秸秆厌氧消化产沼气资源化研究

2017-03-09王鲁民夏晓芳

绿色环保建材 2017年3期

关键词：碳氮比沼气纤维素

王鲁民张亮夏晓芳

青岛中科华通能源工程有限公司

秸秆厌氧消化产沼气资源化研究

王鲁民张亮夏晓芳

青岛中科华通能源工程有限公司

秸秆厌氧消化既消纳了农村有机废弃物，又生产出沼气和有机肥，有效缓解农村地区面临的能源和环境双重压力。文章综述了秸秆厌氧消化过程中的影响因素，简要介绍了相关技术优化研究进展，并提出了规模化秸秆厌氧消化工程发展建议。

秸秆；厌氧消化；沼气

1 前言

随着我国城镇化进程的不断加速，农村地区能源结构优化和环境保护问题日益受到重视，农作物秸秆厌氧发酵制取沼气技术成为当前的研究热点，通过对秸秆进行厌氧消化处理，除能改善农村环境外，还可生产清洁能源沼气和沼渣沼液等优质有机肥。我国是农业大国，农作物秸秆资源丰富。据统计，2016年我国农作物秸秆产量达到7.9亿吨。

农作物秸秆含有大量有机质和营养元素，其中蕴含大量化学能，是一种较理想的厌氧消化制沼气原料，若将其转化为可再生能源，将可有效缓解我国城镇化进程与农村环境之间的矛盾，优化农村地区能源结构。

2 厌氧消化基本原理

农作物秸秆由大量的有机物和少量的无机物及水组成，其有机物的主要成分是纤维素、半纤维素和木质素，此外还有少量的粗蛋白和粗脂肪。

秸秆厌氧消化是指在无氧条件下，秸秆中的可生物降解有机物被兼性和专性厌氧菌分解为自身生长繁殖所需的物质和能量，并最终转化为甲烷和二氧化碳的过程。此过程非常复杂，当前较为公认的是三阶段理论，即水解酸化阶段、乙酸化阶段和甲烷化阶段

3 影响秸秆厌氧消化的因素

生物质厌氧消化的影响因素多种多样，环境因素包括温度、pH值、氧化还原条件等，过程因素包括底物浓度、养分比例、水力停留时间等。根据秸秆理化性质特点，影响其厌氧消化的主要因素有以下几点：

3.1 温度

温度是影响秸秆分解速率和产气量的最重要因素之一，秸秆厌氧消化温度可分为常温（25℃）、中温（35℃）和高温（55℃），由于秸秆在中温条件下比常温发酵周期短，但由于其代谢稳定，对氨氮浓度以及温度波动等应激因子有较强的适应能力，且中温发酵比高温发酵更具可靠性和便与工业化管理，现阶段在实际应用中占主导地位。

3.2 营养及碳氮比

厌氧反应器体系营养由投配秸秆和生物质供给，营养配比中尤以碳氮比为重。碳氮比太高则反应体系氮量相对不足，新陈代谢不充分致使有机质不能完全转化，且体系缓冲能力降低；碳氮比过低，反应体系中较易形成氨氮累积，抑制微生物生长。因此，高氮的生物质原料与高碳的秸秆原料混合能够提高厌氧消化效率。对于秸秆厌氧消化，碳氮比为（20-30）：1较为合理..

3.3 搅拌

搅拌的目的是使反应体系各处温度均匀，进入的新秸秆与反应体系内熟料和功能微生物完全混合，防止分层。但由于秸秆密度小，进入发酵罐易形成浮渣，反应体系流动性差，进而导致传质效果和传热性不理想，反应条件不易控制，有机酸或氨氮局部积累现象时有发生。因此，秸秆厌氧消化多采用不同搅拌形式相结合的方式，如立搅拌与侧搅拌相结合、气搅拌与机械搅拌相结合等。

3.4 pH值

秸秆厌氧消化过程中的水解酸化阶段和乙酸化阶段有大量酸性物质产生，导致秸秆厌氧体系pH值下降，甲烷化阶段利用以上阶段产物为基质转化为甲烷，秸秆厌氧体系pH值升高。在以秸秆为单一底物的厌氧消化过程中，当环境条件发生改变时，极易发生有机酸积累问题，进而对各类微生物生长代谢造成抑制，导稳厌氧体系不稳定。因此，秸秆厌氧消化的各参数条件需尽量保持稳定，在正常厌氧消化过程中，体系三阶段反应保持在一个平衡状态，基本无需调节pH值。

4 秸秆厌氧消化技术优化

4.1 预处理

秸秆中所含的木质素、半纤维素对纤维素的保护作用以及纤维素自身的晶体结构，使得木质纤维素形成致密不透水的高级结构，致使体系功能菌种很难与纤维素接触，影响了秸秆的水解和发酵。常见的秸秆预处理方法有物理法、化学法、生物法等，因化学法易造成二次污染，目前工业化生产多采用物理法和生物法相结合的方式对秸秆进行预处理。

4.2 混合发酵

混合发酵是指按照一定的配比原则将秸秆与其他生物质混合复配，从而改善发酵体系营养状态，混合发酵的有益效果包括：①降低单一秸秆底物碳氮比至合适范围，提高秸秆碳元素利用率，提高产气量；②增强厌氧发酵体系缓冲能力，缓解发酵过程中酸碱度变化对体系的冲击；③利用多种底物协同效应，提高体系功能性菌群活力，提高底物利用率。