沼气发酵技术发展及应用现状

沼气发酵技术发展及应用现状 摘要 沼气发酵从产生至今已有多年历史 开发和利用沼气干发酵技术处理农业废弃物 禽畜粪便和垃圾 对于解决能源短缺 生态环境恶化和减少CO2排放具有深远的意义 本文 就仅对沼气发酵技术的研究发展和应用现状作简单综述 关键词 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 沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳 这两种成分约合占沼气 体积的95 其中甲烷约占45 70 二氧化碳约占25 55 此外 沼气还含有大 约5 的其他气体 如H2S N2 H2 CO NH3 等 沼气是具有很高热值的清洁燃料 沼 气的低热值为20 25 MJ m3 在1 atm 的状态下 甲烷燃烧的热值达到了9100 kcal m3 1 经过净化的沼气完全燃烧后只生成H2O 和CO2 不会对环境造成污染 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 1 历史研究概况 我国干法发酵技术应用源远流长 自古以来我国就采用干法发酵工艺酿酒 生产堆肥 国内对沼气干发酵技术的研究起步于上世纪80 年代 在1988年缪则学 2 等人就将沼气 干发酵技术应用于畜禽粪便的发酵 研究了适宜于吉林省农村温暖季节应用的干发酵工艺 边文骅 3 等设计了横蓖板水压式干发酵沼气池并将其应用 叶森 4 等人从1986年开始 研究自动排料沼气干发酵装置和相应的半连续发酵工艺 并于1988年通过了相关部门的技 术鉴定 李秀金 5 等人提出了采用NaOH 处理改善玉米秸秆的可生物消化性能 随着沼 气干法发酵技术研究的成熟 规模化的沼气干法发酵工程应用技术的研发已成为发展的主 流 韩捷 6 等人近年来研发了一种MCT沼气干发酵技术及装备 国外对沼气干法发酵的 研究主要集中于城市垃圾的处理 7 德国 法国 丹麦等国家技术发达国家早在20世纪 80年代就对沼气干发酵进行研究 2 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 8 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 9 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 3 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等 温度是影响微生物生长的重要因素 直接关系到发酵过程的正常进行和最终产品的生成 固态发酵中 微生物生长初期要达到一定的温度条件 以保证其正常生长 在生长过程中 微生物会释放大量的生物热 尤其是在对数期 产热速度很快 菌丝体生长旺盛 造成物 料大面积板结 加之固态发酵中没有自由流动相 导热性能差 单位距离上存在很大的温 度梯度 有时高达3 cm 不利于微生物的生长和产酶 必须通过通风降温 喷淋无菌水 翻曲等手段使热量及时散失 由于微生物的生长 蛋白质合成 酶和细胞活性及代谢产物 合成对温度的敏感性 12 对温度的控制很重要 大多数真菌的生长温度范围在20 55 致死温度在50 60 4 Mudgett R E Solidstatefermentation C In Manual of Industrial Microbiology Ed A L Demain and H A Solomon American Society for Microbiology WashingtonD C 1986 66 83 PH 目前来看 世界范围内对于这方面的研究很少 但pH是影响发酵过程的重要因素 是毋庸置疑的 由于固态物料的含水量偏低 液态发酵中的pH检测手段难以应用 一般认 为 只要调节好初始pH 发酵过程中不必对其进行监测和控制 但在实际过程中 菌体代 谢会导致物料pH发生较大变化 进料浓度的影响 进料浓度即发酵原料干物质占发酵总量的比例 一般来说 进料浓 度在5 10 比较适宜 发酵浓度过低则产气量小 发酵设备利用率低 发酵浓度过大会 造成发酵系统酸化影响发酵正常进行 但人们也发现干物质浓度大于20 的干发酵也可以 很好产气 7 7 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 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 4 5 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 5 Alberto V Gisela V Nelson A et al Evaluation of marine algae as a source of biogas in a two stage anaerobic reactor system J Biomass and Bioenergy 2008 32 338 344 原料预处理的影响 原料预处理是利用物理 化学或者生化等方法使生物质中的不易被 降解物质提前得到腐化分解 在进料后更快启动发酵 同时 预处理后的原料密度大 原 料进料后很快下沉到发酵池底 有利于发酵和解决农村沼气池结壳问题 农村户用沼气工 艺最常见的原料预处理方法是对发酵原料进行堆沤 接种物的影响 接种物含有大量沼气发酵微生物的活性污泥 接种污泥以下水道污泥 正常发酵的沼气池池底污泥和生活污水处理厂的厌氧活性污泥等含厌氧微生物丰富的污泥 为佳 若接种物选择不当则会造成发酵启动慢或者发酵料液酸化而无法正常产气的后果 同时 适当的接种量是发酵成功的关键 水活度 生物能否正常生长 基质的水活度a 是重要制约因素 一般而言 细菌正常 生长要求a 在0 90 0 99之间 多数酵母要求a 在0 80 0 90 真菌及少数酵母菌要求a 在 0 60 0 70 水活度与物料的含水量有关 对于丝状真菌而言 过高的含水量会抑制菌丝的 生长 过低的含水量则不能满足菌丝生长的需求 含水量过高 空隙率降低 不利于通风 降温的进行 同时高温和高含水量对于细菌的生长极为有利 对发酵过程造成威胁 而含 水量过低时 由于生物热及通风造成的水分损失 微生物生长受到限制 直接影响终产物 的产量 在发酵过程中 由于蒸发及温度上升 导致a 下降 应根据实际的物料水分情况 进行补水 以保证菌体正常生长 5 Liu BL Tzeng YM J Biotechnol Lett 1999 21 657 661 4 沼气干发酵技术的研究 沼气干发酵又称固体厌氧发酵 它是以秸秆 生活垃圾 和畜禽粪便等固体有机废弃 物为原料 利用厌氧微生物发酵产生沼气 反应体系中的TS含量达到20 40 沼气干发 酵中采用的菌种和工艺条件的控制会直接影响干发酵的 艾平 17 等人通过正交试验 研究了厌氧干发酵处理畜禽粪便过程中发酵温度 得到 了厌氧干发酵处理的优化工艺条件 发酵温度为55 C N 为12 5 Fatma A 18 在37 55 及65 条件下对鸡粪进行批量式干发酵试验 55 及65 进行的发 酵样品未检测到甲烷 而在中温37 的情况下对鸡粪进行干发酵 培养254天 取得了较 好的产气效果 31mL gVS 1 Bu joczek G 19 则认为 以鸡粪为原料 固含量超 过21 7 的情况下35 进行发酵 产生效果不太好 17 艾平 张衍林 袁巧霞 等 厌氧干 发酵处理畜禽粪 便的影响因子 J 华中农业大学学报 2009 28 3 377 380 18 Fatm a A Yu taka N Naom ich i N Dry m esoph ilic fer m en tation o f ch icken m anure for production o fm ethane by repeated batch cu lture J Journal o f B ioscience and B i oeng ineer ing 2009 107 3 293 295 19 Bu jo czek G O leszkiew icz J Spar ling R and Cenkow ski S H igh so lid anae robic digestion of chicken m anure J Ag ric Eng Res 2000 76 51 60 与常规沼气发酵的机制相同 厌氧干发酵的过程同样包括水解阶段 酸化阶段 产甲烷反 应阶段 见图1 9 这几个阶段由发酵性细菌 产氢产乙酸菌 产甲烷古菌三个功能菌 群的微生物共同完成 图1 厌氧干发酵机制 9 PeterW B iogas production current state and perspectives J ApplM icrob io l Biotechno l 2010 85 849 860 与常规的沼气发酵相似 适当的添加微量元素能够促进微生物的生长和代谢 微量元素镍 钴能够显著影响稻草干发酵的日产气量 适当的添加镍 钴有利于甲烷菌的生长 但过高 的添加量反而会抑制甲烷菌的生长 21 马诗淳 22 从微生物代谢调控的角度出发 研究纤维素厌氧分解菌和筛选促进纤维素降解产甲烷的刺激因子 发现不同刺激因子对微 生物群落结构的组成和丰度影响显著 同一刺激因子不同培养时间的微生物群落结构变化 明显 另外适量的添加水解酶能够增加沼气的产量 23 24 21 全桂香 常志州 叶小 梅 不同底物沼气干发酵启动 阶段的产酸特征研究 J 江苏农业科学 2008 1 225 227 22 马诗淳 沼气发酵微生物代谢调控技术研究 D 成 都 农业部沼气科学研究所 2009 23 Gerha rdtM The use of hydro lytic enzym es in agr icultura l b iogas production In Progress in B iogas J Stuttg art H ohenhe im 2007 1 247 254 24 Sch imp f U Valbuena R Increase in effic iency of b i om ethanation by enzym e app lication J Bo rn im erAgrar technische Ber ichte 2009 68 44 56 5沼气干发酵技术的应用 5 1在环境资源中的应用 上世纪90年代以来 随着能源危机与环境问题的日益严重 固态发酵技术以其特有的 优点 如无 三废 排放 引起人们的兴趣 固态发酵领域的研究及其在资源环境中的应用 取得了很大的进展 主要表现在生物燃料 生物农药和生长剂 生物肥料 生物转化 工 业废弃物生物解毒及对危险复合物进行生物修复和降解等方面的应用 12 Kalogeris E Iniotaki F Topakas E et al Bioresource Technology 2003 86 207 213 4 2 在提高产品附加值中的应用 固态发酵可对营养丰富的农作物或农作物残余物进行生物转化 用于发酵食品 酶 色素 颜料 生物农药 有机酸和风味化合物的生产 至今工业用酶大多数采用深层液体发酵的 方法 成本很高 使酶的应用受到限制 固态发酵生产酶是降低成本的好方法 例如蛋 白酶的固态发酵应用较广 可替代液态深层发酵 13 K S M S Raghavarao T V Ranganathan N G Ka ranth Some engineering aspects of solid state fermentation J Biochemical Engineering Journal 2003 13 127135 14 Aikat K Bhattacharyya B C Process Biochemistry 2001 36 1059 1068 3 沼气发酵应用现状 目前 厌氧消化技术生产沼气在各个国家都得到很好的发展 在不同的国家和地区 由于 在资金和发酵原料产出情况等因素的影响 沼气利用模式不同 东南亚国家 如中国和印度 等 的农村户用沼气池发展很好 在发达国家 大中型沼气工程发展比较完善 厌氧消化设 备是连续搅动水箱式反应器 产生的沼气有一部分被用来加热反应器 13 与发达国家自 动化程度高的大中型沼气工程不同 发展中国家的许多户用沼气池都没有搅拌设备 不需 要连续监控 而且发酵原料来源广泛 对环境有很强的适应能力 我国是世界上最早利用 沼气国家之一 我国沼气事业发展得到了政府的大力支持 特别是在农村 沼气事业得到 了充分发展 1996年到2003年之间 中国农村家庭沼气产总量为2 554 796 95千立方米 相当于1824 1千t标准煤 14 我国沼气事业经过了近80年的科学研究和和生产应用 中国 特色的沼气技术逐步成熟 在池型方面 研究出了适应不同气候 原料和使用条件的标准化 系列池 15 16 中国科学院广州能源研究所与顺德县科委合作 于20世纪80年代初建设的 新埠能源实验村 使该村的农业生态得到良性循环发展 同时 我国的大中型沼气发酵 工程也得到很好的发展 基本上具备了生产能源 减少污染和综合利用等多种功能 实现 了能源 环境与经济三方面的综合效益 17 目前 天津市纪庄子污水厂和北京高碑店污 水厂利用污泥厌氧消化处理系统生产沼气用于沼气搅拌和发电 实现了热联供电和资源的 综合利用 北京市高碑店污水处理厂年发电量有望突破107 kW h 满足5000户家庭1年的 用电量 18 在国外沼气发电在发达国家同样受到广泛重视和积极推广 如美国的 能源 农场 工程 日本的 阳光工程 荷兰的 绿色能源 工程等 18 瑞典沼气产量约占 总能量消耗的0 3 19 在印度农村 沼气被用来作为内燃机 抽水机 发电机和碾磨机 的燃料 20 泰国制定政策来为改进炉灶 ICS 和小型沼气技术 SBD 提供支持 21 在伊 朗 已经可以以较低成本利用污水处理厂的污水生产沼气来发电 22 13 Stephanie Lansing Raul Botero Botero Jay F Martin Waste treatment and biogas quality in small scale agricultural digesters J Bioresource Technology 2008 99 5881 5890 14 Zhang P D J G M W G Contribution to emission reduction of CO2 and SO2 by household biogas construction in rural China J Renewable and Sustainable Energy Reviews 2007 11 1903 1912 15 高云超 邝哲师 潘木水 等 我国农村户用型沼气的发展历程及现 状分析 J 广东农业科学 2006 11 22 27 16 Liu Y Kuang Y Q Huang N S et al Popularizing household scale biogas digesters for rural sustainable energy development and greenhouse gas mitigation J Renewable Energy 2008 33 2027 2035 17 郝元元 刘荣厚 大中型沼气工程工艺流程发酵原料及其产物测试分 析 J 安徽农业科学 2006 34 14 3429 3431 18 曹冬梅 刘坤 城市污泥厌氧消化产沼气资源化研究 J 工业安全与 环保 2006 32 11 41 44 19 Mikael L Mattias S Lovisa B et al The prospects for an expansion of biogas systems in Sweden Incentives barriers and potentials J Energy Policy 2007 35 1830 1843 20 Pallav P Tara C K Techno economics of biogas based water pumping in India An attempt to internalize CO2 emissions mitigation and other economic benefits J Renewable and Sustainable Energy Reviews 2007 11 1208 1226 21 Bundit L Saichit C Sustainable energy development strategies in the rural Thailand The case of the improved cooking stove and the small biogas digester J Renewable and Sustainable Energy Reviews 2007 11 818 837 22 Konstantinos P T Optimal number of energy generators for biogas utilization in wastewater treatment facility J Energy Conversion and Management 2007 48 2694 2698 7 展望 沼气是一种高热值的清洁燃料 并且可以提纯甲烷作为高纯度燃料使用 厌氧发酵可以消 解一些对环境污染严重的有机物质 同时在厌氧发酵过程中可以