（轻工技术与工程专业论文）微量金属元素对提高沼气产量的研究.pdf

at h e s i ss u b m i t t e df o rt h e a p p l i c a t i o n 0 t h em a s t e r sd e g r e eo fe n g i n e e r i n g t h er e s e a r c ho ft r a c em e t a le l e m e n t si nr a i s i n g p r o d u c t i o no fb i o g a s c a n d i d a t e ： s p e c i a l t y ： c h e nj i n b o l i g h ti n d u s t r yt e c h n o l o g ya n d e n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r l ij i n g l o n g s h a n d o n gi n s t i t u t e 山东轻t 业学院丁程硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名：宰盘：垩! 起 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名：靼：蓦至噍一 导师签名： 日期：兰! 年月日 日期：型生年月日 山东轻r t 业学院工程硕：l 学位论文 目录 摘要一 a b s t r a c t 第l 章绪论 1 1 弓i 言 1 2 沼气发现的历史经过”l 1 3 沼气简介4 1 3 1 沼气成分以及含量”4 1 3 2 沼气发酵过程三阶段理论的阐述4 1 3 3 沼气发酵过程中微生物所需要的生活条件5 1 4 产甲烷菌的概述6 1 4 1 产甲烷菌的发展历史6 1 4 2 产甲烷菌微生物学特性6 1 4 3 影响甲烷菌产气率的影响因素7 1 4 4 产甲烷菌对环境的适应性8 1 5 膨胀颗粒污泥床反应器简介及应用前景8 1 6 研究产甲烷菌的意义9 1 7 论文选题目的以及主要研究内容9 1 7 1 论文选题的目的“9 1 7 2 论文主要的研究内容9 第2 章酒精废水中添加微量金属元素对沼气产量的研究l l 2 1 引言1 1 2 2 实验材料与仪器设备1 1 2 2 1 实验原料一一1 l 2 2 2 实验所需主要试剂1 2 2 2 3 主要仪器与设备一1 3 2 2 4 菌种13 2 2 5 培养基一13 2 3 实验方法与步骤一一一1 4 目录 2 3 1 实验指标的测定1 4 2 3 2 菌种的前期驯化处理1 5 2 3 3 微量金属元素添加种类的确定”1 5 2 4 实验结果与讨论1 6 2 4 1 微量金属元素最佳组合种类的确定16 2 4 2 最佳金属元素组合中各成分的最适添加量”1 7 第3 章醋酸基质中添加金属元素对沼气产气量的影响”2 l 3 1 引言2l 3 2 实验材料与仪器”2 l 3 2 1 主要试剂“2 l 3 2 2 主要仪器及设备2 l 3 2 3 实验所用菌种”2 l 3 3 实验方法及步骤2l 3 3 1 连续式厌氧发酵添加复合微量营养元素实验“2 l 3 3 2 间歇式厌氧发酵添加复合微量营养元素实验“2 l 3 4 实验结果与讨论”2 2 3 4 1 微量金属盐种类和含量2 2 3 4 2 采用连续式发酵技术添加微量金属营养元素实验结果”2 2 3 4 3 采用间歇式发酵添加微量金属金属盐实验结果”2 4 3 4 4 铁、钴、镍三种金属盐单因素平行实验2 5 3 4 5 三种微量金属盐的最佳添加量的确定“3 0 第4 章厌氧颗粒膨胀污泥床与上流式污泥床反应器处理酒精废糟液 效果比较3 3 4 1 引言3 3 4 2 实验材料和仪器”3 3 4 2 1 实验原料3 3 4 2 2 菌种3 3 4 2 3 主要试剂“3 3 4 2 4 微量金属盐的浓度3 4 4 3 实验步骤及测定方法3 4 4 3 1 厌氧颗粒膨胀污泥床反应器3 4 4 3 2 上流式厌氧污泥床反应器3 5 2 山东轻t 业学院工程硕士学位论文 4 3 3 发酵中碱度的测定3 5 4 3 4 污泥沉降比和污泥容积指数的测定3 5 4 3 5 混合液中总的悬浮固体浓度和可挥发性的悬浮固体浓度的测定3 6 4 3 6 污泥泥龄“3 6 4 3 7 污泥负荷和容积负荷的测定“3 6 4 4 实验结果与讨论3 7 4 4 1 厌氧颗粒膨胀污泥床与上流式污泥床反应器的沼气产气量和化学需 氧量去除量的测定结果3 7 4 4 2 厌氧颗粒膨胀污泥床反应器内指标检测3 7 第5 章结论与前景展望4 l 5 1 实验结论4 1 5 1 1 酒精废水中添加微量金属元素对沼气产量的研究实验4 1 5 1 2 醋酸基质中添加金属元素对甲烷菌产气率的影响实验一4 1 5 1 3 厌氧颗粒膨胀污泥床反应器与上流式污泥床反应器处理酒精废糟液 效果比较实验4 2 5 1 4 结论4 2 5 2 前景展望4 2 参考文献。4 5 致谢一4 9 在学期间主要科研成果51 一、在学期间发表的论文5 1 山东轻工业学院丁程硕士学位论文 摘要 沼气厌氧发酵过程是一个由多种微生物结合，交替相互作用的复杂生物反应 过程。正是因为在发酵的复杂过程中，产甲烷菌和不产甲烷细菌互相之间制约， 又相互依赖，最终处于一种动态平衡状态，达到和谐统一，使之稳定增长。 产甲烷菌是沼气发酵中最重要的微生物之一，同时也是自然界碳素循环中厌 氧生物链的最后一个成员。这对于有效地控制沼气发酵过程，了解发酵进行阶段， 优化发酵条件，提高产沼气效率，具有极其重要的意义。 微生物只有满足一定的营养条件，才能正常的生长、繁殖以及完成各种生理 活动的需要。它们的作用可概括为形成自身的物质结构、提供能量和调节代谢等 三个主要的作用。微生物所需要的基本营养物质有六大类要素，即水、碳源、氮 源、无机盐、生长因子和能源。 本文以提高沼气产量为目的，通过添加微量的金属元素来提高微生物的活性， 并以此开展了以下几个方面的研究工作： 第一：以玉米为原料生产酒精后的废糟液为培养微生物的物质条件，在培养 基中添加不同的微量金属元素，来提高甲烷菌沼气的产气量。通过大量的平行实 验确定了微量金属元素组合为六水合氯化镍，四水合氯化亚铁，六水合氯化钴。 并通过正交实验确定了三种微量金属盐的添加量，分别为2 0 0 u g l d ，l0 0 0 u g l d ， l o o u g l d 。 第- -以醋酸原料为基质进行厌氧性发酵实验，对连续性厌氧发酵和间歇性 厌氧发酵的甲烷菌沼气气量进行了大量的实验，对上述的实验结果进行验证。实 验结果表明：连续式厌氧发酵技术比不连续式厌氧发酵技术的产气增长率要高 6 9 以上。因此，就以连续性厌氧发酵为实验基础，添加微量金属盐对其进行单 因素实验，并以单因素实验结果为基础设计了正交实验，确定了以醋酸基质的连 续性厌氧发酵工艺，得出微量金属盐的最佳添加量分别为六水合氯化镍： 4 0 0 u g l d ，四水合氯化亚铁：3 0 0 0 u g l - d ，六水合氯化钴：1 5 0 u g l d ，通过此方 案可使甲烷菌产沼气率高达9 6 。 第三：在企业中进行中试生产实验，对膨胀颗粒污泥床反应器和上流式污泥 床反应器进行了实验比较，并对膨胀颗粒污泥床反应器内的各种指标做了检测。 实验结果表明，添加微量金属盐进行实验后，两种反应器的沼气产气量都有所增 加，并且产气量增长率也都有很大提高。但膨胀颗粒污泥床反应器和上流式污泥 床反应器相比较而言，膨胀颗粒污泥床反应器的沼气产气量更大一些，产气增长 摘要 率可达1 9 7 4 。这表明：膨胀颗粒污泥床反应器更适合对玉米酒精糟液进行处理。 可见，通过添加这些微量金属元素，可以大幅度的提高糟液的处理量，同时可多 产沼气，从而提高沼气产率。 本文的创新点： 根据企业中玉米酒精废水的特性以及处理的需要，从菌种的营养角度考虑， 选择合适的微量金属元素的种类组合，增强菌种有效活性，提高厌氧消化过程沼 气的产量，并且也可以有效提高化学需氧量去除率，降低其化学需氧量值，做到 排污减排的目的。 关键词：微量金属元素；沼气；产气量 b a s i cn u t r i e n t sa r es i xc a t e g o r i e so fe l e m e n t s ，n a m e l y ：w a t e r , c a r b o na n dn i t r o g e n s o u r c e s ，i n o r g a n i cs a l t s ，g r o w t hf a c t o r sa n de n e r g y a n ds oo i l t h i sa r t i c l ea i m st oe n h a n c et h eb i o g a sp r o d u c t i o nb ya d d i n gs m a l la m o u n t so f m e t a le l e m e n t st oe n h a n c et h em i c r o b i a la c t i v i t ya n dl o o ka ts e v e r a la s p e c t so ft h i s c a r r i e do u tt h er e s e a r c hw o r k ： f i r s to fa l l ：t h ec o r n - b a s e de t h a n o lp r o d u c t i o na f t e rt h ea l c o h o ls t i l l a g em a t e r i a l c o n d i t i o n st oc u l t i v a t em i c r o - o r g a n i s m si nt h em e d i u mt oa d dad i f f e r e n tt r a c em e t a l e l e m e n t s ，t oi n c r e a s et h ep r o d u c t i o no fm e t h a n eg a sm e t h a n eb a c t e r i a t h r o u g hal a r g e n u m b e ro fp a r a l l e le x p e r i m e n t st od e t e r m i n et h ec o m b i n a t i o no ft r a c em e t a le l e m e n t s i ns i xh y d r a t e dn i c k e lc h l o r i d e ，f e r r o u sc h l o r i d et e t r a h y d r a t e ，c o b a l tc h l o r i d es i x h y a r a t e d e t e r m i n e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t so ft h r e ek i n d so ft r a c em e t a ls a l t st o a d dv o l u m e ，r e s p e c t i v e l y , 2 0 0 u g l d ，10 0 0 u g l d ，lo o u g l d s e c o n d l y ：t h er a wm a t e r i a lf o ra c e t i ca c i df e r m e n t a t i o ns u b s t r a t ef o ra n a e r o b i c e x p e r i m e n t s ，a n a e r o b i cf e r m e n t a t i o no fc o n t i n u o u sa n di n t e r m i t t e n ta n a e r o b i cm e t h a n e f e r m e n t a t i o no fb a c t e r i am e t h a n eg a st oal a r g en u m b e ro fe x p e r i m e n t s0 1 1t h ea b o v e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e d t h er e s u l t ss h o wt h a t ：c o n t i n u o u sa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o n t e c h n o l o g yt h a nn o n c o n t i n u o u sa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nt e c h n o l o g yf o rg a sp r o d u c t i o n g r o w t hr a t e sh i g h e rt h a n6 9 t h e r e f o r e ，ac o n t i n u o u sa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o nf o ra l l a b s t r a c t e x p e r i m e n t a lb a s i s ，a d d i n gt oi t st r a c em e t a ls a l t so fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t sa n dt h e r e s u l t so fas i n g l ef a c t o re x p e r i m e n tb a s e do no r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g nt o d e t e r m i n et h es u b s t r a t ea c e t a t ec o n t i n u i t yo fa n a e r o b i cf e r m e n t a t i o np r o c e s so b t a i n e d t h eb e s tt oa d dt h ea m o u n to ft r a c em e t a ls a l t sw e r es i xh y d r a t e dn i c k e lc h l o r i d e ： 4 0 0 u g l d ，f e r r o u s c h l o r i d et e t r a h y d r a t e ：3 0 0 0 u g l 文6 h y d r a t e dc o b a l tc h l o r i d e ： 15 0 u g l d ，t h r o u g ht h i sp r o g r a ma l l o w sb a c t e r i ap r o d u c i n gm e t h a n eg a sa sh i g h 弱 9 6 t h i r d l y ：i nt h ee n t e r p r i s et oc o n d u c tp i l o t - s c a l ep r o d u c t i o ne x p e r i m e n t ，p a i r so f e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o ra n du p f l o ws l u d g eb l a n k e tr e a c t o re x p e r i m e n t a l c o m p a r i s o n s ，a n de x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o rt od e t e c tav a r i e t yo fi n d i c e s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a ta d d i n gt r a c em e t a ls a l te x p e r i m e n t s ，t h et w ok i n d so f r e a c t o r sh a v ei n c r e a s e dm e t h a n eg a sp r o d u c t i o na n dg a sp r o d u c t i o ng r o w t hr a t eh a s g r e a t l yi m p r o v e d b u tt h ee x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o ra n du p f l o ws l u d g eb e d r e a c t o r , i nc o m p a r i s o n ，t h ee x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o r ag r e a t e rn u m b e ro f m e t h a n eg a sp r o d u c t i o n , g a sp r o d u c t i o nr a t eo fu pt o19 7 4 t h i si n d i c a t e st h a t ： e x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e dr e a c t o ri sm o r es u i t a b l ef o rc o r ne t h a n o ls t i l l a g e p r o c e s s i n g c a nb es e e nt h a tb ya d d i n gt h e s et r a c em e t a le l e m e n t s ，c a ng r e a t l yi n c r e a s e t h ea m o u n to fb a dh a n d l i n go fl i q u i d ，w h i l ep r o l i f i cg a s ，t h e r e b ye n h a n c i n gt h er a t eo f m e t h a n ep r o d u c t i o n t h ei n n o v a t i o no ft h i sp a p e ri s 弱f o l l o w s ： a c c o r d i n gt ot h ee n t e r p r i s eo fm a i z ea l c o h o lw a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c sa n d t r e a t m e n tn e e d s ，f r o mb a c t e r i an u t r i t i o n a lp o i n to fv i e w , s e l e c tt h ea p p r o p r i a t et y p eo f t r a c em e t a le l e m e n t si nc o m b i n a t i o n ，e n h a n c et h ea c t i v i t yo fb a c t e r i aa n de f f e c t i v et o i m p r o v eb i o g a sp r o d u c t i o ni na n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s ，a n da l s oc a ne f f e c t i v e l y d 山东轻工业学院工程硕l 学位论文 第1 章绪论 1 1 引言 到目前为止，已经威胁人类生存并已被人类认识到的环境问题主要有：全球 变暖、臭氧层破坏、酸雨、淡水资源危机、能源短缺、森林资源锐减、土地荒漠 化、物种加速灭绝、垃圾成灾、有毒化学品污染等众多方面。加之我们人类生存 的地球是有限的，世界人口增长的速度之快，以及现代化的大工厂，无时无刻不 在耗费着大量能源【l j 。 为了解决人类经济活动发展与生活改善面临的能源短缺问题，如果主要依赖 这些传统矿物能源生产方式与传统燃烧方式的扩大规模发展，显然将加剧它们已 经所造成的严重大气污染与全球温室效应【2 j 。 每一种传统的能源技术，以及当代传统科学技术基本理论指导下正在开发但 是尚未广泛应用的各种替代能源技术，各自存在不同方面的局限性，无法在可预 见的将来有效地提供人类急需解决的能源规模1 3 】。 沼气在此形势下应运而生了。近年来，沼气及其综合开发利用方面广泛受到 人们的关注，厌氧沼气池产生的经济效益也r 益的显著。沼气资源的综合利用， 不仅能获得较高的经济效益，同时还能创造良好的社会效益和生态效益，实现物 质再生循环和能量的多级利用，是一项利国利民、造福子孙的德政工程，也是一 项“功在当代、利在千秋 的宏伟事业。广大农村的沼气已成为我国农村能源的 一个重要组成部分，具有广阔的发展前景，市场应用广阱4 吲。 1 2 沼气发现的历史经过 古代人们在偶然间发现了沼气的存在，而且对其加以使用，只不过那时候他 们并清楚它的成分以及含量。 直到十八世纪七十年代，物理学家a l e x a n d e r 在湖泊中腐败的动植物体所产 生的气体中测定出含有甲烷成分【0 7 1 。p o p o f 将纤维素等物质物质加入到河泥中进 行实验，经过一系列的反应后产生的气体主要是甲烷，并且因此证明沼气发酵是 复杂的微生物学发酵的过程【r ，j 。 一般而言，典型的菌株选育是从天然环境( 一般为土壤) 开始的，利用常见 微生物分离手段即可分离出常见菌株。但野生菌株的目的产物往往较低，需要进 一步驯化、诱变。诱变育种是目前广泛使用的育种方法之一，具有方法简便、快 速和收效显著等特点。目前常用的诱变剂有物理诱变剂如紫外线、x 射线、y 一射 线、激光等，化学诱变剂如碱基类似物、5 氟尿嘧啶、烷化剂等。在物理、化学诱 第l 章绪论 变因素作用下，菌株的某些遗传性状发生突变，少数发生正突变，然后采用简便、 快速和高效的筛选方法，从中挑选出这少数符合育种目的的突变株，以供生产实 践或科学研究【9 1 。 俄国的一个微生物学家分离出所谓的第一株产甲烷的菌种，并将其命名为奥 氏甲烷细菌；荷兰学者s o h n g e n 根据产甲烷细菌的形态特征及其所能进行的转化 过程，创新的提出了一个新的概念。他指出：h 和c 0 2 的混合气体发生反应能够 产生甲烷气体；b a r k e r 通过化学培养基，以下水道污泥为培养基质，得到的有机 体，可以很好的发酵，用来生产丙醇、乙醇和丁酸的有机体【8 】。 厌氧发酵技术是处理有机废物的最重要也是比较有效的手段之一。由于伴随 优质燃料沼气的产生，使得其深受广大消费者的欢迎，其环保效益、社会效益以 及经济效益都十分的明显。加之沼气发酵残留液含有丰富的氮、磷、钾以及腐殖 酸，也是十分优质的肥料。一旦采用恰当的综合处理方法，不仅可以消除二次污 染，也能产生显著的经济效益和社会效益，能够做到资源的合理利用。 b r y a l l t 等人提出了“厌氧发酵三阶段理论 学说。即沼气发酵过程分为液化 阶段、产酸阶段和产甲烷3 个主要阶段进行的。 产甲烷细菌在人们的多方努力研究下，各方面都有了突出的进展，并且在生 理代谢过程等方面也都有了突破性的进展。 厌氧发酵技术是废物在厌氧条件下，通过微生物的代谢活动而被稳定化，同 时伴有甲烷和二氧化碳产生。 液化阶段主要是发酵细菌起作用，包括纤维素分解菌和蛋白质水解菌，产酸 阶段只要是醋酸菌起作用。产甲烷阶段主要是甲烷细菌，他们将产酸阶段产生的 产物降解成甲烷和二氧化碳，同时利用产酸阶段产生的氢将二氧化碳还原成甲烷。 厌氧发酵技术相比好氧发酵技术，在处理城市垃圾和生物能源再利用等方面 被广泛的应用，市场前景看好。 厌氧发酵技术指的是采用某些厌氧的微生物进行发酵，整个工艺过程不需要 补充额外氧气( 或空气) ，甚至还需要与外界环境隔绝，以确保所有的过程都是在 密闭条件下进行的【l o 】。好氧发酵技术顾名思义就是采用需氧微生物进行的发酵， 即在发酵的过程中必须不断提供大量的氧气，用来满足发酵微生物代谢所需要的 条件。于是我们想到了如何使厌氧发酵技术实现工业化，使厌氧发酵过程中的环 境和各个参数实行可以控制，并且容易操作，从而建立绿色清洁能源的环境。 ( 1 ) 我国微生物厌氧发酵产沼气的历史 由宁波天然瓦斯分行负责承建的沼气池，总体积达1 0 0 多立方米，被人们用 来煮饭、照明等日常生活。他们主要以青草、厨房废物和粪便等为发酵原料。虽 然年代这么久远，但是该沼气池目前还比较完整，这是我国沼气发酵最早的工程。 我国应用厌氧发酵技术处理有机废弃物生产沼气技术，经过几十年的长期不懈的 2 山东轻t 业学院l t 程硕 学位论文 努力，已经得到了快速稳步发展【8 j 。 据统计，截至到2 0 0 9 年，我国的农村沼气用户已达3 0 0 0 多万户，处理农业 废弃物沼气工程也有将近4 万处。在我国，近年来厌氧发酵技术已经广泛在多个 行业的污水处理中应用。 总体上讲，我国的沼气发酵技术已经同趋成熟，可以根据要求进行沼气发酵 的全部工艺的设计。有些单项技术和指标方面都已接近国际先进水平，产业有了 长足稳定的发展【8 】。 据介绍，2 0 0 3 至2 0 0 9 年，中央累计投入资金2 0 0 亿元，支持建设户用沼气1 5 0 0 万户、养殖小区和联户沼气工程1 3 万处、大中型养殖场沼气工程1 8 0 0 处左右、乡 村沼气服务网点6 3 6 万个【7 j 。 据测算：3 0 0 0 万户用沼气和养殖场沼气工程年生产沼气约1 2 2 亿立方米，生产 沼肥约4 亿吨，使用的沼气相当于替代2 0 0 0 万吨标准煤，减少排放二氧化碳4 5 0 0 多 万吨，每年可为农户直接增收节支1 5 0 亿元左右。 目前，我国厌氧发酵方面的主要应用为沼气发酵技术，尤其在某些资源比较 丰富的地方。但是对于反应过程的一些参数还不能控制。因此，还存在转化率比 较低，沼气产气量较低等种种的问题，极大程度的影响了沼气的推广和应用。 ( 2 ) 国外微生物厌氧发酵产沼气历史现状 沼气在德国主要是被用来发电的，其沼气发酵的最新进展可以汇总为以下几 个方面： 第一：沼气液化，德国e c b 公司j 下在大力研究，研制出每小时处理8 立方米 的发酵装置，获得实验性的成功，并且正在扩大中试规模生产。 第二：燃料电池的研发，有些大公司很早就开始研制开发沼气燃料电池的应 用技术。但从现在来看，燃料电池的成本却是很高。 第三：对甲烷分解的研究，其原理是将甲烷转换成二氧化碳和水，这个过程 正好与进行二氧化碳被氢还原的沼气的工艺相反。 第四：采用生物质干来发酵生产沼气，德国b e k o n 公司在有机垃圾发酵技术 等方面取得了不小的成功，目前正在与中国进行合作，来推广应用干发酵技术【l 引。 十九世纪末期，在英国，建立了座厌氧发酵池能处理生活污水、污泥。之 后，美国、德国等西方国家也建立了批大型的厌氧沼气发酵技术装置，进行工 厂化来利用沼气【1 3 】。厌氧发酵工程的工厂在丹麦已经朝着集中化来建造。从二十 世纪九十年代末期气，已经建立了二十多个大型厌氧发酵的企业，用来产生大量 的沼气作为能源来使用。因此，应用前景广阔。 在美国，厌氧性发酵工程主要在以下几个方面进行应用： 第一：是固体废弃物厌氧发酵技术。在北卡罗来纳州，建有一个高温厌氧发 酵工厂，其每日处理有机垃圾和猪粪便等固体废弃物的能力达到接近5 吨左右。 3 第1 章绪论 用于发酵后的物料经固液分离，干泥可作为有机肥料，清液循环回入发酵池再重 复利用。 第- - 用于城市废水与城市生活垃圾的生物降解处理方面。例如，在美国的 某些地区，城市生活污水污泥处理厂的处理则较多的利用厌氧发酵技术，所产生 的沼气可以大量的应用于加热料液，锅炉燃料或驱动鼓风机，为废水好氧发酵系 统供足够的氧气，目前为止是一项应用比较普遍的新发酵技术。 第三，从发酵液中获得角蛋白酶。石家兴专家经过1 0 余年的艰苦努力研究， 已经成功地获得角蛋白酶，正在被用来疯牛病实验探索工作中【1 4 1 。 1 3 沼气简介 1 3 1 沼气成分以及含量 沼气，顾名思义就是沼泽里的气体。人们经常看到，在沼泽地、污水沟或粪 池里，有气泡冒出来，如果我们划着火柴，可把它点燃，这就是自然界天然发生 的沼气。 所谓沼气，是有机物在厌氧条件下经微生物的发酵作用而生成的一种可燃烧 的混合气体，其主要成份是甲烷和二氧化碳。其中最主要成分也是含量最多的是 甲烷，约占总沼气体积的6 0 左右，二氧化碳气体位居第二，约占3 0 。除此之 外，还含有少量的h 、n 、o 、一氧化碳和硫化氢等微量气体。一氧化碳、甲烷和 氢气是可燃气体，人们是利用这部分可燃气体的充分燃烧来获得能型1 5 】。 1 3 2 沼气发酵过程三阶段理论的阐述 沼气发酵又称厌氧消化，是微生物作用的复杂过程。是以各种有机质为原料 的，在厌氧条件和其它合适的生存条件下，通过微生物的一系列复杂发酵作用， 最终生成沼气，即为整个沼气发酵的全过程。 目前为大家所公认的沼气发酵的过程是三个阶段理论： 第一阶段是液化阶段，即微生物通过胞外酶的作用使固体物质转化成可溶于 水的物质。第二阶段是产酸阶段，可溶性物质在胞内酶的作用下继续分解转化成 低分子物质，如甲醇、乙醇、甲酸、乙酸等，同时也有部分释放出氢和二氧化碳。 在这个阶段中，主要的产物是乙酸，占7 0 以上，所以成为产酸阶段。第三阶段 是产甲烷阶段，在这个阶段中严格厌氧的产甲烷细菌把产酸阶段的小分子化合物 通过一步或几步的还原作用，最终形成甲烷和二氧化碳。这种以甲烷和二氧化碳 为主的混合气体就是人们平常所说的沼气。 在甲烷发酵的过程中，以上三个阶段的界线及参与作用的微生物群体没有明 显的界限，他们之间彼此联系，相互作用【i 引。 4 山东轻工业学院丁程硕十：学位论文 1 3 3 沼气发酵过程中微生物所需要的生活条件 只有在发酵温度、酸碱度、发酵原料等各种环境因素合适的条件下，才能使 产甲烷细菌微生物达到发酵快、产气率高的目的，产甲烷细菌才能正产的生长繁 殖【1 7 18 1 。 ( 1 ) 适宜的发酵温度 任何微生物都有其生长繁殖的最适温度，沼气发酵微生物也不例外，他们也 只有在一定的温度范围才能进行正常的代谢活动。一般条件下，在1 0 6 5 之间都 可以产生沼气，但是随着温度不同产气速度也会随之发生变化。整体而言，在 1 0 - - , 6 5 温度范围内，随着温度的升高，产气速率也会随着增大，但不是确定的线 性关系。沼气发酵最经济的温度条件是3 5 ，即中温发酵。对中温和高温发酵， 则需要严格控制料液的温度【1 8 之o 】。 ( 2 ) 绝对的厌氧发酵条件 产酸菌和产甲烷细菌这两大微生物是沼气发酵的主要微生物，两类都是绝对 的厌氧，建造人工生产沼气的关键因素是使沼气池形成一个不漏气、不漏水的密 闭环境。 在沼气发酵工程的启动时候或者新原料添加到发酵池中时，必定会带入一部 分氧气，但是由于在密闭的沼气发酵池内，在兼性厌氧菌和好氧菌等微生物的生 命代谢作用下，会迅速消耗溶解在发酵池中的氧气，从而提供了良好的厌氧条件， 可供产甲烷细菌的生长与繁殖【2 。 ( 3 ) 适宜发酵料液的浓度 料液浓度是指料液中干物质含量的百分比。浓度愈高产气愈多，干发酵指的 是发酵液的浓度在2 0 以上。如果发酵料液的浓度太低或太高，对沼气的产生都有 抑制作用。如果料液的浓度太高时，也就是料液中的含水量低，对发酵中的细菌 的活动产生抑制，同时发酵料液不能完全分解，从而影响沼气产气量；假如浓度 太低，也就是说含水量太多而有机物含量较少，这样自然也会降低沼气产气量， 不利于沼气发酵池内原料的充分利用2 2 2 3 1 。 单位重量的原料在整个发酵过程中的产气量被称作原料产气率。指的是在一 定的发酵条件，物料被使用程度的高低；消化池中单位容积每天产沼气的量被称 作为池容产气率。池容产气率代表消化器被使用程度的高低；单位体积的发酵料 液每天产沼气的量被称作料液产气率。料液中因为所含原料种类不同，从而导致 产气率存在较大区别【2 3 1 。 ( 4 ) 料液的最佳p h 值 料液中的酸碱度指的是消化器内的p h 值，而不是发酵原料的p h 值。甲烷微生 物最适宜的生存环境是6 8 。7 5 。般情况下，当p h 在6 以下或者8 以上时，沼气微 s 第1 章绪论 生物的发酵就要受到影响，甚至停止【2 4 】。 ( 5 ) 发酵料液中的添加剂和抑制剂 添加剂顾名思义就是可以加速发酵过程物质，而抑制剂则是抑制发酵进行的 物质。还有些物质在低浓度时有刺激发酵作用，而在高浓度时产生抑制作用。沼 气发酵池内如果挥发酸浓度太高的时候，就会对发酵有抑制作用【2 5 2 6 】。 ( 6 ) 发酵料液中c 、n 、p 的比例 沼气发酵液中的c 、n 、p 的比例，对沼气的产量也会有重要的作用。实验结 果表明：c n 以2 0 ：1 3 0 ：1 为合适；而c n p 的比例则以1 0 ：4 ：0 8 为最佳【2 他8 1 。 ( 7 ) 发酵料液中的接种物 厌氧菌种在甲烷在发酵过程之前加入作为接种物。最佳的条件是采用和生态 环境较一致的厌氧污泥作为接种物【2 9 1 。 1 4 产甲烷微生物细菌的概述 1 4 1 产甲烷细菌的发展历史 产甲烷细菌的研究最早开始于十九世纪末期，当时俄国的微生物学家奥姆将 厌氧分解纤维素的微生物分为两类：一类是产氢的细菌；一类是产甲烷细菌。 二十世纪初期，孙根对产甲烷细菌的形态特征及对物质的转化作了详细的研 究；1 9 3 6 年，b a r k e r 对产甲烷细菌又作了分离纯化方面的研究，由于厌氧分离甲烷 细菌的技术尚不完备，这些研究都未取得突破性的进展；直到二十世纪中期，亨 格特首次创造了严格的厌氧分离技术，产甲烷细菌的研究才使之得到了快速的进 步；二十世纪七十年代年，布朗格首次提出了“产甲烷细菌 该名词，将其与以 甲烷为能量来源的嗜甲烷细菌区区分开来【3 0 】：s c h n e l l e n 等第一个从消化污泥中分 离纯化得到甲酸甲烷杆菌和巴氏甲烷八叠球菌；二十世纪九十年代初，国内外从 各种不同的厌氧生态环境中分离获得的球状产甲烷细菌纯培养菌有二十多种，这 些菌分别归属于甲烷微菌目中的球状产甲烷八叠球菌属、甲烷叶菌属甲烷拟球菌 属、产甲烷细菌属以及甲烷球菌目中的甲烷球菌属；二十世纪中后期，z e l l n e r 等发 现并命名一种产甲烷细菌为小微粒甲烷细菌；1 9 9 2 年，分离培养出第一株嗜冷产 甲烷细菌；二十一世纪初，s i m a n k o v a 等从冷陆地分离培养出5 株产甲烷古菌【3 。 到现在统计为止，分离并且鉴定的产甲烷细菌已经多达2 0 0 多种。它们普遍存 在于沼泽，湖泊，海洋沉积物，瘤胃动物的胃液等自然生态环境中，同时也可以 在废水处理、堆肥和污泥消化等非自然的生态状态中找到【3 2 羽】。 1 4 2 产甲烷细菌微生物学特性 自从横格尔厌氧发酵培养获得产甲烷细菌之后，世界许多的专家不断的从产 6 llllfillllllilllllllllllll【llllllllllllllllelllllli_r|_卜 山东轻工业学院丁程硕上学位论文 甲烷细菌的形状结构，生理特征以及生态等多方面进行了研究，从而为厌氧沼气 发酵技术用于处理污水等方面提供了坚实的理论研究。产甲烷的微生物细菌与其 它细菌有以下几个方面的区别： 第一，所有产甲烷细菌的代谢后产物都是c h 4 、c 0 2 和h 2 0 ； 第二，其体内有七种酶因子，与其他的微生物及动植物都各不相同； 第三，产甲烷细菌的细胞壁没有d 氨基酸，这些独特的特性也为产甲烷细菌 的鉴定及分类提供了可靠的依据p 。 产甲烷细菌得通过甲烷的生物合成，来形成维持体内代谢生存所需的能量， 并且必须在绝对厌氧的条件下。产甲烷细菌属于自养型微生物，它能够使用周围 环境中的化学能，它还具有运输乳酸等有机物进入体内的的转运酶。 到目前为止，甲烷生物合成过程主要有三种途径：以乙酸作为原料：以h 、c 0 2 为原料；以甲基化合物为原料【3 4 1 。 1 4 3 影响甲烷细菌产气率的影响因素 任何微生物都有其生长繁殖的最佳条件，产甲烷细菌也不例外，产甲烷细菌 同样受温度、酸碱度、及碳、氮的比例及无机盐等元素等的制约，各种影响因素 对于产甲烷发酵具有一定作用。本文主要研究微量金属元素等对沼气产气量的影 响 3 5 】。 ， ( 1 ) s 0 4 2 + 对甲烷细菌产气率的影响 在沼气厌氧发酵过程中，s 0 4 2 + 还原微生物以氢、乙酸等为供体、 s 0 4 2 + 为 末端的电子受体，将其还原为硫的一个厌氧反应过程。一般可以接受的理论认为， 硫酸盐的这种还原作用会直接对产甲烷作用的进行产生影响。但是不同的研究者 的结论也不相同，以至于对于硫酸盐对产甲烷细菌的伤害浓度也存在较大的分歧。 据报道表明，硫化物对产甲烷细菌的致害浓度从未经驯化时的2 0m g l 。提高到驯 化后一倍左右：也有的研究表明：硫酸盐对于批量实验的影响不是很大，但是对 于连续性的实验的影响则非常的大【3 6 1 。 ( 2 ) 金属元素对甲烷细菌产气率的影响 许多厌氧废水生物发酵过程中，均出现了出水中挥发性脂肪酸偏高，而沼气 气体产率会下降的现象。最初人们认为是缺乏氮磷等金属。后来经过大量的实