沼气制取工程的生命科学研究

新洁电子 · 发表于 2008-2-26 09:30:36

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摘　要：沼气工程可分为沼气制取工程、沼气精制工程和沼气利用工程三部分该论文从微生物生命科学和沼气制取工程的相互关系角度，较系统地阐述了沼气自然产生的条件和机理对沼气制取工程中相关的新技术和新方法的产生与发展的影响，包括发酵原料、发酵工艺、制取装置设备及沼气检测等，并对国外的沼气新工艺和新技术作了简要介绍。论证结果表明沼气经济高效制取技术的产生和发展与微生物生命科学的进步息息相关。
关键词：甲烷发生机理；沼气制取工程；消化器；检测技术；发酵工艺
中图分类号：S216.4　　文献标识码：A
　　人类发现沼气并利用其为人类服务的历史相当久远。但纵观沼气利用和发展所涉及到的工艺、技术及装备等，沼气工程大致可以分为三个部分，一是沼气制取工程；二是沼气精制工程；三是沼气利用工程。其中沼气制取工程实质上是一种仿生学工程，需要在充分了解微生物产甲烷机制的基础上，利用人工的各种发酵装置和优化工艺使甲烷的有效产气量最大。本文将微生物产沼气和人工沼气制取工程有机地结合起来阐述，从生命科学的视角来论述沼气能源工程的发展趋势。
1　沼气（甲烷）自然发生机理
　　1.1 沼气自然来源
　　在自然条件下，全世界每年CH4排放量大约5亿t，从寒带到温带再到热带，都有CH4的排放。主要来源见表1。

表1 全球主要CH4排放量[1]
CH4排放源排放量/Mt·a-1
CH4排放源排放量 /Mt·a-1
湿　地70～150海　洋5～20
稻　田50～150动物反刍60～100
废物处置30～80地质因素5～15
采　矿25～50白　蚁15～30
天　然35～60总　计500

　　虽然自然产生的沼气将一些废弃物分解，有利于物质的循环利用，但甲烷和二氧化碳都是温室气体源，尤其是甲烷不再进入自然界的生物碳循环，自由释放造成了环境污染。甲烷研究已倍受科学界关注，其对全球变暖的贡献仅次于二氧化碳，贡献率达25%。
　　1.2 沼气自然发生的机理
　　沼气的发酵是多种微生物联合作用的结果，在厌氧的条件下使各种有机质最终转化成沼气。沼气的发酵分为三个阶段，一是各种有机质液化；二是产氢产酸；三是产甲烷。沼气是一种混合气体，其中主要成分是甲烷（CH4），占总体积的50%～70%，其次是二氧化碳（CO2），占25%～45%。除此之外，还含有少量的氮（N2）、氢（H2）、氧（O2）、氨（NH4）、一氧化碳（CO）和硫化氢（H2S）等气体[2] 。
　　1.2.1 液化阶段与发酵前期细菌菌群
　　沼气原料通过微生物酶解，分解成可溶于水的小分子化合物，这个过程称为液化。木质纤维素类生物质作为发酵底物时，植物秸秆表面的蜡质或硅质，使纤维素降解率降低。脂肪、蛋白质等大分子不能被产酸细菌作为营养物质直接吸收利用。发酵前期各细菌生理群主要包括蛋白质氨化菌、纤维素分解细菌、梭状芽胞杆菌（Clostridium）、硫酸盐还原细菌，硝酸盐还原细菌和脂肪分解细菌等[3]。
　　纤维素酶最早发现于蜗牛的消化液，是一类将纤维素降解成葡萄糖的多组分酶系的总称[4, 5]。虽然有关纤维素酶降解纤维素的机理仍未完全阐明，但纤维素酶在发酵底物液化阶段起到举足轻重的作用。
　　1.2.2 产氢产酸阶段与产氢产酸菌
　　产氢与产酸菌将单糖类、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物质转化成简单的有机酸、醇以及二氧化碳、氢、氨和硫化氢等，其中挥发性乙酸约占80%。氢的代谢左右电子流的方向，只有在产甲烷菌有效地代谢氢的生态系统中，使氢分压处于极低的水平，丙、丁酸和醇等物质才不会积累[6]。
　　活性污泥是研究产酸菌的很好材料，其中的微生物菌群主要由细菌、放线菌、真菌以及原生动物和后生动物等构成。经典纯培养方法培养的细菌数量只占活性污泥微生物总数的1%～15% ，20世纪80年代后期，随着细菌分子分类学的发展，活性污泥中起关键作用的微生物菌群被陆续发现[7]。
　　1.2.3 产甲烷阶段与产甲烷菌
　　前二个阶段生成的有机酸等物质被产甲烷细菌分解成甲烷和二氧化碳，或通过氢还原二氧化碳的作用形成甲烷，或以甲基化合物为原料生物合成甲烷，这个过程称为产甲烷阶段。在每一个合成途径中，都有特定的酶，微量金属元素对毒性物质有拮抗作用，对产甲烷菌优势菌种变化影响很大[8～10]。
　　甲烷菌是自养型严格厌氧菌，属于水生古细菌门（Euryarchaeota），不能利用碳水化合物等有机物作为能源和碳源，都以NH4+作为氮源。大多数产甲烷菌只能利用硫化物，许多产甲烷菌的生长还需要生物素。甲烷菌分布广，最适宜生长的pH值范围是6.8～7.5，生长温度为15～98℃。
　　所有产甲烷菌的代谢产物都是甲烷、二氧化碳和水。在厌氧反应中，氢的氧化和二氧化碳的还原相偶联，并决定着甲烷的形成。所以，在一个稳定的消化系统中，产氢和耗氢失衡则发酵不能正常进行。
2　沼气制取工程
　　沼气的自然发生和排放给人类的生存环境带来了不良影响，人工制取沼气可以在处理有机废物的同时使环境得到治理，又可以提供能源。
　　2.1 相关微生物收集与发酵原料
　　2.1.1 厌氧微生物资源
　　由于沼气的发酵主要是微生物厌氧发酵，所以厌氧微生物资源的收集、整理、保藏和规范的建立等是沼气人工制取工程的首要环节[11]。所以，由细菌、放线菌、真菌等组成的纤维素分解菌和木质素分解高产菌株的筛选，一直是人们研究的热点[12]。分离鉴定的产甲烷菌已有200多种[13～15]。
　　2.1.2 发酵原料的选取
　　沼气发酵微生物主要从发酵原料中吸取碳和氮两大营养元素，以及氢、硫、磷等其他营养元素。按发酵原料的来源可分为农村沼气发酵原料、城镇沼气发酵原料和水生植物发酵原料三类。
　　农村的沼气发酵原料包括人畜、家禽粪便和作物秸秆、秕壳、青杂草、树叶、农副产品加工的废水剩渣及生活污水等。孙智敏等[16]对渭源地区的24 种农村常用与常见的原料进行发酵产气试验，得出各材料产气所表现出的差异与其所含的有机化合物及碳氮比有关，比例适宜，产气效果佳。某些有毒植物发酵时对产甲烷细菌无影响，一般木质化程度高的材料产气量较低不适宜做为沼气的发酵原料。城镇的来自屠宰、合脂酸、豆制品、酒精厂、豆厂、面粉厂、糖蜜酒厂等各种有机废水也可以作为发酵原料，需采用大中型沼气消化装置来处理。由于复合菌剂的出现，全秸秆作为发酵原料也成为可能。此外，垃圾填埋场也是沼气的主要来源之一。
　　2.2 工艺和装备技术
　　2.2.1 发酵的工艺条件
　　发酵的工艺条件是由微生物的生长特性和甲烷产生机制决定的，但工艺条件同时又决定了沼气发生装置和设备的设计与选用。
　　2.2.1.1 严格的厌氧环境
　　产酸菌和产甲烷菌都是厌氧性细菌，尤其是产生甲烷的甲烷菌是严格厌氧菌。因此，建造一个不漏水、不漏气的密闭沼气池（罐），是人工制取沼气的关键。
　　2.2.1.2 发酵温度
　　虽然甲烷菌的生长温度范围为15℃～98℃，温度越高，产气速率越大，但不是线性关系。沼气产气有2个高峰，分别在35℃和54℃，这是因为由两个不同的微生物群参与作用的结果。所以，选择不同的微生物菌群对发酵的效率有直接影响。
　　2.2.1.3 发酵原料和各养分的配比关系
　　发酵料液中的碳、氮、磷元素含量的比例，对沼气生产有重要的影响。对于以生产农副产品的污水为原料的，一般氮、磷含量均能超过规定比例下限。但对一些工业污水，如果氮、磷含量不足，应补充到适宜值。这就要求在人工制取沼气时，根据不同的发酵原料，增添不同的养分物质。
　　2.2.1.4 适宜的酸碱度
　　沼气微生物最适宜的pH值范围是6.8～7.5，消化器内料液的pH值也应该在此范围内，否则沼气发酵就要受到抑制，甚至停止产气。所以设计沼气发酵装置需要配备检测料液pH值的功能。
　　2.2.2 发酵工艺的类型
　　对沼气发酵的工艺分类，从不同角度，有不同的分类方法。大中型沼气工程，强调从工程的运行温度、工程运行的最终目标以及所选用的处理原料进行分类，如图1所示[17]。
　　 2.2.2.1 单相式发酵和双相式发酵工艺
　　沼气发酵涉及要求不同基质条件的各种菌群交替联合作用发酵产生甲烷。但甲烷菌与非甲烷菌生长所需的pH不同，对氧气的需求不同，生长速度也不一样，所以人工沼气发酵工艺可分为单相式发酵和双相式发酵工艺。单相式发酵工艺是采用一个罐体，产氢和产甲烷同时进行。双相式发酵工艺是采用二个发酵罐，第一个为小罐，主要通过兼性厌氧微生物把复杂有机物降解为基本结构单元或简单有机酸醇等，再由产氢产乙酸细菌将其转化为氢气、乙酸和二氧化碳等。第二个为大罐，通过甲烷细菌的作用将乙酸（包括甲酸）、二氧化碳和氢气等转化为甲烷，发酵能量比单相式提高2.5倍，甲烷气增加20%。
　　2.2.2.2 干式发酵与湿式发酵工艺
　　干式发酵的总固体浓度TS以25%～30%为宜，TS浓度越高，产气量也越高。常温干式厌氧发酵水稻秸秆产沼气[18]工艺提高了单位原料产气率和产气速率，缩短了发酵周期。德国的沼气干式发酵技术运行不受冬季气温影响，该技术在德国已进入应用实施阶段，产生的沼气用于发电和居民供暖。
　　湿发酵工艺中有效干物质含量仅为6%，我国沼气多采用此工艺，总效率低于干式发酵。
　　2.2.2.3 其它
　　其它还有垃圾填埋厂产沼气工艺、厌氧－好氧两步法处理污水工艺等。国外荷兰的真空座便器和污水处理技术、生活污水分流处理工艺等已经进行了生活应用[19]。
　　2.3 沼气发生装置
　　2.3.1 厌氧反应器
　　污水处理技术多采用污水厌氧反应[20]，决定厌氧反应器功能的主要因素是水力滞留期（HRT），固体滞留期（SRT）和微生物滞留期（MRT）。
　　第一代为厌氧接触反应器，这种反应器是在出水沉淀池中增设了污泥回流装置，增大了厌氧反应器中的污泥浓度，处理负荷和效率显著提高。处理废水的停留时间至少需要20～30 天。
　　第二代厌氧反应器的典型代表有：厌氧滤池（AF），上流式厌氧污泥床（UASB），下行式固定膜反应器（DSFF），厌氧附着膜膨胀床反应器（AAFEB），厌氧流化床（AFB），厌氧生物转盘和厌氧垂直折流式反应器。在已开发的高效厌氧反应器中，UASB 反应器是一种研究最为深入、应用最为广泛的厌氧反应器，但反应器内可能出现短流现象，影响处理能力，当进水中的悬浮物浓度过高时会引起堵塞。
　　第三代反应器有厌氧膨胀颗粒污泥床（EGSB），内循环反应器（IC）和升流式厌氧污泥床过滤器（UBF）。
　　2.3.2 沼气池
　　厌氧消化技术处理畜禽粪便，具有能源和环保的双重效益。沼气池最初主要是针对农村户用的发酵罐体，大多埋在地下。随着新材料的不断出现，沼气池的建池和制造方式也发生了变化。
　　2.3.2.1 沼气池的材质与形式
　　传统的沼气池为砖混结构，施工期长，形状近于方体，产气量较低，保温性能差。随着技术的不断改进，混凝土结构、玻璃钢结构和改性塑料结构的沼气池相继出现。并且池体结构是分体组装式的，有椭圆形、圆柱形等，便于运输、安装。
　　2.3.2.2 沼气池建池的特点与要求
　　生态型新农村的建设，主要以沼气建设为突破口，大力发展农村户用沼气池和养殖场沼气工程，地理位置的选择能够与厕所、猪、牛、鸡厩等实行结合建造，离厨房不宜太远，发酵原料以人、畜禽的粪便为主，外加粉碎的稻麦秸秆或杂草等。

表 2　沼气测试内容和技术方法
测试内容测试方法（技术）
产气量可以用排水集气法（以气体可燃时计算沼气产量）或通过湿式气体流量计计量
总固体浓度（TS）采用重量法测定，电热干燥箱测TS
挥发性固体浓度（VS）马炉测VS
甲烷及二氧化碳的含量气体含量用气体吸收球测定二氧化碳，吸收二氧化碳和氨后的剩余气体计作甲烷含量。
用红外沼气分析仪或者气相色谱仪测定气体的体积百分含量
挥发性有机酸气相色谱法来测定[24]，或可采用滴定总算度即中和法作为指标；发酵液中乙酸的含量利用Metrohm7离子色谱测量
发酵液的pH值? 采用自动电位滴定剂或pH仪或精密pH试纸
碳氮质量
百分含量（C/N）丘林法和凯氏法或采用Vario EL元素分析仪测量水稻秸秆中的。
纤维素乙醇－硝酸法
铵态氮蒸馏法
甲烷菌浓度乙醇－硝酸法

　　2.3.2.3 沼气池的工作状况
　　中国大部分农村是在高寒地区，如果没有保温、增温措施使得发酵罐体的温度维持在至少10℃以上，是不可能产生合格可用的沼气的。所以，采用太阳能增温的联合沼气池技术，可以使沼气池内的温度达到微生物的最佳要求[11]。
　　沼气池发酵会发生酸中毒现象，所产气体不能燃烧使用[21]。另外，饲料添加剂中的硫酸铜和抗生药物中的肯林霉素、氯霉素、呋喃佐酮等物质随投料进入沼气池，对厌氧消化有强烈的抑制作用。
出料的后处理部分是沼气制取工程中不可缺少的构成部分，沼渣和沼液的综合利用也可以取得较好的经济效益[22]。
　　2.3.3 德国利浦制罐工艺
　　德国利浦技术的双折边咬合螺旋制罐工艺，采用薄钢板通过上下层之间的咬合形成螺旋上升的、连续的、等间距的咬合筋，壁薄但环拉强度大，从而形成圆形池体。实现了施工周期短、省材、设备配套与自动化程度高的一个施工工艺[23]。
　　2.4 沼气测试技术
沼气制取工程中，为了能更好地控制发酵过程以达到最佳效果，根据微生物的生长生活特性，对沼气进行实时测试和监控是现代大、中型沼气制取工程中必不可少的环节。测试内容和技术方法见表2。
3　沼气制取工程技术与微生物生命科学进展的关系
　　3.1 产生新的发酵工艺
　　3.1.1 纯菌的分离培养和分段发酵工艺
　　现代细菌的高效分离培养技术，为沼气分段高效发酵提供了可能。例如，纯产氢和产酸细菌的分离培养，使沼气先进行产酸发酵过程，产生的气体再进入下一级甲烷发酵装置。
　　纯甲烷细菌的分离培养，甲烷生物合成过程的不同途径：以乙酸为原料的甲烷生物合成途径；以氢、二氧化碳为原料的甲烷生物合成途径；以甲基化合物为原料的甲烷生物合成途径。我们可以根据该甲烷菌的代谢特点，选择更适宜的发酵原料做甲烷菌底物。或者选择每一个合成途径中特定的酶，提高发酵效率；或者分段发酵时，可采用如下工艺（见图2）。
　　 3.1.2 复合菌剂与发酵原料
　　全秸秆发酵的成功与复合菌剂的研发并应用有着不可分割的密切关系[25]。一般情况下，沼气发酵底物不能全部采用秸秆，但用绿秸灵复合菌剂预处理全稻草作沼气发酵原料的试验表明，复合菌剂不仅可提高秸秆降解率，而且还加快了产气速度，使产气量得到提高[26]。
　　3.1.3 甲烷单胞菌与生物可降解塑料
　　德国最近宣布已研发出一种新工艺，利用由有机废弃物发酵产生的沼气甲烷为原料（沼气中甲烷含量为60%～80%），采用经过培养的甲烷单胞菌为细菌，在反应器中经过24小时反应，甲烷单胞菌将甲烷经过新陈代谢，在其体内产生细微颗粒状的聚烃基丁酸（PHB），聚烃基丁酸是一种生物可降解塑料，产出量可达2g/L.h，其中的废水和残留物可循环利用[27]。
　　3.2 发酵装置的菌性化设计
　　菌性化设计是指设计时要充分考虑到微生物的生理生命活动特征，因为沼气的制取就是仿生学，反应器实质上是为沼气制取工程中微生物生存提供适宜的生活环境。如设计圆柱形反应器时，反应器的高径比（H/D）是影响厌氧发酵效率的一个重要因素，因为H/D小的反应器内各种菌群横向运动空间大，产生的沼气易于脱离液相，间接起到液体搅拌作用，使产氢产酸菌所产生的底物可充分被产甲烷菌利用，使各菌群的活性达到更高的动态平衡[28]。
　　保温增温的设计是因为微生物有其适宜的生活温度范围，新型保温材料和太阳能联合增温系统都已经被应用到发酵装置的设计中来。可以看出，现代生物工程技术是多学科交叉领域的新兴学科，关注各相关学科领域的科学前沿也是现代从事生物工程技术的研究人员必不可少的科研素质。
　　3.3 高效产气的影响因素
　　能否满足发酵的工艺条件是高效产气的关键因素，微生物的生命活动周期与特性决定了我们在利用微生物的同时要考虑到这些因素。发酵需要最适宜的碳氮比，是因为原料中碳元素过多，氮元素被微生物利用后，剩下过多的碳元素，会造成有机酸的大量积累，抑制甲烷菌的生长。
　　现代大中型沼气工程中的大型消化器的设计要求自动化程度要求越来越高，随时监测发酵过程中的各气体含量和发酵液中的酸度等，都是为了给微生物提供最好的生存条件，同时也提供了最大的产气量为人类所利用。
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（东北林业大学生物质能技术工程中心，机电工程学院，哈尔滨 50040）
2007年第五期

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