遼寧地區生物質廢棄物沼氣發酵技術研究及展望

賈 蘭， 王東興， 趙 光， 周 鐸， 王 興

(1.遼寧工業大學化學與環境工程學院, 遼寧 錦州 121001； 2.遼寧省環境監察局, 遼寧 沈陽 110005)

項目來源： 遼寧省科學事業公益研究基金項目(2016002004)

遼寧地區生物質廢棄物沼氣發酵技術研究及展望

賈 蘭1， 王東興1， 趙 光1， 周 鐸1， 王 興2

(1.遼寧工業大學化學與環境工程學院, 遼寧 錦州 121001； 2.遼寧省環境監察局, 遼寧 沈陽 110005)

文章通過對遼寧省生物質廢棄物沼氣發酵技術應用與發展現狀進行調查，研究發現如何在低溫條件下實現厭氧消化處理生物質廢棄物高效轉化是遼寧農村沼氣推廣應用亟待解決的關鍵問題和技術瓶頸。筆者針對低溫發酵問題進行闡述與分析，提出關于實現寒冷地區生物質沼氣發酵裝置穩定運行研究的新思路，在兩相厭氧發酵工藝基礎上引用太陽能技術、交變磁場技術、電氣石陶粒載體技術，構建新型的太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發酵CSTR-IC系統，確保沼氣工藝高效運行穩定，并對今后的研究發展進行探討與分析。

低溫； 生物質廢棄物； 厭氧發酵； 沼氣

能源問題是社會和經濟發展的決定性因素，它與環境問題相輔相成，傳統的以煤炭和石油為主要燃料的生產和生活方式已經出現了許多弊端，綠色能源和可再生能源的優勢逐漸顯露[1]。遼寧省作為東北老工業大省面臨著環境破壞嚴重、礦產資源枯竭、經濟不斷下滑的種種窘境，唯有能源轉型才能為遼寧打破僵局，迎來更大的發展機會，所以，遼寧急需發展高效的清潔燃料能源產業以應對能源短缺的問題[2]。在眾多清潔能源中有機固體廢棄物作為一種儲能大，來源廣，無污染的綠色能源具有其特有的優勢，就全球范圍來看，有機固體廢棄物回收再利用的技術已經非常成熟，尤其是利用有機廢棄物生產沼氣已經得到廣泛認可，被譽為是就煤、石油、天然氣之后的第4大能源[3]。

在我國，南方地區四季溫差不大，有機固體廢棄物產沼氣的模式已經被廣泛應用于生產生活中去，由于遼寧的氣候特點，南方現有的沼氣模式不能直接用來推廣，寒冷漫長的冬季制約了有機固體廢棄物的發酵，大大降低了產氣率，所以，突破氣候影響是解決北方生物質回收利用的技術關鍵[4]。

筆者針對低溫條件下生物質廢棄物的應用技術進行闡述，基于Triz創新思想就發展適合遼寧地區利用生物質廢棄物產生沼氣的模式提出新的研究思路，并對未來遼寧地區生物質廢棄物的利用模式進行分析和探討。

1 遼寧地區生物質廢棄物資源利用的現狀及存在問題

1.1 遼寧地區生物質廢棄物資源利用的現狀

遼寧省耕地面積約為410萬公頃，近幾年，平均年產約200億公斤的秸稈。目前，遼寧秸稈綜合利用的方式和途徑為肥料化、飼料化、基料化、原料化和燃料化。其中重點發展方向則是肥料化、飼料化和燃料化。近年來，遼寧將秸稈固化成燃料的推廣也進展較緩，農民的直接受益非常少，企業從秸稈的收集、運輸到儲藏，再到加工等，投入較大[5]。全省幾乎各城市都在倡導并推廣生物質鍋爐及秸稈燃料，但實際情況頗令人憂心。

遼寧省畜禽糞便據2015年統計，主要畜禽糞便年資源總量為1.483億t，主要包括豬糞、牛糞、雞糞三大糞源。主要處理方式還是傳統堆肥，畜禽糞便資源閑置浪費的比例仍然很高，據調查統計，全省每年閑置的畜禽糞便量達2534萬t，占總量的17%。大量的畜禽糞便的處理不當給環境造成嚴重的污染和有機碳源的浪費[6]。

近年來，遼寧省污水處理廠產生剩余污泥量每年約2500萬t。大型的污水處理廠主要在沈陽和大連，在建的污水處理廠集中在中小城鎮，分布較為分散，占全省污泥產生量的40%。傳統的剩余污泥的處理處置方式主要是填埋、投海和棄置堆放、焚燒等，操作簡單，節約成本，但是給土地、地下水帶來了嚴重的污染[7]。

1.2 有機廢棄物沼氣發酵技術在遼寧地區應用的瓶頸

1.2.1 冬季厭氧發酵保溫技術的制約

產沼氣的一個重要因素是保證產甲烷的初級發酵細菌、次級發酵細菌及產甲烷菌等菌群代謝旺盛、結構穩定，其發酵產氣最佳適宜溫度是17℃～28 ℃，同時大量實驗表明15 ℃以下的溫度震蕩幾乎抑制了產甲烷各種菌落的活性，沼氣發酵系統運行將極不穩定[8]。遼寧地區全年平均氣溫在7℃～-11 ℃之間，最高溫度和最低溫度相差60 ℃，很難保證厭氧發酵的最佳溫度。當下比較成熟的自然溫度混合批次發酵工藝或半連續發酵工藝，其菌群不能適應北方的惡劣氣候，無法進行大范圍的推廣。顯然，溫度問題是制約遼寧地區生物質產沼氣的最大問題，雖然一些學者提出了從調控生態因子，增強保溫措施等方面來保證寒帶地區冬季厭氧發酵正常進行，然而，這些方案都未得到大規模的應用[9]。所以，生物質產沼氣的應用在遼寧地區未能取得突破性的進展。

1.2.2 發酵底物種類的復雜性、非均衡性

遼寧地區所產作物種類復雜，包括小麥、水稻、玉米、高粱、大豆等上百種作物，其秸稈廢棄物的成分相差很大，而厭氧發酵過程對有機質成分要求很高，不同有機質產沼氣的條件各不相同，這就給推廣生物質產沼氣技術提供了一個難題。另外，遼寧的畜禽業還未能真正實現產業化，除了幾個大型的養殖廠外，畜禽一般由農民自行飼養，大多都是一些中小型養殖廠，所以，其排泄物的成分比較復雜，收集也比較分散，目前，對于生物質有機物pH值的把控技術未成熟，致使適合于遼寧地區的生物質厭氧發酵技術始終未能在生物層面得到完善[10]。所以，在遼寧推廣厭氧發酵技術必須考慮其生物質的分散性以及遼寧不同地區的不同特點。

1.2.3 微生物厭氧發酵效率不高

目前，對于微生物厭氧發酵的研究主要是關于微生物的分子生物學水平、沼氣發酵添加劑的研究以及厭氧消化動力學模型的建立等方面，我國自 20 世紀 90 年代，中科院以及國家海洋局在低溫微生物、酶類及低溫菌株的分子鑒定方面進行了研究，成功篩選出低溫菌株并進行了分子生態學分析[9]，進而對低溫沼氣發酵微生物生長代謝機理的研究成為目前的研究趨勢，但是對提高厭氧發酵沼氣產氣率的技術方法的研究甚少。

2 遼寧地區有機廢棄物沼氣發酵的新理論、新思路的提出

2.1 新型保溫材料和太陽能技術在厭氧發酵裝置上的應用

沼氣發酵需要經過4個關鍵階段，第2階段的水解過程和第3階段的酸化過程是第4階段產氣階段的基礎和前提，其中反應過程的溫度高低直接關系到各個階段的反應進程和強度，是反應階段中的決定性因素，大量實驗表明產酸和產甲烷的最佳溫度也略有差異，因此，對產酸相和產甲烷相實施分別控溫能夠取得更好的反應效果[11]。由于厭氧發酵自身的特點決定直接在發酵期表面添加保溫材料或是利用水循環系統進行控溫很難在遼寧寒冷的冬季完成沼氣發酵過程，所以，把反應系統放進大棚或建筑房屋進行保溫和控溫是遼寧地區中小型沼氣發酵的必經之路，近年來，市場上出現了許多新型的保溫材料和太陽能產品，薄膜光伏太陽能大棚是中小型厭氧發酵裝置冬季最佳的保溫裝置，非晶硅薄膜式太陽能電池是光伏太陽的核心技術，由于其厚度超薄、易于切割、選擇性透光等特點，已經實現了太陽能大棚空間內自由控溫、控濕，能夠保證厭氧發酵一直處于一個最佳的運行溫度[12]。

2.2 交變磁場與兩相厭氧發酵CSTR-IC技術協同作用

在微生物進行厭氧發酵時，自身不斷產生比較微弱的電流，而電流的出現證明了微生物相互作用是在一個電磁場中進行，影響這一電磁場的主要因素是微生物的蠕動速度和反應器中固液態物質的流速，所以，適當調節固液態物質的流速，可以刺激微生物的新陳代謝，提高其產氣效率[13]。目前，較為先進的旋流態技術較傳統的厭氧發酵方式表現出了絕對的優勢。旋流態技術的產生表明研究微生物厭氧發酵技術從宏觀上必須考慮為微生物提供一個適宜其新陳代謝的磁場，因此，利用磁場的交變技術和旋流內外循環技術相結合，發明一種高效的微生物發酵裝置，能從根本上改善厭氧發酵的速率，使其迅速得到應用[14]。此外，交變磁場在電極轉化的過程中還會產生一定的熱量，這對北方寒冷冬季進行微生物厭氧發酵又是一大幫助。交變磁場可以處理進料和進水中的有害細菌，保證反應器中微生物菌群的穩定性，改變進水中鈣、鎂離子的晶態，方解石型晶體易于清除，不易結垢，可以大大改善厭氧發酵表面大面積硬化結成的現象[15]。

2.3 電氣石陶粒載體生物強化技術

電氣石是一種結構為環狀硅酸鹽晶體的礦物質。研究證明，電氣石的主要功能是自發調節水體的氧化還原電位和pH值，電氣石的化學性質穩定，價格低廉。陶粒本身具有良好的物理、化學和水力性能以及較好的機械強度[16]。電氣石陶粒載體是具有特殊功能的新型載體，在產酸相和產氣相內引用載體催化技術，能夠起到促進產酸和產氣微生物菌群生長的作用，可以提高系統的運行速度和產氣量[17]。

3 太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發酵系統的構建

沼氣發酵技術推廣應用前提是設計一款簡單、實用、穩定、占地面積小且四季均能工作的高效沼氣發酵系統[18]。在兩相厭氧發酵技術的基礎上結合生物學、電化學等原理設計了一款適合遼寧農村地區家庭式太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發酵反應系統如圖1所示。整個反應系統置于一個約6平方米的太陽能光伏大棚中，動力、保溫系統的能量均來自太陽能光伏的儲電系統，太陽能光伏保溫棚可保證控制系統運行溫度在23℃～35℃之間。太陽能保溫罩內安裝有預處理槽、產酸相和產沼氣相。預處理槽上部槽身為0.5 m×0.5 m的方形，下部采用錐形，其錐形坡度為45°，由下部出料，槽身配有頻率為12～18kH的交流變頻器，預處理的填料由蠕動泵傳送到產酸反應系統當中；產酸反應器和產甲烷反應器均為圓柱形，產酸系統中配有一個機械攪拌器和5個電氣石投料網槽及網槽起降系統，產酸系統的反應底物再由蠕動泵傳送到產甲烷系統，產甲烷系統同樣配有一個機械攪拌器和5個電氣石投料網槽及網槽起降系統，在兩個主反應器中均設自動調溫系統。產酸相和產甲烷相的容積比例為1∶4.5，由于產酸相的過程內部物質相態變化較慢且同時伴有少量氫氣產出，采用反應器徑高比為1∶1時容積最大的設計原理，設產酸性相半徑為0.3 m，產酸相高0.6 m，容積為0.16 m3。產甲烷相系統徑高比設計為1∶4，產甲烷相半徑設為0.22 m，其高度設為1.76 m，容積0.72 m3，兩相反應器總容積0.88 m3。

圖1 太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發酵CSTR-IC系統示意圖

該新型厭氧發酵產沼氣裝置的運行程序如下：首先將C∶N約為16∶1～25∶1的生物質廢棄物底料導入預處理槽處置7～9天，將預處理完的廢棄物經過蠕動泵導入產酸相，加水和磷酸調節其總固量到5%～10%，pH值為6.8左右，配以混合物體重量的25%左右的沼液進行酸化反應7～9天，當pH值在7左右時將酸化液輸到產沼氣相中，同時配置底料體積20%左右的沼液，20天左右開始產沼氣，裝置運行16天左右可以持續穩定產氣。

日總產氣量計算如公式(1)所示：

G=βRV=1.7628

(1)

式中：G為日總產氣量，m3·d-1；R為發酵產氣率；β為優化系數。

由以上計算可得此系統每日產氣1.7 m3左右，可以滿足一個5口之家的日常用氣。

該新型太陽能光伏交變附載式兩相厭氧發酵CSTR-IC系統特點:一是利用太陽能光伏大棚為生物質發酵產沼氣系統提供了適合溫度；二是在預處理槽內引用交變電磁技術，防止生物質廢物結垢，同時具有殺菌的作用；三是在產酸相和產氣相內引用載體催化技術，內置電氣石陶粒載體，起到促進產酸和產氣微生物菌群生長的作用，提高了系統的運行速度和產氣量；四是安裝簡單、易操作、產氣穩定，適合廣大北方地區農戶以家庭為單位自行安裝使用。

4 展望與建議

目前，遼寧地區全面推行沼氣發酵過程中，由于保溫、控制、微生物等各個領域的技術不夠成熟，阻礙了沼氣工程的推廣應用，但只要突破低溫發酵技術瓶頸遼寧省沼氣能源的推廣應用仍然具有廣闊的發展前景。利用農作物秸稈、畜禽糞便、其他有機廢棄物，重點發展規模化生物天然氣和家庭式沼氣工程建設，集中科研力量解決低溫條件下厭氧消化處理生物質廢棄物的高效轉化，研發新型的適合寒冷條件下的厭氧發酵裝置，相信遼寧省的生物質廢棄物問題必將得到有效解決，并且實現資源化利用。國家發展改革委和農業部提出“十三五”期間，投資500 億元發展沼氣工程，必然會給生物質廢棄物的資源化利用提供平臺，傳統意義上的溫度制約北方沼氣發酵技術推廣的瓶頸正在逐步被打破，希望遼寧沼氣發酵技術能夠更加成熟，早日得到大范圍推廣。

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BiogasTechnologyinLiaoningProvinceandExpectation

/JIALan1,2,WANGDong-xing1，ZHAOGuang1,ZHOUDuo1,WANGXing2

/ (1.SchoolofChemistryandEnvironmentalEngineering，LiaoningUniversityofTechnology,Jinzhou121001,China； 2.LiaoningProvinceEnvironmentalSupervisionBureauLiaoning,Shenyang110005,China)

Through the investigation on present situation of anaerobic techniques and applications in Liaoning province, it was showed that high efficient conversion of biomass waste under low temperature was a key problem. The low temperature techniques were elaborated and analyzed in this paper and some new ideals for realizing stable operation proposed for biogas devices in cold regions。 Based on the two-phase fermentation，bringing in the techniques of solar energy, alternating magnetic field and tourmaline ceramic carrier,a new two-phase anaerobic fermentation CSTR-IC system was proposed.

low temperature; biogas technology; biomass waste; anaerobic fermentation

2017-07-10

2017-07-24

賈 蘭(1982-)，女，遼寧海城人，副教授，主要從事環境污染控制方面的研究，E-mail: jialan.lan@163.com

S216.4; X712

B

1000-1166(2017)05-0075-04