張全國， 焦有宙， 劉虹， 李敖， 張志萍， 賀超， 張真豪， 隋瓊2,

(1.河南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部可再生能源新材料與裝備重點實驗室，河南 鄭州 450002；2.河南省生物質(zhì)能源與納米材料國際聯(lián)合實驗室，河南 鄭州 450002；3.鄭州市金琥科技有限公司，河南 鄭州 450007)

能源是當(dāng)今世界快速穩(wěn)定發(fā)展的動力和基礎(chǔ)，隨著人類的進步和社會的快速發(fā)展，常規(guī)化石能源的消耗正在快速增加，可再生清潔能源的開發(fā)已經(jīng)迫在眉睫[1-2]。中國的農(nóng)業(yè)廢棄物量大面廣，每年產(chǎn)出的畜禽糞便和秸稈類生物質(zhì)總量超過45億t，相當(dāng)于20.7億t標準煤[3-5]。但是，中國農(nóng)業(yè)廢棄物存在的亂堆亂放、隨意焚燒等不合理處置問題比較嚴重，一度成為社會熱點。農(nóng)業(yè)廢棄物的不合理處置不僅浪費資源，也污染環(huán)境，還可對生態(tài)安全造成嚴重威脅[6-7]。這些農(nóng)業(yè)廢棄物可以經(jīng)過厭氧發(fā)酵技術(shù)來制取清潔能源。秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵是指其中的有機質(zhì)在厭氧條件下經(jīng)過微生物發(fā)酵并產(chǎn)生氣體的過程[8]，又分為厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)和厭氧發(fā)酵制甲烷技術(shù)[9-12]。厭氧發(fā)酵制氫技術(shù)具有反應(yīng)條件溫和、易操作、清潔等優(yōu)點，但也存在生產(chǎn)的氫氣儲存運輸困難等；厭氧發(fā)酵制沼氣技術(shù)普遍存在發(fā)酵周期長、產(chǎn)氣速率低、甲烷含量低以及沼氣產(chǎn)量低等問題[13]。這些問題長期制約著厭氧發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展，進一步提高秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程中的沼氣產(chǎn)量、產(chǎn)氣速率、甲烷含量，以及縮短發(fā)酵周期、提高資源化利用率成為眾多學(xué)者們的研究目標[14]。

目前，對于厭氧發(fā)酵技術(shù)中沼氣產(chǎn)量的提升研究主要有物理方法和化學(xué)方法[15-19]。對于厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的強化主要有調(diào)節(jié)溫度、壓力、酸堿度以及添加微量元素等，對于沼氣中甲烷含量的提高主要有加壓水洗法、膜分離法、低溫分離法、甲烷原位富集法等[20-25]。雖然這些方法可以提高沼氣中甲烷的含量，但是也存在高消耗、投資大等缺點，這就降低了沼氣在市場上的競爭力[26-30]。除此之外，有些研究者探究新的方法，嘗試在沼氣厭氧發(fā)酵的過程中通入外源氫氣來促進厭氧發(fā)酵的進行，以達到縮短發(fā)酵周期、提高沼氣產(chǎn)量及甲烷含量等。

本文主要評述秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過程中的補氫強化技術(shù)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，揭示外源補充氫氣的含量、流量以及反應(yīng)溫度、微量元素等因素對厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率及其沼氣中甲烷含量的影響規(guī)律，明確秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵過程的補氫強化工藝技術(shù)措施，旨在進一步豐富和完善秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的強化理論，促進沼氣的提質(zhì)增效和農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化清潔利用。

1 厭氧發(fā)酵補氫強化技術(shù)原理

生物質(zhì)通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣時，其過程一般分為液化、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷等3個階段。產(chǎn)酸階段包括酸化和已酸化2個過程。而產(chǎn)甲烷階段則可分別通過途徑1和途徑2兩種途徑來完成[31]。

(1)

(2)

在秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣時，產(chǎn)甲烷階段有70%的甲烷通過途徑1完成。由反應(yīng)式(1)可以看出，CH4和CO2的產(chǎn)量相同，即理論上分析CH4和CO2的產(chǎn)量各占50%。因此，通過途徑1生產(chǎn)沼氣中的甲烷含量最高只能達到50%。而通過途徑2生產(chǎn)沼氣時，其生成物是CH4和H2O，無論從熱力學(xué)角度還是從環(huán)保、高效角度來看，采取措施加強途徑2會更有利于沼氣中甲烷含量的提高，但是在秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過程中一般有低于30%的甲烷來自途徑2[32-34]。因此，若能采取技術(shù)措施強化途徑2，將會大大增加沼氣中的甲烷含量和產(chǎn)量。

在秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣過程中，途徑1中只有少數(shù)的微生物菌種可利用酸來生產(chǎn)甲烷，但幾乎所有的菌種都可以通過途徑2利用H2和CO2來合成甲烷。但由于秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣的系統(tǒng)中H2的含量特別低，幾乎可以忽略不計，H2的不足限制了途徑2的進行[35]。因此，依靠外源H2的補入方法解決系統(tǒng)中H2的匱乏問題。外源氫氣的補入，一方面可以促進途徑2的進行產(chǎn)出更多的CH4，另一方面還可以消耗系統(tǒng)中生成的CO2，進一步提高沼氣中CH4的含量，可謂一舉兩得。

2 厭氧發(fā)酵補氫強化技術(shù)現(xiàn)狀

近年來，利用外源補氫技術(shù)來強化甲烷生產(chǎn)的研究較多，國內(nèi)外的研究主要集中在溫度、外源氣體成分、通氣速率、攪拌強度、通氣方法、氫分壓調(diào)控、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以及操作方法改進等方面[36-40]。

2.1 溫度與外源氣體成分對強化甲烷生產(chǎn)的影響

俞游等[41]以秸稈為發(fā)酵原料，食乙酸產(chǎn)甲烷菌作為接種物，研究了厭氧發(fā)酵過程中CH4的主要來源。研究發(fā)現(xiàn)在中溫(35 ℃)條件下，補入的外源氣體有一定的促進作用，當(dāng)改變外源氣體的組分時，對沼氣生產(chǎn)中各組分和產(chǎn)量的影響不大。此時沼氣中CH4的含量保持在55%左右，產(chǎn)量也幾乎沒有變化。當(dāng)升高反應(yīng)溫度時，厭氧發(fā)酵沼氣中的CH4含量會有明顯的變化，在一定溫度范圍內(nèi)與溫度呈正比。當(dāng)溫度達到65 ℃后，繼續(xù)升高反應(yīng)溫度時，此時對沼氣中各氣體成分的影響并不大。分析原因可能是由于食乙酸產(chǎn)甲烷菌活性受到了溫度的抑制作用，反應(yīng)體系中沼氣產(chǎn)量和CH4含量均隨之降低，所以秸稈沼氣厭氧發(fā)酵時，利用外源H2原位合成CH4的適宜溫度為55 ℃。在確定適宜的溫度(55 ℃)條件下，改變外源氣體的成分，隨著外源氣體中H2/CO2體積比的升高，沼氣中CH4含量也隨之升高。以純H2作為外源氣體通入系統(tǒng)中，此時沼氣中CH4的含量增加到了75.5%，沼氣產(chǎn)氣量為6 436 mL·L-1。當(dāng)H2作為外源氣體，沼氣的產(chǎn)氣高峰會提前5 d，這可能是因為厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的CO2被大量消耗，促進了液相中乙酸的分解和微生物分解秸稈的代謝活動。

林春綿等[42]研究了不同的溫度下，外源純H2的通入量對厭氧發(fā)酵強化甲烷生產(chǎn)的影響。沼氣發(fā)酵裝置有效體積為600 mL，控制TS為(8±0.1)%，保證反應(yīng)器內(nèi)部為厭氧狀態(tài)，將反應(yīng)器置于恒溫水浴鍋中，設(shè)置溫度分別為中溫(35±1)℃和高溫(55±1)℃。外源H2的補入量根據(jù)厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)甲烷路徑2中的化學(xué)體積計量關(guān)系(V(CO2)∶V(H2)=1∶4)來確定，設(shè)置外源H2的補入量分別為發(fā)酵裝置中CO2產(chǎn)生量的4倍、5倍和6倍。結(jié)果表明，在中溫或高溫沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中，外源H2的補入能有效提高系統(tǒng)中沼氣產(chǎn)量和沼氣中CH4的含量，CH4含量隨外源H2補入量的增加而增加。補入的外源H2為體系中CO2產(chǎn)生量的5倍時效果最佳。與對照組相比，中溫條件下CH4的含量提高了20%，高溫條件下CH4的含量提高了34%，達到了沼氣提純的目的。補入到厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的H2也能夠被食氫甲烷菌轉(zhuǎn)化和利用，當(dāng)補入的H2在最佳條件下時，中溫發(fā)酵中對外源H2的利用率達到了79%，高溫發(fā)酵中對外源H2的利用率達到了85%。雖然高溫發(fā)酵中對外源H2的利用率與中溫發(fā)酵相比增加不多，但高溫發(fā)酵中的CH4含量、CH4產(chǎn)量、沼氣產(chǎn)量都比中溫發(fā)酵效果好，所以往往認為高溫發(fā)酵更有優(yōu)勢[45]。

2.2 攪拌強度與通氣速率對強化甲烷生產(chǎn)的影響

俞游等[41]還利用帶攪拌裝置的恒溫反應(yīng)器進行了試驗，保持反應(yīng)器溫度為55 ℃，在厭氧發(fā)酵過程中向反應(yīng)器中補入不同流量的H2并設(shè)置不同的攪拌速度。結(jié)果表明，當(dāng)攪拌強度一定時，在一定范圍內(nèi)，厭氧發(fā)酵過程中的CH4含量與氣體的補入量、氣體中H2的含量成正比。當(dāng)溫度為55 ℃，外源氣體為H2，補入量為1 110 mL·d-1·L-1攪拌強度為100 r·min-1時，沼氣中CH4的含量能達到83.9%，此時CO2的含量為16.1%。同時，液相中乙酸、丙酸、正丁酸、異丁酸都維持在較低水平。攪拌會影響水中H2的溶解度，進而影響厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣規(guī)律、CH4含量、CO2去除率和H2轉(zhuǎn)化率。

鄧小寧等[43]以水稻秸稈作為發(fā)酵原料，在55 ℃下進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣試驗，研究外源H2的連續(xù)補入對發(fā)酵整個過程的影響。結(jié)果表明，適量的外源H2補入可以實現(xiàn)沼氣的原位提純，因為外源H2的通入與攪拌可以改變整個發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落組成比例，但是并不對系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)CH4的微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。在向發(fā)酵體系中補入5倍外源H2的情況下，當(dāng)攪拌強度為50 r·min-1時，沼氣中CH4的含量從61.5%提高到了82.6%；當(dāng)攪拌強度為100 r·min-1時，沼氣中CH4的含量從69.6%提高到了94.4%。這就表明外源H2的補入可以實現(xiàn)沼氣的原位提純，同時加強攪拌，沼氣提純的效果更加明顯。除此之外，外源H2的補入，特別是攪拌速度的增加，可以明顯提高沼氣的總產(chǎn)量。攪拌還能明顯提高補入反應(yīng)系統(tǒng)中外源H2的利用率和轉(zhuǎn)化率，在50 r·min-1的攪拌強度下外源H2的利用率和轉(zhuǎn)化率由85.0%和91.0%分別提高到93.1%和96.8%。外源H2的補入還可以明顯的促進丙酸、丁酸和異丁酸等小分子酸的降解，可有效地避免發(fā)酵過程中VFAs的累積問題；由VFAs的測量結(jié)果可以反推出，攪拌強度的增加既可以對發(fā)酵體系中乙酸的分解產(chǎn)生CH4起到促進作用，還能對系統(tǒng)發(fā)酵過程中CO2的解吸起到積極作用，最終使得沼液的pH值略有上升。外源H2的通入與攪拌改變了發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)的微生物群落組成比例，但并不會對系統(tǒng)內(nèi)的產(chǎn)CH4微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的影響。

2.3 外源氫氣的通氣方法對強化甲烷生產(chǎn)的影響

陳文佳等[44]以玉米秸稈為原料，向沼氣發(fā)酵裝置中動態(tài)補入外源H2。在厭氧發(fā)酵的初始階段和穩(wěn)定階段、發(fā)酵初始階段補入不同的量、發(fā)酵穩(wěn)定階段補入適量的外源H2等對整個厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，在發(fā)酵過程中全程補入適量的H2，不僅可以提高沼氣的產(chǎn)量，對沼氣的提純效果也更好，而過量的補入H2，效果恰恰相反。發(fā)酵初始階段，補入H2對CH4產(chǎn)量的影響比沼氣產(chǎn)量的影響大，在發(fā)酵初始階段補入3倍(發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生CO2的3倍)的H2、發(fā)酵穩(wěn)定階段補入5倍(發(fā)酵系統(tǒng)中產(chǎn)生CO2的5倍)的H2效果最好，此時的沼氣產(chǎn)量和CH4含量都較高。與未補入H2的發(fā)酵系統(tǒng)相比，沼氣產(chǎn)量和CH4含量分別提高了21.1%和47.1%，此時CH4的平均含量達到83.5%，提高了32.1%。分析發(fā)現(xiàn)，在發(fā)酵的初始階段補入適量的H2，既可以加強有機物的分解，還可以促進系統(tǒng)中小分子酸的降解，從而促進厭氧發(fā)酵的進行。如果過量地補入H2則會導(dǎo)致小分子酸的積累。

2.4 氫分壓對強化甲烷生產(chǎn)的影響

GANG等[45-46],VOELKLEIN等[47],汪昱昌等[48]以豬糞作為發(fā)酵底物，研究了在不同氫分壓(25、50、100 kPa)以及混合強度(100、200 r·min-1)下外源H2的補入對厭氧發(fā)酵過程中甲烷強化、H2消耗率、CH4生成率等的影響。因為H2是難溶于水的，當(dāng)攪拌速率為100 r·min-1時，此時的氣液傳質(zhì)阻力較大，就導(dǎo)致了氣液傳質(zhì)問題成為整個發(fā)酵系統(tǒng)的根本問題，此時補入H2的消耗率與氫分壓成正比。當(dāng)攪拌速率增加到200 r·min-1時，此時外源補入H2的消耗率均為常數(shù)，這就說明氣液傳質(zhì)已經(jīng)不再是整個發(fā)酵過程的控制步驟。為了進一步研究外源補入H2對于整個發(fā)酵體系的影響，研究人員在高溫條件(55 ℃)下進行試驗，采用外源連續(xù)補氫的方式進行全混合厭氧發(fā)酵研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，外源補入的H2依然存在(20±2.5)%，說明仍然存在氣液傳質(zhì)限制的影響，但是反應(yīng)體系中CO2的含量由(38±3.2)%下降到了(15±2.1)%，這表明雖然外源補入的H2收到氣液傳質(zhì)的影響，但是依然可以用于強化沼氣厭氧發(fā)酵[46]。在試驗過程中，通過對反應(yīng)過程中的液相進行監(jiān)測，結(jié)果發(fā)現(xiàn)補入外源H2的系統(tǒng)中VFA濃度普遍高于未補入H2的，這很可能是由于補入的H2對VFA的降解產(chǎn)生了抑制作用。因此，研究人員又探究了氫分壓對發(fā)酵過程中小分子酸的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣液傳質(zhì)作為發(fā)酵過程的根本問題時，即便氫分壓到達100 kPa，小分子酸也不會出現(xiàn)積累的現(xiàn)象；當(dāng)攪拌速率增加時，氫分壓會造成小分子酸積累的現(xiàn)象，體系中的丙酸和丁酸會出現(xiàn)明顯積累現(xiàn)象[48]。所以，如何能在避免小分子酸積累，同時又能提高H2的利用率、CH4的轉(zhuǎn)化率等是近期研究的重點。最后發(fā)現(xiàn)，如果補入的H2被快速消耗，因為發(fā)酵液中碳酸鹽來不及補充，就會導(dǎo)致反應(yīng)體系的pH值升高，會抑制產(chǎn)甲烷菌的生長代謝活動，最終影響整個厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量。

2.5 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)與添加劑對強化甲烷生產(chǎn)的影響

ALITALO等[49]、BURKHARDT等[50-51]用生物膜滴流床反應(yīng)器，研究了H2和CO2在厭氧發(fā)酵沼氣中的甲烷化作用。研究人員設(shè)置好H2與CO2的比例(V(H2)∶V(CO2)=4∶1)，由反應(yīng)器底部補入，被產(chǎn)甲烷菌捕獲并利用。結(jié)果表明，厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中CH4的含量最高可達98%。同時發(fā)現(xiàn)，H2流率和液體流率都會對H2的轉(zhuǎn)化率產(chǎn)生影響。

利用鐵腐蝕析氫技術(shù)來強化沼氣發(fā)酵中甲烷的產(chǎn)率被證實是可行的[52-53]。納米零價鐵表面積大、反應(yīng)活性高，所以在相同的發(fā)酵條件下會析出更多的H2，這些H2就可以與發(fā)酵過程中產(chǎn)生的CO2結(jié)合轉(zhuǎn)化成CH4，增加了甲烷產(chǎn)量，且納米零價鐵添加不會對發(fā)酵過程產(chǎn)生任何的負面影響。當(dāng)納米零價鐵的添加量為0.5 g時，CH4的含量提高了27.5%，甲烷產(chǎn)量增加了42.3%；當(dāng)納米零價鐵的添加量為1.0 g時，CH4的含量提高了37.4%，甲烷產(chǎn)量增加60.5%[54]。

3 厭氧發(fā)酵補氫強化技術(shù)存在的問題與展望

3.1 存在問題

通過對現(xiàn)有沼氣厭氧發(fā)酵補氫強化技術(shù)的分析，可以看出氫氣含量、補入方式和溫度等因素是影響其強化效果的關(guān)鍵因素。氫氣的補入會促進了厭氧發(fā)酵過程中沼氣的產(chǎn)量和產(chǎn)氣速率，同時甲烷含量得到了大幅提高，是秸稈類生物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的有利探索。未來仍然可以繼續(xù)沿著這個方向進行深入研究。通過厭氧發(fā)酵的原理分析，補入外源氫氣可以強化沼氣生產(chǎn)，至于強化到什么效果或是厭氧發(fā)酵過程中對補入氫氣的利用率等應(yīng)該成為未來研究的重點。外源氫氣的補入之所以能夠促進厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)，是因為補入的氫氣溶于水后可以與厭氧發(fā)酵過程中產(chǎn)生的二氧化碳(易溶于水)相結(jié)合，通過一系列的反應(yīng)，最終轉(zhuǎn)變成甲烷氣體。這不僅可以促進甲烷的生產(chǎn)，還有效地降低了厭氧發(fā)酵過程中的二氧化碳的含量，同時緩解了發(fā)酵液中小分子酸積累，這就給細菌提供了更適應(yīng)的生存環(huán)境，使得厭氧發(fā)酵過程有效、快速、穩(wěn)定地進行。最終不僅促進了沼氣的生產(chǎn)，即提高了沼氣的品質(zhì)，還縮短了厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的周期。

盡管從理論上分析，在厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的過程中補入外源氫氣可以得到強化，但是強化的效果并不是很明顯[55]。主要是因為外源氫氣要想與發(fā)酵過程中的二氧化碳結(jié)合作用生產(chǎn)甲烷，首先要溶于水，而氫氣本身是難溶于水的氣體，氫氣只有極少部分溶于水，這就導(dǎo)致了只有極少部分的氫氣能夠被利用。按摩爾(mol)來計算，要想利用1 mol的二氧化碳就需要4 mol的氫氣，因此就限制了氫氣與二氧化碳的作用。所以要想進一步強化厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)技術(shù)，首先需要重點研究外源氫氣在厭氧發(fā)酵液中溶解度的提高技術(shù)。其次，如果解決了氫氣難溶于水的問題，就可以強化厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)。

在大規(guī)模生產(chǎn)推廣利用時，還需要研究厭氧發(fā)酵過程中補入外源氫氣的來源和發(fā)酵途徑的工藝優(yōu)化等。同時，目前市場上的氫氣多來源于化石燃料轉(zhuǎn)化制氫、副產(chǎn)氣體回收和電解水制氫等，雖然這些方法應(yīng)用比較早，技術(shù)較成熟，但不能擺脫對化石能源的依賴，不可避免地會對環(huán)境造成污染，所以并不能完全依賴這些制氫模式來制取氫氣[56-57]。因此，補入氫氣的來源也成為未來研究的重點內(nèi)容，如何獲得和使用低成本的氫氣，保證整個沼氣生產(chǎn)過程中的綠色生態(tài)屬性，成為必須考慮的問題[58-60]。

3.2 研究展望

近年來，厭氧發(fā)酵生物制氫技術(shù)蓬勃發(fā)展，產(chǎn)氫微生物以多種有機物為原料進行代謝產(chǎn)氫，產(chǎn)氫條件溫和，以其作為沼氣厭氧發(fā)酵補氫過程的主要外源氫氣來源，既可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)廢棄物的回收利用，又可用于沼氣厭氧發(fā)酵補氫強化，具有廢棄物資源化利用和能源產(chǎn)出的雙重效益[61]。將氫氣補入到甲烷生產(chǎn)過程中促進甲烷的生產(chǎn)，此過程為放熱過程，完全符合熱力學(xué)理論。理論上生成1 mol的CH4需要4 mol的H2，氫氣的熱值為0.282 MJ·mol-1，4 mol氫氣的熱值為1.128 MJ，甲烷的熱值為0.888 MJ·mol-1，熱值損失并不多。同時，此過程會消耗CO2，減少環(huán)境污染。除此之外，氫氣的密度太小，在存儲和使用過程中都有很大的安全隱患，將其轉(zhuǎn)化為CH4來進行使用，不僅可以促進H2的生產(chǎn)和使用，還可以拓寬CH4的用途，最終促進農(nóng)業(yè)廢棄物的資源化轉(zhuǎn)化[62]。

若采用生物制氫方法來制備外源氫氣，其屬于厭氧發(fā)酵范疇，而厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)也是厭氧發(fā)酵，兩者的發(fā)酵原理以及發(fā)酵條件比較接近，可以考慮將兩者結(jié)合起來進行氫烷聯(lián)產(chǎn)耦合發(fā)酵[63-65]。在秸稈厭氧發(fā)酵過程中，先進行厭氧發(fā)酵來制取氫氣，待制氫結(jié)束后，將厭氧發(fā)酵制取氫氣后的剩余生物質(zhì)經(jīng)過簡單的處理與調(diào)節(jié)后，進行厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)。同時，在沼氣生產(chǎn)的過程中可以將生物制氫中得到的氫氣提純后作為外源的氫氣補入到厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的系統(tǒng)中來強化厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)技術(shù)。因為用于厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的生物質(zhì)經(jīng)過微生物發(fā)酵制氫，所以此時大多數(shù)的生物質(zhì)類物質(zhì)已經(jīng)被分解成了小分子酸等，可以促進沼氣的快速生產(chǎn)并縮短發(fā)酵周期?？梢酝ㄟ^甲烷生產(chǎn)過程中的攪拌作用來提高氫氣溶于水的量，從而更加有效地促進甲烷的生產(chǎn)。

除此之外，還可以考慮氫烷聯(lián)產(chǎn)技術(shù)。因為在厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)過程中產(chǎn)氫是產(chǎn)甲烷的中間產(chǎn)物，如果對氫氣加以調(diào)控，也可以增加甲烷的生產(chǎn)[66-67]。將厭氧發(fā)酵制氫與厭氧發(fā)酵制甲烷聯(lián)合起來，將厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氫氣經(jīng)過凈化之后通入?yún)捬醢l(fā)酵甲烷生產(chǎn)過程中促進途徑1中甲烷的生產(chǎn)。同時，由于生物制氫中產(chǎn)生的氫氣補入到厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)過程中了，就不需要考慮氫氣的儲存問題，也不需要考慮補入沼氣生產(chǎn)中的氫氣來源問題。既解決了生物制氫中氫氣的儲存問題，又解決了外源氫氣問題。同時強化了沼氣生產(chǎn)過程，大大提高秸稈類生物質(zhì)的底物利用率、沼氣產(chǎn)量以及沼氣質(zhì)量。

在厭氧發(fā)酵過程中，如果補入外源氫氣可以達到預(yù)計的強化效果，這既解決了沼氣生產(chǎn)周期長、速率慢等問題，還能解決沼氣的品質(zhì)低、底物利用率不高等問題。進一步完善了沼氣生產(chǎn)技術(shù)，使得生物質(zhì)厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)出的氣體可以應(yīng)用到更多的方面，從而占領(lǐng)更多的市場，進一步促進沼氣的發(fā)展，緩解中國的農(nóng)業(yè)廢棄物造成的環(huán)境污染以及資源不合理利用等問題。

4 結(jié)論

(1)在厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)的過程中，通過外源氫氣的補入，可以在一定程度上提高沼氣的產(chǎn)量與品質(zhì)，縮短沼氣的生產(chǎn)周期，提高底物利用率。

(2)通過補入外源氫氣來強化沼氣生產(chǎn)的技術(shù)雖然理論上是可以的，但是實際操作過程中還有很多問題需要解決，要想在市場上進一步推廣沼氣，還需要來解決沼氣生產(chǎn)的根本問題。

(3)可以考慮將生物制氫技術(shù)與厭氧發(fā)酵沼氣生產(chǎn)技術(shù)相結(jié)合，通過耦合調(diào)控來進行氫烷聯(lián)產(chǎn)，既可以解決生物制氫中氫氣儲存困難、底物利用率低等問題，又能解決沼氣發(fā)酵周期長、氣體品質(zhì)低等問題。