几种促进沼气发酵产气的途径

高传庆 王 静 谷 巍 王 振

（①山东省滨州市动物疾病预防与控制中心 256600②山东省宝来利来生物工程股份有限公司 泰安 ③山东农业大学后勤管理处 泰安）

沼气发酵时沼气微生物在厌氧条件下分解有机物质产生甲烷和二氧化碳的过程。整个厌氧消化过程分三个阶段：水解发酵阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段[1]。整个厌氧消化过程中，微生物之间有着密不可分相互依存的内在和外在的关联。不过处在连锁末端的甲烷菌对整个厌氧处理微生物生态系统来说，起着至关重要的作用。产甲烷菌的活性受温度、pH值、有毒物质、以及C、N、P比值、无机元素等的影响[2]。

目前，促进沼气发酵的研究主要集中在生物强化、化学试剂的添加以及原料预处理。

1 生物强化

沼气发酵过程是产甲烷细菌和非产甲烷细菌相互作用、相互制约的动态厌氧消化过程。产甲烷菌与水解菌群、产乙酸菌群一起构成厌氧消化三大菌群。乙酸营养型产甲烷菌具有质子调节作用，能够利用产氢产乙酸菌代谢产生的乙酸，维持pH的稳定。而氢营养型产甲烷菌代谢氢，从热力学上为产氢产乙酸菌代谢多碳化合物提供了最适条件。因此，非产甲烷菌为甲烷菌的生长提供生长必须的基质、为甲烷菌创造适宜的厌氧环境、清除有毒物质，产甲烷菌为非产甲烷菌解除生化反应反馈抑制，两者协同维持发酵池中适宜pH值，共同维持发酵池的微生态平衡。文献报道向沼气系统中投加Caldicellulosyruptor saccharolyticus 可以提高160%～170%的产气量。M.S.Miah利用好氧嗜热菌使下水道污水沼气反应器产气效率加快，产气也明显提高[3]。另有报道，白蚁肠道微生物也有利于甲烷的生成，对沼气发酵存在潜在促进作用[4]。

2 化学试剂投加

如代谢促进剂Fe、Co、Ni、S等生长必须的微量金属元素和常量非金属元素；可以投加物理吸附剂吸附料液中的有毒物质或重金属，从而促进厌氧发酵反应的进行。

厌氧消化的产甲烷阶段对无机营养的缺乏十分敏感。锂、钴、铁等是甲烷菌必要的无机营养元素[5]。李亚新等(1996)发现微量营养元素对毒性物质具有拮抗作用，从而缓解毒性物质对产甲烷菌的限制作用。以血清瓶为反应器，以乙酸钙为基质通过厌氧批量试验从动力学的角度研究了微量金属元素Fe、Co、Ni对甲烷菌的激活作用，结果表明，加入金属元素Fe、Co、Ni能有效缩短厌氧消化反应时间，提高基质降解率和产气速率[6]。

3 原料预处理

原料分富氮原料和富碳原料。富氮原料：以畜牧场粪污为主的发酵原料。在投料前，将新鲜畜禽粪便堆沤10～15d，使其酸化阶段在堆沤阶段就基本完成，降低其产酸阶段产酸对沼气池pH值的影响。富碳原料：以秸秆为主的发酵原料。添加纤维分解菌或白腐菌预先分解秸秆中的纤维素与半纤维素、木质素，再投料能显著提高产气量，缩短产气时间。

4 改善发酵工艺促进沼气发酵

4.1 控制料液浓度及发酵原料的碳氮比

（1）夏季6%左右，冬季8%左右(以干物质算)[7]。控制好料液浓度，以获得较稳定的产气率。（2）适宜碳氮比为20～30:1，最佳碳氮比25:1。畜禽粪便为主要发酵原料的碳氮比较低。用牛粪做原料发酵最好，纯猪粪效果最差，猪养殖区可适量加牛粪和秸秆以确保沼气正常产生、运转。牛粪与猪粪比例为1:1，如果添加秸秆则猪粪与牛粪各占45%，秸秆为10%。猪粪、牛粪、鸡粪的产气效果要比小麦秸秆、水稻秸秆和玉米秸秆好，但秸秆到达产气高峰时间要比畜禽粪便要早[8]。

4.2 控制发酵池的pH值

厌氧消化的产酸菌最适合于在酸性条件下生长，最佳pH5.8。而产甲烷菌则需要较为严格的弱碱性条件(碱性发酵)pH7.8，当pH低于6.2时，就会失去活性，因此，在产酸菌和产甲烷菌共存的厌氧消化过程中，系统的pH应控制在.6.5～5之间，最佳范围是7.0～7.2。为了顺利进行沼气发酵，使产气早，产气量高，必须调节好启动pH值，以pH值7.5左右最佳。发酵过程中，除一次添加过量新鲜作物秸秆或青草等易产酸原料，造成发酵液酸化，使pH值下降，需及时调节外，一般不需调节。只要流出液pH值在7～8之间，每天添加少量新料，也无需调节。

酸度过大的调节方法：（1）在投料前将新鲜畜禽粪便堆沤10～15 d再投入沼气池,使其酸化阶段在堆沤过程中基本完成。（2）对已酸化的料液利用草木灰上清液、氨水或2%的石灰水进行调制使料液酸碱度保持为中性。如果pH值大于8，可加入适量牛粪、马粪，同时加水稀释。

4.3 控制沼气池温度

沼气池温度在53～55℃时，高温菌活跃，此时产气较快。常温发酵沼气池中发酵温度不会突变，但中高温发酵时，必须控制好温度。因为温度突变到一定程度，产气会下降甚至停止。两个产气高峰温度：中温发酵为35℃，高温发酵为54℃。

4.4 搅拌

沼气发酵过程中的生化反应时依靠基质和微生物之间的接触来实现的，实现这种接触最有效、最可行的强化手段就是混合搅拌。多数研究报道，对沼气池进行搅拌能有效提高产气速度和处理效率。根据发酵规模大小，采用不同搅拌方法：（1）机械搅拌。搅拌装置安装在沼气池液面以下，可定位。此法适合小型沼气池。（2）液体搅拌。使用人工或泵使沼气池料液循环流动。（3）气体搅拌。将沼气池产生的沼气，加压后从池底冲入，利用产生的气流，达到搅拌目的。后两种方法适合中、大型沼气工程。

[1]任南琪,瑗杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京:化学工业出版社，2004.216-235.

[2]仇天雷.不同生境产甲烷古菌分离鉴定及初步应用研究[D].北京:中国农业科学院,2007.

[3]M.S.Miah.Aerobic thermophilic bacteria enhance biogas production[J].J Mater Cycles Waste Manag.2005,7:48-54.

[4]程林.沼气系统生物强化及相关研究[D].合肥:安徽农业大学,2006.

[5]李亚新.厌氧消化过程中甲烷菌的无机营养需要[J].中国沼气，1996,14(1):1-5.

[6]李亚新,杨建刚.微量金属元素对甲烷菌激活作用的动力学[J].中国沼气,2000,18(2):116-118.

[7]张无敌，刘志华，宋洪川.沼气发酵过程中几种水解酶活性变化规律研究[J].新能源，1999,21(2):21-24.

[8]楚莉莉.不同原料及其配比厌氧发酵产气效果研究[D].西安:西北农林科技大学,2008.