厌氧甲烷的产生量分析

生活垃圾厌氧堆肥产甲烷及古细菌多样性分析闫江１，江娟２（１．华中科技大学生命科学与技术学院；２．华中科技大学环境科学与工程学院，武汉４３００７４）摘要：通过厌氧堆肥试验，对厌氧堆肥产甲烷的基本特征进行了研究，结果表明：在厌氧堆肥开始阶段，气体中只有８％的甲烷，二氧化碳产率是甲烷产率的４倍左右；而随着反应的进行，二氧化碳产率呈下降趋势，甲烷产率逐渐升高，并于３个月时达到最高值４５％；此后二氧化碳及甲烷产率都逐渐降低。

对３个月时的垃圾堆肥渗出液取样，提取总ＤＮＡ，对古细菌片段进行限制性片段长度多样性分析（ＲＦＬＰ），在６０个随机选出的古细菌ｒＤＮＡ克隆子中，可以划分１５个不同的谱型。

对深入了解产甲烷厌氧微生物过程，加快垃圾稳定化具有重要意义。

关键词：生活垃圾；厌氧；堆肥；甲烷；古细菌；ＲＦＬＰ分析中图分类号：Ｘ１７２；Ｘ１３２文献标识码：Ａ文章编号：１００３－６５０４（２００６）０４－０００９－０３我国城市垃圾年产量目前已达１．９亿ｔ左右，并以年均近９％的速度增长［１］。

本研究采用厌氧堆肥法处理城市生活垃圾，垃圾在厌氧发酵过程中，会发生水解、酸化和甲烷化等一系列复杂的生物化学反应，并最终被分解成以甲烷和二氧化碳为主的气体－沼气。

Ｃｈｕｇｈ等［２］研究认为，１ｔ含水率为４５％、有机物含量为５５％的垃圾可产甲烷５７．５ｍ３，相当于甲烷含量６０％的沼气９５．８ｍ３。

因此，厌氧堆肥的产ＣＨ４较高而且容易回收利用；所以厌氧堆肥不仅较好地回收了能源，还可以获取有机肥。

本研究着重对生活垃圾厌氧堆肥过程中产气变化进行了分析。

在介绍模拟试验的基础上，对厌氧堆肥工艺产甲烷特征进行了研究。

同时，通过提取厌氧垃圾堆肥渗出液的总ＤＮＡ中选择性地ＰＣＲ扩增古细菌群落的１６ＳｒＤＮＡ片断，在此基础上建立古细菌１６ＳｒＤＮＡ克隆文库，并利用ＲＦＬＰ法对其进行分析，从而获得有关产甲烷时期垃圾堆肥内部古细菌群落的结构及其多样性的初步信息。

废弃物微藻厌氧消化产氢气和甲烷的优化研究原林虎;原雨桐【摘要】本文探究了影响微藻厌氧消化的因素(有机负荷、酶预处理、温度)并优化了工艺参数.结果表明:微藻生物质的最佳有机负荷为10.0 g/L,相应的氢气最大产量为18.8 mL/g(以单位挥发性有机质计算),挥发性脂肪酸最大产量为789 mg/L.蛋白酶预处理能够强化微藻水解酸化,且蛋白酶最佳剂量为1.0 g/L,氢气最大产量为20.5 mL/g,pH最低值为5.4.最后在产甲烷相中优化微藻厌氧消化的温度,35℃是产甲烷相最佳温度,甲烷的最大产量为238.9 mL/g,高温环境产生的过程产物反馈抑制了产甲烷菌的活性从而导致甲烷产量下降.【期刊名称】《工业安全与环保》【年(卷),期】2018(044)011【总页数】4页(P80-83)【关键词】微藻;两段式发酵;水解;酸化;氢气【作者】原林虎;原雨桐【作者单位】太原城市职业技术学院城建系太原030027;上海应用技术大学鲁班书院上海201418【正文语种】中文0 引言微藻含有丰富的有机质(碳水化合物4%～57%，蛋白质8%～71%和脂类2%～40%)，是厌氧消化产氢气和甲烷的理想原料[1]。

然而在实际工程中多种因素共同作用导致微藻厌氧消化获取的氢气和甲烷远低于理论计算值[2]。

近年来，应用两相厌氧消化系统处理生物质废物受到广泛关注，两段式厌氧消化将水解酸化相和产甲烷相分离开，从而控制每个阶段中微生物处于优势动态[3]；此外，与单一相消化系统相比还解除了挥发性脂肪酸(VFA)迅速积累或过度酸化引起的pH值下降而导致产甲烷过程终止的现象[4]。

因此，生物质两段式厌氧消化产氢气和甲烷得到越来越多的研究。

生物质厌氧消化制取甲烷主要包含4个连续的生化过程：水解、酸化、同型产乙酸和甲烷化[5]。

在水解过程中，难降解的有机物在特定功能的转性厌氧或兼性厌氧微生物分泌水解酶的作用下水解为溶解性或大分子有机物。

水解过程是有机物厌氧消化的限速步骤，预处理常用于提高有机物的水解速率[6]。

2.厌氧消化的原理厌氧消化是指在厌氧(无氧)条件下,利用厌氧微生物将复杂的大分子有机物转化成甲烷、二氧化碳、无机营养物质和腐殖质等简单化合物的生物化学过程。

在厌氧消化过程中,多种不同微生物的代谢过程相互影响、干扰,形成了非常复杂的生化过程。

20世纪70年代以来,大量学者和研究人员对厌氧消化过程中的微生物及其代谢过程进行了深入研究,并取得了很大的进步。

经研究探索，厌氧消化复杂有机物的厌氧消化过程可以分为两段理论、三段理论以及四段理论。

接下来我们将分别介绍各理论。

1).两段理论：该理论是由Thumm.Reichie(1914)和Imhoff(1916)提出，经Buswell.NeaVe完善而成的，它将有机物厌氧消化过程分为水解酸化(酸性发酵)阶段和产甲烷(碱性发酵)两个阶段，相应起作用的微生物分别为产酸细菌和产甲烷细菌。

在第一阶段，复杂的有机物(如糖类、脂类和蛋白质等)在产酸菌(厌氧和兼性厌氧菌)的作用下被分解成为低分子的中间产物以及生成能量，这些中间产物主要是一些低分子有机酸(如乙酸、丙酸、丁酸等)和醇类(如乙醇)，并有氢、CO2, NH4＋、H2S等气体。

在这一阶段里，由于有机酸的大量积累，使发酵液的pH值降低，pH值可下降至6，甚至可达5以下。

所以此阶段被称为酸性发酵阶段，又称为产酸阶段。

在第二阶段，产甲烷菌(专性厌氧菌)将第一阶段产生的中间产物继续分解成CH4、CO2等。

由于有机酸在第二阶段的不断被转化为CH4、CO2等，同时系统中有NH4＋存在，使发酵液的pH值迅速升高达到7～8，所以此阶段被称为碱性发酵阶段，又称为产甲烷阶段。

厌氧消化的两阶段理论，几十年来一直占统治地位，在国内外厌氧消化的专著和教科书中一直被广泛应用。

图7.2.1二阶段理论示意图2).三段理论：随着厌氧微生物学研究的不断进展，人们对厌氧消化的生物学过程和生化过程的认识不断深化，厌氧消化理论得到不断发展。

1979年，M.P.Bryant(布赖恩)根据对产甲烷菌和产氢产乙酸菌的研究结果，在两阶段理论的基础上，提出了三阶段理论。

无需气相色谱仪或沼气分析仪，直接测量甲烷含量物料产甲烷潜力（biochemical methane potential, BMP）是指单位有机物料在厌氧条件下发酵产生甲烷气体的数量。

BMP分析对了解沼气发酵的效率及其过程稳定性、沼气工程的规模及工艺设计、生产优化策略及沼气工程收益评估等都具有重要的意义。

BMP测试不仅关注甲烷的体积量，还关注各气体的成分，比如甲烷、二氧化碳、氢气、硫化氢的百分比含量。

通常情况下，客户可以用气袋收集气体，定期采用排水法测量体积，并且利用气相色谱仪或者沼气分析仪测量各气体成分。

图一：BMP全自动甲烷潜力测试仪
RTK公司自主研发生产的BMP全自动甲烷潜力测试仪，包含18个通道。

如果客户只是关注厌氧发酵过程中甲烷的产气量和含量比。

客户可以将两个通道进行串联测试，在两个通道之间接入高浓度碱液去除酸性气体如二氧化碳、硫化氢等，分别测量厌氧发酵产生的总气体量和甲烷气体量，二者比例即是甲烷含量比。

RTK全自动甲烷潜力测试仪，（1）测量精度1 mL，有利于微小量气体的准确测量，尤其利于细节机理研究。

（2）采用嵌入式WEB跨平台服务器，无需软件安装包，可使用电脑、手机等无线访问和控制系统，适用于长期测试。

（3）内置有温度和气压传感器，测量的气体体积实时换算成标况体积，避免了长期测试
温度和压力变化导致的数据误差。

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厌氧产生甲烷的过程以及产生量厌氧反应过程是对复杂物质（指高分子有机物以悬浮物和胶体形式存在于水中）生物降解的复杂的生态系统。

其反应过程可分为四个阶段：1 水解阶段——被细菌胞外酶分解成小分子。

例如：纤维素被纤维酶水解为纤维二糖和葡萄糖，淀粉被淀粉酶分解为麦牙糖和葡萄糖，蛋白质被蛋白酶水解为短肽和氨基酸等，这些小分子的水解产物能被溶解于水，并透过细胞为细胞所利用。

2 发酵阶段——小分子的化合物在发酵菌（即酸化菌）的细胞内转化为更为简单的化合物，并分泌到细胞外。

这一阶段主要产物为挥发性脂肪酸（VFA）醇类、乳酸、CO、氢、氨、硫化氢等。

3 产酸阶段——上一阶段产物被进一步转化为乙酸、氢、碳酸以及新的细胞物质。

4 产甲烷阶段——在这一阶段乙酸、氢、碳酸、甲酸和甲醇等被转化为甲烷、二氧化碳和新细胞物质。

a、水解阶段——含有蛋白质水解、碳水化合物水解和脂类水解。

b、发酵酸化阶段——包括氨基酸和糖类的厌氧氧化，以及较高级脂肪酸与醇类的厌氧氧化。

产乙酸阶段一一含有从中间产物中形成乙酸和氧气，以及氢气和二氧化碳形成乙酸。

d、产甲烷阶段一一包括从乙酸形成甲烷，以及从氧、二氧化碳形成甲烷。

废水中有硫酸盐时，还会有硫酸盐还原过程。

厌氧发酵以及氧化过程化学计算：甲烷菌只能利用有限的几种基质，如下所示，其反应定义为CO2型反应和甲基型反应，包括氢、甲酸、一氧化碳、甲醇、甲胺、和醋酸盐氧化反应。

2H2 CO2 CH4 2H2O4HCOO 4H CH4 3CO2 2H2O4CO 2H2O CH4 3CO24CH3OH 3CH4 CO2 2H 2O4CH33N H2O 9CH4 3CO2 6H2O 4NH3 CH3COOH CH4CO2发酵过程中COD的变化一般用COD平衡而不用氧的消耗进行计算。

利用厌氧反应器中甲烷产生量可算出COD损失量。

通过化学计算即可确定甲烷COD的当量，甲烷的COD值是降甲烷氧化变成二氧化碳和水时氧的需要量。

餐厨垃圾厌氧消化产甲烷气量分析及研究方向随着经济地快速发展，城市生活垃圾中以餐厨垃圾为主的易腐性与有机物含量不断增加，造成的环境污染日益严重，成为可持续发展的隐患之一，引起了社会广泛关注；而另一方面，餐厨垃圾有机质含量高、易生物降解的特性为其能量回收利用提供了极好的条件，因此，餐厨垃圾的减量化、无害化、资源化利用具有广阔的前景。

餐厨垃圾厌氧发酵处理是一种具有可行性资源化处理技术，尤其在当今能源紧缺的形势下，餐厨垃圾厌氧产甲烷是一种可以在不产生二次污染的同时供应能源的环保新技术，而应用厌氧发酵技术生产甲烷既可回收能源又可解决环境污染问题。

一、餐厨垃圾厌氧发酵产甲烷分析厌氧消化工艺流程简单，但多菌群、多层次的厌氧发酵过程构成了一个复杂的系统，内部反应影响因素较多，系统不稳定。

餐厨垃圾等混合底物厌氧产甲烷可行，但影响因素复杂，对反应过程参数不能严格控制，存在转化率低、产气量不高等问题，因此，本文将对提高餐厨垃圾厌氧消化产气量作出分析。

1、使用添加物研究表明，使用合适的添加物可以提高沼气产量。

添加金属阳离子可以促使微生物群体的富集，从而提高微生物的停留时间以及微生物浓度，增加沼气产量。

合适的天然植物添加剂可以刺激微生物的生理活动，提高发酵底物的局部浓度，创造更适合微生物活动的环境，从而提高沼气的产量。

生物添加物可以提高某些特定酶的活性，从而提高沼气产量。

适当的添加甲烷菌载体有利于提高甲烷产量。

2、预处理工艺原料的预处理工艺可以分为机械预处理、化学预处理、生物预处理。

机械预处理和化学预处理主要是可以将复杂有机物转化成易生化降解的小分子有机物，增加比表面积，提高微生物与底物接触的几率，从而能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间。

生物预处理主要为添加高浓度生物菌种，利用微生物来水解底物。

3、消化流出物回流工艺将消化流出物回流入生物反应器可以减少微生物的流失，从而促进底物的充分降解，提高沼气产量。

将水解酸化阶段所产生的消化气引入产甲烷阶段，结果表明，消化器的回流增加了34%的甲烷产量。