秸稈厭氧發(fā)酵特性研究

趙國(guó)明　常帥　邢向欣　裴海林　孫京

摘 要：我國(guó)秸稈資源十分豐富，但利用率不高，給自然環(huán)境和公共安全造成一定危害。秸稈厭氧發(fā)酵技術(shù)可將秸稈轉(zhuǎn)化成清潔能源——沼氣，并得到優(yōu)質(zhì)秸稈沼渣，能改善農(nóng)村環(huán)境及能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，秸稈沼渣還田利用或開(kāi)發(fā)成高附加值的有機(jī)肥和蔬菜栽培基質(zhì)，可促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。為優(yōu)化秸稈厭氧發(fā)酵工藝，針對(duì)秸稈的質(zhì)輕易上浮結(jié)殼、木質(zhì)纖維素含量高不易厭氧消化等特性，結(jié)合工程實(shí)際中存在的一些問(wèn)題，對(duì)秸稈的發(fā)酵濃度、預(yù)處理方式及其對(duì)厭氧產(chǎn)氣的影響進(jìn)行研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈發(fā)酵濃度控制在6%～8%，溫度控制在35℃，厭氧發(fā)酵之前進(jìn)行兼氧水解預(yù)處理，且水解劑利用出料回流的沼液，大大提高了沼氣的產(chǎn)量，優(yōu)化了秸稈厭氧發(fā)酵工藝，對(duì)指導(dǎo)工程實(shí)踐具有重大意義。

關(guān)鍵詞：秸稈;濃度;兼氧水解;厭氧發(fā)酵;沼氣

中圖分類號(hào)：S-3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國(guó)農(nóng)作物秸稈資源豐富，產(chǎn)量高，但處理和利用的現(xiàn)狀不好。秸稈的亂堆亂放十分普遍，既造成一定的環(huán)境污染，也對(duì)安全造成一定的隱患[1]。因此，解決秸稈的終端利用問(wèn)題，是政府、企業(yè)、農(nóng)民必須面對(duì)的一項(xiàng)嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。秸稈沼氣技術(shù)是以秸稈為原料，通過(guò)厭氧發(fā)酵處理得到沼氣能源和秸稈沼渣，秸稈沼氣是清潔的優(yōu)質(zhì)能源[2]，既可用作生活燃料，也可提純?yōu)楦咧档纳锾烊粴?秸稈沼渣可還田利用修復(fù)土壤生態(tài)，也可用來(lái)開(kāi)發(fā)高附加值的有機(jī)肥和蔬菜栽培基質(zhì)，能大大提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值，促進(jìn)農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。秸稈沼氣技術(shù)目前存在原料質(zhì)輕易上浮結(jié)殼、木質(zhì)纖維素含量高難厭氧消化等問(wèn)題尚未很好解決，導(dǎo)致秸稈的處理效率和沼氣產(chǎn)量都很低[3]。因此，本文對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵特性關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究，探索一種高效合理的秸稈厭氧發(fā)酵工藝，以提高秸稈厭氧發(fā)酵的效率和經(jīng)濟(jì)性。

1 相同池容條件下不同進(jìn)料濃度對(duì)裝料質(zhì)量的影響

1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

依據(jù)畜禽糞污的規(guī)律，本研究認(rèn)為一定體積情況下，畜禽糞便的濃度越高，一定有效容積內(nèi)容納干物質(zhì)的質(zhì)量越大。而秸稈隨著進(jìn)料濃度的增大，物料的狀態(tài)會(huì)由溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)，物料體積的影響因素會(huì)發(fā)生變化，秸稈料液濃度對(duì)一定有效容積內(nèi)容納物料質(zhì)量的影響規(guī)律較糞便有所不同，通過(guò)對(duì)反應(yīng)器有效容積內(nèi)容納不同濃度秸稈物料干物質(zhì)質(zhì)量的研究，確定適宜的秸稈進(jìn)料濃度，以達(dá)到反應(yīng)器較高的利用率。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

測(cè)定秸稈干物質(zhì)含量，利用電子天平、熱風(fēng)干燥箱等測(cè)得秸稈TS值為90%。

調(diào)配6種不同濃度的秸稈料液，分別稱取40g秸稈加入到6個(gè)1000mL錐形瓶中，根據(jù)濃度公式：C=m×TS/m+v，計(jì)算出調(diào)配濃度為4%、6%、8%、10%、15%、20%的料液時(shí)需添加水的體積，用量筒量取對(duì)應(yīng)體積的純凈水分別加入到6個(gè)錐形瓶中，按濃度由小到大對(duì)應(yīng)標(biāo)記為1～6號(hào)，用玻璃棒充分?jǐn)嚢杈鶆蛑敛环謱拥臓顟B(tài)，測(cè)量1～6號(hào)瓶?jī)?nèi)料液的體積（V1～V6）。

根據(jù)測(cè)得料液的體積（V1～V6）以及對(duì)應(yīng)裝入秸稈的質(zhì)量40g，換算成有效容積800mL反應(yīng)器裝入秸稈的質(zhì)量M1=35.56g，M2=53.33g，M3=64g，M4=53.33g，M5=53.33g，M6=45.71g。將換算得到的裝料質(zhì)量與對(duì)應(yīng)濃度變化形成如下曲線（如圖1）。

1.3 結(jié)果與分析

從得到的曲線（圖1）可以看出，當(dāng)秸稈料液濃度小于8%時(shí)，玉米秸稈裝料質(zhì)量隨著干物質(zhì)濃度的增大而增大;而當(dāng)濃度大于8%時(shí)，玉米秸稈裝料質(zhì)量隨著干物質(zhì)濃度的增大反而減小。這是因?yàn)闈舛刃∮?%時(shí)，物料主要以溶液狀態(tài)存在，料液的體積主要取決于加入水的體積，濃度越大加入水的體積越小，料液的體積也越小，有效容積內(nèi)裝入秸稈的質(zhì)量越大;濃度大于8%時(shí)，秸稈顆粒不能充分吸收水分，物料主要以固體形態(tài)存在，只是在燒杯底部有少量液體，裝料體積主要取決于秸稈顆粒的堆積密度，濃度越大，秸稈吸水軟化效果越差，秸稈顆粒的間隙越大，堆積密度越小，有效容積內(nèi)裝入秸稈的質(zhì)量越小。濃度小于8%時(shí)利用玻璃棒攪拌料液較為容易，而濃度大于8%以后利用玻璃棒攪拌料液變得較為困難。因此，在實(shí)際工程中綜合考慮攪拌、進(jìn)料量等因素，選取進(jìn)料濃度為6%～8%比較適宜。

2 水解劑對(duì)兼氧水解的影響

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

兼氧水解是指秸稈物料在兼氧條件下，為多樣化的微生物菌群創(chuàng)造一個(gè)兼氧的生存環(huán)境，支持大量的兼氧微生物快速地分泌出大量的纖維素和半纖維素水解酶，可以將秸稈中大分子的纖維素半纖維素分解成為小分子的單糖，為下一步厭氧產(chǎn)氣創(chuàng)造良好條件。選擇不同的水解劑進(jìn)行水解，水解效果不同，并且關(guān)系到節(jié)約資源以及沼液消納等重要問(wèn)題。因此，研究明確以水還是出料回流的沼液為水解劑，對(duì)工程應(yīng)用具有重要的意義。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法與步驟

設(shè)定發(fā)酵溫度、兼氧狀態(tài)、濃度、時(shí)間等水解條件不變，研究以沼液和水為水解劑，秸稈的纖維素和半纖維素含量隨水解時(shí)間的變化規(guī)律。為獲得較高的能效比以及水解過(guò)程要為后續(xù)中溫厭氧發(fā)酵預(yù)熱增溫，水解溫度選擇中溫35℃;兼氧狀態(tài)選擇同在厭氧條件下;進(jìn)料濃度考慮裝料質(zhì)量和攪拌要求，設(shè)定為6%;因?yàn)殡S水解時(shí)間的延長(zhǎng)會(huì)需要增大水解池體積，從而增加建造成本，還會(huì)對(duì)碳素營(yíng)養(yǎng)造成一定損失影響后續(xù)產(chǎn)氣，所以設(shè)定水解時(shí)間為48h。

測(cè)定秸稈TS為90%，分別稱取60g秸稈加入到2個(gè)1000mL的錐形瓶中，按6%濃度計(jì)算加入水解劑的體積，分別量取純凈水和沼液調(diào)配好料液，標(biāo)記為“水水解”和“沼液水解”。封好錐形瓶瓶塞，連接好導(dǎo)氣管，放入到秸稈水解裝置（如圖2）的恒溫水浴鍋中，水浴鍋溫度設(shè)定為35℃，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

取10g未水解的秸稈，在105℃的熱風(fēng)條件下烘至恒重，裝袋密封保存，標(biāo)記為初始參照樣;計(jì)時(shí)開(kāi)始后，每隔8h，從2個(gè)錐形瓶中均勻取料10g，熱風(fēng)烘至恒重后裝袋密封保存，并對(duì)應(yīng)標(biāo)記好水解劑和水解時(shí)間，按同樣方法直至完成48h的水解取樣和封存。