厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響因素

張 晗

（聊城市農(nóng)業(yè)農(nóng)村發(fā)展服務(wù)中心 山東 聊城 252000）

能源是社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展強(qiáng)大的動(dòng)力源與活躍的催化劑，人類的生活、生產(chǎn)方式與能源有著千絲萬縷的聯(lián)系。天然氣作為優(yōu)質(zhì)清潔能源受到越來越多的重視，其需求量遠(yuǎn)高于供應(yīng)能力。據(jù)《中國(guó)天然氣發(fā)展報(bào)告(2021)》顯示，2020 年中國(guó)天然氣消費(fèi)量為3280 億m3，國(guó)內(nèi)燃?xì)夤?yīng)總量為1 925 億m3，缺口在1 300 億m3左右。當(dāng)前我國(guó)能源供求偏緊的局面沒有改變，未來需求將進(jìn)一步持續(xù)增長(zhǎng)。

沼氣是厭氧消化的產(chǎn)物，經(jīng)提純后可與天然氣相媲美，能夠作為車用燃料和城市燃?xì)?，?duì)國(guó)家能源和環(huán)保戰(zhàn)略具有重要的意義[1]。厭氧消化技術(shù)最開始應(yīng)用在廢水處理領(lǐng)域，厭氧消化處理廢水有諸多的優(yōu)點(diǎn)，如低運(yùn)行成本、低能耗、低污泥產(chǎn)量、低的空間使用及高的運(yùn)行負(fù)荷等。基于上述厭氧過程的優(yōu)勢(shì)，厭氧消化工藝被廣泛運(yùn)用于多種多樣的復(fù)雜原料包括活性污泥[2]、工農(nóng)業(yè)廢棄物等方面[3]。沼氣發(fā)酵原料種類繁多，如畜禽糞便、作物秸稈。在我國(guó)廣大農(nóng)村地區(qū)，沼氣作為一種重要能源，在促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物資源化、無害化方面作用明顯。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響因素如下。

1 嚴(yán)格的厭氧環(huán)境

沼氣發(fā)酵過程十分復(fù)雜，主要由產(chǎn)酸細(xì)菌和產(chǎn)甲烷古菌共同參與完成。其中產(chǎn)酸細(xì)菌屬于兼性厭氧，將復(fù)雜的有機(jī)物轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)酸，同時(shí)消耗系統(tǒng)中的溶解氧，使嚴(yán)格厭氧型產(chǎn)甲烷古菌適宜生長(zhǎng)定殖，從而將有機(jī)酸進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳等。在厭氧發(fā)酵的啟動(dòng)過程中，需要很長(zhǎng)時(shí)間才能使體系中的氧濃度降到適宜產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的范圍，進(jìn)而獲得較高的產(chǎn)甲烷菌數(shù)量。2 種菌群的高度融合、協(xié)同高效是厭氧消化高效穩(wěn)定的保證。

2 發(fā)酵溫度

溫度條件通過影響沼氣發(fā)酵微生物分泌酶的活性，從而影響發(fā)酵進(jìn)程。根據(jù)產(chǎn)甲烷古菌合適的溫度范圍，沼氣發(fā)酵分為常溫發(fā)酵(15 ℃～20 ℃)、中溫發(fā)酵(30 ℃～35 ℃)和高溫發(fā)酵(50 ℃～55 ℃)三種類型。

3 pH 值

pH 值對(duì)于沼氣發(fā)酵極其重要，是甲烷化厭氧消化過程穩(wěn)定與否的重要指標(biāo)。產(chǎn)甲烷菌對(duì)pH 值變化的適應(yīng)性很差，中溫產(chǎn)甲烷菌最適pH 值為6.8 ～7.2。pH 值低于6.3 或高于7.8，導(dǎo)致甲烷生成過程減弱甚至停止。由于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的最適pH 值不同，所以將酸化水解階段和產(chǎn)甲烷階段分離的兩相工藝，可以盡可能的避免酸化過快、pH 值下降對(duì)甲烷化階段的影響和抑制，特別是在處理高有機(jī)負(fù)荷或易生物降解的有機(jī)易腐原料時(shí)。兩相厭氧消化法是目前研究的熱點(diǎn)，在外國(guó)有針對(duì)果蔬廢棄物、土豆加工廢棄物、食堂廢棄物的研究；國(guó)內(nèi)有水葫蘆、肉制品加工廢棄物的研究。但在實(shí)際應(yīng)用中，兩相法并沒有得到很好的推廣，在歐洲采用單相法制沼氣的比例為90%，包括應(yīng)用較廣的Valorga 工藝、Kompogas 工藝和Dranco 工藝[4]。其中兩相法可以更好的研究發(fā)酵過程中各個(gè)部分的工藝參數(shù)，而在工業(yè)應(yīng)用層面上，單相法的低投資和低運(yùn)行成本更為重要。

4 其他因素

在厭氧處理工藝中，其發(fā)酵原料的碳氮磷的比例控制在(200 ～300)∶5∶1 為宜。通過適宜的攪拌頻率，能夠促進(jìn)反應(yīng)高效進(jìn)行，使發(fā)酵原料分配地更加均勻，防止局部有機(jī)酸積累，增強(qiáng)厭氧消化過程的穩(wěn)定性，有利于沼氣的釋放。