秸秆动态厌氧发酵影响因子研究

李淑兰， 梅自力， 孔垂雪， 李 江， 段奇武

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

秸秆动态厌氧发酵影响因子研究

李淑兰1,2， 梅自力1,2， 孔垂雪1,2， 李 江1,2， 段奇武1,2

(1.农业部沼气科学研究所， 成都 610041； 2.农业部农村可再生能源开发利用重点实验室， 成都 610041)

文章以玉米秸秆为例，研究了搅拌和进出料方式对秸秆厌氧发酵产气潜力的影响。结果表明，对于顶部进料动态厌氧消化装置，适当搅拌可以显著增加产气量，平均池容产气率比不搅拌反应器提高了65.4%。 相对于底部进料，“顶部进料-搅拌”方式并没有表现出运行优势，其池容产气率仅提高了2%，并且表现出出渣困难。研究还表明，底部进料方式下秸秆高温(52℃±1℃)动态厌氧消化运行的最高有机负荷为4.71 kgTS·m-3d-1左右，产生的沼气中甲烷含量恒定在45%～47%之间。

玉米秸秆； 厌氧发酵； 动态； 影响因子

近年来，农业的高速发展导致各类作物秸秆的大量剩余，若不进行适当处理，势必造成环境的严重污染。不少研究学者利用厌氧发酵技术对秸秆处理进行了广泛的研究，但效果都不甚理想。秸秆发酵过程中存在着严重的结壳、沉淀、分层现象，使大量的沼气池因出料难而无法维持。针对秸秆密度小、体积大等物料特性，笔者研究设计了适于纯秸秆动态连续发酵装置，深入分析了搅拌和进出料方式对秸秆动态厌氧发酵产气的影响，为实现大规模秸秆的均衡产气提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料与接种物

1.1.1 玉米秸秆

试验所用玉米秸取自四川省成都市双流县，经自然风干后用粉碎机粉碎至10目左右，置干燥通风处待用。经测定，玉米秸的TS=89.88%。

1.1.2 接种物

接种物为本试验室正常高温厌氧发酵罐培养的活性污泥发酵液，TS=4.96%。污泥产气性能好，培养驯化阶段池容产气率达2 m3·m-3d-1以上。

1.2 试验装置

试验采用上部进料、下部出料的方式进行厌氧发酵。试验装置如图1所示。

图1 秸秆厌氧发酵动态试验装置

1.3 试验方法

1.3.1 运行参数确定

试验温度设定为52℃±1℃；

设总容积的80%为发酵料液容积，即有效发酵容积为28.26 L×80%=22.61 L；

设每立方米有效发酵容积容纳100 kg秸秆(即发酵浓度为10%)，则发酵罐可容纳2.261 kg秸秆，试验加入20.4 L接种物；

顶部进料，反应器每日进料8 h后，回流搅拌1次。

1.3.2 运行方案

运行分3个阶段进行。

第1阶段：在固体滞留期17 d，即连续运行的原料有机负荷率(单位总容积)为4.71 kgTS·m-3d-1下， 运行17 d，分析搅拌和不同进出料方式的可行性；

第2阶段：开始出料，并在连续运行的原料有机负荷率(单位总容积)为4.71 kgTS·m-3d-1下， 继续运行一个滞留期，使产气达到稳定；

第3阶段：提高负荷到5.71 kgTS·m-3d-1即在滞留期14 d下，运行28 d观察产气情况；若运行稳定，则继续提高负荷，以期在合理原料产气率的情况下实现最高池容产气率。

1.3.3 运行和产气情况记录

将两套装置放入恒温培养箱，设定好温度，将输气管路连好。试验开始后，每日定时进料。进料方法如下：首先放出部分沼液，分为两份，一份与适量秸秆混合，从进料口加入；另一份冲洗进料管，使秸秆原料全部进入反应器。

在运行第一阶段最后几天，由于秸秆易形成浮渣，可能占据反应器上部气箱部分体积，如果浮渣严重影响排气，可适当放出一点沼液。

运行第二阶段隔1～3 d出一次渣，由于沼渣会带走一部分水分，因此每日需要补充这些流失的水分。不考虑进料原料含水率，沼渣中携带水分的量即为所要补充水分的量，可通过沼渣含水率和日产气量估测，具体方法如下：

理论上，每g纤维素可产生22.4÷30=0.75 L(标)沼气，秸秆原料按纤维素考虑，未考虑气温对沼气计量影响的情况下，设日进料量为M，日产气量为L，出渣含水率为q，沼渣含水量为Q。

那么产气所消耗的秸秆量=L/0.75，则理论沼渣干物质量=M-L/0.75。

由：沼渣干物质量/沼渣含水量=(100%-沼渣含水率)/含水率可知：

则每日补充水分量 ：

由于理论计算与实际情况的误差，理论计算只能提供一个参考值，实际加水量的多少以反应器下部沼液体积恒定为宜。

运行后日常监控的项目有：每日产气量、反应温度。本试验采用湿式气体流量计记录每日产气量，从启动的第2天起记录各厌氧消化反应器的日产气量。

1.4 分析测试项目与方法

(1) 日产气量：用长春汽车滤清器有限责任公司制造的0.5 m3·h-1额定湿式气体流量计，每日定时记录产气量。

(2) 沼渣含水率：用105℃±5℃烘干恒重法测定出沼渣TS，则沼渣含水率为100%-TS。

(3) pH值：用成都世纪方舟科技有限公司生产的PHS-3C+型酸度计测定。

(4) 氨氮：纳氏试剂光度法。

(5) CH4%：取盐水瓶顶空气体，以岛津GC-2010型气相色谱仪检测CH4百分含量，进样量0.2 mL，每间隔24 h检测1次。气相色谱钢柱填充物为Porapak QS，80～100目，TCD检测器，进样口和填充柱温度均为50℃，TCD温度为70℃，桥流50 mA，载气为高纯氢气(99.99%)。标气组分为N229.8%，CO230.3%，CH439.9%，采用修正面积归一法测气体百分含量。

2 结果与讨论

2.1 搅拌对产气的影响

实验在高温动态厌氧反应器顶部进料方式下，运行17 d。对比研究搅拌与不搅拌条件下的产气情况。两种条件下反应器运行负荷和固体滞留期相同，但容积不同，故将日产气量转化成池容产气率进行比较。试验结果见图2。

图2 搅拌对秸秆动态厌氧发酵池容产气率的影响

图2表明，没有经过搅拌的反应器产气不稳定，波动幅度较大。总体上看，产气曲线并没有表现出明显的增长趋势，而是呈现水平性上下波动，最高池容产气率为1.78 m3·m-3d-1，最低值为0.84 m3·m-3d-1。 最后4 d产气波动较小，平均池容产气率为1.36 m3·m-3d-1。而对于实行搅拌的顶部进料反应器，启动后第6天开始，产气量显著高于不搅拌反应器。并且整个运行期间产气情况呈现较稳步增长，到第16天池容产气率达到最大值，为2.36 m3·m-3d-1。最后4 d产气增长缓慢，平均池容产气率为2.25 m3·m-3d-1，比不搅拌反应器平均池容产气率提高了65.4%。因此可以说，适当搅拌可以显著增加动态厌氧消化反应器的产气量。

2.2 不同进料方式对产气的影响及可行性研究

试验采取底部进料和顶部进料两种进料方式启动，运行17 d。产气情况如图3所示。图中显示，对于底部进料(上部出料)反应器，启动后经过8d的适应期，产气逐渐波动性增加，在最后3 d基本稳定，后3 d的平均日产气量为62.2 L。对于采用回流搅拌的顶部进料(下部出料)反应器，启动后尤其是11 d后呈现稳步增长，在最后4 d产气基本稳定，平均日产气量为63.6 L，比底部进料仅提高了2.25%。理论上，两反应器继续运行，在下一个滞留期将基本按照这两个平均日产气水平产气。可以得出，顶部进料方式虽然在启动后第1个滞留期内产气较稳定，但相比底部进料方式，产气并没有得到很大提高。再考虑以后的运行情况，以及顶部进料需要搅拌带来的经济损耗，这种进料方式并不能表现出运行优势。

图3 不同进料方式对秸秆动态厌氧发酵产气量的影响

同时，在运行17 d后，底部进料反应器可顺利从顶部出渣，但顶部进料反应器表现出出渣困难，沼渣不能通过出料管自动流出，因出渣困难而停止运行。

从两种进料方式反应器的产气情况、出料难易情况以及搅拌带来的经济损耗方面综合考虑，建议秸秆动态厌氧发酵采用“底部进料-上部出料”方式。

2.3 高温底部进料方式的最大池容产气率

从前面的研究结果看，秸秆动态厌氧发酵适宜采用“底部进料-上部出料”方式运行。本试验在高温(52℃±1℃)下进行，秸秆动态厌氧发酵62 d，日产气曲线如图4所示。从图中看出，前34 d原料有机负荷率(单位总容积)为4.71 kgTS·m-3d-1，从第35天开始提高负荷到5.71 kgTS·m-3d-1，继续运行2个滞留期即28 d。

2.3.1 日产气情况

在第一个滞留期(1～17 d)内，运行前7 d产气逐渐增加，在8～14 d呈现不稳定增长，在最后3 d基本达到稳定，15～17 d平均日产气量为62.2 L。

进入第二个滞留期(18～34 d)后，产气在持续了短暂的峰值后呈现波动性下降趋势，在第26 d开始达到平衡，直到第33 d日产气量始终维持在53～56 L之间。观察发现，运行初期，接种污泥颗粒沉淀在反应器底部，而进料后污泥颗粒与秸秆结合，随着进料的积累，这种“污泥颗粒-秸秆”混合物逐渐上升到反应器上部，最后在出料中随沼渣一起排出反应器。尤其是前几天出料的沼渣中携带出了大量污泥颗粒，致使反应器下部的沼液由黑色逐渐变为较清澈的黄色，后续的原料接触的污泥颗粒较少，这应该是第二滞留期产气下降的根本原因。但是我们仍然可以看出，第二滞留期最后相当长的一段时间产气都相当稳定，抽测其该阶段的pH值，发现pH值在前7 d内由7.2下降到7.0左右，并在以后的时间里一直维持在这个水平。可以认为该负荷下产气达到稳定。

从第35天开始将负荷提高5.71 kgTS·m-3d-1并运行两个滞留期，从图中可以看出，前5 d日产气量逐渐增加，随后产气开始不稳定，然后逐渐下降。在下一个滞留期产气又逐渐回升，但最后仍然出现下降趋势。抽测其最后几天的pH值，发现pH值偏酸性，在6.7左右，可以认为这种负荷下的动态运行出现了轻微的酸化现象或很容易导致发酵酸化。

图4 秸秆高温动态厌氧发酵日产气曲线

2.3.2 池容产气情况

在第一个滞留期(1～17 d)内，15～17 d平均池容产气率达到2.2 m3·m-3d-1。理想状态下玉米秸池容产气率为2.6～2.8，有效发酵体积按总容积的80%计算，则池容产气率为2.08～2.24。

取运行中产气稳定后即27～34 d的平均池容产气率作为该负荷下的稳定池容产气率，为1.92 m3·m-3d-1，则稳定池容产气率达到理想池容产气率的85.7%～92.3%。

运行34 d后即有机负荷5.71 kgTS·m-3d-1下的运行中反应器产气不稳定并出现轻微的酸化现象，不再对其池容产气进行分析。

综上所述，笔者认为秸秆高温动态厌氧消化运行有机负荷以4.71 kgTS·m-3d-1左右为宜，最好不要超过5.71 kgTS·m-3d-1。该负荷下稳定后的最高池容产气率为1.92 m3·m-3d-1，此时原料产气率为0.41 m3·kg-1TS。

2.4 运行过程中pH值和变化

图5 秸秆高温动态厌氧发酵运行中的pH值和变化

2.5 运行过程中气体的品质和补水量

秸秆动态发酵试验运行中CH4%和沼渣含水率变化如表1所示。从表1可以看出，秸秆动态发酵产气的甲烷含量基本恒定，24 d后甲烷含量一直维持在45%～47%之间，平均值为46.5%。相较于秸秆静态发酵，甲烷含量偏低。

表1 秸秆动态运行试验中沼气中CH4含量及出渣含水率

表1还显示，试验运行过程中沼渣含水率在85%～90%之间变化，前几天出渣的含水率较高，沼渣呈现黑色，说明降解较充分；最后几天出渣含水率最低，沼渣掺杂黄色是没降解充分的原料；运行过程中平均含水率为87.10%。

按沼渣含水率和日产气量计算得到的水分添加量和实际添加量见表2，运行期间水分添加总量为23.0 kg。

表2 秸秆动态试验中的补水量

2.6 运行过程中的物料平衡

玉米秸秆动态试验运行中出渣情况如表3所示，计算得出总出料量为27.4 kg。表4列出了动态试验运行18～62 d的总进料-总出料-总产气情况，期间总进料秸秆量为6.77 kg，水分补充总量为23.0 kg，总出料27.4 kg，总产气量为2.55 m3。理论上，30 g纤维素可产生1个摩尔的沼气，每g纤维素可产生22.4/30=0.75 L(标)沼气，即每kg纤维素可产生约0.75 m3(标)沼气，则用于产气的秸秆总量为2.55/0.75 = 3.4 kg。理论上“进料秸秆量+水分=总出料量+用于产气的秸秆量”，运行过程中总进料秸秆量+水分=6.77+23.0=29.77 kg;总出料量+产气消耗秸秆量=27.4+3.4=30.8 kg。说明运行过程中进出料处于平衡状态。

表3 秸秆动态试验运行18～62 d的出料情况

表4 秸秆试验动态运行18～62 d的总进料-总出料-总产气情况

试验期间原料转化率=用于产气的秸秆量/进料秸秆量=3.4/6.77=50.22%;进料的秸秆和水分平均配比率为23.0∶6.77=3.4∶1，即每吨秸秆需补充3.4 m3水;每kg秸秆出沼渣量=总出料量/总进料量=27.4/6.77=4.05 kg，即每吨秸秆约出4 t沼渣。

3 结论与建议

(1) 对于顶部进料动态厌氧消化反应器，适当搅拌可以显著增加产气量，平均池容产气率比不搅拌反应器提高了65.4%。

(2) 相对于底部进料，“顶部进料-搅拌”方式并没有表现出运行优势，其池容产气率仅提高了2%，并且表现出出渣困难。从两种进料方式反应器的产气情况、出料难易情况以及搅拌带来的经济损耗方面综合考虑，建议秸秆动态厌氧发酵采用“底部进料-上部出料”方式。

(3) 在“底部进料-上部出料”方式下，秸秆高温动态厌氧消化运行的最高有机负荷为4.71 kgTS·m-3d-1左右，最好不要超过5.71 kgTS·m-3d-1。该负荷下稳定运行的最高池容产气率为1.92 m3·m-3d-1，原料产气率为0.41 m3·kg-1TS。过高的负荷易导致反应器运行酸化。

(4) 池容产气率较低的主要原因是厌氧污泥颗粒的流失，如何能减少污泥的流失将是提高秸秆动态厌氧消化的关键。

(6) 秸秆高温动态厌氧发酵产沼气中甲烷含量相对恒定，大约在45%～47%之间。

InfluenceFactorsofDynamicAnaerobicFermentationwithCornStalk

LIShu-lan1,2,MEIZi-li1,2,KONGChui-xue1,2,LIJiang1,2,DUANQi-wu1,2

(1.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture,Chengdu610041,China; 2.LaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy,MinistryofAgriculture,Chengdu610041,China)

Taking the corn straw as substrate, the influence of stirring and the ways of feeding-discharging on biogas production potential in dynamic anaerobic fermentation system were studied in this paper.The results showed that, for the dynamic digestion device with feeding at top, a proper stirring could significantly increase the biogas production, the average volumetric gas production was 65.4% higher than that without stirring.But comparing to the bottom feeding, volumetric gas production of top feeding system only 2% higher; obviously, there’s no significant difference between top-feeding and bottom feeding.And top feeding had difficulties in residue discharging，so the bottom feeding was recommended.The results also showed that, under thermophilic condition(52℃±1℃), the maximum organic loading was 4.71 kgTS·m-3d-1with feeding at bottom, and the methane content was about 45%～47%.

corn stalk;anaerobic fermentation;dynamic condition;impact factor

2017-09-20

项目来源： 中国农业科学院科技创新工程 (120162060302-008-4)

李淑兰(1975-)，女，博士，山西临汾人，主要从事生物质能源技术与废水处理研究等工作，E-mail:57265630@qq.com

梅自力，E-mail：13880233242@163.com

S216.4

A

1000-1166(2017)06-0027-06