沼气厌氧工程

沼气厌氧工程（精选八篇）

沼气厌氧工程 篇1

近年来, 我国农村发展速度加快, 农村面貌焕然一新。同时农村环境污染以及能源短缺的问题也一直存在, 尤其是水污染已经成为制约我国经济发展主要障碍之一, 之前我国将治理水污染的重心放在城市生活污水治理上, 一度忽略了农村的水污染。目前, 根据环保部门的统计, 农村地区水污染十分严重, 不仅污染了环境, 也对居民和畜禽养殖业的健康发展带来极大威胁。农村地区污水主要是生活所污水和养殖污水组成, 厕所污水中含有大量的氮、磷等污染物质, 是农村污水的主要排放来源。养殖业也是污水的重要来源之一, 很多农村养殖场的污水没有经过处理就直接排放到外面, 农村水资源日趋紧张。为此, 多年以来, 我国一直推行农村沼气工程建设, 更是在“十二五”规划中对农村可持续发展提出了明确要求, 号召农村加大沼气工程建设, 改善农村环境污染以及能源短缺的问题。

1 沼气厌氧工程的现状分析

沼气是农村清洁能源的重要组成部分, 利用沼气技术可以在厌氧条件下, 将人畜粪便中一些污染物转化为沼气的燃料, 在这个过程中沼气池通过厌氧发酵将大量的寄生虫卵杀灭, 对于防止农村的疾病传播有重要作用, 沼渣、沼液也可以掺入一些生物垫料, 放置贮存堆沤发酵用作农村耕作的有机肥料, 这种肥料不仅营养能力强, 而且可以改良土壤, 深受广大农户的欢迎。有些农户将养殖废水经沼气池厌氧发酵处理后引入氧化塘中再进行好氧发酵, 然后将发酵后的肥水输送到蔬菜基地, 利用滴管技术灌溉和种植农作物, 不仅卫生环保, 而且达到高效施肥的效果, 这也是现代生态农业所要求的。但我们也看到, 目前我国沼气厌氧工程存在投入不足、技术瓶颈以及卫生安全等诸多问题, 制约了沼气厌氧工程作用的发挥。通过我们对农村沼气厌氧工程的调查得知, 农村中能够建有沼气池并正常使用的用户比率不高, 不到统计人数的50%。由于用户缺乏沼气池的原料或沼气池出现故障时无法得到有效维修以及使用者对相应技术掌握程度等诸多原因, 导致很多沼气池处于半停工状态。

1.1 很多农户反映

沼气池管理比较麻烦, 尤其是发酵原料不容易获得, 除了农户家庭的粪尿之外, 还需要定期加入一些秸秆、畜禽粪便等原料才能发酵, 但很多农户家里没有饲养牲畜, 由于没有原料, 有些农民甚至要出去购买沼气原料, 不仅增加了成本, 也占据了农民的部分劳作时间, 很多人逐渐放弃了。

1.2 有些农民反映

一旦沼气池出现故障, 例如池子渗漏或微生物活性降低等问题, 农户缺少工具、也没有能力去维修, 导致很多闲置。

1.3 沼气为农村居民生活提供了优质廉价的能源

受到广大农户的欢迎。但随着农村经济的不断发展, 农村居民生活水平不断提高。很多农民到大城市打工, 收入增长速度加快, 生活富裕了, 对生活的要求就逐渐转为追求舒适、便利、卫生等。而沼气工程由于卫生以及管理等问题, 已经丧失了原来的吸引力, 很多农民愿意花钱买液化气, 也不愿意建沼气池。

1.4 相比于农户用沼气池

在农村进行集中沼气供应显然更加适合农户的需要。集中供气就是建设大中型的沼气工程, 将人畜粪便或秸秆经技术处理后加入其中, 进行厌氧发酵, 产生的沼气可以供几百户农户家庭使用, 这种集中供气可以派专人进行管理, 减少了每家每户都要维护管理的弊端, 而且运行比较稳定, 产气率也比较高。尽管这种模式需要一次性投入大量资金, 但是从人均成本来看, 要廉价的多, 使用寿命也很长。可见, 沼气的集中供气大大优越于户用沼气, 并且在创造的社会效益和环境效益方面前者也显著优于后者。

2 加强沼气厌氧工程建设的意见

从以上分析可以看出, 沼气厌氧工程对水环境治理具有重要意义, 尤其对广大农村地区而言, 沼气工程是解决农村水污染、提供发展能源的重要举措。但我们也看到, 目前沼气工程建设中依然存在诸多问题, 需要我们认真对待。

2.1 加强政府支持力度

大中型沼气池的建设和运营费用都是巨大的。作为政府, 要充分认识到沼气厌氧工程对水环境治理的重要性。要从财政资金中拨出专款用于沼气工程的补贴, 在政府财政资金有限的情况下, 为了拓展资金来源, 政府要放宽政策限制, 允许更多的社会资金进入到沼气工程建设中来, 政府用政策倾斜以及税收减免等诸多措施鼓励企业接手沼气工程建设, 提高沼气建设与利用的积极性。另外, 沼气工程建设要加强规划指引, 有些农村政府对沼气工程的补贴没有考虑到农村建设发展的需要, 有的家庭建设沼气池后又重新翻修或盖新房, 有的家庭搬迁到别处去, 沼气池处于闲置状态, 这些都需要加强规划来解决的。

2.2 加强沼气工程的管理

沼气工程建设不是一蹴而就的事情, 没有后期的维护和管理, 沼气工程发挥不出应有的效果。当前户用沼气工程大多是农户自己管理, 从沼气池的建造、池子的清理、沼气的填料都是农民自己负责, 农民限于能力和知识的局限, 不懂得如何维护和修理, 导致出现闲置问题。因此, 政府可以建立沼气工程建设管理的物业型服务公司, 由沼气服务公司来负责沼气工程的后续管理, 真正的将沼气厌氧工程市场化管理。物业型服务公司通过合同的形式与农户签订合同, 从制度上规范沼气工程的安全运行和日常管理, 保证沼气生产和供应的顺畅。这就打破了以前一般只有养猪才能有沼气供应的现状, 除了沼气原料供应之外, 物业公司还负责沼气池的选址、出料、维修等, 做到一条龙社会化服务。以前农民建设的沼气池经常出现渗漏, 影响到工程效果。物业公司会采用钢混结构、高强度、耐久性, 同时又具有抗渗防水性能作为主要的池体形式。

2.3 积极探索沼气发展模式

从目前来看, 户用沼气这种模式弊端很多, 从长远趋势来看, 除了在家庭畜禽养殖比较普遍的地区尚可以作为一个阶段性的措施适当建设外, 户用沼气不应成为沼气发展的主流。随着社会的发展进步, 沼气利用将朝大中型集中供气发展, 这也是农村养殖业规模化发展的需要。今后沼气工程建设将发展为沼气与污水治理一体化工程, 不仅可以为大量的农户提供生活能源, 而且可以实现污水的综合治理。因此, 应在技术创新和管理创新的基础之上, 加大集中沼气工程建设。大中型集中沼气站在为沼气用户提供服务的同时, 还可以通过发展多种产业, 综合利用沼气发酵产物, 通过规模化、多元化经营, 逐步收回沼气工程的投资, 最终实现盈利。

各地应根据当地实际情况, 统筹规划农村污水治理与沼气工程, 加强建设和管理, 切实提高农村沼气池使用率, 在利用沼气工程能源效益的同时, 使其真正能够起到改善农村水环境的作用, 为我国水环境质量的整体提高以及可持续发展战略的推进做出贡献。

参考文献

[1]沈连峰, 陈景玲, 马巧丽, 等.沼气建设对改善农村生态环境的研究[J].中国沼气, 2009, 27 (5) .

[2]卢旭珍, 邱凌, 王兰英.发展沼气对环保和生态的贡献[J].再生能源, 2003 (6) .

[3]孙建国, 李景明.农村沼气建设在公共卫生工作中的作用研究[J].中国健康教育, 2006 (22) .

沼气厌氧工程 篇2

配套资金建设的

申 请

张庄镇人民政府：

邹城市奥福源牧业有限公司位于张庄镇将军堂村，在各级领导的大力支持下，取得了长足的发展。公司占地面积20.6亩，交通十分方便，水、电、通讯等基础设施齐全。现有猪舍3450平方米，仓库160平方米，办公用房及职工宿舍100平方米，员工6人，其中专业技术人员2人。目前生猪存栏470头，其中良种母猪78头，良种公猪3头，年出栏商品猪1390头。

根据邹城市生猪标准化规模养殖场（小区）建设标准的要求，我公司为改善生态环境建设生态家园，解决生猪养殖粪便污水排放问题，在邹城市能源办的扶持下，2013年4月新建厌氧发酵沼气池400立方米，项目总投资11.8万元，申请资金补助1.2万元，企业自筹10.6万元。目前沼气池已全面完工并投入使用，所产沼气除自用外还供应本村6户村民使用，取得了很好的社会效果，公司打算扩大供气范围，将沼气输送到新建预防地质灾害的12户村民楼中。现在马上要进入冬季，沼气的生成需要较高的环境温度，在沼气池建设的后续工程中需投资5.6万元建设保温大棚、购置管线，由于公司资金困难，特申请镇政府领导给予扶持。

以上申请，敬请领导批示。

邹城市奥福源牧业有限公司

沼气厌氧工程 篇3

1 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的基本构造和技术原理

1.1 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的构造

主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器由叠加的第一反应室和第二反应室,进、出料管,沼气提升管,污泥循环回流管,三相分离器,气液分离池组成。其特征是:叠加的2个颗粒膨胀污泥床(EGSB)厌氧反应器的高度、直径不同,上面的第二反应室大于下面的第一反应室,三相分离器为球冠倾斜连接管三相分离器,在沼气提升管上设置有可调速循环回流泵,污泥循环回流管直接与进料总管口下部连通,进料口设置有自动调压进料池,进料总管与第一反应室底部的布料系统相连接。主动内循环(TAIC)厌氧反应器结构图如1所示。

注:1——自动调压进料池;2——进料口;3-进料总管; 4——布料系统;5——第一反应室;6——第二反应室;7——三相分离器;8——提升管;9——可调速循环回流泵;10——第一反应室气液分离池;11——污泥循环回流管;12——沼气导管;13——第二反应室气液分离连接管;14-第二反应室气液分离池;15——沼气收集罩;16—沼液、沼渣溢流管;17—底渣排放管;18——倾斜连接管。

1.2 主动内循环(TAIC)厌氧反应器的技术原理

主动内循环(TAIC)厌氧反应器拥有2个厌氧反应室并实现了泥水混合液在反应器内部的循环。由于内循环的存在,避免了污泥被过多挟带出反应器,从而大大提高了反应器的处理容量。

运行时第一反应室所产的沼气经集气罩收集并沿提升管上升的动力,把第一反应室的发酵液和污泥提升到反应器顶部的气液分离器,分离出的沼气从导管进入顶部收集罩内,泥水混合液沿回流管进入进料总管与新进料液混合后又返回第一反应室内。

为更有效地提高反应效能,在反应器顶部外的提升管上安装一台可人工调速的轴流回流泵,从而实现上、下2部料液的主动内循环,增大料液传质效率,延长污泥滞留期,新进的料液和活性污泥完全处于动态的混合状态,从而大大提高了第一反应室内的反应效能,同时也防止发酵料液出现结壳现象。

经第一反应室处理的废水,经分离器自动进入第二反应室,废水中的剩余有机物被第二反应室的颗粒污泥进一步降解,使废水得到更好的净化,经过两级处理的废水在混合液沉淀区进行固液分离,清液由出水管排出,沉淀的颗粒污泥可自动返回第二反应室。这样,对废水完成了厌氧处理的全部过程。

2 主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器的技术创新点及关键技术

主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器采用自主发明专利技术(“一种TAIC厌氧反应器”专利号:ZL20081007391.2)[2],其技术创新点及关键技术如下。

2.1 在反应器顶部提升管装有功率很小的可调速循环回流泵

实现主动内循环,污泥循环回流在进料总管就与料液充分混合,并根据内循环对料液与活性污泥的混合状况及传质效果调节速度范围,以达到最佳的传质效果。

采用主动内循环(TAIC)厌氧反应器在技术上与其他种类的厌氧反应器相比,有以下几个突出优势。

(1)在处理低浓度废水时,循环流量可达进水流量的2～3倍;处理高浓度废水时循环流量可达进水流量的10～20倍。因为循环流量进水在第一反应室内充分混合,使原废水中有害物质充分稀释到微生物可以承受的程度,保证反应器中的微生物能良好生长,从而提高了反应器的耐冲击负荷能力。

(2)沼气发酵是在酸碱度中性条件下进行的厌氧反应,当酸碱度不在合适范围内时,启动内循环泵,主动内循环流量相当于第一级厌氧出水的回流,利用COD转化的碱度,对pH起缓冲作用,使反应器的pH保持稳定,可减少进水的投碱量,降低运行成本,使反应器正常运行。

(3)当启动主动内循环(TAIC)厌氧反应器时,通过内循环泵加大料液循环流量,使颗粒污泥始终处于适宜的膨胀状态,强化传质过程,反应器可以迅速启动。在一定的温度条件下通过改变运行方式(例如高进水量低浓度运行、低进水量低上升流速运行、高进水量高上升流速运行),可以使反应器快速启动,比其他厌氧反应器的启动时间缩短一半以上。当气温偏低时可以启动内循环泵加大料液循环流量,使厌氧反应器在较低温度下仍能正常运转,从而稳定污水处理效果。

(4)在反应器中,生化反应是依靠微生物的代谢活动进行的,这就要使微生物不断接触新的食物。搅拌是让微生物与食物发生接触的有效手段。由于实现了主动内循环,废水与活性污泥充分接触,促进甲烷菌微生物的代谢,使其迅速生长繁殖,提高产气量。

(5)由于主动内循环(TAIC)厌氧反应器内部结构中有三相分离器和主动内循环,使微生物滞留期(MRT)和固体滞留期(SRT)的滞留时间增长,传质效果好,生物量大,污染龄长,使活性污泥得到驯化与保护。其进水有机负荷率比普通的颗粒膨胀污泥床(EGSB)厌氧反应器高,一般高出2～3倍。能使浓度高低不同的悬浮固体物废水进行连续进料或半连续进料,固体物质及活性污泥不流失。可用大幅度提高进水COD容积负荷的办法,增加反应器中的沼气产量。

2.2 采用球冠倾斜连接管三相分离器

球冠形倾斜三相分离器不仅造价低廉,而且可以避免沼液上流速度过快。一方面改善了沼气和污泥的分离效果,活性污泥在气液分离池内进行,可以保证甲烷菌的活力;另一方面在倾斜连接管的导流作用下,第二反应室的料液形成旋流布料作用,产生推流搅拌,从而提高了污泥滞留期和菌料均匀度,消除了沼气池存在的料液短路、发酵盲区和微生物贫乏区等技术问题。

2.3 进料口上设置有自动调压进料池

当进料管发生阻塞时,调压池液面自动升高达到较高的压差,可以疏通阻塞,保持进料管畅通。

2.4 合适的高径比

提高反应器的液体上升流速,从而使颗粒污泥床膨胀,消除死区,使污泥和废水更好地接触,强化传质效率,保证沼气与污泥的分离效果。

2个反应池上下叠加,不仅能增大反应池容量,而且能使反应彻底,保证出水质量。反应器采用钢筋混凝土构筑物,并采取必要的防腐处理,半地下式建造方式可减少建筑和保温费用。

2.5 实现底渣的无动力排放

利用反应器溢流排水口与排渣口的水位差可有效地将反应器中的底渣(泥沙及比重大于水的不可降解物)虹吸排出,而不会排出活性污泥,大大减轻了人工清池的劳动强度。

3 用户使用效果

桂林市某种鸭有限公司的种鸭养殖场是桂林市规模最大的现代化种鸭养殖场之一。常年存栏进口的祖代种鸭有8万只,年出栏父母代种鸭苗20余万只。鸭粪产量为10 t/d,综合粪污水为300～500 m3/d。未处理前,年年出现污染纠纷,每年的赔偿费用达几十万元,排污罚款也达到了十几万元。

2007年,桂林旺隆达环保能源开发有限公司为该种鸭有限公司建成以主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器为核心的养殖污水沼气生态系统工程。

该主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程由以下五大部分组成。

(1)前处理装置,包括预处理池、调节池、固液分离设备等装置。

养殖场粪污预处理的主要目的是进行固液分离。畜禽粪污中对环境构成威胁的物质有80%存于粪污之中,固液分离可降低液体中的BOD、COD及SS含量,降低后续粪水处理单元的负荷。固液分离后,固体废渣用于制肥,液体进入后续处理单元。

养殖场粪污前处理系统包括格栅、集水池、固液分离、调节水解池。固液分离可采用沉淀池、水力筛网或固液分离机。养殖场废水处理系统前端设置调节水解池,可降解进水中的大分子有机物,提高粪水的生物可降解性,以避免水量冲击负荷对后续废水处理工艺的影响。

(2)主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器。主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器利用反应器所产生沼气的提升力和内循环轴流泵实现发酵料液与活性污泥保护分离的主动内循环。适用处理各种不同固体含量、浓度高低不同的废水,提高了反应效能和再生能源(沼气)的收集率,降低了反应器的造价及运行成本。

反应器采用钢筋混凝土构筑物,进行必要的防腐处理,采用半埋地下式建造方式可减少建筑和保温费用。

(3)沼气的收集、贮存及输配系统。包括气体水分分离、净化脱硫、贮气输气和沼气燃烧等设备。采用浮罩式低压湿式输气柜,钟罩内设置安全泄压孔,材质为优质的玻璃钢材。采用专业管线(聚乙烯管)及配套自动化设备收集、净化、储存、输送沼气。

(4)沼液后处理装置和人工生态湿地等,是确保达标排放不可缺少的组成部分。经过主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器处理后的废水,经析流式污泥沉淀分离池和人工湿地生物滤床处理后,处理效果可达到《农田灌溉水质标准》(GB5084—2005)中的规定,处理后的水全部用于灌溉附近农田。

(5)沼渣处理系统。包括固液分离等设备,改善了整个工程的经济性,实现了资源的综合利用。

根据养鸭场粪污水中鸭毛不易腐烂,易堵塞管道的水质特性,设计采用固液分离—厌氧生物技术和生态循环利用模式。该模式由预处理系统,主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器,沼气的收集、贮存及输配系统,沼液后处理装置,人工生态湿地,有机肥生产系统等组成。

主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程的工艺流程图如图2所示。

该工程项目的种鸭场养殖废水经过主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统处理后,沼气产气率≥0.5 m3/m3·d (常温反应)。出水水质经过人工生态湿地处理后,达到《农田灌溉水质标准》(GB 5084—2005) 13]中的相关标准,处理后的水全部用于灌溉附近农田。沼渣用于附近农田、果园的施肥。

该厌氧反应器的容积为300 m3,每天可以处理300～500t种鸭养殖粪污水。待处理粪污水的CODCr浓度为500～5 000 mg/L,经该设备处理后的水可以达标灌溉农田,效果非常好。所产生的沼气主要用于该养鸭场的沼气锅炉、小鸭孵化、职工生活等各方面,每年节约标准煤几十吨,同时节省了每年数十万元的排污罚款和农田污染索赔。既解决了养殖场粪污水问题,又解决了能源利用问题,其综合经济效益高达几十万元。

该设备操作简单、维护方便、能耗低,每天只需几元钱的电费就能维持正常运转。该设备排放沼渣也非常方便,打开排渣阀门系统就会虹吸自动排渣。

由于采用了桂林旺隆达环保能源开发有限公司的这项主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器处理养殖污水沼气生态系统工程的技术及设备,彻底解决了该公司种鸭养殖场粪污水排放问题。

4 主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖场污水沼气生态工程技术项目鉴定结论

主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖场污水沼气生态工程技术项目已经完成“桂林市科学技术研究与技术开发计划”([2009]37号)文下达的研究任务,并于2010年通过桂林市科技局组织的科技成果鉴定,鉴定结论为:经过三年“示范性工程”的检验,污水处理运行正常,沼气产生持续高效,有良好的环保节能减排效果和较好的经济效益、生态效益,达到国内领先水平,具备大规模推广应用的条件。

目前,主动内循环(TAIC)高效厌氧处理养殖污水沼气生态系统工程技术已经列入“2010年国家科技型中小企业创新基金”支持的项目(立项代码:10C26214504890)。

主动内循环(TAIC)厌氧反应器处理能力强,可以处理污水的CODCr浓度为200～50 000 mg/L,CODCr负荷为5～40 kg/m3d。不同浓度的有机废水CODCr去除率高达95%左右,产气率高,特别适用于大型畜禽养殖场的粪污水及各种有机废水的处理。

摘要：文章介绍了主动内循环(TAIC)高效厌氧反应器的技术原理、技术创新点、关键技术、用户使用效果及项目鉴定结论。

关键词：主动内循环,厌氧反应,污水处理,TAIC反应器

参考文献

[1]胡纪萃.试论IC反应器:水工业与可持续发展[M].北京:清华大学出版社,1998.

[2]赵泽明,秦家运.一种TAIC厌氧反应器[P].中国专利:ZL2008 1007391.2,2010-06-09.

秸秆厌氧发酵产沼气技术现状进展 篇4

目前秸秆资源化主要有秸秆饲料化、秸秆肥田、秸秆工业原料化( 基料、造纸、建筑材料等) 和秸秆生物能源化技术( 厌氧消化技术、热解气化技术、制乙醇技术、固化技术等)[1]。其中利用以秸秆为代表的木质纤维素原料厌氧消化制取清洁、高效、安全的新能源甲烷,已成为研究的热点并投入实际生产,具有十分深远的经济价值和战略意义。但是在实际生产中秸秆产气率不高,主要原因在于秸秆本身木质纤维素含量高难以分解,因此秸秆消化有发酵启动慢、分解慢、发酵时间长、产气率低、利用率低等问题[2],由此需要对秸秆进行有效预处理,并优化厌氧发酵条件,提高秸秆发酵速率和产气质量。

1 秸秆厌氧发酵预处理技术

秸秆木质纤维素的一部分结晶区排列整齐,微生物和酶难以入内; 木质素内部除了有强大的氢键连接外,还与半纤维素形成稳定的木质素—碳水化合物复合体,将纤维素和半纤维素包裹其中,使酶不易与其接触。因此需要借助一些物理、化学或生物的方法,去除木质素,使纤维素与木质素和半纤维素分离开来,然后破坏纤维素内部结构,使其由结晶态转化成为无定型态,降低纤维素聚合度,才能使木质纤维素得以有效利用。目前国内外对玉米秸秆发酵产气预处理主要包括物理技术、化学技术、生物技术、物理化学和化学生物等联合处理技术。

1. 1 物理技术

主要是通过改变农作物秸秆的外部形态或内部组织结构的方法,包括机械加工、辐射、微波、超声波等方法。

( 1) 机械加工。机械加工包括切碎、粉碎、磨碎等方法,通过剪切、粉碎和研磨等把纤维原料的粒径减小,降低纤维素的结晶度,增加与纤维素酶的接触面积,常在其他预处理方法之前使用。在对生物质机械加工之前先进行轻微干燥[3],可以提高纤维素原料的易磨性从而降低机械加工的能源消耗。

( 2) 微波。微波即频率在300 MHz ~ 300 GHz的电磁波,在微波作用下,被加热介质中的水分子的极性取向会随着外电场的改变而变化,分子的高速运动使微波场的场能转化为介质内的热能,从而导致原材料温度升高,产生热化、膨化等一系列反应,破坏纤维素分子间的氢键[4],提高了纤维素的可及度和反应能力。Saha Badal C等[5]研究了微波预处理小麦秸秆条件参数,发现微波预处理秸秆( 0. 15 ml/g小麦秸秆) 在3种酶制剂( 纤维素酶、β葡糖苷酶和半纤维素酶) 下糖化后糖产量是544±7 mg /g秸秆,产率约为70% ; 微波酸预处理后得到最大糖产量是651±7 mg / g秸秆,收益率为84% 。

( 3) 超声波。超声波是频率高于20 000 Hz的声波,预处理能够改变秸秆内部微观结构,其空化作用产生巨大能量使木质纤维素受到振动而破碎,使其分散于液体中释放出多糖,有利于后续秸秆厌氧消化反应[4]。冯磊等[6]研究超声波预处理玉米秸秆发酵发现: 未经预处理和超声波处理后日产气量分别是4. 54 ml/( g·d) 和6. 86 ml/( g·d) ,提高了51. 10% ; 沼气中平均甲烷浓度由未经预处理的43. 83% 提高到处理后的47. 86% ; 最佳超声波预处理功率为225W,处理时间为30 min。

1. 2 化学技术

化学技术是利用化学制剂对作物的秸秆进行作用,以达到打破秸秆细胞壁中半纤维素与木质素之间的共价键,从而使秸秆消化率得到提高。化学处理主要有碱处理、酸处理、离子液体及氧化等。

( 1) 碱法预处理。各种预处理方法中碱处理操作简单便捷,木质素去除效果显著,应用也较为广泛。碱处理是利用Na OH、Ca O、Ca( OH)2、KOH或氨溶液等碱性溶液浸泡或喷洒于原料表面,以打开纤维素、半纤维素和木质素之间的酯键,溶解纤维素、半纤维素和一部分木质素及硅酸盐,使纤维素膨胀,从而便于酶水解的进行,提高消化率[7,8]。Bar-man等[9]研究Na OH煮沸小麦秸秆预处理去除木质素作用,利用不同浓度的Na OH( 0. 5% ~ 2% ) 在105℃处理小麦秸秆10 min,发现2% 的Na OH预处理样品后暴露出的纤维素纤维最多; 2% Na OH预处理液处理时木质素和半纤维素最大的去除率分别是70. 3% 和68. 2% 。

( 2) 酸预处理。酸水解包括浓酸预处理和稀酸预处理,浓酸预处理对设备有腐蚀作用,处理后必须回收,生产成本增加,因此稀酸应用更广泛。稀酸预处理可溶解半纤维、造成纤维素内部的氢键破坏,有利于木质纤维素中的半纤维素、纤维素的水解,可降低木质纤维素聚合度[8,10]。

( 3) 离子液体法。离子液体是一种在室温或低温条件下由无机阴离子和有机阳离子相互结合而成的呈液态的盐类化合物。离子液体价格较高,但因其表现出的环境友好等特点,有一定的发展空间。F. Saez等[11]研究发现,用1 - 乙基 - 3 - 甲基咪唑醋酸盐处理大麦秸秆可使纤维素、木聚糖转化率分别为未处理的9倍和13倍,用离子液体在110℃下处理大麦秸秆30 min,可有0. 535 g糖/g原料的糖产量,其中多余86% 的糖来源于未经离子液体处理时而无法转化的糖,证明离子液体可促进纤维素半纤维素水解。

( 4) 氧化法。氧化反应可使木质素单体之间连接的醚键和木质素与糖类复合体之间连接的醚键、缩醛键氧化断裂,故氧化可有效地使木质素分离,半纤维素溶解,以便木质纤维素原料容易酶解和发酵。湿氧化是在加温加压条件下水和氧共同参加的反应。Nadja Schultz - Jensen等[12]通过实验发现在O3预处理并经水洗后的小麦秸秆中纤维素和半纤维素没有变化,但是木质素被去除了95% ; 侯霖等[13]采用湿式氧化法对玉米秸秆进行预处理,发现玉米秸秆的纤维素得率为75. 6% 。

1. 3 生物技术

生物技术是利用某些微生物( 包括真菌、基因工程菌和酶类) 来降解原料中的木质素。常用的真菌有白腐菌、褐腐菌和软腐菌,其产生的木质素分解酶系作用于物料,可提高纤维素和半纤维素的转化率。生物预处理常用接种菌种进行预处理,驯化分解木质素或纤维素的菌种再将其接种到秸秆原料中。Rameshwar Tiwari等[14]通过分离出露湿漆斑菌LG7来处理秸秆,分析发现其可以去除木质素,改变木质素骨架结构和纤维素结晶度。

1. 4 联合预处理

各种预处理方法都具有其独特的优势和其自身的局限,通过单一方法预处理很难达到较好的效果。在秸秆预处理实际操作中,往往通过物理、化学、生物不同预处理原理组合或预处理方法组合来达到更好的处理效果。

氨纤维爆破法( AFEX) 是一定温度( 60 ~100℃)和高压( 1. 7 ~ 2. 1 MPa) 下的液态无水氨处理生物质再快速泄压的方法。液氨可使木质素发生解聚反应,同时破坏木质素与糖类间的联接,使半纤维素水解、纤维素结 晶度降低 从而改变 植物纤维 的结构[15]。刘建军[16]在AFEX预处理玉米秸秆条件优化的试验研究中表明在含水率为80% ,温度为90℃,纤维素酶添加量为15 FPU时,葡萄糖和木糖的总转化率分别为92. 14% 和67. 06% 。结果表明AFEX处理对玉米秸秆是一种有效的预处理方式。

热水法是利用高温高压下水穿透生物质的细胞壁使得生物质中的半缩醛键断裂生成酸,从而促进醚键的断裂,有利于半纤维素水解降解为木糖和低聚糖,也可除去部分木质素。这种预处理方法设备成本低,无需化学药品,预处理过程中产生的发酵抑制物少,而且可实现半纤维素和纤维素的分离,便于单独利用半纤维素和纤维素的降解产物[17]。Badal C. Saha等[18]在热水预处理最佳工艺条件下( 10% ,w / v; 200℃ ,5 min) 得到550±5 mg / g可发酵糖 / g玉米秸秆,相当于72% 的理论产糖量。Tim Rogalin-ski等[19]实验表明高温热水可以导致生物质高度溶解。

张婷[20]研究最优超声波的预处理条件为: Na OH浓度6% ,超声时间60 min,超声功率360 k Hz,固液比1: 12。累积产气量比稀碱法单独预处理的最优方案提高了31. 9% 。

2 玉米秸秆厌氧发酵技术

秸秆厌氧发酵是有机废弃物在厌氧条件下经过酸化最终被分解成甲烷、二氧化碳和水等的过程。厌氧发酵包括三个连续的部分,水解阶段、产氢产乙酸阶段、产甲烷阶段。

水解阶段: 水解产酸细菌胞外酶如纤维素酶、淀粉酶、蛋白酶和脂肪酶等对有机物体外酶解,将固体有机物转化成可溶性物质; 纤维素、半纤维素淀粉等多糖通过反应水解成单糖,再通过反应生成丙酮酸;蛋白质水解成多肽,进而水解成氨基酸,最后变为有机酸和氨肥; 脂类可以水解为甘油和脂肪酸,进一步可以形成丙酸、乙酸、丁酸等一些小分子酸及H2和CO2。

产氢产乙酸阶段: 产氢、产乙酸菌利用这些可溶性物质作为能量和生长基质,进行厌氧消化,产生乙酸、乳酸等有机酸,以及醇、氨、CO2、H2、硫化物和能量,并形成细胞物质。

产甲烷阶段: 乙酸、乙酸盐和H2被产甲烷细菌转化为甲烷。此阶段涉及两组生理上不同的产甲烷菌。其中一组将H2和CO2通过反应转化成甲烷,而另一组可以通过乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷。前者约占产生甲烷总量的1 /3,后者约占2 /3[21,22,23]。

目前国内外对预处理后玉米秸秆发酵产气研究主要从控制厌氧发酵条件入手,包括以下几方面。

2. 1 温度

微生物只有在一定的温度范围下才能进行正常的代谢和生长繁殖,温度主要是通过对微生物酶的活性的影响而影响微生物的生长代谢; 温度还会影响有机物在生化反应中的流向和某些中间产物的形成以及各种物质在水中的溶解度从而会影响到沼气的产量和成分,所以发酵温度是影响沼气发酵的重要因素。根据产甲烷菌在不同温度下的活性将厌氧发酵分为三类: 15 ~ 20℃为低温发酵,20 ~ 45℃为中温发酵,50 ~ 65℃称为高温发酵[24]。在实际应用过程中可以根据需要目标和生产条件进行选择。Boukov等[25]研究了中温向高温转变对厌氧发酵的影响,发现温度逐步从37℃升高到55℃的过程中,47℃下的沼气产量和甲烷含量最低; 当温度直接从37℃升高到55℃时,初期沼气产量下降,随后产气量迅速提高。Xiaojiao Wang等[26]研究稻草秸秆和牛粪鸡粪共发酵发现一定范围内温度升高可以提升沼气产量,但是由中温( 30 ~ 40℃) 发酵到高温( 50~ 60℃ ) 发酵由于氨态氮和游离氨累积产生抑制作用使沼气产率下降。Li Lianhua[27]研究稻草秸秆高温( 55±1) ℃、中温( 35±1) ℃和常温( 25±1) ℃发酵,结果表明中温发酵沼气产量最高。

2. 2 底物浓度

厌氧发酵系统中的总固体浓度,又称料液浓度,是发酵料液中干物质含量的百分比。当总固体浓度高于15% 时为干发酵,干发酵一般总固体浓度为15% ~ 40% ; 总固体浓度低于15% 为湿发酵[28]。料液浓度过高会阻碍传质过程,同时也不利于反应产生的甲烷气的释放。有机物负荷率很高时,由于供给产酸菌的养分充分,致使作为其代谢产物的有机物酸产量很大,超过了产甲烷菌的吸收利用能力,导致有机酸在消化液中的积累和p H下降; 有机物负荷率偏小则供给产酸菌的原料不足,产酸量偏小,不能满足产甲烷菌的需要。Song Zilin等[29]研究发现玉米秸秆和小麦秸秆干物质产气率在总固体质量分数分别为20% 和16% 时达到最大值,分别为297. 78 m L / g和242. 15 m L / g。

2. 3 C / N 比

C / N值是指原料有机物中的总有机碳含量与总氮含量的比值,C /N值太低,氮过多p H值可能上升,铵盐容易积累,抑制消化进程; C /N过高,氮量不足,挥发性脂肪酸( VFA) 容易积累而导致发酵液酸化,厌氧发酵过程中反应物碳氮比在( 20 ~ 30) ∶1时为最佳[30]。因此在实际应用中常将秸秆和富氮有机物( 如污泥、牲畜粪便) 进行合理配比共发酵,从而得到适宜的碳氮比,共发酵同时可以增加发酵系统缓冲性。若控制p H值在7. 2 ~ 7. 3之间时,产酸菌较弱的代谢能力和产甲烷菌较强的代谢能力之间易形成代谢平衡,从而促使厌氧消化过程稳定地进行下去[31]。张娟[32]研究35℃下猪粪与玉米秸秆2∶1、猪粪与小麦秸秆3∶1和猪粪与玉米秸秆3∶1发酵比,发现3种不同原料的配比有着较高的总产气量和甲烷总产气量。不同的原料因其成分不同有不同的最优配比。YU Ai - he[33]研究了稻草秸秆发酵产沼气最大产气量的C /N为27. 5。

2. 4 p H 值

p H不仅直接影响生物体内各种酶的催化活性及代谢途径,还能影响生物细胞的形态和结构。各种细菌都有其适应的氢离子浓度,产甲烷菌对p H的适应范围在6. 8 ~ 7. 2之间,因此厌氧发酵产甲烷的最佳p H为中性范围。当p H值低于6. 0时,可加入石灰水或者氨水调节,可保证厌氧发酵过程的顺利进行[34]。王永泽[35]统计了不同初始p H值稻草秸秆发酵总产气量,试验得出初始p H为7时发酵累积产气量明显高于其他。Zhang Tong等[36]研究发现沼气日产量与p H值和VFA成反比; Mei Xiang等[37]研究表明VFA浓度在p H为8. 0时达到最高值4 409. 51 mg /L,此时稻秆降解量也最多,半纤维素、纤维素和 酸性洗涤 木质素降 解率分别 为28. 60% 、47. 32% 和22. 69% ,稻秆负荷与发酵p H通过影响稻秆半纤维素、纤维素和木质素的降解,从而影响稻秆厌氧发酵产酸的进程和效果。

2. 5 无机盐

无机盐或矿质元素主要为产甲烷菌提供碳源氮源以外的各种重要元素,如P、S、K、Mg、Na、Fe等大量元素和Cu、Zn、Mg、Ni、Co、Mo、Sn、Se等微量元素[38]。有些离子是微生物细胞组成成分,当发酵环境中存在适量无机盐离子时可以促进微生物生长。比如100 ~ 200 mg /L Ca和75 ~ 150 mg /L Mg可促进发酵过程[39]。有毒物质对于厌氧发酵过程来说是相对的[40],过高浓度无机盐离子会影响微生物生长繁殖,甚至有毒害致死作用。时昌波等[41]研究初始Fe Cl3加入量为3% ,秸秆的厌氧产甲烷效率相对于对照提高了14% 。X射线衍射分析结果表明Fe Cl3存在时,沼渣中纤维素的结晶度显著降低。杨立[22]研究表明添加金属离子组的产气量平均比对照组提高了41. 7% 。多种金属离子同时存在时,对秸秆厌氧发酵产气效果的影响程度最大的3种金属离子为: Co2 +、Cu2 +和Mg2 +。陈佳一[42]在稻草秸秆中添加Mg2 +后发酵试验产气量比对照组高出10% 。

3 结语

玉米秸秆经物理、化学、生物或联合预处理后产气范围可达118. 84 ~ 410 ml/g TS[6,24,43,44,45],造成产气差异较大的因素是不同地域玉米品种和生长土壤气候环境等原因会导致玉米秸秆成分差异,预处理技术在时间、温度等方面的差别也导致预处理结果的不同。在秸秆预处理中物理处理技术存在能耗大的问题; 化学处理技术需要找到不造成二次污染、成本低及对沼气发酵有多种促进作用的化学处理剂;目前研究对纤维素酶制剂与微生物预处理过程中秸秆水解产糖量、效果及微生物之间的相互作用了解不多,对预处理中微生物保持优势生长环境的研究也不够。在秸秆产沼气实际应用中,要综合考虑原料预处理和厌氧发酵条件的各种因素,选择适宜、经济的预处理方法和发酵条件以及工艺。

沼气厌氧工程 篇5

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用的发酵原料为风干的稻草秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆, 均取自四川省成都市双流县附近的农田。挑选洁净鲜亮的秸秆, 自然风干, 经10 mm筛孔粉碎机粉碎, 置于干燥通风处待用。秸秆的基本性质见表1。试验所需的接种物取自成都市污水处理厂的厌氧污泥。接种物基本特性见表2。

试验调控参数:发酵温度35℃;秸秆的粉碎度2~10 mm;恒定接种量40%;原料负荷50 g/L。

1.2 试验装置和方法

本试验采用自制的厌氧发酵系统 (实际上是一种气体连通装置) 进行3种秸秆在中温 (35℃±2℃) 条件下的厌氧发酵试验 (图1) 。该厌氧发酵系统主要由3个部分组成, 即5 L的磨口瓶、湿式气体流量计和集气袋。磨口瓶作为厌氧发酵反应器, 加入充分混合的秸秆与菌种作为发酵原料, 并置于恒温培养箱中保持稳定的发酵温度。发酵瓶产生的沼气经湿式气体流量计计量 (记录累积产气量, 并可计算出日产气量) 后, 经集气袋进行收集, 以便于气体成分检测时的采样。

准备4套上述厌氧发酵装置, 1套为空白对照试验 (2 L厌氧污泥, 补加清水到5 L刻度线) , 其余3套分别为以稻草秸秆、小麦秸秆和玉米秸秆为原料的沼气发酵装置, 装置中分别加入了250 g风干的稻草、小麦秆和玉米秆, 以及2 L厌氧污泥的混合物, 并补加清水至5 L刻度线;按图1连接方式连接好装置, 将4套厌氧发酵装置置于设定好温度的恒温培养箱中, 进行厌氧发酵试验。试验开始后, 每天定时记录日产气量及气体成分。试验结束后, 计算相应的总产气量, 通过日产气量、甲烷含量的计算, 对厌氧发酵进行分析, 以比较3种秸秆中温条件下的厌氧发酵产气特性。

1.3 分析方法

干物质含量 (总固体含量, TS) 采用烘干法[4]测定;产沼气量采用排水法收集沼气;CH4含量采用沼气成分分析仪测量。

2 结果与分析

2.1 3种作物秸秆厌氧发酵的日产气量比较

稻草、小麦秆、玉米秆3种不同秸秆的日产气量情况见图2。由图2可知, 稻草、小麦秆、玉米秆3种秸秆日产气量呈现一定的趋势, 产气曲线非常流畅, 说明厌氧发酵进行顺利。每种原料产气峰值均出现在发酵的第4天, 分别为稻草5.9 L、小麦秆9.3 L、玉米秆14.4 L, 说明在反应初期, 原料中可降解有机物能利用充足的厌氧菌快速降解转化为沼气;峰值过后, 日产气量明显减少, 说明秸秆成分中含有大量不易降解的有机物质, 即秸秆中的纤维素还没有被降解利用[5,6]。

2.2 3种作物秸秆厌氧发酵的总产气量和产气潜力比较

经过65 d的厌氧发酵, 稻草、小麦秆、玉米秆3种秸秆的总产气量和产气潜力见表3。由表3可知, 经过65 d的中温厌氧发酵, 玉米秆产气潜力最高为0.51 L/g TS;小麦秆稍低一点为0.48 L/g TS;稻草最低为0.41 L/g TS, 约为玉米秆的80%。说明以玉米秆为原料的产气效率明显高于稻草和小麦秆[7,8,9]。

2.3 3种秸秆厌氧发酵日产沼气中甲烷含量比较

稻草、小麦秆、玉米秆3种秸秆厌氧发酵所产沼气的甲烷含量见图3。由图3可知, 3种作物秸秆经过中温厌氧发酵后, 产生的沼气中平均产甲烷含量分别为:稻草55.04%、小麦秆55.4%、玉米秆56%, 均在50%~60%。以上试验结果表明, 厌氧发酵产生的沼气中甲烷含量受秸秆类型的影响较小[10,11]。

3 结论

试验结果表明, 中温条件下, 稻草、小麦秆、玉米秆3种不同秸秆的产沼气潜力分别为0.41 L/g TS、0.48 L/g TS和0.51 L/g TS, 以玉米秆为原料的产沼气潜力相对较高。在 (35℃±2℃) 条件下, 不同作物秸秆厌氧发酵产沼气, 其中的甲烷含量为50%~60%, 受发酵原料种类的影响较小。

参考文献

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沼气厌氧工程 篇6

关键词：沼气,牛粪,秸秆,干物质,厌氧发酵

0 引言

厌氧发酵产沼气是在厌氧条件下利用厌氧微生物分解有机物产生甲烷和二氧化碳的过程[1]。由于厌氧发酵产生的沼气属于生物质能源,可减少燃烧化石燃料导致的温室气体排放,因此在当前能源紧张的环境下,厌氧产甲烷技术具有极大的环境效益和生态效益[2]。

我国是农业大国,每年生产出大量粮食和畜禽产品的同时,也会产生大量的农作物秸秆和畜禽粪便[3]。近年来,由于农业生产方式和农村生活方式的转变,大量秸秆和畜禽粪便被废弃在田间地头或河渠沟畔[4]。将畜禽粪便和秸秆进行厌氧发酵产生沼气,在解决环境污染的同时,也可以回收利用生物质资源[5,6]。农作物秸秆含碳量高,单一秸秆作为发酵原料时产生的高浓度挥发性脂肪酸(VFA)对甲烷菌的活性会产生抑制作用[7,8]。与秸秆不同,畜禽粪便中蛋白质等含氮物质较多,这些含氮物质分解后产生的NH4+-N对VFA所造成的pH下降具有缓冲作用[9,10];另一方面,与粪便单一发酵相比,粪便秸秆混合发酵具有更高的产气量[11]。

根据干物质浓度的不同,厌氧发酵可以分为湿式发酵和干式发酵。湿式发酵的干物质浓度一般小于10%,发酵原料易于水解,底物扩散和传质速率快,容易被微生物利用,因此湿式发酵生化反应速率较快,且产气稳定。干式发酵的干物质浓度大于10%,其有机负荷率也较高,可以高达10kg/m3·d,远高于湿式发酵的2~4kg/m3·d[12]。与湿式发酵相比,干式发酵装置容积较小,投资费用较低。

目前已有学者对发酵温度、原料配比、接种物的种类和数量等研究较多,对干物质浓度的研究尚不多见。因此,本文研究了不同干物质浓度条件下牛粪和秸秆混合发酵产沼气的效果,分析发酵渗滤液性质和发酵产沼气效果的关系,考察其有机负荷率和池容产气率,以期找到合适的发酵干物质浓度,为实际工业应用提供参考资料。

1 材料和方法

1.1 实验材料

所用的发酵原料为秸秆和牛粪。牛粪来源于天津市西青区某大型奶牛场,为风干样并含有较多的纤维,颜色呈棕褐色,味微臭,牛粪颗粒大小不等,将其粉碎为小于5mm的颗粒备用。秸秆来源于天津农学院玉米实验田,玉米收获后秸秆已在试验田风干半年。实验前,将秸秆剪为长度为3~5cm的小段,放入FW80型粉碎机中粉碎备用,粉碎后的秸秆呈纤维丝状。接种污泥为本实验室自行培养驯化的活性污泥,颜色呈黑褐色,含水量为97.5%。发酵原料和接种污泥的性质如表1所示。

1.2 实验装置和方法

实验装置由发酵瓶、集水瓶、集气瓶和气、水管路组成,如图1所示。发酵瓶容积为500mL,其顶部由橡胶塞密封,在橡胶塞上钻孔并插入塑料管,以收集发酵产生的沼气;发酵瓶侧面上部设有取样口,以收集发酵产生的渗滤液;发酵瓶密封,以保证厌氧条件。

1.发酵瓶 2.集气瓶 3.集水瓶 4.排水管5.集气管 6.橡胶密封塞 7.液体取样口

首先,将牛粪、秸秆和接种污泥装入发酵瓶中,牛粪和秸秆的比例为3:1(质量比),使发酵原料的C/N=25~30;接种污泥的添加量都是50.0mL,同时分别加入不同数量的自来水,使发酵原料的干物质浓度分别为20%,15%,10%,5%和2.5%,具体物料装填数据见表2。采用中温条件进行发酵,将发酵瓶置于(36±1)℃的恒温水浴中,以保持中温条件。

1.3 分析指标和方法

分析测试指标包括沼气产生量,发酵温度T,粪便和秸秆的TN,TC ,TS和VS,发酵渗滤液的pH 、碱度、NH4+-N和VFA。沼气产生量采用排水法进行测定,通过记录每天排出饱和食盐水的数量来确定产生的沼气体积,并记录水浴温度和室温。每周测定1次渗滤液的VFA,NH4+-N,碱度和pH。TN采用凯式定氮法测定,TC用重铬酸钾-稀释热法,测定TS与VS采用烘干法和灼烧法测定;碱度采用酸碱滴定法测定,VFA和NH4+-N采用蒸馏法测定,其他指标都采用文献中的标准方法进行测定[13,14]。

2 结果和讨论

2.1 日产沼气量

5种干物质浓度条件下的日产气量变化如图2所示。由图2可见,发酵实验进行了80d,可以分为两个阶段:前30d为第1阶段,30d后为第2阶段。在第1阶段中,5种干物质浓度条件下日产沼气量均较高,因此将第1阶段称为产气高峰期。其中,干物质浓度为20%条件下最高日产气量达到840mL(14d),15%和20%也多次出现日产沼气量超过400mL的情况。在第2阶段,日产沼气量明显下降,一般小于50mL。

由图2还可以看出:在20%,15%和10%等3种干物质浓度条件下,日产沼气量波动远高于5%和2.5%条件。其中,20%条件下日产沼气量在0~840mL之间变化,而5%和2.5%日产沼气量的变化范围分别为0~178mL和0~81mL。与其他文献相似[15],干物质浓度增大时,发酵装置的产气量不稳定,体现在日产沼气量波动和变化范围大。

2.2 累积沼气产量

和上述的日产沼气量相对应,5种干物质浓度条件下的累积产气量如图3所示。由图3可见,随着时间的增加,累积沼气产量逐渐增多。实验结束时(80d),5种干物质浓度条件下的累积沼气产量分别为2693,1532,5826,2874,1726mL。90%累积产气量最多,其次为95%和80%,85%和97.5%最低。与日产沼气量相似,在第1阶段产气量较多。第1阶段结束时,5种干物质浓度条件下的累积产气量分别为2625,1265,4710,2400,1348mL,分别占到总产气量的97.5%,82.6%,80.8%,83.5%,78.1%。

不同干物质浓度条件下,发酵原料在反应器中的停留时间是不同的。干物质浓度越高,特别是含有较多数量的秸秆时,为了取得较好的发酵效果,固体停留时间越长[16]。从本实验可以看出,发酵前30d为产气高峰期,30d后产气量大大降低,因此即使是干物质浓度较高的干式发酵,发酵时间也不宜超过30d。

2.3 渗滤液成分

5种干物质浓度条件下渗滤液中,pH、碱度、NH4+-N和VFA的变化分别如图4、图5、图6和图7所示。

由图4可见,5种干物质浓度条件下发酵渗滤液中,pH基本上保持稳定在中性范围内(6.5~8.5);与发酵初期相比,发酵后期5种干物质浓度条件下渗滤液中,pH均稍有上升。

由图5可见,与pH相似,每种干物质浓度条件下的渗滤液碱度基本保持稳定,但不同浓度之间碱度差别较大。20%和15%条件下,渗滤液的碱度平均值分别为11882mg/L(CaCO3计,下同)和10391mg/L;而2.5%和5%条件下,碱度的平均值分别只有3509mg/L和5231mg/L,10%的碱度处于中间水平,其平均值为7861mg/L。

由图6可知,不同于pH和碱度,渗滤液中NH4+-N浓度波动较大。5种干物质浓度条件下,最小的NH4+-N浓度为128.8 mg/L(2.5%),最大值达到700 mg/L(10%)。从图6中还可以看出:干物质浓度越高,NH4+-N浓度也越大;20%条件下NH4+-N浓度平均为489.7 mg/L;而2.5%条件下的NH4+-N浓度的平均值只有128.8 mg/L。

由图7可知,不同于pH、碱度和NH4+-N,渗滤液中VFA浓度呈现出先升高后下降的趋势。在发酵的第1阶段(前30d),5种干物质浓度条件下的VFA浓度都较高,20%,15%,10%,5%和2.%5条件下的VFA浓度最大值分别达到8845.2(乙酸计,下同),7711.2,6917.4,7597.8,7938.0mg/L。30d后,5种干物质浓度条件下渗滤液中VFA浓度均开始下降,一般小于50mg/L。

一般来说,在发酵初期,随着发酵原料中易降解有机物的快速分解,发酵渗滤液中VFA浓度会较高,造成pH值下降[17]。本实验中,发酵前30d内5种条件下渗滤液中VFA浓度均超过2480mg/L;但同时由于原料中蛋白质等碱性物质分解会产生的NH4+-N以及渗滤液中碱度的存在,渗滤液pH下降不明显;此后,随着VFA的不断降解,渗滤液的pH稍有上升,基本保持在中性偏碱性的范围。

2.4 有机负荷率和容积产气率

有机负荷率(单位kg/m3·d)是指单位反应器容积单位时间装填的干物质质量。在同样的发酵时间和装填数量条件下,高有机负荷率所需要的反应器体积更小,因此可以减少工程投资费用。有机负荷率还与发酵时间有关。本实验中,如以第1阶段时间(30d)为基准,则20%,15%,10%,5%和2.5%等5种干物质浓度条件下的有机负荷率分别为6.667,5.0,3.333,1.667,0.833kg/m3·d。由此可见,由于在干物质浓度较高时,单位容积反应器中可以装填更好的发酵原料,因此干式发酵的有机负荷率要高于湿式发酵。

池容产气率(单位m3/m3·d)是指示发酵装置容积利用效率的指标。据文献[18]报道,户用沼气池的池容产气率为0.132m3/m3·d。本实验中,20%,15%,10%,5%和2.5%等5种干物质浓度条件下的池容产气率(以30d的产气量计算)分别为0.173,0.100,0.313 ,0.160和0.090m3/m3·d;10%条件下的池容产气率(0.313 m3/m3·d)远高于互用沼气池,因此10%的干物质浓度是合适的发酵浓度。

3 结论

1)20%,15%,10%,5%和2.5%等5种干物质浓度条件下,发酵前30 d为产气高峰期,产气量占到总产气量的78.1%~97.5%。

2)前30 d发酵渗滤液中的VFA浓度较高。干物质浓度增加时,产气量波动增大,渗滤液中碱度和NH4+-N浓度升高,发酵装置的有机负荷率也较高。

沼气厌氧工程 篇7

1 材料与方法

1.1 实验材料

目前, 我国农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术主要运用厌氧活性污泥此类物质作为厌氧发酵的主要接种物。其关键环节是通过对常见的污水处理工厂的污泥经过离心加工处理之后, 就能够得到厌氧发酵制沼气的污泥原料, 其总固体 (TS) 为12, 97%, 挥发性固体 (VS) 为35.76%。实验的底物主要是风干的玉米秸秆, 其总固体 (TS) 为81.69%, 挥发性固体 (VS) 为88.39%。将玉米秸秆切碎备用。

1.2 实验方法

农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气实验过程主要分为湿式厌氧发酵和干式厌氧发酵两级主要的发酵实验方式。在具体的发酵实验过程中, 要通过发酵物的详细比例配置, 使配置比例达到相关的实验标准, 如湿式发酵底物作为实验的第一级主要发酵物要与第二级发酵物——干式厌氧发酵的比例控制在2∶1, 然后将配置好的混合物置于发酵盒中, 随后可以利用农业秸秆湿干两级厌氧发酵原理将农作物秸秆总固体 (TS) 的浓度配合比控制到4%左右, 将其置于100 m L容积的厌氧发酵盒中, 在其过程中要控制好混合物的酸碱平衡值, 可以采用碱性溶液将p H值调至7.5, 随后采用80%氮气与20%二氧化碳混合气, 曝气5 min, 再用铝制封口与橡胶塞密封, 将密封物放置于37 ℃的水浴振荡培养箱中进行转速为150 r/min的培养。最重要的是将湿式发酵物的发酵周期设为3、5、10、15和25 d这5个不同的发酵周期, 通过湿式发酵物的过滤处理, 就可以进行接下来的干式发酵物实验处理, 首先需要将其置于容积为250 m L的厌氧发酵盒内, 通过第1次发酵物的滤除物来观测滤除液体与第2组发酵物料的实验反应情况, 一直到发酵物产生氧气。随之可以把干式厌氧发酵物的发酵盒放置于温度为37 ℃发酵培养箱内, 然后再测定甲烷含量与产气量。

1.3 测定项目与方法

气体的收集可以采取排水集气法[2], 通过不同时间段的随机检测来记录每天的厌氧发酵产气量。然后可以利用气相色谱仪分析其甲烷含量。运用Van Soest纤维素测定法测定木质素、纤维素与半纤维素的含量。

2 结果与分析

2.1 两级发酵过程中甲烷产气量变化

甲烷是最简单的有机物, 是天然气、沼气、坑气的主要成分, 在农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气实验中, 沼气的来源主要为湿式厌氧发酵产沼气和干式厌氧发酵产沼气[3], 从发酵周期来看, 约需50 d, 从沼气的整个制造过程来看, 前一阶段的甲烷产量比后一阶段的甲烷产量要相对较高。发酵后期沼气中的甲烷含量基本处于稳定状态, 保持在50%~70%。湿式发酵阶段中3、5、10、15和25 d中的甲烷产量分别是12.76、16.40、13.25、13.82、16.19 m L。由于受干式发酵转换的影响, 在第3天与第5天的甲烷变化有明显的下降趋势。湿式厌氧发酵的第10天以及第15和25天时出现了发酵高峰期外, 其发酵产量都是由高向低的趋势运行着。两级发酵体系中的甲烷产量是第一级湿式与第二级干式的甲烷的总和。秸秆厌氧的发酵前期主要是微生物利用底物有机分子来通过化学反应降解转化为具有强挥发性的有机酸。所以在第3天和第5天的甲烷产量较其他组要低。

2.2 纤维素类的降解程度

秸秆的主要部分是木质纤维素[4], 因此, 对木质纤维素降解程度与湿式发酵周期进行研究, 对确定两级发酵中湿式发酵的周期有一定的参考意义。通过测定不同湿式发酵周期后发酵物料的纤维素含量, 对此可以得知, 农业秸秆湿干两级厌氧发酵过程中农作物秸秆中的纤维素和半纤维素有明显的降解现象。半纤维素在秸秆发酵制氧的过程中是最易降解的, 其次是纤维素, 而木质素在整个发酵过程中最难降解, 其原因是由于降解的过程需要有氧的参与。

3 结论与讨论

在农业秸秆湿干两级厌氧发酵制沼气技术实验中, 干式厌氧发酵与湿式厌氧发酵相融合的两级发酵过程中, 湿式厌氧发酵如果发酵周期太短就非常不利于甲烷菌群的聚集, 如果发酵周期太长, 也不能很好地突出干式厌氧发酵处理中的巨大优势。因此, 在玉米等农作物秸秆的各种成分降解过程中, 最容易降解的是半纤维素, 其次是纤维素, 最难降解的是木质纤维素。因此, 在该研究过程中, 湿式厌氧发酵时, 农作物秸秆中挥发性固体 (VS) 的降解量[5]与甲烷产率之间呈现出一致的发展变化趋势。

摘要：秸秆是一种可再生资源, 但是秸秆的难降解性与复杂的木质纤维素结构减少了对秸秆的应用, 因此, 对秸秆进行预处理是非常有必要的。

关键词：秸秆,厌氧发酵,沼气

参考文献

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沼气厌氧工程 篇8

目前国内外对于秸秆沼气技术的研究主要集中于秸秆预处理及发酵助剂等方面的研究, 较少有从不同厌氧发酵装置对秸秆产沼气进行研究[3,4,5,6,7]。本研究以玉米秸为主原料, 对上折流式、旋流式、气体搅拌式、普通水压式4种沼气发酵罐装置进行产沼气对比试验, 分析其产沼气效果, 寻找一种高效的沼气发酵罐, 为玉米秸秆原料发酵产沼气技术的应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

1.1.1 沼气发酵罐。

采用PP板焊接成上折流式、旋流式、气体搅拌式、普通水压式4种沼气发酵罐, 发酵罐底长、宽均为0.50 m, 高为0.80 m (分为发酵区、储气区、水压间) , 发酵区有效容积为0.15 m3。每种结构3个, 共12个。

1.1.2 发酵原料。

试验发酵原料为玉米秸秆和新鲜猪粪, 玉米秸秆采集于广西壮族自治区林业科学研究院附近农村, 新鲜猪粪采自某大型养猪场。

1.1.3 接种沼液。

试验接种物来源于正常运行的沼气池, 采集于广西壮族自治区林业科学研究院沼气试验基地。

1.2 试验方法

1.2.1 秸秆预处理。

(1) 秸秆粉碎。用锤片式饲草粉碎机将玉米秸秆粉碎成细丝状, 要求粉碎后纤维长度小于50 mm。晒干, 含水率控制在13%以下。玉米秸秆干重总计12 kg。 (2) 秸秆润湿。用1∶1的比例加水将玉米秸秆润湿, 边加水边翻动, 以保证润湿均匀;然后将秸秆放置1 d, 以利秸秆充分吸水。 (3) 原料的拌制。将润湿的秸秆平均分成4份。同时加水, 以保证秸秆含水率在65%～70%。 (4) 秸秆堆沤。将4份秸秆收堆, 在料堆项部及四周扎孔, 然后用塑料布将料堆覆盖进行堆沤。覆盖时在料堆底部距地面留10 cm空隙, 以利通气。 (5) 堆沤效果检查。用水银温度计测料温达到50℃, 并维持2 d, 秸秆变软呈黑褐色即可使用。

1.2.2 猪粪接种物预处理。

将新鲜猪粪分为4堆。先将猪粪翻动、捣碎, 用沼液来调和至湿润均匀 (以地面不流水为宜) , 然后收堆, 用塑料覆盖好, 堆沤时间1 d。

1.2.3 原料混合与装罐。

将12个沼气发酵罐分成4组。各组设3个重复, 取平均值。第1组 (处理1) 为1、2、3号罐 (CK) , 普通水压式沼气发酵罐。第2组 (处理2) 为4、5、6号罐, 上折流式沼气发酵罐。第3组 (处理3) 为7、8、9号罐, 旋流式沼气发酵罐。第4组 (处理4) 为10、11、12号罐, 气体搅拌式沼气发酵罐。将堆沤好的猪粪与堆沤后的秸秆按15∶1比例混合, 分别装入沼气发酵罐中, 最后往水压间加水至零压水位线。同时将12个沼气发酵罐单独连接沼气流量计, 进行沼气产量计量。厌氧发酵装置示意如图1所示。

注:1为发酵罐;2为进料口;3为沼气流量计;4为导气管;5为沼气分析仪。

1.2.4 记录方法。

(1) 沼气启动。记录从原料装罐到沼气CH4含量达到20%以上所需的天数; (2) 沼气累积产量。采用宁波津宁仪表有限公司生产的家用沼气专用流量计 (JB1.6) 测定。沼气的总累积产量可直接从沼气流量计读出, 每天16:00记录1次。沼气的日产量从当日流量计读数减去前一天读数算出。 (3) CH4含量。采用Gasboard-3200P沼气分析仪测定, 每天16:00测量1次。 (4) 环境温度。采用水银温度计, 16:00记录1次。 (5) 连续试验时间。2011年9月15日开始装罐, 连续监测90 d。

2 结果与分析

2.1 不同发酵装置沼气启动时间

通过检测沼气CH4含量得知, 不同的沼气发酵罐, 沼气启动时间不相同, 处理1～4在原料装罐后开始启动分别为第4天、第3天、第4天和第4天。处理2 (上折流式沼气发酵罐) 比处理1 (对照组) 、处理3 (旋流式沼气发酵罐) 、处理4 (气体搅拌式沼气发酵罐) 启动快1 d。说明上折流式沼气发酵罐原料消化速度较快, 能够缩短原料水解产酸阶段的时间, 提高产气速率。

2.2 不同沼气发酵装置对厌氧消化产沼气量的影响

分别取各处理3个沼气发酵罐沼气产量的平均值计, 各处理日累积产气量变化情况见图2。从图2可以看出, 在试验时间、环境温度条件相同的情况下, 各处理在厌氧发酵90 d后, 处理1、处理2、处理3和处理4累积沼气产量 (平均每个发酵罐累积产气量) 分别为1.605、1.856、1.685、1.735 m3。处理2、处理3、处理4总产气量分别比处理1提高15.64%、4.98%和8.10%。说明不同沼气发酵装置, 对玉米秸的发酵效率不相同, 从图2中也可以看出, 处理1和处理3累积产气量相差不大, 说明旋流式和普通水压式沼气发酵罐在应用于秸秆发酵时差别不大, 处理2和处理4累积产气量比处理1高, 说明采用折流式和气体搅拌有于提高秸秆沼气发酵效率。

各处理日产气量见图3。从图3可以看出, 处理2启动较快, 整个试验过程产气量比处理1、处理3、处理4都高, 整个产气周期相对稳定。说明上折流式沼气发酵装置比较适合用于秸秆发酵, 其折流式发酵可使秸秆的上浮过程变得缓慢, 同时上浮过程可以跟发酵液充分接触, 促进水解酸化, 提高产气稳定性与沼气产量。处理1～4日均产沼气量分别为0.017 8、0.020 6、0.018 7、0.019 3 m3, 上折流式沼气发酵装置日均产气量为最高, 说明该种装置用于秸秆发酵产气稳定性高, 其次为气体搅拌式, 说明在秸秆发酵过程中增加搅拌, 有利于提高产气率;旋流式和普通水压式日均产气量低, 说明该2种装置不太适合用于秸秆发酵。

2.3 不同沼气发酵装置对厌氧消化CH4含量的影响

不同沼气发酵装置对厌氧消化CH4含量的影响见图4。从图4可以看出, 4个处理的CH4含量变化趋势基本一致。在1～19 d, 各处理的CH4含量随发酵时间的延长而呈线性递增;19 d后, CH4含量处于比较稳定的状态。从试验整体情况来看, 处理2的CH4含量比处理1的CH4含量都稍有提高。从产气开始至试验结束, 处理2的CH4含量比处理1的高出3.2%～8.0%。这说明上折流式沼气发酵装置可以有效提高CH4含量。

3 结论

试验结果表明, 上折流式、旋流式、气体搅拌式、普通水压式4种沼气发酵罐都能进行玉米秸为主原料的厌氧发酵, 但启动时间、发酵稳定性及沼气产量有差别。上折流式沼气发酵罐是4种沼气装置中启动最快、累积产气量最大、日均产气量最高的秸秆沼气发酵装置。在4种不同沼气发酵装置中, 用玉米秸厌氧发酵产生的CH4含量变化趋势基本一致。产气稳定后, CH4含量都能达到60%以上, 但差别量不大。

参考文献

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