好氧预处理对干法沼气发酵产气量的影响及能量损失韩捷

第27卷第12期农业工程学报Vol.27No.122462011年12月TransactionsoftheCSAEDec.2011好氧预处理对干法沼气发酵产气量的影响及能量损失韩捷，向欣，程红胜，刘丽红（农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，北京100125）摘要：研究好氧发酵预处理对干法沼气发酵产气效果的影响及能量损失情况，是以好氧发酵升温为预处理方式的干法沼气工程经济运行的重要依据。该文采用恒温沼气发酵装置，以牛粪及少量混合秸秆粉作为发酵原料，研究了不同好氧发酵预处理条件下，干法沼气发酵的产气效果并对其能量损失情况进行了分析探讨。结果表明：以牛粪为主要发酵原料时，好氧预处理对物料干法沼气发酵的产气量有较明显影响，随着好氧发酵时间增加和温度提高，总产气量减少，能量损失增大；好氧发酵预处理温度与沼气发酵温度相同（均为35℃）时，能量损失较少，好氧发酵升温法合理；好氧发酵预处理温度（55℃）显著高于沼气发酵温度，好氧发酵升温法会带来较大能量损失。因此，在对覆膜槽生物反应器操作时，应准确把握好氧发酵的时间和温度，一旦达到所需温度，应立即转入沼气发酵，以提高沼气产量，减少能量损失。关键词：沼气，发酵，经济性，干法沼气发酵，产气量，能量损失，好氧发酵预处理doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2011.12.046中图分类号：216.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2011)-12-0246-04韩捷，向欣，程红胜，等.好氧预处理对干法沼气发酵产气量的影响及能量损失[J].农业工程学报，2011，27(12)：246－249.HanJie,XiangXin,ChengHongsheng,etal.Effectsofaerobicfermentationpre-treatmentondryanaerobicfermentationgasproductionanditsenergyloss[J].TransactionsoftheCSAE,2011,27(12):246－249.(inChinesewithEnglishabstract)0引言干法沼气发酵能量回收效率高[1-3]，且没有沼液的再处理问题，近年来发展较快，特别是工程化的干法沼气技术成为国内外沼气研究者关注的焦点。沼气发酵反应器的单位容积日产气量（容积产气率m3/(m3·d)），是其重要的性能指标。在反应器容积相同的情况下，容积产气率越高，能生产的沼气越多。因此，提高容积产气率能有效降低沼气工程建设投资，减少占地面积。沼气发酵温度对容积产气率影响很大，在一定范围内，随着发酵温度升高，容积产气率相应提高。沼气发酵可分为3个温度范围：50～65℃称高温发酵；20～45℃称中温发酵；20℃以下称低温发酵。此外，随自然温度变化的发酵方式称常温发酵[4]。中国常温发酵的户用沼气池平均容积产气率仅为0.11m3/(m3·d)，传统的大中型沼气工程（常温发酵）平均容积产气率＜0.4m3/(m3·d)；而欧盟国家的新型沼气发酵反应器，有沼气发电余热加温，发酵温度35～52℃，容积产气率可达3.0m3/(m3·d)[5-8]，沼气发酵温度高是其容积产气率高的主要原因。现有沼气工程一般采用中温发酵工艺。常用的方法是采用外加热源加热，使发酵物料温度达到中温沼气发酵条件。用煤等化石能源加热，致使沼气工程的运行成收稿日期：2011-03-09修订日期：2011-08-10基金项目：“十一五”国家科技支撑计划重大项目“农林生物质工程”之“沼气规模化干法厌氧发酵技术与装备研究”课题（2006BAD07A02）作者简介：韩捷（1949－），男，研究员，研究方向为农业废弃物处理及资源化利用。北京农业部规划设计研究院农村能源与环保研究所，100125。Email：[e-mail]本居高不下，甚至得不偿失[9-11]。覆膜槽生物反应器（membranecoveredtroughbioreactor，简称MCT反应器）干法沼气发酵技术利用固体有机物料好氧发酵可快速升温的特性，获得适合中温沼气发酵的初始温度，进而实现无外加热源条件下的中温沼气发酵，现已实现工程化应用[12-13]。与一般秸秆沼气堆沤预处理的目的有所不同，对于MCT干法沼气发酵技术而言，以好氧发酵预处理使物料升温而取代外热源加热是主要目的。本文就好氧发酵预处理对干法沼气发酵产气效果的影响及由此产生的能量损失问题进行了分析研究。1材料和方法1.1材料1.1.1发酵原料发酵原料为粉状风干牛粪和混合秸秆粉。牛粪取自北京沧达农工商公司奶牛场，质量含水率15%；秸秆粉取自内蒙古杭锦后旗，质量含水率7%。秸秆粉为玉米、小麦、葵花秸秆经粉碎并通过2mm筛的混合体，3种成分质量各占1/3。1.1.2接种物接种物为中温沼气工程的沼液，接种物总固体质量分数（totalsolid，简称TS）为4.5%，取自北京大兴小谷店沼气工程。试验用水为医用蒸馏水。1.2试验方法和装置1.2.1试验方法好氧堆肥会使发酵物料减量[14]，因此，试验前各试验组和对照组的原料必须是同品质等质量的。即：试验前取同质等质量原料，试验组做好氧发酵预处理，对照组不做好氧发酵预处理，然后试验组和对照组在同等条第12期韩捷等：好氧预处理对干法沼气发酵产气量的影响及能量损失247件下进行沼气发酵，对比二者的产气情况。具体方法是：取9个250mL广口瓶，每瓶装入40g牛粪、5g秸秆粉，混合搅拌均匀。将6瓶原料进行好氧发酵处理，先加入适量水，使原料质量含水率达到60%左右，再置于35℃恒温水浴锅中，在好氧状态下（瓶敞口，每天翻动2次）保持2d。取出其中3瓶密封并降温置冰箱冷藏室（5℃左右）保存；其余3瓶仍留在水浴锅中，并将水浴锅温度调整到55℃，在好氧状态下再保持2d。将未经好氧处理的另外3瓶原料逐一加水，使质量含水率达到60%左右，作为对照组。将好氧处理2d的3瓶原料作为试验1组；将好氧处理4d的3瓶原料作为试验2组。然后在各瓶中逐一加入50mL接种物。加微量水调整各瓶料面至同一高度，此时每瓶中物料约110mL，含水率70%左右。用玻璃棒将各瓶物料搅拌均匀，用橡皮塞密封后置于(35±1)℃恒温水浴锅中进行沼气发酵，并用排水集气法计量各瓶每天产生的沼气。从第2天起，每天定时计量产气量，每组中3瓶原料产气量的平均值作为该组当天产气量，连续记录27d。1.2.2试验装置试验装置（1个产气单元）简图如图1所示。1.恒温水浴锅2.广口瓶3.沼气发酵原料4.导气管5.水6.集气瓶7.导水管8.集水瓶图1恒温沼气发酵装置Fig.1Anaerobicfermentationdevicewithcontrolledandconstanttemperature2结果与分析图2为不同好氧预处理（试验1组、2组）和无好氧处理（对照组）的干法沼气发酵产气效果的对比试验结果。图2a为不同预处理方法的累积产气量曲线。图3为日产气量曲线。a.累计产气量b.日产气量注：试验1组为35℃好氧发酵2d预处理；试验2组为35℃好氧发酵2d，再55℃好氧发酵2d预处理；对照组为无好氧发酵预处理。图2不同原料预处理方法累计产气量和日产气量Fig.2Cumulativebiogasproductionanddailygasproductionwithdifferentpretreatmentmethods1）从图2a可以看出，试验1组和试验2组累积产气量均低于对照组，说明在好氧发酵过程中部分易降解的物质被分解，减少了沼气发酵期的原料量，故试验组的累积产气量均低于对照组。试验2组的累积产气量又明显低于试验1组，说明随着好氧发酵时间的延长和温度的增高，物料损失加剧。试验1组最终总累积产气量比对照组减少4.7%，试验2组总累积产气量比对照组减少17.6%。高志坚等多位研究者采用堆沤法对秸秆预处理，都得到了试验组比对照组总产气量显著提高的结果，那是由于“堆沤预处理可以破坏木质素、半纤维素和纤维素的部分联接结构，使纤维素更容易被微生物利用产气”的缘故[15]。本试验采用的原料以牛粪为主，秸秆仅占原料总量的11%，好氧发酵对秸秆产气的正面影响远小于发酵原料耗损造成的负面影响，故本试验中经好氧发酵处理的试验组总产气量均低于未经好氧发酵处理的对照组。2）从图2b可以看出，对照组第1天日产气量就达到最大值，试验1组第2天达到最大值，试验2组第4天才达到最大值。这是因为发酵原料主要以牛粪为主，牛粪中易降解物质较多，而好氧发酵对少量秸秆降解的促进作用不明显，随着好氧发酵过程的推进，初始原料中的易降解物质被逐渐消耗，好氧发酵时间短、温度低，易降解成分损失少，时间长、温度高，易降解成分损失大。对照组中含有较多易降解成分，产气量在沼气发酵第1天即达到峰值；试验1组在好氧发酵预处理时易降解成分有一定损失，较对照组稍迟（第2天）达到峰值；试验2组在好氧发酵预处理时易降解成分已经很少或损失殆尽，所以产气量需经较长时间（第4天）才达到峰值。3）从图2b可以看出，3条日产气曲线的大趋势基本是随发酵时间产气量逐渐减少。但试验1组的日产气量曲线波动较大，这可能是试验1组在好氧发酵预处理时发酵不彻底，处于一种未完全腐熟的不稳定状态，所以进入沼气发酵期后，表现为前期产气量波动很大，中期（第农业工程学报2011年24813天）后波动较小，整个产气量呈逐日减少趋势。试验2组经过4d、最高55℃的好氧发酵，已经接近腐熟，呈基本稳定状态，而对照组未经好氧发酵，原本是较稳定状态，故试验2组和对照组产气量趋势均为逐日减少，波动不大。4）从图2b可以看出，试验1组、试验2组和对照组分别在沼气发酵第19天、17天和21天时，日产气量降至各自最高日产气量的20%以下，说明采用好氧发酵预处理有助于改善原料的组织结构，提高原料的产气速率，缩短产气周期。从图3还可以看出，试验1组、试验2组和对照组沼气发酵20d的累积产气量分别为2336、2054、2448mL，达到各自总产气量的90%以上，有效容积产气率分别为1.06、0.93、1.11m3/(m3·d)。因此，沼气发酵期取20d左右为宜，且随着好氧预处理时间的增加，沼气发酵期可适当减少。3好氧升温预处理法的能量损失问题探讨好氧发酵会使发酵物料减量，因此，好氧发酵升温预处理必然带来物料的能量损失。探讨好氧升温预处理法能量损失的趋势、如何减少能量损失及能量损失的合理性，对干法沼气工程的经济运行有实用意义。3.1好氧发酵预处理法能量损失分析各组试验原料同质等质量，每瓶均为40g风干牛粪加5g秸秆粉的混合物，为使混合物料适宜好氧发酵，加水调至质量含水率60%。设加水后的混合原料总质量为X，则ABXAwBwXw⋅+⋅=（1）式中，A为风干牛粪质量，g；B为秸秆粉质量，g；wA为牛粪湿基含固率，%；wB为秸秆粉湿基含固率，%；wX为混合原料湿基含固率，%。计算得X＝96.6，即进行好氧发酵的混合原料质量为96.6g。试验组和对照组每瓶所加接种物相同，TS质量分数均为4.5%的中温沼液50mL。接种物的产气量忽略不计，试验1组总产气量为2592mL，相当于每克混合原料（含水率60%）产气26.8mL；同理试验2组总产气量为2241mL，相当于每克原料产气23.2mL；对照组总产气量为2719mL，相当于每克原料产气28.1mL。试验1组比对照组每g原料少产气1.3mL，能量损失4.6%。折算成每kg原料损失的热量Q为QqV=×沼气沼气（2）式中，q沼气为沼气热值，kJ/m3；V沼气为每kg原料少产沼气量，m3。将q沼气=19731kJ/m3（按沼气中甲烷体积分数55%计算[4]），V沼气=0.0013m3，代入式（2），即试验1组每kg原料损失的热量Q为25.7kJ。假设将每kg原料少产的沼气用于原料自身加温，提高的温度为T℃，则T为QTcη×=（3）式中，η为加热效率；c为混合原料比热，kJ/(kg·℃)。由于混合原料以牛粪为主，故其比热用牛粪（干清粪）的比热值（4.1792kJ/(kg·℃)）估算[16