沼气技术与工艺

1、复合有机物厌氧消化技术

 
在沼气池中有机物经厌氧微生物菌群的发酵作用,转化为沼气,包括甲烷、二氧化碳和少量其它气体,厌氧微生物菌群是现代沼气技术的核心。现代分子生物学技术,如PCR技术、基因组技术以及高通量测序技术等的发展为厌氧反应器中复杂的微生物区系和多样性分析提供了行之有效的手段。现代沼气技术已能针对不同的沼气原料,配制特定的厌氧微生物种群,提高产气效率。先进的厌氧微生物菌群的研究成果极大地扩展了沼气原料的范围,在德国已有30多种原料用于沼气生产。现代沼气技术研究了沼气生产中经常发生的各种中毒现象,制定了解决方案。先进的厌氧微生物菌群和发酵技术极大提高了沼气池的产气量和设备的使用效率,为沼气产业的大规模发展奠定了生物学理论和技术设备的基础。
 
一、沼气发酵
 
沼气的发酵过程,实质上是指有机物质(如人畜家禽粪便、秸秆、杂草等)在一定的水分、温度和厌氧条件下,通过各类微生物的分解代谢,最终形成甲烷(CH4)和二氧化碳(CO2)等可燃性混合气体的过程。在厌氧条件下,各类有机物不断地被微生物分解,构成了自然界能量和物质循环的重要环节。

 

 
第一阶段:水解
 
由于厌氧和水解性细菌或发酵性细菌将复杂的碳水化合物水解为单糖,并在三羧酸循环中形成丙酮酸;将蛋白质水解成氨基酸,进而形成有机酸和氨;将脂类最终转化为丙酸、丁酸乙醇等。本阶段的水解性细菌,主要包括梭菌属(Clostridium)、优杆菌属 (Eubacterium)、 双歧杆菌属(Bifidobacterium)、丁酸弧菌属(Butyrivibrio)等专性厌氧细菌;兼性厌氧菌包括链球菌属(Streptococcus)和一些肠道菌等。前人研究表明,在此发酵阶段中,液化细菌只能存活几个小时,而液化是一个缓慢的过程,水解液化速度的快慢决定着整个发酵过程的快慢,因此,该阶段是整个沼气厌氧发酵的限速步骤。
 
第二阶段:酸化
 
1967 年,M. P. Bryant 发现了产氢产乙酸微生物的存在。这类微生物可以利用第一阶段产生的各种有机酸,将其分解为乙酸、H2和 CO2。他对沼泥中含量最为丰富的“奥氏甲烷杆菌(Methanobacterium omelianskii)”研究后发现,此菌是两种细菌的共同体。产氢、产乙酸微生物菌群在沼气发酵中的主要功能,是将第一阶段的分解产物(三碳以上的有机酸、醇和芳香族酸类等物质)氧化分解成乙酸和分子氢。第一阶段和第二阶段是一个连续的过程,统称为不产甲烷阶段。在此阶段中,除了产生大量的 CO2和小分子化合物,还形成了少量的氢气,这些都是合成甲烷的前提物质。
 
第三阶段:甲烷化
 
此阶段的反应由严格厌氧的产甲烷菌群(methanogens 或 methane-producingbacteria)来完成。这类微生物只能利用一碳化合物、乙酸和氢气形成甲烷。在其形成过程中,约有 30%的甲烷是来自 H2的氧化和 CO2的还原;另外 70%的甲烷则来自乙酸盐的转化。在沼气发酵的三个阶段中,产甲烷微生物是自然界碳素循环中的最后一个成员,对自然界物质和能量的循环起着重要作用。
 
二、影响厌氧发酵的因素
 
厌氧发酵过程是通过不同厌氧微生物的共同作用完成的,微生物的正常代谢活动都需要一定的环境条件,主要有温度、碳氮比、接种物、总固体浓度、混合均匀度、pH值、碱度等。
 
(1)发酵温度
 
在所有环境因素下,温度是影响厌氧发酵的最重要因素。微生物只有在适宜的温度下才能生存并进行一系列的代谢活动。相关研究表明,在 10~60℃,厌氧细菌均能进行代谢活动产生沼气,在此温度范围内,温度越高,微生物的代谢活动越旺盛,产气速率和产气量就越高。
 
(2)原料的碳氮比
 
目前,粪便和秸秆是主要的厌氧发酵原料,秸秆碳多氮少,碳氮比大,是“富碳原料”。粪便氮多碳少,碳氮比小,是“富氮原料”。合成细胞的碳源主要担负为产气过程提供能量和为合成细胞提供原料两项任务。因此,从营养学的角度看,要求碳氮比达到20~30:1。如果碳氮比失调,会使微生物的代谢活动受到影响,影响厌氧发酵的正常进行。碳氮比过高,会使系统缓冲能力下降,pH值降低;碳氮比过低,易造成铵盐累积,抑制厌氧发酵的进行。
 
(3)接种物
 
用于厌氧发酵的原料在接种了含有厌氧发酵细菌的接种物后,才能被厌氧菌利用生成沼气。添加适宜的接种物能使厌氧发酵快速稳定的进行,当添加量少时,厌氧微生物菌群的繁殖较慢,启动时间长,易造成酸累积,使厌氧发酵失败。因此加大接种量可以有效防止酸积累,保证厌氧发酵正常有序的进行。
 
(4)总固体浓度
 
沼气发酵料液的总固体浓度又称料水比。水是生命之源,微生物的生长和繁殖也需要适当的水分。如果发酵料液中原料过多,含水量过少,不利于厌氧微生物的正常代谢活动,原料分解较难,易造成脂肪酸的累积,使发酵过程受到抑制;如果发酵料液原料较少,水分过多,可供厌氧微生物利用的营养不足,产气量较低。所以发酵料液必须保持适宜的总固体浓度。研究证明,发酵料液的总固体浓度在10%左右为佳。不同季节也有不同的总固体浓度,在高温季节总固体浓度在6%~8%为宜,在低温季节总固体浓度在10%~12%为宜。
 
(5)混合均匀度
 
沼气发酵是由细菌的酶与原料进行反应,必须使两者充分混合才能保证发酵正常进行。搅拌可以使发酵原料与微生物充分接触,加快反应速率,提高沼气产量。另外,搅拌还能将池中的浮渣层打碎,使原料与细菌混合均匀。根据发酵料液总固体浓度的不同,搅拌可以分为机械搅拌、气搅拌和液搅拌3 种。
 
(6)pH值与酸碱度
 
发酵料液的酸度通常由发酵料液的挥发性脂肪酸含量决定,碱度通常由发酵料液中的氨态氮含量决定。发酵料液的 pH 值在 6~8 之间都可正常发酵产气,当 pH 值过高或过低时,厌氧细菌的活性受到抑制,影响发酵的正常进行。碱度可以中和发酵系统内的过酸过碱物质,保持发酵系统的动态平衡。研究证明,碱度应保持在 2000mg/L 以上,才有足够的缓冲能力,防止过酸过碱的物质对厌氧菌的活性产生抑制。
 
三、复合有机物料厌氧消化技术进展
 
牲畜粪便和秸秆的混合(复合有机物料)是沼气混合厌氧发酵工艺技术研究开发热点。粪便有机质含量低、N 含量高、产气速度快但含有厌氧发酵抑制因子。秸秆中木质素、纤维素、半纤维素含量多,纤维素受木质素的包裹和本身的结晶结构不易降解,产气速度慢但产气周期长。因而,将牲畜粪便和秸秆两者混合发酵,能够平衡发酵的营养元素、提供强的缓冲能力、减少氨对发酵的抑制。

关于复合有机物料的厌氧消化技术与工艺,主要从以下几个方向展开突破:
 
①复合有机物料生物产甲烷潜力及产气协同效应研究;
②复合有机物料原料选择及原料配比对厌氧消化产气稳定性及产气性能的影响;
③基质与接种物比对复合有机物料厌氧消化性能的影响;
④反应温度对复合有机物料厌氧消化的影响;
⑤原料浓度对复合有机物料厌氧消化性能的影响;
⑥原料预处理提升复合有机物料厌氧消化性能的机理及效果研究;
⑦反应器选择对复合有机物料厌氧消化的影响。
 
目前厌氧消化技术己被广泛地用于消化生活垃圾、畜禽粪便、市政污泥、高浓度有机废水和食品加工废物等。但用厌氧消化技术来消化稻秆类废弃物就要困难得多,相关的技术研究也很少。其主要的原因是由于秸秆的木质纤维素含量较高,木质素又和纤维素、半纤维素包裹在一起,使得木质纤维形成了致密不通水的构造,阻碍了纤维素分解菌的作用,从而导致了稻杆类废弃物难以消化、产气量低,继而限制了作物稻秆用于生物制气的大规模应用解决此问题的简单而有效的手段之一就是对秸秆类废弃物进行预处理。通过预处理可以降低原料粒径、增加微生物的可及表面积,降低纤维素结晶度、降低晶型、降解/去除木质素、降解/去除半纤维素等,从而利于微生物降解。主要包括物理预处理(机械破碎、福射、微波等)、化学预处理(酸、碱、氧化剂等)、生物预处理(真菌等)及组合预处理(水热、蒸汽爆破、氨纤维爆破等)。一些新的方法,如超临界/次临界二氧化碳/水、射线照射、超重力法、离子液体萃取等方法也被用于预处理纤维素类原料。然而,已有的方法要么耗能(如超临界二氧化碳)、要么试剂昂贵(如离子液体)、要么处理时间长(如真菌预处理)、要么会产生不利于微生物生长的副产物——糠醛/羟甲基糠醛(如酸液预处理),均不具备工业化应用条件。综合来看,在选用预处理方法时,需要综合考虑:(1)提高原料的生物降解性;(2)避免降解或损失有机成分;(3)避免形成抑制物;(4)需要尽可能少的廉价的化学试剂及水;(5)避免使用昂贵的预处理反应器;(6)需要低的能量输入;(7)避免对废弃物进行再处理;(8)经济可行性及环境友好;(9)因地制宜、因材制宜。
 
复合有机物料高效厌氧发酵工艺的开发、机理研究及发酵剩余物的利用问题。在我国,大多数的厌氧消化反应器只用于处理单一原料(如畜禽粪便),由于原料供应的短缺问题,很多以单一基质为原料的反应器也面临着停止运行的风险。因此,选择可替代的厌氧消化方式(如复合厌氧消化)成为近些年来的热点。目前的反应系统大多采用湿式发酵工艺,对于畜禽粪便、农业秸秆废弃物等原料的利用效率较低,因此,结合原料特性,开发新型的复合有机物料厌氧消化工艺十分必要。
 
不断改进的厌氧反应器及厌氧生物处理工艺打破了过去认为厌氧处理工艺需耍温度较高、处理效率低、处理时间长的传统观念。厌氧处理也可以是高效能的,可以适应不同的温度、不同的浓度以及不同的原料类型,这为厌氧消化的工程化应用提供了坚实的理论基础及技术支持。

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