（发酵工程专业论文）提高产甲烷菌活性的应用研究.pdf

摘要 摘要 本文首先以醋酸为基质进行厌氧发酵，向其中添加微量营养元素，提高产甲 烷菌的活性，从而提高产气量。通过平行试验确定了微量营养元素组合为四水合 氯化亚铁，六水合氯化镍，六水合氯化钻，通过正交试验确定了三种金属盐的补 充投加量，分别为f e c l 2 4 h 2 01 0 0m g l d ，c o c l 2 6 h 2 0o 1m g l d ，n i c l 2 6 h 2 00 2 m g l d 。 在以醋酸为基质进行厌氧发酵的基础上扩大到玉米酒精糟液为基质，对间歇 式厌氧发酵和连续式厌氧发酵添加微量金属盐的产气量进行了比较，结果表明连 续式厌氧发酵比间歇式厌氧发酵的产气增长率要提高7 0 以上。通过对连续式厌 氧发酵添加单因子金属盐试验，确定了每种单因子的最佳添加量，并由此设计了 正交试验，确定以玉米酒精糟液为基质的连续式厌氧发酵中，复合微量金属盐的 最佳补充投加量分别为f e c l 2 4 h 2 01 5 m g l d ，c o c l 2 6 h 2 0o 1 5 m g l d ，n i c l 2 6 h 2 0 0 3m g l d 。添加复合金属盐使产气增长率高达9 7 ，c o d 值降低到1 2 7 x 1 0 4 m g l ， 去除率可达8 1 。 最后进行生产性试验，对全混合式反应器和e g s b 反应器进行了比较，并对 e g s b 反应器内的各种指标进行了测量分析。结果表明，添加微量会属盐之后，无 论是全混合式反应器还是e g s b 反应器，产气增长率和c o d 去除率都有很大提高， 但相对来说，e g s b 反应器的产气量更大，产气增长率达到1 9 7 5 ，c o d 去除率 也比全混合式反应器高9 6 8 。这说明e g s b 反应器更适合于玉米酒精糟液的处 理。 通过对使用e g s b 反应器添加复合微量金属盐组合的厌氧发酵进行经济效益 分析后得出，按有效容积2 0 0 0 m 3 计算，每天可节省2 1 5 5 5 元，比未加金属盐时要 多节省3 5 5 5 元。可见通过微量金属盐的投入，可以提高糟液的处理量，同时多产 沼气，有效提高c o d 去除率，在不计多排污所需的治污费用的情况下，仅靠多产 的沼气就可节省大量资金。 关键词：产甲烷菌微量营养元素厌氧发酵e g s b 反应器 i v 山东轻工业学院硕十学位论文 a b s t r a c t a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nw a sc a r r i e d o u tt o i m p r o v e t h e a c t i v i t y o f m e t h a n e p r o d u c i n gb a c t e r i aa n dt h eg a sp r o d u c t i o nb yt r a c em e t a lo nt h es t r o m ao f a c e t i ca c i d t h er e s u l t so fp a r a l l e le x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h eo p t i m u mt r a c em e t a l c o m b i n a t i o ni sf e c l 2 4 h 2 0 ，c o c l 2 6 h 2 0a n dn i c l 2 6 h 2 0 a n dt h e r e s u l to f o n h o g o n a l i t ye x p e d m e n td e t e r m i n e dt h eo p t i m u md o s a g e sw e r ef e c l 2 。4 h 2 0 1 5 m g l d ，c o c l 2 6 h 2 00 15m g l d ，n i c l 2 。6 h 2 00 3m g l dr e s p e c t i v e l y o nt h es t r o m ao fc o r n e t h a n o lp r o d u c t i o nw a s t ew a t e r , t h er e s u l to ft h eg a s p r o d u c t i o nc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ei n t e r m i t t e n ta n d c o n t i n u o u sa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n i n d i c a t e dt h a tt h el a t t e ri s7 0 h i g h e rt h a nt h ef o r m e r t h eo p t i m u ms u p p l e m e n td o s a g ei sd e t e r m i n e db ys i n g l et r a c em e t a ls a l tt h a t f e c l 2 4 h 2 01 5m g l d ，c o c l 2 6 h 2 0o 15m g l d ，n i c l 2 6 h 2 00 3m g l d ，a n dt h er a t e o fg a sr i s ei s9 7 ，a n dt h ec o dd e g r a d a t i o nr a t ei s81 t h ec o m p a r i s o no ft h ef u l l s c a l ee x p e r i m e n tb e t w e e nt h ec o m p l e t e l ym i x e dr e a c t o r a n dt h ee g s br e a c t o ri n d i c a t e dt h a tt h e i rr a t eo fg a sr i s ea n dt h ec o dd e g r a d a t i o nr a t e w e r eb o t hi m p r o v e d ，b u tt h el a t t e ri sh i g h e r , a n dt h er a t eo fb i o g a sr i s ei s19 7 5 ，a n d t h ec o d d e g r a d a t i o ni s9 6 8 t h u s ，e g s br e a c t o ri s f i tf o rc o i n - e t h o n o lw a s t e w a t e r d i s p o s a lb e t t e r e c o n o m i ca n a l y s i so fe g s br e a c t o rw i t hc o m p o u n dt r a c em e t a ls a l ti n d i c a t e dt h a t i ft h ee f f e c t i v ev o l u m ew a s2 0 0 0 m 3 ，y 215 5 5c o u l db es a v e d a n dy 3 5 5 5c o u l db es a v e dt h a n i tw i t h o u tt r a c em e t a l t h u st h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tw a s t e w a t e rl o a d i n g ，b i o g a sp r o d u c t i o n a n dc o d d e g r a d a t i o na l lc a nb ei m p r o v e di ft r a c em e t a ls a l ti sa d d e d ，a n dw e c a ns a v ea l o to f f u n d k e y w o r d s ：m e t h a n o g e n s t r a c em e t a le l e m e n ta n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n e g s br e a c t o r v 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：选逮烙 钟签名：簟脚 日期：翌z 年月丝日 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 目前，能源的短缺是世界面临的重大问题，各个国家特别是工业发达国家， 都在集中人力、物力，研究、开发、探索各种新能源，如太阳能、海洋能、风能、 地热、沼气、氢能、核能等。 近年来，沼气及其综合利用受到人们的广泛关注，沼气池的经济效益越来越 显著。自“八五 以来，特别是“九五”期间，全国农村能源工作以沼气推广为 重点，发展十分迅速。至2 0 0 1 年底，全国累计推广农村户用沼气池7 6 3 万口，大 中型沼气工程7 4 6 处，生活污水净化7 9 万处，年产沼气1 5 亿立方米。沼气已成 为我国农村能源的一个重要组成部分，具有广阔的发展前景【l 】。 1 1 厌氧发酵技术工厂化生产沼气的历史及现状 发酵是借助微生物在有氧或无氧条件下的生命活动制备微生物菌体本身直接 代谢产物或次级代谢产物的过程。发酵有好氧发酵和厌氧发酵之分，好氧发酵是 利用需氧微生物进行的发酵生产，其特点是在发酵过程中需不断供给氧气( 或空 气) ，以满足微生物呼吸代谢；厌氧发酵是利用一些厌氧微生物进行的发酵生产， 如丙酮、丁醇、乳酸、沼气的生产，整个发酵过程不需通入空气，是在密闭条件 下进行的。相对于好氧发酵，厌氧发酵具有清洁环境、建立绿色能源自给系统的 功能，被广泛应用在城市垃圾、农业废弃物处理和生物能源再利用上。目前我国 沼气发酵在某些地区推广面积很大，但由于某些技术尚不成熟，对反应过程的参 数不能严格控制。因此存在转化率低，产气量不高等问题，特别在我国北方，由 于自然发酵受低温的影响较为严重，影响了沼气的大量推广和使用1 2 】。于是人们想 到了如何实现厌氧发酵的工厂化，使厌氧发酵的环境和各种参数实现可控，从而 实现工业和农业废弃物高效处理和再利用，并建立绿色能源系统。 1 1 1 厌氧发酵技术的历史 早在几千年前人们就已发现了沼气的存在，并对其加以利用，但并不知道它 的成分。1 7 7 6 年，意大利物理学家a l e x a n d e rv o l t a 测出湖泊底部植物体腐烂所产 生的气体中含有甲烷。1 8 5 9 年，“发酵之父 法国科学家l o u i s p a s t e u r 用著名的 p a s t e u r 实验，证明发酵现象是微小生命体进行的化学反应。1 8 7 5 年俄国学者p o p o f 首先把河泥加入纤维素物质中，产生甲烷，并发现甲烷发酵是一个微生物学的过 程【3 l 。 1 9 0 1 年，荷兰学者s o h n g e n 对甲烷菌的形态特征以及它们所能进行的转化作 第l 章绪论 用提出了一个较清楚的概念，并发现氢和二氧化碳的混合物发酵能够生成甲烷【4 】。 1 9 1 6 年，俄国微生物学家o m e l i a n s k y 分离出第一株甲烷菌( 现已证明不是一个纯 种) ，命名为奥氏甲烷菌( m e t h a n o b a i l l u s ) 【5 j 。1 9 3 6 年hab a r k e r 采用化学合成 培养基，培养下水道污泥，获得了能很好发酵乙醇、丙醇和丁酸的有机体，并发 现沼气发酵分为产酸和分解酸形成甲烷两个阶段，初步建立了沼气发酵的两阶段 学说 6 1 。 1 9 5 0 年，美国reh u n g a l e 教授建立了厌氧技术，解决了甲烷菌的分离和培养 问题，为以后对甲烷菌的研究创造了条件1 7 j 。1 9 6 7 年mpb r y a l l t 采用改进的亨格 特技术，将奥氏甲烷菌进行分离纯化，证明它是甲烷杆菌m o h 菌株 a l e t h a n o b a c t e r v i u mm o h ) 和“s 有机体的共生体，从而揭示了产氢细菌和产甲烷 菌之间的相互依赖关系，进一步推动了厌氧发酵的研究【8 】。1 9 7 2 年，mpb r y a l l t 等人提出了厌氧发酵三阶段理论，即沼气发酵主要分为液化、产酸和产甲烷3 个 阶段进行，有机物质被微生物分泌的胞外酶酶解成肽、氨基酸、脂肪酸等小分子 化合物的过程称为液化阶段；接着在不产甲烷微生物群的作用下将肽、氨基酸、 脂肪酸等物质转化成有机酸、醇、二氧化碳、氢和氨等物质的阶段称为产酸阶段； 随后，这些有机酸、醇、二氧化碳和氨等物质又被产甲烷细菌分解成甲烷和二氧 化碳，这个过程称为产甲烷阶段【9 j 。 近年来，在甲烷菌的研究方面进展突出，对甲烷菌的分离、培养、分类、生 理代谢、细菌结构和基因排列等方面都有一定的研究成果。 1 1 2 国外厌氧发酵技术工厂化生产沼气的历史及现状 1 8 8 1 年，摩热斯发明了“自动清净器 ，在法国建立了世界上第一个处理废水 的消化器( 罐) 【l 。1 8 9 6 年，英国一座小城市( e x e t e r ) 建立一座处理生活污水 污泥的厌氧消化池，所产的沼气用作一条街道的照吲】。随后，德国、美国和丹 麦等相继建立了大型的沼气发酵装置，工厂化生产沼气。 在德国，沼气主要用于发电。德国的沼气工程普遍采用“沼气发电、余热升 温、中温发酵、免贮气相，自动控制、加氧脱硫、沼液施肥 的模式。德国沼气 技术的最新进展有以下几个方面：一是沼气燃料电池的研制，德国f e l 公司已初 步研制开发出沼气燃料电池的生产技术，但目前的燃料电池成本很高，3 k w 的沼 气燃料电池的研制成本达4 5 万马克；二是沼气液化，德国e c b 公司正在研究， 已经开发出每小时处理8 m 3 的液化装置，并实验成功，目前j 下在扩大中试规模； 三是生物质干发酵制取沼气，德国b e k o n 公司已经在有机垃圾发酵方面取得成功， 该公司正在积极寻求与中国合作推广干发酵技术；四是对甲烷分解( r e f o r m a t i o n ) ， 德国f e l 公司正在研究将甲烷转换成水和二氧化碳等，这与进行二氧化碳被氢还 原的沼气生产过程相反，尽管目前还没有实用价值，但是作为技术储备，f e l 公 司正在抓紧研制【l2 。 2 山东轻t 业学院硕十学位论文 在美国厌氧发酵技术的应用主要在三个方面：一是处理城市污水和城市垃圾， 从美国西北部到南部，厌氧发酵技术更多地应用于城市生活污水处理厂的污泥处 置。北卡罗来纳州建有一个处理2 0 万人口的生活污水的处理厂，内有7 5 0 0 m 3 的 剩余污泥厌氧发酵池( 中温全混合工艺) 。所产生的沼气用于锅炉燃料，加热料液 或用于沼气发动机，驱动鼓风机，为污水好氧处理系统供氧、提供能源、净化污 水、处置污泥，是一项应用普遍的技术。二是固体废弃物高温厌氧消化( w a s t e t o e n e r g y s y s t e r m ) ，在北卡罗来纳州建有一座日处理能力达到3 - 6 t 的有机垃圾和猪 粪便等固体废弃物的高温厌氧发酵工厂。生产装置容积为4 0i n 3 ，中试1m 3 ，小试 1 0l x 5 个。进料t s ( 总固体浓度) 3 0 ，出料t s 2 0 ，h r t ( 水力滞留期) 1 0 d ，发 酵温度5 5 。沼气中甲烷6 0 左右，二氧化碳4 0 左右，硫化氢4 1 4 m g k g ； 总投资1 5 0 万美元。发酵后的物料经固液分离，干泥作有机肥料，清液循环回入 发酵池。三是从厌氧发酵液中提取角蛋白酶，北卡罗来纳州立大学石家兴教授经 过1 0 年的研究，成功地从厌氧发酵液中提取出角蛋白酶，并研究成了化妆、饲料 等生物产品【l3 1 。目前正在利用角蛋白酶进行关于疯牛病的试验研究工作【l 引。 在丹麦，厌氧发酵工厂朝着大型化、集中化方向来建造。从1 9 9 6 年起已有1 8 个集中厌氧发酵厂，可以产生沼气作为能源，目前正在建造的一座世界最大的都 市废弃物厌氧发酵厂，年处理量可达2 3 万吨，产生的电力除可供应厂区使用外， 多余的电力1 2m w 还可回馈市电力系统【l5 1 。 韩国日前建成世界最大规模的利用垃圾沼气的发电站，发电规模为5 0 m w 级， 这座沼气发电站利用的是韩国首都首尔地区产生的垃圾。据介绍，这座沼气发电 站每月可生产2 0 0k w 电，可为l8 万户家庭供电，预计年收益逾1 6 9 亿韩元。此外， 它将替代韩国每年5 0 万桶重油进口，相当于减少2 0 0 亿韩元的能源进口。 1 1 3 我国厌氧发酵技术工厂化生产沼气的现状 我国的大中型沼气工程始于1 9 3 6 年，由中华国瑞天然瓦斯总行宁波分行负责 承建，在浙江舟山普陀山洪筏禅院内，沼气池体积1 2 5 m 3 。用于煮饭照明，发酵原 料为粪便、厨房废物和青草。该沼气池现在还完整无损。1 9 6 4 年在我国河南南阳 酒精厂建成一座2 0 0 0 m 3 的工业沼气池，利用酒精废渣生产沼气。8 0 年代又修建了 两个容积为5 0 0 0 m 3 的大型工业沼气池，使该厂拥有沼气池1 2 0 0 0m 3 ，贮气罐3 0 0 0 0 m 3 及脱硫装置及配套设备。年产沼气1 2 0 0 万m 3 ，日产沼气4 万多m 3 ，为南阳市 2 1 5 个单位和1 2 7 5 1 户居民提供燃气。同时利用沼气生产二氯甲烷和三氯甲烷，大 大减轻了对环境的污染。经过几十年的艰苦努力，我国应用厌氧发酵技术处理有 机废弃物生产沼气已得到了稳步发展【1 6 】。至2 0 0 0 年底，中国已建立了4 0 0 - 5 0 0 个 不同类型的工艺处理工业废水的沼气工程，年处理废水近l 亿i n 3 ；建立了6 0 0 多 个大中型处理畜禽废水、废渣的沼气工程( 池容在1 0 0 m 3 以上) ；上述两部分，估 计沼气工程装置总体积达1 5 0 万m 3 左右，年产沼气近1 0 亿m 3 ，相当于标准煤1 0 0 第l 章绪论 万吨。厌氧发酵技术已应用于酒精、发酵、屠宰、制药、畜禽养殖场、化工等近 2 0 个行业的废水处理工程中i l7 。 目前，全国已经建成小型户用沼气池1 2 0 0 多万口，大中型沼气工程1 5 0 0 多 座，年产沼气5 0 多亿立方米。我国在生物质能源液化技术方面尚处于探索和试验 阶段，目前主要开发和利用的技术是乙醇燃料技术和生物油技术。全国已经建成 南北两大乙醇燃料生产基地，形成了1 0 0 多万吨的生产能力，生物油产量已经达 到5 万吨左右。生物质能源发电技术主要集中在糖厂的热电联产和稻壳发电，其 装机容量约2 0 0 万千瓦。其他形式的生物质能源发电，例如，气化发电、混合燃 料发电技术的应用还不具备规模。 根据目前我国生物质能利用技术状况，生物质能利用重点将是生物质发电、 沼气和生物质液体燃料等。生物质发电主要有农林废弃物发电、垃圾发电和沼气 发电，在“十一五 期间将形成5 0 0 多万千瓦的装机能力。在资源丰富地区，建 设区域型的兆瓦级的以秸秆、稻壳、蔗渣、灌木林和木材废弃物为原料的生物质 发电厂；在经济较发达、土地资源稀缺地区建设垃圾焚烧发电厂；在规模化畜禽 养殖场、工业废水处理和城市污水处理厂建设沼气工程，合理配套安装沼气发电 设施等。 沼气和农林废弃物气化技术产生的沼气可以为农村地区提供部分生活用燃 气，生物质气化技术还可以作为解决农村废弃物和工业生产废弃物环境治理的重 要措施。因此，“十一五”期间，我国将继续扩大农村地区的户用沼气，特别是与 农业生产结合的沼气技术的应用范围，在城镇发展以大型畜禽养殖场沼气工程和 工业废水沼气工程为气源的集中供气。 我国沼气工程的成套技术已日趋成熟，可根据处理对象和处理后综合利用特 性差异，进行包括预处理、厌氧消化、沼气输配、制肥、消化液后处理的全部设 计。某些单项技术和指标，如生物厌氧发酵机理、发酵工艺、产气率、c o d 去除 率都已接近国际先进水平，产业有了很大发展l 博j 。 但是与国外相比，我国厌氧发酵技术仍然存在差距。主要表现在：厌氧发酵 产气率低；系统运行和管理自动化水平不高；与厌氧发酵和综合利用配套的技术 和设备还不成熟；厌氧发酵技术产业化、工业化发展缓慢，不便于大规模市场推 进；沼气发电技术和装置方面有较大差距。 1 2 沼气的有关特性 1 2 1 沼气的理化性质 沼气是一种混合气体，其中主要成分是甲烷( c h 4 ) ，占总体积的5 0 - - - 7 0 ， 其次是二氧化碳( c 0 2 ) ，占2 5 - - 4 5 。除此之外，还含有少量的氮( n 2 ) 、氢( h 2 ) 、 4 山东轻工业学院硕士学位论文 氧( 0 2 ) 、氨( n h 4 ) 、一氧化碳( c o ) 和硫化氢( h 2 s ) 等气体。甲烷( c h 4 ) 、 氢( h 2 ) 和一氧化碳( c o ) 是可以燃烧的气体，主要是利用这部分气体的燃烧来 获得能量。甲烷与沼气的主要理化性质如表1 1 所示【1 9 】 表1 1甲烷与沼气的主要理化性质 t a b l e l 1m a i np h y s i c a la n dc h e m i c a lc h a r a c t e r so f c h 4 & b i o g a s 1 2 2 沼气发酵 沼气发酵是一个微生物作用的过程。各种有机质，包括农作物秸秆、人畜粪 便以及工农业排放废水中所含的有机物等等，在厌氧及其它适宜的条件下，通过 微生物的作用，最终转化成沼气，完成这个复杂的过程，即为沼气发酵。 沼气发酵主要分为液化、产酸和产甲烷3 个阶段进行。农作物秸秆、人畜粪 便、垃圾以及其它各种有机废弃物，通常是以大分子状态存在的碳水化合物，必 须通过微生物分泌的胞外酶进行酶解，分解成可溶于水的小分子化合物，即多糖 水解成单糖或双糖，蛋白质分解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸：这些小 分子化合物才能进入到微生物细胞内，进行以后的一系列的生物化学反应，这个 过程称为液化。接着在不产甲烷微生物群的作用下将单糖类、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，其主 要的产物是挥发性有机酸，其中以乙酸为主，约占8 0 ，故此阶段称为产酸阶段。 随后，这些有机酸、醇以及二氧化碳和氨等物质又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，这个过程称为产甲烷阶段， 这种以甲烷和二氧化碳为主的混合气体便称为沼气。在发酵过程中，上述三个阶 段的界线和参与作用的沼气微生物群都不是截然分开的。有的学者把沼气发酵基 5 第l 章绪论 本过程分为产酸( 含液化阶段) 和产甲烷两个阶段2 0 1 。 1 2 3 沼气发酵工艺类型 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 1 所示【2 l 】。 沼气发酵 工艺类型 厂常温( 变温) 发酵型 发酵温度分t 中n ( 3 5 。c ) 发酵型 l 高温( 5 4 ) 发酵型 广能源型 l t 程目的分十环保型 l l 能源环保生态型 一处理食品工业有机废水工程型 处理原料分+ 处理畜禽粪污工程型 i l 处理其它工业有机废水工程型 图1 1沼气发酵下艺分类 f i g u r e 1 1t h et e c h n i q u ec l a s s i f i c a t i o no fb i o g a sf e r m e n t a t i o n 1 2 4 沼气发酵工艺条件 沼气发酵微生物要求适宜的生活条件，对温度、酸碱度、氧化还原势及其它 各种环境因素都有一定的要求。在工艺上满足微生物的这些生活条件，才能达到 发酵快、产气量高的目的1 2 引。 ( 1 ) 严格的厌氧环境 沼气发酵微生物包括产酸菌和产甲烷这两大类，它们都是厌氧性细菌，尤其 是产生甲烷的甲烷菌是严格厌氧菌，对氧特别敏感。他们不能在有氧的环境中生 存，哪怕微量的氧存在，生命活动也会受到抑制，甚至死亡。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 3 。 沼气发酵的起动或新鲜原料入池时会带进一部分氧，但由于在密闭的沼气池 内，好氧菌和兼性厌氧菌的作用，迅速消耗了溶解氧创造了良好的厌氧条件。 ( 2 ) 发酵温度 沼气发酵微生物是在一定的温度范围进行代谢活动，可以在8 , - - , 6 5 。c 产生沼 气，温度高低不同，产气速度不同。4 0 - - 5 0 c 是沼气微生物高温菌和中温菌活动 的过度区间，它们在这个温度范围内都不太适应，因而此时产气速率会下降。当 温度增高到5 3 - - 5 5 * ( 2 时，沼气微生物中的高温菌活跃，产沼气的速率最快。沼气 发酵温度突然变化，对沼气产量有明显影响，温度突变超过一定范围时，则会停 6 山东轻工业学院硕士学位论文 止产气。一般常温发酵温度不会突变；对中温和高温发酵，则要求严格控制料液 的温度【2 4 1 。 概括地讲，产气的一个高峰在3 5 左右，另一个更高的高峰在5 4 左右。这 是因为在这两个最适宜的发酵温度中，由两个不同的微生物群参与作用的结果。 前者叫中温发酵，后者叫高温发酵。 ( 3 ) 沼气发酵原料 原料( 有机物) 是供给沼气发酵微生物进行正常生命活动所需的营养和能量， 是不断生产沼气的物质基础。 农业剩余物秸秆、杂草、树叶等，猪、牛、马、羊、鸡等家畜家禽的粪便， 工农业生产的有机废水废物( 如豆制品的废水、酒糟和糖渣等) ，还有水生植物都 可以作为沼气发酵的原料。为了确切地表示固体或液体中有机物含量，一般采用 如下一些方法来测定原料的有机质含量【2 5 1 。 总固体( t s ) 和挥发性固体( v s ) 总固体( t s ) ，又称干物质，是指发酵原料除去水分以后剩下的物质。测定方法 为：把样品放在1 0 5 的烘干箱中烘干至恒重，此时物质的重量就是该样品的总固 体重量。挥发性固体( v s ) ，是指原料总固体中除去灰分以后剩下的物质。测定方 法为：将原料总固体样品在5 0 0 5 5 0 温度下灼烧l h ，其减轻的重量就是该样品 的挥发性固体量，余下的物质是样品的灰分，其重量是该样品灰分的重量【2 6 1 。 在沼气发酵中，沼气微生物只能利用原料中的挥发性固体，而灰分是不能被 利用的。 适宜的料液浓度 料液中干物质含量的百分比为料液浓度。对沼气池内发酵料液浓度要求，随 季节的变化而不同。在夏季，发酵料液浓度可以低些，要求浓度在6 左右；冬季 浓度应高一些，为8 左右【2 7 】。发酵料液的浓度太低或太高，对产生沼气都不利因 为浓度太低时，即含水量太多有机物相对减少，滞留期短，原料未经充分发酵就 被排出，会降低沼气池单位容积中的沼气产量，不利于沼气池的充分利用，浪费 了发酵原料；浓度太高时，即含水量太少，不利于沼气细菌的活动，发酵料液不 易分解，有机酸聚积过多，使沼气发酵受到阻碍，产气慢而少【2 引。因此，一定要 根据发酵料液含水量的不同，在进料时加入相应数量的水，使发酵料液的浓度适 宜，以充分合理地利用发酵料液和获得比较稳定的产气率【2 9 】。 产气量、产气速度与产气率 产气率分为原料产气率、料液产气率、池容产气率【3 0 】。 原料产气率是指单位原料重量在整个发酵过程中的产气量。说明在一定的发 酵条件下，原料被利用水平的高低【3 l 】。 料液产气率是指单位体积的发酵料液每天产沼气的数量。料液中所含原料种 7 第1 章绪论 类和质量( 料液浓度) 不同，产气率差异较大【3 2 1 。料液产气率不能说明原料的利 用水平的高低，也不能说明消化器容积被利用的水平，在大中型沼气工程中不宜 被采用例。 池容产气率是指消化器单位容积每天生产沼气的多少，池容产气率说明消化 器被利用水平高低，其表示单位为m 3 ( m 3 d ) 1 3 4 】。用原料产气率和池容产气率去 评价两种原料或两个装置被利用水平时，还要考虑两者的发酵条件和生产状况， 因为原料发酵好坏还与接种物、发酵温度、发酵时间、料液浓度等因素有关【3 5 1 。 ( 4 ) 适宜的酸碱度 p h 值是指消化器内料液的p h 值，而不是发酵原料的p h 值。沼气微生物最适 宜的p h 值范围是6 8 - 7 5 【3 6 1 。一般来说，当p h 值小于6 或大于8 时，沼气发酵 就要受到抑制，甚至停止产气。建议采用测定挥发酸来控制投料量，这样可以做 到精确管理【37 1 。 在大中型沼气工程中给消化器投料时，要根据p h 值来控制投料量，若投料量 过多，形成冲击负荷，会造成产酸过多。在间断投料时，料液的p h 值应在7 上下 为宜，当p h 低于6 8 时，产甲烷菌的生命活动将受到抑制，正常发酵将遭到破坏 【3 引。当消化器出现超负荷情况时，一方面停止进料，一方面在必要时可以投加碱 性物质( 如石灰水) ，提高消化器内的p h 值，使发酵过程得到比较快的恢复。在 投料以后p h 值不应低于6 5 ，当p h 6 0 时，则应大量投入接种物或重新进行起 圳3 9 1 。 ( 5 ) 碳、氮、磷的比例 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。研究 工作表明，碳氮比以2 0 - - 3 0 ：1 为佳；碳、氮、磷比例以1 0 ：4 ：0 8 为宜【4 0 1 。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，不需要 另外投加。但对一些工业污水，如果氮、磷含量不足，应补充到适宜值【4 l 】。 ( 6 ) 添加剂和抑制剂 许多物质可以加速发酵过程，而有些物质却抑制发酵的进行，还有些物质在 低浓度时有刺激发酵作用，而在高浓度时产生抑制作用【4 2 1 。沼气池内挥发酸浓度 过高( 中温发酵0 2 以上；高温发酵0 3 6 以上) 时，对发酵有阻抑作用；氨态 氮州h 3 - n ) 浓度过高时，对沼气发酵菌有抑制和杀伤作用；各种农药，特别是剧毒 农药，都有极强的杀菌作用，即使微量也可使j 下常的沼气发酵完全破坏【4 3 1 。很多 盐类，特别是金属离子，在适当浓度时能刺激发酵过程，当超过一定浓度时会对 发酵过程会产生强烈的抑制作用m 】。 ( 7 ) 接种物 在发酵运行之初，要加入厌氧菌作为接种物( 亦称为菌种) 。在条件具备时， 宜采用与生态环境一致的厌氧污泥作为接种物。当没有适宜的接种物时，需要进 8 山东轻t 业学院硕七学位论文 行菌种富集和培养，即选择活性较强的污泥或是人畜粪便等，添加适量( 菌种量 的5 - - - , 1 0 ) 有机废水或作物秸秆等，装入可密封的容器内，在适宜的条件下， 重复操作，扩大接种数量【4 5 】。 1 3 产甲烷菌的有关特性 1 3 1 产甲烷菌的概述 产甲烷菌是一类能够将无机或有机化合物厌氧消化转化成甲烷和二氧化碳的 古细菌，它是严格厌氧菌，属于水生古细菌门( e u r y a r c h a e o t a ) 。它们生活在各种 自然环境下，如反刍动物的瘤胃、人类的消化系统、稻田、湖泊或海底沉积物、 热油层和盐池，以及污泥消化和沼气反应器等人为环境中。产甲烷菌是厌氧消化 过程的最后一个成员，甲烷的生物合成是自然界碳素循环的关键链条。由于产甲 烷菌是严格的厌氧菌，对其研究需要较高的技术手段，所以，在2 0 世纪7 0 年代中 期以前，产甲烷菌新种发现的不多，据伯杰细菌鉴定手册第八版记载，产甲 烷菌只有一个科，即甲烷杆菌科，分三个属，有9 个种。但是，随着其研究手段的 飞速发展，和人们对产甲烷菌的关注，越来越多的产甲烷菌被人们发现，到目前 为止，从系统发育来看，甲烷菌分成5 个目，分别为甲烷杆菌目( m e t h a n o h a c t e r i a l e s ) 、 甲烷球菌目( m e t h a n o c o c c a l e s ) 、甲烷八叠球菌目( m e t h a n o s a r c i n a l e s ) 、甲烷微 菌目( m e t h a n o m i c r o b i a l e s ) 和甲烷超高温菌目( m e t h a n o p y r a l e s ) 4 6 1 。s c h n e l l e n 第一个从消化污泥中分离纯化得到甲酸甲烷杆菌( m e t h a n o b a c te r i u mf o r m i c i u m ) 和巴氏甲烷八叠球菌( m e t h a n o s ar c i n ab a r k e d ) ，到目前为止，分离鉴定的产甲烷 菌已有2 0 0 多种【4 7 】。 1 3 2 产甲烷菌的生理生化特征 在h u n g a t e l 4 8 j 厌氧分离培养纯化产甲烷菌的技术出现之后，许多微生物学家、 生物化学家、污水处理专家从产甲烷菌的形状、结构、生理、生态等多方面进行 了研究，从而为厌氧消化技术用于处理污水，回收能源等方面提供了坚实的理论 基础。 所有的产甲烷菌都是专性严格厌氧菌，对氧非常敏感，遇氧后会立即受到抑 制，不能生长繁殖，有的还会死亡 4 9 1 。产甲烷菌生长特别缓慢。在人工培养条件 下，要经过十几天甚至几十天才能长出菌落，在自然条件下甚至更长。其原因在 于可利用的底物很少，只能利用很简单的物质，如二氧化碳、氢、甲酸、乙酸等， 这些简单的物质必须由其它发酵性细菌把复杂有机物分解后提供给产甲烷菌，因 此要等到其它细菌都大量生长以后才能生长，而且产甲烷菌的世代时间相对较长 【5 0 】 o 产甲烷菌与其它任何细菌相区别的主要特征还在于所有产甲烷菌的代谢产物 9 第l 章绪论 都是甲烷、二氧化碳和水。且产甲烷菌体中有7 种辅酶因子与所有微生物及动植物 都不同，其细胞壁没有d 氨基酸和胞壁酸的独特结构也与其它细菌有很大区别 5 1 - 5 2 】。这些独特的特征为产甲烷菌的鉴定及分类提供了有效的依据。 1 3 3 产甲烷菌的代谢特征 产甲烷菌生活在厌氧条件下，它们通过甲烷的生物合成形成维持细胞生存所 需的能量。在产甲烷菌中存在原核细胞和真核细胞所共有的糖酵解途径( e m p ) 、 三羧酸循坏( t c a ) 、氨基酸和核苷酸代谢，但一些基本所需的酶在产甲烷菌中 未被确定。产甲烷菌是自养型的生物，它能利用环境中的化学能，因而产甲烷菌 中发现了许多无机物进入细胞所需的通道蛋白，如n a + 、k + 、c a 2 + 等离子以及磷 酸、硝酸等无机酸。产甲烷菌还具有运输乳酸、六碳三羧酸、六碳二羧酸等有机 物进入细胞的转运蛋白。产甲烷菌能够吸收环境中的硫酸根，通过一系列的酶代 谢最终形成硫化氢。甲烷的生物合成和氮素的固定是产甲烷菌独特的代谢过程。 目前发现的甲烷生物合成过程有三种途径：以乙酸为原料的甲烷生物合成；以氢、 二氧化碳为原料的甲烷生物合成；以甲基化合物为原料的甲烷生物合成。甲烷生 物合成过程中，甲烷的形成伴随着细胞膜内外化学梯度的形成，这种化学梯度驱 动a t p 酶产生细胞内能量通货a t p 。 1 3 4 产甲烷菌显著影响因子 产甲烷菌的活性受温度、p h 值、有毒物质等环境因素以及c 、n 、p 的比值以 及无机元素等的影响，各因子所处条件对于产甲烷过程具有一定影响，根据前期 研究结果，本文主要涉及微量营养元素等几种对产甲烷阶段具有重要影响的显著 影响因子。 ( 1 ) 微量营养元素对产甲烷菌的影响 甲烷菌的化学组成：根据文献可知，甲烷菌的化学组成( g k g 干细胞) 如下见表1 1 1 5 3 1 表1 2 甲烷菌的化学组成( 干细胞) t a b l e1 2t h ec h e m i c a lc o m p o n e n to fm e t h a n o g e n s ( g k gd r yc e l l ) 厌氧消化的产甲烷阶段对无机营养的缺乏十分敏感。许多废水厌氧生物处理 中，均出现了出水中挥发性脂肪酸( v f a ) 偏高，气体产率下降的现象。起初人们认 1 0 山东轻t 业学院硕 ：学位论文 为是毒性物质抑制作用或是缺乏n 、p 营养。但后来许多实验证明，极易生物降解 的v f a ，在厌氧出水中之所以浓度偏高，不是毒性物质的抑制作用，也不是缺乏n 、 p 营养，而是缺乏微量营养元素。t a k a s h i m a 和s p e e c e t 5 4 】发现微量营养元素的氯化 物与无机营养液中其它物质混合后加入反应器内，当生物停留时间s r t 为2 0 d 时， 只能达到很低的乙酸利用率：4 8k g m 3 - d ；但如果微量营养元素的氯化物直接 加入反应器内，则当生物停留时间s r t 为5 d 时乙酸利用率即可高j 送3 0 k g m 3 d 。因 而，微量营养元素的加入方式也对产甲烷菌优势菌种变化产生很大影响。 t a k a s h i m am 和s p e e c ere 列出了投加重要微量营养元素的需要量和费用 估计。见表1 3 ： 表1 3 重要微量营养元素的需要鼍和费用估计 t a b l e1 3t h er e q u i r e m e n ta n dc o s te s t a m a t i o no fi m p o r t a n tt r a c ee l e m e n t 另外，李亚新等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【5 5 1 。因而微量营养元素的加入能使反应器内甲烷菌的 优势菌种发生变化，使乙酸利用率提高数倍。但微量营养元素需直接加入反应器， 从而保证甲烷菌的充分利用。微量金属营养元素能对毒性物质产生强烈的拮抗作 用。在厌氧消化过程中补充微量营养元素是提高厌氧消化过程效率和稳定性的重 要途径【5 6 5 7 1 。 ( 2 ) 硫酸盐对产甲烷菌的影响 厌氧处理中，硫酸盐还原细菌以氢、乙酸、乳酸等为电子供体、以s 0 4 2 为末 端电子受体，将其还原为s 的厌氧反应称其为硫酸盐还原作用。由于硫酸盐还原细 菌和产甲烷细菌都可利用这些基质，而且硫化物对产甲烷细菌具有毒害作用【5 2 1 。 普遍认为，硫酸盐还原作用影响产甲烷作用的进行。然而，各研究者的结论不尽 相同，包括对于硫酸盐对产甲烷菌的致害浓度存在较大争议。k a r h a d k a r 等指出硫 化物对产甲烷菌有抑制作用，但经过驯化，产申烷菌可提高对硫化物的抵抗力【5 引。 第1 章绪论 p a r k i n g 等认为硫化氢对未经驯化的产甲烷菌的致害浓度为5 0m g l 。1 【5 9 1 。有研究表 明硫化物对产甲烷菌的致害浓度从未经驯化时的2 0m g l 。1 提高到驯化后的5 0 0m g l 。有研究发现硫酸盐对于批量试验的影响并不大对于连续运行试验的冲击则很 大。因此，根据不同浓度的底物和不同的厌氧消化试验，要进行相关的硫酸盐抑 制产甲烷菌的研究唧j 。 ( 3 ) 氧化还原电位( e h ) 对产甲烷菌的影响 厌氧环境的主要标志是沼气发酵液具有低的e h ，其值应为负值。一般情况下， 氧的溶入是引起厌氧消化中的e h 升高的最主要和最直接的原因。另外其它一些氧 化剂或氧化态物质存在，同样能使体系中的e h 升高，当其浓度达到一定程度时， 会危害厌氧消化过程的进行。由此可见，体系中的e h 比溶解氧浓度能更全面地反 映发酵液所处的厌氧状态。不同的厌氧消化体系和不同的厌氧微生物对e h 的要求 不同。兼性厌氧微生物在+ 1 0 0 m v 以上时进行好氧呼吸，e h 为+ 1 0 0 m v 以下时进行 无氧呼吸；产酸菌对e h 的要求不甚严格，可以在一1 0 0 , + 1 0 0 m v 的兼性条件下生 长繁殖；中温及浮动温度厌氧消化系统要求的e h 应低于一3 0 0 一3 8 0 m v ；高温厌 氧消化系统要求适宜的e h 为一5 0 0 一6 0 0 m v 。产甲烷菌最适宜的e h 为一3 5 0 m v 或 更低。 1 4e g s b 反应器 l e t t i n g a 教授和其同事自1 9 7 4 年开创了u a s b 之后，在8 0 年代后期，又根据 u a s b 工艺的缺点，开始研究e g s b 。e g s b 与u a s b 反应器结构相似，细高型，采 用处理水回流，通过高的水流上升速度，污泥床处于膨胀化状态，从而保持了进 水与颗粒污泥的充分接触。资料表明，e g s b 可在l - - 2 h 的水力停留时间下，取得 u a s b i 艺需要8 1 2 h 才能达到的效果【6 1 】。e g s b 反应器的反应装置简单示意图如 图1 2 所示： 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 图1 2e g s b 反应流程简图 f i g u r e1 2t h ea b r i d g e df i g u r eo fe g s br e a c t i o np r o c e s s 1 颗粒污泥膨胀床2 三相分离器3 处理水排放 4 处理水回流5 原有机废水6 水槽 7 进水泵8 气体流量计 1 4 1e g s b 的五个显著特点 ( 1 ) e g s b 能在高负荷下取得高处理效率，尤其是在低温条件下，对低浓度有 机废水的处理。e g