遼寧地區(qū)生物質(zhì)廢棄物沼氣發(fā)酵技術(shù)研究及展望

賈 蘭， 王東興， 趙 光， 周 鐸， 王 興

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 錦州 121001； 2.遼寧省環(huán)境監(jiān)察局, 遼寧 沈陽 110005)

項目來源： 遼寧省科學(xué)事業(yè)公益研究基金項目(2016002004)

遼寧地區(qū)生物質(zhì)廢棄物沼氣發(fā)酵技術(shù)研究及展望

賈 蘭1， 王東興1， 趙 光1， 周 鐸1， 王 興2

(1.遼寧工業(yè)大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院, 遼寧 錦州 121001； 2.遼寧省環(huán)境監(jiān)察局, 遼寧 沈陽 110005)

文章通過對遼寧省生物質(zhì)廢棄物沼氣發(fā)酵技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀進行調(diào)查，研究發(fā)現(xiàn)如何在低溫條件下實現(xiàn)厭氧消化處理生物質(zhì)廢棄物高效轉(zhuǎn)化是遼寧農(nóng)村沼氣推廣應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題和技術(shù)瓶頸。筆者針對低溫發(fā)酵問題進行闡述與分析，提出關(guān)于實現(xiàn)寒冷地區(qū)生物質(zhì)沼氣發(fā)酵裝置穩(wěn)定運行研究的新思路，在兩相厭氧發(fā)酵工藝基礎(chǔ)上引用太陽能技術(shù)、交變磁場技術(shù)、電氣石陶粒載體技術(shù)，構(gòu)建新型的太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發(fā)酵CSTR-IC系統(tǒng)，確保沼氣工藝高效運行穩(wěn)定，并對今后的研究發(fā)展進行探討與分析。

低溫； 生物質(zhì)廢棄物； 厭氧發(fā)酵； 沼氣

能源問題是社會和經(jīng)濟發(fā)展的決定性因素，它與環(huán)境問題相輔相成，傳統(tǒng)的以煤炭和石油為主要燃料的生產(chǎn)和生活方式已經(jīng)出現(xiàn)了許多弊端，綠色能源和可再生能源的優(yōu)勢逐漸顯露[1]。遼寧省作為東北老工業(yè)大省面臨著環(huán)境破壞嚴(yán)重、礦產(chǎn)資源枯竭、經(jīng)濟不斷下滑的種種窘境，唯有能源轉(zhuǎn)型才能為遼寧打破僵局，迎來更大的發(fā)展機會，所以，遼寧急需發(fā)展高效的清潔燃料能源產(chǎn)業(yè)以應(yīng)對能源短缺的問題[2]。在眾多清潔能源中有機固體廢棄物作為一種儲能大，來源廣，無污染的綠色能源具有其特有的優(yōu)勢，就全球范圍來看，有機固體廢棄物回收再利用的技術(shù)已經(jīng)非常成熟，尤其是利用有機廢棄物生產(chǎn)沼氣已經(jīng)得到廣泛認(rèn)可，被譽為是就煤、石油、天然氣之后的第4大能源[3]。

在我國，南方地區(qū)四季溫差不大，有機固體廢棄物產(chǎn)沼氣的模式已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中去，由于遼寧的氣候特點，南方現(xiàn)有的沼氣模式不能直接用來推廣，寒冷漫長的冬季制約了有機固體廢棄物的發(fā)酵，大大降低了產(chǎn)氣率，所以，突破氣候影響是解決北方生物質(zhì)回收利用的技術(shù)關(guān)鍵[4]。

筆者針對低溫條件下生物質(zhì)廢棄物的應(yīng)用技術(shù)進行闡述，基于Triz創(chuàng)新思想就發(fā)展適合遼寧地區(qū)利用生物質(zhì)廢棄物產(chǎn)生沼氣的模式提出新的研究思路，并對未來遼寧地區(qū)生物質(zhì)廢棄物的利用模式進行分析和探討。

1 遼寧地區(qū)生物質(zhì)廢棄物資源利用的現(xiàn)狀及存在問題

1.1 遼寧地區(qū)生物質(zhì)廢棄物資源利用的現(xiàn)狀

遼寧省耕地面積約為410萬公頃，近幾年，平均年產(chǎn)約200億公斤的秸稈。目前，遼寧秸稈綜合利用的方式和途徑為肥料化、飼料化、基料化、原料化和燃料化。其中重點發(fā)展方向則是肥料化、飼料化和燃料化。近年來，遼寧將秸稈固化成燃料的推廣也進展較緩，農(nóng)民的直接受益非常少，企業(yè)從秸稈的收集、運輸?shù)絻Σ?，再到加工等，投入較大[5]。全省幾乎各城市都在倡導(dǎo)并推廣生物質(zhì)鍋爐及秸稈燃料，但實際情況頗令人憂心。

遼寧省畜禽糞便據(jù)2015年統(tǒng)計，主要畜禽糞便年資源總量為1.483億t，主要包括豬糞、牛糞、雞糞三大糞源。主要處理方式還是傳統(tǒng)堆肥，畜禽糞便資源閑置浪費的比例仍然很高，據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，全省每年閑置的畜禽糞便量達2534萬t，占總量的17%。大量的畜禽糞便的處理不當(dāng)給環(huán)境造成嚴(yán)重的污染和有機碳源的浪費[6]。

近年來，遼寧省污水處理廠產(chǎn)生剩余污泥量每年約2500萬t。大型的污水處理廠主要在沈陽和大連，在建的污水處理廠集中在中小城鎮(zhèn)，分布較為分散，占全省污泥產(chǎn)生量的40%。傳統(tǒng)的剩余污泥的處理處置方式主要是填埋、投海和棄置堆放、焚燒等，操作簡單，節(jié)約成本，但是給土地、地下水帶來了嚴(yán)重的污染[7]。

1.2 有機廢棄物沼氣發(fā)酵技術(shù)在遼寧地區(qū)應(yīng)用的瓶頸

1.2.1 冬季厭氧發(fā)酵保溫技術(shù)的制約

產(chǎn)沼氣的一個重要因素是保證產(chǎn)甲烷的初級發(fā)酵細菌、次級發(fā)酵細菌及產(chǎn)甲烷菌等菌群代謝旺盛、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，其發(fā)酵產(chǎn)氣最佳適宜溫度是17℃～28 ℃，同時大量實驗表明15 ℃以下的溫度震蕩幾乎抑制了產(chǎn)甲烷各種菌落的活性，沼氣發(fā)酵系統(tǒng)運行將極不穩(wěn)定[8]。遼寧地區(qū)全年平均氣溫在7℃～-11 ℃之間，最高溫度和最低溫度相差60 ℃，很難保證厭氧發(fā)酵的最佳溫度。當(dāng)下比較成熟的自然溫度混合批次發(fā)酵工藝或半連續(xù)發(fā)酵工藝，其菌群不能適應(yīng)北方的惡劣氣候，無法進行大范圍的推廣。顯然，溫度問題是制約遼寧地區(qū)生物質(zhì)產(chǎn)沼氣的最大問題，雖然一些學(xué)者提出了從調(diào)控生態(tài)因子，增強保溫措施等方面來保證寒帶地區(qū)冬季厭氧發(fā)酵正常進行，然而，這些方案都未得到大規(guī)模的應(yīng)用[9]。所以，生物質(zhì)產(chǎn)沼氣的應(yīng)用在遼寧地區(qū)未能取得突破性的進展。

1.2.2 發(fā)酵底物種類的復(fù)雜性、非均衡性

遼寧地區(qū)所產(chǎn)作物種類復(fù)雜，包括小麥、水稻、玉米、高粱、大豆等上百種作物，其秸稈廢棄物的成分相差很大，而厭氧發(fā)酵過程對有機質(zhì)成分要求很高，不同有機質(zhì)產(chǎn)沼氣的條件各不相同，這就給推廣生物質(zhì)產(chǎn)沼氣技術(shù)提供了一個難題。另外，遼寧的畜禽業(yè)還未能真正實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，除了幾個大型的養(yǎng)殖廠外，畜禽一般由農(nóng)民自行飼養(yǎng)，大多都是一些中小型養(yǎng)殖廠，所以，其排泄物的成分比較復(fù)雜，收集也比較分散，目前，對于生物質(zhì)有機物pH值的把控技術(shù)未成熟，致使適合于遼寧地區(qū)的生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)始終未能在生物層面得到完善[10]。所以，在遼寧推廣厭氧發(fā)酵技術(shù)必須考慮其生物質(zhì)的分散性以及遼寧不同地區(qū)的不同特點。

1.2.3 微生物厭氧發(fā)酵效率不高

目前，對于微生物厭氧發(fā)酵的研究主要是關(guān)于微生物的分子生物學(xué)水平、沼氣發(fā)酵添加劑的研究以及厭氧消化動力學(xué)模型的建立等方面，我國自 20 世紀(jì) 90 年代，中科院以及國家海洋局在低溫微生物、酶類及低溫菌株的分子鑒定方面進行了研究，成功篩選出低溫菌株并進行了分子生態(tài)學(xué)分析[9]，進而對低溫沼氣發(fā)酵微生物生長代謝機理的研究成為目前的研究趨勢，但是對提高厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)氣率的技術(shù)方法的研究甚少。

2 遼寧地區(qū)有機廢棄物沼氣發(fā)酵的新理論、新思路的提出

2.1 新型保溫材料和太陽能技術(shù)在厭氧發(fā)酵裝置上的應(yīng)用

沼氣發(fā)酵需要經(jīng)過4個關(guān)鍵階段，第2階段的水解過程和第3階段的酸化過程是第4階段產(chǎn)氣階段的基礎(chǔ)和前提，其中反應(yīng)過程的溫度高低直接關(guān)系到各個階段的反應(yīng)進程和強度，是反應(yīng)階段中的決定性因素，大量實驗表明產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷的最佳溫度也略有差異，因此，對產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相實施分別控溫能夠取得更好的反應(yīng)效果[11]。由于厭氧發(fā)酵自身的特點決定直接在發(fā)酵期表面添加保溫材料或是利用水循環(huán)系統(tǒng)進行控溫很難在遼寧寒冷的冬季完成沼氣發(fā)酵過程，所以，把反應(yīng)系統(tǒng)放進大棚或建筑房屋進行保溫和控溫是遼寧地區(qū)中小型沼氣發(fā)酵的必經(jīng)之路，近年來，市場上出現(xiàn)了許多新型的保溫材料和太陽能產(chǎn)品，薄膜光伏太陽能大棚是中小型厭氧發(fā)酵裝置冬季最佳的保溫裝置，非晶硅薄膜式太陽能電池是光伏太陽的核心技術(shù)，由于其厚度超薄、易于切割、選擇性透光等特點，已經(jīng)實現(xiàn)了太陽能大棚空間內(nèi)自由控溫、控濕，能夠保證厭氧發(fā)酵一直處于一個最佳的運行溫度[12]。

2.2 交變磁場與兩相厭氧發(fā)酵CSTR-IC技術(shù)協(xié)同作用

在微生物進行厭氧發(fā)酵時，自身不斷產(chǎn)生比較微弱的電流，而電流的出現(xiàn)證明了微生物相互作用是在一個電磁場中進行，影響這一電磁場的主要因素是微生物的蠕動速度和反應(yīng)器中固液態(tài)物質(zhì)的流速，所以，適當(dāng)調(diào)節(jié)固液態(tài)物質(zhì)的流速，可以刺激微生物的新陳代謝，提高其產(chǎn)氣效率[13]。目前，較為先進的旋流態(tài)技術(shù)較傳統(tǒng)的厭氧發(fā)酵方式表現(xiàn)出了絕對的優(yōu)勢。旋流態(tài)技術(shù)的產(chǎn)生表明研究微生物厭氧發(fā)酵技術(shù)從宏觀上必須考慮為微生物提供一個適宜其新陳代謝的磁場，因此，利用磁場的交變技術(shù)和旋流內(nèi)外循環(huán)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)明一種高效的微生物發(fā)酵裝置，能從根本上改善厭氧發(fā)酵的速率，使其迅速得到應(yīng)用[14]。此外，交變磁場在電極轉(zhuǎn)化的過程中還會產(chǎn)生一定的熱量，這對北方寒冷冬季進行微生物厭氧發(fā)酵又是一大幫助。交變磁場可以處理進料和進水中的有害細菌，保證反應(yīng)器中微生物菌群的穩(wěn)定性，改變進水中鈣、鎂離子的晶態(tài)，方解石型晶體易于清除，不易結(jié)垢，可以大大改善厭氧發(fā)酵表面大面積硬化結(jié)成的現(xiàn)象[15]。

2.3 電氣石陶粒載體生物強化技術(shù)

電氣石是一種結(jié)構(gòu)為環(huán)狀硅酸鹽晶體的礦物質(zhì)。研究證明，電氣石的主要功能是自發(fā)調(diào)節(jié)水體的氧化還原電位和pH值，電氣石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，價格低廉。陶粒本身具有良好的物理、化學(xué)和水力性能以及較好的機械強度[16]。電氣石陶粒載體是具有特殊功能的新型載體，在產(chǎn)酸相和產(chǎn)氣相內(nèi)引用載體催化技術(shù)，能夠起到促進產(chǎn)酸和產(chǎn)氣微生物菌群生長的作用，可以提高系統(tǒng)的運行速度和產(chǎn)氣量[17]。

3 太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的構(gòu)建

沼氣發(fā)酵技術(shù)推廣應(yīng)用前提是設(shè)計一款簡單、實用、穩(wěn)定、占地面積小且四季均能工作的高效沼氣發(fā)酵系統(tǒng)[18]。在兩相厭氧發(fā)酵技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合生物學(xué)、電化學(xué)等原理設(shè)計了一款適合遼寧農(nóng)村地區(qū)家庭式太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發(fā)酵反應(yīng)系統(tǒng)如圖1所示。整個反應(yīng)系統(tǒng)置于一個約6平方米的太陽能光伏大棚中，動力、保溫系統(tǒng)的能量均來自太陽能光伏的儲電系統(tǒng)，太陽能光伏保溫棚可保證控制系統(tǒng)運行溫度在23℃～35℃之間。太陽能保溫罩內(nèi)安裝有預(yù)處理槽、產(chǎn)酸相和產(chǎn)沼氣相。預(yù)處理槽上部槽身為0.5 m×0.5 m的方形，下部采用錐形，其錐形坡度為45°，由下部出料，槽身配有頻率為12～18kH的交流變頻器，預(yù)處理的填料由蠕動泵傳送到產(chǎn)酸反應(yīng)系統(tǒng)當(dāng)中；產(chǎn)酸反應(yīng)器和產(chǎn)甲烷反應(yīng)器均為圓柱形，產(chǎn)酸系統(tǒng)中配有一個機械攪拌器和5個電氣石投料網(wǎng)槽及網(wǎng)槽起降系統(tǒng)，產(chǎn)酸系統(tǒng)的反應(yīng)底物再由蠕動泵傳送到產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，產(chǎn)甲烷系統(tǒng)同樣配有一個機械攪拌器和5個電氣石投料網(wǎng)槽及網(wǎng)槽起降系統(tǒng)，在兩個主反應(yīng)器中均設(shè)自動調(diào)溫系統(tǒng)。產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相的容積比例為1∶4.5，由于產(chǎn)酸相的過程內(nèi)部物質(zhì)相態(tài)變化較慢且同時伴有少量氫氣產(chǎn)出，采用反應(yīng)器徑高比為1∶1時容積最大的設(shè)計原理，設(shè)產(chǎn)酸性相半徑為0.3 m，產(chǎn)酸相高0.6 m，容積為0.16 m3。產(chǎn)甲烷相系統(tǒng)徑高比設(shè)計為1∶4，產(chǎn)甲烷相半徑設(shè)為0.22 m，其高度設(shè)為1.76 m，容積0.72 m3，兩相反應(yīng)器總?cè)莘e0.88 m3。

圖1 太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發(fā)酵CSTR-IC系統(tǒng)示意圖

該新型厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣裝置的運行程序如下：首先將C∶N約為16∶1～25∶1的生物質(zhì)廢棄物底料導(dǎo)入預(yù)處理槽處置7～9天，將預(yù)處理完的廢棄物經(jīng)過蠕動泵導(dǎo)入產(chǎn)酸相，加水和磷酸調(diào)節(jié)其總固量到5%～10%，pH值為6.8左右，配以混合物體重量的25%左右的沼液進行酸化反應(yīng)7～9天，當(dāng)pH值在7左右時將酸化液輸?shù)疆a(chǎn)沼氣相中，同時配置底料體積20%左右的沼液，20天左右開始產(chǎn)沼氣，裝置運行16天左右可以持續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣。

日總產(chǎn)氣量計算如公式(1)所示：

G=βRV=1.7628

(1)

式中：G為日總產(chǎn)氣量，m3·d-1；R為發(fā)酵產(chǎn)氣率；β為優(yōu)化系數(shù)。

由以上計算可得此系統(tǒng)每日產(chǎn)氣1.7 m3左右，可以滿足一個5口之家的日常用氣。

該新型太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發(fā)酵CSTR-IC系統(tǒng)特點:一是利用太陽能光伏大棚為生物質(zhì)發(fā)酵產(chǎn)沼氣系統(tǒng)提供了適合溫度；二是在預(yù)處理槽內(nèi)引用交變電磁技術(shù)，防止生物質(zhì)廢物結(jié)垢，同時具有殺菌的作用；三是在產(chǎn)酸相和產(chǎn)氣相內(nèi)引用載體催化技術(shù)，內(nèi)置電氣石陶粒載體，起到促進產(chǎn)酸和產(chǎn)氣微生物菌群生長的作用，提高了系統(tǒng)的運行速度和產(chǎn)氣量；四是安裝簡單、易操作、產(chǎn)氣穩(wěn)定，適合廣大北方地區(qū)農(nóng)戶以家庭為單位自行安裝使用。

4 展望與建議

目前，遼寧地區(qū)全面推行沼氣發(fā)酵過程中，由于保溫、控制、微生物等各個領(lǐng)域的技術(shù)不夠成熟，阻礙了沼氣工程的推廣應(yīng)用，但只要突破低溫發(fā)酵技術(shù)瓶頸遼寧省沼氣能源的推廣應(yīng)用仍然具有廣闊的發(fā)展前景。利用農(nóng)作物秸稈、畜禽糞便、其他有機廢棄物，重點發(fā)展規(guī)?；锾烊粴夂图彝ナ秸託夤こ探ㄔO(shè)，集中科研力量解決低溫條件下厭氧消化處理生物質(zhì)廢棄物的高效轉(zhuǎn)化，研發(fā)新型的適合寒冷條件下的厭氧發(fā)酵裝置，相信遼寧省的生物質(zhì)廢棄物問題必將得到有效解決，并且實現(xiàn)資源化利用。國家發(fā)展改革委和農(nóng)業(yè)部提出“十三五”期間，投資500 億元發(fā)展沼氣工程，必然會給生物質(zhì)廢棄物的資源化利用提供平臺，傳統(tǒng)意義上的溫度制約北方沼氣發(fā)酵技術(shù)推廣的瓶頸正在逐步被打破，希望遼寧沼氣發(fā)酵技術(shù)能夠更加成熟，早日得到大范圍推廣。

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BiogasTechnologyinLiaoningProvinceandExpectation

/JIALan1,2,WANGDong-xing1，ZHAOGuang1,ZHOUDuo1,WANGXing2

/ (1.SchoolofChemistryandEnvironmentalEngineering，LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China； 2.LiaoningProvinceEnvironmentalSupervisionBureauLiaoning,Shenyang110005,China)

Through the investigation on present situation of anaerobic techniques and applications in Liaoning province, it was showed that high efficient conversion of biomass waste under low temperature was a key problem. The low temperature techniques were elaborated and analyzed in this paper and some new ideals for realizing stable operation proposed for biogas devices in cold regions。 Based on the two-phase fermentation，bringing in the techniques of solar energy, alternating magnetic field and tourmaline ceramic carrier,a new two-phase anaerobic fermentation CSTR-IC system was proposed.

low temperature; biogas technology; biomass waste; anaerobic fermentation

2017-07-10

2017-07-24

賈 蘭(1982-)，女，遼寧海城人，副教授，主要從事環(huán)境污染控制方面的研究，E-mail: jialan.lan@163.com

S216.4; X712

B

1000-1166(2017)05-0075-04