黑龍江省水稻秸稈厭氧發(fā)酵制取沼氣的主要工藝條件研究

金中波，于海明，張雪峰，秦春蘭，謝秋菊，莊衛(wèi)東，胡軍

（1. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319；2. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院）

沼氣在我國的應(yīng)用已經(jīng)有一個多世紀的歷史，目前已形成了鄉(xiāng)村集中供氣、沼氣發(fā)電、沼渣綜合利用，以及以沼氣為紐帶的生態(tài)家園富民工程，近年來，中央政府出臺了一系列相關(guān)政策支持農(nóng)村沼氣建設(shè)并且不斷加大資金投入，為沼氣工程的發(fā)展創(chuàng)造了優(yōu)越的外部環(huán)境條件。

黑龍江省位于我國最東北部，氣候為溫帶大陸性季風(fēng)氣候，為水稻種植提供了良好的環(huán)境。從2010年至今，我省水稻種植面積逐年遞增，2010 年297.33萬hm2，2011 年343.4 萬hm2，2012 年353.3 萬hm2。水稻種植面積的遞增既保證了增產(chǎn)增收，也提供了大量的水稻秸稈資源。然而，我省秸稈資源的利用率低、轉(zhuǎn)化率低、經(jīng)濟效益低，大部分秸稈資源被廢棄或直接焚燒，造成了資源浪費和環(huán)境污染，其價值沒有充分體現(xiàn)。因此，豐富的水稻秸稈資源為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的應(yīng)用提供了有利的內(nèi)部發(fā)展條件。

1 沼氣發(fā)酵的原理

沼氣發(fā)酵又稱厭氧消化，是指各種有機物在厭氧條件下，被各類沼氣發(fā)酵微生物分解轉(zhuǎn)化，最終生成沼氣的過程。目前比較公認的有機物厭氧消化理論是Bryant 在1979 年提出的三階段理論，如圖1 所示。

圖1 厭氧消化三階段示意圖Fig.1 Schematic diagram of three-steps anaerobic fermentation

三階段理論包括：

第一階段為水解發(fā)酵階段。在該階段，復(fù)雜的有機物在厭氧菌胞外酶的作用下，首先分解成簡單的有機物，繼而這些簡單的有機物在產(chǎn)酸菌的作用下經(jīng)過厭氧發(fā)酵和氧化轉(zhuǎn)化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇類。

第二階段為產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸階段。在該階段，產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一階段產(chǎn)生的中間產(chǎn)物轉(zhuǎn)化成乙酸和氫，并有CO2產(chǎn)生。

第三階段為產(chǎn)甲烷階段。在該階段，產(chǎn)甲烷菌把第一階段和第二階段產(chǎn)生的乙酸、H2和CO2等轉(zhuǎn)化為甲烷。

沼氣發(fā)酵是一個比較復(fù)雜的過程。在實際的沼氣發(fā)酵過程中，上述三個階段是相互銜接和相互制約的，它們之間保持著動態(tài)平衡，從而使基質(zhì)不斷分解，沼氣不斷形成。

2 水稻秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的主要工藝條件

沼氣發(fā)酵微生物要求適宜的生活條件，對溫度、酸堿度及其他各種環(huán)境因素都有一定的要求。沼氣發(fā)酵工藝條件就是在工藝上滿足微生物的這些生活條件，使它們在合適的環(huán)境中生活，以達到發(fā)酵旺盛，產(chǎn)氣量高。因此，控制好沼氣發(fā)酵的工藝條件是維持正常發(fā)酵產(chǎn)氣的關(guān)鍵。概括起來，影響我省水稻秸稈產(chǎn)沼氣的工藝條件主要有以下幾個方面：

2.1 適宜的溫度

沼氣發(fā)酵微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動，因此發(fā)酵溫度是影響沼氣發(fā)酵的重要因素。在一定溫度范圍內(nèi)，產(chǎn)氣量隨溫度的升高而提高，但產(chǎn)氣量并不是始終與溫度的增高成正相關(guān)[1]，如圖2 所示。

圖2 溫度對產(chǎn)氣量的影響Fig.2 Effect of biogas production on temperature

黑龍江省低溫寒冷時間長達半年左右，農(nóng)村中的沼氣池采用在自然溫度下進行發(fā)酵，發(fā)酵料液的溫度隨氣溫和季節(jié)變化而變化。這種發(fā)酵產(chǎn)氣方式的優(yōu)點是設(shè)備簡單，缺點是全年產(chǎn)氣量會有很大變化，溫度的突然變化會對產(chǎn)氣造成很大影響，尤其是冬季，經(jīng)常由于溫度過低影響產(chǎn)氣，特別是當溫度一次性下降5 ℃時，會停止產(chǎn)氣，影響正常使用。為了使沼氣池在低溫條件下也能夠產(chǎn)氣，需要采取保溫和增溫措施。

自動加熱恒溫系統(tǒng)主要由太陽能熱水器、換熱器、換熱管、溫度自動控制系統(tǒng)、循環(huán)水泵和其他輔助部件組成[2]，如圖3 所示。

圖3 沼氣池自動加熱恒溫系統(tǒng)Fig.3 Automatic heating thermostatic system

系統(tǒng)檢驗合格后，運行太陽能熱水器系統(tǒng)，當太陽能熱水器內(nèi)水溫達到設(shè)定的臨界溫度時，熱量通過太陽能側(cè)循環(huán)水泵，送至沼氣池內(nèi)的換熱器和換熱管；當太陽能熱水器內(nèi)水溫低于設(shè)定的臨界溫度時，則關(guān)閉太陽能側(cè)循環(huán)水泵，待水溫達到要求后重新啟動太陽能側(cè)循環(huán)水泵。沼氣池、分集水器及池體內(nèi)的換熱器與換熱管組成系統(tǒng)的熱量循環(huán)和控制系統(tǒng)。池體內(nèi)溫度由溫度傳感器進行檢測，并通過溫度自動控制系統(tǒng)進行控制，從而保證正常的反應(yīng)溫度[3]。

2.2 秸稈的預(yù)處理

由于秸稈纖維素中碳氫比過低導(dǎo)致秸稈中能源密度較低，需要通過一定的處理方法將秸稈中纖維素降解，從而提高碳氫比并增加能源密度。水稻秸稈中富含蠟質(zhì)且纖維素聚合度更高，比玉米秸稈和小麥秸稈更難被降解，水解酸化緩慢、產(chǎn)氣周期長、利用效率低，因此必須利用預(yù)處理技術(shù)提高秸稈的可降解程度[4]。

試驗過程采用氨化處理水稻秸稈。將稻秸剪成2～3 cm 的小段，風(fēng)干備用。接種物為實驗室沼氣中厭氧發(fā)酵后的沼液。試驗時將接種物與稻秸混合至總固體質(zhì)量分數(shù)（TS）為20% 左右。秸稈氨化的機理為：在秸稈氨化過程中，氨與秸稈中的有機質(zhì)發(fā)生氨解反應(yīng)，破壞木質(zhì)素與纖維素和半纖維素鏈間的酯鍵，并形成氨鹽。氨溶于水形成氫氧化氨，呈堿性。堿能使秸稈纖維內(nèi)部的氫鍵結(jié)合變?nèi)?，使纖維分子膨脹，并且能皂化糖醛酸和乙酸的酯鍵，中和游離的糖醛酸，使細胞壁成分中的纖維素和木質(zhì)素間的聯(lián)系削弱以及半纖維素被溶解，因而更有利于厭氧消化。氨化后的稻秸，半纖維素從27.63%下降到24.32%，降解率為12%，試驗結(jié)果證明氨化后的稻秸更有利于厭氧消化[5]。

2.3 接種物與原料的不同比例

接種物與原料的不同比例是影響水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度和產(chǎn)氣量的重要因素，合適的接種物原料比對提高沼氣產(chǎn)氣速率、沼氣產(chǎn)氣量、秸稈利用率等有著重要的影響[6]。

試驗接種物與原料與上相同，試驗時將二者混合至總固體質(zhì)量分數(shù)（TS）為20%。試驗在反應(yīng)瓶中進行，以量桶計量排出的液體，試驗裝置如圖4 所示。在35±1 ℃恒定溫度進行發(fā)酵試驗，水稻秸稈50 g，接種物分別為25、50、100 g，將接種物與原料配成質(zhì)量比為0.5∶1，1∶1，2∶1，加水至1 L。接種物與原料的不同配比時，日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量對比情況如圖5、圖6 所示。

圖4 厭氧發(fā)酵裝置圖Fig.4 Diagram of anaerobic fermentation installation

圖5 接種物與原料的不同配比對日產(chǎn)氣量的影響Fig.5 Effect of daily biogas production on different proportions of inoculums and raw materials

圖6 接種物與原料的不同配比總產(chǎn)氣量的影響Fig.6 Effect of total biogas production on different proportions of inoculums and raw materials

由圖5 試驗結(jié)果可見：產(chǎn)氣高峰期出現(xiàn)最早的是接種物與原料比為2∶1 的試驗，接種物與原料比為0.5∶1、1∶1 的試驗較晚；在發(fā)酵期內(nèi)，接種物與原料比為2∶1 的試驗的日產(chǎn)氣量明顯高于接種物與原料比為0.5∶1、1∶1 的試驗；隨著厭氧發(fā)酵的進行，各試驗產(chǎn)氣量開始逐漸下降，但接種物與原料比為2∶1 的試驗在第13 天后產(chǎn)氣量變化不明顯，保持較為平穩(wěn)；接種物與原料比為0.5∶1∶1 試驗在發(fā)酵進行到第15 天左右時，產(chǎn)氣量開始回升，出現(xiàn)了第二個產(chǎn)氣高峰，持續(xù)近10 天后開始下降并趨于穩(wěn)定。

從圖6 結(jié)果可知：接種物與原料比為0.5∶1 試驗的總產(chǎn)氣量低于接種物與原料比為1∶1、2∶1 的試驗的總產(chǎn)氣量，而接種物與原料比為1∶1 與2∶1 兩組試驗的總產(chǎn)氣量差別并不太大。

因此，通過圖5、圖6 試驗結(jié)果對比可以得知，接種物與原料比為1∶1 的試驗對沼氣產(chǎn)氣量的影響最為明顯。

2.4 適當?shù)乃釅A度

pH 值是影響厭氧發(fā)酵的重要因素之一，pH 值較低或較高都對產(chǎn)氣有抑制作用。這是因為pH 值不僅直接影響生物體內(nèi)各種酶的催化活性及代謝途徑，還能影響生物細胞的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，引起生物體催化效果的改變，造成生物的代謝速率與生物處理能力下降。因此，適宜的酸堿度對沼氣厭氧發(fā)酵的效果有著極其重要的作用[7]。

試驗裝置如圖4 所示，在35±1 ℃恒定溫度進行發(fā)酵試驗，水稻秸稈50 g，接種物50 g，加水至1 L，將裝置中發(fā)酵液pH 值分別調(diào)至5.5、7.0、8.5。不同pH 值時，日產(chǎn)氣量和總產(chǎn)氣量對比情況如圖7、圖8 所示。

圖7 不同pH 值對日產(chǎn)氣量的影響Fig.7 Effect of daily biogas production on different pH value

圖8 不同pH 值對總產(chǎn)氣量的影響Fig.8 Effect of total biogas production on different pH value

由圖7 可知：pH 值為7.0 時出現(xiàn)兩次產(chǎn)氣高峰期，第一次是在發(fā)酵第5～12 d，第二次是在發(fā)酵第16～23 d；pH 值5.5、8.5 時，只有一次產(chǎn)氣高峰期。在產(chǎn)氣高峰期的時間上，pH 值8.5 的出現(xiàn)最早，pH 值7.0 次之，pH 值5.5 最晚。

由圖8 結(jié)果可見：pH 值7.0 試驗在總產(chǎn)氣量上明顯高于其他試驗，這表明，在不同pH 條件下，產(chǎn)甲烷菌群受到不同程度的抑制，使產(chǎn)氣量出現(xiàn)差異。

綜上得知，當沼氣池內(nèi)的pH 值一直保持為7.0左右時，發(fā)酵能夠正常運行，同時水稻秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣效率高。

3 結(jié)論

（1）研究溫度對水稻秸稈厭氧發(fā)酵制沼氣的影響，設(shè)計了沼氣池自動保溫增溫系統(tǒng)，保證沼氣發(fā)酵的適宜溫度，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)氣。

（2）研究水稻秸稈預(yù)處理對厭氧消化的影響，采用氨化處理水稻秸稈，使纖維素被溶解，提高了水稻秸稈可降解程度，有利于厭氧消化。

（3）研究接種物與原料的不同配比對產(chǎn)氣量的影響，合適的接種物與原料的配比有利于提高產(chǎn)氣量。接種物與原料比例為1∶1 試驗中的總產(chǎn)氣量與比例為2∶1 的試驗區(qū)別不大，但是高于接種物與原料比為0.5∶1 的試驗產(chǎn)氣量。所以接種物與原料配比為1∶1 更有助于提高沼氣的產(chǎn)氣量。

（4）研究不同發(fā)酵pH 值對水稻秸稈厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣量的影響，pH 值為7.0 試驗中的總產(chǎn)氣量最高，pH 值為5.5 和8.5 時，產(chǎn)氣量則較低，表明在不同pH 條件下，產(chǎn)甲烷菌群受到不同程度的抑制，使產(chǎn)氣量出現(xiàn)差異。所以，沼氣發(fā)酵的pH 值為7.0 左右時更有助于提高沼氣的產(chǎn)氣量。

［1］ 李慶達，于海明，張偉，等.稻秸稈生物質(zhì)成型燃料物理特性的研究［J］. 黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報，2012，24（4）：11-14.

［2］ 于海明，周嶺.高效沼氣反應(yīng)裝置的設(shè)計［J］.可再生能源，2007，25（1）：20-23.

［3］ 于海明，周嶺，丁羽，等.高效生物膜反應(yīng)裝置中加熱恒溫系統(tǒng)的設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2006，11（11）：187-189.

［4］ 孫辰，劉榮厚，覃國棟.蘆筍秸稈預(yù)處理與厭氧發(fā)酵制取沼氣試驗［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2010，41（8）：94-99.

［5］ 郭大偉，包軍.不同氨化方法對稻草氨化效果及羔羊生產(chǎn)性能的影響［J］.營養(yǎng)飼料，2010，46（15）：55-58.

［6］ 邵明勝. 水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝條件的研究［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2009.

［7］ 王永澤，邵明勝，王志，等.pH 值對水稻秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響［J］. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37（31）：15093-15094.