秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣資源化研究

王魯民 張 亮 夏曉芳

青島中科華通能源工程有限公司

秸稈厭氧消化產(chǎn)沼氣資源化研究

王魯民 張 亮 夏曉芳

青島中科華通能源工程有限公司

秸稈厭氧消化既消納了農(nóng)村有機(jī)廢棄物，又生產(chǎn)出沼氣和有機(jī)肥，有效緩解農(nóng)村地區(qū)面臨的能源和環(huán)境雙重壓力。文章綜述了秸稈厭氧消化過(guò)程中的影響因素，簡(jiǎn)要介紹了相關(guān)技術(shù)優(yōu)化研究進(jìn)展，并提出了規(guī)?；斩拝捬跸こ贪l(fā)展建議。

秸稈；厭氧消化；沼氣

1 前言

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷加速，農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化和環(huán)境保護(hù)問(wèn)題日益受到重視，農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵制取沼氣技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，通過(guò)對(duì)秸稈進(jìn)行厭氧消化處理，除能改善農(nóng)村環(huán)境外，還可生產(chǎn)清潔能源沼氣和沼渣沼液等優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥。我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈資源豐富。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年我國(guó)農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量達(dá)到7.9億噸。

農(nóng)作物秸稈含有大量有機(jī)質(zhì)和營(yíng)養(yǎng)元素，其中蘊(yùn)含大量化學(xué)能，是一種較理想的厭氧消化制沼氣原料，若將其轉(zhuǎn)化為可再生能源，將可有效緩解我國(guó)城鎮(zhèn)化進(jìn)程與農(nóng)村環(huán)境之間的矛盾，優(yōu)化農(nóng)村地區(qū)能源結(jié)構(gòu)。

2 厭氧消化基本原理

農(nóng)作物秸稈由大量的有機(jī)物和少量的無(wú)機(jī)物及水組成，其有機(jī)物的主要成分是纖維素、半纖維素和木質(zhì)素，此外還有少量的粗蛋白和粗脂肪。

秸稈厭氧消化是指在無(wú)氧條件下，秸稈中的可生物降解有機(jī)物被兼性和專性厭氧菌分解為自身生長(zhǎng)繁殖所需的物質(zhì)和能量，并最終轉(zhuǎn)化為甲烷和二氧化碳的過(guò)程。此過(guò)程非常復(fù)雜，當(dāng)前較為公認(rèn)的是三階段理論，即水解酸化階段、乙酸化階段和甲烷化階段

3 影響秸稈厭氧消化的因素

生物質(zhì)厭氧消化的影響因素多種多樣，環(huán)境因素包括溫度、pH值、氧化還原條件等，過(guò)程因素包括底物濃度、養(yǎng)分比例、水力停留時(shí)間等。根據(jù)秸稈理化性質(zhì)特點(diǎn)，影響其厭氧消化的主要因素有以下幾點(diǎn)：

3.1 溫度

溫度是影響秸稈分解速率和產(chǎn)氣量的最重要因素之一，秸稈厭氧消化溫度可分為常溫（25℃）、中溫（35℃）和高溫（55℃），由于秸稈在中溫條件下比常溫發(fā)酵周期短，但由于其代謝穩(wěn)定，對(duì)氨氮濃度以及溫度波動(dòng)等應(yīng)激因子有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，且中溫發(fā)酵比高溫發(fā)酵更具可靠性和便與工業(yè)化管理，現(xiàn)階段在實(shí)際應(yīng)用中占主導(dǎo)地位。

3.2 營(yíng)養(yǎng)及碳氮比

厭氧反應(yīng)器體系營(yíng)養(yǎng)由投配秸稈和生物質(zhì)供給，營(yíng)養(yǎng)配比中尤以碳氮比為重。碳氮比太高則反應(yīng)體系氮量相對(duì)不足，新陳代謝不充分致使有機(jī)質(zhì)不能完全轉(zhuǎn)化，且體系緩沖能力降低；碳氮比過(guò)低，反應(yīng)體系中較易形成氨氮累積，抑制微生物生長(zhǎng)。因此，高氮的生物質(zhì)原料與高碳的秸稈原料混合能夠提高厭氧消化效率。對(duì)于秸稈厭氧消化，碳氮比為（20-30）：1較為合理..

3.3 攪拌

攪拌的目的是使反應(yīng)體系各處溫度均勻，進(jìn)入的新秸稈與反應(yīng)體系內(nèi)熟料和功能微生物完全混合，防止分層。但由于秸稈密度小，進(jìn)入發(fā)酵罐易形成浮渣，反應(yīng)體系流動(dòng)性差，進(jìn)而導(dǎo)致傳質(zhì)效果和傳熱性不理想，反應(yīng)條件不易控制，有機(jī)酸或氨氮局部積累現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。因此，秸稈厭氧消化多采用不同攪拌形式相結(jié)合的方式，如立攪拌與側(cè)攪拌相結(jié)合、氣攪拌與機(jī)械攪拌相結(jié)合等。

3.4 pH值

秸稈厭氧消化過(guò)程中的水解酸化階段和乙酸化階段有大量酸性物質(zhì)產(chǎn)生，導(dǎo)致秸稈厭氧體系pH值下降，甲烷化階段利用以上階段產(chǎn)物為基質(zhì)轉(zhuǎn)化為甲烷，秸稈厭氧體系pH值升高。在以秸稈為單一底物的厭氧消化過(guò)程中，當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生改變時(shí)，極易發(fā)生有機(jī)酸積累問(wèn)題，進(jìn)而對(duì)各類微生物生長(zhǎng)代謝造成抑制，導(dǎo)穩(wěn)厭氧體系不穩(wěn)定。因此，秸稈厭氧消化的各參數(shù)條件需盡量保持穩(wěn)定，在正常厭氧消化過(guò)程中，體系三階段反應(yīng)保持在一個(gè)平衡狀態(tài)，基本無(wú)需調(diào)節(jié)pH值。

4 秸稈厭氧消化技術(shù)優(yōu)化

4.1 預(yù)處理

秸稈中所含的木質(zhì)素、半纖維素對(duì)纖維素的保護(hù)作用以及纖維素自身的晶體結(jié)構(gòu)，使得木質(zhì)纖維素形成致密不透水的高級(jí)結(jié)構(gòu)，致使體系功能菌種很難與纖維素接觸，影響了秸稈的水解和發(fā)酵。常見(jiàn)的秸稈預(yù)處理方法有物理法、化學(xué)法、生物法等，因化學(xué)法易造成二次污染，目前工業(yè)化生產(chǎn)多采用物理法和生物法相結(jié)合的方式對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理。

4.2 混合發(fā)酵

混合發(fā)酵是指按照一定的配比原則將秸稈與其他生物質(zhì)混合復(fù)配，從而改善發(fā)酵體系營(yíng)養(yǎng)狀態(tài)，混合發(fā)酵的有益效果包括：①降低單一秸稈底物碳氮比至合適范圍，提高秸稈碳元素利用率，提高產(chǎn)氣量；②增強(qiáng)厭氧發(fā)酵體系緩沖能力，緩解發(fā)酵過(guò)程中酸堿度變化對(duì)體系的沖擊；③利用多種底物協(xié)同效應(yīng)，提高體系功能性菌群活力，提高底物利用率。

4.3 工藝設(shè)備改進(jìn)

秸稈密度小、流動(dòng)性差，工業(yè)化生產(chǎn)過(guò)程中進(jìn)出料困難，厭氧反應(yīng)器內(nèi)易出現(xiàn)浮渣，體系內(nèi)酸積累易引起酸中毒現(xiàn)象。工藝方面，秸稈干發(fā)酵工藝成為當(dāng)前的一個(gè)研究熱點(diǎn)；設(shè)備方面，應(yīng)針對(duì)秸稈發(fā)酵開(kāi)發(fā)專用高濃度輸送技術(shù)和裝置、高效攪拌技術(shù)和裝備等。

5 結(jié)論及建議

在我國(guó)城鎮(zhèn)化快速發(fā)展過(guò)程中，農(nóng)村地區(qū)面臨著能源和環(huán)境雙重壓力，秸稈無(wú)害化、資源化綜合利用項(xiàng)目的建設(shè)運(yùn)營(yíng)勢(shì)在必行。我國(guó)秸稈沼氣行業(yè)發(fā)展迅速，但產(chǎn)業(yè)技術(shù)水平及產(chǎn)業(yè)模式相對(duì)落后，秸稈收儲(chǔ)運(yùn)商業(yè)模式、進(jìn)出料方式、傳質(zhì)傳熱效果、工程項(xiàng)目盈利模式等諸多問(wèn)題制約我國(guó)秸稈沼氣工程的發(fā)展。

針對(duì)我國(guó)秸稈發(fā)酵技術(shù)，應(yīng)加大研發(fā)投入，組織科技人員對(duì)其核心關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行攻關(guān)，建立技術(shù)先進(jìn)、管理科學(xué)的秸稈示范工程項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化推廣。針對(duì)我國(guó)秸稈發(fā)酵產(chǎn)業(yè)模式，國(guó)家應(yīng)出臺(tái)相關(guān)政策對(duì)規(guī)模化運(yùn)行良好的秸稈沼氣工程進(jìn)行扶持和鼓勵(lì)，制定相關(guān)補(bǔ)貼和獎(jiǎng)勵(lì)制度，探討秸稈沼氣工程盈利模式。

[1]袁志慧,尤朝陽(yáng),王磊,張路廣.秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)展[J].環(huán)?？萍?2015(2).

[2]李曉華,李揚(yáng)洋,張燕生,董仁杰.秸稈沼氣發(fā)酵的能效限度分析[J].可再生資源,2011(10).

[3]王亞靜,畢于運(yùn),高春雨.中國(guó)秸稈資源可手機(jī)利用量及其適宜性評(píng)價(jià)[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2010(9).

[4]錢(qián)玉婷,常志州,王世梅,吳軍偉,徐霄.有機(jī)溶劑對(duì)秸稈蠟質(zhì)層溶解和生物降解率的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009(5):1060～1064.