趙 嫻，蘇小紅，王玉鵬，劉 偉

(黑龍江省能源環(huán)境研究院，哈爾濱 150027)

秸稈沼氣是以秸稈為原料，通過(guò)厭氧微生物代謝作用將有機(jī)廢棄物產(chǎn)生轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏wCH4和CO2等的過(guò)程，因此秸稈的沼氣利用在國(guó)內(nèi)外得到較大的發(fā)展，也是目前秸稈資源化利用的主要方式之一[1-4]。厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣過(guò)程根據(jù)發(fā)酵底物的濃度可以分為濕法發(fā)酵和干發(fā)酵，尤其是干法發(fā)酵是一種比較特殊和新興的厭氧發(fā)酵應(yīng)用技術(shù)[5-6]。干法發(fā)酵技術(shù)顯著的優(yōu)勢(shì)在于反應(yīng)裝置占地面積小，消化過(guò)程消耗少量的水，有機(jī)負(fù)荷高且產(chǎn)氣量大，整個(gè)系統(tǒng)增溫過(guò)程所需能耗低，工程成本造價(jià)低[7]。此外，由于消化過(guò)程含水量低，排放的沼液、沼渣極易處理，可直接作為生物有機(jī)肥或者經(jīng)壓縮制生物質(zhì)燃料使用[8]。

在干發(fā)酵中，溫度在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中發(fā)揮著非常重要的作用。溫度直接決定著微生物的生長(zhǎng)繁殖，影響干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果和干發(fā)酵的速率。厭氧發(fā)酵中的微生物對(duì)溫度變化非常敏感，溫度的突然變化對(duì)沼氣產(chǎn)量會(huì)有明顯影響，維持一個(gè)穩(wěn)定的溫度十分重要。

選擇干法厭氧發(fā)酵方式并分別采用中溫和高溫進(jìn)行厭氧發(fā)酵，優(yōu)化發(fā)酵溫度工藝參數(shù)的同時(shí)，為我國(guó)寒區(qū)沼氣工程的建設(shè)及穩(wěn)定運(yùn)行提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

所用玉米秸稈采自黑龍江省能源環(huán)境研究院院內(nèi)秋季收獲后的秸稈，粉碎成1～3 cm小段，在55℃烘箱中烘5～6 h后取出備用，其總固體(TS)= 89.9%，揮發(fā)性固體(VS)=79.3%。采用黃貯預(yù)處理方法對(duì)秸稈進(jìn)行預(yù)處理，即黃貯含水率控制在70%左右，黃貯90 d，備用。選擇黑龍江省能源環(huán)境研究院中試平臺(tái)厭氧發(fā)酵罐中發(fā)酵后的沼液作為微生物接種劑。

1.2 試驗(yàn)儀器與設(shè)備

藥典標(biāo)準(zhǔn)篩，精密pH計(jì)(PHS-3C)，DHZ-DA型電熱鼓風(fēng)干燥機(jī)，馬弗爐(天津中環(huán)試驗(yàn)電爐制造有限公司生產(chǎn))，F(xiàn)A I 004精密電子天平(上海精科天平廠生產(chǎn))。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：預(yù)處理后的玉米秸稈通過(guò)兩相厭氧發(fā)酵裝置進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷試驗(yàn)。溫度為55℃，發(fā)酵pH為7.3，發(fā)酵濃度為15%。調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)發(fā)酵溫度，梯度設(shè)計(jì)為中溫35℃，高溫55℃，分別標(biāo)記為35T、55T。同時(shí)，以傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵作為對(duì)照試驗(yàn)組，標(biāo)記為CK，其發(fā)酵溫度為55℃，發(fā)酵濃度為15%，發(fā)酵pH為7.3。研究?jī)上喟l(fā)酵裝置運(yùn)行過(guò)程中不同酸堿度下的產(chǎn)氣效果，并對(duì)比分析兩相發(fā)酵裝置與傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵產(chǎn)氣特性。

試驗(yàn)裝置及調(diào)試啟動(dòng)方法設(shè)計(jì)：傳統(tǒng)批示干發(fā)酵裝置采用排水集氣法，具體裝置連接如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)批示干發(fā)酵裝置Fig.1 Traditional dry fermentation unit 注：1.橡膠塞，2.排氣口，3.氣體收集管，4.排液管，5.厭氧發(fā)酵罐，6.排水集氣瓶，7.液體收集器

采用兩相厭氧發(fā)酵裝置作為厭氧發(fā)酵反應(yīng)器，產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相裝置相同，容積為20 L，具體裝置連接如圖2所示。

圖2 兩相厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental unit of two-phase anaerobic fermentation

產(chǎn)酸相實(shí)現(xiàn)條件：加入1/3接種物啟動(dòng)酸化罐，穩(wěn)定運(yùn)行數(shù)日后加入發(fā)酵原料黃貯秸稈進(jìn)行酸化調(diào)試，Eh要達(dá)到+50 mv以下，pH在5.0左右。降低pH，微生物以厭氧、兼氧菌產(chǎn)酸菌、水解菌為主，并采用常溫兼性厭氧發(fā)酵工藝，連續(xù)發(fā)酵數(shù)日，不產(chǎn)氣終止，即為酸化成功。

產(chǎn)甲烷相：加入1/3接種物啟動(dòng)甲烷罐，采用高溫(55℃)厭氧發(fā)酵工藝，pH控制在7.0左右。在嚴(yán)格厭氧條件下，產(chǎn)甲烷菌群大量富集，接種物的揮發(fā)性固體消耗殆盡后，即為啟動(dòng)成功。待甲烷相啟動(dòng)成功后，加入酸化罐酸化好的原料，進(jìn)行秸稈干法厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷試驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

研究中溫35℃、高溫55℃兩種常見(jiàn)的發(fā)酵溫度對(duì)秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響。每日記錄沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)量，發(fā)酵時(shí)間為28 d，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同發(fā)酵溫度下日產(chǎn)沼氣量Fig.3 Daily production of methane under different fermentation temperatures

由圖3可知，溫度對(duì)黃貯秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣有顯著的影響。在選取35℃、55℃兩種常用的發(fā)酵溫度及傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵日產(chǎn)沼氣量的對(duì)比試驗(yàn)中，三組試驗(yàn)組均出現(xiàn)了兩個(gè)產(chǎn)氣高峰，這與牛糞等厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣不同，本試驗(yàn)結(jié)果與楊倩等人的研究相同。

55T試驗(yàn)組和CK試驗(yàn)組即55℃高溫兩相厭氧發(fā)酵裝置發(fā)酵系統(tǒng)較傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵系統(tǒng)率先進(jìn)入產(chǎn)氣期，發(fā)酵第3 d就能進(jìn)入第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，而35T試驗(yàn)組即35℃中溫兩相厭氧發(fā)酵裝置發(fā)酵系統(tǒng)在第4 d進(jìn)入產(chǎn)氣高峰。進(jìn)入高峰期相對(duì)高溫發(fā)酵晚一些，可見(jiàn)中溫發(fā)酵較高溫發(fā)酵啟動(dòng)慢。三組試驗(yàn)組的第二個(gè)產(chǎn)氣高峰分別出現(xiàn)在發(fā)酵第8 d和第9 d，出現(xiàn)峰值的時(shí)間也不相同。55℃試驗(yàn)組最大日產(chǎn)量達(dá)226 mL/g TS，35T試驗(yàn)組最大日產(chǎn)量達(dá)188.5 mL/g TS，產(chǎn)氣效果較好，CK試驗(yàn)組最大日產(chǎn)量達(dá)168 mL/g TS。

在達(dá)到產(chǎn)氣峰值后，三個(gè)試驗(yàn)組的沼氣產(chǎn)量均呈下降趨勢(shì)，其中55T試驗(yàn)組和CK試驗(yàn)組及傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵系統(tǒng)在發(fā)酵進(jìn)行到第20 d左右時(shí)產(chǎn)氣基本結(jié)束，較35T試驗(yàn)組發(fā)酵時(shí)間縮短8 d左右，這是由于發(fā)酵前期高溫試驗(yàn)組迅速啟動(dòng)，消耗底物營(yíng)養(yǎng)較快，導(dǎo)致后期發(fā)酵原料盡早消耗殆盡，這也是高溫發(fā)酵可以縮短發(fā)酵時(shí)間的原因，而兩相厭氧發(fā)酵裝置在此基礎(chǔ)上還能在酸化裝置內(nèi)對(duì)發(fā)酵原料充分酸化后進(jìn)入產(chǎn)甲烷系統(tǒng)，可增加發(fā)酵底物的可生化性，因而較傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣效果好。

圖4 不同發(fā)酵溫度下甲烷累積產(chǎn)氣量Fig.4 Cumulative methane gas production under different fermentation temperatures

從圖4中可以看出，發(fā)酵溫度不同，黃貯秸稈干發(fā)酵甲烷累積產(chǎn)氣量相差較大，其中55T試驗(yàn)組甲烷累積產(chǎn)氣量最大，可達(dá)130.7 L左右，CK試驗(yàn)組的甲烷累積產(chǎn)氣量為86.26 L，提高了51%左右。35T試驗(yàn)組甲烷累積產(chǎn)氣量為84.3 L，同一個(gè)裝置的高溫發(fā)酵甲烷累積產(chǎn)氣量較其高出55.1%，可以看出，發(fā)酵溫度為秸稈干發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響顯著。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究不同發(fā)酵溫度工藝參數(shù)對(duì)秸稈干發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響，發(fā)現(xiàn)發(fā)酵溫度對(duì)秸稈干發(fā)酵產(chǎn)氣影響較大。相對(duì)于中溫發(fā)酵系統(tǒng)，55℃高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果較好，發(fā)酵啟動(dòng)快，且縮短了發(fā)酵時(shí)間，高溫發(fā)酵時(shí)間約為20 d以內(nèi)。相對(duì)于傳統(tǒng)批試秸稈干發(fā)酵系統(tǒng)，秸稈高溫兩相厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果提高了51%左右，可為寒區(qū)秸稈沼氣工程溫度工藝參數(shù)的優(yōu)化提供一定的理論參考。