厭氧發酵沼氣工藝分析

摘 要 為了加快農村沼氣建設，走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、充分利用農村資源，逐漸改善農村生態環境，繼而提升農民的生活水平，促進作物秸稈沼氣發酵生產工藝得到發展。以某村小麥秸稈發酵原料為主，通過厭氧發酵CSTR工藝集中供給沼氣工程進行研究，經研究產氣速率為0.73 m3/（m3·d），器內的最大壓力3.48 kgCOD/（d·m3），甲烷的平均含量達到66.7%，且pH值隨著秸稈的發酵有明顯的變化，以逐漸適應甲烷菌。

關鍵詞 秸稈；厭氧發酵技術；CSTR工藝

中圖分類號：S216.4 文獻標志碼：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2016.17.036

為了加快農村沼氣池的建設及沼氣等方面的利用，國家農業部在2000年3月啟動和實施了以沼氣綜合利用建設為重點的“生態家園富民計劃”[1]。加快農村沼氣建設是走科技含量高、經濟效益好、資源消耗低、環境污染少、充分發揮人力資源優勢發展道路的必然要求；同時，它還能利用農村資源，逐漸的改善農村生態環境，繼而提升農民的生活水平。

據有關數據表明，秸稈原料發酵的產氣量約為0.45 m3/（kg·TS）左右，與糞便的產氣量相差無幾，產氣潛力相當不錯。豐富的秸稈資源，不受季節影響，每年可容納更大質量的秸稈產氣量。生產的沼氣比動物相同的質量要高得多。因此，厭氧發酵秸稈為原料生產沼氣發酵的局限性的一個突破，秸稈資源可以作為多個階段進行高效、高質量的有機肥料[2]。因此，該項目的研究可以促進秸稈資源的綜合利用，同時提高秸稈沼氣的工程技術水平。

1 材料與方法

本研究采用的是CSTR反應器對小麥秸稈進行發酵。在CSTR反應器中，首先接種污水處理廠產生的厭氧污泥裝置中的污泥，污泥TS為17.2%。經過秸稈不間斷的進入，完成污泥馴化。污泥馴化后，開始進高濃度懸浮液，直到產氣穩定，pH>7為止。

本試驗主要選用好氧測定儀、BOD5和玻璃電極法，分別測定進出水的COD、BOD和PH值，并選用濕式流量計量測定出厭氧發酵過程中利用CSTR工藝所產生的氣體產量。參照國家農業行業標準NY-525沼氣和沼氣成分-2002進行測定[3]。

2 結果與分析

2.1 產氣量和產氣率

秸稈中含有大量的固體顆粒不能立即通過厭氧菌分解產生氣體，只有部分溶解在液體中可以完全反應，所以產氣量和產氣率均較低，直到第22天開始，氣體達到了17.3 L，這時新進的秸稈原料由于攪拌作用能夠快速的與發酵液融合在一起，產生的氣體也逐漸增多。等到第38天，氣體產氣量達到40.5 L，平均產氣速率為0.72 m3/（m3·d）。

2.2 進出水COD與容積負荷

CSTR消化器中物與料充分攪拌，免除了分層的狀態，使得液面上的有機懸浮物循環到反應器的下部，使COD逐漸提高，主要原因在于第31天后，把上清液基本置換完成[4]。化學需氧量的出現速度在55%～60%，但是氣渣液的出現情況在550 g/d，化學需氧量的出現速度在44 000 mg/L，消除在45%之下，不再進行填料后，使負荷降至500 g/d后發現運行狀況良好，平均出水COD值為11 268 mg/L，當平均進水COD 55 600 mg/L，化學需氧量的消除效率是79.7%，器內的最大壓力3.48 kgCOD/（d·m3）。

2.3 進水和出水pH的變化

進水的酸堿度在6～6.5內，CSTR的出水酸堿度跟秸稈的進入器內的變化關系。由于秸稈的預處理，降解的大顆粒物質與甲烷菌的生長令反應器趨于穩定。

從第25天開始后，反應器可承受的壓力值增大，酸堿度會從之前的降低，而器內出現甲烷菌后，為了適應它的繁殖，酸堿度又提高。根據秸稈量的不同，酸堿度都也有明顯的變化[5]。

2.4 氣體中產生的甲烷量

厭氧發酵產生的氣體主要CO2、硫化氫、CO和甲烷等，在實驗的第38天進行測量。秸稈厭氧發酵產生的氣體由高濃度的氫氧化鈉溶液吸收不僅操作方便，而且有較好的效果。利用置換反應排出的氫氧化鈉溶液的體積從而可以確定甲烷的體積[6-8]。最后得出甲烷平均含量為66.7%。

3 結論

實驗中選用CSTR工藝，產氣速率為0.73 m3/（m3·d），器內的最大壓力3.48 kgCOD/d·m3。pH值隨著秸稈量，秸稈的發酵有明顯的變化，逐漸適應甲烷菌。沼氣中甲烷的平均含量為66.7%，該工藝采用恒溫連續進料或半連續加料操作[9-11]。與傳統的沼氣池相比，CSTR工藝的傳質效果和微生物活性有明顯提高，發酵效率更高，同時縮短了水力停留時間（HRT）。

綜上所述，CSTR工藝對秸稈資源的利用運行成本低，含有高固體含量，天然氣生產飼料，有機負荷高的優點，在中國秸稈發酵產沼氣治理方面前景寬廣。

參考文獻

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（責任編輯：趙中正）