北方农村地区的低温沼气发酵技术研究

潘松波

（吉林省发展和改革委员会宣传教育中心，吉林 长春 130000）

沼气发酵是一个相对复杂的过程，在这一过程中，多种微生物交替、联合进行生化，最终产生可以实际使用的沼气。在沼气发酵过程中，水分、温度、酸碱度以及发酵环境的密闭性、发酵材料等都会对沼气发酵的充分程度产生影响，尤其是温度条件更会影响沼气的产出量。下面结合实际，就低温给农村沼气发酵与使用带来的影响做具体简要分析。

1.低温对沼气发酵与使用的影响分析

在以往技术体系下，沼气发酵系统中微生物群的发酵主要是受高温催化，但是在冬季，环境温度降低，微生物活性也因此大大降低，沼气池的沼气产出量大大减少，微量沼气难满足使用要求，沼气池被闲置甚至是损毁。我国北方地区温度整体偏低，冬季更是低温严寒，长期的低温使得沼气发酵菌群生理活性降低，从而造成沼气产出量小，不足以维持发酵系统自身的运转，使沼气池无法正常使用。现阶段，我国农村沼气池基本是采用自然温度混合批次发酵工艺或半连续发酵工艺，在沼气池发酵过程中对菌种群的调控不足，对发酵工艺的调整优化不够，未能给激产甲烷菌群适合生长代谢的环境，最终造成菌群代谢失衡、活性降低，沼气产出量也因此大大减少。

为解决上述问题，近年来许多专家学者都对低温条件下的沼气发酵技术进行了研究，并取得了一定成果。如冯虎元、刘光等对我国多年冻土地区冻土微生物进行了分离、培养与分析，发现冻土中存有大量耐药低温菌，并筛选出耐冷菌，耐冷菌具有产低温酯酶、低温淀粉酶、低温蛋白酶等功能。虽然为北方农村地区沼气技术的发展提供了一定的推动力，但是也仍未从根本上解决冬季沼气产出量小的问题。如部分研究人员选育出的低温沼气发酵菌群的适应性不够强，环境应激能力不高，在低温条件下菌群的生理活性仍旧较低。为此必须基于现有技术与经验，结合实际情况进一步推进低温沼气发酵技术研究。

2.北方农村地区的低温沼气发酵新理论与新工艺

2.1 开发新型厌氧消化装置

北方农村地区具有相对丰富的生物质条件，这为沼气的发展奠定了基础，但北方农村地区冬季的低温气候又使沼气技术的发展与应用受到制约。因此当前的重中之重是研究与推广一种新型的低温沼气发酵技术或工艺，最大程度降低低温条件对沼气发酵的影响，从而让沼气在农村地区得到充分应用。经过调查可知，北方许多农村虽然都修建了沼气池，但是沼气池结构简单，保温与加温措施不完善，再加之平时缺乏管理，因此沼气池的实际应用率其实并不高。基于这一现状，一些新型高效的厌氧反应器被提了出来，如第2代高浓度有机废水处理的厌氧反应器、第3代高浓度有机废水处理厌氧反应器等。这些新型先进的厌氧反应器采用了内循环外循环相结合的技术以及旋流技术、固体流态化技术，因此能为厌氧生物创造出理想的物理环境，让厌氧生物加快进行生长代谢。2代、3代新型厌氧反应器的成功为北方农村地区低温沼气发酵技术的未来发展带来了启示、指明了方向。即北方农村地区的低温沼气技术必须要朝着优化厌氧发酵激宏观物理环境的方向发展，要不断研究优化能够适应秸秆、粪便等不同底物性质的新型高效生物质厌氧消化装置。

2.2 开发应用太阳能+沼气发酵模式

除了研究开发更先进与更高效厌氧消化装置外，还应根据北方农村冬季温度低的特征，将太阳能资源充分利用起来。如将沼气发酵系统与太阳能收集系统有机结合，在冬季无太阳或气温较低的情况下，通过热传导介质将太阳能采集装置中储存的太阳能能量传递给沼气发酵装置，让沼气发酵装置中的微生物群能正常新陈代谢，进而保证沼气产出量不变。因太阳能是清洁可再生能源，因此将太阳能利用技术与沼气发酵系统有机结合，可大大降低沼气装置的能耗成本，提高环保效益。

2.3 开发应用多底物共代谢技术

沼气发酵速度、发酵量等受多种因素影响，如温度、底物类型、底物混合组分等。研究表明，在沼气发酵过程中，原料转换率、甲烷产量等与底物混合组分又很大的关系，且多底物的厌氧共代谢途径可有效提高生物转化率与甲烷产量。

而多底物共代谢模式之所以能提高甲烷产量，主要原因是其改变了菌群的营养平衡，将有毒物质在消化过程中对功能菌群产生的毒害作用降到最低。微生物在厌氧发酵过程中需要多种营养元素的支持，多底物代谢能为微生物提供其所需的元素，并且在沼气发酵装置中引进多底物代谢能提高微生物的环境适应能力，提高微生物对低温的抵抗，让低温对沼气发酵的影响降到最低。研究表明：不同的复合底物具有不同的消化代谢途径，多底物发酵体系中微生物菌群间的协同作用也会更强。因此在北方农村的沼气发酵系统中可引进多底物共代谢发酵工艺，利用该工艺来提高原料转化率，降低低温对沼气发酵效率与发酵量的影响，让沼气产出量大大增加。

2.4 优化应用干法发酵产沼气工艺

在北方农村地区的沼气发酵系统中引进干法发酵产沼气工艺也可大大降低低温条件对沼气发酵的限制，有效提高沼气发酵系统中甲烷产量，提高产气率。

相较于湿法发酵工艺相比，干法发酵工艺原理更先进，操作更简便，发酵装置简单并且占地空间小，运行成本低，废液排放量也很少，要更为节能环保。北方农村地区多种植小麦、玉米等作物，秸秆类资源丰富，因此干法发酵产沼气工艺有应用条件。但干法发酵产沼气工艺在使用过程中也有一些技术限制，如在使用干法发酵产沼气工艺时要对原料进行预处理，如果对原料预处理效果不理想，那么沼气产出量也会大大降低。纤维素类底物降解效率不高时，微生物新陈代谢系统的平衡性会降低，沼气产出率也会大大降低。一般来说，当纤维颗粒粒径越小，产气潜能就会越高。并且有研究表明，若将粪便与含纤维基质有效混合并进行有效的预处理，沼气发酵系统的产气率就可增加17%。

2.5 创新优化生物质厌氧发酵系统

生物质厌氧发酵系统是决定沼气产出率的关键，理想的厌氧发酵系统应当是功能先进、构造简单、性能稳定且成本低廉的，系统在运行过程中做到低损耗、高产出。目前北方农村地区的沼气发酵系统还不够健全完善，不仅占地面积大而且运行成本高，沼气产出率较低。因此可在北方农村地区研发推广一种更先进的厌氧发酵系统，如CSTR－IC复合厌氧发酵系统，这一复合系统综合了两个系统的优势，能在厌氧发酵过程中促进微生物相分离，使厌氧发酵过程更顺利地完成。除此之外，该复合型发酵系统有现代信息技术做基础，能实现对整个发酵过程的动态监测与有效调控，从而让发酵效果达到预期水平或理想目标。在应用该复合系统进行微生物发酵时，系统内部充足的气流循环能增强传质作用，让产气速率与效果更为理想。复合发酵系统能以各种禽类粪便作为动力源，适用性较强，并且系统在运转过程中非产甲烷菌群与产甲烷菌群能够相互协调、相互作用，两大菌群之间能维持动态平衡，因此沼气的产出量也会更加稳定。

2.6 开发应用新型菌剂

在北方农村地区，低温是制约沼气技术发展与应用的最关键因素。在冬季长期低温条件下，微生物发酵菌群活性降低，厌氧发酵过程受到影响，最终造成产出的沼气极少。因此有必要使用厌氧发酵促进剂来突破低温对沼气发酵的限制，使沼气池在冬季也能正常投入使用。在开发新型菌剂时，应从低温条件中采集原始的低温菌群，让原始菌群进行人工调控与培育，最终得到适用于沼气发酵系统的高效复合产甲烷菌群，让北方农村地区沼气发酵技术的瓶颈得到突破。

结语

综上所述，低温给北方农村沼气发酵技术的发展与应用带来很大限制，在低温条件下，微生物发酵菌群活性降低，从而导致沼气产出量大大减少。基于此，就需进一步优化沼气发酵模式、创新沼气发酵技术、完善沼气发酵系统，培育新型菌剂，从而降低低温对沼气发酵技术的限制，让沼气发酵技术更好地服务于北方农村建设。