張 敏,王振旗,沈根祥,錢曉雍,張心良*,陳 靜
(1.上海市環(huán)境科學(xué)研究院,上海200233;2.上海環(huán)境保護(hù)有限公司,上海200233)
我國(guó)是世界上秸稈資源最豐富的國(guó)家之一[1],每年產(chǎn)出超過7億t的農(nóng)作物秸稈[2],其中稻秸年產(chǎn)量在1.8 億t 至2.8 億t 之間,但約50%以上未合理利用[3]。稻秸處置不當(dāng)不僅會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,更是一種資源浪費(fèi)[4]。目前稻秸的處置方式主要是露天焚燒和直接還田,這會(huì)導(dǎo)致不同程度的溫室氣體排放,造成環(huán)境污染[5-7]。厭氧消化技術(shù)被認(rèn)為是有效的農(nóng)田廢棄物管理技術(shù)[8],可以同時(shí)進(jìn)行污染控制、能源回收和營(yíng)養(yǎng)循環(huán)[9]。一般而言,厭氧發(fā)酵分為濕法工藝和干法工藝[10]。相關(guān)研究表明,干法厭氧發(fā)酵工藝與濕法厭氧發(fā)酵相比,具有更高的原料利用范圍,發(fā)酵過程有機(jī)負(fù)荷高,工程占地少,沼液產(chǎn)生少可以減少二次污染,是高含固率纖維秸稈類廢棄物最佳處理路徑之一[11-12],正成為國(guó)內(nèi)外研究熱點(diǎn)。但干法厭氧發(fā)酵技術(shù)在國(guó)內(nèi)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段[13],已得出的最佳工藝參數(shù),如溫度、營(yíng)養(yǎng)平衡、接種率和預(yù)處理策略等[14-15]均基于小試試驗(yàn),中試研究在國(guó)內(nèi)研究雖有進(jìn)展,但缺乏大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用案例。而在國(guó)外沼氣干發(fā)酵技術(shù)已經(jīng)較為成熟,如Valorg 工藝、Kompogas 工藝和Dranco 工藝等大型沼氣干發(fā)酵系統(tǒng)都已經(jīng)投入生產(chǎn)性應(yīng)用并主要針對(duì)于城市生活垃圾、餐廚垃圾等[16-17],對(duì)于農(nóng)業(yè)廢棄物尤其單一稻秸地區(qū)的干法連續(xù)式厭氧發(fā)酵技術(shù)仍缺乏系統(tǒng)性研究。
稻秸作為干發(fā)酵主要的基質(zhì)面臨最大的挑戰(zhàn)是其復(fù)雜的木質(zhì)纖維結(jié)構(gòu)使其難以分解,水解是稻草厭氧發(fā)酵過程的限速步驟[3,18]。反芻動(dòng)物(牛、綿羊、山羊和駱駝)以纖維類的飼料為食,在這些動(dòng)物的瘤胃中,微生物發(fā)酵將飼料轉(zhuǎn)化成可以被動(dòng)物消化和利用的物質(zhì)[19]。該發(fā)酵過程會(huì)產(chǎn)生甲烷作為副產(chǎn)物由動(dòng)物呼吸排出[20],因此動(dòng)物糞便中含有大量可以分解纖維類物質(zhì)的厭氧微生物和產(chǎn)甲烷菌,有利于連續(xù)進(jìn)料階段秸稈的快速水解和沼氣產(chǎn)量的增加。有機(jī)負(fù)荷率(OLR)和C/N 對(duì)于水稻秸稈厭氧消化的穩(wěn)定性具有重要影響,優(yōu)化干法厭氧發(fā)酵過程中的有機(jī)負(fù)荷率可以為商業(yè)規(guī)模連續(xù)流的攪拌式反應(yīng)器提供最佳的運(yùn)行條件[4]。并且已有的研究表明厭氧消化過程中微生物生長(zhǎng)的最佳C/N 范圍是20~30[21],水稻秸稈的C/N 高達(dá)68.0,不適于單獨(dú)發(fā)酵,實(shí)際沼氣生產(chǎn)過程中需要補(bǔ)充氮源,以促進(jìn)微生物代謝[22]。因此,基于水稻秸稈的干發(fā)酵反應(yīng)器和過程控制條件等方面亟需深入的研究。
為此,本研究基于秸稈作為發(fā)酵基質(zhì)傳質(zhì)困難和C/N 較高的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了可滿足稻秸干法厭氧發(fā)酵連續(xù)運(yùn)行的中試裝置,并用鮮牛糞作為裝置運(yùn)行啟動(dòng)反應(yīng)物料,研究了在缺乏穩(wěn)定氮源的情況下,稻秸連續(xù)進(jìn)料過程中氮源的補(bǔ)充和添加方式對(duì)沼氣產(chǎn)生情況的影響,并分析評(píng)估了稻秸干法厭氧發(fā)酵的應(yīng)用前景,為單一稻秸地區(qū)干法厭氧處理工程應(yīng)用及穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支持。
表1 試驗(yàn)材料的理化性質(zhì)Table 1 Physical and chemical properties of test materials
中試試驗(yàn)所需水稻秸稈采自上海自在源農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司,用破碎機(jī)將其破碎至3 cm 以下,采用“黃儲(chǔ)”方式,灑水(河水)壓實(shí)后存放,進(jìn)料測(cè)定含固率為53.4%~64.7%。中試設(shè)備發(fā)酵啟動(dòng)階段選用牛糞作為啟動(dòng)物料,試驗(yàn)階段選用鮮豬糞作為氮源添加物,鮮牛糞取自金山某奶牛場(chǎng),鮮豬糞主要從周邊養(yǎng)殖戶收集,分批分次采集后,分裝在若干塑料桶內(nèi)密封備用??紤]到功能厭氧微生物種群類型及其遴選環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)結(jié)構(gòu),接種物為采集干法厭氧發(fā)酵池沼渣固液分離后的新鮮沼液,采自上海市某奶牛場(chǎng)。啟動(dòng)階段,采用一次性投加方式;連續(xù)運(yùn)行后以沼液回流補(bǔ)充為主。底物與接種物的具體理化性質(zhì)見表1。
1.2.1 設(shè)計(jì)方法
水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物作為反應(yīng)基質(zhì),其結(jié)構(gòu)、組成以及顆粒大小等呈不均勻性,攪拌阻力大,并且干發(fā)酵物料比較黏稠,流動(dòng)性較差,物料傳質(zhì)困難。本研究的中試裝置基于以上特點(diǎn)設(shè)計(jì)了螺旋式的進(jìn)料方式和水平攪拌槳式的攪拌裝置,通過平推流的方式改善傳統(tǒng)中試裝置傳質(zhì)不均均、流動(dòng)性差的缺點(diǎn)。由于季節(jié)性溫度的變化,本裝置通過在線監(jiān)測(cè)的控溫系統(tǒng)維持發(fā)酵過程中的溫度保證其穩(wěn)定運(yùn)行。
1.2.2 運(yùn)行方法
為培養(yǎng)、遴選適于纖維秸稈類農(nóng)業(yè)廢棄物的厭氧微生物,尤其是增加產(chǎn)甲烷菌的種群密度,在中試設(shè)備安裝完成后,首先將約3 t 鮮牛糞(含固率8.5%)裝罐啟動(dòng)試驗(yàn),無需加水調(diào)節(jié)。發(fā)酵溫度設(shè)置為(35±5)℃,設(shè)置為連續(xù)攪拌,轉(zhuǎn)速1~2 r·min-1,每12 h 切換一次。
在中試發(fā)酵裝置穩(wěn)定運(yùn)行后,以“黃儲(chǔ)”預(yù)處理后的稻秸為主要發(fā)酵原料,從中試設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行的第51 d 開始添加稻秸,并根據(jù)液位情況變化按需排渣,為防止有機(jī)負(fù)荷過高采用10、20、30、50 kg·d-1和80 kg·d-1的遞進(jìn)方式進(jìn)料,并根據(jù)觀測(cè)到的日產(chǎn)氣情況變化調(diào)整進(jìn)料量。從第111 d 開始,按照80 kg·d-1連續(xù)添加稻秸,同時(shí)添加鮮豬糞(干質(zhì)量)4.54 kg·d-1,日排渣量18~22 kg,按照C/N為50∶1情況下穩(wěn)定運(yùn)行30 d 后不再添加豬糞。發(fā)酵溫度設(shè)置為(35±5)℃,發(fā)酵罐攪拌器設(shè)置為連續(xù)攪拌,轉(zhuǎn)速1~2 r·min-1,每12 h切換一次正反轉(zhuǎn),并通過油泵系統(tǒng)強(qiáng)化發(fā)酵物料內(nèi)部循環(huán),即將出料端沼液內(nèi)循環(huán)輸送至進(jìn)料端,每間隔12 h 開啟12 h。通過連續(xù)進(jìn)出料,沼液100%回流,考察系統(tǒng)隨連續(xù)出料造成的C/N 逐步升高對(duì)產(chǎn)氣效率的影響,重點(diǎn)關(guān)注單日產(chǎn)氣量和沼氣中甲烷含量變化情況。
1.3.1 分析方法
總固體(TS):(105±5)℃烘箱烘干至恒質(zhì)量測(cè)定;揮發(fā)性固體(VS):550~600 ℃馬弗爐灼燒至恒質(zhì)量測(cè)定[23]??偺迹河弥劂t酸鉀-稀釋熱法;總氮:用半微量開氏法;總氫:全元素分析儀(美國(guó)Thermo Electron SPA 公司);沼氣含量:通過在線氣體流量表和沼氣在線分析儀監(jiān)測(cè);甲烷含量:便攜式甲烷測(cè)定儀(型號(hào)HND 880,深圳市萬安迪科技有限公司)測(cè)定。
1.3.2 沼氣產(chǎn)生潛力評(píng)價(jià)
理論產(chǎn)沼氣潛力(Theoretical biogas potential,TBP)可用來評(píng)估有機(jī)物完全降解產(chǎn)生的最大沼氣產(chǎn)量,通過測(cè)定和分析底物不同元素組成(C、H、O、N 的含量)并結(jié)合Buswell 方程[24]和相關(guān)公式計(jì)算,本研究稻秸、豬糞的理論產(chǎn)氣參數(shù)分別按照523.21、805.98 L·kg-1VS計(jì)[25]。
基于中試研究項(xiàng)目的發(fā)酵區(qū)域占地面積大約60 m2,本研究自主研發(fā)了1 套日處理能力100 kg·d-1的自動(dòng)控制干法厭氧發(fā)酵罐中試裝置,總功率10.25 kW,罐體容積20 m3,發(fā)酵溫度25~40 ℃,停留時(shí)間30~40 d。配備接收進(jìn)料系統(tǒng)、干法厭氧發(fā)酵系統(tǒng)、后處理系統(tǒng)(沼渣脫水機(jī))和監(jiān)測(cè)儀表,并配套上位機(jī)控制系統(tǒng),結(jié)構(gòu)見圖1所示。
圖1 中試裝置示意圖(俯視圖)Figure 1 Schematic diagram of pilot system(top view)
1.4.1 進(jìn)出料系統(tǒng)
本裝置的進(jìn)料系統(tǒng)基于水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物為固態(tài)非流質(zhì)、物料黏性大、傳質(zhì)困難的特點(diǎn),采用混合螺旋進(jìn)料器將原料混合后輸送至厭氧發(fā)酵罐內(nèi),進(jìn)料器由接收上料螺旋和發(fā)酵罐進(jìn)料器兩部分構(gòu)成。本進(jìn)料系統(tǒng)的上料螺旋與地面成45°夾角,參照螺旋輸送器的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),螺旋外徑0.2 m,處理量為2 m3·h-1,螺旋轉(zhuǎn)速為4200 r·h-1,可以將破碎機(jī)破碎后低于3 cm、含固率為20%的秸稈物料有效混合,然后通過發(fā)酵罐進(jìn)料器將原料輸送至發(fā)酵罐。Dranco、Kompogas、Valorga 這3 種典型的連續(xù)式單相干發(fā)酵反應(yīng)器的進(jìn)料系統(tǒng)主要是采用不同類型的物料泵然后將原料泵入發(fā)酵罐內(nèi)混合[26],主要針對(duì)城市生活垃圾、餐廚垃圾等有機(jī)固體廢棄物[27],而本進(jìn)料裝置更適用于水稻秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物,既保證了原料的均勻混合,又實(shí)現(xiàn)了推動(dòng)物料的目的,提高進(jìn)料效率。
出料系統(tǒng)采用活塞式出料器和沼渣脫水機(jī)組成,由出料器厭氧發(fā)酵后的沼渣輸送至沼渣脫水系統(tǒng),處理量2 m3·h-1,功率2.2 kW,可將含固率10%~15%的沼渣脫水至含固率30%以上?;钊降某隽掀骺梢杂行У赝苿?dòng)物料進(jìn)入沼液分離裝置,且耗能低,可降低運(yùn)行成本。脫水后沼渣堆肥再利用,沼液則收集至沼液池,通過水泵提升回流至厭氧發(fā)酵罐,而畜禽糞便或尿素等輔料可通過沼液池與沼液回流一起投加至發(fā)酵罐。
1.4.2 發(fā)酵系統(tǒng)
本裝置的發(fā)酵系統(tǒng)為臥式柱形的厭氧發(fā)酵罐,基于日處理水稻秸稈約100 kg·d-1、含水率約20%、停留時(shí)間30~40 d 的需求,設(shè)計(jì)了罐體半徑1.5 m,長(zhǎng)6 m,容積為20 m3的厭氧發(fā)酵罐。發(fā)酵裝置罐體設(shè)計(jì)成臥式柱形,依次由物料進(jìn)料口、沼氣出口、沼渣出口、沼液回流口、攪拌器、加熱管組成,發(fā)酵物料可以通過平推流方式從進(jìn)料端逐步移動(dòng)到出料端,解決了物料逐步推進(jìn)和沼渣出料的難題,基于水解、產(chǎn)酸、產(chǎn)氣的厭氧發(fā)酵三階段理論有利于有機(jī)廢棄物的連續(xù)發(fā)酵和均衡產(chǎn)氣,同時(shí)沼氣出口設(shè)在發(fā)酵罐頂,進(jìn)料口和沼液回流口設(shè)在發(fā)酵罐的中上部,同一標(biāo)高,位置臨近,便于沼液與原料的混合、接種。與濕法厭氧發(fā)酵相比,干式厭氧發(fā)酵反應(yīng)基質(zhì)濃度高,流動(dòng)性差,容易造成反應(yīng)中間產(chǎn)物與能量在介質(zhì)中傳遞、擴(kuò)散困難。瑞士Komopogas 工藝[16,26]是有機(jī)廢物的典型工藝,其采用水平安裝攪拌軸,通過攪拌軸完成物料的充分混合,并完成物料的推流出料,已取得良好的運(yùn)行效果。因此,本裝置發(fā)酵罐內(nèi)設(shè)置2 套水平攪拌槳式攪拌器,采用斜框式的攪拌槳并增加了正反轉(zhuǎn)功能,不僅實(shí)現(xiàn)了連續(xù)攪拌,還能夠滿足不同試驗(yàn)要求,調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速在1~10 r·min-1和調(diào)節(jié)正反轉(zhuǎn)時(shí)間在1~24 h內(nèi)。與傳統(tǒng)的錨式、螺帶式攪拌槳等相比,本裝置的水平攪拌槳式攪拌器更適用于流動(dòng)性差、難以攪拌均勻的物料,可以將罐內(nèi)的物料、輔料及回流沼液攪拌均勻,提高物料的流動(dòng)性,克服了攪拌阻力大、基質(zhì)攪拌混合困難的問題。
圖2 牛糞單發(fā)酵預(yù)試驗(yàn)的日產(chǎn)氣量的變化Figure 2 The change of daily biogas production of single fermentation of cow manure
1.4.3 監(jiān)控系統(tǒng)
整套設(shè)備安裝在線監(jiān)控系統(tǒng)由沼氣在線分析儀、溫度表、沼氣流量表和沼氣壓力表組成,對(duì)發(fā)酵過程中溫度、氣體流量、甲烷含量等參數(shù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。溫度對(duì)厭氧微生物的生長(zhǎng)、反應(yīng)過程動(dòng)力學(xué)和穩(wěn)定性、沼氣的產(chǎn)量等都有顯著的影響[6,28]。通過在線監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)反應(yīng)過程中的溫度進(jìn)行25~40 ℃實(shí)時(shí)調(diào)控、流量計(jì)和壓力表可在0~4 m·h-1、0~6 kPa 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),保證厭氧發(fā)酵過程穩(wěn)定運(yùn)行并提供產(chǎn)氣參數(shù),為實(shí)際工程運(yùn)行提供參考。
中試設(shè)備啟動(dòng)階段的產(chǎn)氣情況如圖2 所示。結(jié)果顯示,CH4含量在第9 d 達(dá)到50%以上,并逐步維持在60%~70%,并且觀測(cè)到,發(fā)酵前期單日產(chǎn)氣量遞增速度較快,第18 d 時(shí)最高達(dá)7.5 m3·d-1,產(chǎn)氣的高峰集中在16~24 d,說明富集了大量的產(chǎn)甲烷菌,達(dá)到了產(chǎn)沼氣的適宜的厭氧微生物條件。在發(fā)酵時(shí)間超過29 d 后,單日產(chǎn)氣量逐漸走低。因此,利用牛糞進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)最佳時(shí)間是29 d左右。已有研究表明,發(fā)酵過程產(chǎn)生的甲烷在氣體含量≥60%(V/V)時(shí),認(rèn)為厭氧發(fā)酵達(dá)到平衡狀態(tài)[29],本階段通過該批次試驗(yàn),可認(rèn)為利用反芻動(dòng)物的糞便(鮮牛糞)進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn),可以有助于罐內(nèi)富集處理稻秸所需的厭氧微生物體系、適宜的發(fā)酵溫度等厭氧發(fā)酵條件,使后續(xù)以稻秸為主的厭氧發(fā)酵試驗(yàn)可以迅速啟動(dòng)并提高產(chǎn)氣效率。
遞進(jìn)式進(jìn)料下不同的有機(jī)負(fù)荷對(duì)產(chǎn)氣情況的影響如圖3所示。在10 kg·d-1進(jìn)料的情況下,發(fā)酵前12 d 的產(chǎn)氣量逐日增加的趨勢(shì)明顯,12 d 后趨于平穩(wěn),12 d時(shí)單日產(chǎn)氣量達(dá)到1 011.5 L·kg-1稻秸(TS),之后發(fā)酵趨于穩(wěn)定。因此,在第16 d 開始將進(jìn)料量調(diào)至20 kg·d-1,并按照此規(guī)律在第26、36、46 d 開始按照30、50 kg·d-1和80 kg·d-1的進(jìn)料量進(jìn)行試驗(yàn)觀測(cè),該期間產(chǎn)氣情況如圖3 所示??傮w上,隨著稻秸干物質(zhì)的添加,日產(chǎn)氣量呈逐步上升趨勢(shì),出現(xiàn)了多個(gè)產(chǎn)氣峰值,10 kg·d-1到50 kg·d-1時(shí),產(chǎn)氣逐漸上升但上升并不明顯,當(dāng)進(jìn)料量達(dá)到80 kg·L-1時(shí),單日產(chǎn)氣量明顯上升,最高達(dá)到了14.5 m3·d-1,達(dá)到10 kg·d-1的1.65倍,并且發(fā)酵一開始甲烷的百分含量達(dá)到60%左右并維持穩(wěn)定,可不經(jīng)脫水脫硫直接燃燒,說明啟動(dòng)階段富集的微生物體系可以有效快速消化利用秸稈并產(chǎn)甲烷,提高秸稈的利用率。
當(dāng)80 kg·d-1進(jìn)料時(shí)單日的總產(chǎn)氣量有所上升但秸稈的轉(zhuǎn)化率降低,最高僅208.8 L·kg-1稻草(TS),低于10 kg·d-1的4.84 倍。木質(zhì)纖維素秸稈具有較高的C/N,高木質(zhì)素和纖維素結(jié)晶度使反應(yīng)器中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境極其惡劣[30]。隨著有機(jī)負(fù)荷的不斷增加,單位物質(zhì)的產(chǎn)氣量受到抑制,因此,在高的有機(jī)負(fù)荷率下,通過額外補(bǔ)充氮源對(duì)于秸稈干法厭氧消化穩(wěn)定產(chǎn)氣是非常重要的。
圖3 遞進(jìn)式進(jìn)料階段日產(chǎn)氣量和甲烷含量的變化Figure 3 The variation of daily biogas production and methane content in progressive feeding stage
從遞進(jìn)式進(jìn)料階段到穩(wěn)定進(jìn)料期間的產(chǎn)氣情況與pH 的變化如圖4 所示,豬糞(干質(zhì)量)進(jìn)料按照4.54 kg·d-1的連續(xù)混合進(jìn)料30 d后,pH變化呈現(xiàn)出明顯的先下降后逐步回升的趨勢(shì),因?yàn)樵趨捬醺砂l(fā)酵過程中豬糞的添加不僅平衡了C/N,還促進(jìn)有機(jī)物的水解過程使pH降低,但是pH的短暫下降并未導(dǎo)致產(chǎn)氣量的下降,反而單日產(chǎn)氣量明顯增加,并能維持20~22 m3·d-1的產(chǎn)氣量約22 d,分別是不添加豬糞時(shí)80 kg·d-1和10 kg·d-1進(jìn)料量最大產(chǎn)氣量的1.38~1.52倍和2.28~2.50倍。因此,本試驗(yàn)過程中豬糞的添加主要起到為厭氧干發(fā)酵過程補(bǔ)充氮源、調(diào)節(jié)C/N 的作用,并且補(bǔ)充氮源對(duì)產(chǎn)氣量提升具有重要作用。在按照80 kg·d-1連續(xù)添加秸稈的99 d內(nèi),累計(jì)產(chǎn)氣1 741.5 m3,達(dá)到理論產(chǎn)氣量的72.6%,單日最高產(chǎn)氣量22.65 m3·d-1,雖然單位質(zhì)量(TS)的稻草每日產(chǎn)量?jī)H326.2 L·kg-1,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于10 kg·d-1的進(jìn)料量時(shí),但是80 kg·d-1的進(jìn)料量的單日總產(chǎn)氣量極大提升,符合廢棄物再利用的商業(yè)化需求。
由于季節(jié)性和地理位置差異,本研究基于缺乏豬糞等氮源的地區(qū)考察了系統(tǒng)連續(xù)出料造成的C/N 逐步升高對(duì)產(chǎn)氣效率的影響,以確定其定期補(bǔ)充氮源的最佳時(shí)間。在連續(xù)添加豬糞30 d 后停止添加,如圖4所示。產(chǎn)氣量隨后呈逐步遞減的趨勢(shì),從停止添加豬糞之后的第32 d,單日產(chǎn)氣量下降至10.3 m3·d-1,產(chǎn)氣量削減近50%,與氮素隨排渣、氨揮發(fā)等形式的損耗有直接關(guān)系。pH 值一直在6.8左右然后緩慢下降,可能是因?yàn)樘嫉炔黄胶舛鴮?dǎo)致有機(jī)酸的累計(jì)而導(dǎo)致的pH下降,因此pH下降可以作為補(bǔ)充氮源的指導(dǎo)指標(biāo)。不添加豬糞后的第34~36 d 添加22.7 kg·d-1豬糞(干質(zhì)量),通過本試驗(yàn)一次性添加68.1 kg(干質(zhì)量)的鮮豬糞后,單日產(chǎn)氣量逐步回升至20 m3·d-1左右,并且20 m3·d-1左右產(chǎn)氣量維持大約20 d 左右,之后隨著氮源的不斷流失,產(chǎn)氣量逐漸降低。因此,本研究說明在以纖維秸稈類為主的農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵過程中,定期補(bǔ)充氮源十分重要,在氮源缺乏的情況下可以通過一次性添加的方式,并定期進(jìn)行氮源補(bǔ)充,定期添加豬糞的時(shí)間宜設(shè)定在20 d最佳。
圖4 穩(wěn)定式進(jìn)料階段的日產(chǎn)氣量與pH的變化Figure 4 The change of daily biogas production and pH in stable feeding stage
表2 秸稈與其他有機(jī)物料產(chǎn)氣效率分析比較Table 2 Analysis and comparison of biogas production efficiency between straw and other organic materials
通過與其他有機(jī)物料干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率的比較(見表2)可知,基于秸稈干法厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng)技術(shù)可行,且可實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行,添加豬糞為外加氮源可實(shí)現(xiàn)在有機(jī)負(fù)荷達(dá)到4 kg·m-3·d-1(進(jìn)料量80 kg·d-1)時(shí),每日CH4產(chǎn)氣效率從137.28 L·kg-1VS 達(dá)到227.8 L·kg-1VS,為餐廚垃圾、城市固體廢棄物的0.91、0.99 倍,幾乎達(dá)到了相同的效果。Hu 等[31]利用畜禽糞便在55 ℃下進(jìn)行連續(xù)運(yùn)行的厭氧發(fā)酵,CH4產(chǎn)氣效率達(dá)到416 L·kg-1VS,是本研究產(chǎn)氣效率的1.8倍,但其反應(yīng)溫度高,耗能幾乎為本試驗(yàn)的2 倍左右。Cui 等[32]利用小麥秸稈做的小試試驗(yàn)的CH4產(chǎn)氣效率僅150 L·kg-1VS,僅為本研究產(chǎn)氣效率的66%。因此本中試裝置與其他有機(jī)物料的干法厭氧發(fā)酵比較,產(chǎn)氣潛力、能耗等指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)下來,稻秸的干法厭氧發(fā)酵技術(shù)是切實(shí)可行的。
我國(guó)農(nóng)作物秸稈理論資源量為8.2億t,可收集資源量6.87 億t,秸稈資源化利用現(xiàn)狀如表3 所示。全國(guó)仍有31.31%的農(nóng)作物秸稈以廢棄或燃燒的方式進(jìn)行處置,2.15 億t 的秸稈仍未合理利用。即使秸稈通過燃燒發(fā)電、生產(chǎn)柴油,厭氧發(fā)酵等能源化的方式利用,但秸稈用于產(chǎn)沼氣等新型化能源僅640 萬t。通過利用干法厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行資源化處理,可以通過產(chǎn)氣發(fā)電約1095 億kW·h。已有研究表明,秸稈發(fā)電每噸可獲得收益9.37元,將未利用的秸稈資源化利用將產(chǎn)生20 億元的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)堆肥是秸稈等農(nóng)業(yè)廢棄物干法厭氧發(fā)酵合理的后處理技術(shù)之一,可以有效消除病原體并控制殘留沼氣的排放[10]。與傳統(tǒng)的秸稈肥料化過程相比,干法厭氧發(fā)酵可以生產(chǎn)沼氣作為燃料,提高秸稈的利用率,并且杜絕了傳統(tǒng)堆肥過程面積大和散發(fā)氣味等問題,發(fā)酵后的沼渣僅需要簡(jiǎn)單堆肥處理,就可以用作肥料或土壤改良劑。原料化和其他能源化方式不僅處置工藝復(fù)雜且成本較高,而干法厭氧發(fā)酵能夠在相對(duì)較小的區(qū)域中運(yùn)行且工藝簡(jiǎn)單,降低處置成本,提高經(jīng)濟(jì)效益[33]。因此,進(jìn)一步研究利用秸稈干法厭氧發(fā)酵技術(shù)對(duì)秸稈進(jìn)行資源化處理不僅可以提高資源化利用率,還可以進(jìn)行產(chǎn)氣和發(fā)電,帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益,未來的研究仍然需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化工藝以降低成本,并多關(guān)注和優(yōu)化其后處理技術(shù)。
表3 秸稈資源化利用現(xiàn)狀Table 3 Current situation of straw resource utilization
(1)設(shè)計(jì)改用混合螺旋進(jìn)料器和平推流式的攪拌器,是一種適用于稻秸干法厭氧發(fā)酵中試系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)含固率為20%的秸稈物料的有效混合和平推流方式實(shí)現(xiàn)有機(jī)廢棄物的連續(xù)發(fā)酵和均衡產(chǎn)氣。
(2)利用反芻動(dòng)物糞便鮮牛糞進(jìn)行發(fā)酵啟動(dòng)試驗(yàn),可以有效富集具備處理稻秸所需的厭氧微生物體系。
(3)在秸稈缺乏氮源的條件下,通過連續(xù)進(jìn)料的方式和豬糞為補(bǔ)充氮源來提高秸稈的產(chǎn)氣率和利用率,連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行條件下,豬糞(干質(zhì)量)按照4.54 kg·d-1進(jìn)料,可使單日產(chǎn)氣量明顯增加,并能連續(xù)保持在20~22 m3·d-1的產(chǎn)氣量約22 d。
(4)由于地理位置和季節(jié)性限制而豬糞缺乏的地區(qū),提出可以采用一次性投加的方式,并以pH作為指導(dǎo)指標(biāo),投加量為68.1 kg(干質(zhì)量),定期補(bǔ)充,時(shí)間為20 d。
農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)2019年12期