黑龙江省水稻秸秆厌氧发酵制取沼气的主要工艺条件研究

2013-11-24金中波于海明张雪峰秦春兰谢秋菊庄卫东胡军

黑龙江八一农垦大学学报 2013年5期

金中波，于海明，张雪峰，秦春兰，谢秋菊，庄卫东，胡军

（1. 黑龙江八一农垦大学工程学院，大庆 163319；2. 黑龙江八一农垦大学信息技术学院）

沼气在我国的应用已经有一个多世纪的历史，目前已形成了乡村集中供气、沼气发电、沼渣综合利用，以及以沼气为纽带的生态家园富民工程，近年来，中央政府出台了一系列相关政策支持农村沼气建设并且不断加大资金投入，为沼气工程的发展创造了优越的外部环境条件。

黑龙江省位于我国最东北部，气候为温带大陆性季风气候，为水稻种植提供了良好的环境。从2010年至今，我省水稻种植面积逐年递增，2010 年297.33万hm2，2011 年343.4 万hm2，2012 年353.3 万hm2。水稻种植面积的递增既保证了增产增收，也提供了大量的水稻秸秆资源。然而，我省秸秆资源的利用率低、转化率低、经济效益低，大部分秸秆资源被废弃或直接焚烧，造成了资源浪费和环境污染，其价值没有充分体现。因此，丰富的水稻秸秆资源为厌氧发酵产沼气技术的应用提供了有利的内部发展条件。

1 沼气发酵的原理

沼气发酵又称厌氧消化，是指各种有机物在厌氧条件下，被各类沼气发酵微生物分解转化，最终生成沼气的过程。目前比较公认的有机物厌氧消化理论是Bryant 在1979 年提出的三阶段理论，如图1 所示。

图1 厌氧消化三阶段示意图Fig.1 Schematic diagram of three-steps anaerobic fermentation

三阶段理论包括：

第一阶段为水解发酵阶段。在该阶段，复杂的有机物在厌氧菌胞外酶的作用下，首先分解成简单的有机物，继而这些简单的有机物在产酸菌的作用下经过厌氧发酵和氧化转化成乙酸、丙酸、丁酸等脂肪酸和醇类。

第二阶段为产氢产乙酸阶段。在该阶段，产氢产乙酸菌把除乙酸、甲酸、甲醇以外的第一阶段产生的中间产物转化成乙酸和氢，并有CO2产生。

第三阶段为产甲烷阶段。在该阶段，产甲烷菌把第一阶段和第二阶段产生的乙酸、H2和CO2等转化为甲烷。

沼气发酵是一个比较复杂的过程。在实际的沼气发酵过程中，上述三个阶段是相互衔接和相互制约的，它们之间保持着动态平衡，从而使基质不断分解，沼气不断形成。

2 水稻秸秆发酵产沼气的主要工艺条件

沼气发酵微生物要求适宜的生活条件，对温度、酸碱度及其他各种环境因素都有一定的要求。沼气发酵工艺条件就是在工艺上满足微生物的这些生活条件，使它们在合适的环境中生活，以达到发酵旺盛，产气量高。因此，控制好沼气发酵的工艺条件是维持正常发酵产气的关键。概括起来，影响我省水稻秸秆产沼气的工艺条件主要有以下几个方面：

2.1 适宜的温度

沼气发酵微生物只有在一定的温度条件下才能生长繁殖，进行正常的代谢活动，因此发酵温度是影响沼气发酵的重要因素。在一定温度范围内，产气量随温度的升高而提高，但产气量并不是始终与温度的增高成正相关[1]，如图2 所示。

图2 温度对产气量的影响Fig.2 Effect of biogas production on temperature

黑龙江省低温寒冷时间长达半年左右，农村中的沼气池采用在自然温度下进行发酵，发酵料液的温度随气温和季节变化而变化。这种发酵产气方式的优点是设备简单，缺点是全年产气量会有很大变化，温度的突然变化会对产气造成很大影响，尤其是冬季，经常由于温度过低影响产气，特别是当温度一次性下降5 ℃时，会停止产气，影响正常使用。为了使沼气池在低温条件下也能够产气，需要采取保温和增温措施。

自动加热恒温系统主要由太阳能热水器、换热器、换热管、温度自动控制系统、循环水泵和其他辅助部件组成[2]，如图3 所示。

图3 沼气池自动加热恒温系统Fig.3 Automatic heating thermostatic system

系统检验合格后，运行太阳能热水器系统，当太阳能热水器内水温达到设定的临界温度时，热量通过太阳能侧循环水泵，送至沼气池内的换热器和换热管；当太阳能热水器内水温低于设定的临界温度时，则关闭太阳能侧循环水泵，待水温达到要求后重新启动太阳能侧循环水泵。沼气池、分集水器及池体内的换热器与换热管组成系统的热量循环和控制系统。池体内温度由温度传感器进行检测，并通过温度自动控制系统进行控制，从而保证正常的反应温度[3]。

2.2 秸秆的预处理

由于秸秆纤维素中碳氢比过低导致秸秆中能源密度较低，需要通过一定的处理方法将秸秆中纤维素降解，从而提高碳氢比并增加能源密度。水稻秸秆中富含蜡质且纤维素聚合度更高，比玉米秸秆和小麦秸秆更难被降解，水解酸化缓慢、产气周期长、利用效率低，因此必须利用预处理技术提高秸秆的可降解程度[4]。

试验过程采用氨化处理水稻秸秆。将稻秸剪成2～3 cm 的小段，风干备用。接种物为实验室沼气中厌氧发酵后的沼液。试验时将接种物与稻秸混合至总固体质量分数（TS）为20% 左右。秸秆氨化的机理为：在秸秆氨化过程中，氨与秸秆中的有机质发生氨解反应，破坏木质素与纤维素和半纤维素链间的酯键，并形成氨盐。氨溶于水形成氢氧化氨，呈碱性。碱能使秸秆纤维内部的氢键结合变弱，使纤维分子膨胀，并且能皂化糖醛酸和乙酸的酯键，中和游离的糖醛酸，使细胞壁成分中的纤维素和木质素间的联系削弱以及半纤维素被溶解，因而更有利于厌氧消化。氨化后的稻秸，半纤维素从27.63%下降到24.32%，降解率为12%，试验结果证明氨化后的稻秸更有利于厌氧消化[5]。

2.3 接种物与原料的不同比例

接种物与原料的不同比例是影响水稻秸秆厌氧发酵产气速度和产气量的重要因素，合适的接种物原料比对提高沼气产气速率、沼气产气量、秸秆利用率等有着重要的影响[6]。

试验接种物与原料与上相同，试验时将二者混合至总固体质量分数（TS）为20%。试验在反应瓶中进行，以量桶计量排出的液体，试验装置如图4 所示。在35±1 ℃恒定温度进行发酵试验，水稻秸秆50 g，接种物分别为25、50、100 g，将接种物与原料配成质量比为0.5∶1，1∶1，2∶1，加水至1 L。接种物与原料的不同配比时，日产气量和总产气量对比情况如图5、图6 所示。

图4 厌氧发酵装置图Fig.4 Diagram of anaerobic fermentation installation

图5 接种物与原料的不同配比对日产气量的影响Fig.5 Effect of daily biogas production on different proportions of inoculums and raw materials

图6 接种物与原料的不同配比总产气量的影响Fig.6 Effect of total biogas production on different proportions of inoculums and raw materials

由图5 试验结果可见：产气高峰期出现最早的是接种物与原料比为2∶1 的试验，接种物与原料比为0.5∶1、1∶1 的试验较晚；在发酵期内，接种物与原料比为2∶1 的试验的日产气量明显高于接种物与原料比为0.5∶1、1∶1 的试验；随着厌氧发酵的进行，各试验产气量开始逐渐下降，但接种物与原料比为2∶1 的试验在第13 天后产气量变化不明显，保持较为平稳；接种物与原料比为0.5∶1∶1 试验在发酵进行到第15 天左右时，产气量开始回升，出现了第二个产气高峰，持续近10 天后开始下降并趋于稳定。

从图6 结果可知：接种物与原料比为0.5∶1 试验的总产气量低于接种物与原料比为1∶1、2∶1 的试验的总产气量，而接种物与原料比为1∶1 与2∶1 两组试验的总产气量差别并不太大。

因此，通过图5、图6 试验结果对比可以得知，接种物与原料比为1∶1 的试验对沼气产气量的影响最为明显。