沼氣是沼氣發(fā)酵微生物在厭氧環(huán)境下將農(nóng)作物秸稈或者禽畜糞便等可降解的生物質(zhì)經(jīng)過(guò)厭氧消化生成的可燃?xì)怏w。沼氣發(fā)酵在農(nóng)業(yè)和生態(tài)方面的綜合利用具有很大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和社會(huì)效益。
一、沼氣發(fā)酵原理及影響因素
1、沼氣發(fā)酵原理。沼氣是生物質(zhì)經(jīng)過(guò)多種微生物聯(lián)合厭氧消化作用而生成的可燃?xì)怏w。厭氧消化就是在無(wú)氧的條件下,由兼性厭氧菌和專性厭氧菌[2]聯(lián)合降解有機(jī)物,最終生成二氧化碳和甲烷等氣體的過(guò)程。人們對(duì)于沼氣發(fā)酵過(guò)程的劃分仍存在爭(zhēng)議;目前較多人支持M.P.Bryant提出的沼氣發(fā)酵三個(gè)階段理論。沼氣發(fā)酵三個(gè)階段理論將沼氣發(fā)酵過(guò)程分為水解液化、酸化和甲烷化三個(gè)階段:第一階段為水解液化階段;這一階段兼性厭氧菌和發(fā)酵性細(xì)菌將原料中較大分子的成分(如纖維素等)水解成可溶于水的有機(jī)酸和醇類等。第二階段為酸化階段;產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將第一階段生成的有機(jī)酸和醇繼續(xù)分解成簡(jiǎn)單的有機(jī)酸,同時(shí)生成氫氣和二氧化碳。第三階段為甲烷化階段;產(chǎn)甲烷菌將第二階段生成的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳?xì)怏w,即發(fā)酵的最終產(chǎn)物沼氣。
2、沼氣發(fā)酵的影響因素。影響沼氣發(fā)酵的因素很多,其中最主要的因素包括原料成分、原料預(yù)處理情況、接種物種類、進(jìn)料濃度、發(fā)酵溫度、pH。原料成分的影響:能夠用來(lái)發(fā)酵產(chǎn)沼氣的生物質(zhì)很多。傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵原料主要包括以秸稈類物質(zhì)為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物、禽畜糞便和污水處理廠的厭氧活性污泥、以及生活垃圾等。選擇容易降解的原料(如人畜糞便等)可以加快發(fā)酵的啟動(dòng)過(guò)程和提高發(fā)酵效率。若原料選擇不當(dāng)則容易造成發(fā)酵系統(tǒng)酸積累嚴(yán)重而發(fā)酵無(wú)法啟動(dòng)或啟動(dòng)后產(chǎn)氣量不高等后果。
二、秸稈發(fā)酵制沼氣方法
1、物理方法。物理方法(Physical Methods)有機(jī)械加工、高壓和/或高溫蒸煮以及輻射處理等。常用的機(jī)械方法有切碎、粉碎、磨碎、高溫球磨等。其目的是增加厭氧微生物與基質(zhì)的接觸面積,或通過(guò)破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)使之易于消化。
2、化學(xué)方法?；瘜W(xué)方法(Chemical Methods)主要有氨化、堿化、酸化、氧化等。
2.1堿化技術(shù)。堿化處理就是用NaOH、Ca(OH)2或KOH等溶液浸泡秸稈或噴灑于秸稈表面,以打開(kāi)纖維素、半纖維素和木質(zhì)素之間的酯鍵,溶解纖維素、半纖維素和一部分木質(zhì)素及硅酸鹽,使纖維素膨脹,從而提高消化率。
2.2氨化技術(shù)。氨化處理就是用氨水、無(wú)水氨或尿素處理秸稈。氨化具有三種作用:第一種是堿化作用,氨為堿性,故可起到與堿化處理方法同樣的作用;第二種是氨化作用,氨與秸稈中的有機(jī)物發(fā)生變化,生成銨鹽,成為厭氧微生物的氮素來(lái)源,被微生物利用,并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸,進(jìn)一步合成菌體蛋白。第三種是中和作用,氨呈堿性,可與秸稈中的有機(jī)酸結(jié)合,消除秸稈中潛在的酸性,提高微生物的活性,從而提高秸稈的消化率。試驗(yàn)表明氨水具有較好的氨化性能。
3、生物方法。生物方法(Biological Methods)就是利用具有強(qiáng)木質(zhì)纖維素降解能力的微生物對(duì)秸稈先進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,把作物秸稈中的木質(zhì)纖維素預(yù)先降解成易于厭氧菌消化的簡(jiǎn)單物質(zhì),以縮短隨后的厭氧發(fā)酵時(shí)間、提高干物質(zhì)消化率和產(chǎn)氣率。其技術(shù)關(guān)鍵就是尋求強(qiáng)木質(zhì)素降解能力的菌種,并確定其適宜的發(fā)酵條件。
三、硫酸鋅在沼氣發(fā)酵中對(duì)產(chǎn)氣的影響
鋅廣泛地存在于生物體中,它是多種生物體代謝過(guò)程中酶的組成成分,同時(shí)也是生物體代謝過(guò)程中一些酶的活化劑。近年來(lái)在生物體中已有近二十種鋅金屬酶和鋅活化酶被發(fā)現(xiàn)。鋅離子對(duì)微生物酶類及微生物產(chǎn)物的影響報(bào)道較多。近年來(lái)各國(guó)研究者們陸續(xù)不斷地發(fā)現(xiàn)微生物體中一些酶含有鋅或在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中需要有適量的鋅才有活力,如大腸桿菌中的RNA聚合酶。至于鋅對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程中的影響則報(bào)道較少。1965年Kugelman,J.I.”dMccor,L.P.哪研究了在厭氧過(guò)程中的陽(yáng)離子毒害與刺激作用,指出低濃度陽(yáng)離子對(duì)微生物代謝具有刺激作用。鋅對(duì)沼氣發(fā)酵中微生物及其產(chǎn)物的彩響至今未見(jiàn)報(bào)道。
1、個(gè)辛在沼氣發(fā)酵試驗(yàn)中能促進(jìn)氣體產(chǎn)生,提高甲烷產(chǎn)量。硫酸鋅用量不同對(duì)沼氣發(fā)酵中氣體產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量的影響也不同,當(dāng)硫酸鋅加量為0.005腸時(shí),產(chǎn)氣量?jī)H提高3腸,當(dāng)加量為。.01腸時(shí),產(chǎn)氣量提高40.2腸,當(dāng)加量為。.02腸時(shí),產(chǎn)氣量提高21%,如加量超過(guò)。.腸腸,則不僅沒(méi)有提高產(chǎn)氣量,而且起到毒害作用。
2、鋅在沼氣發(fā)酵中能促進(jìn)纖維素的分解、乙酸的轉(zhuǎn)化,提高甲烷含量。
3、鋅在沼氣發(fā)酵中能促進(jìn)脫氫反應(yīng),其脫氫酶活力高于對(duì)照。
4、鋅有助于菌體DNA合成,試驗(yàn)瓶中的生物量高于對(duì)照瓶,發(fā)酵27天試驗(yàn)瓶的生物量是對(duì)照瓶的3倍多。
5、由上述結(jié)果我們認(rèn)為鋅對(duì)沼氣發(fā)酵過(guò)程的影響不單是對(duì)發(fā)酵過(guò)程中某一過(guò)程產(chǎn)生影響,而是對(duì)沼氣發(fā)酵三個(gè)主要過(guò)程即底物降解、酸化和氣體的產(chǎn)生都具有作用。
四、研究展望
中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó),有豐富的生物質(zhì)資源。在當(dāng)前提倡發(fā)展綠色能源的大環(huán)境下,怎樣把現(xiàn)有的生物質(zhì)資源利用充分利用起來(lái)成為研究的熱點(diǎn)。利用生物質(zhì)制備沼氣是一個(gè)很好的發(fā)展方向。目前研究人員在用單一方式來(lái)預(yù)處理農(nóng)業(yè)廢棄物方面取得了一定的進(jìn)展,下一步可以考慮將物理、化學(xué)、生物三種預(yù)處理方法結(jié)合起來(lái)共同作用來(lái)預(yù)處理制備沼氣的生物質(zhì)。
