玉米秸稈連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷研究

劉 雙 武 月 李經(jīng)緯 董仁杰,2 曲 威

1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東 煙臺(tái) 264670；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 北京 100086

中國作為農(nóng)作物種植大國，擁有豐富的農(nóng)作物資源，每年所產(chǎn)生的農(nóng)作物秸稈有8億～9億t，居世界之首[1]。目前農(nóng)作物秸稈的主要處置方式有直接還田、用于養(yǎng)畜、能源化利用、用于食用菌種植、作為工業(yè)原料等。由于存在系列關(guān)鍵難題制約秸稈的可持續(xù)處理和利用，每年尚有大量秸稈被焚燒。秸稈燃燒熱值低，不僅造成資源浪費(fèi)，而且污染環(huán)境，毀壞樹木和耕地[2]。將這些農(nóng)作物秸稈作為能源物質(zhì)加以利用，不僅可以改善農(nóng)村秸稈堆積的環(huán)境狀態(tài)，而且能夠?qū)崿F(xiàn)秸稈的合理利用。

近幾年來，隨著畜禽養(yǎng)殖業(yè)的快速發(fā)展，規(guī)?；B(yǎng)殖場年產(chǎn)畜禽糞污量高達(dá)38億t。大量的畜禽糞污未經(jīng)處理而排放，使得其中含氮化合物在無氧條件下分解成氨氣、甲胺、硫化氫等物質(zhì)。這些氣體會(huì)導(dǎo)致人和家畜感染呼吸道疾病，危害人體健康和畜禽產(chǎn)品的質(zhì)量，同時(shí)嚴(yán)重污染了養(yǎng)殖場周邊環(huán)境。為解決大量閑置農(nóng)作物秸稈和區(qū)域內(nèi)養(yǎng)殖場糞污污染問題，采用厭氧發(fā)酵處理農(nóng)作物秸稈和畜禽糞污水產(chǎn)沼氣是一條清潔高效的途徑。以農(nóng)作物秸稈和畜禽養(yǎng)殖糞污水為主要原料進(jìn)行濕式厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，不僅能解決農(nóng)戶生活用能，而且可以改善農(nóng)村衛(wèi)生環(huán)境。

據(jù)調(diào)查，中國以秸稈類物質(zhì)為主要原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵的沼氣工藝有多種，按照反應(yīng)器類型及進(jìn)出料方式，可分為覆膜槽式、完全混合式、推流式、一體化兩相等，其中利用完全混合式反應(yīng)器進(jìn)行厭氧發(fā)酵是秸稈沼氣工程推薦工藝之一。本研究擬采用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器完全混合式厭氧反應(yīng)器（CSTR）進(jìn)行玉米秸稈的濕式連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究，分析不同物料的單位干物質(zhì)（TS）濃度和固物滯留時(shí)間對(duì)玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響，對(duì)秸稈沼氣工程或以秸稈為主要原料的沼氣工程運(yùn)行具有很好的指導(dǎo)意義。

1 材料與方法

1.1 材料

玉米秸稈取自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院內(nèi)種植實(shí)驗(yàn)基地。玉米秸稈在地里自然風(fēng)干，整體呈暗黃色。實(shí)驗(yàn)前，將玉米秸稈剪成小段后放入粉碎機(jī)，打成3～5 mm的顆粒，裝于透明密封袋中待用。豬糞水取自煙臺(tái)市牟平區(qū)養(yǎng)豬場，取回后置于4 ℃冷藏室中保存。接種物取自實(shí)驗(yàn)室內(nèi)正常運(yùn)行的沼氣發(fā)酵罐的新鮮出料，該沼氣發(fā)酵罐運(yùn)行溫度為37 ℃。

1.2 連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用連續(xù)攪拌釜式反應(yīng)器（以下簡稱反應(yīng)器）進(jìn)行玉米秸稈連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)。反應(yīng)器總體積為5 L，有效體積為4 L，發(fā)酵溫度為37℃±1℃。反應(yīng)器采用電熱絲纏繞外壁進(jìn)行加熱，內(nèi)置溫控探頭控制電熱絲加熱，同時(shí)反應(yīng)器外包保溫棉進(jìn)行保溫。反應(yīng)器采用連續(xù)攪拌，轉(zhuǎn)速設(shè)置為30～60 rpm，反應(yīng)器內(nèi)物料能夠均勻混合。

秸稈發(fā)酵的物料停留時(shí)間（solid matter retention time，SRT）分別為30 d、20 d和15 d，通過梯度提高進(jìn)料TS，分別為6%、8%和10%，每天定時(shí)進(jìn)出料。反應(yīng)器運(yùn)行初期采用玉米秸稈與豬糞水混合進(jìn)料。穩(wěn)定運(yùn)行后，出料料液采用100目網(wǎng)篩將發(fā)酵殘?jiān)鼮V除，濾液用于配制進(jìn)料料液并回用至發(fā)酵罐中，進(jìn)料料液體積不足出料體積時(shí)采用豬糞水補(bǔ)足。

1.3 分析方法

干物質(zhì)的測定采用105℃ 烘24 h，差重法測定。揮發(fā)性固體的測定采用550℃ 灼燒4 h，差重法測定。甲烷含量采用便攜式氣體分析儀測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 容積產(chǎn)氣率變化

容積產(chǎn)氣率是沼氣發(fā)酵重要的性能指標(biāo)，在反應(yīng)器容積相同的情況下，容積產(chǎn)氣率越高，產(chǎn)生的沼氣就越多，表示在工程設(shè)計(jì)和建設(shè)中達(dá)到沼氣需求量所設(shè)計(jì)的發(fā)酵系統(tǒng)規(guī)模越小，越能極大地節(jié)省建設(shè)面積及工程投資成本。玉米秸稈連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中容積產(chǎn)氣率的變化情況如圖1所示。不同物料TS濃度的處理在不同HRT階段的容積產(chǎn)氣率變化趨勢基本相同，但處理間差異比較明顯，隨著物料濃度增加，容積產(chǎn)氣率呈上升趨勢。在厭氧反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)HRT為30 d時(shí)，不同物料濃度的容積產(chǎn)氣率均為先迅速增加，隨后趨于穩(wěn)定。TS 10%處理的容積產(chǎn)氣率最高可以達(dá)到0.5 L/（L·d），TS 6%和TS 8%處理的容積產(chǎn)氣率基本相同，約為0.3～0.4L/（L·d），但低于TS 10%處理。當(dāng)HRT為20 d時(shí)，各處理運(yùn)行情況穩(wěn)定，容積產(chǎn)氣率TS 10%＞TS 8%＞TS 6%，各處理與HRT 為30 d時(shí)的容積產(chǎn)氣率均有所增加。當(dāng)HRT縮短為15 d時(shí)，物料濃度為10%反應(yīng)器中容積產(chǎn)氣率變化幅度較大，容積產(chǎn)氣率在0.5～1.2 L/（L·d）之間變化，這主要是由于物料濃度過高，發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷增加，物料不能完全被降解利用，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，產(chǎn)氣量有所下降。TS 8%和TS 6%處理的容積產(chǎn)氣率基本維持穩(wěn)定，分別為0.7 L/（L·d）和0.5 L/（L·d）左右。

圖1 容積產(chǎn)氣率變化

2.2 物料產(chǎn)氣率變化

玉米秸稈連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中原料產(chǎn)氣率的變化情況：不同濃度原料在HRT 30 d階段隨著發(fā)酵進(jìn)行，物料產(chǎn)氣率逐漸增大，原料濃度TS為6%、8%和10%的最大原料產(chǎn)氣率分別達(dá)到250 ml/g、170 ml/g和217 ml/g。但是當(dāng)HRT縮短為20 d后，原料產(chǎn)氣率波動(dòng)較大，總體上看物料TS濃度為10%的處理原料產(chǎn)氣率比較穩(wěn)定，基本維持在200 ml/g左右。當(dāng)HRT縮短為15 d后，隨著發(fā)酵時(shí)間的延長，不同物料TS濃度處理均呈下降趨勢，主要是由于HRT縮短后，發(fā)酵系統(tǒng)有機(jī)負(fù)荷增加，大量原料不能被微生物降解，對(duì)沼氣產(chǎn)量影響較大。

2.3 沼氣中甲烷含量變化

玉米秸稈連續(xù)厭氧發(fā)酵過程中沼氣中甲烷含量如圖2所示。從結(jié)果上看，HRT為30 d和20 d兩個(gè)階段不同玉米秸稈濃度處理發(fā)酵產(chǎn)沼氣中，甲烷含量變化趨勢基本相似，甲烷含量基本維持在50%左右。玉米秸稈濃度為10%處理厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣中，甲烷含量隨著HRT的縮短有所下降，當(dāng)HRT為15 d時(shí)，沼氣中甲烷低于40%。從結(jié)果上看，隨著物料濃度的提高和HRT的縮短，沼氣中甲烷含量有所下降，即不利于沼氣品質(zhì)的提高。

圖2 沼氣中甲烷含量變化

3 結(jié)語

玉米秸稈連續(xù)厭氧發(fā)酵有助于提高發(fā)酵容積產(chǎn)氣率，同時(shí)連續(xù)攪拌方式加快發(fā)酵物料傳質(zhì)，對(duì)高濃度物料處理容積產(chǎn)氣率的提高效果明顯。但是對(duì)于高濃度物料厭氧發(fā)酵，隨著SRT的縮短，沼氣中甲烷含量有所下降。綜合考慮產(chǎn)沼氣質(zhì)量以及沼氣工程實(shí)際應(yīng)用情況，建議玉米秸稈連續(xù)發(fā)酵工況參數(shù)為：發(fā)酵物料TS為10%時(shí)，物料滯留時(shí)間可設(shè)計(jì)為20 d，物料的產(chǎn)率可穩(wěn)定在200 ml/g。由于秸稈類原料產(chǎn)沼氣中甲烷含量低于畜禽糞便類原料，因此在沼氣工程中可適量通入外源H2，提高沼氣中甲烷含量，使秸稈類原料的甲烷產(chǎn)率達(dá)到180 ml/g。