沼氣是沼氣發(fā)酵微生物在厭氧環(huán)境下將農作物秸稈或者禽畜糞便等可降解的生物質經過厭氧消化生成的可燃氣體。沼氣發(fā)酵在農業(yè)和生態(tài)方面的綜合利用具有很大的經濟價值和社會效益。

　　一、沼氣發(fā)酵原理及影響因素

　　1、沼氣發(fā)酵原理。沼氣是生物質經過多種微生物聯合厭氧消化作用而生成的可燃氣體。厭氧消化就是在無氧的條件下,由兼性厭氧菌和專性厭氧菌[2]聯合降解有機物,最終生成二氧化碳和甲烷等氣體的過程。人們對于沼氣發(fā)酵過程的劃分仍存在爭議;目前較多人支持M.P.Bryant提出的沼氣發(fā)酵三個階段理論。沼氣發(fā)酵三個階段理論將沼氣發(fā)酵過程分為水解液化、酸化和甲烷化三個階段:第一階段為水解液化階段;這一階段兼性厭氧菌和發(fā)酵性細菌將原料中較大分子的成分(如纖維素等)水解成可溶于水的有機酸和醇類等。第二階段為酸化階段;產氫產乙酸菌將第一階段生成的有機酸和醇繼續(xù)分解成簡單的有機酸,同時生成氫氣和二氧化碳。第三階段為甲烷化階段;產甲烷菌將第二階段生成的小分子物質轉化為甲烷和二氧化碳氣體,即發(fā)酵的最終產物沼氣。

　　2、沼氣發(fā)酵的影響因素。影響沼氣發(fā)酵的因素很多,其中最主要的因素包括原料成分、原料預處理情況、接種物種類、進料濃度、發(fā)酵溫度、pH。原料成分的影響:能夠用來發(fā)酵產沼氣的生物質很多。傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵原料主要包括以秸稈類物質為代表的農業(yè)廢棄物、禽畜糞便和污水處理廠的厭氧活性污泥、以及生活垃圾等。選擇容易降解的原料(如人畜糞便等)可以加快發(fā)酵的啟動過程和提高發(fā)酵效率。若原料選擇不當則容易造成發(fā)酵系統(tǒng)酸積累嚴重而發(fā)酵無法啟動或啟動后產氣量不高等后果。

　　二、秸稈發(fā)酵制沼氣方法

　　1、物理方法。物理方法(Physical Methods)有機械加工、高壓和/或高溫蒸煮以及輻射處理等。常用的機械方法有切碎、粉碎、磨碎、高溫球磨等。其目的是增加厭氧微生物與基質的接觸面積,或通過破壞細胞壁結構使之易于消化。

　　2、化學方法。化學方法(Chemical Methods)主要有氨化、堿化、酸化、氧化等。

　　2.1堿化技術。堿化處理就是用NaOH、Ca(OH)2或KOH等溶液浸泡秸稈或噴灑于秸稈表面,以打開纖維素、半纖維素和木質素之間的酯鍵,溶解纖維素、半纖維素和一部分木質素及硅酸鹽,使纖維素膨脹,從而提高消化率。

　　2.2氨化技術。氨化處理就是用氨水、無水氨或尿素處理秸稈。氨化具有三種作用:第一種是堿化作用,氨為堿性,故可起到與堿化處理方法同樣的作用;第二種是氨化作用,氨與秸稈中的有機物發(fā)生變化,生成銨鹽,成為厭氧微生物的氮素來源,被微生物利用,并同碳、氧、硫等元素一起合成氨基酸,進一步合成菌體蛋白。第三種是中和作用,氨呈堿性,可與秸稈中的有機酸結合,消除秸稈中潛在的酸性,提高微生物的活性,從而提高秸稈的消化率。試驗表明氨水具有較好的氨化性能。

　　3、生物方法。生物方法(Biological Methods)就是利用具有強木質纖維素降解能力的微生物對秸稈先進行固態(tài)發(fā)酵,把作物秸稈中的木質纖維素預先降解成易于厭氧菌消化的簡單物質,以縮短隨后的厭氧發(fā)酵時間、提高干物質消化率和產氣率。其技術關鍵就是尋求強木質素降解能力的菌種,并確定其適宜的發(fā)酵條件。

　　三、硫酸鋅在沼氣發(fā)酵中對產氣的影響

　　鋅廣泛地存在于生物體中,它是多種生物體代謝過程中酶的組成成分,同時也是生物體代謝過程中一些酶的活化劑。近年來在生物體中已有近二十種鋅金屬酶和鋅活化酶被發(fā)現。鋅離子對微生物酶類及微生物產物的影響報道較多。近年來各國研究者們陸續(xù)不斷地發(fā)現微生物體中一些酶含有鋅或在實驗系統(tǒng)中需要有適量的鋅才有活力,如大腸桿菌中的RNA聚合酶。至于鋅對厭氧發(fā)酵過程中的影響則報道較少。1965年Kugelman,J.I.”dMccor,L.P.哪研究了在厭氧過程中的陽離子毒害與刺激作用,指出低濃度陽離子對微生物代謝具有刺激作用。鋅對沼氣發(fā)酵中微生物及其產物的彩響至今未見報道。

　　1、個辛在沼氣發(fā)酵試驗中能促進氣體產生,提高甲烷產量。硫酸鋅用量不同對沼氣發(fā)酵中氣體產量和甲烷產量的影響也不同,當硫酸鋅加量為0.005腸時,產氣量僅提高3腸,當加量為。.01腸時,產氣量提高40.2腸,當加量為。.02腸時,產氣量提高21%,如加量超過。.腸腸,則不僅沒有提高產氣量,而且起到毒害作用。

　　2、鋅在沼氣發(fā)酵中能促進纖維素的分解、乙酸的轉化,提高甲烷含量。

　　3、鋅在沼氣發(fā)酵中能促進脫氫反應,其脫氫酶活力高于對照。

　　4、鋅有助于菌體DNA合成,試驗瓶中的生物量高于對照瓶,發(fā)酵27天試驗瓶的生物量是對照瓶的3倍多。

　　5、由上述結果我們認為鋅對沼氣發(fā)酵過程的影響不單是對發(fā)酵過程中某一過程產生影響,而是對沼氣發(fā)酵三個主要過程即底物降解、酸化和氣體的產生都具有作用。

　　四、研究展望

　　中國是農業(yè)大國,有豐富的生物質資源。在當前提倡發(fā)展綠色能源的大環(huán)境下,怎樣把現有的生物質資源利用充分利用起來成為研究的熱點。利用生物質制備沼氣是一個很好的發(fā)展方向。目前研究人員在用單一方式來預處理農業(yè)廢棄物方面取得了一定的進展,下一步可以考慮將物理、化學、生物三種預處理方法結合起來共同作用來預處理制備沼氣的生物質。