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(fù)雜的過程，在這一過程中，多種微生物交替、聯(lián)合進行生化，最終產(chǎn)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(chǎn)生影響，尤其是溫度條件更會影響沼氣的產(chǎn)出量。下面結(jié)合實際，就低溫給農(nóng)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(shù)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(chǎn)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(chǎn)出量小，不足以維持發(fā)酵系統(tǒng)自身的運轉(zhuǎn)，使沼氣池?zé)o法正常使用?，F(xiàn)階段，我國農(nóng)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(diào)控不足，對發(fā)酵工藝的調(diào)整優(yōu)化不夠，未能給激產(chǎn)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(chǎn)出量也因此大大減少。

為解決上述問題，近年來許多專家學(xué)者都對低溫條件下的沼氣發(fā)酵技術(shù)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(xiàn)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(chǎn)低溫酯酶、低溫淀粉酶、低溫蛋白酶等功能。雖然為北方農(nóng)村地區(qū)沼氣技術(shù)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(chǎn)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(yīng)性不夠強，環(huán)境應(yīng)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(xiàn)有技術(shù)與經(jīng)驗，結(jié)合實際情況進一步推進低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)研究。

2.北方農(nóng)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(nóng)村地區(qū)具有相對豐富的生物質(zhì)條件，這為沼氣的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，但北方農(nóng)村地區(qū)冬季的低溫氣候又使沼氣技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(shù)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(nóng)村地區(qū)得到充分應(yīng)用。經(jīng)過調(diào)查可知，北方許多農(nóng)村雖然都修建了沼氣池，但是沼氣池結(jié)構(gòu)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(yīng)用率其實并不高?；谶@一現(xiàn)狀，一些新型高效的厭氧反應(yīng)器被提了出來，如第2代高濃度有機廢水處理的厭氧反應(yīng)器、第3代高濃度有機廢水處理厭氧反應(yīng)器等。這些新型先進的厭氧反應(yīng)器采用了內(nèi)循環(huán)外循環(huán)相結(jié)合的技術(shù)以及旋流技術(shù)、固體流態(tài)化技術(shù)，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(yīng)器的成功為北方農(nóng)村地區(qū)低溫沼氣發(fā)酵技術(shù)的未來發(fā)展帶來了啟示、指明了方向。即北方農(nóng)村地區(qū)的低溫沼氣技術(shù)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(yīng)秸稈、糞便等不同底物性質(zhì)的新型高效生物質(zhì)厭氧消化裝置。

2.2 開發(fā)應(yīng)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(yīng)根據(jù)北方農(nóng)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(jié)合，在冬季無太陽或氣溫較低的情況下，通過熱傳導(dǎo)介質(zhì)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(chǎn)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(shù)與沼氣發(fā)酵系統(tǒng)有機結(jié)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(yīng)用多底物共代謝技術(shù)

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(zhuǎn)換率、甲烷產(chǎn)量等與底物混合組分又很大的關(guān)系，且多底物的厭氧共代謝途徑可有效提高生物轉(zhuǎn)化率與甲烷產(chǎn)量。

而多底物共代謝模式之所以能提高甲烷產(chǎn)量，主要原因是其改變了菌群的營養(yǎng)平衡，將有毒物質(zhì)在消化過程中對功能菌群產(chǎn)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(yīng)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(fù)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(xié)同作用也會更強。因此在北方農(nóng)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(zhuǎn)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(chǎn)出量大大增加。

2.4 優(yōu)化應(yīng)用干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝

在北方農(nóng)村地區(qū)的沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中引進干法發(fā)酵產(chǎn)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(chǎn)量，提高產(chǎn)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(nóng)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(chǎn)沼氣工藝有應(yīng)用條件。但干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝在使用過程中也有一些技術(shù)限制，如在使用干法發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝時要對原料進行預(yù)處理，如果對原料預(yù)處理效果不理想，那么沼氣產(chǎn)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(chǎn)出率也會大大降低。一般來說，當纖維顆粒粒徑越小，產(chǎn)氣潛能就會越高。并且有研究表明，若將糞便與含纖維基質(zhì)有效混合并進行有效的預(yù)處理，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的產(chǎn)氣率就可增加17%。

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

生物質(zhì)厭氧發(fā)酵系統(tǒng)是決定沼氣產(chǎn)出率的關(guān)鍵，理想的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)應(yīng)當是功能先進、構(gòu)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(chǎn)出。目前北方農(nóng)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(chǎn)出率較低。因此可在北方農(nóng)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(fù)合厭氧發(fā)酵系統(tǒng)，這一復(fù)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(fù)合型發(fā)酵系統(tǒng)有現(xiàn)代信息技術(shù)做基礎(chǔ)，能實現(xiàn)對整個發(fā)酵過程的動態(tài)監(jiān)測與有效調(diào)控，從而讓發(fā)酵效果達到預(yù)期水平或理想目標。在應(yīng)用該復(fù)合系統(tǒng)進行微生物發(fā)酵時，系統(tǒng)內(nèi)部充足的氣流循環(huán)能增強傳質(zhì)作用，讓產(chǎn)氣速率與效果更為理想。復(fù)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(zhuǎn)過程中非產(chǎn)甲烷菌群與產(chǎn)甲烷菌群能夠相互協(xié)調(diào)、相互作用，兩大菌群之間能維持動態(tài)平衡，因此沼氣的產(chǎn)出量也會更加穩(wěn)定。

2.6 開發(fā)應(yīng)用新型菌劑

在北方農(nóng)村地區(qū)，低溫是制約沼氣技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的最關(guān)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(chǎn)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(yīng)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(diào)控與培育，最終得到適用于沼氣發(fā)酵系統(tǒng)的高效復(fù)合產(chǎn)甲烷菌群，讓北方農(nóng)村地區(qū)沼氣發(fā)酵技術(shù)的瓶頸得到突破。

結(jié)語

綜上所述，低溫給北方農(nóng)村沼氣發(fā)酵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)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(dǎo)致沼氣產(chǎn)出量大大減少。基于此，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(shù)、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(shù)的限制，讓沼氣發(fā)酵技術(shù)更好地服務(wù)于北方農(nóng)村建設(shè)。