4種生物質(zhì)秸稈厭氧消化產(chǎn)甲烷特性研究

劉凡　陳冠英　張廷軍　馬宗虎　劉磊　梁雪　趙健

摘要以農(nóng)村常見的大番茄秸稈、小番茄秸稈、油菜秸稈和油麥秸稈4種生物質(zhì)秸稈作為研究對象，對秸稈的干物質(zhì)、總有機(jī)質(zhì)含量、灰分、酸堿度、電導(dǎo)率、元素含量以及產(chǎn)甲烷潛力（BMP）指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)分析，為以植物秸稈為原料進(jìn)行資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。結(jié)果表明：油麥秸稈更適合作為沼氣工程發(fā)酵原料，其總固體含量為88.0%，總有機(jī)質(zhì)含量為83.6%，碳元素含量為38.1%，氮元素含量為1.16%，碳氮比為32.84，酸堿度偏向于中性為6.6，產(chǎn)氣周期為50 d，產(chǎn)甲烷潛力為214.86 mL/g VS，遠(yuǎn)高于其他原料。

關(guān)鍵詞生物質(zhì)；秸稈；厭氧消化

中圖分類號TE09文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號0517-6611（2023）11-0163-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.11.039開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Study on Methane Production Characteristics of Four Kinds of Biomass Straws by Anaerobic Digestion

LIU Fan1，2， CHEN Guan-ying1，2， ZHANG Ting-jun1，2 et al（1. China Huadian Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100160;2. National Energy Research and Development Center for Efficient Production and Comprehensive Utilization of Biomass Gas， Tianjin 301700）

AbstractFour kinds of biomass straw including big tomato straw， small tomato straw， rape straw and oil wheat straw， which are common in rural areas， were taken as the research objects. The dry matter， total organic matter content， ash content， pH， conductivity， element content and methanogenic potential （BMP） of straw were evaluated comprehensively. The results showed that： oleifera straw is more suitable as raw material for biogas engineering fermentation. The total solid content is 88.0%， the total organic matter content is 83.6%， the carbon element content is 38.1%， the nitrogen element content is 1.16%， the carbon-nitrogen ratio is 32.84， the pH is biased towards neutral， 6.6， and the gas production period is 50 days. The methane production potential is much higher than that of other feedstocks as 214.86 mL/g VS.

Key wordsBiomass;Straw;Anaerobic digestion

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的高速發(fā)展，儲(chǔ)存的化石能源逐漸減少，開發(fā)清潔可再生的生物質(zhì)能源是有效解決能源危機(jī)和環(huán)境污染的有效方式之一［1］。而我國作為農(nóng)業(yè)大國，每年產(chǎn)生各類秸稈約8.6億t。秸稈作為我國大宗固體廢棄物，推進(jìn)其多元化綜合利用是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和的重要途徑之一。《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出，要穩(wěn)步推進(jìn)生物質(zhì)能多元化開發(fā)，積極發(fā)展生物質(zhì)清潔供暖，加快發(fā)展生物天然氣［2］。現(xiàn)階段，我國厭氧發(fā)酵工藝主要為引進(jìn)的歐洲青儲(chǔ)發(fā)酵工藝，我國的農(nóng)業(yè)特色決定了我們的原料為干黃秸稈，青儲(chǔ)原料與干黃秸稈原料之間差異較大，以引進(jìn)的青儲(chǔ)發(fā)酵工藝處理干黃秸稈不是很適用，這也導(dǎo)致了現(xiàn)階段我們應(yīng)用引進(jìn)的發(fā)酵工藝處理干黃秸稈仍停留在實(shí)踐階段。因此，深入探究原料本身的性質(zhì)能夠?yàn)轫?xiàng)目實(shí)現(xiàn)可靠穩(wěn)定運(yùn)行提供理論依據(jù)。

我國農(nóng)村生物質(zhì)秸稈資源豐富，種類繁多，但是研究傳統(tǒng)的玉米秸稈資源化利用比較多［3-6］，如殷雨洋等［7］研究評價(jià)玉米秸稈的添加比例對鮮竹筍秸稈裹包青貯品質(zhì)的影響，李秋實(shí)等［8］對玉米秸稈和市政污泥進(jìn)行混合，研究不同發(fā)酵體系下酸堿度、甲烷產(chǎn)量隨時(shí)間的變化，而對農(nóng)村其他種類的生物質(zhì)秸稈研究較少。筆者以河北省承德市豐寧滿族自治縣農(nóng)村常見的4種典型生物質(zhì)秸稈為例，具體包括大番茄秸稈、小番茄秸稈、油菜秸稈和油麥秸稈，通過測試干物質(zhì)、總有機(jī)質(zhì)含量、灰分、酸堿度、電導(dǎo)率、元素含量以及產(chǎn)甲烷潛力（BMP），對4種生物質(zhì)秸稈進(jìn)行綜合評價(jià)分析，旨在為以生物質(zhì)秸稈為原料進(jìn)行資源化利用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1材料

1.1.1樣品。本試驗(yàn)共選用河北省4種常見的生物質(zhì)秸稈為材料，分別為大番茄秸稈、小番茄秸稈、油菜秸稈和油麥秸稈。樣品原料明細(xì)如表1所示。

1.1.2分析方法。總固體含量（TS）測試采用干燥重量法，烘干溫度為105 ℃。總有機(jī)質(zhì)含量測試采用灼燒法，灼燒溫度設(shè)置為525 ℃。灰分含量測試采用灼燒法，灼燒溫度設(shè)置為525 ℃。碳、氫、氮、硫元素含量測試采用灼燒還原法，其中燃燒管灼燒溫度設(shè)置為1 150 ℃，還原管溫度設(shè)置為750 ℃。酸堿度測試采用電位法以1 mol/L的氯化鉀溶液為浸提劑。電導(dǎo)率測試采用電極法。產(chǎn)甲烷潛力（BMP）測試方法參考瑞典碧普廠家儀器說明書，水浴溫度設(shè)置為40 ℃，接種物與物料有機(jī)質(zhì)含量比例設(shè)置為2∶1。各檢測參數(shù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示，試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備如表3所示。

2結(jié)果與分析

2.14種生物質(zhì)秸稈總固體、總有機(jī)質(zhì)和灰分含量在沼氣工程技術(shù)中，TS和總有機(jī)質(zhì)含量是兩項(xiàng)非常重要的基礎(chǔ)性參數(shù)，用以衡量沼氣發(fā)酵原料的基本性質(zhì)，計(jì)算厭氧發(fā)酵的投料量和確定有機(jī)負(fù)荷等。原料TS含量對于厭氧發(fā)酵過程中的產(chǎn)氣量具有重要影響［9］。在厭氧發(fā)酵過程中，微生物菌群的生長和繁殖需要合適的水分。發(fā)酵液中發(fā)酵原料過多，含水量小，會(huì)影響厭氧微生物的正常代謝活動(dòng)，導(dǎo)致原料分解困難，脂肪酸累積，發(fā)酵過程會(huì)受到抑制；發(fā)酵液中原料過少，含水量大，供厭氧微生物利用的營養(yǎng)基質(zhì)不足，影響產(chǎn)氣量。因此，在利用生物質(zhì)原料進(jìn)行厭氧發(fā)酵時(shí)，要綜合考慮原料的TS含量，使發(fā)酵料液保持適宜的TS含量。4種生物質(zhì)秸稈總固體含量、總有機(jī)質(zhì)含量和灰分?jǐn)?shù)據(jù)如表5所示。由表5可知，小番茄秸稈的總固體含量最高，為91.6%；油菜秸稈的總有機(jī)質(zhì)含量最高，為85.6%；小番茄秸稈的灰分含量最高，為11.6%。總體來看，4種生物質(zhì)秸稈總固體含量、總有機(jī)質(zhì)含量相差不大，其中總固體含量范圍在88.0%～91.6%，總有機(jī)質(zhì)含量范圍在79.2%～85.6%。

2.24種生物質(zhì)秸稈元素含量比較厭氧發(fā)酵對于碳氮比有一定的要求，合適的碳氮比有利于生物質(zhì)原料充分利用［10］。碳氮比是影響厭氧發(fā)酵的一個(gè)重要因素。大量研究表明，碳氮比為30∶1最適合厭氧消化［9］。樣品的碳、氫、氮、硫分析結(jié)果見表6。由表6可知，4種生物質(zhì)秸稈碳元素含量在34.7%～40.8%，氮元素含量在0.83%～1.83%，碳氮比在19.39～49.16；油麥秸稈的碳氮比更接近30∶1的厭氧消化比例，在碳氮比這一參數(shù)上油麥秸稈作為原料更有優(yōu)勢。

2.34種生物質(zhì)秸稈酸堿度和電導(dǎo)率比較酸堿度和電導(dǎo)率是原料發(fā)酵過程中的重要參數(shù)監(jiān)控指標(biāo)。4種生物質(zhì)秸稈的酸堿度和電導(dǎo)率數(shù)據(jù)如表7所示。由表7可知，大番茄秸稈、油菜秸稈和小番茄秸稈酸堿度分別為5.7、5.3和5.3，相差不大；油麥秸稈更偏于中性，酸堿度為6.6；4種生物質(zhì)秸稈的電導(dǎo)率在292～1 159 mS/m，其中小番茄秸稈的電導(dǎo)率最大為1 159 mS/m，油麥秸稈的電導(dǎo)率最小為292 mS/m。

2.44種生物質(zhì)秸稈產(chǎn)甲烷潛力（BMP）比較接種物和4種生物質(zhì)秸稈沼氣累積產(chǎn)量曲線如圖1所示，4種生物質(zhì)產(chǎn)甲烷潛力數(shù)據(jù)如表8所示。由圖1和表8可知，4種生物質(zhì)秸稈產(chǎn)甲烷潛力在124.77～214.86 mL/g VS。其中油麥秸稈產(chǎn)甲烷潛力最大，為214.86 mL/g VS，這與物料的酸堿度分析和碳氮比分析是一致的；大番茄秸稈產(chǎn)甲烷潛力最小，為124.77 mL/g VS。物料的產(chǎn)氣周期一致，為50 d。

3結(jié)論

以農(nóng)村常見的大番茄秸稈、小番茄秸稈、油菜秸稈和油麥秸稈4種生物質(zhì)秸稈作為研究對象，對秸稈的干物質(zhì)、總有機(jī)質(zhì)含量、灰分、酸堿度、電導(dǎo)率、元素含量以及產(chǎn)甲烷潛力（BMP）指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)分析。結(jié)果表明：4種生物質(zhì)秸稈總固體含量、總有機(jī)質(zhì)含量相差不大，其中總固體含量范圍在88.0%～91.6%，總有機(jī)質(zhì)含量范圍在79.2%～85.6%。4種生物質(zhì)秸稈碳元素含量在34.7%～40.8%，氮元素含量在0.83%～1.83%，碳氮比在19.39～49.16；油麥秸稈的碳氮比更接近30∶1的厭氧消化比例，在碳氮比這一參數(shù)上油麥秸稈作為沼氣工程發(fā)酵原料更有優(yōu)勢。大番茄秸稈、油菜秸稈和小番茄秸稈酸堿度分別為5.7、5.3和5.3，相差不大；油麥秸稈酸堿度為6.6，更偏于中性。4種生物質(zhì)秸稈產(chǎn)甲烷潛力在124.77～214.86 mL/g VS，產(chǎn)氣周期為50 d，其中油麥秸稈產(chǎn)甲烷潛力最大，為214.86 mL/g VS。通過綜合分析評價(jià)，油麥秸稈更適合作為沼氣工程發(fā)酵原料。

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