沼气是什么时候被发现的?( 二 )


沼气发酵原料十分广泛而丰富,目前,“未利用资源”中,可用于沼气发酵的种类甚多,仅西欧各国就有农业废弃物37种,包括圈养和放养的牲畜粪便以及农作物废物;工业废水有21种,多为农作物加工和食品工业废水;还有糖厂的废渣、屠宰场的废水等 。充分利用这些“未利用资源”,开发沼气能源,这对解决农村能源和处理城市垃圾,都是一条变废为宝的现实途径,而且潜力甚大,据欧共体国家宣布,可供生产沼气的人畜粪便每年约有1410万吨,农作物秸秆等约850万吨,市政污物890万吨,这些总数达3150万吨的废弃物可产出相当欧共体1985年总能耗的3%左右的沼气 。如将海藻水生植物等也用来生产沼气,总潜力还可增加三倍 。
我国沼气生产潜力也很大,据测算,我国全部农作物废弃物和人畜粪便等,如全部入池发酵,每年就可制取沼气1000多亿立方米 。除可全部满足农村生活燃料需用外,还可供数百万个5~8千瓦的沼气动力站每天工作6小时 。从80年代初以来,全国平均每年新建沼气池近60万个,产气水平也逐步上升,沼气的利用已从生活领域走向生产领域,并开始从农村走向城镇 。
沼气是怎样产生的呢?从根本上说,是一种“发酵”的结果,也就是说,在极严格的厌氧条件下,即在没有氧气的情况下,复杂的有机物经多种微生物的分解与转化作用,特别是“产甲烷菌”的参与,使复杂有机物中的碳素化合物彻底氧化分解成二氧化碳,一部分碳素化合物彻底还原成甲烷的过程 。在这种复杂的发酵过程中,二氧化碳是碳素氧化的最终产物,甲烷则是碳素还原的最终产物 。被分解的有机碳化物中的能量大部分转化储存在甲烷中;一小部分有机碳化物被氧化成二氧化碳,所释放出的能量则用以满足微生物生命活动的需要 。
沼气池中生存着许多微生物,这些微生物由于在发酵过程中的作用不同,产生的产品不同,各自发挥功能,根据它们的作用不同,分为纤维素分解菌、脂肪分解菌、果胶分解菌 。按它们的代谢产物不同,分为产酸细菌、产氢细菌、产甲烷细菌 。实际上,在发酵过程中,它们的确是在相互协调、分工合作中完成沼气发酵的 。因此,“沼气发酵”是集纤维素发酵、果胶发酵、氢发酵、甲烷发酵等多种单一发酵于一“罐”的混合发酵过程 。
沼气发酵过程好比作战,可分为“三大战役”:
第一战役水解液化,这是发酵的第一阶段 。参加这一战役时前面谈到的四大“菌种”全部出动,其任务是将复杂的有机物分解成为较小分子的化合物 。它们各自使用自己的独特“攻击武器”——“胞外酶”,专攻击自己的猎物,使之能转化为可溶于水的物质 。比如,纤维分解菌,它能专门分泌一种纤维素酶,用它就可使纤维素“土崩瓦解”而溶于水,变为双糖或单糖 。蛋白质分解菌则可将蛋白质分解为氨基酸 。脂肪分解菌则可将脂肪分解为甘油和脂肪酸 。
对于用纤维素作主要发酵原料的沼气发酵,纤维分解菌就是这个战役中的主力军,它们的战斗力强弱,直接关系着沼气产量的多少 。
第二战役产酸,这是发酵的第二阶段 。参加这一战役的包括细菌、真菌和原生动物,其“主力军”是产醋酸菌“兵团”,它们的任务就是使第一战役的“战俘”进一步转化为小分子化合物,同时还要产生二氧化碳和氢气 。“生力军”是产氢细菌“兵团”,它们的任务就是使那些不能为产甲烷细菌所利用的中间产物进一步转化为乙酸、氢、二氧化碳等物质,以作为产甲烷菌用以生成甲烷的“军需品”,为产甲烷菌提供原料,准备下一阶段的最后战役 。
第一战役和第二战役是连续进行的,也统称为“不产甲烷阶段”,实际上这是一个甲烷原料的加工阶段 。
第三战役产甲烷,这是发酵的第三阶段 。这一战役的“主力军”就是产甲烷菌“兵团”了 。产甲烷菌是一类极其古老而又极其特殊的细菌,它们是沼气发酵过程中微生物食物链中最后一个战斗员,按它们的形态分为球菌、杆菌、八叠球菌和螺旋菌 。它们分别把“不产甲烷阶段”的战利品——氢、二氧化碳、乙酸(醋酸)、甲酸盐、乙醇等,都统一生成甲烷和二氧化碳 。它们的攻击目标——底物,虽不相同,但最终成果却都能改造成甲烷 。
整个沼气发酵的“战争”就这样胜利结束了 。在这里,立了最后奇功的是产甲烷菌 。因此人们把它誉为“核心中的核心” 。
目前,沼气的应用范围不断扩展,不仅能烧,还能作为汽车燃料使用 。近年来,美国通用电气公司加拿大分公司为加拿大生产了一批名叫“吕米娜”的以沼气为燃料的汽车 。用85%的沼气、15%的汽油混合燃料 。已交付10辆;1992年再交100辆;另生产2300辆运往美国市场 。加拿大是沼气生产大国,产量居世界首位 。