低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)研究進展-改

1、低溫沼氣發(fā)醉的研究進展中國科學(xué)院xx生物研究所一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀沼氣發(fā)酵過程是一個由多種微生物聯(lián)合,交替作用的復(fù)雜生化過程.在發(fā) 酵過程中,各種微生物進行一系列耦聯(lián)生化反響,不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之 間,相互依賴,又互相制約,在發(fā)酵過程中處于平衡狀態(tài).沼氣發(fā)酵過程的平 衡一旦打破,甲烷的生物合成就會受到影響甚至中斷.因此,為了維持一個良 好的平衡狀態(tài),提升沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量,必須在溫度、原料、水 分、酸堿度以及發(fā)酵系統(tǒng)的密閉性能等方面,為沼氣發(fā)酵微生物創(chuàng)造一個適宜 的環(huán)境,提升發(fā)酵的效率.其中,溫度是影響沼氣發(fā)酵的一個重要因素,研究 低溫下沼氣發(fā)酵微生物群落結(jié)構(gòu)的演替變化,將有利于更好的

2、了解低溫條件下 產(chǎn)甲烷菌群的活動.這對于有效地限制發(fā)酵過程,了解發(fā)酵進行的階段,優(yōu)化 發(fā)酵條件,提升產(chǎn)氣效率,具有十分重要的意義.一般當(dāng)溫度低于10c時,沼氣發(fā)酵細菌的正常生理活動受到嚴(yán)重抑制,產(chǎn)生的微量沼氣無法應(yīng)用,所以研 究低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)不僅有重要的理論意義,而且在解決我國北方地區(qū)冬季正 常沼氣發(fā)酵方面具有重要的應(yīng)用價值,同時低溫沼氣發(fā)酵微生物菌種也是生物 技術(shù)的重要基因資源.因此我國應(yīng)增強低溫沼氣發(fā)酵根底與應(yīng)用技術(shù)研究.根據(jù)厭氧生物處理有機物的溫度,沼氣發(fā)酵一般分為三種類型：運行溫度為45C-60c的高溫發(fā)酵、運行溫度為25C-45c的中溫發(fā)酵、運 行溫度小于25c的低溫發(fā)酵.目前主要

3、研究和應(yīng)用的是中溫和高溫發(fā)酵.然 而,很多沼氣發(fā)酵是處在溫度低于 20c的環(huán)境條件下的.因此,低溫發(fā)酵的一 個主要優(yōu)勢是可以增加經(jīng)濟效益,由于它大大減少或者省去了加熱保溫而消耗 的能量,這占到所產(chǎn)生沼氣的30%以上.人們對如何從沼氣發(fā)酵過程中獲得更 多的沼氣越來越感興趣,這就促進了近來對低溫發(fā)酵技術(shù)的可行性研究.已經(jīng) 有一系列的研究證實了低溫發(fā)酵是可行的.從目前的研究現(xiàn)狀來看,低溫沼氣發(fā)酵一般是指在0-20C的沼氣發(fā)酵,研究多集中于10-20C的溫度范圍內(nèi).從本質(zhì)上講,低溫環(huán)境下沼 氣發(fā)酵系統(tǒng)中微生物菌群生理活性是制約低溫沼氣發(fā)酵的關(guān)鍵,如何在低溫條件下激活沼氣微生物菌群的活性,維持良性的生態(tài)

4、系統(tǒng)平衡是低溫沼氣研究開 發(fā)的重點.國內(nèi)外,從低溫菌種資源、沼氣發(fā)酵微生物菌劑、沼氣發(fā)酵添加劑 以及低溫沼氣發(fā)酵工藝等多個方面對低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)進行了研究.1、低溫產(chǎn)甲烷菌種資源研究產(chǎn)甲烷菌在沼氣發(fā)酵過程中只占微生物種群的10 %左右,但卻是沼氣發(fā)酵過程鏈條的關(guān)鍵菌群,由于由其完成的產(chǎn)甲烷過程通常是厭氧消化過程中最重 要的限速步驟.所以為了深入了解低溫環(huán)境下產(chǎn)甲烷過程和機理必須要對低溫 產(chǎn)甲烷菌進行深入研究.國外對低溫產(chǎn)甲烷菌研究起步較早,自 1992年第一株 嗜冷產(chǎn)甲烷菌Methanoccoides burtonii別離后已經(jīng)獲得了 8個低溫產(chǎn)甲烷菌種見下表1,并且對Methanoccoid

5、es burtonii進行了全基因組及蛋白質(zhì)組學(xué)研 究,預(yù)測了一系列低溫環(huán)境下古菌細胞調(diào)控途徑.在國內(nèi),低溫產(chǎn)甲烷菌研究 才剛剛開始起步,中科院微生物研究所、中科院成都生物研究所、農(nóng)業(yè)部沼氣 科學(xué)研究所、北京農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究中央等單位都在進行低溫產(chǎn)甲烷菌的篩選 工作.2022年,中科院微生物研究所東秀珠實驗室從假設(shè)爾蓋草原別離獲得了一 株低溫甲基營養(yǎng)型產(chǎn)甲烷菌新種并命名為Methanolobus psychrophilus.表1低溫產(chǎn)甲烷菌及特征菌株名稱別離時間別離源最適/溫度范圍CMethanoccoides burtoniiMethanogenium frigidumMethanosarc

6、ina lacustrisMethanosarcina balticaMethanogenium marrinumMethanoccoidesalaskense 199219972001202220222022ACE湖,南極洲ACE湖,南極洲Soppen 湖,瑞士Skan海灣,美國Skan海灣,美國Skan 海灣,美國 23/-2-28Methanogenium bonneiMethanolobuspsychrophilus2、沼氣發(fā)酵微生物菌劑研發(fā)20222022Skan海灣,美國Zoige草原,中國目前常見的沼氣發(fā)酵菌劑產(chǎn)品主要是由一些耐低溫纖維素 降解菌和耐低溫發(fā)酵細菌組成,但其在低溫條

7、件下應(yīng)用效果有限.這與沼氣發(fā) 酵過程有關(guān),在沼氣發(fā)酵過程中共有四大類群微生物參與,分別是：水解發(fā)酵菌群、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群、同型產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群,他們之 間相互依賴又相互制約,共同構(gòu)成了一條厭氧消化生物鏈.由于產(chǎn)甲烷菌利用 氫氣、二氧化碳和乙酸等簡單有機物質(zhì)生成甲烷,具倍增時間長,因此一般認 為產(chǎn)甲烷菌合成甲烷的階段為沼氣發(fā)酵的限速步驟.產(chǎn)甲烷菌群相對于其它菌 群對低溫更為敏感,所以,在北方地區(qū)低溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中常常出現(xiàn)揮發(fā)酸積 累甚至酸化的現(xiàn)象.如果能選育出在低溫條件下具有較高活性的產(chǎn)甲烷菌株, 優(yōu)化組配成產(chǎn)甲烷菌劑投加到沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中,進行生物強化沼氣發(fā)酵過程,理論上就可以提上下溫條件下

8、產(chǎn)沼氣效率.但產(chǎn)甲烷菌傳代和培養(yǎng)條件苛刻, 需嚴(yán)格厭氧,且倍增時間長,這給低溫沼氣發(fā)酵菌劑的開發(fā)帶來了很大的困 難.在國內(nèi),已有多家單位從事沼氣發(fā)酵微生物菌劑的研發(fā),主要有中科院成 都生物研究所、江西省科學(xué)院微生物研究所、農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所等多家單 位.其中,中科院成都生物研究所開發(fā)的產(chǎn)甲烷復(fù)合菌劑,活菌數(shù)到達2X107個/克.投加該菌劑后,在常溫條件下,與普通污泥比照,啟動時間至少縮短, 甲烷濃度相當(dāng),沼氣總產(chǎn)氣量可以提升 25%以上.在15c條件下,投加菌劑的 沼氣產(chǎn)量比對照提升了 10%左右,并且甲烷含量略微升高.盡管產(chǎn)甲烷菌的活 性對于沼氣發(fā)酵起著決定性作用,但如果忽略其它相關(guān)微生物

9、菌群的作用也不 能到達理想的效果,因此,應(yīng)從提升產(chǎn)甲烷菌活性、優(yōu)化其它不產(chǎn)甲烷菌群, 從整體上對沼氣發(fā)酵微生物生態(tài)系統(tǒng)進行調(diào)控,實現(xiàn)沼氣發(fā)酵過程的高效轉(zhuǎn) 化.3、沼氣發(fā)酵促進劑研發(fā)為了有效激活低溫環(huán)境下沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中各微生物的生理活性,國內(nèi)外對 外源促進劑進行了系統(tǒng)研究.沼氣發(fā)酵促進劑即指從產(chǎn)沼氣發(fā)酵系統(tǒng)以外加人 的以期提升沼氣產(chǎn)量、甲烷含量的物質(zhì),如酶、營養(yǎng)物質(zhì)、代謝促進物、吸附 劑、螯合劑等.在沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中加人各種水解酶對沼氣發(fā)酵具有促進作用,呂淑霞和陳 祖潔的研究說明：發(fā)酵物中以TS計添加3g.kg-1固體纖維素酶,甲烷產(chǎn)率可提升 52.1%;而 添加30U.kg-1液體纖維素酶,甲烷

10、產(chǎn)率的提升幅度可高達 88.8%.Rademacher等人也添加多種酶用來提升厭氧污泥消化速率.Scheidat等人在初沉池污泥中加人蛋白酶、糖化酶和脂肪酶,發(fā)現(xiàn)在 39c和55c下均能明顯 地提升水解作用.張無敵等人采用 3種不同配方的水解酶進行試驗,結(jié)果說明 配方l和2均可提升沼氣產(chǎn)量,分別為26.8l%和13.75%.國內(nèi)外研究說明,添加一定的微量元素如銘、銅、銀、鋅、鐵、硒等能夠 促進沼氣發(fā)酵微生物尤其是產(chǎn)甲烷菌菌群的活性,從而提升產(chǎn)氣量.Geeta等人的研究說明2.5mg.L-1的Ni能最高增加54%的產(chǎn)氣量.Speece等人發(fā)現(xiàn),添加 Ni時每克VSS的底物乙酸利用率可達10g.g

11、-1d-1,而不加Ni時只有2-4.6g.g- 1d-1,同時添加Ni和酵母提取物的底物乙酸可達l2-15 g乙酸.g-1 d-1.Sigh和 Singh的研究說明,奶牛糞中添加 CuN03亦能促進產(chǎn)氣,在48d的停留時間 內(nèi)產(chǎn)氣率比對照的0.036m-3.kg-1提升22.22%.同時,將各種微量元素組合應(yīng) 用也有較好的效果.李亞新和董春娟分別以醋酸鈣和乙醇為基質(zhì),得出激活產(chǎn) 甲烷菌的最正確微量元素組合為 Fe, C0, Ni,與對照相比,產(chǎn)氣速率分別提升了 24.6%和25.4%.而陳朝猛等人以有機生活垃圾為底物投加Fe, Co, Ni,與不投加的系統(tǒng)相比,產(chǎn)氣量增加了 43.4%,甲烷含

12、量提升了 5.1%, COD去除率提 高了10.2%.代謝促進物能促進發(fā)酵過程中的細胞代謝,使得細菌能夠更好地利用底物,提升沼氣發(fā)酵各階段的反響速率,最終提升沼氣產(chǎn)量.Singh等人對微生物刺激物AquasarO口 TeresanO行研究,發(fā)現(xiàn)在以牛糞為單一底物中參加 Aquasan.5mg能使沼氣產(chǎn)量提升39%,兩者同時加人那么可提升35%;在牛 糞和生活垃R圾的混合底物中加人10mg.L-1AquasanQ產(chǎn)氣量增加了 34.8%.RRR-些吸附劑也能改善產(chǎn)氣效果,吸附劑將微生物聚集起來,增加微生 物密度,同時能保持對微生物生長有利的環(huán)境,從而讓微生物更好地降解有機 物質(zhì),加快揮發(fā)酸的消耗

13、,提升產(chǎn)氣量.Madamwar和Mithal在系統(tǒng)中參加10g.L-1的商用果膠,使得最大產(chǎn)氣量增加了 150%,并且CH4含量可達65%.根據(jù)Kumar等人的研究,在批量式和半連續(xù)發(fā)酵裝置 中,添加商用木炭Darco G-60能使沼氣量分別提升17%和34.7%.Patel和 Madamwar對不同的吸附劑進行了試驗,有乳凝膠、聚乙烯醇、活性炭、果 膠、高嶺土、硅膠、鋁粉、皂土、滑石土等,發(fā)現(xiàn)隨著參加吸附劑量的增加, 沼氣量和CH含量均增加,且BOD COD隨之下降.添加螯合劑不僅可以提供碳源,更重要的是提升其他無機營養(yǎng)元素的可利 用性,使得微生物能夠更好地利用營養(yǎng)物質(zhì),提升產(chǎn)甲烷菌的生長速

14、率和種群 的穩(wěn)定性.添加環(huán)已烷二胺四醋酸(CDTA)氨三乙酸(NTA),乙二胺四乙酸 (EDTA)檸檬酸(CA四種螯合劑均可促進甲烷產(chǎn)量,提升量從 5%-20%不等,其 中氨三乙酸的促進作用最高,而且隨著螯合劑的添加,產(chǎn)氣量隨時間的增加而 增加.更有報道說明,參加0.1的伊紅美藍能使產(chǎn)氣提升25%-35%.中科院成都生物研究所和北京合百意生態(tài)能源科技開發(fā)聯(lián)合開發(fā) 出了沼氣發(fā)酵促進劑,該促進劑針對沼氣系統(tǒng)微生態(tài)特性及營養(yǎng)需求,篩選外 源添加物,經(jīng)優(yōu)化配伍組合而成.戶用池試驗說明,在19c條件下,添加促進劑的產(chǎn)氣量比對照提升了 20.24%眾多文獻說明,向產(chǎn)沼氣系統(tǒng)中參加促進劑,可以促進系統(tǒng)微生物

15、的代 謝,提升系統(tǒng)生物量,改善厭氧發(fā)酵各階段的作用效率,從而更有效地利用底 物,最終提升沼氣產(chǎn)量.尤其在低溫環(huán)境下,促進劑可激活系統(tǒng)微生物的代謝 活性,解除低溫抑制,提升產(chǎn)氣量.當(dāng)前對沼氣發(fā)酵促進劑的產(chǎn)氣影響研究主 要集中在尋求有促氣作用的各種外源促進劑及不同添加物的促氣效果等方面, 而對于不同添加物之間的復(fù)合作用以及提升產(chǎn)氣的具體機制研究還不多.因 此,今后應(yīng)增強低溫下促進劑的激活機理、低溫高效促進劑開發(fā)、促進劑投配 調(diào)控方法等方面的研究,最大程度地提上下溫沼氣產(chǎn)效率.4、低溫沼氣發(fā)酵工程工藝開發(fā)目前,在大中型沼氣工程建設(shè)方面,在低溫條件下,一般采用熱電聯(lián)產(chǎn)技 術(shù)實現(xiàn)中溫或高溫沼氣發(fā)酵.其中

16、德國是沼氣工程技術(shù)最先進的國家,具發(fā)電 余熱利用效率和保溫技術(shù)在世界首屈一指,而該國戶用小型沼氣池幾乎沒有. 我國沼氣工程一般采用熱電聯(lián)產(chǎn)或沼氣鍋爐加熱,根本可實現(xiàn)中溫或近中溫發(fā) 酵.而戶用沼氣池由于其規(guī)模很小,沼氣工程的熱電聯(lián)產(chǎn)或沼氣鍋爐加溫技術(shù) 很難在其上應(yīng)用.印度的戶用沼氣池在國際上僅次于中國,但該國的平均氣溫較高,該國戶 用沼氣池越冬問題研究很少,國外其他國家也未見解決戶用沼氣池冬季產(chǎn)氣問題的報道.因此,戶用沼氣池越冬問題是我國沼氣技術(shù)應(yīng)用推廣特有的問題, 毫無經(jīng)驗借鑒而言,必需依靠國內(nèi)科研人員和沼氣推廣工作者進行攻關(guān)探索. 目前,圍繞戶用沼氣池的冬季增溫和保溫問題,取得了一些進展,主

17、要有北方 四位一體的大棚增溫保暖和太陽能增溫保暖方式.二、中科院成都生物研究所研究根底1、系統(tǒng)地研究了沼氣發(fā)酵過程中的微生物類群、微生物分布狀況、微生物 數(shù)量的動態(tài)變化,研究了厭氧發(fā)酵與微生物代謝產(chǎn)物相互關(guān)聯(lián)作用.研究了典 型嚴(yán)寒地區(qū)四川假設(shè)爾蓋草原的厭氧污泥在 10c低溫下進行富集培養(yǎng)后的沼 氣發(fā)酵特性,結(jié)果說明通過低溫富集培養(yǎng)后的厭氧污泥,在17c條件下,比普通污泥沼氣產(chǎn)量提升了 20%.在黃淮海地區(qū)1983年的秸稈干發(fā)酵試驗中,在池溫 8c左右的情況下 還有少數(shù)戶用沼氣池能正常產(chǎn)氣.在石家莊1984年的戶用秸稈干發(fā)酵試驗 中,在池溫為5c左右時個別戶用沼氣池依然產(chǎn)氣穩(wěn)定產(chǎn)氣.2、從不同生

18、境中別離了多種沼氣發(fā)酵微生物,并對高效菌株進行了鑒定、 生理生化特征研究,包括：產(chǎn)甲烷菌、產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌、厭氧纖維素分解菌,纖維素降解菌,木質(zhì)素降解 菌,脂肪降解菌、淀粉降解菌等.其中產(chǎn)氣甲烷菌株RY3和SH4均具有較寬泛的pH范圍,已與有利用不同底物的產(chǎn)甲烷菌配伍開發(fā)了產(chǎn)甲烷菌復(fù)合菌劑,接 種產(chǎn)甲烷復(fù)合菌劑與接種厭氧污泥比照試驗說明,在20c時條件下,總產(chǎn)氣量約為對照的1.6倍,甲烷總產(chǎn)量約為對照1.6倍.3、這幾年我們與北京合百意生態(tài)能源共同研制的 產(chǎn)沼氣促進劑 在銷售推廣過程中東北地區(qū)反映在嚴(yán)寒季節(jié)能較好地提升產(chǎn)氣量.在 19c時, 添加產(chǎn)沼氣促進劑的沼氣池產(chǎn)氣量平均比對照提升 20.24%.同樣我們還發(fā)現(xiàn)營養(yǎng)物比擬豐富的情況下,低溫產(chǎn)氣也相應(yīng)高一些.因此 提上下溫產(chǎn)氣量,菌量是一個