農業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣技術的研究進展

摘要：為了研究中國農業(yè)廢棄物制取沼氣的研究及利用現(xiàn)狀，筆者結合自身及前人的研究成果，通過描述中國農業(yè)廢棄物的利用現(xiàn)狀及厭氧發(fā)酵制取沼氣技術的機理，產(chǎn)甲烷菌的基本研究以及3種常見農業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究結果，概括了利用厭氧發(fā)酵處理農業(yè)廢棄物的必要性及技術上的可行性。但同時發(fā)現(xiàn)，很多研究成果沒有在中國農業(yè)廢棄物的利用上得到充分利用，本研究的成果在今后對農業(yè)廢棄物進行合理有效的利用及處理上有很大的參考作用。 　　0引言 　　中國每年產(chǎn)生的農業(yè)廢棄物，僅農作物秸稈的量就約為7億t，大中城市郊區(qū)的集約化養(yǎng)殖場產(chǎn)生的畜禽糞便因超過農田環(huán)境自身消納的能力，也對城市郊區(qū)環(huán)境造成了較大的污染。本研究通過倡導利用厭氧發(fā)酵生沼氣技術處理農業(yè)廢棄物，能有效保護農村及城市郊區(qū)的環(huán)境，同時能改善當前中國能源利用領域過分依賴煤炭，污染嚴重，能源利用率低等不合理現(xiàn)象，對解決中國經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸有重要意義。 　　當前農業(yè)廢棄物的利用技術有很多，主要包括：能源化、肥料化、飼料化和材料化技術，而能源化是當前研究的重點，如將玉米秸稈通過等離子體熱裂解液化制取生物油，厭氧微生物利用麥麩產(chǎn)氫以及利用甜高粱莖稈汁液發(fā)酵制取生物酒精等。與其他農業(yè)廢棄物能源化的技術相比，厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣技術目前比較成熟，可以實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。如北方“四位一體”沼氣生態(tài)模式和南方的“豬、沼、果”生態(tài)模式等。 　　與此同時，大量的利用農業(yè)廢棄物發(fā)酵產(chǎn)沼氣的基礎研究也在進行，如堿預處理對稻草發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果，同時劉榮厚等還發(fā)現(xiàn)蔬菜廢棄物用厭氧發(fā)酵工藝處理制取沼氣是可行的。沼液及沼渣作為沼氣發(fā)酵的一種副產(chǎn)物，也有很大的作用，50%濃度的沼液能提高草莓的果實品質，添加煤油和洗衣粉的沼液混合物是一種防治菜青蟲的良好殺蟲劑。 　　本研究針對農業(yè)廢棄物制取沼氣技術在處理廢棄物的實際應用上的不足，與其比較成熟的研究現(xiàn)狀脫節(jié)的問題，通過全面地概括論證利用厭氧發(fā)酵處理農業(yè)廢棄物的必要性及技術上的可行性，倡導積極發(fā)展厭氧發(fā)酵制取沼氣技術，并在實際中大量應用該技術處理中國的農業(yè)廢棄物，相信在厭氧發(fā)酵制取沼氣技術的廣發(fā)推廣上能起到非常積極的作用。 　　1厭氧發(fā)酵制取沼氣技術的機理 　　目前為止，對厭氧發(fā)酵制取沼氣技術機理的研究比較成熟。沼氣發(fā)酵的過程，實際上是微生物的物質代謝和能量轉換過程，在分解代謝過程中微生物獲得能量和物質，以滿足自身生長繁殖，同時大部分物質轉化為甲烷和二氧化碳。 　　其基本過程通常可分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷3個階段，前2個階段合稱為不產(chǎn)甲烷階段，不過目前比較權威的是把沼氣發(fā)酵理論分為2階段厭氧發(fā)酵理論和3階段厭氧發(fā)酵理論。 　　2階段理論主要針對一些可溶性的復雜有機物，第1階段是在產(chǎn)酸菌的作用下，有機物被分解為低分子的中間產(chǎn)物如有機酸如乙酸、丁酸等及氫氣、二氧化碳等氣體；第2階段是產(chǎn)甲烷菌將第1階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物繼續(xù)分解為甲烷和二氧化碳。3階段理論主要針對不溶性的復雜有機物，相對2階段理論，主要是多了1個水解和發(fā)酵的階段，在這一階段，復雜有機物在微生物（發(fā)酵菌）作用下進行水解和發(fā)酵：多糖先水解為單糖，再通過酵解途徑進一步發(fā)酵成乙醇和脂肪酸等；蛋白質則先水解為氨基酸，再經(jīng)脫氨基作用產(chǎn)生脂肪酸和氨；脂類轉化為脂肪酸和甘油，再轉化為脂肪酸和醇類。 　　也有研究將產(chǎn)甲烷的3階段理論中的第1階段拆分為2步，認為沼氣發(fā)酵應具體分為4個步驟，分別是：聚合物的水解、水解產(chǎn)生的單體發(fā)酵生成揮發(fā)性脂肪酸酸和乙醇等、中間產(chǎn)物轉換為乙酸和氫氣、甲烷的形成。 　　2產(chǎn)甲烷菌的研究 　　2.1產(chǎn)甲烷菌的種類與基本性質 　　產(chǎn)甲烷菌是一類能夠將無機或有機化合物厭氧消化轉化成甲烷和二氧化碳的古細菌，它們生長在嚴格厭氧的環(huán)境中，不能利用復雜的有機物作為能量來源，只能利用氫氣、二氧化碳、甲酸、甲醇、甲基胺、乙酸等簡單物質合成甲烷進行能量代謝，是厭氧發(fā)酵過程的最后一個成員。 　　由于產(chǎn)甲烷菌是一種嚴格厭氧的古生菌，導致很難對其進行分離純化，這對產(chǎn)甲烷菌研究產(chǎn)生了很大影響。1950年，Hungate創(chuàng)造了無氧分離技術才使產(chǎn)甲烷菌的研究得到了迅速的發(fā)展。到目前為止，從系統(tǒng)發(fā)育來看，產(chǎn)甲烷菌分成5個目，分別為甲烷桿菌目（methanobacteriales）、甲烷球菌目（methanococcales）、甲烷八疊球菌目（methanosarcinales）、甲烷微菌目（methanomicrobiales）和甲烷超高溫菌目（methanopyrales），分離鑒定的產(chǎn)甲烷菌已有200多種。 　　所有的產(chǎn)甲烷菌都是專性嚴格厭氧菌，對氧非常敏感，遇氧后會立即受到抑制，不能生長繁殖，有的還會死亡。在形態(tài)學方面，不同的產(chǎn)甲烷菌屬有不同的形態(tài)學特征。大部分產(chǎn)甲烷菌都是革蘭氏陰性菌，但甲烷短桿菌的革蘭氏染色呈陽性。以下是兩種典型產(chǎn)甲烷菌的形態(tài)特征。 　　甲烷類球菌屬，細菌呈不規(guī)則球狀，直徑1~1.5μm，單生，不運動，革蘭氏陰性，雖然不運動，但其細菌細胞帶有2個附件，在培養(yǎng)45天后，形成直徑小于1mm，白色，圓形，邊緣不整齊的菌落；甲烷八疊球菌屬，細菌為高度不規(guī)則球狀，直徑2~3μm，單生無鞭毛，革蘭氏染色呈陰性，在堿或十二烷基磺酸鈉處理下水解，培養(yǎng)60天后形成直徑1mm，黃色，圓形，邊緣有凸起的菌落；甲烷短桿菌屬，革蘭氏染色陽性，短桿狀，多單生，不運動，能夠利用H2+CO2或甲酸鹽作為唯一碳源生長。 　　2.2產(chǎn)甲烷菌的代謝機理 　　產(chǎn)甲烷菌生活在厭氧條件下，通過甲烷的生物合成形成維持細胞生存所需的能量。在產(chǎn)甲烷細菌中存在原核細胞和真核細胞所共有的糖酵解途徑（EMP）、三羧酸循環(huán)（TCA）、氨基酸和核苷酸代謝，但一些基本所需的酶在產(chǎn)甲烷菌中未被確定。 　　產(chǎn)甲烷菌是自養(yǎng)型生物，能利用環(huán)境中的化學能，因而產(chǎn)甲烷菌中發(fā)現(xiàn)了許多無機物進入細胞所需的通道蛋白，如Na+、K+、Ca2+等離子，以及磷酸、硝酸等無機酸。因此，產(chǎn)甲烷菌生長的世代時間與環(huán)境中營養(yǎng)物質濃度有關,營養(yǎng)平衡也很重要，細胞的生長和維持需要一定數(shù)量的養(yǎng)分，營養(yǎng)不足使甲烷菌生長世代時間變長，甚至停止；基質代謝速率也受營養(yǎng)條件的限制，但有些養(yǎng)分過量會抑制產(chǎn)甲烷菌生長。產(chǎn)甲烷菌在代謝上與其他微生物的差異，對產(chǎn)甲烷菌的鑒定方法也有一定的參考價值。 　　目前發(fā)現(xiàn)的甲烷生物合成過程有3種途徑：以乙酸為原料的甲烷生物合成；以氫、二氧化碳為原料的甲烷生物合成；以甲基化合物為原料的甲烷生物合成。 　　其中，以乙酸為底物的甲烷生物合成占自然界甲烷合成的60%以上；以氫和二氧化碳為底物的甲烷生物合成30%；也有學者認為乙酸的裂解占甲烷合成的70%以上，以甲基化合物為原料的甲烷生物合成不足10%。甲烷生物合成過程中，甲烷的形成伴隨著細胞膜內外化學梯度的形成，這種化學梯度驅動ATP酶產(chǎn)生細胞內能量通貨—ATP（三磷酸腺苷）。 　　一般一種產(chǎn)甲烷菌只具有一種甲烷合成途徑,而多細胞結構的甲烷八疊球菌同時含有3種甲烷合成途徑,且至少可以利用9種甲烷合成的底物。在甲烷的合成過程中，有多種酶參與反應，如：甲酰甲基呋喃（MFR）、甲酰四氫甲基喋呤（THMP）、輔酶M(HSCoM)、輔酶F420（CoF420）、輔酶F430（CoF430）和輔因子B（HS-HTP）等。 　　3厭氧發(fā)酵制取沼氣技術的原料適應性 　　厭氧發(fā)酵制取沼氣對農業(yè)廢棄物原料的要求雖然不是很高，但要使發(fā)酵制取沼氣達到良好的效果，發(fā)酵原料應滿足一定的條件，這些條件包括碳氮比、發(fā)酵料液濃度、廢棄物的物理性質（如秸稈長度）和化學性質等。 　　在碳氮比上，含碳量高的原料發(fā)酵慢，含氮量高的原料發(fā)酵快，應合理搭配。在農村，一般把鮮糞和作物秸稈以重量比2:1混合，碳氮比保持在25:1為宜；發(fā)酵料液濃度是指原料的總固體重量占發(fā)酵料液重量的百分比，適宜的料液濃度對于提高產(chǎn)氣量，維持產(chǎn)氣高峰十分重要，能進行沼氣發(fā)酵的料液濃度很寬，1%~30%甚至更高的濃度都可以產(chǎn)生沼氣，在中國農村，根據(jù)原料來源和數(shù)量，沼氣發(fā)酵通常采用7%~10%的發(fā)酵料液濃度是較適宜的；在原料物理性質上，雖然現(xiàn)在有固體干法發(fā)酵，但大部分沼氣發(fā)酵還是液體發(fā)酵，而且液體發(fā)酵液更符合農村的實際情況，關于秸稈 及蔬菜廢棄物，對其長度或粒徑有一定要求，例如將秸稈粉碎或簡單切分（用剪刀剪至1~10cm）再進行發(fā)酵，可以加快原料的分解利用；對于化學性質，一般要求發(fā)酵原料易被微生物降解，對于主要由不易降解的纖維素、半纖維素和木質素組成的秸稈，對其進行預處理，在其部分被降解成易被利用的有機物后再進行發(fā)酵產(chǎn)沼氣能取得更好的效果。 　　下面筆者主要介紹3種主要的農業(yè)廢棄物：畜禽糞便、蔬菜廢棄物和農作物秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究現(xiàn)狀。 　　3.1糞便發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究現(xiàn)狀 　　糞便作為一種碳氮比較低的發(fā)酵原料，只要其他發(fā)酵條件適宜，其發(fā)酵產(chǎn)氣能正常進行。例如人糞、雞糞是富氮原料，其碳氮比分別為7.8:1，2.5:1，當以它們作為原料進行沼氣發(fā)酵時，只要溫度、濃度和起動時接種物的質量、數(shù)量合適，正常發(fā)酵完全沒有問題，在單種原料沼氣發(fā)酵的條件下,鮮豬糞可作沼氣發(fā)酵物料碳氮比調節(jié)劑，不經(jīng)碳氮比調節(jié)可迅速啟動發(fā)酵產(chǎn)氣，有對豬糞的研究表明，一頭豬產(chǎn)生的糞便等廢棄物能生產(chǎn)150~250L沼氣，其中甲烷含量為60%，其燃燒值達到23100J/m3。由于糞便在一般情況下就能作為沼氣發(fā)酵的原料，當前對糞便發(fā)酵產(chǎn)氣的研究主要集中在糞便與其他發(fā)酵原料進行混合厭氧發(fā)酵的研究上。 　　糞便與其他農業(yè)廢棄物混合發(fā)酵有2個作用：一是調節(jié)其他含氮較低的原料的碳氮比，使其能正常發(fā)酵產(chǎn)沼氣；二是增強發(fā)酵原料的整體適應性，使發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣能力明顯提升。采用青草、干稻草或菜葉等含氮比較低的農業(yè)有機廢棄物作沼氣發(fā)酵原料時，用鮮豬糞或尿素等高含氮物質調節(jié)碳氮比作沼氣發(fā)酵原材料是可行的，同時Maritza等研究表明，牛糞與城市固體垃圾單獨發(fā)酵的產(chǎn)沼氣的能力分別為62、37m3/(t·VS)，而它們混合發(fā)酵的產(chǎn)氣能力卻達到172m3/(t·VS)，混合發(fā)酵能取得更高的產(chǎn)氣量。 　　當然糞便的沼氣發(fā)酵與糞便種類也有很大關系，不同種類的糞便按相同比例與其他農業(yè)廢棄物混合發(fā)酵取得的發(fā)酵效果不同；同時，糞便的質量跟沼氣發(fā)酵也有直接關聯(lián)，El-Mashad和Zhang的研究顯示，篩選后的優(yōu)質糞便、劣質糞便和未經(jīng)篩選的糞便的沼氣產(chǎn)量分別是302、228、241L/(kg·VS)，在這3種糞便中，分別有約93%、87%和90%的沼氣在發(fā)酵20天后產(chǎn)生出來，平均沼氣含量為69%、57%和66%。 　　3.2蔬菜廢棄物沼氣發(fā)酵 　　大部分水果和蔬菜廢棄物的碳氮比約為25:1，不需要另加氮源就可以進行正常的沼氣發(fā)酵。對于一些碳氮比不在適合沼氣發(fā)酵碳氮比范圍內的水果或蔬菜 廢棄物，有時把2種或2種以上的廢棄物混合進行消化以保證營養(yǎng)平衡。在對蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵的可行性及接種物濃度對發(fā)酵過程的影響進行了研究后，發(fā)現(xiàn)蔬菜廢棄物用厭氧發(fā)酵工藝處理是可行的，在試驗采用的20%，30%，50%3個水平的接種物濃度中，接種物濃度為30%的實驗組的揮發(fā)酸含量、氨態(tài)氮含量以及pH值都在正常范圍內，總產(chǎn)氣量和沼氣中最高甲烷含量分別為7790.81mL和42.814%，明顯高于其他2組及空白組實驗。而對于溫度對蔬菜廢棄物沼氣發(fā)酵的影響，實驗證明，中溫條件[（35±1）℃]最適于蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。 　　3.3農作物秸稈沼氣發(fā)酵 　　秸稈的理論產(chǎn)氣量為0.53m3/(kg·VS)，與糞便的產(chǎn)氣量近似，有報道說1g棉花秸稈能產(chǎn)生65mL的沼氣。秸稈的產(chǎn)氣特點是分解速度慢，產(chǎn)氣周期長，但單位原料產(chǎn)氣量較高，通過一定的預處理可以有效地破壞秸稈中纖維素、半纖維素和木質素之間緊密的結構，提高纖維素對酶的敏感性。秸稈的預處理方法主要有蒸汽爆破、酸堿處理、輻射處理及氨處理等，通過預處理能提高秸稈在沼氣發(fā)酵中的適應性，能提高 秸稈的利用率及產(chǎn)氣率。 　　目前，蒸汽爆破、酸堿處理和氨處理是3種常見的預處理方法。蒸汽爆破主要是利用高溫、高壓水蒸汽處理纖維原料，并通過瞬間釋壓過程實現(xiàn)原料的組分分離和結構變化。 　　宋永民的研究表明，在最佳條件下，汽爆秸稈的甲烷產(chǎn)量提高至153mL/(g·TS)，是未汽爆的2.9倍，發(fā)酵后秸稈纖維素和半纖維素的降解率分別為59.86%和67.22%，蒸汽爆破預處理提高了秸稈的降解率和產(chǎn)氣率。在酸堿處理的研究上，與不經(jīng)NaOH預處理相比，6%NaOH預處理后的稻草秸稈高溫厭氧發(fā)酵最大日產(chǎn)氣量提高了61.34%，總產(chǎn)氣量提高了55.23%，COD去除率提高了48.72%，表明適宜濃度的酸堿處理可以提高稻草的厭氧消化效率和產(chǎn)氣量。 　　氨處理秸稈能去除秸稈中所含對發(fā)酵不利的乙?；芯勘砻?，用氨處理后的秸稈進行發(fā)酵試驗，其VS利用率提高至17.9%，纖維素降解率提高至16.6%，產(chǎn)氣量達到55.88mL/(g·TS)，且氨處理條件比較溫和及試劑易于回收和循環(huán)利用，對纖維素及半纖維素破壞性較大，不會產(chǎn)生對后續(xù)發(fā)酵不利的副產(chǎn)物，因此一般認為氨處理要優(yōu)于酸堿處理。當然秸稈的預處理還有其他方法，例如通過混合菌劑降解油菜秸稈中的纖維素、木質素和半纖維素，可促進秸稈生物質轉化為沼氣等。 　　4結論與建議 　　農業(yè)廢棄物制取沼氣技術是農業(yè)廢棄物能源化與資源化領域的有效方式。今后，應對厭氧發(fā)酵機理、秸稈類農業(yè)廢棄物沼氣發(fā)酵原料預處理技術、各種原料沼氣發(fā)酵的適應性等方面進行深入研究，以推動沼氣技術的發(fā)展。同時，要加重在沼氣應用相關工程技術領域的研究，結合基礎理論研究成果及沼氣應用相關的工程技術研究成果，并大力推廣這些研究成果在實際中的應用，使其在解決中國農業(yè)廢棄物問題上發(fā)揮應有的作用。（吳小武，劉榮厚　上海交通大學農業(yè)與生物學院生物質能工程研究中心）