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厌氧湿发酵条件浅析

作者: admin 日期:2018-09-10 点击:

作者:陆枳汛1,曹泽2,杨杰1

(1.海安普豪生物能源有限公司,江苏 海安,226661;2.陕西科技大学,陕西 西安,710021)

摘 要:针对目前农业有机废弃物污染日益突出的问题,国内对畜禽粪便、秸秆焚烧等严厉整治。本文通过分析沼气发酵原理及工艺,提出了厌氧湿发酵适宜条件,并对发酵后生产的有机肥作用效果进行了分析。为沼气工程厌氧发酵提供了参考。



关键词:有机废弃物;厌氧湿发酵;两相发酵、发酵条件;有机肥


Anaerobicwet fermentation conditions analysis

LU Zhi-xun1, CAO Ze2, YANG Jie 

(1.Hai'AnPu Hao Biological Energy Co., Ltd. Hai'an 226661, China;2.Shaanxi University of Science&Technology, Xi’an 710021, China)

Abstract: In response to the currentproblems of increasingly prominent agricultural organic waste pollution, thedomestic livestock and poultry manure, straw burning severely remediation. Inthis paper, by analyzing the principle and technology of biogas fermentation,the suitable conditions for anaerobic wet fermentation are proposed, and theeffect of organic fertilizer produced by fermentation is analyzed. The biogasproject anaerobic fermentation provides a reference.

Key words: organic waste; anaerobic wetfermentation; fermentation conditions; organic fertilizer


0 引言

近年来,面对人口增长、资源短缺、环境破坏以及生态失衡的巨大压力,区域有机废弃物面源污染问题日益突出,农业废弃物的处理成为新农村建设的重点和难点之一[1]。传统农业所面临的环境污染、生态破坏、资源耗竭的问题日显突出,有机废弃物如不能妥善处理,会对生态环境及食品安全产生严重影响。因而,生态保护的战略转变已逐步成为治理环境的必由之路。

国家农业部统计显示,我国每年产生的畜禽粪污废弃物超过40亿吨,秸秆废弃物超过7亿吨,其中相当一部分的废弃物没有得到有效利用[2]。畜禽粪便随意堆弃、秸秆就地废弃焚烧等问题越来越突出,对大气、土壤和水等生产生活环境造成破坏,导致农业面源污染日趋严重[3]。

把传统依赖农业资源消耗的线性增长经济体系,转变为依靠生态型农业资源循环来发展的经济体系,通过国外的发展,现已被看作是实施永续发展战略的重要载体、最佳模式,同时也是保护环境和削减污染的根本手段[4]。一些发达国家已经将发展农业循环经济、创建可持续循环型社会作为实现环境与经济协调发展的重要途径。目前国内针对畜禽粪便及有机物处理开展了一系类农村沼气能源开发、管理与运营,建立原料预处理系统、发酵系统、脱硫系统、沼液沼渣分离系统、智能监控系统等,使有机废弃物得到了资源化利用。

本文主要以有机废弃物厌氧湿发酵产沼气为背景,提出厌氧湿发酵所需适宜条件,为沼气工程厌氧发酵提供了参考。

一.沼气发酵原理及工艺

1. 沼气发酵原理

沼气工程是以厌氧发酵为核心的控制技术,集有机废弃物预处理、厌氧发酵、脱硫,沼气发电、沼渣沼液一体化利用的系统工程。沼气工程的关键技术是厌氧发酵,包括水解、酸化、乙酸化和产甲烷四个阶段。沼气发酵是将有机废弃物通过发酵细菌的水解转化为简单有机物,水解产物在产酸菌的作用下进一步酸化分解,第三阶段是将中间产物已酸化,物料转化为乙酸、氢气、二氧化碳等。最后产出甲烷。在这个过程中,对厌氧发酵的工艺控制主要包括温度、PH值,C/N,水力停留时间以及有机负荷率等[5]。沼气发酵原理图如图1所示。

2. 沼气发酵工艺

有机废弃物在进行发酵产沼气时,要设计一套合理的发酵工艺。沼气发酵原料采用畜禽粪便及农业秸秆,畜禽粪便中含有大量沉沙,因此首先将畜禽粪便进行沉沙处理;其次将秸秆粉碎,进行柔丝与水解酸化处理,目的是增大秸秆发酵接触表面积,破坏其蜡质层以及缩短发酵周期。二者通过一定的发酵浓度调配方可进行发酵。沼气发酵预处理框图如图2所示。

由于产酸菌的生长速度很快,而甲烷的速度很缓慢,因此大中型沼气工程可采用“两相发酵”工艺,利用预处理池将秸秆做浸泡处理,浸泡采用沼液作为Ts调配介质,其目的是为了增加秸秆降解速度从而增大有限发酵空间利用率。其次,给预处理池供暖,使发酵原料保持一定温度,同时利用机械搅拌,增加其分解速度。目的是加快反应速度降低出料COD含量,使去除率达到80-90%,可提高气体中甲烷含量。

二.沼气发酵适宜温度

温度是影响厌氧发酵的主要因素之一,参与发酵过程的各种微生物具有不同的适宜温度,温度过高或者过低,都会抑制微生物的生长,导致发酵速率降低,产甲烷的效率不高。

厌氧发酵温度包括:低温、中温、高温,厌氧发酵微生物代谢活动与温度有着密切的关系,在一定范围内,温度越高,微生物的代谢越旺盛,沼气产气量越多,即温度升高有利于提高沼气的产气量[6]。笔者认为:从气体质量、有机肥质量以及滞留期均处于最佳状态,选用中温发酵合适28-38℃。

三.沼气发酵适宜PH

沼气发酵微生物也需要适合的酸碱度,最适宜的PH值为6.5-7.5,超出这一范围,沼气微生物的代谢将减慢或产甲烷菌受抑制或是被杀死,因此,合理调控发酵酸碱度是关键。

四.有机负荷

有机负荷对沼气发酵也有极大影响。负荷太高会使产酸和产甲烷速度失调,消化器的效率反而降低;负荷太低,由于营养不足,使微生物处于饥饿状态,淤泥增长速度慢使得消化器不能稳定运行。控制负荷可以提高发酵罐处理有机物的效率,同时可获得较高沼气产气率和较低出料COD浓度。中温发酵有机负荷控制在3-4kg/m³(干物质)。

五.发酵浓度

发酵原料浓度越高则水力负荷低,滞留期长;发酵原料浓度低则水力负荷高,滞留期短[7]。沼气发酵TS在6-10为宜,秋冬季气温低,发酵浓度控制在8-10;春夏季气温高,发酵浓度控制在6-8。

六.搅拌速度、频率、时间

1.搅拌速度控制

发酵过程中原料的搅拌速度也是有严格要求的,如搅拌产生的液体流速不宜超过5m/s。物料向下流动速度不低于4.0m/min。根据不同物料,不同TS浓度,单位能耗在0.4-1.1%不等。速度过快则破坏菌种间间接生成甲烷的过程,从而使得产气率下降。

2.频率控制

反应器运行阶段,频繁搅拌会会打破菌种间形成甲烷的条件,同时造成能量损耗过大,引起不必要的浪费。;搅拌频率少时又会使发酵不均匀,因此搅拌频率控制在3-4小时搅拌一次即可。

3.搅拌时间

在厌氧发酵过程中,搅拌时间由反应器的发酵空间决定,只要反应器内物料搅拌充分即可。

七:碳氮比

发酵原料碳氮比指原料含碳素总量和氮素总量的比例,碳素是甲烷细胞的营养成分,畜禽粪便碳含量偏低,蛋白质含量较高,不进行碳氮比调节,易会发生氨氮抑制[8]因此,我们可利用高碳的物料与低碳物料(秸秆)进行合理的碳氮元素配比。

常见发酵原料的碳氮比如表1所示[8]

八:有机肥利用

畜禽粪便、秸秆经沼气发酵后,沼渣残留物养分全面,含有多种水解酶类、B族维生素类、多种微量元素等,其中有机质、腐植酸、粗蛋白、氮、磷及各种微量元素,能满足食用菌生长对营养的要求[9]。其次,沼渣富含有机质和N、P、K等植物生长所必需的大量元素,是有机肥的主要原料,这样生产出的肥料有机质含量可达85%以上。有机肥和秸秆通过处理还田还能保持土壤结构,提高土壤肥力,有利农业生产,减少秸秆焚烧,有利环境卫生。

目前,好多企业积极拓展沼渣沼液的商品化、集约化、专业化的利用途径,推广无公害蔬菜种植,大力发展循环农业,形成了沼肥综合利用模式,经济、生态、社会效益显著。

结语

针对厌氧发酵菌种驯化影响因素较多,提出了产沼气适宜的发酵条件。在沼气工程中应对发酵工艺做出合理安排,才能得到产量高、质量高的沼气。其次,发酵过程也要充分考虑原料用料以及产出的沼液、沼渣等有机肥的质量。

参考文献:

[1]    冯晓港,闫思卿. 我国农业废弃物资源化利用探索[J].中国农业信息,2017,(07):95-96.

[2]    郑凤芹. 浅谈农业废弃物处理与资源化利用[J]. 神州, 2017(16):280-280.

[3]    刘贵艳. 广西发展农业循环经济法律机制研究[D].广西师范大学, 2012.

[4]    罗付香, 秦鱼生, 林超文,等. 四川省农业面源污染现状及治理对策[J]. 安徽农学通报, 2017, 23(7):76-78.

[5]    潘冬玲, 刘义军. 生物能温室增温技术研究[J].安徽农业科学, 2009, 37(22):10628-10629.

[6]    李伟, 李勇峰. 厌氧消化过程中产酸与产甲烷的速度平衡与调控[J]. 河南机电高等专科学校学报, 2008, 16(1):15-17.

[7]    张无敌, 刘伟伟, 尹芳. 农村沼气工程技术[M]. 化学工业出版社, 2016.

[8]    董仁杰, 伯恩哈特·蓝宁阁. 沼气工程与技术,沼气指南 —— 从生产到使用.volume4,Guide to biogas-from production to use[M]. 中国农业大学出版社, 2013.

[9]    邱珊, 赵龙彬, 马放,等. 添加秸秆对厌氧残余物沼渣堆肥影响的研究[J]. 中国沼气, 2017, 35(1):35-39.

作者简介:陆枳汛,男,江苏海安人,长期从事沼气发酵工作。