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秸秆厌氧发酵产沼气技术的现状与发展趋势分析

时间:2016-02-14 来源:未知 作者:胥帆 本文字数:4952字
摘要

  能源和环境双重危机使绿色可再生能源的开发研究成为国家的工作重点。据有关专家估计,生物质能将成为未来可持续能源系统的重要组成部分。我国是世界上可再生能源原料产出量最多的国家,每年农业固体废弃物产量大约40多亿吨,其中畜禽粪便30亿吨,农作物秸秆7亿多吨[1],农作物秸秆中稻秸、玉米秸、麦秸占总量的77%以上[2].目前,我国秸秆的利用率很低,除了直接还田、用作燃料以及不足20%用作饲料外,剩余约20%的秸秆则直接在田间燃烧或堆积,不仅造成很大的资源浪费,还污染了环境[3].

  当前,随着经济九州国际娱乐平台的快速发展,我国能源短缺越来越严重。将农作物秸秆厌氧发酵产生沼气,可在一定程度上缓解我国能源紧张的现状,实现秸秆的资源化利用,防止秸秆焚烧污染和资源浪费,有利于保护环境,同时产生的沼渣液也是一种高效有机肥料,可以提高作物品质和产量,同时可以改善土壤结构,对我国的农业产业结构调整、尽快实现向可持续农业转型具有积极的作用。秸秆由纤维素、半纤维素和木质素组成,纤维素和半纤维素能够被微生物降解发酵,但由于木质素和半纤维素坚固地镶嵌在纤维素中,形成结晶化和木质化,对纤维素起到保护和覆盖作用,阻止了厌氧过程中纤维素与微生物和降解酶的接触,致使秸秆厌氧发酵产沼气很难。

  近几年,国内外学者对秸秆厌氧发酵产沼气技术进行了大量深入的研究,如秸秆预处理技术、秸秆厌氧干发酵技术、秸秆混合物料厌氧发酵技术等。本文对秸秆厌氧发酵产沼气技术研究现状进行分析,以期对今后研究方向的选择有所帮助。

  1秸秆预处理技术

  秸秆的有机成分以纤维素、半纤维素为主,其次是木质素[4].秸秆厌氧消化过程中,厌氧微生物直接降解木质纤维素的能力很弱,加之秸秆比重小,导致秸秆厌氧消化过程中存在时间长、产气率低、易结壳漂浮等问题。通过对秸秆进行预处理,可以改变秸秆的物理结构,有利于厌氧发酵的进行。秸秆预处理主要包括物理、化学和生物方法,选择一种合适的预处理方法是近几年国内外学者一直努力的方向,也取得了一定的成效[5].

  1.1物理方法

  主要是利用风、热、机械等物理手段来改变秸秆的外部形态或内部组织结构,或通过改变环境增加秸秆与微生物的接触概率,以利于厌氧微生物的利用。常用的物理预处理方法有机械加工、蒸汽爆破、辐射处理、微波处理等。

  1.1.1机械加工主要包括粉碎、研磨等方式

  通过机械加工可以减小秸秆粒径,秸秆粒径不同对厌氧发酵有很大的影响。牛俊玲等[6]研究了不同粉碎程度对麦秸厌氧发酵效果的影响,发现麦秸粉碎程度对前期产气量及产气高峰持续时间有一定影响,粉碎成粉末的麦秸产气高峰提前约5天且产气量最大,发酵前后纤维素物质含量降低程度也最高。Palmowski等[7]对枫树叶、干草等纤维素含量高的废物预处理技术进行了研究,发现通过切碎减小物料颗粒体积,可以提高沼气产量,提高厌氧发酵速率。笔者所在课题组将玉米秸秆粉碎至3mm、1cm和3cm左右,研究了秸秆不同粉碎程度对厌氧发酵产气量的影响,发现粉碎至3mm左右的玉米秸秆累计产气量比其他粒径秸秆提高15%~30%.

  虽然减小秸秆粒径大小可以促进厌氧消化,但并不是秸秆粒径越小发酵效果越好。邓小莉等[8]对玉米秸秆进行粉碎60目、膨化粉碎200目、超细200目、膨化超细400目等预处理,结果发现超细200目预处理后的玉米秸秆纤维素的水解效果最好。Angelidaki等[9]研究了牛粪中纤维粒径大小对产气量的影响,表明当牛粪中纤维的粒径小于0.35mm时,产气量可提高20%,但是当粒径在5~20mm范围内时,减小粒径并不能使产气量显着提高。

  1.1.2蒸汽爆破蒸汽爆破法是将秸秆置于密闭容器中,用蒸汽加热至一定温度(180~235℃),保持压力(4.0MPa左右)一定时间,然后突降压力对秸秆进行爆破,使得秸秆中半纤维素和木质素连接层破坏,使更多纤维素活性基团外露,与纤维素酶分子充分接触而降解[10].蒸汽爆破技术最早由Mason[11]发明并用于制浆过程。

  近几年人们又对该技术进行了改进。王许涛等[12]对玉米秸秆蒸汽爆破处理后制取沼气和燃料乙醇进行了试验,结果表明,玉米秸秆蒸汽爆破处理可显着提高沼气产量,汽爆玉米秸秆常温和中温厌氧发酵条件下的最大产气量分别比对照提高了1.67倍和1.63倍。王许涛等[13]还研究了2.0MPa压力下,保留时间60、90、120s对玉米秸秆汽爆预处理后厌氧发酵生产沼气效果的影响,结果表明蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆中温厌氧发酵的产气量提高16.8%~63.2%.

  1.1.3其他物理方法目前,国内外学者研究的物理方法还有热液处理、超声处理及微波处理等。Rogalinski等[14]在215℃、5MPa下用热水对黑麦秸秆进行了750s预处理,发现98%的半纤维素和7.9%的纤维素得到了溶解。胡斌等[15]对超声波预处理玉米秸秆条件进行了优化,结果表明,超声波预处理玉米秸秆的最优条件为:料液体积比为1∶30,超声时间10min,温度45℃,功率140W.王华等[16]对超声波碱预处理棉花秸秆进行了研究,结果显示超声波辅助碱预处理可以溶出大量半纤维素和部分木质素,并且能有效打破木质纤维素的结晶结构。Ma等[17]研究了稻草秸秆微波处理的最优条件,并且得出了稻草秸秆经微波处理后纤维素、半纤维素质量分数、总糖化率分别增加了30.6%、43.3%和30.3%.

  1.2化学方法

  主要是利用化学药剂或其他方法改变秸秆的性质,具有操作时间短等优点。常用的化学预处理方法有碱法、酸法处理技术等。

  1.2.1碱法处理技术碱法处理技术指用NaOH、氨水等碱性溶液浸泡秸秆,使秸秆中纤维素、半纤维素和一部分木质素溶解,并将大分子物质降解为小分子物质,从而提高秸秆厌氧发酵效率的一种方法。Yang等[18]研究发现,玉米秸秆经过NaOH预处理后,产气量比未处理时可以提高78.3%.Taherdanak等[19]在0、25、50、75、100℃条件下用质量浓度为8%的NaOH溶液对小麦秸秆进行预处理,结果发现25、50、75℃时,用碱预处理后的秸秆累积产气量比未预处理分别提高47.5%、40.8%、54.5%.康佳丽等[20]研究了NaOH固态化学预处理对麦秸沼气发酵效率的影响,发现6%NaOH预处理后效果最好。Zhong等[21]研究发现玉米秸秆经NaOH预处理后产气量可提高207.07%,用NaOH对秸秆进行预处理,对产气时间、产气效果均有很好的促进作用。

  杨懂艳等[22]研究发现80%含水率、4%氨化预处理后的麦秸产气量比未处理秸秆提高了36%,消化时间节省了24%,可见氨化预处理能够有效降低麦秸主要组分含量,提高麦秸的厌氧消化产气性能。

  1.2.2酸法处理技术酸法处理技术是用一定浓度的酸溶液浸泡秸秆,以破坏秸秆中木质素包裹作用,破坏纤维素结晶结构,有利于厌氧消化的进行[23,24].覃国栋等[25]采用不同浓度的酸(2%、4%、6%、8%、10%)对水稻秸秆进行预处理,发现与对照相比,酸处理能明显提高厌氧发酵产气率,酸浓度为6%时效果最好,其甲烷含量最高达到44.3%,单位总固体产气率为150mL/g,比对照组高出99.8%.章冬霞等[26]进行稀硫酸预处理玉米秸秆的试验研究,在反应温度为155℃,反应时间为6min,用质量分数为1%的硫酸处理后,木糖收率最高达到84.90%,达到了去除半纤维素并得到高的木糖收率的目的。Huang等[27]采用稀硫酸喷雾技术处理玉米秸秆,用2%稀硫酸在95℃下,喷雾与秸秆反应90min,戊糖回收率为90%~93%,酶解纤维素、葡萄糖回收率为90%~95%,木质素移除率为70%~75%.

  1.3生物方法

  在秸秆预处理方法中,生物方法成为近几年研究的热点。自然界参与降解木质素的微生物种类有真菌、放线菌和细菌等,但迄今为止最有效、最主要、可彻底降解木质素为CO2和H2O的木质素降解微生物是白腐真菌[28,29].Ghost等[30]研究了经白腐真菌和褐腐真菌预处理稻草的产甲烷性能,发现白腐真菌处理的总产气量和甲烷产量比对照组分别提高了34.73%和46.19%,而褐腐菌处理则分别提高了21.12%和31.94%.王丽等[31]研究发现,白腐菌对半纤维素、纤维素和木质素等较难降解的有机物表现出很好的降解性能,降解率分别达到52.36%、32.29%和44.16%.除白腐菌外,还有学者对其他一些菌剂对秸秆预处理进行了研究,Zhong等[32]
研究了一种复合微生物菌剂在20℃时对玉米秸秆进行预处理15天后,沼气产量比空白组提高33.07%,发酵时间比未预处理缩短34.6%.李海红等[33]采用复合菌剂处理玉米秆、小麦秆和稻草,三者27天的累计产气量分别提高12.33%、16.08%和15.78%,每克干物质产甲烷量分别提高了22.11%、37.42%和24.28%.

  2秸秆干发酵技术

  根据发酵底物固含率的大小,厌氧发酵技术分为干式厌氧发酵(总固体TS在20%~40%之间)和湿式厌氧发酵(TS一般小于15%)[34].相对湿式厌氧发酵技术,干式厌氧发酵技术具有需水量少、单位容积负荷高,处理成本低及不产生沼液二次污染等优点[35,36],具有广阔的应用前景[37].但是干发酵技术在工程上的推广应用还有一定难度[38],原因是干发酵物料浓度高,搅拌困难,易造成VFA局部过度积累,从而导致发酵过程稳定性差。

  近几年国内外学者对厌氧干发酵技术进行了深入的研究。Carneiro等[39]研究了不同接种率对厌氧干发酵过程的影响,发现当接种率为30%时,厌氧干发酵的启动特性明显好于20%的接种率。李东等[40]对稻草在不同温度条件下干发酵技术进行了研究,表明35℃时秸秆干发酵较为稳定,发酵液的循环能有效避免酸中毒并提高产气率和产甲烷率。杜静等[41]研究发现与常规的沼气发酵相似,适当添加微量元素能够促进微生物的生长和代谢,微量元素镍、钴能够显着影响稻草干发酵的日产气量,适当添加镍、钴有利于甲烷菌的生长,但添加量过高反而会抑制甲烷菌的生长。

  3秸秆混合物料发酵技术

  相对于单一物料的厌氧发酵来说,混合物料的厌氧发酵因其具有调节底物营养、缓冲发酵物酸化、调节优化发酵物碳氮比、原料来源广等优势[42],目前已成为厌氧发酵技术的重点研究方向。两种或两种以上有机废物混合进行厌氧消化,可以更好地调节微生物所需的营养,显着提高消化器的容积产气率[43].

  Zhou等[44]研究了玉米秸秆和牛粪混合物料厌氧发酵对提高沼气产量的影响,发现玉米秸秆和牛粪混合发酵沼气产量比单一牛粪或单一玉米秸秆都有很大提高。冯亚君等[45]研究了玉米秸与鸡粪混合厌氧消化产气性能与协同作用,发现预处理玉米秸与鸡粪混合比例为1∶2,上料负荷为50g/L时消化产气性能最好,累积甲烷产量达到19488mL,比相同负荷下单一玉米秸秆厌氧消化的累积甲烷产量高出32.6%,比单一鸡粪厌氧消化的累积甲烷产量高出11.4%.

  4秸秆厌氧发酵发展趋势

  秸秆是富碳木质纤维原料,具有原料产量大、容易收集等特点,而目前我国农村能源结构不合理,农村居民生活用能仍以秸秆、薪柴为主,二者分别占农村居民生活用能的51.46%和28.02%,如何合理高效地处理这些秸秆,解决农村用能,是一个亟待解决的问题。

  (1)鉴于秸秆的特殊结构,秸秆厌氧发酵前应进行预处理,预处理方法应结合实际工程的需要,采用物理、化学、生物法相结合,尽量减少预处理过程对环境的污染,缩短预处理时间,提高预处理效率。

  (2)目前,沼液二次污染限制了沼气工程的发展,秸秆干发酵可以解决沼液问题,具有很好的发展前景。应着眼于秸秆干发酵装置及工艺的研究,提高发酵效率,增强沼气工程运行稳定性。

  (3)因秸秆单一物料发酵存在碳氮比不合理、营养不均衡等问题,秸秆混合物料厌氧发酵技术是今后的发展趋势,重点研究混合物料种类、配比、发酵浓度等,对沼气工程发酵原料选择具有指导作用。

  5结论

  近几年,随着秸秆资源浪费、焚烧污染,农村能源结构不合理等问题的出现,秸秆厌氧发酵产沼气技术成为研究的重点,而秸秆预处理技术、秸秆干发酵技术、秸秆混合物料发酵技术则成为研究重点中的热点。
  
  秸秆的各种预处理方法、干发酵技术、与各种粪便的混合发酵方法,几乎都被应用于秸秆厌氧消化工艺研究中,但这些工艺技术与实际工程结合得不够紧密,国内正常运行的秸秆沼气工程寥寥无几。在以后的研究工作中,我们应更多地将实验室试验与沼气工程相结合,重视低成本、高效率秸秆厌氧发酵产沼气技术的研发,为秸秆沼气工程的建设及高效运行提供依据。

  参考文献:
  [1]朱德文,曹成茂,陈永生,等。秸秆厌氧干发酵产沼气关键技术及问题探讨[J].中国农机化,2011(4):56-59.
  [2]周玮,董保成,齐岳。不同处理秸秆中温厌氧发酵的产气效果[J].中国沼气,2010,28(3):22-24.
  [3]王阳,林聪,侯雨,等。吸附型添加剂对玉米秸秆厌氧消化的影响[J].中国沼气,2011,29(6):3-11.
  [4]王小韦,李秀金,刘新春,等。秸秆厌氧消化的预处理技术研究进展[J].环境科学与技术,2009,32(12):177-187.

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