秸秆沼气发酵过程控制的研究

1、秸秆沼气发酵过程控制的研究现状与存在问题1原料预处理对秸秆进行预处理是提高秸秆的利用率和产气率的一种有效的手段, 成为目前秸秆沼气利用研究的重要内容。秸秆预处理研究体现在营养调节和质地改善两个方面。营养调节通常是调整碳氮比。质地改善, 主要有物理、化学和生物手段, 它们都是通过一定措施改善秸秆质地和结构。营养调节主要体现在碳氮比上, 常见的做法有两种, 一是与碳氮比低的发酵原料混和发酵, 例如畜禽粪便等, 另外就是添加一些化学元素, 如尿素或碳酸氢铵30,31。Zhang 等将2% 的氨水和秸秆在110的温度下处理2 h, 秸秆中挥发性有机质的产气率达 0. 47 L/g , 与没有处理的秸秆

2、相比, 产气率提高了17. 5% 3 。物理处理主要是利用机械、热等方法来改变秸秆的外部形态或内部组织结构。Zhang 在用稻草发酵产沼气中, 采用研磨和切碎两种物理预处理方法处理稻草。研究发现, 切碎和碾磨都能够促进秸秆的产气速率和产气潜能的发挥。但是, 切碎与未切碎相比, 稻草产气速率和产气潜能的变化不明显。而研磨与切碎相比得到显著效果, 在相同的颗粒大小下(25 mm ) , 研磨比切碎的预处理方法可提高产气量12. 5% 3 。陈洪章等将通过汽爆进行预处理的麦草和没有处理的麦草进行厌氧发酵对比, 汽爆麦草的总固形物和挥发性固形物含量分别降低了57. 5%和62. 1% , 下降率差不多

3、是未汽爆麦草的2倍; 纤维素和半纤维素的降解率也有了显著的提高, 分别为63. 0%和67. 4%; 木质素的降解变化不大, 都在5% 左右32。化学预处理就是利用化学制剂作用于作物秸秆, 破坏细胞壁中半纤维素与木质素形成的共价键从而达到提高秸秆消化率的目的。化学预处理通常需要辅助热处理, 促进秸秆与这些化学制剂之间发生反应, 使更多的可溶物质释放。用于秸秆化学处理的化学试剂很多, 碱化处理的制剂有N aOH、Ca (OH ) 2、KOH、N aHCO 3 等;氨化的有液氨、氨水尿素和NH4HCO 3 等； 氧化还原类的有氯气、各种次氯酸盐、H2O 2 和SO 2 等 7 。罗清明等研究N a

4、OH 化学处理使玉米秸秆厌氧发酵产气量提高。分析表明，N aOH 处理后, 秸细胞壁结构和化学成分发生了明显的变化, 分别有53. 2%、46. 9%和66. 6%的木质素、纤维素和半纤维素被分解, 其中1/ 2 2/3 被转化成了易被厌氧菌利用的可溶性物质33。生物处理就是在人工控制下, 利用一些细菌, 真菌等微生物的发酵作用, 来处理秸秆。杨玉楠发现, 在39, 10d 的预处理条件下, 白腐菌处理后的厌氧发酵效果最好, 可以达到50% 的甲烷转化34。潘亚杰等研究结果表明, 利用白腐菌对玉米秸秆进行生物降解预处理, 在固液比为19, 添加0. 1% 碳源和0. 2% 氮源条件下, 能大幅

5、度提高木质纤维素的降解率, 并获得COD值在10000 mg.L 以上的降解液35。李湘等（2006）在研究中发现碱处理和汽爆处理比较适合作为纤维素降解菌在进行微生物发酵时的预处理方法, 而且其中由于碱处理需要浪费大量的水, 并且会对水体产生污染，而汽爆处理在整个过程中只产生很少量的糠醛, 对环境产生的影响较小36。研究表明秸秆产沼气效率低下与秸秆的质地和成分关系极大。秸秆的主要有机组成是纤维素、半纤维素、木质素、果胶和蜡质等, 质地轻, 难以分解, 此外秸秆的有效氮、磷成分短缺, 不利于微生物发酵利用37。特别是秸秆表面具有一层蜡质, 不容易被微生物所破坏。通过物理、化学和好氧生物途径对秸秆

6、进行的预处理是许多研究人员一直努力的方向, 也都取得一定成效。但是, 预处理在改善秸秆特性提高原料利用率的同时也存在一系列问题。首先, 预处理增加费用; 其次, 化学处理面临二次污染；再者, 生物法处理秸秆大多数还停留在试验阶段, 离规模化的应用还有一定的差距。因此, 找到合适的预处理方法是未来重点研究的内容。.2反应器结构沼气发酵自20 世纪70 年代以来产生多种高效反应结构, 如UASB,A F 等, 但是农作物秸秆产沼气所用的厌氧消化反应器, 结构一直非常单一。目前文献基本采用传统厌氧消化结构, 很少涉及结构改进; 实际调研也显示, 主要是传统厌氧消化器和农村户用沼气池。但是, 在传统厌

7、氧消化器中, 以农作物秸秆为原料进行沼气发酵, 原料易于漂浮在料液上面, 不能与微生物充分接触, 减缓反应速度。同时, 漂浮原料的结壳阻止沼气及时逸出。朱洪光在传统厌氧消化器上部加一格栅, 能防止原料漂浮, 原料始终浸泡在料液中, 能充分与微生物接触, 抑制浮渣产生38。中国农村, 在户用沼气池中设置“竹笼导气”的做法, 也基本缓解沼气池内结壳, 便于气体释放。“竹笼导气”, 即在沼气池中部设一内径大于15 cm 的竹笼, 让其下部浸在料液中, 上部露在气箱中，这样竹笼内料液不会结壳, 有助于沼气释放并能减少秸秆上浮部分10。由于农作物秸秆自身的特点, 其沼气发酵一般采用批量进料, 进出料工作

8、量大的难题一直困扰秸秆在沼气领域中的应用。原料轻易出现漂浮分层和结壳, 是第二难题。固态发酵, 传质效果差, 且搅拌阻力大, 气体释放困难, 是另一难题。因此, 如何能够使进出料方便且保持连续进出料39、增加传质效率是未来反应器结构改进研究的主要方向。.3反应器接种与其他一些沼气发酵原料, 例如粪便和生活污水等相比, 农作物秸秆自身微生物菌群附着数量少, 很难通过自身驯化富集完成发酵过程的启动。因此, 使用秸秆作为原料发酵沼气, 在每次开始前都需要准备大量接种物。产甲烷菌群在大自然中广泛分布, 有许多接种物都可以满足农作物秸秆产沼气的要求。目前常用的接种物为新鲜牛粪、老沼气池的沼渣、腐败河泥或

9、城市污水处理厂的消化污泥等。Lettinga 对不同接种物的产甲烷活性进行了系统研究40。研究表明, 城市污水处理厂消化污泥是很好接种物, 它在30的产甲烷活性是新鲜牛粪的10 20 倍左右。韩天喜利用秸秆为原料, 用老沼液作为接种物, 通过15. 7%、31%、62. 9%和92% 不同浓度的接种物来进行对比实验。研究发现, 62. 9%和92%能够大幅度提高产气效率, 15. 7%就可以完成系统启动, 而31% 效率较高, 且产气过程稳定41。在秸秆沼气发酵中, 需要一定的接种物来启动反应, 目前的研究都以传统接种物进行启动。但是, 以下几方面的原因使以传统接种物进行秸秆沼气发酵启动存在启

10、动效率低、代价高的缺陷。一方面传统接种物来源不同, 所含微生物的菌群类型和数量差异较大, 并且基本很少适宜秸秆的原料特性, 因此不同接种物类型和数量会显著影响发酵系统的启动和运行效率; 另一方面，由于传统接种物的效率低, 每次启动都要求大量获取接种物, 这不仅增加启动成本, 加大进料劳动强度, 而且减少反应器器有效体积。此外, 因各种因素, 有时大量获取接种物会存在困难, 制约反应器启动。因此, 开发高效商品接种物对促进农作物秸秆作为原料产沼气具有重要实践意义。4发酵条件控制水动力、温度和原料投加浓度等因素始终是沼气研究的重要领域, 秸秆沼气发酵方面也不例外。搅拌通过促进水动力循环, 促进微生

11、物和底质的良好接触, 通常是提高沼气发酵效率的有效手段。但是, 对于秸秆发酵,反应器原料浓度大, 通过搅拌促进水动力的阻力高, 能耗大，一般很难采用。Lars Mattias 等利用循环回流发酵液处理处理青草, 明显增加产气效率, 产气量可以达到1. 2 1. 4 m 3/（m 3·d) , 原料中挥发有机质的甲烷产量可以达到0. 31 0. 36m 3/k g42。一般来说, 较高温度下的微生物代谢过程较快, 高温发酵较中温发酵、中温发酵较低温发酵反应速度要快得多, 其相应得产气周期要短。高志坚等比较了在中温(35) 和常温(环境温度) 条件下, 玉米秸秆日产气量、累积产气量、总干

12、物质(TS)和挥发性有机物(V S) 消化率的区别。结果显示, 相对于常温而言, 中温厌氧消化的累积产气量提高了63% , 总干物质(TS) 和有机物(V S) 消化率分别增加33% 和49% , 产气速率也明显提高43。原料投加浓度也是影响农作物秸秆产沼气的重要因素。Zhang 等在利用稻草为原料进行沼气发酵时, 分别按50, 75, 100 g/L 进行投料。研究发现, 随着投加量的增加, 原料的TS 和V S 减少更多, 产气量也增加 3 。高志坚等利用玉米秸秆为原料, 进行35、50、65 g/L 不同浓度进料, 结果表明, 50g/L TS 浓度下获得了较高的单位原料累积产气量, 而

13、并非投料浓度越高产气量越高43。孙国朝等研究以秸秆为原料的干发酵表明：固体浓度以25% 30% 为宜，浓度为15% 时原料分解和利用率最高 44 。与温度相比, 水动力和发酵原料浓度的控制相对容易实现。一般来说, 较高温度下的微生物代谢过程较快,温度保持相对恒定, 反应器效率较高。但是, 在具体工程中, 除效率之外, 运转的经济性、操作管理的方便更是重要的考虑因素。特别是从节能与产能观点考虑, 沼气发酵应该以净产能量为设计的主要依据。因此, 理论上或生物学上的最适温度并不等于工程上的最佳温度。对具体工程设施, 最适温度的控制应根据综合比较评价后才能确定。沼气发酵不仅受温度不同影响, 而且受温度

14、变化的影响。不论何种原因导致反应介质温度的短期突变, 对沼气发酵过程均有明显的影响。高温发酵对温度变化较敏感, 突变±3, 就有可能导致发酵过程发生变化, 中温厌氧菌可适应较宽的温度范围45。因此, 选择何种温度范围, 以及如何保持反应过程中温度相对恒定, 也是秸秆沼气发酵的未来必要的研究方向。5发酵过程相分离发酵过程相分离是农作物秸秆产沼气近年来的热点研究领域。邹元良等将玉米秸秆在产酸反应器里酸化, 然后将沥出液泵入UA SB 反应器类反应, 负荷为8. 5 g COD/L ·d, 温度在32 33的条件下, 平均产气率达2. 3 2. 5 m 3/(m 3·d

15、) , 甲烷含量达70% 左右46。由于秸秆原料发酵残渣较多, 传统发酵基本采用批次投料管理。实践和试验研究都说明, 批次投料不能均衡产气 3, 41, 47 。Zhang 等设计的两产酸一产气三联合相分离发酵系统提出均衡产气的新途径。该系统包括两个并联产酸反应器和一个产气反应器, 通过两个产酸相的时差投料和交替运行, 调整产气, 使产气达到一个相对均衡的状态 3 。根据不同类别细菌的作用, 可以将厌氧消化过程分为3 大阶段：水解、产酸和产甲烷阶段。不同的发酵原料, 限制沼气发酵效率的阶段不同。对于可溶性发酵底物, 产甲烷菌不足通常是限制沼气发酵速率的主要因素; 对于秸秆, 水解反应往往是限制

16、环节。低pH 值往往有利于固态有机质的水解。但是, 在传统沼气发酵中, 秸秆沼气发酵的3 个阶段在一个反应器中, 很难实现pH值的分阶段控制。目前把水解酸化和产甲烷分别在不同的反应器中的两相反应确实在一定程度上提高了反应效率, 说明两相发酵是未来秸秆沼气研究的重要方向。但是, 研究结果表明, 真正实现相分离非常困难 47。Zhang 等利用两相发酵系统来处理稻草, 经过10 d 左右的运行, 产酸反应器也开始产气 3 , 证实了这一点。因此, 两相发酵工艺未来研究的重点是如何把产酸和产气彻底分离。2.5 沼气废渣发酵生产有机肥营养成分是评价沼气干发酵造肥效果的一个重要方面。国内学者对沼气干发酵过程的营养物质损失情况进行了研究，研究结果表明沼气干发酵过程营养成分损失少。孙国朝等48的研究指出，沼气干发酵的全氮损失率为1. 2 %2. 5 %。王天光49的研究指出可，沼气干发酵、水压式沼气发酵、敞口沤肥、堆肥的全氮保存率分别为91. 7 % ,88.18 % ,74. 9 %和69. 5 %。何丽红26 指出，在发酵温度为55 ，C/ N比为12. 5 ，没有搅拌操作的工艺条件下，全氮损失率为1. 1804 %。卫生指标是评价沼气干发酵造肥效果的另一个重要依据。国外学者对沼气干发酵沼渣的卫生情况进