低溫條件下甲烷發(fā)酵處理措施

低溫條件下甲烷發(fā)酵處理措施溫度對厭氧消化技術的影響影響厭氧消化過程的因素很多，如溫度、濃度、接種物及pH值等，反應機理非常復雜。早在20世紀30年代，就對厭氧微生物和產(chǎn)氣條件之間的關系進行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)在厭氧消化過程中，沼氣池內(nèi)的發(fā)酵溫度是影響沼氣產(chǎn)生和產(chǎn)氣率高低的關鍵因素。溫度對厭氧消化技術的影響主要表現(xiàn)在以下三個方面:1)溫度對微生物宏觀活性的影響;2)溫度對厭氧反應動力學參數(shù)的影響;3)溫度突變對厭氧反應器運行效果的影響等。北方低溫厭氧消化產(chǎn)沼氣存在的問題1.發(fā)酵溫度條件的制約黑龍江省農(nóng)村戶用沼氣的應用多采用自然溫度發(fā)酵，致使厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)沼氣微生物菌群活性顯著降低，有機物降解更為困難，導致很低的產(chǎn)氣率，甚至發(fā)酵終止停止產(chǎn)氣．在溫度低于17℃時，甲烷菌幾乎停止產(chǎn)甲烷代謝。由于受環(huán)境溫度影響很大，一些地區(qū)的沼氣池冬季池容產(chǎn)氣率還不到0.1m3·d－1，原料降解率小于30%，且沼氣池難以越冬，經(jīng)常造成次年池體漏氣，即使利用燃池技術給池體進行加溫并采取相應的保溫措施，其池容產(chǎn)氣率也僅能達0.3～0.4m3·d－1，相比中、高溫發(fā)酵產(chǎn)氣率相差極大，嚴重挫傷了農(nóng)民使用沼氣能源的積極性，極大限制了黑龍江省沼氣能源的應用推廣，遠落后于南方各省份。2.發(fā)酵工藝及發(fā)酵技術落后黑龍江省自發(fā)展沼氣應用，一直立足于農(nóng)村戶用型沼氣的推廣，基本采用的都是自然溫度混合批次發(fā)酵工藝或半連續(xù)發(fā)酵工藝，未對整個發(fā)酵過程進行工藝的優(yōu)化和種群的調(diào)控．因此，不能對厭氧發(fā)酵過程中一些關鍵環(huán)節(jié)進行必要的監(jiān)管和調(diào)控，無法調(diào)節(jié)整個工藝體系的運行參數(shù)，提供給產(chǎn)甲烷菌群適合的生長代謝環(huán)境，最終導致菌群代謝失衡，活性降低，產(chǎn)氣率也就隨之降低．此外，對于高效厭氧消化裝置的研究也僅局限于實驗室，如影響常溫、中溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響因素及各種發(fā)酵工藝的研究，包括單相攪拌混合發(fā)酵工藝、兩相發(fā)酵工藝的研究．此外，對于以纖維素和木質(zhì)素為主要成分秸稈類物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣的技術研究更是進展緩慢．由于缺乏高效的秸稈資源化技術，農(nóng)村大量的秸稈資源基本被用于直接燃燒來解決吃飯、取暖的“兩把火”問題，利用的熱效率僅有10%～30%，并且嚴重污染環(huán)境，如轉(zhuǎn)化為沼氣能源燃燒利用有效熱值可提高到64%?，F(xiàn)有的一些關于厭氧消化秸稈類底物產(chǎn)沼氣的研究主要停留在各秸稈類生物質(zhì)預處理方式上，以達到縮短厭氧發(fā)酵過程的水解、酸化時間，包括物理、化學和生物法等。但還未針對稈類物質(zhì)為底物的高效厭氧消化工藝進行深入研究及低溫高效秸稈類底物降解菌群選育及開發(fā)，這些正是制約我省秸稈類生物質(zhì)沼氣能源化利用的主要原因。3.低溫發(fā)酵機理研究不足目前對于沼氣發(fā)酵微生物的研究主要集中在微生物的分子生物學水平、沼氣發(fā)酵添加劑的研究以及厭氧消化動力學模型的建立等方面，我國自20世紀90年代開始了針對低溫微生物資源的調(diào)查與研究工作，中科院以及國家海洋局也在低溫微生物、酶類及低溫菌株的分子鑒定方面進行了研究，成功篩選出低溫菌株并進行了分子生態(tài)學分析。但針對低溫沼氣發(fā)酵微生物生長代謝機理的研究還很少，尤其是在整個低溫沼氣發(fā)酵過程中功能菌群的演替規(guī)律及影響微生物生長代謝的限制因子等方面。溫度對沼氣產(chǎn)量的影響一般說,沼氣細菌在8℃~60℃的溫度范圍內(nèi)都能進行發(fā)酵。通常按溫度把沼氣發(fā)酵劃分為三個發(fā)酵區(qū),即常溫發(fā)酵區(qū):10℃~20℃;中溫發(fā)酵區(qū)：28℃~38℃;高溫發(fā)酵區(qū):46℃~60℃。在影響沼氣發(fā)酵的各種因素中,溫度對產(chǎn)氣量的影響尤為明顯。在溫度為15℃~40℃的范圍內(nèi),隨著溫度的增高產(chǎn)氣率相應的增高,表1給出了沼氣發(fā)酵溫度、發(fā)酵時間與有機物產(chǎn)氣率的關系。通過研究溫度對不同原料沼氣發(fā)酵產(chǎn)生的影響后發(fā)現(xiàn),沼氣發(fā)酵存在兩個產(chǎn)氣的高峰區(qū):一個溫度介于30℃~40℃間;另一個溫度介于50℃~60℃之間,這是由于不同的微生物類群參與發(fā)酵作用的結(jié)果。中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵對溫度要求比較嚴格,不能有太大的波動,否則將影響產(chǎn)氣率。在恒溫發(fā)酵時,1小時內(nèi)溫度上下波動不宜超過2℃~3℃。短時間內(nèi)沼氣池溫度升降5℃,沼氣產(chǎn)氣率明顯下降,波動幅度過大時甚至停止產(chǎn)氣,因此要保持沼氣穩(wěn)定高產(chǎn),發(fā)酵溫度必須接近恒定。我國農(nóng)村的沼氣池基本建在地下,隨著一年四季氣溫的變化,池溫變化較大,產(chǎn)氣率也隨之變化,嚴重影響人們穩(wěn)定利用沼氣的需要。因此,保持池體溫度適宜并且恒定,是沼氣推廣利用的關鍵技術,尤其在寒冷的北方地區(qū)冬季,如何保持沼氣池溫是值得研究的問題,這個問題的解決將促進沼氣在北方地區(qū)的推廣和利用。低溫解決措施適宜的溫度是保證厭氧發(fā)酵正常進行的條件，但低溫是影響我國寒冷區(qū)域冬春季厭氧生物降解的關鍵生態(tài)因子。當溫度低于10℃時，常規(guī)厭氧處理法中的微生物活性迅速降低，生化處理效果急劇下降，處理效果差，這是長久以來難以解決的問題。為了提高寒冷地區(qū)冬、春季厭氧處理效果，解決沼氣池由于溫度過低而導致產(chǎn)氣量低的問題，本文將著重從以下幾個方面分析應對低溫問題的解決措施。2.1做好冬季或冷季增溫目前采用較多的加熱方法主要有以下幾種:電熱膜加熱、太陽能加熱、化石能源熱水鍋爐加熱、沼氣鍋爐加熱、太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐加熱、沼氣鍋爐余熱加熱、沼氣發(fā)電余熱加熱、燃池式加熱和地源熱泵式加熱。2.1.1電加熱膜加熱電熱膜加熱技術是在沼氣池外表面敷設一層電熱膜，電熱膜外再敷設一定厚度的保溫層以達到增溫和保溫的目的。但是電熱膜加熱方法由于外加熱源穩(wěn)定可以保證整個裝置穩(wěn)定產(chǎn)氣，但是要消耗高品位電能為代價，因此節(jié)能性、社會性不理想。2.1.2太陽能加熱太陽能是一種潔凈、可再生的能源。我國北方地區(qū)具有光照時間長、干旱少雨等特點,適于開發(fā)利用太陽能。應用太陽能加熱沼氣池,節(jié)能環(huán)保、安全可靠,可實現(xiàn)自動運行,操作簡單,基本上無維修工作量,對于農(nóng)戶來說還免除了購買常規(guī)能源的費用。太陽能加熱系統(tǒng)采用定溫控制，通過太陽能集熱系統(tǒng)完成熱能的采集和傳輸，由太陽能熱水通過螺旋換熱管對料液進行加熱。該系統(tǒng)在沼氣池不需加熱的季節(jié)，可利用太陽能集熱器加熱生活用水，但系統(tǒng)易受天氣狀況的影響。太陽能加熱系統(tǒng)相對其他的加熱系統(tǒng)來說，起步較早并且技術已經(jīng)相當成熟，應用也很廣泛。系統(tǒng)的原理、組成及工作過程將太陽能熱水器安裝在農(nóng)舍(畜舍、暖棚)的屋面上,集熱器吸收太陽光并轉(zhuǎn)化成熱能,利用傳熱工質(zhì)(水)將熱能儲存在儲水箱內(nèi)并通過循環(huán)管路將熱水輸送到沼氣池的換熱盤管,換熱盤管向沼氣池放熱,提高和保持沼氣池的溫度,從而提高沼氣的產(chǎn)氣量。在陽光不足的陰天,由于沼氣池容量及土壤的熱惰性,沼氣池的溫度衰減具有延遲性。經(jīng)計算在此條件下沼氣池溫度降低可延遲兩天以上時間,基本滿足氣象條件的要求。系統(tǒng)主要由太陽能熱水器、換熱盤管、沼氣池、自動控制系統(tǒng)、水泵和其他輔助部件組成。初次工作時,先通過自動控制系統(tǒng)中的溫度智能控制變送儀設定加熱溫度,冬季設定為35℃,夏季設定為53℃;然后將太陽能熱水器中加滿水,利用太陽能將水加熱到最高溫度;此時打開水泵,使熱水在換熱盤管及其附屬管路中循環(huán)流動,加熱料液。當料液溫度達到所設定的溫度時,由自動控制系統(tǒng)斷開電源,水泵停止工作,系統(tǒng)停止加熱;當沼氣池由于向外放熱和其他因素的影響,溫度降低時,自動控制系統(tǒng)啟動水泵,繼續(xù)向料液加熱,直至達到所設定的溫度,完成工作過程。此后都按照這種過程來調(diào)節(jié)溫度,這樣使料液始終保持在恒定的溫度,滿足沼氣高效生成的需要。2.1.3化石能源熱水鍋爐加熱化石能源熱水鍋爐加熱是以燃燒煤炭、石油等燃料的熱水鍋爐為熱源，通過換熱設備加熱發(fā)酵料液，使其達到并維持沼氣發(fā)酵所需溫度。這種裝置可以全天候高效產(chǎn)氣，解決了我國北方冬季產(chǎn)氣低的問題，但會產(chǎn)生大量的煙塵和有害氣體，污染環(huán)境，同時能量利用率不高。2.1.4沼氣鍋爐加熱沼氣鍋爐加熱即取用系統(tǒng)自身產(chǎn)生的一部分沼氣，通過燃燒產(chǎn)生煙氣，高溫煙氣在反應器底部設置的管道中流動，給發(fā)酵池加熱。這種加熱方式常用于高溫發(fā)酵系統(tǒng)，該方法加熱效率高，同時對設備和操作技術要求比較高。2.1.5太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐加熱太陽能聯(lián)合沼氣鍋爐加熱是采用太陽能和沼氣鍋爐與沼氣池集成組裝的系統(tǒng)設計，通過確定太陽能集熱器面積與沼氣鍋爐聯(lián)合運行的匹配方式，保持池體溫度處于較好的發(fā)酵溫度。本系統(tǒng)由集熱器、沼氣鍋爐、溫控設施、沼氣池等部件組成，太陽能集熱器集熱系統(tǒng)與沼氣鍋爐加熱系統(tǒng)采用并聯(lián)連接，聯(lián)合向沼氣池供熱，采用水為熱的載體在系統(tǒng)中循環(huán)流動.其運行工況分為如下三種情況:1)白天太陽輻射較強時，由太陽能集熱器支路提供熱量維持相對較小的加熱沼氣池熱負荷，多余的熱量利用池體內(nèi)部的沼液進行蓄熱;2)夜間或太陽輻射較弱時，太陽能集熱器不工作，當池體內(nèi)部溫度降到設定溫度時，運行沼氣鍋爐加熱支路，加熱沼氣池;3)當氣候條件介于二者之間時，使兩支路并聯(lián)運行，為沼氣池加熱，保證池體內(nèi)部溫度在設定范圍內(nèi)。這種加熱方式將太陽能和沼氣鍋爐進行匹配加熱，很好的利用了太陽能加熱及鍋爐加熱各自的優(yōu)點，又避免了因天氣原因造成的太陽能不能正常加熱產(chǎn)生的問題，這一加熱方式值得推廣。2.1.6沼氣鍋爐余熱加熱沼氣鍋爐余熱加熱是采用鍋爐余熱和熱水循環(huán)兩套加熱系統(tǒng)來保證沼氣池溫度的穩(wěn)定性。通過在沼氣池內(nèi)部對料液加熱而使其維持恒溫狀態(tài)，提高沼氣池的產(chǎn)氣率。試驗結(jié)果表明:鍋爐余熱的利用實現(xiàn)了節(jié)能減排的環(huán)保理念，同時也保證了沼氣池在北方有效使用的可能性。2.1.7沼氣發(fā)電余熱加熱沼氣發(fā)電余熱加熱是在沼氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程中，利用發(fā)電機組發(fā)電，同時燃氣內(nèi)燃機將排放近600℃的氣體，高溫氣體中含有大量的余熱，通過余熱回收系統(tǒng)中的換熱器用余熱加熱發(fā)酵原料，一般只應用于大型沼氣工程。這種方式可以使熱量得到最大限度的使用，是未來沼氣加熱應用的一種趨勢。2.1.8燃池式加熱燃池式加熱是一種設置在地下的進行燃料陰燃的地坑，池中燃料進行慢燃，池蓋和池壁表面根據(jù)調(diào)節(jié)可保持在中溫發(fā)酵所需溫度。這種方法無需任何助燃措施即可自行燃燒，放出熱量，提高地溫、氣溫，一次性投入低質(zhì)燃料即可燃燒一個冬季，而且熱量均勻、持續(xù)穩(wěn)定，無需人工管理，一般用于戶用型沼氣工程。2.1.9地源熱泵式加熱地源熱泵是利用淺層地熱能進行供熱制冷的新型能源利用技術，通過卡諾循環(huán)和逆卡諾循環(huán)原理轉(zhuǎn)移冷量和熱量。以地熱能作為熱泵加熱的熱源。在冬季，把地下土壤的熱量與循環(huán)水進行熱交換，使循環(huán)水溫度提高，再通過對地源熱泵輸入少量的高品位電能，實現(xiàn)低溫位熱能向高溫位轉(zhuǎn)移，進而使得地源熱泵機組出水溫度達45℃左右，熱水在熱盤管中，以輻射和對流的方式與發(fā)酵原料進行熱交換，使沼氣池溫度保持在中溫發(fā)酵范圍內(nèi)。因此，地源熱泵式沼氣池加溫是一種經(jīng)濟合理、環(huán)保節(jié)能的加溫方式，具有開發(fā)應用潛力。太陽能－沼液余熱式熱泵高溫厭氧發(fā)酵加溫系統(tǒng)加溫系統(tǒng)主要包括四個子系統(tǒng)，太陽能集熱系統(tǒng)中待加熱低溫水從蓄熱水箱的出口流出，經(jīng)過循環(huán)泵后，進入樓頂?shù)奶柲苷婵展芗療崞?，在集熱器里被加熱后再流回到蓄熱水箱當中；太陽能低位熱源系統(tǒng)由蓄熱水箱、板式換熱器、板換循環(huán)泵、熱泵低位熱源水泵組成；沼液余熱回收系統(tǒng)包括沼液余熱回收池、螺旋管換熱器和熱泵低位熱源水泵。每天從發(fā)酵池里溢流出來的沼液直接流進余熱回收池中，在余熱回收池中將熱量傳遞給熱泵蒸發(fā)器環(huán)路中的工質(zhì)，作為熱泵的低位熱源；熱泵加熱系統(tǒng)由一個熱泵機組、一臺熱泵高位熱源水泵以及發(fā)酵池內(nèi)加熱盤管組成。2.2添加促進劑沼氣發(fā)酵是在多種微生物相互作用下完成的，為了提高沼氣池發(fā)酵原料的分解利用率和產(chǎn)氣量，應為沼氣發(fā)酵微生物提供各種必須的營養(yǎng)物質(zhì)，改善發(fā)酵微生物的代謝功能，由于促進劑中含有發(fā)酵微生物生長繁殖的營養(yǎng)元素，有的還是對發(fā)酵微生物酶起激活作用的物質(zhì)，能促進發(fā)酵體系中微生物的代謝，使沼氣產(chǎn)量明顯的增加。因此，探索適宜在低溫條件下促進發(fā)酵微生物代謝的營養(yǎng)制劑以提高產(chǎn)氣量，無疑是解決冬季產(chǎn)氣量低的有效途徑。從產(chǎn)甲烷菌所需的營養(yǎng)物質(zhì)著手，在冬季向沼氣池中投放尿素、磷肥、微量元素（S、Fe、Co、Mn、Ni）和維生素C，補充氮源、碳源、微量元素和維生素的不足，同時還要投入少量的活性炭（直徑小于0.4mm），以增強產(chǎn)甲烷菌的聚集，從而提高產(chǎn)氣量。實驗證明該促進劑確實能在冬季低溫下產(chǎn)生較好效果。2.3優(yōu)選低溫菌種沼氣低溫條件下產(chǎn)氣率下降的主要原因是菌群受低溫條件的影響不能保持正常的活性，從而致使產(chǎn)沼氣的反應難以為續(xù)。因此從理論上講低溫條件下沼氣發(fā)酵微生物的活性才是制約沼氣池安全過冬的內(nèi)因。低溫沼氣厭氧發(fā)酵過程是一個多種微生物菌群相互作用的復雜過程。和低溫生境類似，均有復雜的微生物菌群參與代謝，有水解性細菌、乙酸營養(yǎng)型細菌、產(chǎn)甲烷古菌等。在自然界中存在著很多種產(chǎn)甲烷菌的菌種，通過實驗室培養(yǎng)，選出在低溫下產(chǎn)甲烷量高的菌種，投放入北方產(chǎn)氣效率低的沼氣池中，增加低溫產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和種類，達到提高產(chǎn)氣量的目的。在一個正常的沼氣發(fā)酵體系中，非產(chǎn)甲烷菌對有機物的分解利用也促進了產(chǎn)甲烷菌的甲烷生成速率。低溫菌種資源低溫生境中存在大量嗜冷和耐冷的菌群，已分離出多株適低溫的產(chǎn)甲烷古菌和厭氧細菌，進而研究低溫菌的代謝特性和分子機理。這些菌株的分離源多為兩極地區(qū)，海底沉積物，永久凍土或沼澤中，這些地區(qū)常年低溫。在所分離的低溫菌株中，溫度適應性廣的菌株在實際應用中則更為廣泛，特別是在普通環(huán)境條件下（四季分明的地區(qū)），仍能持續(xù)生長。1.3.3低溫發(fā)酵機制1.3.3.1營養(yǎng)代謝機制與其他環(huán)境因素不同的是，溫度能直接影響微生物細胞內(nèi)部代謝，微生物群落并不能控制。適應不同溫度的微生物可以重新調(diào)整它們的營養(yǎng)關系，從而影響整個微生物群落。為了了解在低溫下產(chǎn)甲烷群落的功能，就要知道它們之間營養(yǎng)鏈的變化，受低溫影響的微生物的群落，以及在整個群落里起主導作用的菌群。（1）聚合物的降解在厭氧陸地生態(tài)環(huán)境和植物中的主要結(jié)構(gòu)聚合物是纖維素。纖維素的利用代表著產(chǎn)甲烷菌群的整個營養(yǎng)鏈的成功啟動。在低溫（15℃或者更低），生物降解纖維素的反應顯著地減弱了。植物的殘骸主要是由在早期聚集積累的水解細菌降解的。纖維素的降解會產(chǎn)生大量酸化產(chǎn)物，主要是乙酸和丙酸。這些產(chǎn)物將被隨后互營階段的微生物所消耗。纖維素較低的降解速率將會減慢后面階段的產(chǎn)甲烷速率。在低溫下更易被降解的是另一種多糖，即淀粉。淀粉的大量降解導致系統(tǒng)中脂肪酸、乙酸、丁酸和H2的大量積累。這將使環(huán)境中pH降低，酸性產(chǎn)物將在環(huán)境中存在很長一段時間，而H2會被同型乙酸菌迅速消耗。蛋白質(zhì)是另一種類型的聚合物，它來源于死去的生物體。蛋白質(zhì)的分解產(chǎn)物是各種揮發(fā)性脂肪酸(C2–C6)和它們的同分異構(gòu)體。氨基離子的釋放中和了酸化產(chǎn)物，維持了pH，促進了平衡的微生物群落的形成。在低溫下，主要的揮發(fā)酸是乙酸，丙酸和丁酸。（2）單體的降解主要的單體是水解階段產(chǎn)生的各種糖類（主要是葡萄糖）和氨基酸。發(fā)酵性細菌利用這些單體快速生長，生成各種發(fā)酵產(chǎn)物（乙酸、丙酸和丁酸）。和其他揮發(fā)性脂肪酸相比，丙酸的積累對在低溫下的代謝發(fā)酵有很高的毒副作用。低溫環(huán)境中的樣品的丁酸在整個代謝中是重要的中間物，丁酸要比丙酸先降解。不同的糖被同型乙酸菌分解成乙酸，在稻田土壤中，葡萄糖降解的產(chǎn)物中有50%是乙酸。在低溫下，這種發(fā)酵途徑是一個主導的降解途徑。因為在常見底物的降解中，同型乙酸菌對其他發(fā)酵性細菌具有強烈的競爭作用。許多單體狀態(tài)的芳香族化合物也能被厭氧消化，它們是木質(zhì)素的部分降解產(chǎn)物，木質(zhì)素是很難降解的聚合物，它是在植物組織中的主要組分之一。由于這類芳香族化合物降解過程對穩(wěn)定要求較為嚴格，所以在低溫下，對微生物這種頑固化合物的適應和互營體系的建立可能需要幾個月的時間。（3）互營作用階段互營菌利用發(fā)酵階段產(chǎn)生的醇類、揮發(fā)性脂肪酸和各種芳香族化合物生成乙酸、H2和CO2。在陸地生態(tài)系統(tǒng)中，產(chǎn)甲烷古菌是在互營菌群主要的H2消費者。在低溫下，互營關系在厭氧群落中形成是一個平衡功能的重要階段，但是會經(jīng)歷一個很長的時間。在苔原凍土中，這個形成過程要持續(xù)五個月。低活性的H2營養(yǎng)型甲烷菌抑制了脂肪酸的降解。丙酸的降解也需要高活性的乙酸營養(yǎng)型甲烷菌，它涉及乙酸的種間轉(zhuǎn)移。通常丙酸在沒有中介時可以直接轉(zhuǎn)化成甲烷。溫度降低時，互營菌降解脂肪酸的Gibbs自由能會增高，表明互營菌對低溫是特別敏感的。（4）H2的利用在低溫下，甲烷群落的形成伴隨著同型乙酸菌和甲烷菌對H2和CO2的競爭。這是苔原凍土樣品中的各菌群就存在著這樣的競爭關系。競爭的結(jié)果取決于厭氧群落的生長情況，和競爭底物（H2和CO2）的對菌群的適應程度。當群落密度低而H2和CO2過量時，這些底物要么生成甲烷（28℃）消耗，要么生成乙酸（15℃或者更低）。在低溫下，微生物群落中有兩個明顯的階段：耗H2產(chǎn)乙酸過程；酸營養(yǎng)型甲烷菌產(chǎn)甲烷過程。然而，在已平衡的群落中，利用H2的微生物間的營養(yǎng)關系是較為復雜的。在低溫下，產(chǎn)甲烷菌繼續(xù)利用H2，只是與同型乙酸菌相比，H2代謝速率是較慢的。最后一個代謝階段是乙酸營養(yǎng)型甲烷菌生成甲烷，作為體系中的唯一產(chǎn)物。同樣，甲酸和CO降解和H2/CO2利用途徑是相似的過程。在各種自然生態(tài)體系中的厭氧群落里，乙酸或甲烷形成的臨界溫度是15和20℃，這個極限溫度主要依靠前面提到的微生物菌群的動力學生長參數(shù)。在H2缺乏的厭氧群落中，和H2有更高親和力的甲烷菌能成功地與同型乙酸菌競爭H2。用放射性同位素標記甲烷的前體來研究在寒冷陸地生態(tài)系統(tǒng)中甲烷的生成過程，穩(wěn)定的C13同位素信號顯示由乙酸產(chǎn)生甲烷的過程是最普遍的（占到總體甲烷產(chǎn)物的95%），這表明乙酸是主要的甲烷前體。這種現(xiàn)象的原因可能是發(fā)酵過程產(chǎn)生乙酸的代謝發(fā)生變化。因此，同型乙酸菌在低溫陸地生態(tài)系統(tǒng)中是一個特有的典型的菌群，它們在不同低溫環(huán)境中的活性導致了厭氧群落中物質(zhì)的重新分配。然而，以H2的代謝作為主要途徑的嗜冷厭氧微生物群落也能在有利于互營菌的建立的條件下啟動代謝反應。比如，高活性的甲烷群落能在厭氧條件下的廢水中生長，適應低溫還需要很長時間（1.5年）。這樣的群落中，底物是乙酸，丙酸和丁酸，互營菌是主要的菌群，其他微生物群落占次要地位。冷適應的氫營養(yǎng)型甲烷菌啟動了整個微生物群落的代謝。（5）乙酸消耗乙酸是嗜冷微生物群落中的主要產(chǎn)物之一。乙酸被利用生成H2和CO2。低溫厭氧群落的主要限速因素是生長速率低的C2-甲烷菌的生物量的積累。溫度高于20℃時，額外添加作為底物的乙酸可以強烈刺激甲烷生成，而在低于20℃下，這樣的影響就會減弱。乙酸營養(yǎng)型甲烷菌參與乙酸的中間轉(zhuǎn)移，這是環(huán)境中積累的揮發(fā)酸降解的必要條件。在西伯利亞泥炭沼澤中，62-72%的甲烷是由乙酸分解生成的，剩余的甲烷才是來自H2和CO2。（6）C1-化合物的利用甲烷生成的C1-途徑是嗜鹽厭氧微生物群落中的重要途徑。在低溫厭氧環(huán)境下的甲醇或三甲胺能促進甲醇營養(yǎng)型甲烷菌的生長速率。低溫下甲烷菌和同型乙酸菌對甲醇的競爭結(jié)果主要依靠密度高的菌群，C1-甲烷菌對三甲胺的利用沒有這種競爭作用。（7）甲烷生成途徑對溫度的依賴性溫度不僅影響微生物的活性還改變了在復雜微生物體系中的碳素和電子流動。在已平衡的群落中，理論上H2-營養(yǎng)型甲烷菌能提供所有CH4產(chǎn)物中的33%。在不同甲烷群落中，這種百分含量會有變化。而在冷環(huán)境中，由H2/CO2產(chǎn)生甲烷在甲烷產(chǎn)量總量的比例高于上述理論值。對湖底深處沉積物樣品分析，隨著溫度從15到30℃的升高，甲烷微菌科的菌株數(shù)量會隨之增加（8）低溫下同型乙酸菌和甲烷菌對H2的競爭在西伯利亞針葉林池塘的沉積物中，存在著各種嗜冷菌群對H2的競爭。這些菌群有同型乙酸菌和產(chǎn)甲烷菌中甲烷螺菌屬的MSB菌株和甲烷粒菌屬MSP菌株。這些菌群利用占總體積1.5%的的補充供給，以對數(shù)速度增長。然后對H2消耗的動力學進行研究。研究表明，如果H2分壓高于某一閾值，所有菌株將會消耗H2，隨著溫度30到15℃的降低，閾值也會隨之降低。甲烷菌對H2的閾值比同型乙酸菌較低。各種生化反應的熱力學也證明了這個規(guī)律，甲烷菌對H2有更高的親和力。在15℃以下，情況就不同了。在10℃，和冷適應的同型乙酸菌相比，甲烷菌MSP的氫分壓閾值相對變高，在4℃這數(shù)值甚至更高。在1℃時甲烷菌MSB的生長受溫度影響，它的氫分壓閾值低于該菌株的被測生長溫度（30℃到4℃）。同型乙酸菌氫消耗的最大生長速率(Vmax)和米歇爾常數(shù)(Km)菌顯著高于產(chǎn)甲烷菌。在寒冷環(huán)境中，如果生物量很大而H2含量不高，只要有和H2親和力高的產(chǎn)甲烷菌群存在，那么該甲烷菌群是最先利用H2的微生物。但如果環(huán)境中有豐富的H2來源，同型乙酸菌就會較多的利用H2快速生長。2.4改進發(fā)酵工藝傳統(tǒng)的厭氧處理工藝，產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷過程在一起發(fā)生，彼此之間存