沼气发酵接种物对沼气及沼液成分的影响

2007年6月农机化研究第6期-82-沼气发酵接种物对沼气及沼液成分的影响叶子良，刘荣厚，郝元元，王远远，沈飞，武丽娟（上海交通大学农业与生物学院生物质能工程研究中心，上海201101）摘要：采用新鲜的猪粪为原料，以崇明前卫村沼气池中正常发酵的沼液为接种物，利用自制的小型沼气发酵装置开展了沼气发酵的实验研究。结果表明，使用驯化过的接种物有利于提高沼气产气量和产气中甲烷的含量，并能最大限度地保留沼液中的营养成分。通过上述研究，为沼气的工业生产和市场化运作打下了一定的理论基础。关键词：农业工程；沼气发醇接种物；试验研究；厌氧发酵中图分类号：S216.4文献标识码：A文章编号：1003—188X(2007)06—0082—041世界能源危机与沼气的综合利用1.1世界能源危机当今社会人类正面临着巨大的能源与环境的压力[1]。能源是社会经济持续发展的动力，是人类赖以生存的基本条件，也是人类文明的物质基础。石油、天然气和煤是当今能源消费的主体，随着现代工业的发展，其需求量将越来越大[2]，而人们的过度需求加快了其耗竭速度。按目前的开采速度，或许至多再过四五十年，石油将消耗待尽殆，天然气的好景也不长。煤的贮量较为乐观，但最终也不过几百年的时间[3]。在我国，能源结构不合理、过分依赖煤炭、污染严重以及能源利用效率低已经成为制约国民经济发展的主要瓶颈。国家发展和改革委员会的数据表明，我国已成为世界第二大能源消费国。2003年，我国能源消耗总量为16.8亿t标准煤。其中，煤炭占67.1%，原油占22.7%，天然气占2.8%，可再生能源占7.3%。目前，农村生活用能存在结构不合理、品质不高、设施落后和浪费严重的问题，致使农村能源供求矛盾有增无减。大部分农村仍以秸秆、薪柴和畜粪直接燃烧作为主要用能方式（约占60%~70%），而商品能源、新能源及可再生能源只起补充和替代作用。这种不合理的用能结构直接制约着农村养殖业的发展，又使本该回到生态系统中参与能量和物质循环的有益原料白白烧掉了，导致了土壤肥力不断下降，生态环境进一步恶化，增加了生产成本，减少了农民经济收入[4]。1.2沼气综合利用的广阔前景生物质能是来源于太阳能的一种可再生能源。目前，我国生物质能的资源包括农作物秸秆、林业及木材加工废弃物、畜禽养殖业粪便、工业有机废水和城市生活垃圾等。生物质能具有资源丰富、含碳量低的特点，加之在其生长过程中吸收大气中的CO2，因而用新技术开发利用生物质能不仅有助于减轻温室效应和促进生态良性循环，而且可替代部分石油、煤炭等化石燃料，成为解决能源与环境问题的重要途径。沼气就是利用畜禽养殖业粪便和工业有机废水进行厌氧发酵或者将城市生活垃圾填埋而得到的一种可再生能源，是生物质能利用的重要途径之一。沼气的价值和用途主要包括[5]:一是沼气是一种热值较高的气体燃料[6]；二是沼气的综合利用是沼气用途的另一个重要方面；三是沼气的价值和用途还体现在它的生态效益和社会效益方面；四是沼气燃烧发电。2厌氧发酵原理有机物的厌氧消化过程主要包括产酸和产甲烷两个阶段[7,8]。而对于不溶性有机物(有机垃圾)，一般可认为在上述两阶段之前多一个“水解阶段”[8,9]。水解阶段起作用的细菌包括纤维素分解菌、脂肪分解菌、蛋白质水解菌，它们在水解酶的作用下，转化产生单糖、肽或氨基酸、脂肪酸和甘油；产酸阶段起作用的细菌是产乙酸细菌，在包内酶的作用下，转化产生挥发性脂肪酸、醇类、氢和二氧化碳；产甲烷阶段是甲烷菌以H2，CO2，乙酸和甲醇等C1收稿日期：2006-09-26基金项目：上海市科委重大科技攻关项目（05dz12010）作者简介：叶子良（1983-），男，上海人，学士。通讯作者：刘荣厚（1960-），男，辽宁辽阳人，教授，博士生导师，博士，（E-mail）liurhou@sjtu.edu.cn。2007年6月农机化研究第6期-83-050010001500200025002581114全氮含量/mg·L-1中温高温发酵天数/天类化合物为基质，将其转化成甲烷，其中H2，CO2和乙酸是主要基质。3实验内容与方法本试验是结合上海市科委的上海市重大科技攻关项目—崇明岛生物质能循环型应用技术的研究与示范（05dz12010）来展开的，本文所做的研究工作是整个研究项目的一部分。本实验采用新鲜猪粪为发酵原料，接种物取自于崇明前卫村正常工作的沼气池中发酵沼液。在玻璃器皿中对猪粪进行堆沤，然后放在密闭的锥形瓶内进行发酵。本实验采用上海交通大学生物质能中心自制的小型沼气发酵装置，用发酵瓶模拟厌氧消化池。发酵瓶作为以一个生物反应器，依靠微生物的代谢活动进行的发酵产沼气。发酵瓶置于往复振荡机内，通过振荡来起到搅拌作用，通过设定振荡机的温度来方便地控制发酵的温度。最后，使用集气瓶来收集所产沼气。发酵时，接种物的选取是影响发