沼气是我国农村目前最有发展前景的可再生能源,由于我国是农业大国,丰富的农作废弃物作为产沼气的原料。并且相对成熟的发酵技术为减少环境污染、减轻燃料负担,降低碳的排放量,保护和改善生态环境起到巨大的作用。但是,在沼气池的实际运行中也存在一些普遍性的问题,主要表现在在寒冷地区,低温季节沼气产量明显减少。温度是影响沼气发酵的主要因素之一,温度下降到一定程度时,微生物活性会受到严重的抑制。现有的研究主要是针对嗜冷产甲烷菌的研究,对低温下厌氧发酵外源添加剂研究较少。为了提高低温厌氧发酵性能及产气率,本文以牛粪为发酵底物,在低温15℃下添加玉米秸秆、纤维素酶、螯合剂、微量元素及吸附剂作为外源促进剂的试验研究,通过不同投加量和正交试验的方法,通过考察产气量变化,进而挑选出最佳投加量及最佳组合方式。根据COD、挥发性脂肪酸(VFA)、辅酶F420、羧甲基纤维素(CMC)酶活力的变化趋势,探讨外源促进剂对低温牛粪厌氧发酵工艺的影响,对提高低温沼气发酵有一定的指导意义。(1)试验通过在低温15℃下牛粪与玉米秸秆以不同比例混合(1:1、2:1和3:1)厌氧发酵,得出牛粪与玉米秸秆1:1配比的发酵原料产气量最高,相对于配比比例为2:1、3:1的累积产气量分别提高了 34.5%和42.4%。随着发酵过程进行,COD的波动很大,牛粪玉米秸秆配比为1:1的发酵原料初期COD达到最大值,为13851.7mg/L。VFA与日产气量呈一定的相关性,发酵后期会出现酸累积。而辅酶F420与产气量之间关系不显著。发酵初期CMC酶活力变化显著。(2)试验通过在低温15℃下添加不同量纤维素酶0、0.25、0.5、0.75、1.0g.L-1进行牛粪厌氧发酵表明,添加纤维素酶的各组均有两次产气高峰,其中纤维素酶添加量为0.75g · L-1的产气量最高,添加纤维素酶各组总产气量相对空白组提高-15.3%、7.1%、18.8%、0.7%。各组牛粪厌氧发酵VFA达到高峰值的时期落后于产气量峰值;辅酶F420的变化趋势同步于产气量;CMC酶活力的峰值稍提前于产气量峰值变化。中期添加纤维素酶可以重新启动厌氧发酵的水解阶段。(3)试验通过低温15℃下以牛粪为发酵底物,进行了 Fe、Mn、Ni三因素三水平的正交试验。得出如下结论:最优的工艺参数组合为Fe(50mg·L-1),Mn(150mg·L-1),Ni(40mg·L-1)。在此工艺条件下产气量最高,最高值为177mL。微量元素Fe能够在低温下加快启动牛粪厌氧发酵,过多的添加微量元素会抑制产甲烷菌产甲烷。微量元素Fe的添加量超出一定浓度会对产甲烷菌产气有一定的抑制作用;Mn的添加量越多,产气量越大;Ni的添加量与产气量也成正相关性,只是后期上升幅度变小;各工艺条件下,日产气量的大小与VFA表现出一定的关系,微量元素Fe促进VFA的产生。(4)试验通过在低温15℃下添加两种不同的螯合剂乙二胺四乙酸(EDTA)(25g·L-1和50g·L-1)及柠檬酸(CA)(15g·L-1和30g·L-1)进行牛粪厌氧发酵表明,添加螯合剂的各组相对于空白组产气量提升4.43%,3.56%,25.52%,33.10%。微量元素和螯合剂的螯合作用可以增加发酵液中微量元素的浓度,而EDTA和Ni的螯合作用在低温下没有发挥作用。螯合剂可以化解脂肪酸的累积,激活产甲烷菌的活性,促进水解菌分解大分子有机物,从而提高厌氧发酵的性能。(5)试验通过低温15℃下添加不同量的活性炭0、5、10、15g ·L-1进行牛粪厌氧发酵表明。活性炭的添加量与日产气量成正相关性。活性炭添加量为15g·L-1的总产气量最高,添加活性炭的各组相对于空白组提高150%、190%、195%和237%。活性炭增加了微生物的接触面积,为发酵各阶段的微生物提供了良好的环境,大幅度提高了低温下牛粪厌氧发酵的产气量。COD越低产气量越高;活性炭能防止酸累积;辅酶F420与产气量的关系不显著;纤维素酶活力与产气量有一定的相关性。该项目的成功顺利实施,将对农村冬季沼气发酵问题的解决更加进一步,突破“低温”的沼气发酵瓶颈,实现低温条件下的高效产甲烷过程,不但可以极大拓宽沼气发酵技术的应用范围,而且对促进农村废物利用、保护和改善农村生态环境,对沼气事业的推广促进可持续发展、建设节约型社会具有重要的现实意义。