高傳慶 王 靜 谷 巍 王 振

（①山東省濱州市動物疾病預防與控制中心 256600②山東省寶來利來生物工程股份有限公司 泰安 ③山東農業(yè)大學后勤管理處 泰安）

沼氣發(fā)酵時沼氣微生物在厭氧條件下分解有機物質產生甲烷和二氧化碳的過程。整個厭氧消化過程分三個階段：水解發(fā)酵階段、產氫產乙酸階段、產甲烷階段[1]。整個厭氧消化過程中，微生物之間有著密不可分相互依存的內在和外在的關聯。不過處在連鎖末端的甲烷菌對整個厭氧處理微生物生態(tài)系統(tǒng)來說，起著至關重要的作用。產甲烷菌的活性受溫度、pH值、有毒物質、以及C、N、P比值、無機元素等的影響[2]。

目前，促進沼氣發(fā)酵的研究主要集中在生物強化、化學試劑的添加以及原料預處理。

1 生物強化

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

2 化學試劑投加

如代謝促進劑Fe、Co、Ni、S等生長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或重金屬，從而促進厭氧發(fā)酵反應的進行。

厭氧消化的產甲烷階段對無機營養(yǎng)的缺乏十分敏感。鋰、鈷、鐵等是甲烷菌必要的無機營養(yǎng)元素[5]。李亞新等(1996)發(fā)現微量營養(yǎng)元素對毒性物質具有拮抗作用，從而緩解毒性物質對產甲烷菌的限制作用。以血清瓶為反應器，以乙酸鈣為基質通過厭氧批量試驗從動力學的角度研究了微量金屬元素Fe、Co、Ni對甲烷菌的激活作用，結果表明，加入金屬元素Fe、Co、Ni能有效縮短厭氧消化反應時間，提高基質降解率和產氣速率[6]。

3 原料預處理

原料分富氮原料和富碳原料。富氮原料：以畜牧場糞污為主的發(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，降低其產酸階段產酸對沼氣池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先分解秸稈中的纖維素與半纖維素、木質素，再投料能顯著提高產氣量，縮短產氣時間。

4 改善發(fā)酵工藝促進沼氣發(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(以干物質算)[7]。控制好料液濃度，以獲得較穩(wěn)定的產氣率。（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生、運轉。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、雞糞的產氣效果要比小麥秸稈、水稻秸稈和玉米秸稈好，但秸稈到達產氣高峰時間要比畜禽糞便要早[8]。

4.2 控制發(fā)酵池的pH值

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

酸度過大的調節(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程中基本完成。（2）對已酸化的料液利用草木灰上清液、氨水或2%的石灰水進行調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，同時加水稀釋。

4.3 控制沼氣池溫度

沼氣池溫度在53～55℃時，高溫菌活躍，此時產氣較快。常溫發(fā)酵沼氣池中發(fā)酵溫度不會突變，但中高溫發(fā)酵時，必須控制好溫度。因為溫度突變到一定程度，產氣會下降甚至停止。兩個產氣高峰溫度：中溫發(fā)酵為35℃，高溫發(fā)酵為54℃。

4.4 攪拌

沼氣發(fā)酵過程中的生化反應時依靠基質和微生物之間的接觸來實現的，實現這種接觸最有效、最可行的強化手段就是混合攪拌。多數研究報道，對沼氣池進行攪拌能有效提高產氣速度和處理效率。根據發(fā)酵規(guī)模大小，采用不同攪拌方法：（1）機械攪拌。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。（3）氣體攪拌。將沼氣池產生的沼氣，加壓后從池底沖入，利用產生的氣流，達到攪拌目的。后兩種方法適合中、大型沼氣工程。

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

[2]仇天雷.不同生境產甲烷古菌分離鑒定及初步應用研究[D].北京:中國農業(yè)科學院,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)生物強化及相關研究[D].合肥:安徽農業(yè)大學,2006.

[5]李亞新.厭氧消化過程中甲烷菌的無機營養(yǎng)需要[J].中國沼氣，1996,14(1):1-5.

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

[7]張無敵，劉志華，宋洪川.沼氣發(fā)酵過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)酵產氣效果研究[D].西安:西北農林科技大學,2008.