秸稈沼氣發(fā)酵過程控制的研究

1、秸稈沼氣發(fā)酵過程控制的研究現(xiàn)狀與存在問題1原料預(yù)處理對秸稈進(jìn)行預(yù)處理是提高秸稈的利用率和產(chǎn)氣率的一種有效的手段, 成為目前秸稈沼氣利用研究的重要內(nèi)容。秸稈預(yù)處理研究體現(xiàn)在營養(yǎng)調(diào)節(jié)和質(zhì)地改善兩個方面。營養(yǎng)調(diào)節(jié)通常是調(diào)整碳氮比。質(zhì)地改善, 主要有物理、化學(xué)和生物手段, 它們都是通過一定措施改善秸稈質(zhì)地和結(jié)構(gòu)。營養(yǎng)調(diào)節(jié)主要體現(xiàn)在碳氮比上, 常見的做法有兩種, 一是與碳氮比低的發(fā)酵原料混和發(fā)酵, 例如畜禽糞便等, 另外就是添加一些化學(xué)元素, 如尿素或碳酸氫銨30,31。Zhang 等將2% 的氨水和秸稈在110的溫度下處理2 h, 秸稈中揮發(fā)性有機(jī)質(zhì)的產(chǎn)氣率達(dá) 0. 47 L/g , 與沒有處理的秸稈

2、相比, 產(chǎn)氣率提高了17. 5% 3 。物理處理主要是利用機(jī)械、熱等方法來改變秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。Zhang 在用稻草發(fā)酵產(chǎn)沼氣中, 采用研磨和切碎兩種物理預(yù)處理方法處理稻草。研究發(fā)現(xiàn), 切碎和碾磨都能夠促進(jìn)秸稈的產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣潛能的發(fā)揮。但是, 切碎與未切碎相比, 稻草產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣潛能的變化不明顯。而研磨與切碎相比得到顯著效果, 在相同的顆粒大小下(25 mm ) , 研磨比切碎的預(yù)處理方法可提高產(chǎn)氣量12. 5% 3 。陳洪章等將通過汽爆進(jìn)行預(yù)處理的麥草和沒有處理的麥草進(jìn)行厭氧發(fā)酵對比, 汽爆麥草的總固形物和揮發(fā)性固形物含量分別降低了57. 5%和62. 1% , 下降率差不多

3、是未汽爆麥草的2倍; 纖維素和半纖維素的降解率也有了顯著的提高, 分別為63. 0%和67. 4%; 木質(zhì)素的降解變化不大, 都在5% 左右32。化學(xué)預(yù)處理就是利用化學(xué)制劑作用于作物秸稈, 破壞細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價鍵從而達(dá)到提高秸稈消化率的目的。化學(xué)預(yù)處理通常需要輔助熱處理, 促進(jìn)秸稈與這些化學(xué)制劑之間發(fā)生反應(yīng), 使更多的可溶物質(zhì)釋放。用于秸稈化學(xué)處理的化學(xué)試劑很多, 堿化處理的制劑有N aOH、Ca (OH ) 2、KOH、N aHCO 3 等;氨化的有液氨、氨水尿素和NH4HCO 3 等； 氧化還原類的有氯氣、各種次氯酸鹽、H2O 2 和SO 2 等 7 。羅清明等研究N a

4、OH 化學(xué)處理使玉米秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量提高。分析表明，N aOH 處理后, 秸細(xì)胞壁結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分發(fā)生了明顯的變化, 分別有53. 2%、46. 9%和66. 6%的木質(zhì)素、纖維素和半纖維素被分解, 其中1/ 2 2/3 被轉(zhuǎn)化成了易被厭氧菌利用的可溶性物質(zhì)33。生物處理就是在人工控制下, 利用一些細(xì)菌, 真菌等微生物的發(fā)酵作用, 來處理秸稈。楊玉楠發(fā)現(xiàn), 在39, 10d 的預(yù)處理條件下, 白腐菌處理后的厭氧發(fā)酵效果最好, 可以達(dá)到50% 的甲烷轉(zhuǎn)化34。潘亞杰等研究結(jié)果表明, 利用白腐菌對玉米秸稈進(jìn)行生物降解預(yù)處理, 在固液比為19, 添加0. 1% 碳源和0. 2% 氮源條件下, 能大幅

5、度提高木質(zhì)纖維素的降解率, 并獲得COD值在10000 mg.L 以上的降解液35。李湘等（2006）在研究中發(fā)現(xiàn)堿處理和汽爆處理比較適合作為纖維素降解菌在進(jìn)行微生物發(fā)酵時的預(yù)處理方法, 而且其中由于堿處理需要浪費(fèi)大量的水, 并且會對水體產(chǎn)生污染，而汽爆處理在整個過程中只產(chǎn)生很少量的糠醛, 對環(huán)境產(chǎn)生的影響較小36。研究表明秸稈產(chǎn)沼氣效率低下與秸稈的質(zhì)地和成分關(guān)系極大。秸稈的主要有機(jī)組成是纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、果膠和蠟質(zhì)等, 質(zhì)地輕, 難以分解, 此外秸稈的有效氮、磷成分短缺, 不利于微生物發(fā)酵利用37。特別是秸稈表面具有一層蠟質(zhì), 不容易被微生物所破壞。通過物理、化學(xué)和好氧生物途徑對秸稈

6、進(jìn)行的預(yù)處理是許多研究人員一直努力的方向, 也都取得一定成效。但是, 預(yù)處理在改善秸稈特性提高原料利用率的同時也存在一系列問題。首先, 預(yù)處理增加費(fèi)用; 其次, 化學(xué)處理面臨二次污染；再者, 生物法處理秸稈大多數(shù)還停留在試驗階段, 離規(guī)?；膽?yīng)用還有一定的差距。因此, 找到合適的預(yù)處理方法是未來重點研究的內(nèi)容。.2反應(yīng)器結(jié)構(gòu)沼氣發(fā)酵自20 世紀(jì)70 年代以來產(chǎn)生多種高效反應(yīng)結(jié)構(gòu), 如UASB,A F 等, 但是農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣所用的厭氧消化反應(yīng)器, 結(jié)構(gòu)一直非常單一。目前文獻(xiàn)基本采用傳統(tǒng)厭氧消化結(jié)構(gòu), 很少涉及結(jié)構(gòu)改進(jìn); 實際調(diào)研也顯示, 主要是傳統(tǒng)厭氧消化器和農(nóng)村戶用沼氣池。但是, 在傳統(tǒng)厭

7、氧消化器中, 以農(nóng)作物秸稈為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵, 原料易于漂浮在料液上面, 不能與微生物充分接觸, 減緩反應(yīng)速度。同時, 漂浮原料的結(jié)殼阻止沼氣及時逸出。朱洪光在傳統(tǒng)厭氧消化器上部加一格柵, 能防止原料漂浮, 原料始終浸泡在料液中, 能充分與微生物接觸, 抑制浮渣產(chǎn)生38。中國農(nóng)村, 在戶用沼氣池中設(shè)置“竹籠導(dǎo)氣”的做法, 也基本緩解沼氣池內(nèi)結(jié)殼, 便于氣體釋放?！爸窕\導(dǎo)氣”, 即在沼氣池中部設(shè)一內(nèi)徑大于15 cm 的竹籠, 讓其下部浸在料液中, 上部露在氣箱中，這樣竹籠內(nèi)料液不會結(jié)殼, 有助于沼氣釋放并能減少秸稈上浮部分10。由于農(nóng)作物秸稈自身的特點, 其沼氣發(fā)酵一般采用批量進(jìn)料, 進(jìn)出料工作

8、量大的難題一直困擾秸稈在沼氣領(lǐng)域中的應(yīng)用。原料輕易出現(xiàn)漂浮分層和結(jié)殼, 是第二難題。固態(tài)發(fā)酵, 傳質(zhì)效果差, 且攪拌阻力大, 氣體釋放困難, 是另一難題。因此, 如何能夠使進(jìn)出料方便且保持連續(xù)進(jìn)出料39、增加傳質(zhì)效率是未來反應(yīng)器結(jié)構(gòu)改進(jìn)研究的主要方向。.3反應(yīng)器接種與其他一些沼氣發(fā)酵原料, 例如糞便和生活污水等相比, 農(nóng)作物秸稈自身微生物菌群附著數(shù)量少, 很難通過自身馴化富集完成發(fā)酵過程的啟動。因此, 使用秸稈作為原料發(fā)酵沼氣, 在每次開始前都需要準(zhǔn)備大量接種物。產(chǎn)甲烷菌群在大自然中廣泛分布, 有許多接種物都可以滿足農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣的要求。目前常用的接種物為新鮮牛糞、老沼氣池的沼渣、腐敗河泥或

9、城市污水處理廠的消化污泥等。Lettinga 對不同接種物的產(chǎn)甲烷活性進(jìn)行了系統(tǒng)研究40。研究表明, 城市污水處理廠消化污泥是很好接種物, 它在30的產(chǎn)甲烷活性是新鮮牛糞的10 20 倍左右。韓天喜利用秸稈為原料, 用老沼液作為接種物, 通過15. 7%、31%、62. 9%和92% 不同濃度的接種物來進(jìn)行對比實驗。研究發(fā)現(xiàn), 62. 9%和92%能夠大幅度提高產(chǎn)氣效率, 15. 7%就可以完成系統(tǒng)啟動, 而31% 效率較高, 且產(chǎn)氣過程穩(wěn)定41。在秸稈沼氣發(fā)酵中, 需要一定的接種物來啟動反應(yīng), 目前的研究都以傳統(tǒng)接種物進(jìn)行啟動。但是, 以下幾方面的原因使以傳統(tǒng)接種物進(jìn)行秸稈沼氣發(fā)酵啟動存在啟

10、動效率低、代價高的缺陷。一方面?zhèn)鹘y(tǒng)接種物來源不同, 所含微生物的菌群類型和數(shù)量差異較大, 并且基本很少適宜秸稈的原料特性, 因此不同接種物類型和數(shù)量會顯著影響發(fā)酵系統(tǒng)的啟動和運(yùn)行效率; 另一方面，由于傳統(tǒng)接種物的效率低, 每次啟動都要求大量獲取接種物, 這不僅增加啟動成本, 加大進(jìn)料勞動強(qiáng)度, 而且減少反應(yīng)器器有效體積。此外, 因各種因素, 有時大量獲取接種物會存在困難, 制約反應(yīng)器啟動。因此, 開發(fā)高效商品接種物對促進(jìn)農(nóng)作物秸稈作為原料產(chǎn)沼氣具有重要實踐意義。4發(fā)酵條件控制水動力、溫度和原料投加濃度等因素始終是沼氣研究的重要領(lǐng)域, 秸稈沼氣發(fā)酵方面也不例外。攪拌通過促進(jìn)水動力循環(huán), 促進(jìn)微生

11、物和底質(zhì)的良好接觸, 通常是提高沼氣發(fā)酵效率的有效手段。但是, 對于秸稈發(fā)酵,反應(yīng)器原料濃度大, 通過攪拌促進(jìn)水動力的阻力高, 能耗大，一般很難采用。Lars Mattias 等利用循環(huán)回流發(fā)酵液處理處理青草, 明顯增加產(chǎn)氣效率, 產(chǎn)氣量可以達(dá)到1. 2 1. 4 m 3/（m 3·d) , 原料中揮發(fā)有機(jī)質(zhì)的甲烷產(chǎn)量可以達(dá)到0. 31 0. 36m 3/k g42。一般來說, 較高溫度下的微生物代謝過程較快, 高溫發(fā)酵較中溫發(fā)酵、中溫發(fā)酵較低溫發(fā)酵反應(yīng)速度要快得多, 其相應(yīng)得產(chǎn)氣周期要短。高志堅等比較了在中溫(35) 和常溫(環(huán)境溫度) 條件下, 玉米秸稈日產(chǎn)氣量、累積產(chǎn)氣量、總干

12、物質(zhì)(TS)和揮發(fā)性有機(jī)物(V S) 消化率的區(qū)別。結(jié)果顯示, 相對于常溫而言, 中溫厭氧消化的累積產(chǎn)氣量提高了63% , 總干物質(zhì)(TS) 和有機(jī)物(V S) 消化率分別增加33% 和49% , 產(chǎn)氣速率也明顯提高43。原料投加濃度也是影響農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣的重要因素。Zhang 等在利用稻草為原料進(jìn)行沼氣發(fā)酵時, 分別按50, 75, 100 g/L 進(jìn)行投料。研究發(fā)現(xiàn), 隨著投加量的增加, 原料的TS 和V S 減少更多, 產(chǎn)氣量也增加 3 。高志堅等利用玉米秸稈為原料, 進(jìn)行35、50、65 g/L 不同濃度進(jìn)料, 結(jié)果表明, 50g/L TS 濃度下獲得了較高的單位原料累積產(chǎn)氣量, 而

13、并非投料濃度越高產(chǎn)氣量越高43。孫國朝等研究以秸稈為原料的干發(fā)酵表明：固體濃度以25% 30% 為宜，濃度為15% 時原料分解和利用率最高 44 。與溫度相比, 水動力和發(fā)酵原料濃度的控制相對容易實現(xiàn)。一般來說, 較高溫度下的微生物代謝過程較快,溫度保持相對恒定, 反應(yīng)器效率較高。但是, 在具體工程中, 除效率之外, 運(yùn)轉(zhuǎn)的經(jīng)濟(jì)性、操作管理的方便更是重要的考慮因素。特別是從節(jié)能與產(chǎn)能觀點考慮, 沼氣發(fā)酵應(yīng)該以凈產(chǎn)能量為設(shè)計的主要依據(jù)。因此, 理論上或生物學(xué)上的最適溫度并不等于工程上的最佳溫度。對具體工程設(shè)施, 最適溫度的控制應(yīng)根據(jù)綜合比較評價后才能確定。沼氣發(fā)酵不僅受溫度不同影響, 而且受溫度

14、變化的影響。不論何種原因?qū)е路磻?yīng)介質(zhì)溫度的短期突變, 對沼氣發(fā)酵過程均有明顯的影響。高溫發(fā)酵對溫度變化較敏感, 突變±3, 就有可能導(dǎo)致發(fā)酵過程發(fā)生變化, 中溫厭氧菌可適應(yīng)較寬的溫度范圍45。因此, 選擇何種溫度范圍, 以及如何保持反應(yīng)過程中溫度相對恒定, 也是秸稈沼氣發(fā)酵的未來必要的研究方向。5發(fā)酵過程相分離發(fā)酵過程相分離是農(nóng)作物秸稈產(chǎn)沼氣近年來的熱點研究領(lǐng)域。鄒元良等將玉米秸稈在產(chǎn)酸反應(yīng)器里酸化, 然后將瀝出液泵入UA SB 反應(yīng)器類反應(yīng), 負(fù)荷為8. 5 g COD/L ·d, 溫度在32 33的條件下, 平均產(chǎn)氣率達(dá)2. 3 2. 5 m 3/(m 3·d

15、) , 甲烷含量達(dá)70% 左右46。由于秸稈原料發(fā)酵殘渣較多, 傳統(tǒng)發(fā)酵基本采用批次投料管理。實踐和試驗研究都說明, 批次投料不能均衡產(chǎn)氣 3, 41, 47 。Zhang 等設(shè)計的兩產(chǎn)酸一產(chǎn)氣三聯(lián)合相分離發(fā)酵系統(tǒng)提出均衡產(chǎn)氣的新途徑。該系統(tǒng)包括兩個并聯(lián)產(chǎn)酸反應(yīng)器和一個產(chǎn)氣反應(yīng)器, 通過兩個產(chǎn)酸相的時差投料和交替運(yùn)行, 調(diào)整產(chǎn)氣, 使產(chǎn)氣達(dá)到一個相對均衡的狀態(tài) 3 。根據(jù)不同類別細(xì)菌的作用, 可以將厭氧消化過程分為3 大階段：水解、產(chǎn)酸和產(chǎn)甲烷階段。不同的發(fā)酵原料, 限制沼氣發(fā)酵效率的階段不同。對于可溶性發(fā)酵底物, 產(chǎn)甲烷菌不足通常是限制沼氣發(fā)酵速率的主要因素; 對于秸稈, 水解反應(yīng)往往是限制

16、環(huán)節(jié)。低pH 值往往有利于固態(tài)有機(jī)質(zhì)的水解。但是, 在傳統(tǒng)沼氣發(fā)酵中, 秸稈沼氣發(fā)酵的3 個階段在一個反應(yīng)器中, 很難實現(xiàn)pH值的分階段控制。目前把水解酸化和產(chǎn)甲烷分別在不同的反應(yīng)器中的兩相反應(yīng)確實在一定程度上提高了反應(yīng)效率, 說明兩相發(fā)酵是未來秸稈沼氣研究的重要方向。但是, 研究結(jié)果表明, 真正實現(xiàn)相分離非常困難 47。Zhang 等利用兩相發(fā)酵系統(tǒng)來處理稻草, 經(jīng)過10 d 左右的運(yùn)行, 產(chǎn)酸反應(yīng)器也開始產(chǎn)氣 3 , 證實了這一點。因此, 兩相發(fā)酵工藝未來研究的重點是如何把產(chǎn)酸和產(chǎn)氣徹底分離。2.5 沼氣廢渣發(fā)酵生產(chǎn)有機(jī)肥營養(yǎng)成分是評價沼氣干發(fā)酵造肥效果的一個重要方面。國內(nèi)學(xué)者對沼氣干發(fā)酵過程的營養(yǎng)物質(zhì)損失情況進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明沼氣干發(fā)酵過程營養(yǎng)成分損失少。孫國朝等48的研究指出，沼氣干發(fā)酵的全氮損失率為1. 2 %2. 5 %。王天光49的研究指出可，沼氣干發(fā)酵、水壓式沼氣發(fā)酵、敞口漚肥、堆肥的全氮保存率分別為91. 7 % ,88.18 % ,74. 9 %和69. 5 %。何麗紅26 指出，在發(fā)酵溫度為55 ，C/ N比為12. 5 ，沒有攪拌操作的工藝條件下，全氮損失率為1. 1804 %。衛(wèi)生指標(biāo)是評價沼氣干發(fā)酵造肥效果的另一個重要依據(jù)。國外學(xué)者對沼氣干發(fā)酵沼渣的衛(wèi)生情況進(jìn)