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根據聯合國氣候報告,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業國家之一,平均每年可產生8億噸作物秸稈,其中玉米秸稈年均產量可達到2.16億噸2。

通過沼氣池厭氧消化技術將玉米秸稈轉化為沼氣具有很大的潛力。沼氣被認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,因此生物質材料玉米秸稈是一種長的環境友好型資源。

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℃。當厭氧消化溫度上升到55℃時,玉米秸稈的產甲烷速率將會增加。

高溫消化比中溫沼氣池厭氧消化具有很多優點,比如耐毒性、產甲烷速率快、水力停留時間短和物質轉換率高等。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器中很容易導致揮發性脂肪酸累積現象的發生,尤其是對于易水解物料來說更易發生此類現象8-9,除此之外,還會導致系統的穩定性受到影響。

因此為了研究玉米秸稈高溫沼氣池厭氧消化的產甲烷性能和長期運行的穩定性,采用半連續式CSTR反應器進行試驗。同時設置中溫厭氧消化試驗進行對比,觀察中高溫厭氧消化之間產甲烷性能的區別。

干后經粉碎機粉碎過20目篩。接種物取自北京順義地區某沼氣站,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見表1。

2實驗裝置

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

1.3實驗方法

3個半連續式CSTR厭氧消化反應器均以玉米秸稈65gTS·L,接種污泥5 gMLSS·L的負荷啟動,加水補充至工作體積8L,啟動30天后,開始進出料。所有的半連續式CSTR厭氧消化反應器均經歷了3個有機負荷(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結果與討論

2.1日產氣量與甲烷日含量

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

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

以承載高負荷有機質的運行

如圖2所示,隨著有機負荷率的提高,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。此甲烷含量規律與Meng等人的研究結果一致,在Meng等人的研究結果中,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日產甲烷量

如圖3所示,玉米秸稈沼氣池厭氧消化反應器在穩定運行進出料階段,有機負荷為80g1S·L時,玉米  秸稈35℃,45℃和55℃厭氧消化溫度條件下的平均  日產甲烷速率分別為2.5L·d,3.06L·d和  3.35L·d-1,隨著有機負荷提高90gTS·L時,玉米秸稈35℃,45℃和55℃厭氧消化溫度條件下的平  均日產甲烷速率分別2.30L·d-,2.54L·d和3.7L·d-,隨著有機負荷接著提高為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,隨著有機負荷率的提高,中溫厭氧消化的日產甲烷速率逐漸明顯低于高溫厭氧消化的日產甲烷速率,且中溫沼氣池厭氧消化產甲烷速率隨著負荷的提高呈基本維持穩定趨勢,而高溫厭氧消化日產甲烷速率隨著負荷的提高呈上升趨勢。這是因為在高溫厭氧消化條件下,玉米秸稈的日產氣量和甲烷含量均有所提高,所以其產甲烷速率不斷提高

55℃沼氣池厭氧消化后其單位TS產氣量分別為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產氣量比35℃厭氧消化后其單位TS產氣量分別提高了18.48%,

3物質轉換

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

13.09%和17.41%,其單位TS產甲烷量比35℃厭氧消化后其單位TS產甲烷量分別提高了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果,其實驗結果中55℃條件下玉米秸稈單位VS產甲烷量僅為18870mL·g-s2。

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

致,說明高溫沼氣池厭氧消化條件下物質的轉換率更高。纖維素、半纖維素和木質素是玉米秸稈的主要組分,是厭氧生物的主要碳源,經過厭氧消化,玉米秸稈中的主要組分被微生物降解轉化為生物氣。纖維素和半纖維素是易于降解的主要成分,3個反應器的纖維素降解率均達到了48%以上,半纖維素均達到了51%以上。其降解率變化情況與中高溫厭氧消化產沼氣和產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系統穩定性

pH值、堿度和氨氮濃度是表征沼氣池厭氧消化系統穩  定性的重要指標。表5為出料中與系統穩定性相關  的主要參數,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);高溫沼氣池厭氧消化系統出料的pH值高于中溫厭氧消化系統,這是因為高溫厭氧系統水解速率快,產生的揮發性脂肪酸(VFAs)快、多,因而產甲烷菌利

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

5結論

(1)在一定的溫度范圍內,玉米秸稈高溫厭氧消化產甲烷性能優于中溫厭氧消化產甲烷性能。玉米秸稈高溫沼氣池厭氧消化(55℃)在80,90和100g·L這3個有機負荷運行條件下厭氧消化后其單位TS產甲烷量分別為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產甲烷量分別提高了31.58%,63.78%和64.08%。

(2)高溫厭氧消化反應器可以承載高負荷有機質的運行,可作為工程應用生產沼氣的一種有效方式,但是筆者對于3種不同溫度反應器運行中的能量守恒和經濟成本并未估算,在實際工程運用中需要將這些因素考慮進去,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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