（环境工程专业论文）秸秆厌氧发酵产沼气影响因素研究.pdf

桂林工学院硕士学位论文 摘要 本文主要通过三批厌氧发酵产沼气实验，研究分析了八方面厌氧发酵产沼气影响因 素主要研究的实验内容有：温度对沼气发酵的影响：搅拌对沼气发酵的影响；固体浓度 对沼气发酵的影响；接种物浓度对沼气发酵的影响；预处理对沼气发酵的影响；c n 比对 沼气发酵的影响；不同原料对沼气发酵的影响；p h 值对沼气发酵的影响。实验结果如下： ( 1 ) 在温度对沼气发酵影响实验研究中，反应温度2 5 比室温利于产气、反应温度 3 0 c 比2 5 1 2 利于产气。所以实验认为，最佳实验温度为3 0 ( 2 ) 在搅拌对沼气发酵影响实验研究中，经搅拌的2 。、3 。反应器产气增加较多，反应 达2 0 天时开始搅拌l 。反应器，产气量也有明显增加，说明搅拌可以促使反应器产气实 验认为，搅拌可有效提高产气量 ( 3 ) 在固体浓度对沼气发酵影响实验研究中，固体浓度为1 4 的2 。反应器产气高于 固体浓度为9 的l4 反应器；固体浓度1 4 的8 。反应器比固体浓度1 2 的7 4 反应器有利于 产沼气反应。实验认为。固体浓度1 4 为适宜发酵浓度。 ( 4 ) 在接种物浓度对沼气发酵影响实验研究中，4 4 与3 7 的接种物浓度相比，接种 物浓度越高产气量越多。所以实验认为，接种物浓度为4 4 有利于厌氧发酵产沼气。 ( 5 ) 在预处理对沼气发酵影响实验研究中，对比没有进行酵素菌预处理的l o 。反应器， 有酵素菌预处理的9 。反应器预处理有利于实验的启动，预处理能促进反应初期沼气的产生。 在实验条件下认为，酵素菌预处理有利于实验快速启动 ( 6 ) 在c n 比对沼气发酵影响实验研究中，c n 比为2 l ：1 的反应器比c n 比为1 7 ： j 的反应器更有利于池内有机物降解，提高池内微生物活性，从而促进沼气产生。 ，： ( 7 ) 在不同原料对稻气发酵影响的实验研究中，主要原料为较多猪粪的有利于反应 器产气，但甲烷含量不高；以杂革为主要原料和混合主要原料产气效果不理想；以秸秆为 主要原料的产气效果稳定也较好实验认为，原料优先选取顺序为：秸秆 猪粪 混合原 料 杂草。 ( 8 ) p h 值对厌氧发酵有一个适宜的范围，过高或者过低都不利沼气发酵。沼气发酵 正常进行，通常是弱碱性环境。p h 值的变化直接影响产甲烷菌的生存与活动，实验研究中， 反应器的p h 值应维持在6 8 7 8 左右 关键词：秸秆；厌氧发酵；沼气；影响因素 桂林3 - 学院硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , w eu s et h r e ee x p e r i m e n tt om a k ee i g h ts o r ta n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ns t u d yf o r i n f l u e n c ef a c t o r s t h em a i ns t u d ya r e ：t e m p e r a t u r ei n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ； a g i t a t i o n i n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；s o l i dc o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c et oa n a e r o b i c f e r m e n t a t i o n ；i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c et o a n a e r o b i cf e r m e n t t t i o n ；p r e c o n d i t i o n i n f i u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；c ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；d i f f e r e n t m a t e r i a li n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；p hi n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ( 1 ) i nt h ee x p e r i m e n to ft e m p e r a t u r ei n f l u e n c et o ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，2 5 i sb e t t e rt h a n r o o mt e m p e r a t u r e ，3 0 ci sb e t t e rt h a n2 5 c 。s oe x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ：t h eb e s tt e m p e r a t u r e f o ra n a e r o b i cf e r m e n t a t i o ni s3 0 ( 2 ) i nt h ee x p e r i m e n to fa g i t a t i o ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n 。w ef i n dt h a t2 、 3 4 r e a c t i o np r o d u c em o r eb i o g a st h a nt h a tn o ta g i t a t e d w h e nt i m et o2 0 d 。w ef i n dt h a t1 。 r e a c t i o np r o d u c em o r eb i o g a si ne v i d e n c e s oe x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ：a g i t a t i o nc a nr a i s e b i o g a sv o l u m e ( 3 ) i nt h ee x p e r i m e n to fs o l i dc o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，i np r o d u c e b i o g a s ，s o l i dc o n c e n t r a t i o na s 1 4 i sb e t t e rt h a n9 ，s o l i dc o n c e n t r a t i o na s1 4 i sa l s ob e t t e r t h a n1 2 s oe x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ：s o l i dc o n c e n t r a t i o na s1 4 i sac o n s i d e r a b l ep a r a m e t e r “) i nt h ee x p e r i m e n to fi n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o na s4 4 p r o d u c em o r eb i o g a st h a n3 7 ，s oe x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ： i n o c u l a t i o nc o n c e n t r a t i o na s4 4 b e n e f i c i a lt op r o d u c em o r eb i o g a s ( 5 ) i nt h ee x p e r i m e n to fp r e c o n d i t i o ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n c a s e a s eb a c t e r i u m p r e c o n d i t i o ni n9 r e a c t i o nh a sm e r eb e n e f i c i a lt h a n1 0 。r e a c t i o nw h i c hn o th a v ec a s e a s e b a c t e r i u m p r e c o n d i t i o n f o rs t a r t e r s o e x p e r i m e n t c o n s i d e rt h a t ：c a s e a s eb a c t e r i u m p r e c o n d i t i o nh a sm o r eb e n e f i c i a lf o rs t a r t e r ( 6 ) i nt h ee x p e r i m e n to fc ni n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n c na s2 1 ii sm o r e b e n e f i c i a lt oo r g a n i cm a t t e rd i g e s t i o n ，e n h a n c eb i o t aa c t i v i t y ，t h e np r o m o t em o r eb i o g a s ( 7 ) i nt h ee x p e r i m e n to fd i f f e r e n tm a t e r i a li n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n p i gf a e c e si s b e n e f i c i a lt op r o m o t em u c hg a s ，b u tn o th a v em u c hb i o g a s ；m a t e r i a la sg r a s sa n da d m i x t u r e m a t e r i a ld on o tp r o m o t em u c hg a s ；s t r a ws t a l ki sb e n e f i c i a lt op r o m o t eg a sa n ds t a b i l i z e s o e x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ：t h es e q u e n c eo fb e t t e rm a t e r i a lc h o i c e ：s t r a ws t a l k p i gf a e c e s a d m i x t u r em a t e r i a l g r a s s i i 桂林3 - 学院硕士学位论文 ( 8 ) i nt h ee x p e r i m e n to fp hi n f l u e n c et oa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ，t h e r ei sas u i t a b l ea m b i t t o oh i g ho rt o ol o wi sn o tb e n e f i c i a lt oa n a e r o b i cd i g e s t i o n ；u s u a l l y b i o g a s a n a e r o b i c f e r m e n t a t i o ni si na l k a l i n i t y s oe x p e r i m e n tc o n s i d e rt h a t ：p hs h o u l dk e e pu p6 8 - 7 8 k e yw o r d s ：s t r a ws t a l k ；a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n ；b i o g a s ；i n f l u e n c ef a c t o r s 1 1 1 桂林工学院硕士学位论文 研究生学位论文独创性声明和版权使用授权说明 独创性声明 本人声明；所呈交的论文是我个人在成官文教授指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得桂林工学院或其它教育机 构的学位或证书而使用过的材料。对论文的完成提供过帮助的有关人员已在论文 中作了明确的说明并致以了谢意。 学位论文作者( 签字) ： 签字日期： 版权使用授极说明 本人完全了解桂林工学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照 学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和 电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它 复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部 内容。( 保密论文在解密后遵守此规定) 学位论文作者( 签字) ： 指导教师签字： 签字日期： i 嘲购 技芬爻 p 寸) 茸b 时掬 桂林工学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景，课题来源，项目名称 能源是发展工农业生产、提高人民生活水平的重要物质基础，是社会经济 发展的基本动力，人类的一切活动都需要能源。_ _ 个国家工农业生产的发展速 度往往取决于能源的合理利用和开发程度，能源的利用在一定时期内、一定程 度上可以成为衡量这个国家经济实力、技术水平以及人民生活水平高低的重要 标志。 进入二十一世纪之后，随着社会的飞速发展和人口的不断增加，能源、资 源和环境问题日趋严重，我国的人口、能源、环境容量受到前所未有的挑战。 近3 0 年来，能源短缺日益突出，已成为制约我国社会经济发展的主要因素之一1 1 1 我国是一个农业大国，有九亿人口生活在农村，农村地区家庭生活和生产 都需要消耗大量的能源。农村能源是我国能源的一个特殊领域，直接关系到农 民生产和生活，农村能源的可持续发展是我国农村可持续发展的重要因素之 一我国农作物秸秆年产量约为7 亿t 左右，列世界之首，每年收获的秸秆扣除 用于造纸、饲料、造肥还田及收集利用外，可作为能源加以利用的量为3 7 6 1 亿t 【2 1 。据研究，秸秆的原料发酵产气潜力o 4 5 m 3 ( k g t s ) 左右，和粪便的产气 率差不多，产气潜力非常巨大。可以认为农村生物能源是我国寻找替代能源的 有效途径之一，这不仅优先利用可再生能源。而且改善了农村的生态环境【2 3 】。 近年来，我国农村沼气发展迅速。以桂林为例：目前，桂林市累计建沼气 池4 0 余万座，全市沼气入户率达4 0 ，其中恭城6 万余户，沼气入户率8 5 以上， 并于2 0 0 3 年尝试建设大中型沼气池，进行集中供气。沼气产业化取得了显著进 展，但沼气的基础研究相对迟缓，e h 于我国农村家庭结构和农村经济状况发生 桂林工学院硕士学位论文 了巨大变化，庭院养殖规模越来越小，远离庭院养殖的情况越来越多，畜禽粪 便在沼气发酵的比例明显降低，秸秆、杂草等纤维质成为主要原材料。厌氧发 酵出现了因沼气原材料变化而产气率降低、沼气池结壳等问题，迫切需要科学 技术指导和解决。 沼气发酵原材料的变化，改变了沼气池的物料构成、c n 比例、流动状态 等导致沼气池反应发生了明显变化，并对沼气池的产气率产生重大影响，从而严 重制约了沼气池的快速启动及其使用效果。因此，以秸秆为主要原材料的沼气 发酵影响因素研究成为沼气研发的重大科研课题。 本课题来源于桂林市科技局2 0 0 5 年桂林市第一批科学研究与技术开发项 目。项目名称为沼气发酵的影响因素研究，编号为0 5 0 1 1 4 1 。 1 2 沼气厌氧消化的基本原理 1 2 1 基本原理 i 2 1 1 沼气的概念 t 沼气是有机物质如秸秆、人畜粪便、杂草、垃圾、污泥和工业有机废水等 在厌氧条件下，通过各类厌氧微生物的分解代谢而产生的气体 4 1 。沼气是一种 清洁的可以燃烧的多组分混合气体，它由甲烷、二氧化碳和少量的一氧化碳、 氢气、氧气、硫化氢、氮气等组成，主要成份是甲烷，约占所产生的各种气体 的6 0 8 0 。纯甲烷的燃烧值为z ，o u j l m 3 ，比天然气低，i m 3 的沼气完全燃烧 后产生的热量相当于o 7 k g 无烟煤燃烧释放的热量【5 1 。 1 2 1 2 厌氧发酵产沼气的基本原理 沼气发酵的实质是微生物自身物质代谢和能量代谢的一个生理过程。沼气 2 桂林工学院硕士学位论文 发酵的过程中，微生物在厌氧的情况下，为了取得进行自身生活和繁殖所要的 能量，而将一些高能量的有机物分解，有机物质在转变为低能量成分的同时放 出能量以供微生物代谢之用1 6 1 m p b r y a n t ( 1 9 7 9 ) 根据产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，提出了三阶段 理论。三阶段理论如图1 1 所示f 。三阶段理论包括： 第一阶段为水解发酵阶段。水解性细菌或发酵性细菌群将复杂有机物水解 和发酵。纤维素、淀粉等碳水化合物水解成糖类，糖类再分解成丙酮酸蛋白 质水解成氨基酸，再经脱氨基作用形成有机酸和氨。脂类水解后形成甘油和脂 肪酸，有机酸类进一步降解形成各种低级的有机酸。同时生成氢气和二氧化碳。 第二阶段为产氢产乙酸阶段。产氢产乙酸细菌利用第一阶段产生的各种有 机酸，即丙酸和长链脂肪酸、醇类等分解成乙酸和氢气，有时还有二氧化碳形 成。产氢产乙酸细菌将有机酸氧化形成的电子，使质子还原而形成氢气，因此， 该类细菌又称质子还原的产乙酸细菌。 第三阶段为产甲烷阶段。参与该阶段的细菌为产甲烷细菌。为和氧化甲烷 ：的细菌相区别，布赖恩特称它为产甲坑菌( m e t h a n f e n ) 。它们将第二阶段的产物 转化成甲烷。产甲烷细菌利用不同的基质，即利用二氧化碳、氢气和其他碳化 合物如一氧化碳、甲醇、甲酸、甲基胺等以及分解利用乙酸盐形成甲烷。形成 的甲烷中，约2 8 的- 甲烷来自氢的氧化和二氧化碳的还原作用，7 2 的甲烷来 自乙酸盐。因此，乙酸盐的降解形成甲烷，是甲烷形成过程中一个很重要的途 径【3 1 。 桂林_ t - 学院硕士学位论文 4 2 4 篙式等 生成乙酸与脱氢 第一阶段第二阶段第三阶段 图1 1 厌氧发酵三阶段理论图 沼气发酵按工艺可分为单相厌氧消化和两相厌氧消化。 1 ) 单相厌氧消化 单相厌氧消化的工艺简单，能够有效处理总固体含量2 0 4 0 的有机固体 废物。由于底物的高粘性，在反应器中底物一般通过平推流的方式移动。在 d r a n c o 工艺中，从反应器底部抽取一些已经消化过的废物与没有消化过的废物 按一定的比例混合，混合后从反摩器顶部注入k o m p o g a s 工艺与d r a n c o 工艺 相似，不同的是发酵物平推流的方向不同，在k o m p o g a s 工艺中是水平的，而 在d r a n c ot 艺中是竖直的。t s 含量也不相同，d r a n c o 工艺能够适合很广的t s 含量，而k o m p o g a s 工艺只适合t s 含量在2 3 左右的条件下。在v a l o r g a 工艺 中，平推流的方向是环形的，混合搅拌是通过在反应器的底部注入高压的沼气来 实现的9 1 。 2 ) 两相厌氧消化 1 9 8 3 年g h o s h 提出一种改进的两相厌氧消化过程用来处理有机固体废物 u 0 。该发酵系统包括2 个部分：水解酸化反应器，其中装有总固体含量( t s ) 很高的发酵底物；产甲烷反应器。水解酸化反应器中发酵产生大量的挥发性 4 羹 桂林工学院硕士学位论文 脂肪酸，通过渗滤，这些酸转入有大量的乙酸化菌和产甲烷菌的产甲烷反应器 中这样，能为两类微生物菌群分别提供适宜的生长环境，提高了整个厌氧消 化的效率。g h o s h 【1 1 1 通过中试以及扩大实验比较两相消化过程与单相消化过程 显示：在两相消化过程中，沼气产率提高了，挥发性固体的转化率也提高了。 z h a n g r u i h o n g 等e 1 2 l 利用厌氧两相消化方法研究了稻草固态发酵产沼气，并且 设计用一个产甲烷反应器连结多个稻草水解酸化反应器，取得很好的效果。 1 2 2 厌氧生物发酵处理动力学 ， j 一 沼气发酵是由多种微生物在没有氧气存在的条件下分解有机物来完成的。 不同发酵原料和条件下沼气微生物的种类会有所不同。由于参与沼气发酵的微 生物种类繁多，这就决定了沼气发酵过程的复杂性，其产物除了沼气外也是多 种多样的。通常把参与沼气发酵的微生物分为三类。 第一类叫发酵细菌，它们包括各种有机物分解菌，它们能分泌胞外酶，主 要作用是将复杂的有机物分解成简单的物质，例如多糖转化为单糖，蛋白质转 化为肽或氨基酸，脂肪转化为甘油和脂肪酸。， 。 第二类叫产氢产乙酸菌，它们的主要作用是将前一类细菌分解的产物进一 步分解形成乙酸和二氧化碳。 第三类细菌叫产甲烷菌，它们的作用是利用乙酸、氢气和二氧化碳生产甲 烷。在实际的沼气发酵过程中这三类微生物既相互协调，又相互制约，共同完 成产沼气过程。 1 2 2 1 不产甲烷细菌和产甲烷细菌之间的相互关系d 3 在厌氧处理系统中，存在着种类繁多，关系复杂的微生物群。甲烷的产 生是这个微生物群中各种微生物相互平衡、协同作用的结果。厌氧处理过程实 5 桂林3 - 学院硕士学位论文 际上是由这些微生物所进行的一系列生物化学的偶联反应，而产甲烷细菌则是 厌氧生物链上的最后一个成员。厌氧微生物的相互关系包括：不产甲烷细菌与 产甲烷细菌之间的相互关系；不产甲烷细菌之间的相互关系；产甲烷细菌之间 的相互关系。其中第一种关系最为重要。在厌氧处理系统中，不产甲烷细菌和 产甲烷细菌相互依赖，互为对方创造良好的环境和条件，构成互生关系；同时， 双方又互为制约，在厌氧生物处理系统中处于平衡状态。 1 ) 不产甲烷细菌为产甲烷细菌提供生长繁殖的底物，非产甲烷细菌中的发 酵细菌可以把各种复杂的有机物，如高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质等进 。 行发酵，生成h 2 、c 0 2 ，n h 3 、挥发性有机脂肪酸( v f a ) 等，丙酸、丁酸、乙醇 又可被产氢产乙酸细菌转化生成h 2 、c 0 2 和乙酸。这样，非产甲烷细菌通过生 命活动，为产甲烷细菌提供了生长和代谢所需要的碳源和氮源。 2 ) 不产甲烷细菌为产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。在厌氧反应器 运转过程中，由于加料过程难免使空气进入装置，有时液体原料里也含有微量 溶解氧，这显然对产甲烷细菌是有害的。氧的去除可依赖非产甲烷细菌类群中 那些兼性厌氧或兼性好氧微生物的活动，将氧消耗掉，从而降低反应器中氧化 还原电位在厌氧装置中的各种厌氧性微生物，如纤维素分解菌、硫酸盐还原 菌、硝酸盐还原菌等对氧化还原电位适应性各不相同。通过这些微生物有序地 生长和代谢活动，使消化液的氧化还原电位逐渐下降，最终为产甲烷细菌的生 长创造适宜的氧化还原电位条件。 3 ) 产甲烷细菌为不产甲烷细菌的生化反应解除了反馈抑制不产甲烷细菌的 发酵产物。在运行正常的消化反应器中，产甲烷细菌能连续利用由不产甲烷细 菌产生的氢、乙酸、二氧化碳等，不会由于氢和酸的积累而产生反馈抑制作用， 使不产甲烷细菌的代谢能够正常进行。 4 ) 不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持环境中的适宜p h 值。在沼气发酵 桂林3 - 学院硕士学位论文 初期，不产甲烷细菌首先降解废水( 物) 中的有机物质，产生大量的有机酸和碳 酸盐，使发酵液中p h 值明显下降。同时非产甲烷细菌类群中还有一类氨化细 菌，能迅速分解蛋白质产生氨。氨可中和部分酸，起到一定的缓冲作用。另一 方面，产甲烷细菌可利用乙酸、氢，从而避免了酸的积累。但如果发酵条件控 制不当，如进水负荷过高、c n 失调，则可造成p h 值过低或过高，前者较为 多见，称为酸化酸化会严重影响产甲烷细菌的代谢活动，甚至使产甲烷作用 中断 1 2 3 秸秆厌氧发酵产沼气微生物及其作用 1 2 3 1 厌氧发酵微生物 消化污泥中的细菌可分为两类：一类是不产甲烷细菌，有18 个属5 1 种， 另类是产甲烷菌，有7 个属1 3 种。其中产甲烷菌是沼气的生产者，它们严 格厌氧，是一群非常特殊的微生物。产甲烷菌的代表种如下： 1 ) 甲酸甲烷杆菌 长杆状，宽0 4 0 g e m ，长度可变，从几“m 到长丝或链t 状，在液体培养基 中老龄菌丝常互相缠绕成聚集体。革兰氏染色阳性或阴性。在滚管中形成的菌 落呈圆形，具有丝状边缘，淡色。最适生长温度3 7 4 5 ，最适p h 值6 6 7 8 。 2 ) 布氏甲烷杆菌 该菌是1 9 6 7 年b r y a n t 等从奥氏甲烷杆菌这个混合菌培养物中分离到的， 杆状o 5 - 1 0 x 2 n 4 p m ，单生或形成链革兰氏染色阳性或可变，不运动，具有 纤毛，扁平，边缘呈丝状扩散，一般在一周内出现菌落，深层茵落租糙，丝状。 在液体培养基中趋向于形成聚集体。 3 ) 嗜热自乔甲烷杆菌 长杆或丝状，o 4 o 6 x 3 7 p m ，丝状体可超过数百g m ，革兰氏染色阳性， 7 桂林3 - 学院硕士学位论文 不运动，形态受生长条件特别是温度所影响，在4 0 以下或7 5 以上时，丝状 体变为紧密的眷曲状。苗落圆形，灰白、黄褐色，粗糙，边缘呈丝状扩散。只 利用h 2 c 0 2 生成甲烷，需要微量元素n i 、c o 、m o 和f e 。不需有机生长素。 该菌生长迅速，最适生长温度为6 5 c 7 0 c ，在4 0 ( 2 以下不生长，最适p h 值 为7 2 - 7 6 。 。 4 ) 瘤胃甲烷短杆苗 短杆或刺血针状球形，端部稍尖，o 5 - 1 0 x 0 8 1 8 r t m ，常成对或链状，似 链球菌、革兰氏染色阳性，不运动或微弱运动。菌落淡黄、半透明、圆形、突 起，边缘整齐。一般在3 7 c 三天内出现菌落，三周后菌落直径可达3 - 4 r a m ， 利用h 2 c 0 2 及甲酸生长并产生甲烷；在甲酸上生长较慢。最适生长温度 3 7 3 9 ，最适p h 值6 3 6 8 。 5 1 巴氏甲烷八叠球菌 细胞形态为直径1 - 3 9 m 的不对称的球形，通常形成十几g m 到1 - 2 m m 的 八叠球菌状的细胞聚体。 白到黄色或棕黄色，最适合生长温度为3 5 c 一4 0 c 最适合p h 值6 7 7 2 。 甲烷八叠球菌为使乙酸产甲烷菌，是厌氧消化其中重要的产甲烷菌 5 ) 索氏甲烷丝菌 细胞杆状，无芽孢，端部平齐，生长温度范围是3 4 5 ，最适合温度为 3 7 最适合p h 7 4 7 8 。甲烷丝菌是继甲烷八叠球菌后发现的仅有的另一个 裂解乙酸的产甲烷菌属。 。 1 2 3 2 微生物在秸秆厌氧发酵产沼气中的作用 产甲烷菌在解除反馈抑制的同时，对厌氧环境中有机物的降解起着调节作 用它呈现出质子调节、电子调节和营养调节三种生物调节功能。产甲烷菌乙 8 桂林工学院硕士学位论文 酸代谢的质子调节作用可去除有毒的质子和使厌氧消化环境不致酸化，使厌氧 消化食物链中的各种微生物包括产甲烷菌在内都生活于适宜的p h 范围，这是 产甲烷菌的主要生态学功能。产甲烷菌的氢代谢电子调节作用为产氢产乙酸菌 代谢多碳化合物( 如醇、脂肪酸、芳香化合物) 创造了适宜的条件，并提高水解 菌对其基质利用的效率。产甲烷菌合成过程，某些细菌分泌一些生长因子的过 程，都可刺激其他生物的生长，具有营养调节作用 1 2 4 秸秆厌氧发酵的影响因素 ( 1 ) 温度 温度是影响厌氧生物处理工艺的重要工艺参数。厌氧消化的温度与有机物 的厌氧分解过程有密切的关系，不同的温度范围内存在不同类型的微生物。根 据产甲烷菌在不同温度下的活性将厌氧发酵分为三类：5 0 5 5 称为高温发 酵；3 0 3 5 称为中温发酵；1 5 2 0 称为低温发酵【陬1 5 1 。 农村沼气发酵一般随着自然环境的温度变化而变化，称为常温发酵。一般 认为，厌氧生物反应可以在很宽的温度范围( 5 8 3 ) 内进行，而产甲烷作用 则可以在4 1 0 0 c 的温度范围内发生。温度主要是通过对厌氧微生物细胞内 某些酶活性产生影响而影响微生物的生长速率和对基质的代谢速率，并对污泥 产率、有机物的去除速率、反应器的处理负荷带来影响；温度还会影响有机物 在生化反应中的流向和某些中间产物的形成，以及各种物质在水中的溶解度， 进而影响到沼气的产量和成分等f 1 6 】。 表卜1 温度对产气速度的影y h l j s 沼气发酵温度 1 0 l5 2 0 2 5 3 0 沼气发酵时间( d )9 06 0 4 53 02 7 有机物产气丰( m 1 g ) 4 5 0 5 3 06 1o 7 1 07 6 0 9 桂林3 - 学院硕士学位论文 从表1 1 可以得知，发酵温度的变化会对产气产生很大影响。温度是必须 的监控指标，是最敏感的影响因素之一。 ( 2 ) 池内流态 沼气池在不搅拌的情况下，发酵液明显分三层：上层为结壳层，中层为清 液层，下层为沉渣层。发酵液分层不利于产气。搅拌可使原料和接种物均匀地 分布于池内，增加微生物与原料的接触面，加快发酵速度，提高产气量，也有 利于促进发酵产生的c 0 2 和甲烷的释放 ： ( 3 ) 固体浓度 固体进料浓度即干物质浓度，关系到发酵浓度，根据对稻草+ 猪粪为原料 的厌氧发酵研究，在2 7 ( 2 3 0 c 范围内，随浓度的增大，干物质浓度从5 增大 到15 ，总产气量随之增加：当干物质浓度增大到1 5 2 5 时，总产气量增 加不明显，甚至减少1 6 5 】。不经稀释的猪粪总固体浓度在1 8 左右，直接入沼气 池发酵已获成功，且池容产气率也达到年平均o 3 5 m 3 ( m 3 d ) t 1 8 1 。 ( 4 ) c n 比 所谓原料的碳氮比是指原料中碳素总量和氮素总量的比例。碳氮比不协调 会影响池内微生物活性，降低气体产量。根据碳氮比配置沼气池进料，可以增 加气体产量。 大量实验表明 1 7 1 ，厌氧处理的c n 比控制2 5 ：l 为宜( 其中碳以c o d 表 示，氮以元素含量计) ，但有资料显示，在启动装置时，稍微增加氮素，有利 于微生物的增值，有利于提高反应器的缓冲能力所以本实验选取c n 比略低 于2 5 ：1 。 ( 5 ) 料液p h 值 1 0 桂林工学院硕士学位论文 沼气发酵正常进行时，通常是碱性环境，p h 值6 8 7 5 之间。在发酵初期， 由于产酸菌的活动，沼气池内会生成大量有机酸，导致p h 值下降。但随着发 酵继续进行，氮化作用产生的氨可以中和一部分有机酸，同时随着产甲烷菌的 活动，大量的挥发酸被利用，这样就可使p h 回升到正常值。但如果原料配制 不当，或缺乏正常操作管理。也会使挥发酸大量积累，p h 值下降。当p h 值低 于6 或高于8 时，发酵过程就会受抑制，甚至停止。p h 值也是重要的检测指 标之【1 扪 ( 6 ) 接种物浓度 沼气发酵通过沼渣接种启动反应器。大量研究证实：根据接种物浓度的不 同，产气快慢也不尽相同；接种物浓度越大，越有利于产气。正常沼气发酵是 由一定数量和种类的微生物来完成的，如果没有接种物或接种物过少，投料后 很长时间不能起动或根本就不能正常运转。一般粪便中含有一定量的沼气微生 物，起动时如果不另添加接种物，在料温大于2 0 c 时，经过一段时间可以达到 正常发酵。农村沼气池起动时，若接种物足够多，投料后第二天就可正常用气 i t s l ： ( 7 ) 预处理 厌氧发酵产沼气反应，通过菌种预处理，可以提高微生物的活性，加快原 料降解速率，促使反应快速产气。秸秆由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和 蜡质等化合物组成，秸秆难于消化，其中的木质素是一种很难被细菌分解利用 的物质，而纤维素的分解也比较慢。所以，发酵时的分解率一般只有5 0 左右。 而可溶性原料比较容易消化，进行沼气发酵时，液体中的可溶性有机质往往可 以去除9 0 以上。 秸秆表面有一层蜡质，不容易被沼气微生物破坏，秸秆直接下池会大量漂 l t 桂林工学院硕士学位论文 浮结壳，而未被充分利用分解，所以必须进行预处理。 常用预处理方法有以下两种： 切碎或粗粉碎 切碎或粗粉碎不仅可以秸秆表面的蜡质层，而且增加了发酵原料与细菌的 接触面，可以加快原料的分解利用。同时也便于进出料和施肥时的得操作。经 过切碎和粗粉碎的秸秆下池发酵，一般可将产气量提高2 0 左右。 堆沤处理。 雄沤处理是先将秸秆进行好氧发酵，然后，再将堆沤过的秸秆下沼气池进行 ： 。 厌氧发酵。秸秆经堆沤后，经历了微生物的厌氧发酵作用，纤维素变得松散， 从而扩大了纤维素与细菌的接触面。加快纤维索分解，进而加快沼气发酵进程。 通过堆沤还可以破坏秸秆表面的蜡质层，下池后不易浮料结壳。本实验采用添 加酵素菌，粗粉碎，堆沤处理。 ( 8 ) 原料及配比 不同原料对产气有不同的影响。粪便产气较快，气量较大；秸秆杂草降解 较慢，产气成分多样，不利产气；果皮蔬菜降解性能好，但有些种类刺激成分 会抑制反应；各类藤蔓来源广，木质素含量高，难降解；所以宣混合各种原料 发酵产气。 1 2 桂林工学院硕士学位论文 第二章厌氧发酵产沼气研究进展 2 1 理论研究进展 早在1 6 3 0 年，范赫尔蒙特( v a nh e l m o n t ) 发现有机质在腐烂过程中有沼 气出现。直到1 7 7 6 年，费尔特( v o l t a ) 才测出沼气中主要含甲烷。对沼气进行研 究，首先是由戴维( d a v y ) 于1 8 0 8 年开始的，他在实验室用牛粪产生沼气，并将 它收集起来1 8 8 3 1 8 8 4 年，巴斯德 ( p a s t e u r ) 的学生盖杨( g a y o n ) 成功地记录了 用动物粪便生产沼气的实验结果，发现在3 5 c 时产气量最大，从每立方米粪液 中得到i o o l 甲烷t 1 9 】。 2 1 1 不同原料产沼气进展 2 1 1 1 秸秆发酵产沼气进展 据联合国环境规划署( u n e p ) 报道，世界上种植的各种谷物，每年可提 供秸秆1 7 亿t ，我国的各类农作物秸秆资源十分丰富，总产量达7 亿多t ，其 中稻草2 3 亿t ，玉米2 2 亿t ，豆类粕秋杂粮作物秸秆1 0 亿i ，花生和薯类藤 蔓、甜菜叶等1 0 亿t 6 l 。秸秆的有机成分以纤维素、半纤维素为主，其次为木 质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁等。 表2 - 1 几种作物秸秆中的有机成分1 1 。i ( 质量分数) 桂林工学院硕士学位论文 秸秆作为固体生物质，用作产沼气能源的原料。具有挥发组分高、碳的活 性高、硫含量低、灰分低等特点，这些特点说明秸秆可以在较低的温度下，被 迅速地转化为气体原料，这些特点缩短产气时间，减小反应器体积，因而认为 秸秆是沼气发酵的理想原料。 秸秆发酵产沼气在广大农村已经得到了普遍应用，但是在提高秸秆降解 率、解决出渣和配料比例方面仍然存在问题。 v c k a l i a 等人【2 0 】分别在中温和高温条件下对香蕉杆的二级厌氧消化进行 了研究。由于其复杂的纤维结构，香蕉杆并不适合于进行厌氧消化，因此在进 行厌氧消化前，需要对其进行酸或碱的预处理以打碎其纤维结构。然而，在此 实验中，研究人员并没有使用酸碱预处理，而是利用在中温和高温的二级厌氧 消化处理的方法，得到了理想的木质纤维素降解效果，同时得到了理想的沼气 产量，沼气产量可达2 7 1 l ( k g t s ) 。 周岭等【2 1 将秸秆进行浸泡后再用厌氧发酵，可提高沼气产率1 5 2 0 。浸 泡1 0 天时，产气最快，而浸泡达到2 0 天时，有乙醇产生，不利于沼气发酵。 ， 苏有勇等( 2 2 1 将马蹄莲秸秆去杂、切碎后直接加入到水压式发酵装置，在室 温条件下，第四天就达到产气峰值。这是由于马蹄莲秸秆易腐烂、降解，接种 污泥中厌氧微生物种类丰富、数量大。 z h a n g 等 2 3j 在高效厌氧消化器中研究比较了热处理和机械粉碎的秸秆预处 理方法对产沼气效率的影响。结果表明，在6 0 c 1 1 0 c 热处理秸秆，总固体( t s l 和挥发性固体( v s ) 分别下降了3 4 2 2 6 和3 6 2 2 6 ，因此热处理有利于 秸秆发酵。 1 4 桂林工学院硕士学位论文 2 1 1 2 其它原料产沼气进展 陈华林等【2 4 1 采用l 9 ( 3 4 ) i 1 = 交实验法，对影响非木材纤维杂细胞沼气发酵的 基质浓度、发酵温度、添加剂三因素进行批量发酵。结果表明，基质浓度对发 酵效果影响最大，其次是添加剂、发酵温度对发酵周期影响最大。以产气量和 t s 去除率为指标，优选出最佳发酵条件是：基质浓度6 ，中温( 3 5 1 2 ) 发酵， 以碳铵为添加剂。以此为条件，进行6 0 d 的续料发酵，结果为；t s 去除率达 6 8 6 4 ，原料产气率2 9 9 9 m l ( g t s ) ，容积产气率o 3 2 2 4l ( ld ) ，c h 4 含量6 4 ， 符合沼气发酵供能的要求。 。 张记市等2 5 1 在适当的p h 值和搅拌条件下，研究了反应温度、总固体含量、 p h 值、碳氮比、碳磷比以及接种物量对有机生活垃圾厌氧发酵产沼气的影响。 实验结果表明：有机生活垃圾厌氧消化产沼气的适宜条件是：反应温度5 0 5 5 ，总固体含量2 3 2 8 ，p h = 6 8 7 4 ，w ( c ) w ( n ) = ( 2 0 3 0 ) ，w ( c ) w ( p ) = 5 0 ， 接种物量为2 5 3 0 ，水力停留时间为1 5 - 2 0 d 。在厌氧的条件下，生活垃圾 可以制取含甲烷6 0 7 5 的沼气，实现能量回收，发酵剩余物可制有机肥，实 j 现废物资源化。 张全国等2 6 l 设计了一种新型厌氧发酵系统一一辅热集箱式畜禽粪便沼气 系统。该系统采用太阳能和生物质辅助加热方式，由若干个集箱式发酵单元组 成，可根据养殖规模集装成5 0 、1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 、5 0 0 m 3 等不同规模的沼气工 程，并在其应用示范工程上完成了运行实验和技术经济评价。结果表明，该系 统池容平均产气率为o 8 0 m 3 ( m 3d ) ，所产沼气的热值为2 5 4 0 m j m 3 ，处理后的 猪粪污水c o d 浓度由3 6 5 0 0 m g l 降至6 5 0 0 m g l ，去除率达8 2 2 ，悬浮物浓 度由1 7 0 0 0 m g l 降至1 9 0 0 m g l ，去除率达8 8 8 ；其净现值为1 8 3 5 3 0 5 元， 桂林工学院硕士学位论文 静态投资回收期为3 5 8 a 。该技术及其成套设备的技术经济可行性较高，具有 商业化前景。 刘德江【2 7 1 等在相同发酵浓度、同等体积及相同温度的条件下，比较羊粪、 牛粪、猪粪三种物料的沼气发酵，通过对比三者气体中的c h 4 含量、h 2 s 含量、 口h 值等发酵参数，探索在沼气发酵过程中各种参数的变化情况。对比实验表 明：猪粪在厌氧发酵过程中易发生酸化，而羊粪、牛粪( 尤其是羊粪) 则不易发 生酸化；在保持相同发酵浓度、同等温度的条件下，发酵气体中c h 4 含量的大 小顺序为：牛粪 羊粪 猪粪；h 2 s 含量顺序为：猪粪 牛粪 羊粪，牛粪与羊粪 的h 2 s 含量相近，而猪粪则比它们高3 倍左右；猪粪的发酵液最臭，颜色最深， 其次为牛粪，羊粪较弱。 。 郭亚丽等 2 9 l 对江苏淮阴地区的城市生活有机垃圾作为沼气发酵原料的相 关参数与特性进行了研究。燃气区和燃煤区各自垃圾的平均有机成份含量分别 是7 5 5 和3 0 7 ；生活垃圾的t s ，v s ，c o d 含量平均值为1 0 7 l ，4 6 4 和8 1 7 。经过预处理后，每公斤t s 可以产气o 3 8 9 m 3 ，在投料的第二天就可 以大量产气。可见生活垃圾有机质含量较高，且较易在厌氧条件下分解，适合 作为沼气发酵的原料。 r i n t a l a 等【2 9 l 研究了污泥和城市垃圾混合物中温厌氧产甲烷的特性，城市 垃圾的t s 含量为3 0 一4 0 ，采用的反应器为1 5 0 0 m 3 ( 有效容积为1 4 0 0 m 3 ) ， 消化温度为3 7 ，采用沼气循环搅拌。在三天内向反应器中加入了7 7 t 污泥和 4 5 t 的城市生活垃圾，共产出了5 5 0 0 m 3 的沼气，达到理论值( 6 1 0 0 m 1 的9 0 以 上( 实验用城市生活垃圾和污泥的产沼气能力分别为3 1 0 和2 2 0 ( l 。k g ) v s ) 。产 甲烷速率最高为1 7 2 m 3 ( m 3 d ) 。 冷成保1 3 0 1 对城市垃圾进行了干发酵处理，将其t s 含量提高到3 5 以上， 。 1 6 桂