北方農村地區(qū)的低溫沼氣發(fā)酵技術研究

潘松波

（吉林省發(fā)展和改革委員會宣傳教育中心，吉林 長春 130000）

沼氣發(fā)酵是一個相對復雜的過程，在這一過程中，多種微生物交替、聯合進行生化，最終產生可以實際使用的沼氣。在沼氣發(fā)酵過程中，水分、溫度、酸堿度以及發(fā)酵環(huán)境的密閉性、發(fā)酵材料等都會對沼氣發(fā)酵的充分程度產生影響，尤其是溫度條件更會影響沼氣的產出量。下面結合實際，就低溫給農村沼氣發(fā)酵與使用帶來的影響做具體簡要分析。

1.低溫對沼氣發(fā)酵與使用的影響分析

在以往技術體系下，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群的發(fā)酵主要是受高溫催化，但是在冬季，環(huán)境溫度降低，微生物活性也因此大大降低，沼氣池的沼氣產出量大大減少，微量沼氣難滿足使用要求，沼氣池被閑置甚至是損毀。我國北方地區(qū)溫度整體偏低，冬季更是低溫嚴寒，長期的低溫使得沼氣發(fā)酵菌群生理活性降低，從而造成沼氣產出量小，不足以維持發(fā)酵系統(tǒng)自身的運轉，使沼氣池無法正常使用?，F階段，我國農村沼氣池基本是采用自然溫度混合批次發(fā)酵工藝或半連續(xù)發(fā)酵工藝，在沼氣池發(fā)酵過程中對菌種群的調控不足，對發(fā)酵工藝的調整優(yōu)化不夠，未能給激產甲烷菌群適合生長代謝的環(huán)境，最終造成菌群代謝失衡、活性降低，沼氣產出量也因此大大減少。

為解決上述問題，近年來許多專家學者都對低溫條件下的沼氣發(fā)酵技術進行了研究，并取得了一定成果。如馮虎元、劉光等對我國多年凍土地區(qū)凍土微生物進行了分離、培養(yǎng)與分析，發(fā)現凍土中存有大量耐藥低溫菌，并篩選出耐冷菌，耐冷菌具有產低溫酯酶、低溫淀粉酶、低溫蛋白酶等功能。雖然為北方農村地區(qū)沼氣技術的發(fā)展提供了一定的推動力，但是也仍未從根本上解決冬季沼氣產出量小的問題。如部分研究人員選育出的低溫沼氣發(fā)酵菌群的適應性不夠強，環(huán)境應激能力不高，在低溫條件下菌群的生理活性仍舊較低。為此必須基于現有技術與經驗，結合實際情況進一步推進低溫沼氣發(fā)酵技術研究。

2.北方農村地區(qū)的低溫沼氣發(fā)酵新理論與新工藝

2.1 開發(fā)新型厭氧消化裝置

北方農村地區(qū)具有相對豐富的生物質條件，這為沼氣的發(fā)展奠定了基礎，但北方農村地區(qū)冬季的低溫氣候又使沼氣技術的發(fā)展與應用受到制約。因此當前的重中之重是研究與推廣一種新型的低溫沼氣發(fā)酵技術或工藝，最大程度降低低溫條件對沼氣發(fā)酵的影響，從而讓沼氣在農村地區(qū)得到充分應用。經過調查可知，北方許多農村雖然都修建了沼氣池，但是沼氣池結構簡單，保溫與加溫措施不完善，再加之平時缺乏管理，因此沼氣池的實際應用率其實并不高?；谶@一現狀，一些新型高效的厭氧反應器被提了出來，如第2代高濃度有機廢水處理的厭氧反應器、第3代高濃度有機廢水處理厭氧反應器等。這些新型先進的厭氧反應器采用了內循環(huán)外循環(huán)相結合的技術以及旋流技術、固體流態(tài)化技術，因此能為厭氧生物創(chuàng)造出理想的物理環(huán)境，讓厭氧生物加快進行生長代謝。2代、3代新型厭氧反應器的成功為北方農村地區(qū)低溫沼氣發(fā)酵技術的未來發(fā)展帶來了啟示、指明了方向。即北方農村地區(qū)的低溫沼氣技術必須要朝著優(yōu)化厭氧發(fā)酵激宏觀物理環(huán)境的方向發(fā)展，要不斷研究優(yōu)化能夠適應秸稈、糞便等不同底物性質的新型高效生物質厭氧消化裝置。

2.2 開發(fā)應用太陽能+沼氣發(fā)酵模式

除了研究開發(fā)更先進與更高效厭氧消化裝置外，還應根據北方農村冬季溫度低的特征，將太陽能資源充分利用起來。如將沼氣發(fā)酵系統(tǒng)與太陽能收集系統(tǒng)有機結合，在冬季無太陽或氣溫較低的情況下，通過熱傳導介質將太陽能采集裝置中儲存的太陽能能量傳遞給沼氣發(fā)酵裝置，讓沼氣發(fā)酵裝置中的微生物群能正常新陳代謝，進而保證沼氣產出量不變。因太陽能是清潔可再生能源，因此將太陽能利用技術與沼氣發(fā)酵系統(tǒng)有機結合，可大大降低沼氣裝置的能耗成本，提高環(huán)保效益。

2.3 開發(fā)應用多底物共代謝技術

沼氣發(fā)酵速度、發(fā)酵量等受多種因素影響，如溫度、底物類型、底物混合組分等。研究表明，在沼氣發(fā)酵過程中，原料轉換率、甲烷產量等與底物混合組分又很大的關系，且多底物的厭氧共代謝途徑可有效提高生物轉化率與甲烷產量。

而多底物共代謝模式之所以能提高甲烷產量，主要原因是其改變了菌群的營養(yǎng)平衡，將有毒物質在消化過程中對功能菌群產生的毒害作用降到最低。微生物在厭氧發(fā)酵過程中需要多種營養(yǎng)元素的支持，多底物代謝能為微生物提供其所需的元素，并且在沼氣發(fā)酵裝置中引進多底物代謝能提高微生物的環(huán)境適應能力，提高微生物對低溫的抵抗，讓低溫對沼氣發(fā)酵的影響降到最低。研究表明：不同的復合底物具有不同的消化代謝途徑，多底物發(fā)酵體系中微生物菌群間的協同作用也會更強。因此在北方農村的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中可引進多底物共代謝發(fā)酵工藝，利用該工藝來提高原料轉化率，降低低溫對沼氣發(fā)酵效率與發(fā)酵量的影響，讓沼氣產出量大大增加。

2.4 優(yōu)化應用干法發(fā)酵產沼氣工藝

在北方農村地區(qū)的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中引進干法發(fā)酵產沼氣工藝也可大大降低低溫條件對沼氣發(fā)酵的限制，有效提高沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中甲烷產量，提高產氣率。

相較于濕法發(fā)酵工藝相比，干法發(fā)酵工藝原理更先進，操作更簡便，發(fā)酵裝置簡單并且占地空間小，運行成本低，廢液排放量也很少，要更為節(jié)能環(huán)保。北方農村地區(qū)多種植小麥、玉米等作物，秸稈類資源豐富，因此干法發(fā)酵產沼氣工藝有應用條件。但干法發(fā)酵產沼氣工藝在使用過程中也有一些技術限制，如在使用干法發(fā)酵產沼氣工藝時要對原料進行預處理，如果對原料預處理效果不理想，那么沼氣產出量也會大大降低。纖維素類底物降解效率不高時，微生物新陳代謝系統(tǒng)的平衡性會降低，沼氣產出率也會大大降低。一般來說，當纖維顆粒粒徑越小，產氣潛能就會越高。并且有研究表明，若將糞便與含纖維基質有效混合并進行有效的預處理，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的產氣率就可增加17%。

2.5 創(chuàng)新優(yōu)化生物質厭氧發(fā)酵系統(tǒng)

生物質厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是決定沼氣產出率的關鍵，理想的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)應當是功能先進、構造簡單、性能穩(wěn)定且成本低廉的，系統(tǒng)在運行過程中做到低損耗、高產出。目前北方農村地區(qū)的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)還不夠健全完善，不僅占地面積大而且運行成本高，沼氣產出率較低。因此可在北方農村地區(qū)研發(fā)推廣一種更先進的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，如CSTR－IC復合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，這一復合系統(tǒng)綜合了兩個系統(tǒng)的優(yōu)勢，能在厭氧發(fā)酵過程中促進微生物相分離，使厭氧發(fā)酵過程更順利地完成。除此之外，該復合型發(fā)酵系統(tǒng)有現代信息技術做基礎，能實現對整個發(fā)酵過程的動態(tài)監(jiān)測與有效調控，從而讓發(fā)酵效果達到預期水平或理想目標。在應用該復合系統(tǒng)進行微生物發(fā)酵時，系統(tǒng)內部充足的氣流循環(huán)能增強傳質作用，讓產氣速率與效果更為理想。復合發(fā)酵系統(tǒng)能以各種禽類糞便作為動力源，適用性較強，并且系統(tǒng)在運轉過程中非產甲烷菌群與產甲烷菌群能夠相互協調、相互作用，兩大菌群之間能維持動態(tài)平衡，因此沼氣的產出量也會更加穩(wěn)定。

2.6 開發(fā)應用新型菌劑

在北方農村地區(qū)，低溫是制約沼氣技術發(fā)展與應用的最關鍵因素。在冬季長期低溫條件下，微生物發(fā)酵菌群活性降低，厭氧發(fā)酵過程受到影響，最終造成產出的沼氣極少。因此有必要使用厭氧發(fā)酵促進劑來突破低溫對沼氣發(fā)酵的限制，使沼氣池在冬季也能正常投入使用。在開發(fā)新型菌劑時，應從低溫條件中采集原始的低溫菌群，讓原始菌群進行人工調控與培育，最終得到適用于沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的高效復合產甲烷菌群，讓北方農村地區(qū)沼氣發(fā)酵技術的瓶頸得到突破。

結語

綜上所述，低溫給北方農村沼氣發(fā)酵技術的發(fā)展與應用帶來很大限制，在低溫條件下，微生物發(fā)酵菌群活性降低，從而導致沼氣產出量大大減少?；诖?，就需進一步優(yōu)化沼氣發(fā)酵模式、創(chuàng)新沼氣發(fā)酵技術、完善沼氣發(fā)酵系統(tǒng)，培育新型菌劑，從而降低低溫對沼氣發(fā)酵技術的限制，讓沼氣發(fā)酵技術更好地服務于北方農村建設。