低温沼气发酵技术研究.doc

低温沼气发酵的研究进展

中国科学院成都生物研究所

一、国内外研究现状
沼气发酵过程是一个由多种微生物联合，交替作用的复杂生化过程。在发酵过程中，各种微生物进行一系列耦联生化反应，不产甲烷菌和产甲烷菌之间，相互依赖，又互相制约，在发酵过程中处于平衡状态。沼气发酵过程的平衡一旦打破，甲烷的生物合成就会受到影响甚至中断。因此，为了维持一个良好的平衡状态，提高沼气发酵的产气速度和产气量，必须在温度、原料、水分、酸碱度以及发酵系统的密闭性能等方面，为沼气发酵微生物创造一个适宜的环境，提高发酵的效率。其中，温度是影响沼气发酵的一个重要因素，研究低温下沼气发酵微生物群落结构的演替变化，将有利于更好的了解低温条件下产甲烷菌群的活动。这对于有效地控制发酵过程，了解发酵进行的阶段，优化发酵条件，提高产气效率，具有十分重要的意义。一般当温度低于10℃时，沼气发酵细菌的正常生理活动受到严重抑制，产生的微量沼气无法应用，所以研究低温沼气发酵技术不仅有重要的理论意义，而且在解决我国北方地区冬季正常沼气发酵方面具有重要的应用价值，同时低温沼气发酵微生物菌种也是生物技术的重要基因资源。因此我国应加强低温沼气发酵基础与应用技术研究。
根据厌氧生物处理有机物的温度，沼气发酵一般分为三种类型:运行温度为45℃-60℃的高温发酵、运行温度为25℃-45℃的中温发酵、运行温度小于25℃的低温发酵目前主要研究和应用的是中温和高温发酵。然而，很多沼气发酵是处在温度低于2O℃的环境条件下的。因此，低温发酵的一个主要优势是可以增加经济效益，因为它大大减少或者省去了加热保温而消耗的能量，这占到所产生沼气的30％以上。人们对如何从沼气发酵过程中获得更多的沼气越来越感兴趣，这就促进了近来对低温发酵技术的可行性研究。已经有一系列的研究证实了低温发酵是可行的。从目前的研究现状来看，低温沼气发酵一般是指在0-20℃的沼气发酵，研究多集中于10-20℃的温度范围内。从本质上讲，低温环境下沼气发酵系统中微生物菌群生理活性是制约低温沼气发酵的关键，如何在低温条件下激活沼气微生物菌群的活性，维持良性的生态系统平衡是低温沼气研究开发的重点。国内外，从低温菌种资源、沼气发酵微生物菌剂、沼气发酵添加剂以及低温沼气发酵工艺等多个方面对低温沼气发酵技术进行了研究。
1、低温产甲烷菌种资源研究
产甲烷菌在沼气发酵过程中只占微生物种群的10％左右，但却是沼气发酵过程链条的关键菌群，因为由其完成的产甲烷过程通常是厌氧消化过程中最重要的限速步骤。所以为了深人了解低温环境下产甲烷过程和机理必须要对低温产甲烷菌进行深入研究。国外对低温产甲烷菌研究起步较早，自1992年第一株嗜冷产甲烷菌Methanococcoides burtonii 分离后已经获得了8个低温产甲烷菌种（见下表1），并且对Methanococcoides burtonii进行了全基因组及蛋白质组学研究，预测了一系列低温环境下古菌细胞调控途径。在国内，低温产甲烷菌研究才刚刚开始起步，中科院微生物研究所、中科院成都生物研究所、农业部沼气科学研究所、北京农业生物技术研究中心等单位都在进行低温产甲烷菌的筛选工作。2008年，中科院微生物研究所东秀珠实验室从若尔盖草原分离获得了一株低温甲基营养型产甲烷菌新种并命名为Methanolobus psychrophilus。

表1 低温产甲烷菌及特征
菌株名称
分离时间
分离源
最适/温度范围(℃)
Methanococcoides burtonii
1992
ACE 湖， 南极洲
23/-2-28
Methanogenium frigidum
1997
ACE 湖， 南极洲
15/0-18
Methanosarcina lacustris
2001
Soppen 湖，瑞士
25/1-35
Methanosarcina baltica
2002
Skan 海湾，美国
21/5-28
Methanogenium marrinum
2002
Skan 海湾，美国
25/5-25
Methanococcoides alaskense
2005
Skan 海湾，美国
24-26/5-28
Methanogenium bonnei
2007
Skan 海湾，美国
19.4/5-30
Methanolobus psychrophilus
2008
Zoige 草原，中国
18/0-18

2、沼气发酵微生物菌剂研发
目前常见的沼气发酵菌剂产品主要是由一些耐低温纤维素降解菌和耐低温发酵细菌组成，但其在低温条件下应用效果有限。这与沼气发酵过程有关，在沼气发酵过程中共有四大类群微生物参与，分别是：水解发酵菌群、产氢产乙酸菌群、同型产乙酸菌群和产甲烷菌群，他们之间相互依赖又相互制约，共同构成了一条厌氧消化生物链。由于产甲烷菌利用氢气、二氧化碳和乙酸等简单有机物质生成甲烷，其倍增时间长，因此一般认为产甲烷菌合成甲烷的阶段为沼气发酵的限速步骤。产甲烷菌群相对于其它菌群对低温更为敏感，所以，在北方地区低温沼气发酵系统中常常出现挥发酸积累甚至酸化的现象。如果能选育出在低温条件下具有较高活性的产甲烷菌株，优化组配成产甲烷菌剂投加到沼气发酵系统中，进行生物强化沼气发酵过程，理论上就可以提高低温条件下产沼气效率。但产甲烷菌传代和培养条件苛刻，需严格厌氧，且倍增时间长，这给低温沼气发酵菌剂的开发带来了很大的困难。在国内，已有多家单位从事沼气发酵微生物菌剂的研发，主要有中科院成都生物研究所、江西省科学院微生物研究所、农业部沼气科学研究所等多家单位。其中，中科院成都生物研究所开发的产甲烷复合菌剂，活菌数达到2×107个/克投加该菌剂后，在常温条件下，与普通污泥对比，启动时间至少缩短1/2，甲烷浓度相当，沼气总产气量可以提高25%以上。在15℃条件下，投加菌剂的沼气产量比对照提高了10%左右，并且甲烷含量略微升高。尽管产甲烷菌的活性对于沼气发酵起着决定性作用，但如果忽略其它相关微生物菌群的作用也不能达到理想的效果，因此，应从提高产甲烷菌活性、优化其它不产甲烷菌群，从整体上对沼气发酵微生物生态系统进行调控，实现沼气发酵过程的高效转化。
3、沼气发酵促进剂研发
为了有效激活低温环境下沼气发酵系统中各微生物的生理活性，国内外对外源促进剂进行了系统研究。沼气发酵促进剂即指从产沼气发酵系统以外加人的以期提高沼气产量、甲烷含量的物质，如酶、营养物质、代谢促进物、吸附剂、螯合剂等。
在沼气发酵系统中加人各种水解酶对沼气发酵具有促进作用，吕淑霞和陈祖洁的研究表明：发酵物中(以TS计)添加3g.kg-1 固体纤维素酶，甲烷产率可提高52.1％；而添加30U.kg-1液体纤维素酶，甲烷产率的提高幅度可高达88.8%。Rademacher等人也添加多种酶用来提高厌氧污泥消化速率。Scheidat等人在初沉池污泥中加人蛋白酶、糖化酶和脂肪酶，发现在39℃和55℃下均能明显地提高水解作用。张无敌等人采用3种不同配方的水解酶进行试验，结果表明配方l和2均可提高沼气产量，分别为26.8l％和13.75％。
国内外研究表明添加一定的微量元素如铬、铜、镍、锌、铁、硒等能够促进沼气发酵微生物尤其是产甲烷菌菌群的活性，从而提高产气量。Geeta等人的研究表明2.5mg.L-1 的Ni 能最高增加54％的产气量。Speece等人发现，添加Ni时每克VSS的底物(乙酸)利用率可达10 g.g-1 d-1，而不加Ni时只有2-4.6 g.g-1 d-1，同时添加Ni和酵母提取物的底物(乙酸)可达l2-15 g乙酸.g-1 d-1。Sigh和Singh的研究表明，奶牛粪中添加Cu(N03)。亦能促进产气，在48 d的停留时间内产气率比对照的0.036m-3.kg-1 提高22.22％。同时，将各种微量元素组合应用也有较好的效果。李亚新和董春娟 分别以醋酸钙和乙醇为基质，得出激活产甲烷菌的最佳微量元素组合为Fe，C0，Ni，与对照相比，产气速率分别提高了24.6％和25.4％。而陈朝猛等人以有机生活垃圾为底物投加Fe，Co，Ni，与不投加的系统相比，产气量增加了43.4％，甲烷含量提高了5.1％，COD去除率提高了10.2％。
代谢促进物能促进发酵过程中的细胞代谢，使得细菌能够更好地利用底物，提高沼气发酵各阶段的反应速率，最终提高沼气产量。Singh等人对微生物刺激物Aquasan和Teresan进行研究，发现在以牛粪为单一底物中加人Aquasan 5 mg.L-1 能使沼气产量提高39％，两者同时加人则可提高35％；在牛粪和生活垃圾的混合底物中加人10mg.L-1Aquasan，产气量增加了34.8％。
一些吸附剂也能改善产气效果，吸附剂将微生物聚集起来，增加微生物密度，同时能保持对微生物生长有利的环境，从而让微生物更好地降解有机物质，加快挥发酸的消耗，提高产气量。Madamwar和Mithal 在系统中加入10g.L-1的商用果胶，使得最大产气量增加了150％，并且CH4 含量可达65％。根据Kumar等人的研究，在批量式和半连续发酵装置中，添加商用木炭Darco G-60能使沼气量分别提高17％和34.7％。Patel和Madamwar对不同的吸附剂进行了试验，有乳凝胶、聚乙烯醇、活性炭、果胶、高岭土、硅胶、铝粉、皂土、滑石土等，发现随着加入吸附剂量的增加，沼气量和CH 含量均增加，且BOD，COD随之下降。
添加螯合剂不仅可以提供碳源，更重要的是提高其他无机营养元素的可利用性，使得微生物能够更好地利用营养物质，提高产甲烷菌的生长速率和种群的稳定性。添加环已烷二胺四醋酸(CDTA)，氨三乙酸(NTA)，乙二胺四乙酸(EDTA)，柠檬酸(CA)四种螯合剂均可促进甲烷产量，提高量从5％-20％不等，其中氨三乙酸的促进作用最高，而且随着螯合剂的添加，产气量随时间的增加而增加。更有报道表明，加入0.1的伊红美蓝能使产气提高25％-35％。
中科院成都生物研究所和北京合百意生态能源科技开发有限公司联合开发出了沼气发酵促进剂，该促进剂针对沼气系统微生态特性及营养需求，筛选外源添加物，经优化配伍组合而成。户用池试验表明，在19℃条件下，添加促进剂的产气量比对照提高了20.24%。
众多文献表明，向产沼气系统中加入促进剂，可以促进系统微生物的代谢，提高系统生物量，改善厌氧发酵各阶段的作用效率，从而更有效地利用底物，最终提高沼气产量。尤其在低温环境下，促进剂可激活系统微生物的代谢活性，解除低温抑制，提高产气量。当前对沼气发酵促进剂的产气影响研究主要集中在寻求有促气作用的各种外源促进剂及不同添加物的促气效果等方面，而对于不同添加物之间的复合作用以及提高产气的具体机制研究还不多。因此今后应加强低温下促进剂的激活机理、低温高效促进剂开发、促进剂投配调控方法等方面的研究，最大程度地提高低温沼气产效率。
4、低温沼气发酵工程工艺开发
目前，在大中型沼气工程建设方面，在低温条件下，一般采用热电联产技术实现中温或高温沼气发酵。其中德国是沼气工程技术最先进的国家，其发电余热利用效率和保温技术在世界首屈一指，而该国户用小型沼气池几乎没有。我国沼气工程一般采用热电联产或沼气锅炉加热，基本可实现中温或近中温发酵。而户用沼气池由于其规模很小，沼气工程的热电联产或沼气锅炉加温技术很难在其上应用。
印度的户用沼气池在国际上仅次于中国，但该国的平均气温较高，该国户用沼气池越冬问题研究很少，国外其他国家也未见解决户用沼气池冬季产气问题的报道。因此，户用沼气池越冬问题是我国沼气技术应用推广特有的问题，毫无经验借鉴而言，必需依靠国内科研人员和沼气推广工作者进行攻关探索。目前，围绕户用沼气池的冬季增温和保温问题，取得了一些进展，主要有北方“四位一体”的大棚增温保暖和太阳能增温保暖方式。
二、中科院成都生物研究所研究基础
1、系统地研究了沼气发酵过程中的微生物类群、微生物分布状况、微生物数量的动态变化，研究了厌氧发酵与微生物代谢产物相互关联作用。研究了典型寒冷地区（四川若尔盖草原）的厌氧污泥在10℃低温下进行富集培养后的沼气发酵特性，结果表明通过低温富集培养后的厌氧污泥，在17℃条件下，比普通污泥沼气产量提高了20%。
在黄淮海地区（1983年）的秸秆干发酵试验中，在池温8℃左右的情况下还有少数户用沼气池能正常产气。在石家庄（1984年）的户用秸秆干发酵试验中，在池温为5℃左右时个别户用沼气池依然产气稳定产气。
2、从不同生境中分离了多种沼气发酵微生物，并对高效菌株进行了鉴定、生理生化特征研究，包括：产甲烷菌、产氢产酸菌、厌氧纤维素分解菌，纤维素降解菌，木质素降解菌，脂肪降解菌、淀粉降解菌等。其中产气甲烷菌株RY3和SH4均具有较宽泛的pH范围，已与有利用不同底物的产甲烷菌配伍开发了产甲烷菌复合菌剂，接种产甲烷复合菌剂与接种厌氧污泥对比试验表明，在20℃时条件下，总产气量约为对照的1.6倍，甲烷总产量约为对照1.6倍。
3、这几年我们与北京合百意生态能源有限公司共同研制的“产沼气促进剂”在销售推广过程中东北地区反映在寒冷季节能较好地提高产气量。在19℃时，添加产沼气促进剂的沼气池产气量平均比对照提高20.24%。
同样我们还发现营养物比较丰富的情况下，低温产气也相应高一些。因此提高低温产气量，菌量是一个方面，营养液是一个重要方面，两个方面都应并重，同时，增温保温措施的使用，对沼气冬季的正产产气也据有非常良好的效果，如现在的太阳能沼气具有很好的发展潜力。因此，我们建议将低温菌剂发酵产沼气促进剂以及太阳能沼气等结合使用，实现沼气的低温状况下的良好产气。
三、措施和建议
1、研制低温产甲烷复合菌剂，提高低温沼气产量；
2、改进现有产沼气促进剂，通过优化沼气微生物的生长条件，进一步提高沼气产量；
3、开发经济有效的保温工艺技术；
4、开发经济实用的户用沼气池增温工艺与配套设备；
5、建立菌剂投加优化低温沼气微生物菌群的生物调控和沼气池保温、增温、结构优化的工艺调控技术体系。

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