沼氣發(fā)酵原理與條件

    一、沼氣發(fā)酵原理     沼氣發(fā)酵是一個(gè)（微）生物作用的過(guò)程。各種有機(jī)質(zhì)，包括農(nóng)作物秸稈、人畜糞便以及工農(nóng)業(yè)排放廢水中所含的有機(jī)物等，在厭氧及其他適宜的條件下，通過(guò)微生物的作用，最終轉(zhuǎn)化成沼氣，完成這個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，即為沼氣發(fā)酵。     （一）液化階段     農(nóng)作物秸稈、人畜糞便、垃圾以及其他各種有機(jī)廢棄物，通常是以大分子狀態(tài)存在的碳水化合物，如淀粉、纖維素及蛋白質(zhì)等。他們不能被微生物直接吸收利用，必須通過(guò)微生物分泌的胞外酶（如纖維素酶、肽酶和脂肪酶等）進(jìn)行酶解，分解成可溶于水的小分子化合物（即多糖水解成單糖或雙糖，蛋白質(zhì)分解成肽和氨基酸，脂肪分解成甘油和脂肪酸）。這些小分子化合物進(jìn)入到微生物細(xì)胞內(nèi)，進(jìn)行的一系列的生物化學(xué)反應(yīng)，這個(gè)過(guò)程稱為液化。     （二）產(chǎn)酸階段     液化完畢后，在不產(chǎn)甲烷微生物群的作用下，將單糖類、肽、氨基酸、甘油、脂肪酸等物質(zhì)轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的有機(jī)酸（如甲酸、乙酸、丙酸和乳酸等）、醇（如甲醇、乙醇等）以及二氧化碳、氫氣、氨氣和硫化氫等，由于其主要的產(chǎn)物是揮發(fā)性的有機(jī)酸（其中以乙酸為主，約占80%），故此階段稱為產(chǎn)酸階段。     （三）產(chǎn)甲烷階段     產(chǎn)酸階段完成后，這些有機(jī)酸、醇已經(jīng)二氧化碳和氨氣等物質(zhì)又被產(chǎn)甲烷微生物群（又稱產(chǎn)甲烷細(xì)菌）分解成甲烷和二氧化碳，或通過(guò)氫還原二氧化碳形成甲烷，這個(gè)過(guò)程稱為產(chǎn)甲烷階段。這種以甲烷和二氧化碳為主的混合氣體便稱為沼氣。     二、沼氣發(fā)酵的工藝條件     沼氣發(fā)酵微生物要求有適宜的生活條件，對(duì)溫度、酸堿度、氧化還原勢(shì)及其他各種環(huán)境因素都有一定的要求。在工藝上只有滿足微生物的這些生活條件，才能達(dá)到發(fā)酵快、產(chǎn)氣量高的目的。實(shí)踐證明，往往由于某一條件沒有控制好而引起整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行失敗。因此，控制好沼氣發(fā)酵的工藝條件是維持正常發(fā)酵產(chǎn)氣的關(guān)鍵。     （一）嚴(yán)格的厭氧環(huán)境     沼氣發(fā)酵微生物包括產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌兩大類，他們都是厭氧性細(xì)菌，尤其是產(chǎn)生甲烷甲烷菌是嚴(yán)格厭氧菌，對(duì)氧特別敏感。他們不能在有氧的環(huán)境中生存，哪怕只有微量的氧存在，微生物的生命活動(dòng)也會(huì)受到抑制，甚至死亡。因此，建造一個(gè)不漏水、不漏氣的密閉沼氣池（罐），是人工制取沼氣的關(guān)鍵。     沼氣發(fā)酵的啟動(dòng)或新鮮原料入池時(shí)會(huì)帶進(jìn)一部分氧，造成了沼氣池內(nèi)較高的氧化不還原勢(shì)。但由于在密閉的沼氣池內(nèi)，好氧菌和兼性厭氧菌（此類菌在有氧或無(wú)氧環(huán)境里都能生存與活動(dòng)）共同的作用，迅速消耗了溶解氧，使沼氣池的氧化還原勢(shì)逐漸降低，從而創(chuàng)造了良好的厭氧條件。     （二）發(fā)酵溫度     沼氣發(fā)酵微生物在一定的溫度范圍進(jìn)行代謝活動(dòng)，可以在8～65℃產(chǎn)生沼氣，溫度不同，產(chǎn)氣速度也不同。在8～40℃范圍內(nèi)，溫度越高，產(chǎn)氣速率越大，但不是線性關(guān)系。40～50℃使沼氣微生物高溫菌和中溫菌活動(dòng)的過(guò)度區(qū)間，它們?cè)谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)都不太適應(yīng)，因而此時(shí)產(chǎn)氣速率會(huì)下降。當(dāng)溫度增高到50～55℃時(shí)，由于沼氣微生物中的高溫菌活躍，產(chǎn)沼氣的速率最快。     通常產(chǎn)氣高峰溫度一個(gè)在35℃左右，另一個(gè)在54℃左右。這是因?yàn)樵谶@個(gè)最適宜的發(fā)酵溫度中，由兩個(gè)不同的微生物群參與作用的結(jié)果。前者叫中溫發(fā)酵，后者叫高溫發(fā)酵。     若沼氣發(fā)酵溫度突然上升或下降，對(duì)產(chǎn)氣量有明顯的影響。若溫度突然上升或下降5℃，產(chǎn)氣量會(huì)顯著降低，若變化過(guò)大，則產(chǎn)氣過(guò)程可能會(huì)停止。為防止沼氣發(fā)酵溫度的突變，沼氣池應(yīng)采取必要的保溫措施。將沼氣池建于大棚內(nèi)（夏季遮陰），是防止溫度突變的有效措施之一。     常溫發(fā)酵，在發(fā)酵過(guò)程中基本上不進(jìn)行溫度控制，發(fā)酵料液的溫度隨自然溫度有規(guī)律地進(jìn)行變化，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單，無(wú)需加溫，便于推廣；其缺點(diǎn)是產(chǎn)氣率低，尤其是冬季經(jīng)常由于溫度過(guò)低，而影響產(chǎn)氣或停止運(yùn)行。高溫和中溫發(fā)酵處理效率高，處理時(shí)間短，產(chǎn)氣量高，但缺點(diǎn)是設(shè)備比較復(fù)雜，需要消耗大量的能量用于加溫和保溫。     （三）發(fā)酵原料     在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，原料即是產(chǎn)生沼氣的基質(zhì)，又是沼氣發(fā)酵微生物賴以生存的養(yǎng)料來(lái)源。除了礦物油和木質(zhì)素外，自然界中的有機(jī)物質(zhì)一般都能被微生物發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，但不同的有機(jī)物有不同的產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速度。較難分解的有機(jī)物質(zhì)，在投料前要進(jìn)行切碎、堆漚等預(yù)處理。若有機(jī)物已經(jīng)過(guò)牲畜腸胃消化、陰溝厭氧消化及工業(yè)發(fā)酵，入池后很快就會(huì)產(chǎn)氣。因此，農(nóng)業(yè)剩余物秸稈、雜草、樹葉等，豬、牛、馬、羊、雞等家畜家禽的糞便，工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的有機(jī)廢水廢物（如豆制品的廢水、酒槽和糖渣等）及水聲植物都可以做為沼氣發(fā)酵的原料，如水葫蘆等。     沼氣發(fā)酵原料按其無(wú)力形態(tài)分為固態(tài)原料和液態(tài)原料兩類：按其營(yíng)養(yǎng)成分又分有富氮原料和富碳原料之分；按其來(lái)源分為農(nóng)村沼氣發(fā)酵原料、城鎮(zhèn)沼氣發(fā)酵原料和水生植物三類。     富氮原料通常指富含氮元素的人、畜和家禽的糞便。這類原料經(jīng)過(guò)了人和動(dòng)物腸胃系統(tǒng)的充分消化，一般顆粒細(xì)小，含有大量低分子化合物——人和動(dòng)物未吸收消化的中間產(chǎn)物，含水量較高。因此，在進(jìn)行沼氣發(fā)酵時(shí)，不必進(jìn)行預(yù)處理，就容易厭氧分解，產(chǎn)氣很快，發(fā)酵期較短。     富碳原料通常指富含碳元素的秸稈和秕殼等農(nóng)作物的殘余物。這類原料富含纖維素、半纖維素、果膠以及難降解的木質(zhì)素和植物蠟質(zhì)。干物質(zhì)含量比富氮的糞便原料高，且質(zhì)地疏松，相對(duì)密度小，進(jìn)沼氣池后容易漂浮形成發(fā)酵死區(qū)——浮殼層，發(fā)酵前一般需經(jīng)預(yù)處理。富碳原料厭氧分解比富氮原料慢，產(chǎn)氣周期較長(zhǎng)。     發(fā)酵原料的評(píng)估和計(jì)量，通常用總固體（TS）、懸浮固體（SS）、揮發(fā)性固體（VS）及揮發(fā)性懸浮固體（VSS）、化學(xué)耗氧量（COD）和生物耗氧量（BOD）等指標(biāo)評(píng)價(jià)和計(jì)量原料中有機(jī)物的含量和沼氣的產(chǎn)量。