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根據(jù)聯(lián)合國氣候報告,到2050年世界能源需求中77%的能源會由可再生能源提供,而中國是世界上最大的農(nóng)業(yè)國家之一,平均每年可產(chǎn)生8億噸作物秸稈,其中玉米秸稈年均產(chǎn)量可達(dá)到2.16億噸2。

通過沼氣池厭氧消化技術(shù)將玉米秸稈轉(zhuǎn)化為沼氣具有很大的潛力。沼氣被認(rèn)為是重要的可再生源,因為它不僅滿足了能源的需求,而且減少了甲烷氣體的排放,因此生物質(zhì)材料玉米秸稈是一種長的環(huán)境友好型資源。

影響厭氧消化過程的因素有很多,比如pH值有機負(fù)荷和溫度等。

在眾多影響因素中,適宜的厭  氧消化溫度非常重要,因為厭氧反應(yīng)器中的微生物  對溫度的變化非常敏感,厭氧消化度通常在中溫  (30℃~40℃)或高溫(50℃~65℃)條件下進(jìn)行Meng4等人指出玉米秸稈沼氣池厭氧消化的最佳溫度為39℃,Ren5等人則指出玉米秸稈厭氧消化的最佳溫度為35℃和55℃。當(dāng)厭氧消化溫度上升到55℃時,玉米秸稈的產(chǎn)甲烷速率將會增加。

高溫消化比中溫沼氣池厭氧消化具有很多優(yōu)點,比如耐毒性、產(chǎn)甲烷速率快、水力停留時間短和物質(zhì)轉(zhuǎn)換率高等。同時,高溫厭氧消化也有其本身的一些劣勢,在高溫厭氧消化反應(yīng)器中很容易導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸累積現(xiàn)象的發(fā)生,尤其是對于易水解物料來說更易發(fā)生此類現(xiàn)象8-9,除此之外,還會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性受到影響。

因此為了研究玉米秸稈高溫沼氣池厭氧消化的產(chǎn)甲烷性能和長期運行的穩(wěn)定性,采用半連續(xù)式CSTR反應(yīng)器進(jìn)行試驗。同時設(shè)置中溫厭氧消化試驗進(jìn)行對比,觀察中高溫厭氧消化之間產(chǎn)甲烷性能的區(qū)別。

干后經(jīng)粉碎機粉碎過20目篩。接種物取自北京順義地區(qū)某沼氣站,該沼氣站為正常運行的中溫沼氣工程。接種物取回后靜置數(shù)日去除上層清液,然后密封置于4℃冰箱中冷藏備用。

玉米秸稈和接種物的基本性質(zhì)見表1。

2實驗裝置

3個半連續(xù)式CSTR沼氣池厭氧消化反應(yīng)器用于此實驗的運行,其中2個中溫(35℃和45℃)CSTR反應(yīng)器是由透明的塑料材料組成的,另外1個高溫CSTR反應(yīng)器是由不透明的不銹鋼材料設(shè)計而成的。CSTR反應(yīng)器為10L的反應(yīng)器,有效容積為8L、配有循環(huán)水箱和濕式氣體流量計。反應(yīng)器采用雙層設(shè)計,循環(huán)水箱循環(huán)熱水(3℃,45℃和55℃±1℃)進(jìn)入反應(yīng)器夾層對反應(yīng)器保溫,反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置上中下3層斜葉式攪拌槳,設(shè)定自動定時程序,每隔兩小時攪拌10分鐘。產(chǎn)生的沼氣通過排氣管導(dǎo)入濕式氣體流量計,每天記錄產(chǎn)氣量

1.3實驗方法

3個半連續(xù)式CSTR厭氧消化反應(yīng)器均以玉米秸稈65gTS·L,接種污泥5 gMLSS·L的負(fù)荷啟動,加水補充至工作體積8L,啟動30天后,開始進(jìn)出料。所有的半連續(xù)式CSTR厭氧消化反應(yīng)器均經(jīng)歷了3個有機負(fù)荷(OL)階段(80,90和100gTS·L1),水力停留時間均為50d

1.4分析方法

原料及沼氣池厭氧消化出料的分析項目和分析方法見

2結(jié)果與討論

2.1日產(chǎn)氣量與甲烷日含量

中高溫厭氧消化日產(chǎn)氣量和甲烷含量如圖1和圖2所示,且3個厭氧消化系統(tǒng)均經(jīng)歷了1-30天的啟動階段。

如圖1所示,在有機負(fù)荷為80gTS·L時,玉米秸稈35℃,45℃和55℃沼氣池厭氧消化溫度條件下的平均日產(chǎn)氣量分別為4.89L,5.80L和6.49L,隨著有機負(fù)荷提高為90gS·L時,玉米秸稈35℃,  45℃和55℃厭氧消化溫度條件下的平均日產(chǎn)氣量  分別為4.38L,5.00L和7.00L,隨著有機負(fù)荷接著提高為100gTS·L時,玉米秸稈3種厭氧消化溫度條件下的平均日產(chǎn)氣量分別為4.57L,5.36L和7.36L。從圖1可以看出,隨著有機負(fù)荷的提高中溫(35℃和45℃)沼氣池厭氧消化條件下的日產(chǎn)氣量基本呈現(xiàn)下降趨勢,而高溫(55℃)厭氧消化條件下的日產(chǎn)氣量呈現(xiàn)逐步上升趨勢,且中高溫厭氧消化的日產(chǎn)氣量差距逐漸增大,高溫沼氣池厭氧消化產(chǎn)氣量逐漸明顯高于中溫厭氧消化產(chǎn)氣量,說明高溫厭氧消化

以承載高負(fù)荷有機質(zhì)的運行

如圖2所示,隨著有機負(fù)荷率的提高,玉米秸稈35℃溫度沼氣池厭氧消化條件下的平均甲烷含量由51.78%漸漸上升到52.48%再上升到53.86%,基本呈現(xiàn)1%的增長趨勢,而45℃溫度厭氧消化條件下的平均甲烷含量基本維持在51.56%左右。玉米秸稈55℃溫度厭氧消化條件下的平均甲烷含量則由51.35%漸漸上升到53.93%,再上升到54.88%,其增長趨勢高于中溫沼氣池厭氧消化條件。此甲烷含量規(guī)律與Meng等人的研究結(jié)果一致,在Meng等人的研究結(jié)果中,高溫厭氧消化的甲烷含量也是比中溫厭氧消化的甲烷含量高。

2.2日產(chǎn)甲烷量

如圖3所示,玉米秸稈沼氣池厭氧消化反應(yīng)器在穩(wěn)定運行進(jìn)出料階段,有機負(fù)荷為80g1S·L時,玉米  秸稈35℃,45℃和55℃厭氧消化溫度條件下的平均  日產(chǎn)甲烷速率分別為2.5L·d,3.06L·d和  3.35L·d-1,隨著有機負(fù)荷提高90gTS·L時,玉米秸稈35℃,45℃和55℃厭氧消化溫度條件下的平  均日產(chǎn)甲烷速率分別2.30L·d-,2.54L·d和3.7L·d-,隨著有機負(fù)荷接著提高為100gIs·L時,玉米秸稈3種沼氣池厭氧消化溫度條件下的平均日產(chǎn)甲烷速率分別為2.46L·d-1,2.79L·d-和4.04L·d-。

由此可見,隨著有機負(fù)荷率的提高,中溫厭氧消化的日產(chǎn)甲烷速率逐漸明顯低于高溫厭氧消化的日產(chǎn)甲烷速率,且中溫沼氣池厭氧消化產(chǎn)甲烷速率隨著負(fù)荷的提高呈基本維持穩(wěn)定趨勢,而高溫厭氧消化日產(chǎn)甲烷速率隨著負(fù)荷的提高呈上升趨勢。這是因為在高溫厭氧消化條件下,玉米秸稈的日產(chǎn)氣量和甲烷含量均有所提高,所以其產(chǎn)甲烷速率不斷提高

55℃沼氣池厭氧消化后其單位TS產(chǎn)氣量分別為507.45,485.19和459.72mL·gTs,比45℃厭氧消化后其單位TS產(chǎn)氣量分別提高了11.97%,40.92%和37.15%,比35℃厭氧消化后其單位T產(chǎn)氣量分別提高了32.66%,59.37%和61.02%;玉米秸稈55℃沼氣池厭氧消化后其單位TS產(chǎn)甲烷量分別為260.60,261.71和252.31mL·gs-1,比45℃厭氧消化后其單位T產(chǎn)甲烷量分別提高了9.03%,48.22%和44.68%,比35℃厭氧消化后其單位TS產(chǎn)甲烷量分別提高了31.58%,63.78%和64.08%。另外,玉米秸稈45℃沼氣池厭氧消化后其單位TS產(chǎn)氣量比35℃厭氧消化后其單位TS產(chǎn)氣量分別提高了18.48%,

3物質(zhì)轉(zhuǎn)換

生物沼氣的產(chǎn)生來源于厭氧菌對木質(zhì)纖維素等成分的降解,不同厭氧消化條件下系統(tǒng)組分的變化如表4所示。TS和VS是表征可降解成分的重要參數(shù),TS和s的變化情況直接影響到沼氣的產(chǎn)生情況。各半連續(xù)式CSTR反應(yīng)器中物料TS和VS轉(zhuǎn)化率分別達(dá)到了47.1%~53.6%和51.0%~62.7%。在高負(fù)荷條件下,高溫沼氣池厭氧消化的玉米秸稈T和VS轉(zhuǎn)換率高于中溫厭氧消化,與其產(chǎn)氣量結(jié)果

13.09%和17.41%,其單位TS產(chǎn)甲烷量比35℃厭氧消化后其單位TS產(chǎn)甲烷量分別提高了20.68%10.50%和13.41%。高溫沼氣池厭氧消化條件下的單位VS產(chǎn)甲烷量為分別為291.25,292.49和281.99mL·g-lVs,明顯高于宋籽霖等研究結(jié)果,其實驗結(jié)果中55℃條件下玉米秸稈單位VS產(chǎn)甲烷量僅為18870mL·g-s2。

這些結(jié)果表明在中溫厭氧消化溫度條件下,玉米秸稈45℃厭氧消化產(chǎn)氣效果優(yōu)于35℃;而高溫沼氣池厭氧消化條件下的玉米秸稈產(chǎn)氣與產(chǎn)甲烷性能則明顯優(yōu)于中溫厭氧消化條件。實驗結(jié)果也表明高溫厭氧消化反應(yīng)體系能更好地容納高負(fù)荷有機質(zhì)的運行。

致,說明高溫沼氣池厭氧消化條件下物質(zhì)的轉(zhuǎn)換率更高。纖維素、半纖維素和木質(zhì)素是玉米秸稈的主要組分,是厭氧生物的主要碳源,經(jīng)過厭氧消化,玉米秸稈中的主要組分被微生物降解轉(zhuǎn)化為生物氣。纖維素和半纖維素是易于降解的主要成分,3個反應(yīng)器的纖維素降解率均達(dá)到了48%以上,半纖維素均達(dá)到了51%以上。其降解率變化情況與中高溫厭氧消化產(chǎn)沼氣和產(chǎn)甲烷量的變化情況一致,說明玉米秸稈的生物降解性得到了一定的提高。

4系統(tǒng)穩(wěn)定性

pH值、堿度和氨氮濃度是表征沼氣池厭氧消化系統(tǒng)穩(wěn)  定性的重要指標(biāo)。表5為出料中與系統(tǒng)穩(wěn)定性相關(guān)  的主要參數(shù),不同厭氧消化條件下的pH值為7.27  7.56,在厭氧消化正常pH值范圍(6.5~7.8)之內(nèi));高溫沼氣池厭氧消化系統(tǒng)出料的pH值高于中溫厭氧消化系統(tǒng),這是因為高溫厭氧系統(tǒng)水解速率快,產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)快、多,因而產(chǎn)甲烷菌利

用VFAs產(chǎn)甲烷量就高,從而導(dǎo)致高溫厭氧消化統(tǒng)出料的pH值高于中溫沼氣池厭氧消化系統(tǒng)。堿度CO3)是厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力的一個指標(biāo),試3個厭氧消化系統(tǒng)的堿度范圍為3350-456mg:1屬于沼氣池厭氧消化正常范圍(1000~5000mg·L)溫厭氧消化系統(tǒng)堿度略高于中溫厭氧消化系統(tǒng),緩沖能力較好。試驗中3個沼氣池厭氧消化系統(tǒng)的氨氮度為84.96~223.65mg·L-,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于厭氧消氨氮的抑制濃度1。

5結(jié)論

(1)在一定的溫度范圍內(nèi),玉米秸稈高溫厭氧消化產(chǎn)甲烷性能優(yōu)于中溫厭氧消化產(chǎn)甲烷性能。玉米秸稈高溫沼氣池厭氧消化(55℃)在80,90和100g·L這3個有機負(fù)荷運行條件下厭氧消化后其單位TS產(chǎn)甲烷量分別為26.60mL·gs-,261.71ml·gl-和252.31mL·gTS-1,比45℃厭氧消化后其單位Ts產(chǎn)甲烷量分別提高了9.03%,48.22%和44.68%,比35℃沼氣池厭氧消化后其單位TS產(chǎn)甲烷量分別提高了31.58%,63.78%和64.08%。

(2)高溫厭氧消化反應(yīng)器可以承載高負(fù)荷有機質(zhì)的運行,可作為工程應(yīng)用生產(chǎn)沼氣的一種有效方式,但是筆者對于3種不同溫度反應(yīng)器運行中的能量守恒和經(jīng)濟(jì)成本并未估算,在實際工程運用中需要將這些因素考慮進(jìn)去,以確定最佳厭氧消化溫度。

摘自《中國沼氣》2018第一期 李娟 龐云芝 袁海榮 劉研萍 鄒德勛 李秀金

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