厭氧發(fā)酵沼氣工藝分析

摘 要 為了加快農(nóng)村沼氣建設(shè)，走科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、充分利用農(nóng)村資源，逐漸改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，繼而提升農(nóng)民的生活水平，促進作物秸稈沼氣發(fā)酵生產(chǎn)工藝得到發(fā)展。以某村小麥秸稈發(fā)酵原料為主，通過厭氧發(fā)酵CSTR工藝集中供給沼氣工程進行研究，經(jīng)研究產(chǎn)氣速率為0.73 m3/（m3·d），器內(nèi)的最大壓力3.48 kgCOD/（d·m3），甲烷的平均含量達到66.7%，且pH值隨著秸稈的發(fā)酵有明顯的變化，以逐漸適應(yīng)甲烷菌。

關(guān)鍵詞 秸稈；厭氧發(fā)酵技術(shù)；CSTR工藝

中圖分類號：S216.4 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.17.036

為了加快農(nóng)村沼氣池的建設(shè)及沼氣等方面的利用，國家農(nóng)業(yè)部在2000年3月啟動和實施了以沼氣綜合利用建設(shè)為重點的“生態(tài)家園富民計劃”[1]。加快農(nóng)村沼氣建設(shè)是走科技含量高、經(jīng)濟效益好、資源消耗低、環(huán)境污染少、充分發(fā)揮人力資源優(yōu)勢發(fā)展道路的必然要求；同時，它還能利用農(nóng)村資源，逐漸的改善農(nóng)村生態(tài)環(huán)境，繼而提升農(nóng)民的生活水平。

據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)表明，秸稈原料發(fā)酵的產(chǎn)氣量約為0.45 m3/（kg·TS）左右，與糞便的產(chǎn)氣量相差無幾，產(chǎn)氣潛力相當(dāng)不錯。豐富的秸稈資源，不受季節(jié)影響，每年可容納更大質(zhì)量的秸稈產(chǎn)氣量。生產(chǎn)的沼氣比動物相同的質(zhì)量要高得多。因此，厭氧發(fā)酵秸稈為原料生產(chǎn)沼氣發(fā)酵的局限性的一個突破，秸稈資源可以作為多個階段進行高效、高質(zhì)量的有機肥料[2]。因此，該項目的研究可以促進秸稈資源的綜合利用，同時提高秸稈沼氣的工程技術(shù)水平。

1 材料與方法

本研究采用的是CSTR反應(yīng)器對小麥秸稈進行發(fā)酵。在CSTR反應(yīng)器中，首先接種污水處理廠產(chǎn)生的厭氧污泥裝置中的污泥，污泥TS為17.2%。經(jīng)過秸稈不間斷的進入，完成污泥馴化。污泥馴化后，開始進高濃度懸浮液，直到產(chǎn)氣穩(wěn)定，pH>7為止。

本試驗主要選用好氧測定儀、BOD5和玻璃電極法，分別測定進出水的COD、BOD和PH值，并選用濕式流量計量測定出厭氧發(fā)酵過程中利用CSTR工藝所產(chǎn)生的氣體產(chǎn)量。參照國家農(nóng)業(yè)行業(yè)標準NY-525沼氣和沼氣成分-2002進行測定[3]。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率

秸稈中含有大量的固體顆粒不能立即通過厭氧菌分解產(chǎn)生氣體，只有部分溶解在液體中可以完全反應(yīng)，所以產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率均較低，直到第22天開始，氣體達到了17.3 L，這時新進的秸稈原料由于攪拌作用能夠快速的與發(fā)酵液融合在一起，產(chǎn)生的氣體也逐漸增多。等到第38天，氣體產(chǎn)氣量達到40.5 L，平均產(chǎn)氣速率為0.72 m3/（m3·d）。

2.2 進出水COD與容積負荷

CSTR消化器中物與料充分攪拌，免除了分層的狀態(tài)，使得液面上的有機懸浮物循環(huán)到反應(yīng)器的下部，使COD逐漸提高，主要原因在于第31天后，把上清液基本置換完成[4]?；瘜W(xué)需氧量的出現(xiàn)速度在55%～60%，但是氣渣液的出現(xiàn)情況在550 g/d，化學(xué)需氧量的出現(xiàn)速度在44 000 mg/L，消除在45%之下，不再進行填料后，使負荷降至500 g/d后發(fā)現(xiàn)運行狀況良好，平均出水COD值為11 268 mg/L，當(dāng)平均進水COD 55 600 mg/L，化學(xué)需氧量的消除效率是79.7%，器內(nèi)的最大壓力3.48 kgCOD/（d·m3）。

2.3 進水和出水pH的變化

進水的酸堿度在6～6.5內(nèi)，CSTR的出水酸堿度跟秸稈的進入器內(nèi)的變化關(guān)系。由于秸稈的預(yù)處理，降解的大顆粒物質(zhì)與甲烷菌的生長令反應(yīng)器趨于穩(wěn)定。

從第25天開始后，反應(yīng)器可承受的壓力值增大，酸堿度會從之前的降低，而器內(nèi)出現(xiàn)甲烷菌后，為了適應(yīng)它的繁殖，酸堿度又提高。根據(jù)秸稈量的不同，酸堿度都也有明顯的變化[5]。

2.4 氣體中產(chǎn)生的甲烷量

厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體主要CO2、硫化氫、CO和甲烷等，在實驗的第38天進行測量。秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體由高濃度的氫氧化鈉溶液吸收不僅操作方便，而且有較好的效果。利用置換反應(yīng)排出的氫氧化鈉溶液的體積從而可以確定甲烷的體積[6-8]。最后得出甲烷平均含量為66.7%。

3 結(jié)論

實驗中選用CSTR工藝，產(chǎn)氣速率為0.73 m3/（m3·d），器內(nèi)的最大壓力3.48 kgCOD/d·m3。pH值隨著秸稈量，秸稈的發(fā)酵有明顯的變化，逐漸適應(yīng)甲烷菌。沼氣中甲烷的平均含量為66.7%，該工藝采用恒溫連續(xù)進料或半連續(xù)加料操作[9-11]。與傳統(tǒng)的沼氣池相比，CSTR工藝的傳質(zhì)效果和微生物活性有明顯提高，發(fā)酵效率更高，同時縮短了水力停留時間（HRT）。

綜上所述，CSTR工藝對秸稈資源的利用運行成本低，含有高固體含量，天然氣生產(chǎn)飼料，有機負荷高的優(yōu)點，在中國秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣治理方面前景寬廣。

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（責(zé)任編輯：趙中正）