沼气发酵技术及硫酸锌在沼气发酵中对产气的影响

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　　摘要:沼气是沼气发酵微生物在厌氧环境下将农作物秸秆或者禽畜粪便等可降解的生物质经过厌氧消化生成的可燃气体。沼气发酵在农业和生态方面的综合利用具有很大的经济价值和社会效益。
　　关键词:沼气 厌氧发酵 生物质
　　
　　一、沼气发酵原理及影响因素
　　1、沼气发酵原理。沼气是生物质经过多种微生物联合厌氧消化作用而生成的可燃气体。厌氧消化就是在无氧的条件下,由兼性厌氧菌和专性厌氧菌[2]联合降解有机物,最终生成二氧化碳和甲烷等气体的过程。人们对于沼气发酵过程的划分仍存在争议;目前较多人支持M.P.Bryant提出的沼气发酵三个阶段理论。沼气发酵三个阶段理论将沼气发酵过程分为水解液化、酸化和甲烷化三个阶段:第一阶段为水解液化阶段;这一阶段兼性厌氧菌和发酵性细菌将原料中较大分子的成分(如纤维素等)水解成可溶于水的有机酸和醇类等。第二阶段为酸化阶段;产氢产乙酸菌将第一阶段生成的有机酸和醇继续分解成简单的有机酸,同时生成氢气和二氧化碳。第三阶段为甲烷化阶段;产甲烷菌将第二阶段生成的小分子物质转化为甲烷和二氧化碳气体,即发酵的最终产物沼气。
　　2、沼气发酵的影响因素。影响沼气发酵的因素很多,其中最主要的因素包括原料成分、原料预处理情况、接种物种类、进料浓度、发酵温度、pH。原料成分的影响:能够用来发酵产沼气的生物质很多。传统的沼气发酵原料主要包括以秸秆类物质为代表的农业废弃物、禽畜粪便和污水处理厂的厌氧活性污泥、以及生活垃圾等。选择容易降解的原料(如人畜粪便等)可以加快发酵的启动过程和提高发酵效率。若原料选择不当则容易造成发酵系统酸积累严重而发酵无法启动或启动后产气量不高等后果。
　　二、秸秆发酵制沼气方法
　　1、物理方法。物理方法(Physical Methods)有机械加工、高压和/或高温蒸煮以及辐射处理等。常用的机械方法有切碎、粉碎、磨碎、高温球磨等。其目的是增加厌氧微生物与基质的接触面积,或通过破坏细胞壁结构使之易于消化。
　　2、化学方法。化学方法(Chemical Methods)主要有氨化、碱化、酸化、氧化等。
　　2.1碱化技术。碱化处理就是用NaOH、Ca(OH)2或KOH等溶液浸泡秸秆或喷洒于秸秆表面,以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键,溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐,使纤维素膨胀,从而提高消化率。
　　2.2氨化技术。氨化处理就是用氨水、无水氨或尿素处理秸秆。氨化具有三种作用:第一种是碱化作用,氨为碱性,故可起到与碱化处理方法同样的作用;第二种是氨化作用,氨与秸秆中的有机物发生变化,生成铵盐,成为厌氧微生物的氮素来源,被微生物利用,并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸,进一步合成菌体蛋白。第三种是中和作用,氨呈碱性,可与秸秆中的有机酸结合,消除秸秆中潜在的酸性,提高微生物的活性,从而提高秸秆的消化率。试验表明氨水具有较好的氨化性能。
　　3、生物方法。生物方法(Biological Methods)就是利用具有强木质纤维素降解能力的微生物对秸秆先进行固态发酵,把作物秸秆中的木质纤维素预先降解成易于厌氧菌消化的简单物质,以缩短随后的厌氧发酵时间、提高干物质消化率和产气率。其技术关键就是寻求强木质素降解能力的菌种,并确定其适宜的发酵条件。
　　 三、硫酸锌在沼气发酵中对产气的影响
　　 锌广泛地存在于生物体中,它是多种生物体代谢过程中酶的组成成分,同时也是生物体代谢过程中一些酶的活化剂。近年来在生物体中已有近二十种锌金属酶和锌活化酶被发现。锌离子对微生物酶类及微生物产物的影响报道较多。近年来各国研究者们陆续不断地发现微生物体中一些酶含有锌或在实验系统中需要有适量的锌才有活力,如大肠杆菌中的RNA聚合酶。至于锌对厌氧发酵过程中的影响则报道较少。1965年Kugelman,J.I.”dMccor,L.P.哪研究了在厌氧过程中的阳离子毒害与刺激作用,指出低浓度阳离子对微生物代谢具有刺激作用。锌对沼气发酵中微生物及其产物的彩响至今未见报道。
　　1、个辛在沼气发酵试验中能促进气体产生,提高甲烷产量。硫酸锌用量不同对沼气发酵中气体产量和甲烷产量的影响也不同,当硫酸锌加量为0.005肠时,产气量仅提高3肠,当加量为。.01肠时,产气量提高40.2肠,当加量为。.02肠时,产气量提高21%,如加量超过。.肠肠,则不仅没有提高产气量,而且起到毒害作用。
　　2、锌在沼气发酵中能促进纤维素的分解、乙酸的转化,提高甲烷含量。
　　3、锌在沼气发酵中能促进脱氢反应,其脱氢酶活力高于对照。
　　4、锌有助于菌体DNA合成,试验瓶中的生物量高于对照瓶,发酵27天试验瓶的生物量是对照瓶的3倍多。
　　5、由上述结果我们认为锌对沼气发酵过程的影响不单是对发酵过程中某一过程产生影响,而是对沼气发酵三个主要过程即底物降解、酸化和气体的产生都具有作用。
　　四、研究展望
　　中国是农业大国,有丰富的生物质资源。在当前提倡发展绿色能源的大环境下,怎样把现有的生物质资源利用充分利用起来成为研究的热点。利用生物质制备沼气是一个很好的发展方向。目前研究人员在用单一方式来预处理农业废弃物方面取得了一定的进展,下一步可以考虑将物理、化学、生物三种预处理方法结合起来共同作用来预处理制备沼气的生物质。
　　
　　参考文献:
　　[1]李想、赵立欣、韩捷等.农业废弃物资源化利用新方向―沼气干发酵技术[J].中国沼气,2006,24(4):23-27
　　[2]张海东.城市生活垃圾厌氧发酵过程产生沼气的净化及利用[D].昆明:昆明理工大学,2005

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