沼气发酵潜力（共8篇）
沼气发酵潜力 篇1
互花米草 (Spartina alterniflora Loisel) 属禾本科米草属多年生湿生草本植物, 原产于北美洲大西洋沿岸[1]。20世纪80年代初引入我国用于保滩护岸, 改良土壤, 绿化海滩和改善海滩的生态环境。但因其有很强的生命力和繁殖能力, 致使其在我国沿海分布范围不断扩大, 给沿海地区带来一系列的危害[2]。为减小互花米草对我国沿海生态环境造成的危害, 一些研究者提出了包括物理、化学和生物等不同的解决方法[3,4,5], 但就目前情况看, 效果并不是十分理想。互花米草是一种生物质资源, 如果它能像麦草、稻草等其他纤维素生物质能源一样用于厌氧消化产沼气, 那么不仅能为互花米草的治理提供一个新思路, 而且能变害为宝。为此, 开展了以互花米草、稻草和麦草为原料用于厌氧消化产沼气的研究, 一方面研究互花米草用于厌氧消化产沼气的可行性;另一方面对比互花米草与稻草、麦草产气的潜力。
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验原料为互花米草、稻草和麦草。互花米草采自上海市南汇区东海海滩的互花米草盐沼, 稻草和麦草采自安徽省蒙城市。原料采集后放置于实验室, 在自然条件下风干, 风干后用切纸刀切成2～3cm的小段, 用于厌氧发酵产沼气试验。接种物取自上海市松江污水处理厂的厌氧消化塔处理后的脱水污泥。原料物理化学性质见表1。
(%)
1.2 试验装置和方法
采用批量发酵方式进行, 试验装置由发酵装置、气体收集装置和连接管道共同构成 (图1) 。发酵装置由透明树脂玻璃加工而成, 分上下2个分体, 通过法兰连接, 其中下分体为投料区, 上分体为集气区。下分体口沿设置活动格栅用于防止互花米草漂浮, 避免发酵过程中发酵料表面结壳。定期用计量装置进行气体体积计量。
1.格栅2.取样口3.气体收集装置
由于试验旨在初步研究互花米草对比于其他原料厌氧消化的可行性, 因此试验以原料的不同分为3组, 同时设置一个空白参比组。发酵温度为常温, 即将试验组的发酵装置直接放置于实验室内, 使其反应温度随室内环境温度变化而变化。试验开始前, 先在每组反应器的下分体中, 各投加风干原料250g, 并添加2%尿素用于调整C/N, 投料同时投加接种物800g。然后连接反应器上下分体, 进行密封。空白参比组只投加800g接种物, 不投加原料, 用于校正接种物有机质对试验产气的影响。
试验前先对原料和接种物进行物理化学成分测定, 测定方法均按照标准方法测定[6]。试验开始后, 每天分别测量3组试验装置的产气量, 产气量通过试验装置中的气体计量进行测定。空白参比组因每日产气量非常少, 因此仅在试验结束后, 进行总产气量测定。
2 结果与分析
试验的反应周期为50d。3组反应的日产气量随时间变化的结果见图2。可以看出, 常温条件下, 稻草试验组和麦草试验组的产气量在整个实验周期内波动都比较大, 而互花米草试验组在反应初始阶段日产气量也有一定波动, 但随着产气峰值的出现, 日产气量趋于稳定。3组试验总产气量分别为:互花米草27 295mL;稻草22 455mL;麦草22 140mL。
3 讨论
3.1 互花米草厌氧消化可行性及其产气潜力分析
互花米草主要化学成分的含量与稻草、麦草比较接近, 因此从这个角度分析互花米草厌氧发酵的规律与其他禾秆类原料类似。互花米草TS产气率达到0.20～0.23L/g, 与其他生物质原料相比TS产气率相差不多, 甚至优于某些生物质原料, 表明互花米草是一种厌氧消化产沼气较好的生物质原料, 其用于厌氧消化转换的途径是可行的。互花米草在我国沿海分布广泛, 截止到2008年, 分布总面积达到34 451hm2, 如果将这些互花米草全部用于产沼气, 将是一笔巨大的生物质能源。由此可见, 互花米草蕴含着非常庞大的生物质能源, 资源开发潜力巨大。
3.2 互花米草产气量分析
虽然互花米草试验组的峰值产气量比稻草试验组和麦草试验组出现得迟, 但在整个试验周期内, 除了开始阶段, 其日产气量都比较稳定。开始阶段出现波动可能是因为产酸菌大量繁殖, 很容易迅速利用原料中的可溶性有机质产酸, 而产甲烷细菌繁殖慢, 很难及时分解大量的有机酸, 导致酸积累[7]。之后又趋于稳定, 这可能是因为互花米草属盐沼植物, 其体内含有一定的可溶性盐类, 这对反应溶液的酸碱度有一定缓冲能力, 将有利于产甲烷菌群的繁殖生长。
4 结论
试验结果表明, 相对于麦草和稻草, 互花米草是一种用于沼气发酵较好的原料, 将其用于厌氧消化利用其生物质能源是一条可行的途径。互花米草作为沼气发酵原料, 对反应溶液的酸碱度有一定的缓冲能力, 试验过程中不需再添加碱度缓冲物质。
互花米草作为一种入侵物种, 能够用于厌氧发酵产沼气, 这将对互花米草的治理以及改善生态环境有着十分重要的作用和意义。
摘要：以互花米草、稻草和麦草为原料, 采用常温单相厌氧发酵工艺, 进行厌氧发酵产沼气试验, 结果表明:互花米草是一种较好的发酵原料, 其TS产气率可以达到0.20～0.23L/g;互花米草对反应溶液的酸碱度有一定的缓冲能力, 使发酵液不会出现酸化现象。
关键词：互花米草,厌氧发酵,沼气
参考文献
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[5]GREVSTAD F S, STRONG D R, GARCIA-ROSSI D, et al.Biolo-gical control of Spartina alterniflora in Washington using the planthopperPokelisia marginata, agent specificity and early results[J].Biological contr-ol, 2003 (1) :32-42.
[6]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版, 1998.
[7]郑元景, 沈永明, 沈光范.污水生物处理[M].中国建筑工业出版社, 1988.
沼气发酵潜力 篇2
沼气发酵产物的综合利用
摘要：随着畜禽养殖业的集约化,畜禽粪便的排放越来越集中,大大超过了当地环境的承载能力,对于当地居民的健康和养殖场本身的可持续发展都带来了巨大的.压力.为此以对浙江省海宁市同仁养殖场和三联养殖场的调查分析为基础,同时引用其他方面的实例,介绍将畜禽粪便的发酵产物包括沼气、沼液和沼渣综合利用的方式:利用沼气作为燃料,利用其来保鲜水果和发电;利用沼液作为有机肥直接灌溉到农田中,或用作叶面肥,还可以利用沼液来浸种;利用沼渣直接作为有机肥,用来栽种蘑菇或将其加上添加剂制作成有机肥出售.总之,通过对畜禽粪便的发酵,以及对于发酵产物的综合利用,实现了物质和能量的多级利用,有利于可持续发展.作 者：朱磊 卢剑波 ZHU Lei LU Jian-bo 作者单位：浙江大学生命科学学院农业生态研究所,浙江,杭州,310058 期 刊：农业环境科学学报 ISTICPKU Journal：JOURNAL OF AGRO-ENVIRONMENT SCIENCE 年，卷(期)：, 26(z1) 分类号：X713 关键词：沼气 沼液 沼渣 综合利用 可持续发展沼气发酵潜力 篇3
关键词：农业有机废弃物,沼气发酵潜力,实验
0 引言
随着规模农业的迅速发展和社会主义新农村建设工程的推进,农村庭院养殖业规模越来越小,使农村沼气发酵粪便原料来源不足,需要寻找替代沼气的发酵原料。本文拟选取常见农业有机废弃物青草、干稻草、菜叶以及鲜猪粪作为发酵原料,通过研究其总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、碳素含量、氮素含量以及碳氮比,对沼气发酵潜力进行实验研究,以期为混合发酵产沼气原料选择及其工艺条件控制提供科学指导。
1 实验
1.1 实验材料
实验材料中的猪粪、干稻草和菜叶均来源于桂林市农村,青草来源广西桂林工学院草坪。
1.2 实验装置
沼气发酵反应器为自制50L倒置发酵罐;温控系统为自制保温柜,可由温度指示控制仪(WMZK-01,上海华辰医用仪表有限公司)对反应环境温度进行调控;气体计量系统为医用6L肺活量测定仪(FLJ-A,常州好德医疗器械厂),并与发酵罐同放置于温控系统中。
1.3 实验方法
采用沼气发酵常规分析方法测试沼气发酵原料的总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、碳素含量以及氮素含量。沼气发酵潜力测试实验共设置4组反应装置,连续发酵60d,控制条件为温度30℃、固体浓度为7.5%、接种物浓度为30%、原料总质量为25kg。总固体含量使用105~110℃烘干质量法测定;挥发性固体含量使用550~600℃灼烧质量法测定;碳素含量以挥发性固体含量的47%估算[1];氮素含量采用农业行业标准[2]进行测定。
2 结果与分析
2.1 原料基础测试
对本研究所选定的几种农业有机废弃物进行基础测试,结果见表1所示。
由表1可以得到如下结论:
1) 原料TS由高到低分别为干稻草、青草、鲜猪粪、菜叶,彼此十分悬殊;原料的总固体含量指试样在一定温度下蒸发至恒定质量时所余固体物的总量,包括有机物和无机物[3]。对其进行测试,可指导沼气发酵固体浓度的控制。在本实验中,需要控制一定的固体浓度,因此各种原料的需投量大小排序为:菜叶>猪粪>青草>干稻草。
2) 原料VS由高到低分别为鲜猪粪、青草、干稻草、菜叶,彼此非常接近;原料的挥发性固体(VS)指试样的燃烧挥发部分,包括BVS 和NBVS (非生物挥发固体,即生物难降解部分)。挥发性固体含量的大小可反映原料的易降解程度,直观反应了原料中有机质含量的多少。沼气发酵所消耗之原料部分便是其挥发性固体部分。本试验所选取干稻草、青草以及菜叶的挥发性固体含量与鲜猪粪相差很小。理论上认为:在一定范围内,原料挥发性固体含量越高,其可发酵含量越高,沼气发酵能力越强[4],说明干稻草、青草以及菜叶所含易酵解有机质含量与鲜猪粪相当,具有较好产沼气能力的物质基础条件和沼气发酵产气潜力。
3) 原料碳素含量由高到低分别为鲜猪粪、青草、干稻草、菜叶,彼此较为接近。碳素是构成沼气发酵细菌细胞的重要成分,在发酵细菌的细胞内酶作用下转变为乙酸、丙酸、丁酸、乳酸等脂肪酸和乙醇等醇类[1],为产甲烷细菌提供生命活动的能量和转换基体。因此,碳素含量的存在是原料可以沼气发酵产气的必需条件。本实验所选取的沼气发酵原料碳素含量都很高,说明这几种原料均为富碳原料。干稻草、青草以及菜叶和鲜猪粪一样,具备了很好的产沼气能力的能源基础条件。
4) 原料氮素含量由高到低分别为鲜猪粪、干稻草、青草、菜叶。氮素是构成沼气微生物躯体细胞质的重要成分,含氮有机物经微生物的氮素矿化过程,降解并释放出氨,并在蛋白酶的作用下进行水解,生成多肽与二肽,然后由肽酶进一步水解生产氨基酸,为微生物所吸收[5]。因此,氮素的多少同菌体细胞的增长和数量是成正比的。理论上在有足够碳素的条件下,氮素含量越大,厌氧微生物的活性越大、数量越多,越利于沼气发酵的进行,其产气速度越快。本试验选取的沼气发酵原料都含有一定量的氮素。干稻草、青草以及菜叶的含碳量相对鲜猪粪偏低,其沼气发酵能力以及产气速度不进行处理时较难得到良好的发酵效果。
5) 原料碳氮比由高到低分别为菜叶、青草、干稻草、鲜猪粪。一般来说,沼气发酵的碳氮比要求并不严格,原料在较宽的范围(13~60):1内均能产气,在(20~30):1范围便可正常发酵,在其他范围内,也可以发酵,但产气量以及产气速率很低[3,4,5]。
综上所述,在单种原料沼气发酵的条件下,鲜猪粪可作沼气发酵物料碳氮比调节剂,不经碳氮比调节可迅速启动发酵产气,其他几种原料进行碳氮比调节,应可得到良好的沼气发酵效果。
2.2 产气潜力测试
各反应器以7.5kg沼液作反应接种物,用原料基础测试结果指导各组反应器原料投配情况(如表2所示)进行沼气发酵实验;用各反应器的总产气量和原料消耗量(沼气发酵前后的原料TS之差和VS之差)计算出本研究选取的几种沼气发酵原料产气潜力(如表3所示)。
结果表明,本研究所选取的4种农业有机废弃物在控制条件下均具备较好的混合沼气发酵潜力,其中青草的产沼气潜力最大,为2015.0L/kgTS和4686.0L/kgVS;鲜猪粪次之,为1119.3L/kgTS和2558.4L/kgVS;干稻草为748.0L/kgTS和1774.6L/kgVS;菜叶最小,为有382.9L/kgTS和960.8L/kgVS。这些数据说明:如果对反应器内物料进行科学合理的碳氮比调节,采用农村易得的青草或干稻草等替代畜禽粪便作为发酵原材料是可行的。
3 结论
1) 原料基础测试表明:
干稻草、青草以及菜叶均具有较高的挥发性固体含量,碳氮比较高,而鲜猪粪的碳氮比较低。因此,鲜猪粪可以作为干稻草、青草、菜叶等农业有机废弃物沼气发酵的碳氮比调节剂。当采用青草、干稻草或菜叶等农业有机废弃物作沼气发酵原料时,用鲜猪粪或尿素等高含氮物质调节碳氮比作沼气发酵原材料是可行的。
2) 产气潜力测试表明:
鲜猪粪、干稻草或青草以及菜叶这几种沼气发酵原料均具备较好的混合发酵产沼气潜力,是良好的沼气发酵原料,其产气潜力大小排序为青草>鲜猪粪>干稻草>菜叶。
参考文献
[1]朱宗强.几种农业有机废弃物沼气发酵试验研究[D].桂林:桂林工学院,2008.
[2]南京农业大学.土壤农化分析[M].北京:农业出版社,1992.
[3]贺延龄.废水的厌氧生物处理[M].北京:中国轻工业出版社,1998:536-537.
[4]Naylor L M.Composting[J].Environmental Science Pollution Control Series,1996,18(69):193-269.
沼气发酵潜力 篇4
1 材料与方法
1.1 试验材料
试验地点设在平塘县卡罗乡卡罗村, 位于贵州省南部, 海拔710m。试验时间为2008年2月11日至5月11日。试验器材:12口农村户用8m3沼气池;促进剂1号、促进剂2号、市售促进剂;NiCl2 (酶促剂) 。
1.2 试验方法
试验设6个处理, 即处理1:促进剂1号+酶促剂;处理2:促进剂1号;处理3:促进剂2号+酶促剂;处理4:促进剂2号;市售促进剂为标准对照 (CK1) , 以不加任何处理作空白对照 (CK2) , 2次重复。将促进剂从沼气池进料口加入, 通过回流泵抽沼液进行搅拌, 使其在沼气池充分分布均匀即可。对有酶促剂的处理, 则先用适量的温水将酶促剂充分溶解后再与促进剂混合均匀加入沼气池。沼气池按常规管理, 每口试验池装沼气流量计, 从加入促进剂之日记载日产气量。
2 结果与分析
由表1可知, 加入促进剂的各处理, 产气量较空白对照 (CK2) 都有不同程度的提高。处理1的日平均产气量和总产气量分别为0.42m3和25.13m3, 与空白对照 (CK2) 比较, 总产气量增长159.34%, 与标准促进剂对照 (CK1) 比较, 总产气量增加31.57%。处理2的日平均产气量和总产气量分别为0.23m3和13.76m3, 与空白对照平均总产气量比较, 总产气量增长42.00%, 但低于标准对照 (CK1) 。处理3的日平均产气量和总产气量分别为0.21m3和12.45m3, 与空白对照 (CK2) 平均总产气量比较, 总产气量增长28.48%。市售促进剂的日平均产气量和总产气量分别为0.32m3和19.10m3, 与空白对照 (CK2) 平均总产气量比较, 总产气量增长97.11%。试验结果表明, 加入酶促剂对提高产气量有明显的促进作用。处理1与处理2、处理3与处理4的区别在于前者加有酶促剂, 后者没有, 其产气量处理1明显大于处理2;同样产气量处理3明显大于处理4。对60d总产气量进行统计分析结果表明, 各处理间存在显著差异, Duncan’s比较结果显示, 处理1与处理3、处理4、CK2间产气量存在显著差异。
由图1可看出, 处理1在发酵过程中出现2次明显的高峰, 分别在发酵的30d和60d, 其产气量大于其他处理。
3 结论
试验结果表明, 沼气池加入不同的促进剂, 对提高产气量有明显的促进作用。促进剂中含有发酵微生物生长繁殖的营养元素, 有的还是对发酵微生物酶起激活作用的物质, 能促进发酵体系中微生物的代谢, 使沼气产量明显的增加。试验证实, 在供试的几种促进剂中, 促进剂1号+酶促剂对发酵体系中促进发酵微生物的代谢作用明显优于供试的其他促进剂, 产气量是空白对照的1.5倍, 比目前市场出售的促进剂提高产气量31.57%, 促进剂1号+酶促剂具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]陆清忠, 邓功成, 赵洪, 等.农村沼气池接种低温驯化沼气发酵微生物试验[J].现代农业科技, 2009 (5) :268-271.
利用秸秆干式发酵生产沼气 篇5
该工艺的步骤是:
1、先用粉碎机将秸秆粉碎至2至8mm, 为秸秆碎料, 使秸秆碎料和微生物反应充分, 降解率在90%以上;
2、将秸秆碎料经输送机送至预处理池, 并在预处理池内加入40℃～53℃的热水和秸秆沼气发酵剂进行预处理, 预处理池的秸秆碎料和厌氧消化器回流的沼液, 按2∶1的比例混合, 搅拌均匀, 搅拌后秸秆料液含固率为20%～35%;
3、用污泥泵把秸秆料液通过输送管道等量地输送于厌氧消化器顶部, 使沼渣不容易结壳, 然后进行高温发酵, 发酵温度为40℃～53℃;
4、厌氧消化器经发酵产生的沼气, 经过沼气气液分离装置, 输送至净化装置, 提纯后即为清洁燃料。
该工艺能使1.5kg秸秆产出1m3沼气 (甲烷含量≥55%) , 降解率在90%以上。
该生产方法有如下特点:
1、使用高温干式发酵, 干发酵有效物质占20%～35%, 自身能耗低, 具有反应充分、有机负荷率高、出气率高、产气率快等特点, 池容出气量≥1, 降解率在90%以上, 自身能耗低, 冬季仅耗用自身能量的10%～15%。
2、可连续干式发酵, 还能连续投料和出料, 不用大换料, 沼液回流至预处理池重复使用, 只排出沼渣, 不会造成污染;提高了水力滞留期;提高了物质与微生物的接触, 加速了消化底物的分解, 提高了有机负荷率和产气率, 产气率≥1;厌氧消化器中没有搅拌器等运动部件, 提高了系统的可靠性。
3、不仅具有很高的废物处理率, 还能得到较高肥效的有机肥产物, 简化了前期处理工艺, 降低了能耗。
联系人:何贵忠
地址:河南省焦作市解放西路华科公司内
河南富城生态能源科技有限公司
沼气发酵潜力 篇6
关键词：农村沼气池,接种,低温驯化,微生物菌群,产气量
农村沼气已成为我国发展生态农业的一个重要环节, 有着广阔的发展前景, 对改善民生条件有重要的战略意义。但是, 在沼气池的实际运行中也存在一些普遍性的问题, 突出表现在:寒冷低温季节沼气产量明显减少, 同样数量的沼气原料产气量常常不及夏季的1/3;沼气发酵原料在池内得不到充分的分解和利用, 实际沼气转换率 (原料产气率) 较低, 发酵原料的产沼气潜力得不到充分发挥而被浪费。为了提高沼气池发酵原料的分解利用率和产气量, 国内外都十分注重在沼气池内保持较多的产甲烷菌群。沼气发酵是在多种微生物相互作用下完成的, 产甲烷菌是其中最重要的一类, 其广泛存在于发酵体系中。因此, 探索适宜在低温条件发酵产气的微生物, 繁殖培养接种到沼气池, 无疑是解决冬季产气量低的重要途径之一。笔者利用实验室驯化的低温菌群 (以下简称菌种) , 进行人工培养繁殖, 加入沼气池增加池内微生物菌群的数量, 探索其对提高产气量的作用, 以期为提高农村沼气在低温条件时的产气量提供试验依据, 为菌种推广应用提供理论参考。
1 材料与方法
1.1 试验概况
试验地为平塘县卡罗乡卡罗村, 位于贵州省南部, 海拔710m, 2008年2~3月平均气温7.8℃。试验时间为2007年12月至2008年3月。试验材料为低温驯化繁殖的沼气发酵复合微生物菌群 (以下简称菌种) , 酶促剂 (Ni Cl2) 。
1.2 试验方法
1.2.1 菌种制备。
取置于生化培养箱 (恒温6℃) 中驯化培养6个月的沼气发酵液6L (低温驯化种子) , 加入鲜猪粪14kg, 水30kg密闭发酵20d后, 再按上述比例继续扩大繁殖到需要的量, 即为用于沼气池接种微生物菌群, 以下简称种子。
1.2.2 试验设计。
试验共设3个处理, 分别为:菌种5L (A) ;菌种5L+酶促剂4g (B) ;空白对照 (CK) 。重复2次, 共6个试验小区。将待加入的菌种, 从沼气池进料口加入, 并通过回流泵抽沼液进行搅拌, 使其在沼气池分布均匀即可。对于加入酶促剂的处理, 先用适量的温水将酶促剂充分溶解后, 再与菌种混合均匀一起加入沼气池。每口试验池装沼气流量剂从加入菌种次日记载日产气量。
2 结果与分析
接种发酵10d后, 统计50d的产气量。由表1可知, 加入人工繁殖的微生物菌群对产气量有明显的促进作用。处理A的日平均产气量和总产气量分别为0.427 3m3和21.73m3, 与CK比较日平均产气量和总产气量增长率分别为158.97%和159.03%。处理B的日平均产气量和总产气量分别为0.6 000m3和30.00m3, 与CK比较, 日平均产气量和总产气量增长率均为263.64%。
方差分析结果表明, 日均产气量比较, 沼气池接种低温菌群发酵60d后, 处理A、处理B与不接种微生物CK存在显著差异 (见表2) 。
总产气量比较, 沼气池接种低温菌群发酵60d后, 处理A、处理B与不接种微生物CK有显著差异。接种人工培养的低温菌群对提高产气量有明显作用 (见表3) 。
微生物接种试验日均产气量和总产气量Duncan’s测验表明, 处理A与处理B比较差异不显著, 处理A与CK比较存在极显著差异;处理B与CK比较差异极显著。Duncan’s测验结果显示, 在沼气池中加入处理A、处理B两种不同处理的发酵微生物菌群, 对沼气发酵产气量有明显的促进作用, 均能提高沼气发酵产气量。人为加入发酵微生物, 增加了发酵微生物菌群的数量, 增加原料与发酵菌的接触, 有利于发酵底物的分解利用合成甲烷气体 (见表4) 。
3 结论
试验结果表明, 人工接种低温驯化沼气发酵微生物与未接种的对照存在显著差异, 接种人工培养的低温菌群对提高产气量有明显作用。利用人工驯化繁殖的沼气发酵微生物菌群, 作为沼气发酵种子, 接种于农村沼气池, 增加沼气池中产沼气微生物菌群的数量, 可促进发酵底物的分解, 提高发酵原料的分解率, 从而提高原料的利用率, 达到提高产气量的目的。因此, 在冬季低温条件, 接种适宜低温条件的沼气发酵微生物菌群, 是提高产气量的一条重要的途径。
参考文献
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提高低温沼气发酵效果的研究 篇7
该文对在黑龙江省不同生境收集到的菌群资源进行富集,通过生物强化发酵,筛选出低温高效产甲烷菌群;另外,采用技术组装,通过投入外源性添加剂对沼气发酵效果的影响[5]进行研究,来提高寒区沼气发酵菌群的活性,增加产沼气率,以期为解决寒区沼气在冬季生产应用上提供借鉴。
1 材料与方法
1.1 材料
收集菌种56份,分别来自于黑龙江省各典型生境。以黑龙江省农业科学院畜牧研究所养殖场奶牛牛粪作为发酵底物进行培养。产沼气促进剂为北京合百意生态能源公司生产,主要为对沼气发酵主要功能菌生长繁殖、酶的合成与激活所需的微量营养和活性因子。
采用自行设计的厌氧消化反应器,主要由发酵装置与集气装置组成,用等压排水法每日检测产气量。甲烷含量由美国安捷仑科技有限公司生产的GC-7890A气相色谱仪进行测定,通过外标法分析气体中各组分含量。气化温度100℃,柱温为50℃,检测器温度为250℃,以高纯氮气和氢气作为载气。
1.2 方法
1.2.1 低温菌群富集对沼气发酵效果的影响试验
将100 mL培养基注入500 mL血清瓶中,充氮脱氧后灭菌;加入25%甲酸钠、50%甲醇各3 mL,2.5 mol·L-1乙酸钠4 mL;把采集的菌种打碎,用无菌注射器取出,接种到血清瓶中,按与培养基l∶4的体积比进行接种;在8～15℃进行培养。每代产气高峰结束20 d后,富集下一代,富集转移时取25 mL培养液接种到培养基中,在同等条件下继续培养。每个处理组设3次重复。
1.2.2 沼气促进剂对沼气发酵效果影响试验
向500 mL血清瓶中按8%TS配置发酵料液,接种量为20%,并向其中一组加入促进剂(按75 g·m-3进行投放),所接菌种为富集五代后筛选出的高效低温产甲烷菌群,在8～15℃进行培养。试验采用单因素随机试验,试验分两组处理,每组设3次重复:A为加入沼气促进剂组,B为空白试验组。
2 结果与分析
2.1 低温菌群富集对沼气发酵效果的影响
低温产甲烷菌群富集了6代,从各代之间产气量的变化(见图1)可知,由于第一代接种物为原始菌种,有效菌群数量较少,对新的接种条件适应性较差,预处理时间较长,从而启动时间较长,培养10 d后才有微弱的气体产生,这也导致了整个反应周期的产气总量相对较少,启动时其甲烷含量也较低, 只有5%左右。其余各代,接种3 d后均有气体产生,随着富集代数的增加,产气量逐渐增多,5 d后便可收集到大量气体,通过检测,甲烷含量均在30%左右,各代产气高峰期多在发酵第15～30天,随后产气量逐渐开始下降,能够持续产气30 d左右,并趋于稳定。
可见,产甲烷菌群的富集,随着富集代数的增加,其启动时间越短,产气量、甲烷含量以及有效菌群的数量也逐渐增加。其中,与各代间相比,第六代平均日产气量相对最高,且发酵第9天便出现产气高峰,且持续时间最长。各代间日产气量的曲线变化规律大致相同,但不同富集代数之间的日产气量存在一定差别。
另外,沼气发酵的适宜pH为6.8～7.4,对低温产甲烷菌群pH的日常检测分析,各代间pH的变化规律基本相同,各代的pH会随着发酵时间延长而逐渐增大,最后稳定在6.5～7.5,各代的pH在整个富集培养过程中,均保持在正常产气所允许的范围内,并无明显波动,反应体系正常,未出现酸化现象。
低温产甲烷菌群的富集,第六代的总产气量最大,累计产气367.7 mL,第五代到第二代累积产气量依次为338.3、252.5、196.7和163.2 mL,第一代最少只有100.0 mL(见图2);并且随着富集代数的增加,甲烷含量也随之增加,第一代平均甲烷含量只有45%左右,其余各代依次为50%、52%、60%和65%,到了第6代甲烷含量已经达到68%(见图3)。
通过对各代间的总产气量进行方差分析可知,第五代和第六代与其他四代均达到极显著水平(见表1)。总体来看,低温产甲烷菌群富集随着代数的增加,菌群数量、产气量及其甲烷含量均相对增加。说明在提高单位面积甲烷产率时,有效地对产甲烷菌群进行不断加富,可提高菌群数量及活性,从而达到提高低温产沼气的效率。
2.2 沼气促进剂对沼气发酵效果的影响
低温沼气促进剂的施用效果试验中,发酵系统共运行60 d,并对日常指标进行监测。随着发酵时间和产气量的不断增加,A、B两个试验组,pH不断增大,最后稳定在6.5～7.5;甲烷含量达到65%;试验的启动时间、产气高峰期及其日产气量曲线变化规律均大致相同(见图4),且符合低温菌群富集试验中第五代的特点。B组的累计产气量为298.0 mL, 而A组的日产气量均高于B组,且累计产气量达到了428.0 mL,比B组累计产气量增加了130.0 mL,增加产气率达到44%。
另外,通过与低温菌群富集试验结果的比较,B组的累计产气率与第五代产气量相比虽稍有波动,但已达到第五代的产气特点及效果。而A组与各代产气效果比较,累计产气量甚至超过第六代60.3 mL,增加产气率达到16.4%。
所以,沼气促进剂的投放,可能会在某种程度上改善沼气发酵体系中甲烷菌群的生活环境,促进产甲烷菌群的活性,从而增加产气效果,与常规发酵相比具有有利的一面。
3 结论与讨论
研究表明,菌群富集试验中,产甲烷菌在经历了第一代的缓慢繁殖后,随着富集代数的增加,产甲烷菌群数量及其活性逐渐增加,到第六代达到最高的水平。第一代累计产气量仅为100.0 mL,甲烷含量为45%左右;而第五代为338.3 mL,第六代则达到了367.7 mL,甲烷含量也增至65%。
说明以培养基中有机质为能量来源,可促进产甲烷菌等厌氧菌的繁殖,在这种特定条件下,有利于某些菌群的生长,从而淘汰其它不适应这种环境条件的产甲烷菌。同时在连续富集过程中,各种产甲烷菌生长速率不同,将逐步淘汰生长较慢的产甲烷菌,最终形成具有一定数量规模和活性的优势产甲烷菌群。
在提高单位面积甲烷产率时,有效地对产甲烷菌群进行不断加富,可提高菌群数量及活性,从而达到提高低温产沼气的效率。
将沼气促进剂投放到第五代筛选出的产甲烷菌群中,通过比较可以发现,累计产气量可达到428.0 mL,增加产气率达40%以上,甚至超过了第六代富集菌群的产气效果。
总体看来,随着代数的增加,菌群数量,产气量均相对增加;而沼气促进剂也能够增加甲烷发酵的效率,从而能提高产气量,是因为促进剂能够改变产甲烷微生物的优势菌种种群,同时还能够驯化使菌种活性达到最优。所以,通过产甲烷菌群的富集培养,投放沼气促进剂有利于增加沼气发酵的产气效果,而两项技术的组装更可以大幅提高低温产沼气的效率。
目前,北方寒区在沼气推广应用过程中确实遇到了一些由于低温带来的技术问题和障碍,面对这些难题,众多研究者考虑了很多解决方法。如,考虑将高效的厌氧消化装置与太阳能技术相结合,通过太阳能收集设备并利用适合的热传导介质,将能量传递给沼气发酵装置,以实现沼气的近中温发酵[6];还可在换料、加料时,向池内加入适量的温水,以提高池内温度,力求池内温度保持在5℃以上,促进新料腐烂产气;而在沼气促进剂的使用上,可以通过原料及其它条件,自制合理的促进剂组合及量的配比,更好地促进沼气发酵[7]。
沼气应用技术将有利于传统农业向生态农业的转变,以及对环境污染的降低具有重要意义。通过对提高低温沼气发酵效果上的不断研究与探索,在北方寒区,沼气生产及实际应用将会迎来更加广阔的前景。
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间歇式沼气干法发酵的研究 篇8
沼气是沼气微生物在厌氧条件下发酵、分解有机物而产生的一种可燃性气体。甲烷含量占55%～70%, 二氧化碳占25%～40%, 此外还含有少量的氮气、一氧化碳、氢气和硫化氢等。沼气燃烧时, 呈淡蓝色火焰, 温度高达1 400℃, 每立方米沼气燃烧时能够释放20 640～22 990kJ热量。目前用于制取沼气的厌氧工艺很多, 其中较为常用的有:上流式厌氧污泥床 (UASB) 、污泥床滤器 (UBF) 、两段厌氧消化法、升流式污泥床反应器 (USR) 、塞流式消化器 (HCF) 。
根据厌氧发酵底物干物质含量的不同, 沼气发酵技术可分为湿法和干法两种:湿法技术的底物干物质含量一般小于8%, 是液态有机物的处理方法;干法技术的底物干物质含量一般在20%以上, 是固态有机物的处理方法。沼气湿法发酵技术具有物料传热、传质效果好, 反应器可以在厌氧状态下连续进出料, 易于工程放大等优点, 被现阶段大中型沼气工程普遍采用;而沼气干法发酵技术较难实现在厌氧状态下连续进出料, 过去仅用于一次性“大换料”的户用沼气池。随着全球能源和环境危机日益加剧, 具有容积产气率高、处理过程中不产生污水、自身能耗低等独特优势的沼气干法发酵技术受到了越来越多的关注, 近年来在工程化技术方面取得了长足的进步。
1 沼气干法发酵的原理及工艺条件
沼气干法发酵是指培养基呈固态, 虽然含水丰富, 但没有或几乎没有自由流动水的沼气厌氧微生物发酵过程, 其发酵的微生物学原理与湿法沼气发酵基本相同。在这个过程中已查明的微生物约有二三百种, 这些微生物在有机物的厌氧分解过程中相互依存, 形成一条食物链, 其中大多数微生物不直接产生甲烷。按“三阶段理论”, 沼气干法发酵的过程可分为3个阶段:第一阶段为水解阶段, 各种固体有机物通常不能进入微生物体内被微生物利用, 必须在好氧和厌氧微生物分泌的胞外酶、表面酶 (纤维素酶、蛋白酶、脂肪酶) 的作用下, 将固体有机质水解成分子量较小的可溶性单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸, 这些分子量较小的可溶性物质就可以进入微生物细胞之内被进一步分解利用;第二阶段为产酸阶段, 各种可溶性物质 (单糖、氨基酸、甘油、脂肪酸) , 在纤维素细菌、蛋白质细菌、脂肪细菌、果胶细菌胞内酶作用下继续分解转化成低分子物质, 如丁酸、丙酸、乙酸以及醇、酮、醛等简单有机物质, 同时也有部分氢气、二氧化碳等无机物释放;第三阶段为产甲烷阶段, 由产甲烷菌将第二阶段分解出来的乙酸等简单有机物分解成甲烷和二氧化碳。
沼气干法发酵的工艺条件主要包括两个方面:一是从工艺上满足厌氧发酵微生物生长繁殖的适宜条件, 以达到发酵旺盛、产气量高的目的。这包括厌氧环境的形成, 原料的预处理, 底物C/N比和干物质含量、发酵温度、pH值、接种物量等参数的合理控制等。二是从工艺上满足沼气干法发酵的工程化生产问题。由于干法发酵原料呈固态, 在反应器厌氧状态下连续进出料有较大难度, 为避免使用高能耗的输送设备, 一般采用全进全出的间歇式进出料工艺。在间歇式进出料工艺条件下, 能够实现大规模快速进出料的反应器形式和密封结构是工程化研究设计的难点。
自20世纪80年代末、90年代初开始, 随着畜禽养殖业的快速发展, 畜禽粪便资源日渐丰富, 采用干法发酵技术的户用沼气池逐渐被进出料方便、产气量相对较稳定的湿法发酵技术取代, 沼气干法发酵技术进入缓慢发展时期, 但有关研究仍在继续。干法发酵工艺又可以分为连续式和间歇式两种, 由于连续性干法沼气发酵工艺太复杂、成本过高, 因此未能得到推广。世界上第一个商业运行的间歇式反应器建于荷兰, 其1kgVS (挥发性固体) 可产甲烷260L。
2 国内外间歇式沼气干法发酵的技术概况
从20世纪90年代起, 德国大量资助了新型的间歇式干法沼气发酵技术的研发;90年代末, 德国间歇式干法沼气工艺和装备通过了中试, 2002年生产出工业级装备并投入实际运行。
德国巴伐利亚州是目前德国沼气技术应用最发达的地区。巴伐利亚州的别费慕公司在德国中试研发的基础上, 研发出了商业实用的技术, 很好地解决了上述两个问题, 并在全世界登记了专利, 成为德国第一个通过德国技术监督协会undefined的干法沼气发酵成套设备技术安全认证和建立并运营德国第一套商用级间歇式干法沼气站的公司。采用别费慕公司的技术, 可在国内配套很多材料和部件, 进口技术只占沼气站设备和建设投资的很少一部分, 同时别费慕公司是一家高技术公司, 因此非常支持间歇式干法沼气发酵技术尽可能多的部分国产化。
我国在21世纪初开始了间歇式沼气干法发酵的研究, 目前还处于起步阶段, 有一部分科研人员对间歇式沼气干法发酵的操作参数做了很多研究为间歇式沼气干法发酵的工程化提供了一定的理论基础。根据2008年北京奥运会中国政府的承诺, 中国鼓励大力发展作为可再生能源的先进大型沼气生产技术。
3 间歇式干法沼气发酵技术的优点
1) 自身耗能低, 冬季仅耗用自身产生的能量10%～15%。而湿法要耗用30%左右的能量, 在北方寒冷地区冬季甚至会达到45%, 因而大大限制了沼气技术在北方寒冷地区的推广。
2) 可以直接处理农作物秸秆和城市垃圾等固体可发酵有机物, 大大节省了预处理成本。
3) 由于没有搅拌器和管道, 发酵不受干扰物质如塑料、木块、沙石等的影响, 因而不需花费人力和设备将其在发酵前检出。
4) 在发酵罐/室中没有搅拌器等运动部件, 因此系统的可靠性很高。
5) 沼气质量高 (含硫量远远低于湿法沼气, 只有50×10-6～300×10-6, 可以不经洗气直接供沼气发动机使用) , 发酵物出气率高。
6) 发酵室为地面车库型不透气混凝土结构, 底部管道暖气供热, 因而土建费用很低。
7) 发酵室为模块化结构, 易扩展。
8) 建设和运营成本随规模增长很慢, 占地小, 适于建设年处理可发酵垃圾1 000t以上、年产沼气100m3以上的大型沼气工程。
9) 进料出料可使用通用的装载机等工程机械, 设备效率高, 通用性强。
10) 因为发酵剩余物无湿法发酵的沼液, 所以不用脱水处理, 发酵剩余物经简单的过筛和短时间的堆肥即可用作园林肥料或农作物肥料, 因而存储和后处理费用低, 价值高。
11) 耗水量比起湿法大大降低, 几乎没有污水排放, 大大节省了水费和污水处理费。
12) 由于上述的原因, 因而新型的间歇式干法沼气发酵工艺的初期投资、运营成本和环境成本都远远低于湿法技术。
4 间歇式干法沼气发酵技术工艺
4.1 间歇式干法沼气发酵技术工艺流程图
间歇式干法沼气发酵技术的工艺流程图, 如图1所示。
4.2 间歇式沼气干法发酵的工艺流程
间歇式沼气干法发酵原料为牛粪和秸秆混合物。工艺分为以下几个步骤进行:
1) 在牛粪中加入粉碎的秸秆混拌均匀, 牛粪与秸秆质量比约为3∶1;
2) 混合原料经好氧发酵后利用装载机运入厌氧反应仓, 关闭仓门;
3) 利用反应仓顶部的沼液喷淋系统向原料喷撒沼液, 仓底部设集液槽, 将沼液收集到沼液池, 经增温后再通过沼液喷淋系统喷撒在原料上, 保证发酵物中甲烷菌群数量和繁殖速度;
4) 利用生物质锅炉, 通过反应仓底部地热管给原料增温;
5) 反应仓设换气系统, 在产气结束后, 监测和自动控制系统会自动启动换气系统, 排干仓内残余沼气, 保证安全;
6) 本工程设自动监测、控制系统, 可对每个反应仓内原料含水量、仓内压力、温度、含水率、沼气成分进行监测, 并自动控制整个工程运行;
7) 原料在经过两天发酵后, 可正常产气, 产气周期为30d, 所产沼气净化后经输配系统供应居民使用及用于发电自用, 沼渣经干化筛分后用做肥料。
4.3 单元工艺举例
1) 混合备料。
将牛粪中加入粉碎量为1～10mm的秸秆粉, 混拌均匀混合比例为3∶1。
2) 沼液池。
设容积90m3沼液池, 用于收集沼液回流使用。
3) 厌氧反应仓。
总容积2 000m3, 干物质浓度控制在20%, 沼气发酵温度为 (35±20) ℃、设计发酵原料滞留时间为30d。反应器底部埋设地热管道, 采用生物质锅炉为厌氧反应仓增温。
4) 进、出料设备。
850型滑移式装载机1台, 用于进出料。
5) 控制系统。
整个工程在各单元设置传感器, 包括温度、压力、流量以及气体成分分析, 通过计算机进行监控。
6) 附属设施。
根据工艺要求, 附属设施有进料间、存料间、净化间、控制室、锅炉房等。
7) 配电系统。
整个工程采用统一配电, 可以节约电能。
8) 增温系统。
采用生物质锅炉1台, 冬季为沼气池增温。
9) 净化系统。
采用脱硫器、除尘器、气水分离器净化沼气, 提供清洁能源。
10) 安全系统。
采用消防水枪、灭火器、避雷针, 保证沼气工程的正常生产。
5 结束语
间歇式沼气干发酵能产生清洁的能源和优质的有机肥, 基本上达到了零排放, 符合我国广大农村地区对环境优良、清洁能源和优质有机肥的需求。随着对农村城镇化以及养殖的集约化发展, 对清洁能源及畜禽养殖场能环工程的需求将不断加大, 间歇式沼气干发酵必将成在废弃物处理中起到重要的作用。
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