引言
遺留田間的農業廢棄物秸稈必須進行處理和利用，才不至于影響第 2 年春播。由于秸稈的產量很大，大量的秸稈若不能及時處理，只好在播種前采取就地焚燒的應急措施集中處置，會產生大量濃煙，使塵埃量積聚，霧霾天越來越多，嚴重污染周邊衛生和破壞生存環境，影響人們的身心健康。目前，處理秸稈的方法有許多種，如還田處理作肥料、飼用，加工成碳棒作燃料、生產秸稈乙醇、發電以及發酵氣化作為生物質能源等。本文主要研究將秸稈生物氣化為沼氣的規?；a試驗研究，以解決農村清潔能源短缺的難題。
1 沼氣濕法發酵工藝
1． 1 濕法發酵工藝流程
秸稈沼氣發酵的生物氣化過程與傳統的沼氣生產工藝一樣，可分為水解、產酸、產甲烷 3 個階段。由于秸稈原料含有較高的木質素、纖維素、半纖維素和果膠等成分，難于水解，分解速度較慢，產氣周期較長。因此，發酵工藝需考慮原料的預處理，厭氧環境的形成，底物 C/N 比和干物質含量、發酵溫度、pH值、接種物量等參數的合理控制等問題。針對秸稈的特性，結合現代沼氣生產技術，采用間歇式進出的濕法秸稈沼氣加工工藝，工藝流程如圖 1 所示?！緢D1】
首先，對秸稈進行揉搓、粉碎增大與菌株的接觸表面積，然后進行化學預處理和好氧堆漚，以提高厭氧反應速度和產氣率。預處理后的秸稈加入一定量的厭氧菌種和適量的水混合均勻，然后通過柔性沼氣膜覆蓋密封，形成厭氧環境，進行沼氣生產。產生的沼氣中會混有水蒸氣和硫化氫等氣體，水的冷凝會造成管路堵塞，H2S 氣體可引起管道及儀表的快速腐蝕且其燃燒時生成的 SO2對人也有毒害作用，需再經過脫水脫硫凈化處理后進行儲存。厭氧發酵余物為沼渣和沼液混合物，將固、液進行分離，沼液作為菌種用于下一輪秸稈物料的厭氧發酵; 而沼渣含有較全面的養分可作為優質有機肥料。
1． 2 濕法發酵反應器的研制
秸稈沼氣厭氧發酵反應器采用四面封閉頂部大敞口的發酵槽體，容積為 20m3，通過輸送機實現秸稈原料進入和固體發酵余物的排出，操作方便。沼氣膜覆蓋敞口，可以通過膜膨脹形成的外形，判斷反應器內沼氣的生產情況，以及產氣停止時沼氣的排空情況，起到安全保護的作用。雙軸機械攪拌裝置，可以很好地解決秸稈物料輕、易上浮結殼的問題，強制物料和菌種的混合，提高發酵原料與微生物之間的傳熱傳質效果。雙閉合液漲密封結構密封操作方便，安全可靠。沼氣鍋爐回燒部分沼氣加熱和太陽能集熱器加熱為厭氧發酵階段提供溫度保障，有利于提高產氣率，同時降低冬季產氣耗能。反應器結構如圖 2 所示?！緢D2】
2 秸稈沼氣發酵工藝參數對產氣率影響研究
在發酵原料組分、預處理工藝和 pH 值等不變的情況下，干物質含量\\( TS\\) 、發酵溫度和產氣周期對產氣量有直接的影響。因此，研究發酵溫度在 25 ～40℃ ，TS 在 6 ～ 12 范圍內產氣率的變化。
2． 1 材料與方法
2． 1． 1 試驗材料
吉林省農安縣當地購買的干玉米秸稈。
2． 1． 2 試驗裝置
采用自制的秸稈沼氣濕法發酵裝置。
2． 1． 3 試驗方法
在保證原料的成分及配比、預處理工藝、干物質濃度、接種物加入量、pH 值等發酵條件不變的情況下，改變發酵溫度，測算對應的日產氣量。測算方法，采用排空法測量產氣量，每天選擇同一時間開始排空，直至排空結束，記錄流量表讀數和排空所用時間，換算出每一天產氣量。具體測法: 在測試前 1 天將反應器中沼氣排空，記錄排空時間 t0和沼氣表讀數 V0。
第 1 天在同一時刻開始排空反應器中沼氣，記錄排空時間 t1和沼氣表讀數 V1; 第 2 天在同一時刻開始排空反應器中沼氣，記錄排空時間 t2和沼氣表讀數 V2; 第 3天在同一時刻開始排空反應器中沼氣，記錄排空時刻時間 t3和沼氣表讀數 V3。計算產氣量公式為【1】
2． 1． 4 試驗步驟
1\\) 準備適量的干玉米秸稈，將秸稈揉搓成 10 ～15mm 的秸稈段。
2\\) 將秸稈段用 6% NaOH 水溶液均勻噴灑，噴至潮濕無液體滲出，然后堆漚 2 天; 接著用 7． 35% H2SO4水溶液均勻噴灑，中和至中性，并堆漚，使物料溫度達到\\( 50±1\\) ℃。
3\\) 將處理完的秸稈原料加入到厭氧反應器中，并加入接種物，接種物取自沼氣發酵裝置正常產氣結束后的發酵余物沼液，接種物的加入量為發酵料液總體積的\\( 30±1\\) % ; 然后加入適量的水，使秸稈原料占發酵料液總質量為一固定值，發酵料液量控制在反應器總容積的\\( 80±1\\) % ; 用攪拌裝置將發酵料液混合均勻，調整 pH 值為 6． 7 ～ 7． 5，封膜進入厭氧發酵階段，調控厭氧發酵溫度，偏差為±1℃。
4\\) 排出前幾天產生的雜氣，通過試燒，火焰達到淡藍色而且燃燒穩定，按試驗方法中產氣量的測算方法記錄日產氣量，記錄 35 天數據; 停止本次試驗，準備下一次試驗。
2． 2 數據與分析
2． 2． 1 溫度對秸稈沼氣發酵產氣情況的影響
溫度是影響產氣量的重要因素之一，沼氣微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動。合理的發酵溫度可以使微生物代謝加快，分解原料的速度也相應提高，產氣量和容積產氣率都相應增高。在 TS 為 8% 固定不變的情況下，溫度分別為 25、30、35、40℃條件下日產氣量情況如圖 3 所示。對應不同發酵溫度條件下容積產氣率情況如表 1所示。
根據表 1、圖 3 可以看出，整個發酵過程中，各溫度組的產氣規律大致相同，發酵初期就有大量氣體產生，35℃時日產氣量最高，對應容積產氣率也最高，然后依次是 40、30、25℃。這說明在 25 ～ 40℃ 溫度范圍內，并不是溫度越高產氣量越高，而是存在一個合理的產氣溫度，該溫度在 35℃ 左右。同時，從圖 3 中還可以看出，當產氣到第 35 天時，日產氣量已經很低，而且還有下降的趨勢，如果產氣再進行下去，將會大大地影響到容積產氣率。因此，合理沼氣發酵溫度確定為 35℃，厭氧發酵產氣周期確定為 35 天?！颈?.圖3】
2． 2． 2 TS 含量對秸稈沼氣發酵產氣情況的影響
在秸稈沼氣厭氧發酵過程中，物料干物質\\( TS\\) 含量不僅影響厭氧微生物的生長、繁殖及其活性，而且適當的干物質含量，更能提高厭氧發酵的產氣效率。
在發酵溫度為 35℃固定不變的情況下，改變原料干物質濃度分別為 6% 、8% 、10% 、12% 時，測定對應的產氣量以優化該工藝參數。不同總固體濃度產氣情況如表 2 所示?！颈?】
從表 2 中可以看出，秸稈沼氣濕發酵在 TS 濃度為6% 、8% 、10% 、12% 等 4 種狀態下均能產氣。TS 濃度為 8% 時平均日產氣量最高，TS 濃度為 10% 時平均日產氣量次之，TS 濃度為 6% 和 12% 時平均日產氣量相對較低，說明 TS 濃度從 8% 到 10% 都有較好的產氣效果，TS 濃度小于 6% 或大于 12% 時產氣效果不好。TS濃度大于 12%時日均產氣量較低，是因為固體物質含量較高，影響了厭氧菌的活性和繁殖，從而影響產氣。TS 濃度低于 6% 時日均產氣量較低，是因為固體原料含量較少，無法提供足夠的有機物質來分解消化，使有機物質的分解消化速度和產氣速度達不到平衡，從而影響了產氣。因此，優化發酵原料 TS 濃度以 8% 左右為宜。
3 結論
通過對秸稈沼氣發酵工藝的研究，優化了秸稈沼氣發酵工藝流程，確定了適合于本工藝流程的干物質\\( TS\\) 濃度為 8% 、發酵溫度為 35℃等控制條件以及厭氧發酵周期 35 天。該工藝具有以下特點: ①秸稈的揉碎，在破壞秸稈表面蠟質層的同時，增大了秸稈在發酵過程中與細菌的接觸面，加快秸稈的分解速度。②先化學預處理秸稈、再好氧預處理秸稈?；瘜W預處理提高了物料的厭氧消化速度，促進了產氣率的提高; 物料好氧發酵為沼氣生產積蓄了大量熱能，可以降低產氣耗能。③沼液回用解決了下輪投料的菌種來源，同時避免對環境產生二次污染。④雙層膜日光溫室增保溫，回燒部分沼氣加熱，太陽能增溫等集成技術，在充分利用可再生能源的基礎上，實現能量互補。
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