定，產氣不穩定，進料、出料不方便等缺點。研究者針對傳統裝置的缺點做了改進，如張全國、范振山等［22］設計的輔熱集箱式畜禽糞便沼氣系統（見圖4），采用太陽能和生物質輔助加熱方式給沼氣裝置加溫；為改進濕發酵后處理料液難分離的缺點，并李東、馬隆龍等［23］應用干式厭氧消化裝置（見圖5），也得到了好的產氣效果，杜連柱、陳羚［24］等采用臥式實驗裝置進行厭氧發酵產沼氣（見圖6）。

Chanakya等［25］研究了一種酸化液部分回流到酸化反應器中的方法，提高產氣效率。Sankar［26］等設計了一種簡便的產酸相反應器，把從酸化相中產生的VFA（揮發性有機酸）導入沼氣池，該方法與以畜禽糞便為唯一底物的對照池相比，提高了產氣量。Sharma等［27］設計了一種批次式三相厭氧發酵工藝，即堿預處理反應器、酸化反應器與厭氧消化反應器；Ganesh等［28］認為，在小型厭氧發酵裝置上，可以采用一種更經濟、更簡便的方法，構建成兩相發酵反應器，并指出可以用塑料桶、帶有龍頭的塑料袋以及皮管等作為獲取酸解液的反應器。在發酵裝置的設計上，要朝著方便、經濟、安全的方向改進，對不同的發酵原料特點有更多的適應性。

4 展望

在以后的生物質厭氧發酵技術產沼氣的研究中，在預處理方面應注重高效、經濟且不產生二次污染的的秸稈預處理方法，比較各種處理方法對氣體品質的影響，進一步優化工藝參數，如pH值、經濟的溫度控制參數及方法、不同底物的最優接種物、最佳料液比等；不斷改進發酵裝置，設計結構簡單、操作方便、成本低廉的反應裝置，降低設備的制造成本和運行成本。對不同底物和接種物的發酵原料，各參數對整個發酵效果的影響程度也要進一步分析清楚，工程需進一步放大研究和做技術經濟評價，從而降低發酵技術推廣的難度，相信在廣大科研工作者的不斷努力下，厭氧發酵技術將會有更廣闊的應用前景。

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