2.5.1 农作物发酵原料预处理的研究
农作物制备沼气的工艺中,通过对发酵原料的预处理,可以增加发酵过程
中的生化反应表面积,提高产气率和缩短产气时间,从而提高发酵反应器的容积利用率。对于发酵原料的预处理,通常通过物理化学和生物等方式,提高木质素和纤维素的降解程度,使纤维素、半纤维素和木质素分解,增加酶和纤维素的反应接触面积,从而提高酶解的效率,以加快厌氧发酵的产气率。这方面的研究主要包括:
杨立[19]等人用NaOH对稻杆进行预处理,研究不同浓度的NaOH、NaOH水溶液加热预处理时间和水浴温度对厌氧发酵产沼气的影响。实验结果表明,NaOH浓度为6%时最佳,产量比为处理的对照组提高了110%,水溶液加热时间3h最佳,产气量比对照组提高了 107.9%,水浴加热温度10℃最佳,产气量比对照组提高115.8%。
覃国栋[20]等对水稻稻秆进行酸预处理,研究其对沼气发酵的影响。实验所需的水稻稻杆被切成2cm~3cm左右,分别采用不同浓度的酸(2%、4%、6%、8%、10%)对水稻稻秆进行处理,预处理后的稻秆放入1L的发酵装置中,并在20℃的恒温恒湿箱中,用活性污泥接种进行发酵。发酵装置中料液总质量为800g,发酵料液初始浓度为6%,接种物浓度为30%。实验结果表明,酸预处理可显著改善水稻稻秆产沼气的量,提高产气率。
楚莉莉[21]等用沼液对小麦稻秆进行预处理,研究对厌氧发酵产气特性的影响,实验在25±1℃条件下进行。相对于未处理的小麦稻秆,预处理后小麦稻秆的碳氮比下降20~30:1，且产气速率显著增加,产气高峰出现时间提前,甲烷的平均含量为64%~71%,VS的去除率为17.1%~25.7%。其中,预处理时间6d时的产气效果最好,VS产气量比对照组的产气量提高了69.5%。
Kouichi Izuini[22]等研究食品废弃物不同粒径对厌氧发酵的影响。实验结果表明,相比于用普通破碎机进行的破碎,用玻珠研磨机在lOOOrpni速度下进行的破碎,可使沼气产量增加28%。若食物废弃物的粒径过小,将导致挥发性脂肪酸的积累,沼气的产量和粒径的增溶性也会相应降低。
S.Menardo[23]等研究小麦,大麦,水稻和玉米四种秸秆,改变其粒径和经过热处理后对沼气产量的影响。实验在40℃温度下,四种农作物秸秆的粒径分别定为5cm、2cm、0.5cm、0.2cm；热处理温度设为90℃和120℃。实验结果表
明,粒径的改变可使沼气产量增加80%以上,对于小麦和大麦稻秆的沼气产量明显高于预处理前,并随着粒径的降低而增加;稻杆和玉米杆的沼气产量并没有明显的高于预处理前。经过热处理后的玉米杆和稻杆的产气量并没明显高于预处理前。但对于小麦和大麦稻秆热处理,其产气量明显高于预处理前,产气量增加大约40%左右。对于小麦秸秆,不同的预处理方式都可得到更多的产气量。
李玉英[24]等用不同种类的稻秆进行发酵,并蹄选高效产酸复合菌系。实验以麦秆、玉米秆为碳源,牛粪为氮源,研究不同菌群经多代驯化后,以不同种类稻秆为碳源的产酸规律。实验结果表明,以麦秆为发酵原料时,来自牛胃内容物的菌群具有高效的产酸能力；以玉米秆为碳源时,来自腐殖土的菌群具有高效产酸能力。
边义[25]等用不同菌种对玉米秸秆进行干式发酵实验,分别采用绿稻灵、酵素菌、石灰水、速腐剂在相同条件下对玉米稻秆进行预处理。实验表明,经过酵素菌预处理后的原料,产气率为455.7ml/g,原料的纤维素降解效果最好,降解率为56.9%。在发酵产气的旺盛期,采用四种预处理后发酵时的甲焼含量都很高,经酵素菌处理的原料的甲烧含量最高,其次为绿稻灵、速腐剂、石灰水。
方文杰[26]等采用厌氧消化后的消化液对稻草进行堆枢预处理,研究温度、含水率、混合液悬浮固体及时间对沼气产气量的影响。实验结果表明,堆枢预处理后稻草总产气量比未处理提高了 3%~49.5%。
Bipro Ranjan Dhart[27]等用超声波和高温对活性污泥进行预处理,分析预处理后厌氧发酵的经济性。三种高温预处理的温度分别为5°C、70°C、90°C,三种超声波预处理的比能输入分别为1000、5000、lOOOOkJ/kgTSS。相比未预处理的厌氧发酵,预处理后的厌氧发酵能明显的提高挥发分固体悬浮物的降解率,其增量为29%~38%,并可得到30%的沼气增量。
Kim[28]来自韩国污水处理厂的活性污泥进行批量发酵,以研究不同预处理方式对厌氧发酵过程的影响,包括热预处理、化学预处理、超声波预处理和热化学预处理。实验表明,热化学预处理对发酵产气情况和污染物的降低均具有较好的效果,在经过热化学预处理后,污泥的沼气产气量增加了34%。
Anthony Mshandete[29]等研究粒径对剑麻废弃物厌氧发酵的影响,实验在33°C条件下,粒径为2mm~100mm。实验表明,在剑麻粒径为2mm的情况下,预处理后剑麻纤维的降解程度要比未处理的增加31%~70%。并且沼气产量与粒径
的大小成反比,粒径为2mm的剑麻,其产气量增加了 23%,1kg挥发分固体产甲烧量由未处理的0.18m3增加到 0.22m3。
从上述文献中可以看出,生物质发酵原料的预处理主要是通过釆用酸、碱等化学处理剂进行预处理、加温法预处理、微波法预处理、预发酵等不同的预处理方法,加快发酵原料的产气、提高产气率和产气量。在实际的发酵原料预处理过程中,预处理成本是制约不同预处理方法实际应用的关键因素。
2.5.2发酵过程工艺参数的研究
发酵过程工艺参数直接影响沼气的质量、沼气产量和容积沼气产率。在农作物发酵制备沼气的系统中,优化发酵过程的工艺参数,是保证农作物发酵制备沼气系统的安全、经济和高效运行的主要条件。国内外对于发酵过程工艺参数研究的内容是十分广泛的,现进行简要介绍如下:
王伟[30]等通过玉米稻秆与鸡粪混合,在不同干物质浓度下进行实验,实验表明,干物质浓度在15%时原料的分解利用率最高；在浓度为8%~30%中,干物质浓度含量越高,沼气产量随干物质浓度的增加而增加,沼气总产量也随干物质浓度的增加而增加;但甲烧含量却随发酵原料的干物质浓度的提高而减少。
张望
[31]
等在稻草为发酵原料进行中温干式厌氧发酵实验,实验浓度分别
为20%、30%、40%,实验表明,相对于浓度20%而言,浓度为30%的干式发酵在反应前期经历了很长的酸化期,产气量在后期才 始升高。对于半纤维素,随着浓度的升高,半纤维素的降解呈下降趋势。在不加任何预处理措施的情况下,浓度越高,产气效果越差,微生物生长活动严重受制,干物质浓度在20%时效果最好。
孙丽丽[32]等在玉米稻杆和麦稻的中、高温发酵实验中得出,当温度从30°C升高到35°C时,单位干物质产气量提高幅度较大,温度超过35°C时,玉米稻和麦稻的单位产气量增加幅度都不大。
徐宵[33]等在稻秆干式厌氧发酵渗滤液回流的研究结果表明,在底物浓度低于18%时,渗滤液回流对稻杆厌氧发酵产气率的影响不大。当底物浓度提高到20%时,渗滤液回流可明显的提高稻秆厌氧发酵的产气率,其中以产气趋势下降后再回流的方式最好。同时,对秸秆发酵前后化合物组成分析表明,回流可以提高纤维素、半纤维素的降解率。
David Bolzonella[34]等用活性污泥在1.3m3的搅拌反应器中进行中试发酵实验,研究两相处于不同温度下的发酵规律。实验结果表明,反应器的性能随着温度的上升而提高。COD的去除率由两相中温的35%增加到两相高温的45%。
E.Maranont[35]等用牛粪与食品废弃物、污泥进行联合发酵,以研究发酵产气规律。实验表明,当增加有机负载率并缩短水力停留时间时,将会降低产气量。当对给料混合物进行超声波预处理后,产气量会增加,但发酵产生的沼气总能量小于超声波预处理的能耗。
Prasad Kaparaju[36]用稻杆釜馏物作为发酵原料进行厌氧发酵实验。采用不同浓度的釜馏物进行批量发酵,以确定其产气潜力。实验表明,当物料浓度增加到33%~55%或有机负载率提高到41.2g-COD/L·d时,产气量降低或使整个发酵实验失败。
J.Fernandez[37]对城市有机固体废弃物进行厌氧发酵实验,研究总固体浓度对发酵过程的影响。实验结果表明,反应器在总固体质量浓度为20%时,具有更好的发酵性能。
Hana Gannoun[38]等用屠宰场废水为发酵原料进行间歇式厌氧发酵,发酵前对废水进行静态和动态的水解预处理。相比于静态预处理,动态预处理可使悬浮物增加80%的水解性,使其更有效地转变为可溶物。
K.J.Chae[39]等研究不同的发酵温度、温度波动及给料负荷对猪粪厌氧发酵的产气量和甲烷浓度的影响,实验所设的温度范围为25°C、30°C、35°C；发酵原料的总固体质量浓度为5%、10%、20%和40%。实验结果表明,相对于发酵温度为35°C的条件,在30°C状态下的产气量降低了3%,而在25°C时的产气量减少了25%。
Samantha Cristina Pinho[40]等在厌氧预批式生物膜反应器中,对部分可溶性废水进行处理,研究了机械搅动对有机物降解率的影响。
从上述文献查阅中可以看出,不同发酵原料的发酵工艺的参数变化范围很大,很难得到可以适用于任何发酵装置的统一标准的工艺参数,对于不同的发酵原料和系统,需要结合具体情况进行具体的分析，进而对发酵系统的参数进行优化,从而最佳的经济效益和社会效益。
2.6影响微生物厌氧消化的主要因素
2.6.1温度
温度对厌氧消化系统中微生物的影响是最大的,甚至系统温度发生微小的改变都可能造成系统的瘫疾。在厌氧反应器中,厌氧微生物通过生命代谢过程来产生能量以维持自身的生长,同时也产生副产物甲烷厌氧发酵制备沼气的过程中,微生物代谢活动与温度有着密切的关系。细菌代谢活动在35°C~38°C和50°C~65°C范围内分别有一个高峰值。40°C~50°C是产沼气高温菌种和中温菌种活动过渡的温度区间范围,它们在这个温度范围内都不太适应,因而产气率可能会下降。而随着温度的升高,微生物的代谢越发旺盛,沼气的产量也就越多,当温度增加到53°C~55°C时,高温菌种会变得活跃,产沼气的速率当然最快;当温度超过65°C时,高温菌则会被杀死，产沼气的速率也会急剧的减少,直至停止产沼气。
厌氧微生物可分为低温微生物、中温微生物和高温微生物,各类厌氧微生物生长的温度范围见表2-1。因此,厌氧处理工艺可以分为低温厌氧处理工艺、中温厌氧处理工艺和高温厌氧处理工艺。
表2-1 不同种类厌氧微生物的适宜温度范围
细菌种类 低温菌 中温菌 高温菌 10~30 30~40 50~60 10~20 35~38 51~53 生长的温度范围/℃ 最适温度/℃ 一般来说,高温区的微生物代谢速率要大于中温区;而中温区的代谢速率大于低温区。在大多数厌氧反应器中,温度每增加10℃速率就增加1倍。中温发酵(45℃~48℃)，与常温相比,具有降解速度快、产气率高、产气性质好等特点。中温发酵在大中型沼气工程占有主导地位。高温发酵降解快、产气率高、环保效果好,有利于无害化。与中温发酵相比,高温发酵在产气量方面没有明显的优势,但发酵所需能耗较多。一般用于有余热利用或需要杀灭有害细菌的废物处理的工程项目。
2.6.2酸碱度(pH值)
环境pH值是通过影响酶的活性来影响微生物代谢的。环境pH值的变化可
以引起微生物细胞膜上电荷的改变,从而影响微生物对营养物质的吸收。介质的pH值不仅能影响微生物的生命活动,甚至能影响微生物的形态。pH值是氢离子