李淑蘭, 梅自力, 孔垂雪, 李 江, 段奇武
(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所, 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041)
秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵影響因子研究
李淑蘭1,2, 梅自力1,2, 孔垂雪1,2, 李 江1,2, 段奇武1,2
(1.農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所, 成都 610041; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 成都 610041)
文章以玉米秸稈為例,研究了攪拌和進(jìn)出料方式對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的影響。結(jié)果表明,對(duì)于頂部進(jìn)料動(dòng)態(tài)厭氧消化裝置,適當(dāng)攪拌可以顯著增加產(chǎn)氣量,平均池容產(chǎn)氣率比不攪拌反應(yīng)器提高了65.4%。 相對(duì)于底部進(jìn)料,“頂部進(jìn)料-攪拌”方式并沒有表現(xiàn)出運(yùn)行優(yōu)勢(shì),其池容產(chǎn)氣率僅提高了2%,并且表現(xiàn)出出渣困難。研究還表明,底部進(jìn)料方式下秸稈高溫(52℃±1℃)動(dòng)態(tài)厭氧消化運(yùn)行的最高有機(jī)負(fù)荷為4.71 kgTS·m-3d-1左右,產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量恒定在45%~47%之間。
玉米秸稈; 厭氧發(fā)酵; 動(dòng)態(tài); 影響因子
近年來,農(nóng)業(yè)的高速發(fā)展導(dǎo)致各類作物秸稈的大量剩余,若不進(jìn)行適當(dāng)處理,勢(shì)必造成環(huán)境的嚴(yán)重污染。不少研究學(xué)者利用厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)秸稈處理進(jìn)行了廣泛的研究,但效果都不甚理想。秸稈發(fā)酵過程中存在著嚴(yán)重的結(jié)殼、沉淀、分層現(xiàn)象,使大量的沼氣池因出料難而無法維持。針對(duì)秸稈密度小、體積大等物料特性,筆者研究設(shè)計(jì)了適于純秸稈動(dòng)態(tài)連續(xù)發(fā)酵裝置,深入分析了攪拌和進(jìn)出料方式對(duì)秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的影響,為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模秸稈的均衡產(chǎn)氣提供一定的參考依據(jù)。
1.1.1 玉米秸稈
試驗(yàn)所用玉米秸取自四川省成都市雙流縣,經(jīng)自然風(fēng)干后用粉碎機(jī)粉碎至10目左右,置干燥通風(fēng)處待用。經(jīng)測(cè)定,玉米秸的TS=89.88%。
1.1.2 接種物
接種物為本試驗(yàn)室正常高溫厭氧發(fā)酵罐培養(yǎng)的活性污泥發(fā)酵液,TS=4.96%。污泥產(chǎn)氣性能好,培養(yǎng)馴化階段池容產(chǎn)氣率達(dá)2 m3·m-3d-1以上。
試驗(yàn)采用上部進(jìn)料、下部出料的方式進(jìn)行厭氧發(fā)酵。試驗(yàn)裝置如圖1所示。
圖1 秸稈厭氧發(fā)酵動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝置
1.3.1 運(yùn)行參數(shù)確定
試驗(yàn)溫度設(shè)定為52℃±1℃;
設(shè)總?cè)莘e的80%為發(fā)酵料液容積,即有效發(fā)酵容積為28.26 L×80%=22.61 L;
設(shè)每立方米有效發(fā)酵容積容納100 kg秸稈(即發(fā)酵濃度為10%),則發(fā)酵罐可容納2.261 kg秸稈,試驗(yàn)加入20.4 L接種物;
頂部進(jìn)料,反應(yīng)器每日進(jìn)料8 h后,回流攪拌1次。
1.3.2 運(yùn)行方案
運(yùn)行分3個(gè)階段進(jìn)行。
第1階段:在固體滯留期17 d,即連續(xù)運(yùn)行的原料有機(jī)負(fù)荷率(單位總?cè)莘e)為4.71 kgTS·m-3d-1下, 運(yùn)行17 d,分析攪拌和不同進(jìn)出料方式的可行性;
第2階段:開始出料,并在連續(xù)運(yùn)行的原料有機(jī)負(fù)荷率(單位總?cè)莘e)為4.71 kgTS·m-3d-1下, 繼續(xù)運(yùn)行一個(gè)滯留期,使產(chǎn)氣達(dá)到穩(wěn)定;
第3階段:提高負(fù)荷到5.71 kgTS·m-3d-1即在滯留期14 d下,運(yùn)行28 d觀察產(chǎn)氣情況;若運(yùn)行穩(wěn)定,則繼續(xù)提高負(fù)荷,以期在合理原料產(chǎn)氣率的情況下實(shí)現(xiàn)最高池容產(chǎn)氣率。
1.3.3 運(yùn)行和產(chǎn)氣情況記錄
將兩套裝置放入恒溫培養(yǎng)箱,設(shè)定好溫度,將輸氣管路連好。試驗(yàn)開始后,每日定時(shí)進(jìn)料。進(jìn)料方法如下:首先放出部分沼液,分為兩份,一份與適量秸稈混合,從進(jìn)料口加入;另一份沖洗進(jìn)料管,使秸稈原料全部進(jìn)入反應(yīng)器。
在運(yùn)行第一階段最后幾天,由于秸稈易形成浮渣,可能占據(jù)反應(yīng)器上部氣箱部分體積,如果浮渣嚴(yán)重影響排氣,可適當(dāng)放出一點(diǎn)沼液。
運(yùn)行第二階段隔1~3 d出一次渣,由于沼渣會(huì)帶走一部分水分,因此每日需要補(bǔ)充這些流失的水分。不考慮進(jìn)料原料含水率,沼渣中攜帶水分的量即為所要補(bǔ)充水分的量,可通過沼渣含水率和日產(chǎn)氣量估測(cè),具體方法如下:
理論上,每g纖維素可產(chǎn)生22.4÷30=0.75 L(標(biāo))沼氣,秸稈原料按纖維素考慮,未考慮氣溫對(duì)沼氣計(jì)量影響的情況下,設(shè)日進(jìn)料量為M,日產(chǎn)氣量為L,出渣含水率為q,沼渣含水量為Q。
那么產(chǎn)氣所消耗的秸稈量=L/0.75,則理論沼渣干物質(zhì)量=M-L/0.75。
由:沼渣干物質(zhì)量/沼渣含水量=(100%-沼渣含水率)/含水率可知:
則每日補(bǔ)充水分量 :
由于理論計(jì)算與實(shí)際情況的誤差,理論計(jì)算只能提供一個(gè)參考值,實(shí)際加水量的多少以反應(yīng)器下部沼液體積恒定為宜。
運(yùn)行后日常監(jiān)控的項(xiàng)目有:每日產(chǎn)氣量、反應(yīng)溫度。本試驗(yàn)采用濕式氣體流量計(jì)記錄每日產(chǎn)氣量,從啟動(dòng)的第2天起記錄各厭氧消化反應(yīng)器的日產(chǎn)氣量。
(1) 日產(chǎn)氣量:用長春汽車濾清器有限責(zé)任公司制造的0.5 m3·h-1額定濕式氣體流量計(jì),每日定時(shí)記錄產(chǎn)氣量。
(2) 沼渣含水率:用105℃±5℃烘干恒重法測(cè)定出沼渣TS,則沼渣含水率為100%-TS。
(3) pH值:用成都世紀(jì)方舟科技有限公司生產(chǎn)的PHS-3C+型酸度計(jì)測(cè)定。
(4) 氨氮:納氏試劑光度法。
(5) CH4%:取鹽水瓶頂空氣體,以島津GC-2010型氣相色譜儀檢測(cè)CH4百分含量,進(jìn)樣量0.2 mL,每間隔24 h檢測(cè)1次。氣相色譜鋼柱填充物為Porapak QS,80~100目,TCD檢測(cè)器,進(jìn)樣口和填充柱溫度均為50℃,TCD溫度為70℃,橋流50 mA,載氣為高純氫氣(99.99%)。標(biāo)氣組分為N229.8%,CO230.3%,CH439.9%,采用修正面積歸一法測(cè)氣體百分含量。
實(shí)驗(yàn)在高溫動(dòng)態(tài)厭氧反應(yīng)器頂部進(jìn)料方式下,運(yùn)行17 d。對(duì)比研究攪拌與不攪拌條件下的產(chǎn)氣情況。兩種條件下反應(yīng)器運(yùn)行負(fù)荷和固體滯留期相同,但容積不同,故將日產(chǎn)氣量轉(zhuǎn)化成池容產(chǎn)氣率進(jìn)行比較。試驗(yàn)結(jié)果見圖2。
圖2 攪拌對(duì)秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵池容產(chǎn)氣率的影響
圖2表明,沒有經(jīng)過攪拌的反應(yīng)器產(chǎn)氣不穩(wěn)定,波動(dòng)幅度較大??傮w上看,產(chǎn)氣曲線并沒有表現(xiàn)出明顯的增長趨勢(shì),而是呈現(xiàn)水平性上下波動(dòng),最高池容產(chǎn)氣率為1.78 m3·m-3d-1,最低值為0.84 m3·m-3d-1。 最后4 d產(chǎn)氣波動(dòng)較小,平均池容產(chǎn)氣率為1.36 m3·m-3d-1。而對(duì)于實(shí)行攪拌的頂部進(jìn)料反應(yīng)器,啟動(dòng)后第6天開始,產(chǎn)氣量顯著高于不攪拌反應(yīng)器。并且整個(gè)運(yùn)行期間產(chǎn)氣情況呈現(xiàn)較穩(wěn)步增長,到第16天池容產(chǎn)氣率達(dá)到最大值,為2.36 m3·m-3d-1。最后4 d產(chǎn)氣增長緩慢,平均池容產(chǎn)氣率為2.25 m3·m-3d-1,比不攪拌反應(yīng)器平均池容產(chǎn)氣率提高了65.4%。因此可以說,適當(dāng)攪拌可以顯著增加動(dòng)態(tài)厭氧消化反應(yīng)器的產(chǎn)氣量。
試驗(yàn)采取底部進(jìn)料和頂部進(jìn)料兩種進(jìn)料方式啟動(dòng),運(yùn)行17 d。產(chǎn)氣情況如圖3所示。圖中顯示,對(duì)于底部進(jìn)料(上部出料)反應(yīng)器,啟動(dòng)后經(jīng)過8d的適應(yīng)期,產(chǎn)氣逐漸波動(dòng)性增加,在最后3 d基本穩(wěn)定,后3 d的平均日產(chǎn)氣量為62.2 L。對(duì)于采用回流攪拌的頂部進(jìn)料(下部出料)反應(yīng)器,啟動(dòng)后尤其是11 d后呈現(xiàn)穩(wěn)步增長,在最后4 d產(chǎn)氣基本穩(wěn)定,平均日產(chǎn)氣量為63.6 L,比底部進(jìn)料僅提高了2.25%。理論上,兩反應(yīng)器繼續(xù)運(yùn)行,在下一個(gè)滯留期將基本按照這兩個(gè)平均日產(chǎn)氣水平產(chǎn)氣??梢缘贸觯敳窟M(jìn)料方式雖然在啟動(dòng)后第1個(gè)滯留期內(nèi)產(chǎn)氣較穩(wěn)定,但相比底部進(jìn)料方式,產(chǎn)氣并沒有得到很大提高。再考慮以后的運(yùn)行情況,以及頂部進(jìn)料需要攪拌帶來的經(jīng)濟(jì)損耗,這種進(jìn)料方式并不能表現(xiàn)出運(yùn)行優(yōu)勢(shì)。
圖3 不同進(jìn)料方式對(duì)秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響
同時(shí),在運(yùn)行17 d后,底部進(jìn)料反應(yīng)器可順利從頂部出渣,但頂部進(jìn)料反應(yīng)器表現(xiàn)出出渣困難,沼渣不能通過出料管自動(dòng)流出,因出渣困難而停止運(yùn)行。
從兩種進(jìn)料方式反應(yīng)器的產(chǎn)氣情況、出料難易情況以及攪拌帶來的經(jīng)濟(jì)損耗方面綜合考慮,建議秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵采用“底部進(jìn)料-上部出料”方式。
從前面的研究結(jié)果看,秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵適宜采用“底部進(jìn)料-上部出料”方式運(yùn)行。本試驗(yàn)在高溫(52℃±1℃)下進(jìn)行,秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵62 d,日產(chǎn)氣曲線如圖4所示。從圖中看出,前34 d原料有機(jī)負(fù)荷率(單位總?cè)莘e)為4.71 kgTS·m-3d-1,從第35天開始提高負(fù)荷到5.71 kgTS·m-3d-1,繼續(xù)運(yùn)行2個(gè)滯留期即28 d。
2.3.1 日產(chǎn)氣情況
在第一個(gè)滯留期(1~17 d)內(nèi),運(yùn)行前7 d產(chǎn)氣逐漸增加,在8~14 d呈現(xiàn)不穩(wěn)定增長,在最后3 d基本達(dá)到穩(wěn)定,15~17 d平均日產(chǎn)氣量為62.2 L。
進(jìn)入第二個(gè)滯留期(18~34 d)后,產(chǎn)氣在持續(xù)了短暫的峰值后呈現(xiàn)波動(dòng)性下降趨勢(shì),在第26 d開始達(dá)到平衡,直到第33 d日產(chǎn)氣量始終維持在53~56 L之間。觀察發(fā)現(xiàn),運(yùn)行初期,接種污泥顆粒沉淀在反應(yīng)器底部,而進(jìn)料后污泥顆粒與秸稈結(jié)合,隨著進(jìn)料的積累,這種“污泥顆粒-秸稈”混合物逐漸上升到反應(yīng)器上部,最后在出料中隨沼渣一起排出反應(yīng)器。尤其是前幾天出料的沼渣中攜帶出了大量污泥顆粒,致使反應(yīng)器下部的沼液由黑色逐漸變?yōu)檩^清澈的黃色,后續(xù)的原料接觸的污泥顆粒較少,這應(yīng)該是第二滯留期產(chǎn)氣下降的根本原因。但是我們?nèi)匀豢梢钥闯?,第二滯留期最后相?dāng)長的一段時(shí)間產(chǎn)氣都相當(dāng)穩(wěn)定,抽測(cè)其該階段的pH值,發(fā)現(xiàn)pH值在前7 d內(nèi)由7.2下降到7.0左右,并在以后的時(shí)間里一直維持在這個(gè)水平??梢哉J(rèn)為該負(fù)荷下產(chǎn)氣達(dá)到穩(wěn)定。
從第35天開始將負(fù)荷提高5.71 kgTS·m-3d-1并運(yùn)行兩個(gè)滯留期,從圖中可以看出,前5 d日產(chǎn)氣量逐漸增加,隨后產(chǎn)氣開始不穩(wěn)定,然后逐漸下降。在下一個(gè)滯留期產(chǎn)氣又逐漸回升,但最后仍然出現(xiàn)下降趨勢(shì)。抽測(cè)其最后幾天的pH值,發(fā)現(xiàn)pH值偏酸性,在6.7左右,可以認(rèn)為這種負(fù)荷下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行出現(xiàn)了輕微的酸化現(xiàn)象或很容易導(dǎo)致發(fā)酵酸化。
圖4 秸稈高溫動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣曲線
2.3.2 池容產(chǎn)氣情況
在第一個(gè)滯留期(1~17 d)內(nèi),15~17 d平均池容產(chǎn)氣率達(dá)到2.2 m3·m-3d-1。理想狀態(tài)下玉米秸池容產(chǎn)氣率為2.6~2.8,有效發(fā)酵體積按總?cè)莘e的80%計(jì)算,則池容產(chǎn)氣率為2.08~2.24。
取運(yùn)行中產(chǎn)氣穩(wěn)定后即27~34 d的平均池容產(chǎn)氣率作為該負(fù)荷下的穩(wěn)定池容產(chǎn)氣率,為1.92 m3·m-3d-1,則穩(wěn)定池容產(chǎn)氣率達(dá)到理想池容產(chǎn)氣率的85.7%~92.3%。
運(yùn)行34 d后即有機(jī)負(fù)荷5.71 kgTS·m-3d-1下的運(yùn)行中反應(yīng)器產(chǎn)氣不穩(wěn)定并出現(xiàn)輕微的酸化現(xiàn)象,不再對(duì)其池容產(chǎn)氣進(jìn)行分析。
綜上所述,筆者認(rèn)為秸稈高溫動(dòng)態(tài)厭氧消化運(yùn)行有機(jī)負(fù)荷以4.71 kgTS·m-3d-1左右為宜,最好不要超過5.71 kgTS·m-3d-1。該負(fù)荷下穩(wěn)定后的最高池容產(chǎn)氣率為1.92 m3·m-3d-1,此時(shí)原料產(chǎn)氣率為0.41 m3·kg-1TS。
圖5 秸稈高溫動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵運(yùn)行中的pH值和變化
秸稈動(dòng)態(tài)發(fā)酵試驗(yàn)運(yùn)行中CH4%和沼渣含水率變化如表1所示。從表1可以看出,秸稈動(dòng)態(tài)發(fā)酵產(chǎn)氣的甲烷含量基本恒定,24 d后甲烷含量一直維持在45%~47%之間,平均值為46.5%。相較于秸稈靜態(tài)發(fā)酵,甲烷含量偏低。
表1 秸稈動(dòng)態(tài)運(yùn)行試驗(yàn)中沼氣中CH4含量及出渣含水率
表1還顯示,試驗(yàn)運(yùn)行過程中沼渣含水率在85%~90%之間變化,前幾天出渣的含水率較高,沼渣呈現(xiàn)黑色,說明降解較充分;最后幾天出渣含水率最低,沼渣摻雜黃色是沒降解充分的原料;運(yùn)行過程中平均含水率為87.10%。
按沼渣含水率和日產(chǎn)氣量計(jì)算得到的水分添加量和實(shí)際添加量見表2,運(yùn)行期間水分添加總量為23.0 kg。
表2 秸稈動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中的補(bǔ)水量
玉米秸稈動(dòng)態(tài)試驗(yàn)運(yùn)行中出渣情況如表3所示,計(jì)算得出總出料量為27.4 kg。表4列出了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)運(yùn)行18~62 d的總進(jìn)料-總出料-總產(chǎn)氣情況,期間總進(jìn)料秸稈量為6.77 kg,水分補(bǔ)充總量為23.0 kg,總出料27.4 kg,總產(chǎn)氣量為2.55 m3。理論上,30 g纖維素可產(chǎn)生1個(gè)摩爾的沼氣,每g纖維素可產(chǎn)生22.4/30=0.75 L(標(biāo))沼氣,即每kg纖維素可產(chǎn)生約0.75 m3(標(biāo))沼氣,則用于產(chǎn)氣的秸稈總量為2.55/0.75 = 3.4 kg。理論上“進(jìn)料秸稈量+水分=總出料量+用于產(chǎn)氣的秸稈量”,運(yùn)行過程中總進(jìn)料秸稈量+水分=6.77+23.0=29.77 kg;總出料量+產(chǎn)氣消耗秸稈量=27.4+3.4=30.8 kg。說明運(yùn)行過程中進(jìn)出料處于平衡狀態(tài)。
表3 秸稈動(dòng)態(tài)試驗(yàn)運(yùn)行18~62 d的出料情況
表4 秸稈試驗(yàn)動(dòng)態(tài)運(yùn)行18~62 d的總進(jìn)料-總出料-總產(chǎn)氣情況
試驗(yàn)期間原料轉(zhuǎn)化率=用于產(chǎn)氣的秸稈量/進(jìn)料秸稈量=3.4/6.77=50.22%;進(jìn)料的秸稈和水分平均配比率為23.0∶6.77=3.4∶1,即每噸秸稈需補(bǔ)充3.4 m3水;每kg秸稈出沼渣量=總出料量/總進(jìn)料量=27.4/6.77=4.05 kg,即每噸秸稈約出4 t沼渣。
(1) 對(duì)于頂部進(jìn)料動(dòng)態(tài)厭氧消化反應(yīng)器,適當(dāng)攪拌可以顯著增加產(chǎn)氣量,平均池容產(chǎn)氣率比不攪拌反應(yīng)器提高了65.4%。
(2) 相對(duì)于底部進(jìn)料,“頂部進(jìn)料-攪拌”方式并沒有表現(xiàn)出運(yùn)行優(yōu)勢(shì),其池容產(chǎn)氣率僅提高了2%,并且表現(xiàn)出出渣困難。從兩種進(jìn)料方式反應(yīng)器的產(chǎn)氣情況、出料難易情況以及攪拌帶來的經(jīng)濟(jì)損耗方面綜合考慮,建議秸稈動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵采用“底部進(jìn)料-上部出料”方式。
(3) 在“底部進(jìn)料-上部出料”方式下,秸稈高溫動(dòng)態(tài)厭氧消化運(yùn)行的最高有機(jī)負(fù)荷為4.71 kgTS·m-3d-1左右,最好不要超過5.71 kgTS·m-3d-1。該負(fù)荷下穩(wěn)定運(yùn)行的最高池容產(chǎn)氣率為1.92 m3·m-3d-1,原料產(chǎn)氣率為0.41 m3·kg-1TS。過高的負(fù)荷易導(dǎo)致反應(yīng)器運(yùn)行酸化。
(4) 池容產(chǎn)氣率較低的主要原因是厭氧污泥顆粒的流失,如何能減少污泥的流失將是提高秸稈動(dòng)態(tài)厭氧消化的關(guān)鍵。
(6) 秸稈高溫動(dòng)態(tài)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣中甲烷含量相對(duì)恒定,大約在45%~47%之間。
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
項(xiàng)目來源: 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技創(chuàng)新工程 (120162060302-008-4)
李淑蘭(1975-),女,博士,山西臨汾人,主要從事生物質(zhì)能源技術(shù)與廢水處理研究等工作,E-mail:57265630@qq.com
梅自力,E-mail:13880233242@163.com
S216.4
A
1000-1166(2017)06-0027-06