生物质厌氧发酵技术产沼气的研究进展及展望

郑文轩 杨瑛* 李艳宾

（塔里木大学a．机械电气化工程学院；b．生命科学学院，新疆阿拉尔843300）

中国石油、天然气、煤炭人均储量仅为世界水平的7．7%、7．1%和58．6%，以现在的开采能力和探明储量测算，中国煤炭、石油、天然气可开采年限仅剩下80年、15年、30年，而世界水平是230年、45年和61年。从能源战略的角度考虑，利用生物能源是不容怀疑的，多做前期准备工作是非常有必要的［1］。现代生物能源的利用主要是在气体燃料、液体燃料、固体燃料等方面，笔者主要从生物质能源利用沼气产出方面加以论述。沼气主要是利用畜禽养殖业粪便和工业有机废水等进行厌氧消化或者城市生活垃圾填埋得到的一种可再生能源，是生物质能利用的一个重要途径。厌氧发酵技术可分为单相厌氧发酵技术、两相厌氧发酵技术和混合厌氧发酵技术。本文将近年来国内外研究者对不同生物质原料、不同预处理方法和厌氧发酵工艺进行的大量研究进行总结讨论，并对厌氧发酵技术提出展望，旨在为研究厌氧发酵技术的学者们提供一定的理论总结参考和方法借鉴。

1 发酵原料

厌氧发酵过程本质上是微生物的培养、繁殖过程。发酵原料既是产生沼气的底物，又是厌氧发酵细菌赖以生存的养料来源。沼气中的主要成分是甲烷和二氧化碳，两种气体的含量达90%。C是转换甲烷的原料，N是甲烷菌繁殖必需的元素，甲烷菌的产生特点为只能利用简单的一、二碳化合物作为营养，所以产甲烷菌几乎都是利用分子氢，代谢的主要终产物是CH4和CO2。原料中碳与氮的平衡（亦即碳/氮比（C/N））是非常重要的。C/N比值是指发酵原料中有机碳素含量和氮素含量的比例关系，若原料中C/N比值不合适，外部调节将会给沼气生产增加成本，因而了解原料秸秆C/N比值是具有重要意义的。常用原料中C/N比值见表1［2］。

C/N比值较高时，容易出现酸化现象，从而抑制甲烷菌的活动，造成发酵启动失败；C/N比值较低时，微生物在转化有机氮素时，有一部分氮素合成菌体维持生长，多余的氮素则会被分解成无机氮素而放出氨，这样就增加了发酵液的碱度，这对防止发酵起动过程中酸化现象的产生有一定作用。

表1 常用发酵原料的C/N比值

在发酵过程中，原料的C/N比值并不是固定不变的，微生物将一部分有机碳素分解为甲烷和CO2，这些气态产物从发酵液中逸出，另一部分碳素和氮素物质被微生物吸收，多余的氮素物质则以NH4HCO3的形式溶于发酵液中。这样经过一次分解C/N比值会下降一次。因此，发酵液的C/N比值要比发酵原料的C/N比值低。因此，研究者要根据各种原料自身不同的碳/氮比（C/N）做适当的调节，才能达到好的产气效果。发酵起动时，原料的碳氮比包括接种物在内不应超过30∶1。根据各种原料的碳素和氮素的含量，可以计算出混合原料的C/N比值，其计算公式如下：

K=∑CiWi/∑NiWi

式中Ci——原料的碳素含量（%）；

Ni——原料的氮素含量（%）；

Wi——原料的质量；

K——混合原料的C/N比值。

除了上述所说的常用原料之外，研究者还对其他原料进行了沼气实验，如Tatsuya［3］对城市固体废弃物中有机部分的生物产氢可行性进行了研究，宋学刚等对腐烂柑橘与沼液配比对产气效果的影响进行了初步研究［4］，李艳宾等对柑橘皮渣进行了常温厌氧消化技术研究［5］，刘亮等对花生秧厌氧发酵产沼气进行了试验研究［6］，王寿权、严群等研究了接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响［7］，刘荣厚、王远远等进行了蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试验研究［8］，结果发现厌氧消化产气量和沼气中甲烷含量没有常用原料产气量多、甲烷含量高。因此，在今后的提高产气量、产甲烷量的研究中，可以在上述原料中添加一些含氮、磷高的有机物一起进行厌氧发酵。

2 发酵方法

2．1 原料预处理

由于秸秆中的木质纤维素含量一般较高，厌氧消化产气率低，经济性差，通常要对原料进行预处理，破坏秸秆的物理化学结构并把它降解成简单化合物，进而提高厌氧消化效率和产气量。常见的预处理方法有机械粉碎、真菌、酶解和酸、碱化学处理、汽爆等。

陈永生、朱德文介绍了欧洲不同类型的原料预处理装置［9］，从一定程度上代表了当今世界沼气工程的先进水平。以能源植物为主的原料预处理工艺如图1所示，以畜禽粪便为主的原料预处理工艺如图2所示，以生活垃圾为主的原料预处理工艺如图3所示。

Muller［10］从22种担子菌中筛选出了降解木质素最快的菌种Pleurotus florida，用其预处理后，可明显提高麦秸的产气量；来航线、杨兴华等［11］采用自制菌剂预处理原料对沼气发酵效果的影响研究，证明发酵菌剂对沼气发酵有明显促进作用；万楚筠、黄凤洪［12］等研究了微生物预处理油菜秸秆对提高沼气产量的影响，发现通过混合菌剂降解油菜秸秆中的纤维素、木质素和半纤维素，可促进秸秆生物质转化为沼气；闫志英、袁月祥［13］研究了复合菌剂预处理秸秆产沼气，得到实验室干发酵玉米秆经复合菌剂预处理后的产气量比未加复合菌剂预处理的对照组有所提高。艾平［14］、康佳丽［15］、覃国栋［16］、邵艳秋［17］等研究了碱预处理厌氧发酵产沼气的影响，得到碱处理能有效促进秸秆水解、半纤维素降解十分明显，总产气量、单位TS产气量、TS和VS去除率显著提高，且厌氧消化时间大大缩短。覃国栋、刘荣厚等［18］研究了酸预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响，酸处理能显著地改变水稻秸秆的生物降解产沼气的性质，提高产气率；张琴、李艳宾等［19］采用微生物降解汽爆棉秆及优化发酵工艺，得到汽爆棉秆的微生物降解启动较快的效果。

2．2 接种物

当发酵起动时必须把大量活性污泥加入发酵罐内进行接种，这是厌氧发酵起动阶段成败的关键。在厌氧发酵过程中，各种微生物需要不断地分解有机物，从中吸收营养以获得生命活动所需的能量。微生物生长所必需的营养成分主要包括碳、氮、磷以及其他微量元素等。由于待消化的有机物是微生物的营养物质，有机物中含有的营养物质的种类和数量就显得非常重要。除了需要保持足够的营养“量”之外，还需要保持各营养成分之间合适的比例，为微生物提供“充足”且“平衡”的养分。适合的接种物及接种量是厌氧发酵产气速率、产气量达到较好条件的重要因素。另外，根据微生物区系不同的特点，在发酵之前对接种物的驯化也是至关重要的。

现列举一些接种物研究达到好的效果的研究：白云、李为等［20］对棉秆沼气发酵生物预处理及驯化接种物做了研究，得出采用河底泥、臭水沟泥、工厂废水底泥、荷塘底泥、湖底泥等5种污泥混合后驯化的活性污泥，可作为棉秆沼气发酵的有效接种物，其沼气发酵的日产气量和累积产气量均较单种污泥驯化的接种物高；王寿权、严群等［7］研究了接种比例对猪粪与蓝藻混合发酵产甲烷的影响实验，得到了合适的接种比例对蓝藻发酵产甲烷的较好效果；李艳宾、张琴等［21］研究了接种量及物料配比对棉秆沼气发酵的影响，选用猪粪、牛粪两种原料，得出足够量的接种物能有效提高棉秆的产气速率与产气量的结论。

2．3 温度控制

温度是影响厌氧发酵的关键因素之一。厌氧发酵微生物对温度的要求范围较宽，一般在10～60℃之内都能生长。根据发酵温度，厌氧发酵分为高温发酵（50～55℃）、中温发酵（30～38℃）和常温发酵（温度随季节气温变化而变化）三大类型。在一定温度范围内，温度越高，产气量越多，厌氧发酵周期越短；但并不是温度越高越好，因为中温发酵和高温发酵的微生物区系是不同的，活性污泥中的有效成分是活的微生物群体，不同来源的活性污泥其生物活性差别很大。与常温发酵相比，中温发酵具有原料分解快、产气率高、气质好等特点。高温发酵时有机物分解旺盛，发酵快，物料在发酵罐内停留时间短，非常适于城市生活垃圾和畜禽粪便的处理，可达到杀死虫卵和病原菌的目的，缺点是气质稍差、耗能较多。选择哪种类型温度进行发酵，要根据发酵原料的性质、来源、数量、处理有机物的目的、要求、用途和经济效益等因素综合考虑。

2．4 pH值调节

在沼气产生的过程中产甲烷菌要求中性的环境条件。厌氧发酵的适宜酸碱度pH值为6．8～7．4，6．4以下或7．6以上都对产气有抑制作用。一般产酸菌的繁殖速度是产甲烷菌的15倍，酸化速度高于甲烷化速度，一般容易出现偏酸，影响甲烷菌的生活环境。当pH值在5．5以下时，产甲烷菌的活动则完全受到抑制，出现酸中毒，这往往是造成发酵起动失败的原因。为防止发酵过程中pH值过度降低，除了在发酵原料的选择上选择易降解的原料外，还要选择优良的接种物，并加大接种物用量，同时监控发酵过程中发酵罐内的pH值变化情况，因为有机质在酸化过程中产生酸，往往启动时或一次加料多时容易酸化。当pH值低于6．4时，可加入适量澄清石灰水进行调节。

2．5 搅拌

发酵罐内的发酵液通常自然地分成四层，从上到下依次为浮渣层、上清液层、活性层和沉渣层。而厌氧微生物活动较为旺盛的场所主要在活性层内，其他各层或因原料缺乏，或因不适宜微生物的活动，使厌氧消化难以进行。所以对发酵液进行搅拌，可使微生物与发酵原料充分接触，打破分层现象，使活性层扩大到全部发酵液内，增加原料的分解速度，提高产气率。常用的搅拌方法有三种：液流搅拌、气流搅拌和机械搅拌。对厌氧干发酵而言，搅拌尤为重要，搅拌可使物料混合均匀，能避免局部酸化，并有利于沼气逸出。搅拌的缺点是有可能引起发酵罐中的局部压力增加，对产气产生一定的负面影响；且根据微生物的生命极限速率，搅拌速度过快会危及到微生物的生存。因此，设计适当的搅拌工艺是沼气发酵效果的一个影响因素，同时也会影响到整个工艺的经济性。

3 发酵装置

传统型沼气装置具有发酵温度受环境温度的影响较大，发酵温度不稳定，产气不稳定，进料、出料不方便等缺点。研究者针对传统装置的缺点做了改进，如张全国、范振山等［22］设计的辅热集箱式畜禽粪便沼气系统（见图4），采用太阳能和生物质辅助加热方式给沼气装置加温；为改进湿发酵后处理料液难分离的缺点，并李东、马隆龙等［23］应用干式厌氧消化装置（见图5），也得到了好的产气效果，杜连柱、陈羚［24］等采用卧式实验装置进行厌氧发酵产沼气（见图6）。

Chanakya等［25］研究了一种酸化液部分回流到酸化反应器中的方法，提高产气效率。Sankar［26］等设计了一种简便的产酸相反应器，把从酸化相中产生的VFA（挥发性有机酸）导入沼气池，该方法与以畜禽粪便为唯一底物的对照池相比，提高了产气量。Sharma等［27］设计了一种批次式三相厌氧发酵工艺，即碱预处理反应器、酸化反应器与厌氧消化反应器；Ganesh等［28］认为，在小型厌氧发酵装置上，可以采用一种更经济、更简便的方法，构建成两相发酵反应器，并指出可以用塑料桶、带有龙头的塑料袋以及皮管等作为获取酸解液的反应器。在发酵装置的设计上，要朝着方便、经济、安全的方向改进，对不同的发酵原料特点有更多的适应性。

4 展望

在以后的生物质厌氧发酵技术产沼气的研究中，在预处理方面应注重高效、经济且不产生二次污染的的秸秆预处理方法，比较各种处理方法对气体品质的影响，进一步优化工艺参数，如pH值、经济的温度控制参数及方法、不同底物的最优接种物、最佳料液比等；不断改进发酵装置，设计结构简单、操作方便、成本低廉的反应装置，降低设备的制造成本和运行成本。对不同底物和接种物的发酵原料，各参数对整个发酵效果的影响程度也要进一步分析清楚，工程需进一步放大研究和做技术经济评价，从而降低发酵技术推广的难度，相信在广大科研工作者的不断努力下，厌氧发酵技术将会有更广阔的应用前景。

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