基于連續(xù)運(yùn)行條件下的稻秸干法厭氧發(fā)酵中試研究

張 敏，王振旗，沈根祥，錢(qián)曉雍，張心良*，陳 靜

（1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院，上海200233；2.上海環(huán)境保護(hù)有限公司，上海200233）

我國(guó)是世界上秸稈資源最豐富的國(guó)家之一[1]，每年產(chǎn)出超過(guò)7億t的農(nóng)作物秸稈[2]，其中稻秸年產(chǎn)量在1.8 億t 至2.8 億t 之間，但約50%以上未合理利用[3]。稻秸處置不當(dāng)不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染，更是一種資源浪費(fèi)[4]。目前稻秸的處置方式主要是露天焚燒和直接還田，這會(huì)導(dǎo)致不同程度的溫室氣體排放，造成環(huán)境污染[5-7]。厭氧消化技術(shù)被認(rèn)為是有效的農(nóng)田廢棄物管理技術(shù)[8]，可以同時(shí)進(jìn)行污染控制、能源回收和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)[9]。一般而言，厭氧發(fā)酵分為濕法工藝和干法工藝[10]。相關(guān)研究表明，干法厭氧發(fā)酵工藝與濕法厭氧發(fā)酵相比，具有更高的原料利用范圍，發(fā)酵過(guò)程有機(jī)負(fù)荷高，工程占地少，沼液產(chǎn)生少可以減少二次污染，是高含固率纖維秸稈類(lèi)廢棄物最佳處理路徑之一[11-12]，正成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但干法厭氧發(fā)酵技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[13]，已得出的最佳工藝參數(shù)，如溫度、營(yíng)養(yǎng)平衡、接種率和預(yù)處理策略等[14-15]均基于小試試驗(yàn)，中試研究在國(guó)內(nèi)研究雖有進(jìn)展，但缺乏大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例。而在國(guó)外沼氣干發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)較為成熟，如Valorg 工藝、Kompogas 工藝和Dranco 工藝等大型沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)都已經(jīng)投入生產(chǎn)性應(yīng)用并主要針對(duì)于城市生活垃圾、餐廚垃圾等[16-17]，對(duì)于農(nóng)業(yè)廢棄物尤其單一稻秸地區(qū)的干法連續(xù)式厭氧發(fā)酵技術(shù)仍缺乏系統(tǒng)性研究。

稻秸作為干發(fā)酵主要的基質(zhì)面臨最大的挑戰(zhàn)是其復(fù)雜的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)使其難以分解，水解是稻草厭氧發(fā)酵過(guò)程的限速步驟[3，18]。反芻動(dòng)物（牛、綿羊、山羊和駱駝）以纖維類(lèi)的飼料為食，在這些動(dòng)物的瘤胃中，微生物發(fā)酵將飼料轉(zhuǎn)化成可以被動(dòng)物消化和利用的物質(zhì)[19]。該發(fā)酵過(guò)程會(huì)產(chǎn)生甲烷作為副產(chǎn)物由動(dòng)物呼吸排出[20]，因此動(dòng)物糞便中含有大量可以分解纖維類(lèi)物質(zhì)的厭氧微生物和產(chǎn)甲烷菌，有利于連續(xù)進(jìn)料階段秸稈的快速水解和沼氣產(chǎn)量的增加。有機(jī)負(fù)荷率（OLR）和C/N 對(duì)于水稻秸稈厭氧消化的穩(wěn)定性具有重要影響，優(yōu)化干法厭氧發(fā)酵過(guò)程中的有機(jī)負(fù)荷率可以為商業(yè)規(guī)模連續(xù)流的攪拌式反應(yīng)器提供最佳的運(yùn)行條件[4]。并且已有的研究表明厭氧消化過(guò)程中微生物生長(zhǎng)的最佳C/N 范圍是20～30[21]，水稻秸稈的C/N 高達(dá)68.0，不適于單獨(dú)發(fā)酵，實(shí)際沼氣生產(chǎn)過(guò)程中需要補(bǔ)充氮源，以促進(jìn)微生物代謝[22]。因此，基于水稻秸稈的干發(fā)酵反應(yīng)器和過(guò)程控制條件等方面亟需深入的研究。

為此，本研究基于秸稈作為發(fā)酵基質(zhì)傳質(zhì)困難和C/N 較高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可滿(mǎn)足稻秸干法厭氧發(fā)酵連續(xù)運(yùn)行的中試裝置，并用鮮牛糞作為裝置運(yùn)行啟動(dòng)反應(yīng)物料，研究了在缺乏穩(wěn)定氮源的情況下，稻秸連續(xù)進(jìn)料過(guò)程中氮源的補(bǔ)充和添加方式對(duì)沼氣產(chǎn)生情況的影響，并分析評(píng)估了稻秸干法厭氧發(fā)酵的應(yīng)用前景，為單一稻秸地區(qū)干法厭氧處理工程應(yīng)用及穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。

表1 試驗(yàn)材料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of test materials

1 材料與方法

1.1 底物與接種物

中試試驗(yàn)所需水稻秸稈采自上海自在源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司，用破碎機(jī)將其破碎至3 cm 以下，采用“黃儲(chǔ)”方式，灑水（河水）壓實(shí)后存放，進(jìn)料測(cè)定含固率為53.4%～64.7%。中試設(shè)備發(fā)酵啟動(dòng)階段選用牛糞作為啟動(dòng)物料，試驗(yàn)階段選用鮮豬糞作為氮源添加物，鮮牛糞取自金山某奶牛場(chǎng)，鮮豬糞主要從周邊養(yǎng)殖戶(hù)收集，分批分次采集后，分裝在若干塑料桶內(nèi)密封備用?？紤]到功能厭氧微生物種群類(lèi)型及其遴選環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu)，接種物為采集干法厭氧發(fā)酵池沼渣固液分離后的新鮮沼液，采自上海市某奶牛場(chǎng)。啟動(dòng)階段，采用一次性投加方式；連續(xù)運(yùn)行后以沼液回流補(bǔ)充為主。底物與接種物的具體理化性質(zhì)見(jiàn)表1。

1.2 中試裝置發(fā)酵的設(shè)計(jì)與運(yùn)行

1.2.1 設(shè)計(jì)方法

水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物作為反應(yīng)基質(zhì)，其結(jié)構(gòu)、組成以及顆粒大小等呈不均勻性，攪拌阻力大，并且干發(fā)酵物料比較黏稠，流動(dòng)性較差，物料傳質(zhì)困難。本研究的中試裝置基于以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)了螺旋式的進(jìn)料方式和水平攪拌槳式的攪拌裝置，通過(guò)平推流的方式改善傳統(tǒng)中試裝置傳質(zhì)不均均、流動(dòng)性差的缺點(diǎn)。由于季節(jié)性溫度的變化，本裝置通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)的控溫系統(tǒng)維持發(fā)酵過(guò)程中的溫度保證其穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2.2 運(yùn)行方法

為培養(yǎng)、遴選適于纖維秸稈類(lèi)農(nóng)業(yè)廢棄物的厭氧微生物，尤其是增加產(chǎn)甲烷菌的種群密度，在中試設(shè)備安裝完成后，首先將約3 t 鮮牛糞（含固率8.5%）裝罐啟動(dòng)試驗(yàn)，無(wú)需加水調(diào)節(jié)。發(fā)酵溫度設(shè)置為（35±5）℃，設(shè)置為連續(xù)攪拌，轉(zhuǎn)速1～2 r·min-1，每12 h 切換一次。

在中試發(fā)酵裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，以“黃儲(chǔ)”預(yù)處理后的稻秸為主要發(fā)酵原料，從中試設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行的第51 d 開(kāi)始添加稻秸，并根據(jù)液位情況變化按需排渣，為防止有機(jī)負(fù)荷過(guò)高采用10、20、30、50 kg·d-1和80 kg·d-1的遞進(jìn)方式進(jìn)料，并根據(jù)觀測(cè)到的日產(chǎn)氣情況變化調(diào)整進(jìn)料量。從第111 d 開(kāi)始，按照80 kg·d-1連續(xù)添加稻秸，同時(shí)添加鮮豬糞（干質(zhì)量）4.54 kg·d-1，日排渣量18～22 kg，按照C/N為50∶1情況下穩(wěn)定運(yùn)行30 d 后不再添加豬糞。發(fā)酵溫度設(shè)置為（35±5）℃，發(fā)酵罐攪拌器設(shè)置為連續(xù)攪拌，轉(zhuǎn)速1～2 r·min-1，每12 h切換一次正反轉(zhuǎn)，并通過(guò)油泵系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)酵物料內(nèi)部循環(huán)，即將出料端沼液內(nèi)循環(huán)輸送至進(jìn)料端，每間隔12 h 開(kāi)啟12 h。通過(guò)連續(xù)進(jìn)出料，沼液100%回流，考察系統(tǒng)隨連續(xù)出料造成的C/N 逐步升高對(duì)產(chǎn)氣效率的影響，重點(diǎn)關(guān)注單日產(chǎn)氣量和沼氣中甲烷含量變化情況。

1.3 樣品分析與測(cè)定

1.3.1 分析方法

總固體（TS）：（105±5）℃烘箱烘干至恒質(zhì)量測(cè)定；揮發(fā)性固體（VS）：550～600 ℃馬弗爐灼燒至恒質(zhì)量測(cè)定[23]?？偺迹河弥劂t酸鉀-稀釋熱法；總氮：用半微量開(kāi)氏法；總氫：全元素分析儀（美國(guó)Thermo Electron SPA 公司）；沼氣含量：通過(guò)在線(xiàn)氣體流量表和沼氣在線(xiàn)分析儀監(jiān)測(cè)；甲烷含量：便攜式甲烷測(cè)定儀（型號(hào)HND 880，深圳市萬(wàn)安迪科技有限公司）測(cè)定。

1.3.2 沼氣產(chǎn)生潛力評(píng)價(jià)

理論產(chǎn)沼氣潛力（Theoretical biogas potential，TBP）可用來(lái)評(píng)估有機(jī)物完全降解產(chǎn)生的最大沼氣產(chǎn)量，通過(guò)測(cè)定和分析底物不同元素組成（C、H、O、N 的含量）并結(jié)合Buswell 方程[24]和相關(guān)公式計(jì)算，本研究稻秸、豬糞的理論產(chǎn)氣參數(shù)分別按照523.21、805.98 L·kg-1VS計(jì)[25]。

1.4 中試裝置

基于中試研究項(xiàng)目的發(fā)酵區(qū)域占地面積大約60 m2，本研究自主研發(fā)了1 套日處理能力100 kg·d-1的自動(dòng)控制干法厭氧發(fā)酵罐中試裝置，總功率10.25 kW，罐體容積20 m3，發(fā)酵溫度25～40 ℃，停留時(shí)間30～40 d。配備接收進(jìn)料系統(tǒng)、干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)（沼渣脫水機(jī)）和監(jiān)測(cè)儀表，并配套上位機(jī)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 中試裝置示意圖（俯視圖）Figure 1 Schematic diagram of pilot system（top view）

1.4.1 進(jìn)出料系統(tǒng)

本裝置的進(jìn)料系統(tǒng)基于水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物為固態(tài)非流質(zhì)、物料黏性大、傳質(zhì)困難的特點(diǎn)，采用混合螺旋進(jìn)料器將原料混合后輸送至厭氧發(fā)酵罐內(nèi)，進(jìn)料器由接收上料螺旋和發(fā)酵罐進(jìn)料器兩部分構(gòu)成。本進(jìn)料系統(tǒng)的上料螺旋與地面成45°夾角，參照螺旋輸送器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，螺旋外徑0.2 m，處理量為2 m3·h-1，螺旋轉(zhuǎn)速為4200 r·h-1，可以將破碎機(jī)破碎后低于3 cm、含固率為20%的秸稈物料有效混合，然后通過(guò)發(fā)酵罐進(jìn)料器將原料輸送至發(fā)酵罐。Dranco、Kompogas、Valorga 這3 種典型的連續(xù)式單相干發(fā)酵反應(yīng)器的進(jìn)料系統(tǒng)主要是采用不同類(lèi)型的物料泵然后將原料泵入發(fā)酵罐內(nèi)混合[26]，主要針對(duì)城市生活垃圾、餐廚垃圾等有機(jī)固體廢棄物[27]，而本進(jìn)料裝置更適用于水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物，既保證了原料的均勻混合，又實(shí)現(xiàn)了推動(dòng)物料的目的，提高進(jìn)料效率。

出料系統(tǒng)采用活塞式出料器和沼渣脫水機(jī)組成，由出料器厭氧發(fā)酵后的沼渣輸送至沼渣脫水系統(tǒng)，處理量2 m3·h-1，功率2.2 kW，可將含固率10%～15%的沼渣脫水至含固率30%以上。活塞式的出料器可以有效地推動(dòng)物料進(jìn)入沼液分離裝置，且耗能低，可降低運(yùn)行成本。脫水后沼渣堆肥再利用，沼液則收集至沼液池，通過(guò)水泵提升回流至厭氧發(fā)酵罐，而畜禽糞便或尿素等輔料可通過(guò)沼液池與沼液回流一起投加至發(fā)酵罐。

1.4.2 發(fā)酵系統(tǒng)

本裝置的發(fā)酵系統(tǒng)為臥式柱形的厭氧發(fā)酵罐，基于日處理水稻秸稈約100 kg·d-1、含水率約20%、停留時(shí)間30～40 d 的需求，設(shè)計(jì)了罐體半徑1.5 m，長(zhǎng)6 m，容積為20 m3的厭氧發(fā)酵罐。發(fā)酵裝置罐體設(shè)計(jì)成臥式柱形，依次由物料進(jìn)料口、沼氣出口、沼渣出口、沼液回流口、攪拌器、加熱管組成，發(fā)酵物料可以通過(guò)平推流方式從進(jìn)料端逐步移動(dòng)到出料端，解決了物料逐步推進(jìn)和沼渣出料的難題，基于水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)氣的厭氧發(fā)酵三階段理論有利于有機(jī)廢棄物的連續(xù)發(fā)酵和均衡產(chǎn)氣，同時(shí)沼氣出口設(shè)在發(fā)酵罐頂，進(jìn)料口和沼液回流口設(shè)在發(fā)酵罐的中上部，同一標(biāo)高，位置臨近，便于沼液與原料的混合、接種。與濕法厭氧發(fā)酵相比，干式厭氧發(fā)酵反應(yīng)基質(zhì)濃度高，流動(dòng)性差，容易造成反應(yīng)中間產(chǎn)物與能量在介質(zhì)中傳遞、擴(kuò)散困難。瑞士Komopogas 工藝[16，26]是有機(jī)廢物的典型工藝，其采用水平安裝攪拌軸，通過(guò)攪拌軸完成物料的充分混合，并完成物料的推流出料，已取得良好的運(yùn)行效果。因此，本裝置發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置2 套水平攪拌槳式攪拌器，采用斜框式的攪拌槳并增加了正反轉(zhuǎn)功能，不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)攪拌，還能夠滿(mǎn)足不同試驗(yàn)要求，調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速在1～10 r·min-1和調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)時(shí)間在1～24 h內(nèi)。與傳統(tǒng)的錨式、螺帶式攪拌槳等相比，本裝置的水平攪拌槳式攪拌器更適用于流動(dòng)性差、難以攪拌均勻的物料，可以將罐內(nèi)的物料、輔料及回流沼液攪拌均勻，提高物料的流動(dòng)性，克服了攪拌阻力大、基質(zhì)攪拌混合困難的問(wèn)題。

圖2 牛糞單發(fā)酵預(yù)試驗(yàn)的日產(chǎn)氣量的變化Figure 2 The change of daily biogas production of single fermentation of cow manure

1.4.3 監(jiān)控系統(tǒng)

整套設(shè)備安裝在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)由沼氣在線(xiàn)分析儀、溫度表、沼氣流量表和沼氣壓力表組成，對(duì)發(fā)酵過(guò)程中溫度、氣體流量、甲烷含量等參數(shù)進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。溫度對(duì)厭氧微生物的生長(zhǎng)、反應(yīng)過(guò)程動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性、沼氣的產(chǎn)量等都有顯著的影響[6，28]。通過(guò)在線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的溫度進(jìn)行25～40 ℃實(shí)時(shí)調(diào)控、流量計(jì)和壓力表可在0～4 m·h-1、0～6 kPa 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證厭氧發(fā)酵過(guò)程穩(wěn)定運(yùn)行并提供產(chǎn)氣參數(shù)，為實(shí)際工程運(yùn)行提供參考。

2 結(jié)果與討論

2.1 啟動(dòng)階段產(chǎn)氣特征

中試設(shè)備啟動(dòng)階段的產(chǎn)氣情況如圖2 所示。結(jié)果顯示，CH4含量在第9 d 達(dá)到50%以上，并逐步維持在60%～70%，并且觀測(cè)到，發(fā)酵前期單日產(chǎn)氣量遞增速度較快，第18 d 時(shí)最高達(dá)7.5 m3·d-1，產(chǎn)氣的高峰集中在16～24 d，說(shuō)明富集了大量的產(chǎn)甲烷菌，達(dá)到了產(chǎn)沼氣的適宜的厭氧微生物條件。在發(fā)酵時(shí)間超過(guò)29 d 后，單日產(chǎn)氣量逐漸走低。因此，利用牛糞進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)最佳時(shí)間是29 d左右。已有研究表明，發(fā)酵過(guò)程產(chǎn)生的甲烷在氣體含量≥60%（V/V）時(shí)，認(rèn)為厭氧發(fā)酵達(dá)到平衡狀態(tài)[29]，本階段通過(guò)該批次試驗(yàn)，可認(rèn)為利用反芻動(dòng)物的糞便（鮮牛糞）進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)，可以有助于罐內(nèi)富集處理稻秸所需的厭氧微生物體系、適宜的發(fā)酵溫度等厭氧發(fā)酵條件，使后續(xù)以稻秸為主的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)可以迅速啟動(dòng)并提高產(chǎn)氣效率。

2.2 遞進(jìn)式進(jìn)料對(duì)產(chǎn)氣情況的影響

遞進(jìn)式進(jìn)料下不同的有機(jī)負(fù)荷對(duì)產(chǎn)氣情況的影響如圖3所示。在10 kg·d-1進(jìn)料的情況下，發(fā)酵前12 d 的產(chǎn)氣量逐日增加的趨勢(shì)明顯，12 d 后趨于平穩(wěn)，12 d時(shí)單日產(chǎn)氣量達(dá)到1 011.5 L·kg-1稻秸（TS），之后發(fā)酵趨于穩(wěn)定。因此，在第16 d 開(kāi)始將進(jìn)料量調(diào)至20 kg·d-1，并按照此規(guī)律在第26、36、46 d 開(kāi)始按照30、50 kg·d-1和80 kg·d-1的進(jìn)料量進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè)，該期間產(chǎn)氣情況如圖3 所示。總體上，隨著稻秸干物質(zhì)的添加，日產(chǎn)氣量呈逐步上升趨勢(shì)，出現(xiàn)了多個(gè)產(chǎn)氣峰值，10 kg·d-1到50 kg·d-1時(shí)，產(chǎn)氣逐漸上升但上升并不明顯，當(dāng)進(jìn)料量達(dá)到80 kg·L-1時(shí)，單日產(chǎn)氣量明顯上升，最高達(dá)到了14.5 m3·d-1，達(dá)到10 kg·d-1的1.65倍，并且發(fā)酵一開(kāi)始甲烷的百分含量達(dá)到60%左右并維持穩(wěn)定，可不經(jīng)脫水脫硫直接燃燒，說(shuō)明啟動(dòng)階段富集的微生物體系可以有效快速消化利用秸稈并產(chǎn)甲烷，提高秸稈的利用率。

當(dāng)80 kg·d-1進(jìn)料時(shí)單日的總產(chǎn)氣量有所上升但秸稈的轉(zhuǎn)化率降低，最高僅208.8 L·kg-1稻草（TS），低于10 kg·d-1的4.84 倍。木質(zhì)纖維素秸稈具有較高的C/N，高木質(zhì)素和纖維素結(jié)晶度使反應(yīng)器中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境極其惡劣[30]。隨著有機(jī)負(fù)荷的不斷增加，單位物質(zhì)的產(chǎn)氣量受到抑制，因此，在高的有機(jī)負(fù)荷率下，通過(guò)額外補(bǔ)充氮源對(duì)于秸稈干法厭氧消化穩(wěn)定產(chǎn)氣是非常重要的。

圖3 遞進(jìn)式進(jìn)料階段日產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化Figure 3 The variation of daily biogas production and methane content in progressive feeding stage

2.3 穩(wěn)定式進(jìn)料對(duì)產(chǎn)氣情況的影響

從遞進(jìn)式進(jìn)料階段到穩(wěn)定進(jìn)料期間的產(chǎn)氣情況與pH 的變化如圖4 所示，豬糞（干質(zhì)量）進(jìn)料按照4.54 kg·d-1的連續(xù)混合進(jìn)料30 d后，pH變化呈現(xiàn)出明顯的先下降后逐步回升的趨勢(shì)，因?yàn)樵趨捬醺砂l(fā)酵過(guò)程中豬糞的添加不僅平衡了C/N，還促進(jìn)有機(jī)物的水解過(guò)程使pH降低，但是pH的短暫下降并未導(dǎo)致產(chǎn)氣量的下降，反而單日產(chǎn)氣量明顯增加，并能維持20～22 m3·d-1的產(chǎn)氣量約22 d，分別是不添加豬糞時(shí)80 kg·d-1和10 kg·d-1進(jìn)料量最大產(chǎn)氣量的1.38～1.52倍和2.28～2.50倍。因此，本試驗(yàn)過(guò)程中豬糞的添加主要起到為厭氧干發(fā)酵過(guò)程補(bǔ)充氮源、調(diào)節(jié)C/N 的作用，并且補(bǔ)充氮源對(duì)產(chǎn)氣量提升具有重要作用。在按照80 kg·d-1連續(xù)添加秸稈的99 d內(nèi)，累計(jì)產(chǎn)氣1 741.5 m3，達(dá)到理論產(chǎn)氣量的72.6%，單日最高產(chǎn)氣量22.65 m3·d-1，雖然單位質(zhì)量（TS）的稻草每日產(chǎn)量?jī)H326.2 L·kg-1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10 kg·d-1的進(jìn)料量時(shí)，但是80 kg·d-1的進(jìn)料量的單日總產(chǎn)氣量極大提升，符合廢棄物再利用的商業(yè)化需求。

由于季節(jié)性和地理位置差異，本研究基于缺乏豬糞等氮源的地區(qū)考察了系統(tǒng)連續(xù)出料造成的C/N 逐步升高對(duì)產(chǎn)氣效率的影響，以確定其定期補(bǔ)充氮源的最佳時(shí)間。在連續(xù)添加豬糞30 d 后停止添加，如圖4所示。產(chǎn)氣量隨后呈逐步遞減的趨勢(shì)，從停止添加豬糞之后的第32 d，單日產(chǎn)氣量下降至10.3 m3·d-1，產(chǎn)氣量削減近50%，與氮素隨排渣、氨揮發(fā)等形式的損耗有直接關(guān)系。pH 值一直在6.8左右然后緩慢下降，可能是因?yàn)樘嫉炔黄胶舛鴮?dǎo)致有機(jī)酸的累計(jì)而導(dǎo)致的pH下降，因此pH下降可以作為補(bǔ)充氮源的指導(dǎo)指標(biāo)。不添加豬糞后的第34～36 d 添加22.7 kg·d-1豬糞（干質(zhì)量），通過(guò)本試驗(yàn)一次性添加68.1 kg（干質(zhì)量）的鮮豬糞后，單日產(chǎn)氣量逐步回升至20 m3·d-1左右，并且20 m3·d-1左右產(chǎn)氣量維持大約20 d 左右，之后隨著氮源的不斷流失，產(chǎn)氣量逐漸降低。因此，本研究說(shuō)明在以纖維秸稈類(lèi)為主的農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵過(guò)程中，定期補(bǔ)充氮源十分重要，在氮源缺乏的情況下可以通過(guò)一次性添加的方式，并定期進(jìn)行氮源補(bǔ)充，定期添加豬糞的時(shí)間宜設(shè)定在20 d最佳。

圖4 穩(wěn)定式進(jìn)料階段的日產(chǎn)氣量與pH的變化Figure 4 The change of daily biogas production and pH in stable feeding stage

表2 秸稈與其他有機(jī)物料產(chǎn)氣效率分析比較Table 2 Analysis and comparison of biogas production efficiency between straw and other organic materials

2.4 稻秸干法厭氧發(fā)酵技術(shù)分析與評(píng)價(jià)

通過(guò)與其他有機(jī)物料干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的比較（見(jiàn)表2）可知，基于秸稈干法厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng)技術(shù)可行，且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，添加豬糞為外加氮源可實(shí)現(xiàn)在有機(jī)負(fù)荷達(dá)到4 kg·m-3·d-1（進(jìn)料量80 kg·d-1）時(shí)，每日CH4產(chǎn)氣效率從137.28 L·kg-1VS 達(dá)到227.8 L·kg-1VS，為餐廚垃圾、城市固體廢棄物的0.91、0.99 倍，幾乎達(dá)到了相同的效果。Hu 等[31]利用畜禽糞便在55 ℃下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行的厭氧發(fā)酵，CH4產(chǎn)氣效率達(dá)到416 L·kg-1VS，是本研究產(chǎn)氣效率的1.8倍，但其反應(yīng)溫度高，耗能幾乎為本試驗(yàn)的2 倍左右。Cui 等[32]利用小麥秸稈做的小試試驗(yàn)的CH4產(chǎn)氣效率僅150 L·kg-1VS，僅為本研究產(chǎn)氣效率的66%。因此本中試裝置與其他有機(jī)物料的干法厭氧發(fā)酵比較，產(chǎn)氣潛力、能耗等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)下來(lái)，稻秸的干法厭氧發(fā)酵技術(shù)是切實(shí)可行的。

我國(guó)農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.2億t，可收集資源量6.87 億t，秸稈資源化利用現(xiàn)狀如表3 所示。全國(guó)仍有31.31%的農(nóng)作物秸稈以廢棄或燃燒的方式進(jìn)行處置，2.15 億t 的秸稈仍未合理利用。即使秸稈通過(guò)燃燒發(fā)電、生產(chǎn)柴油，厭氧發(fā)酵等能源化的方式利用，但秸稈用于產(chǎn)沼氣等新型化能源僅640 萬(wàn)t。通過(guò)利用干法厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行資源化處理，可以通過(guò)產(chǎn)氣發(fā)電約1095 億kW·h。已有研究表明，秸稈發(fā)電每噸可獲得收益9.37元，將未利用的秸稈資源化利用將產(chǎn)生20 億元的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)堆肥是秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵合理的后處理技術(shù)之一，可以有效消除病原體并控制殘留沼氣的排放[10]。與傳統(tǒng)的秸稈肥料化過(guò)程相比，干法厭氧發(fā)酵可以生產(chǎn)沼氣作為燃料，提高秸稈的利用率，并且杜絕了傳統(tǒng)堆肥過(guò)程面積大和散發(fā)氣味等問(wèn)題，發(fā)酵后的沼渣僅需要簡(jiǎn)單堆肥處理，就可以用作肥料或土壤改良劑。原料化和其他能源化方式不僅處置工藝復(fù)雜且成本較高，而干法厭氧發(fā)酵能夠在相對(duì)較小的區(qū)域中運(yùn)行且工藝簡(jiǎn)單，降低處置成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[33]。因此，進(jìn)一步研究利用秸稈干法厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行資源化處理不僅可以提高資源化利用率，還可以進(jìn)行產(chǎn)氣和發(fā)電，帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，未來(lái)的研究仍然需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化工藝以降低成本，并多關(guān)注和優(yōu)化其后處理技術(shù)。

表3 秸稈資源化利用現(xiàn)狀Table 3 Current situation of straw resource utilization

3 結(jié)論

（1）設(shè)計(jì)改用混合螺旋進(jìn)料器和平推流式的攪拌器，是一種適用于稻秸干法厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)含固率為20%的秸稈物料的有效混合和平推流方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的連續(xù)發(fā)酵和均衡產(chǎn)氣。

（2）利用反芻動(dòng)物糞便鮮牛糞進(jìn)行發(fā)酵啟動(dòng)試驗(yàn)，可以有效富集具備處理稻秸所需的厭氧微生物體系。

（3）在秸稈缺乏氮源的條件下，通過(guò)連續(xù)進(jìn)料的方式和豬糞為補(bǔ)充氮源來(lái)提高秸稈的產(chǎn)氣率和利用率，連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行條件下，豬糞（干質(zhì)量）按照4.54 kg·d-1進(jìn)料，可使單日產(chǎn)氣量明顯增加，并能連續(xù)保持在20～22 m3·d-1的產(chǎn)氣量約22 d。

（4）由于地理位置和季節(jié)性限制而豬糞缺乏的地區(qū)，提出可以采用一次性投加的方式，并以pH作為指導(dǎo)指標(biāo)，投加量為68.1 kg（干質(zhì)量），定期補(bǔ)充，時(shí)間為20 d。