沼氣發(fā)酵技術(shù)及硫酸鋅在沼氣發(fā)酵中對產(chǎn)氣的影響
沼氣是沼氣發(fā)酵微生物在厭氧環(huán)境下將農(nóng)作物秸稈或者禽畜糞便等可降解的生物質(zhì)經(jīng)過厭氧消化生成的可燃?xì)怏w沼氣發(fā)酵在農(nóng)業(yè)和生態(tài)方面的綜合利用具有很大的經(jīng)濟(jì)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(zhì)經(jīng)過多種微生物聯(lián)合厭氧消化作用而生成的可燃?xì)怏w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(lián)合降解有機(jī)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(xì)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(jī)酸和醇類等第二階段為酸化階段;產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌將第一階段生成的有機(jī)酸和醇繼續(xù)分解成簡單的有機(jī)酸,同時生成氫氣和二氧化碳第三階段為甲烷化階段;產(chǎn)甲烷菌將第二階段生成的小分子物質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳?xì)怏w,即發(fā)酵的最終產(chǎn)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(yù)處理情況接種物種類進(jìn)料濃度發(fā)酵溫度pH原料成分的影響:能夠用來發(fā)酵產(chǎn)沼氣的生物質(zhì)很多傳統(tǒng)的沼氣發(fā)酵原料主要包括以秸稈類物質(zhì)為代表的農(nóng)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(dāng)則容易造成發(fā)酵系統(tǒng)酸積累嚴(yán)重而發(fā)酵無法啟動或啟動后產(chǎn)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(jī)械加工高壓和/或高溫蒸煮以及輻射處理等常用的機(jī)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(zhì)的接觸面積,或通過破壞細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)使之易于消化
2化學(xué)方法化學(xué)方法Chemical Methods主要有氨化堿化酸化氧化等
2.1堿化技術(shù)堿化處理就是用NaOHCaOH2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(zhì)素之間的酯鍵,溶解纖維素半纖維素和一部分木質(zhì)素及硅酸鹽,使纖維素膨脹,從而提高消化率
2.2氨化技術(shù)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(jī)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(jìn)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(jī)酸結(jié)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(zhì)纖維素降解能力的微生物對秸稈先進(jìn)行固態(tài)發(fā)酵,把作物秸稈中的木質(zhì)纖維素預(yù)先降解成易于厭氧菌消化的簡單物質(zhì),以縮短隨后的厭氧發(fā)酵時間提高干物質(zhì)消化率和產(chǎn)氣率其技術(shù)關(guān)鍵就是尋求強木質(zhì)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(chǎn)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(xiàn)鋅離子對微生物酶類及微生物產(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(jìn)氣體產(chǎn)生,提高甲烷產(chǎn)量硫酸鋅用量不同對沼氣發(fā)酵中氣體產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量的影響也不同,當(dāng)硫酸鋅加量為0.005腸時,產(chǎn)氣量僅提高3腸,當(dāng)加量為.01腸時,產(chǎn)氣量提高40.2腸,當(dāng)加量為.02腸時,產(chǎn)氣量提高21%,如加量超過.腸腸,則不僅沒有提高產(chǎn)氣量,而且起到毒害作用
2鋅在沼氣發(fā)酵中能促進(jìn)纖維素的分解乙酸的轉(zhuǎn)化,提高甲烷含量
3鋅在沼氣發(fā)酵中能促進(jìn)脫氫反應(yīng),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(jié)果我們認(rèn)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(chǎn)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(chǎn)生都具有作用
四研究展望
中國是農(nóng)業(yè)大國,有豐富的生物質(zhì)資源在當(dāng)前提倡發(fā)展綠色能源的大環(huán)境下,怎樣把現(xiàn)有的生物質(zhì)資源利用充分利用起來成為研究的熱點利用生物質(zhì)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(yù)處理農(nóng)業(yè)廢棄物方面取得了一定的進(jìn)展,下一步可以考慮將物理化學(xué)生物三種預(yù)處理方法結(jié)合起來共同作用來預(yù)處理制備沼氣的生物質(zhì)
