秸稈厭氧發(fā)酵特性研究

趙國明　常帥　邢向欣　裴海林　孫京

摘 要：我國秸稈資源十分豐富，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)境及能源消費結(jié)構(gòu)，秸稈沼渣還田利用或開發(fā)成高附加值的有機肥和蔬菜栽培基質(zhì)，可促進農(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)合工程實際中存在的一些問題，對秸稈的發(fā)酵濃度、預處理方式及其對厭氧產(chǎn)氣的影響進行研究。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)酵之前進行兼氧水解預處理，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，對指導工程實踐具有重大意義。

關(guān)鍵詞：秸稈;濃度;兼氧水解;厭氧發(fā)酵;沼氣

中圖分類號：S-3

文獻標識碼：A

我國農(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，也對安全造成一定的隱患[1]。因此，解決秸稈的終端利用問題，是政府、企業(yè)、農(nóng)民必須面對的一項嚴峻挑戰(zhàn)。秸稈沼氣技術(shù)是以秸稈為原料，通過厭氧發(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土壤生態(tài)，也可用來開發(fā)高附加值的有機肥和蔬菜栽培基質(zhì)，能大大提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和經(jīng)濟價值，促進農(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題尚未很好解決，導致秸稈的處理效率和沼氣產(chǎn)量都很低[3]。因此，本文對秸稈厭氧發(fā)酵特性關(guān)鍵問題進行研究，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)濟性。

1 相同池容條件下不同進料濃度對裝料質(zhì)量的影響

1.1 實驗目的

依據(jù)畜禽糞污的規(guī)律，本研究認為一定體積情況下，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。而秸稈隨著進料濃度的增大，物料的狀態(tài)會由溶液狀態(tài)轉(zhuǎn)變成固體狀態(tài)，物料體積的影響因素會發(fā)生變化，秸稈料液濃度對一定有效容積內(nèi)容納物料質(zhì)量的影響規(guī)律較糞便有所不同，通過對反應(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，確定適宜的秸稈進料濃度，以達到反應(yīng)器較高的利用率。

1.2 實驗方法與步驟

測定秸稈干物質(zhì)含量，利用電子天平、熱風干燥箱等測得秸稈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1000mL錐形瓶中，根據(jù)濃度公式：C=m×TS/m+v，計算出調(diào)配濃度為4%、6%、8%、10%、15%、20%的料液時需添加水的體積，用量筒量取對應(yīng)體積的純凈水分別加入到6個錐形瓶中，按濃度由小到大對應(yīng)標記為1～6號，用玻璃棒充分攪拌均勻至不分層的狀態(tài)，測量1～6號瓶內(nèi)料液的體積（V1～V6）。

根據(jù)測得料液的體積（V1～V6）以及對應(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，當秸稈料液濃度小于8%時，玉米秸稈裝料質(zhì)量隨著干物質(zhì)濃度的增大而增大;而當濃度大于8%時，玉米秸稈裝料質(zhì)量隨著干物質(zhì)濃度的增大反而減小。這是因為濃度小于8%時，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，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，在實際工程中綜合考慮攪拌、進料量等因素，選取進料濃度為6%～8%比較適宜。

2 水解劑對兼氧水解的影響

2.1 實驗目的

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題。因此，研究明確以水還是出料回流的沼液為水解劑，對工程應(yīng)用具有重要的意義。

2.2 實驗方法與步驟

設(shè)定發(fā)酵溫度、兼氧狀態(tài)、濃度、時間等水解條件不變，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間的變化規(guī)律。為獲得較高的能效比以及水解過程要為后續(xù)中溫厭氧發(fā)酵預熱增溫，水解溫度選擇中溫35℃;兼氧狀態(tài)選擇同在厭氧條件下;進料濃度考慮裝料質(zhì)量和攪拌要求，設(shè)定為6%;因為隨水解時間的延長會需要增大水解池體積，從而增加建造成本，還會對碳素營養(yǎng)造成一定損失影響后續(xù)產(chǎn)氣，所以設(shè)定水解時間為48h。

測定秸稈TS為90%，分別稱取60g秸稈加入到2個1000mL的錐形瓶中，按6%濃度計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，標記為“水水解”和“沼液水解”。封好錐形瓶瓶塞，連接好導氣管，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℃，開始計時。

取10g未水解的秸稈，在105℃的熱風條件下烘至恒重，裝袋密封保存，標記為初始參照樣;計時開始后，每隔8h，從2個錐形瓶中均勻取料10g，熱風烘至恒重后裝袋密封保存，并對應(yīng)標記好水解劑和水解時間，按同樣方法直至完成48h的水解取樣和封存。