秸秆沼气发酵工艺参数的优化试验

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1、秸秆沼气发酵工艺参数的优化试验　　引言　　遗留田间的农业废弃物秸秆必须进行处理和利用，才不至于影响第2年春播。由于秸秆的产量很大，大量的秸秆若不能及时处理，只好在播种前采取就地焚烧的应急措施集中处置，会产生大量浓烟，使尘埃量积聚，雾霾天越来越多，严重污染周边卫生和破坏生存环境，影响人们的身心健康。目前，处理秸秆的方法有许多种，如还田处理作肥料、饲用，加工成碳棒作燃料、生产秸秆乙醇、发电以及发酵气化作为生物质能源等。本文主要研究将秸秆生物气化为沼气的规模化生产试验研究，以解决农村清洁能源短缺的难题。　　1沼气湿法发酵工艺　　1．1湿法发酵工艺流程　　秸秆沼气发酵的生物气化

2、过程与传统的沼气生产工艺一样，可分为水解、产酸、产甲烷3个阶段。由于秸秆原料含有较高的木质素、纤维素、半纤维素和果胶等成分，难于水解，分解速度较慢，产气周期较长。因此，发酵工艺需考虑原料的预处理，厌氧环境的形成，底物C/N比和干物质含量、发酵温度、pH值、接种物量等参数的合理控制等问题。针对秸秆的特性，结合现代沼气生产技术，采用间歇式进出的湿法秸秆沼气加工工艺，工艺流程如图1所示。【图1】　　首先，对秸秆进行揉搓、粉碎增大与菌株的接触表面积，然后进行化学预处理和好氧堆沤，以提高厌氧反应速度和产气率。预处理后的秸秆加入一定量的厌氧菌种和适量的水混合均匀，然后通过柔性沼气膜

3、覆盖密封，形成厌氧环境，进行沼气生产。产生的沼气中会混有水蒸气和硫化氢等气体，水的冷凝会造成管路堵塞，H2S气体可引起管道及仪表的快速腐蚀且其燃烧时生成的SO2对人也有毒害作用，需再经过脱水脱硫净化处理后进行储存。厌氧发酵余物为沼渣和沼液混合物，将固、液进行分离，沼液作为菌种用于下一轮秸秆物料的厌氧发酵;而沼渣含有较全面的养分可作为优质有机肥料。　　　　1．2湿法发酵反应器的研制　　　　秸秆沼气厌氧发酵反应器采用四面封闭顶部大敞口的发酵槽体，容积为20m3，通过输送机实现秸秆原料进入和固体发酵余物的排出，操作方便。沼气膜覆盖敞口，可以通过膜膨胀形成的外形，判断反应器内沼

4、气的生产情况，以及产气停止时沼气的排空情况，起到安全保护的作用。双轴机械搅拌装置，可以很好地解决秸秆物料轻、易上浮结壳的问题，强制物料和菌种的混合，提高发酵原料与微生物之间的传热传质效果。双闭合液涨密封结构密封操作方便，安全可靠。沼气锅炉回烧部分沼气加热和太阳能集热器加热为厌氧发酵阶段提供温度保障，有利于提高产气率，同时降低冬季产气耗能。反应器结构如图2所示。【图2】　　　　2秸秆沼气发酵工艺参数对产气率影响研究　　在发酵原料组分、预处理工艺和pH值等不变的情况下，干物质含量(TS)、发酵温度和产气周期对产气量有直接的影响。因此，研究发酵温度在25～40℃，TS在6～1

5、2范围内产气率的变化。　　2．1材料与方法　　2．1．1试验材料　　吉林省农安县当地购买的干玉米秸秆。　　2．1．2试验装置　　采用自制的秸秆沼气湿法发酵装置。　　2．1．3试验方法　　在保证原料的成分及配比、预处理工艺、干物质浓度、接种物加入量、pH值等发酵条件不变的情况下，改变发酵温度，测算对应的日产气量。测算方法，采用排空法测量产气量，每天选择同一时间开始排空，直至排空结束，记录流量表读数和排空所用时间，换算出每一天产气量。具体测法:在测试前1天将反应器中沼气排空，记录排空时间t0和沼气表读数V0。　　第1天在同一时刻开始排空反应器中沼气，记录排空时间t1和沼气表

6、读数V1;第2天在同一时刻开始排空反应器中沼气，记录排空时间t2和沼气表读数V2;第3天在同一时刻开始排空反应器中沼气，记录排空时刻时间t3和沼气表读数V3。计算产气量公式为【1】　　　　2．1．4试验步骤　　1)准备适量的干玉米秸秆，将秸秆揉搓成10～15mm的秸秆段。　　2)将秸秆段用6%NaOH水溶液均匀喷洒，喷至潮湿无液体渗出，然后堆沤2天;接着用7．35%H2SO4水溶液均匀喷洒，中和至中性，并堆沤，使物料温度达到(50±1)℃。　　3)将处理完的秸秆原料加入到厌氧反应器中，并加入接种物，接种物取自沼气发酵装置正常产气结束后的发酵余物沼液，接种物

7、的加入量为发酵料液总体积的(30±1)%;然后加入适量的水，使秸秆原料占发酵料液总质量为一固定值，发酵料液量控制在反应器总容积的(80±1)%;用搅拌装置将发酵料液混合均匀，调整pH值为6．7～7．5，封膜进入厌氧发酵阶段，调控厌氧发酵温度，偏差为±1℃。　　4)排出前几天产生的杂气，通过试烧，火焰达到淡蓝色而且燃烧稳定，按试验方法中产气量的测算方法记录日产气量，记录35天数据;停止本次试验，准备下一次试验。　　2．2数据与分析　　2．2．1温度对秸秆沼气发酵产气情况的影响　　温度是影响产气量的重