基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性_陈广银

第30卷第20期农业工程学报V ol.30 No.20 244 2014年10月Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Oct. 2014基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性陈广银，杜静，常志州※，叶小梅，徐跃定，张建英（江苏省农业科学院农业资源与环境研究所农业部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站，南京 210014）摘 要：为同时解决农业秸秆和分散式畜禽养殖废水的资源化问题，以打捆秸秆为固定相，以猪粪废水为流动相，构筑秸秆床厌氧反应器，并在反应器后部连接废水二级厌氧反应器，研究秸秆床发酵系统的产气特性及可行性。

结果表明：秸秆床发酵系统可同时处理打捆秸秆和猪粪废水，且不影响各发酵原料的厌氧生物转化率，秸秆床发酵系统中秸秆干物质产气量为394.96 mL/g，略高于秸秆单独发酵（382.11 mL/g）；秸秆床发酵系统产气稳定性大幅提高，避免了单一发酵原料日产气量波动较大的问题，对产气中平均甲烷体积分数影响明显，秸秆床发酵系统、纯猪粪废水和纯秸秆发酵产气中平均甲烷体积分数分别为57.40%、60.37%和47.32%；与各物料单独发酵相比，秸秆床发酵系统平均容积产气率大幅提高，纯秸秆和猪粪废水单独发酵容积产气率仅为秸秆床发酵系统的69.42%和66.94%；试验35 d后，秸秆机械强度和孔隙度明显降低，秸秆互相粘结导气性下降，造成秸秆上浮严重及进水短流，反应器出水化学需氧量浓度快速增加并稳定在较高浓度，故在秸秆床反应器后部必须连接废水二级厌氧反应器以进一步处理秸秆床反应器出水。

综合以上结果，采用秸秆床发酵系统同时处理打捆秸秆和猪粪废水是可行的，但需解决发酵后期秸秆上浮、导向性下降和进水短流等问题。

关键词：沼气：秸秆；发酵；猪粪废水；有机负荷；秸秆床反应器；容积产气率doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.20.030中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1002-6819(2014)-20-0244-08陈广银，杜 静，常志州，等. 基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性[J].农业工程学报，2014，30(20)：244－251.Chen Guangyin, Du Jing, Chang Zhizhou, et al. Characteristics of biogas producing by anaerobic co-digestion of agricultural straw and swine wastewater based on improved straw-bed bioreactor[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(20): 244－251. (in Chinese with English abstract)0 引 言将秸秆厌氧发酵产沼气是秸秆综合利用的重要途径之一。

由于秸秆容重小、流动性差、木质纤维含量高等特点，将秸秆直接厌氧发酵存在产气速率低、周期长、容积产气率低、发酵过程进出料困难等问题[1]。

通过预处理破坏秸秆的木质纤维结构，可以提高其厌氧生物转化率和产气效率，国内外已有大量研究[2-6]，预处理方法包括碱处理、酸处理、爆破、离子液体、有机溶剂、湿式氧化和生物处理等多种[7-12]，但无论何种预处理方式均大幅增加了收稿日期：2014-05-11 修订日期：2014-10-09基金项目：江苏省农业自主创新项目（CX（12）1002）；国家科技支撑计划项目（2014BAL02B04）；国家水体污染控制与治理科技重大专项（2008ZX07101-004）作者简介：陈广银，男，江苏大丰人，博士，主要从事生物质能的研究。

南京江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，210014。

Email：chengy522@.※通信作者：常志州，男，江苏句容人，研究员，主要从事农业固体废弃物资源化研究。

南京江苏省农业科学院农业资源与环境研究所，210014。

Email：czhizhou@中国农业工程学会会员：陈广银（E041100020M）沼气工程运行成本，且一些预处理方式（化学预处理）还可能带来二次污染风险。

由于农村劳动力短缺，秸秆机械化收集是大势所趋，机械收集后的秸秆紧实度大幅增加，如果将打捆秸秆粉碎后发酵产沼气，粉碎成本更高。

此外，在广大农村地区还有大量分散式畜禽养殖场（户），分散式养殖污染已成为农业面源污染的重要来源，其中，养殖废水的处理更是分散式养殖污染的主要来源。

如果能够直接以打捆秸秆为原料，并与分散式畜禽养殖废水治理相结合，将极大地增加沼气工程环境效益，降低工程运行成本。

针对打捆秸秆孔隙度大、畜禽养殖废水可流动的特点，提出以打捆秸秆为固定相，以养殖废水为流动相的秸秆床厌氧发酵工艺，并在秸秆床反应器后部连接二级厌氧反应器，本发酵工艺完全不同于现有两相厌氧发酵工艺[13-14]。

曹杰等[15]以打捆麦秸为固定相，以固定化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）浓度的猪粪废水为流动相，研究猪粪废水不同水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）对秸秆床反应器厌氧发酵产沼气的影响，结第20期陈广银等：基于改进秸秆床发酵系统的厌氧发酵产沼气特性245果显示，不同猪粪废水HRT下秸秆床反应器均能正常产沼气，维持猪粪废水HRT为1d的处理最大容积产气率达 2.29 m3/(m3·d)，产气稳定后维持在1.52～1.76 m3/(m3·d)，较猪粪废水HRT为3和5 d 的处理分别提高50%和130%。

Andersson等[16]研究表明，将秸秆作为两相厌氧发酵甲烷相填料较玻璃和塑料填料具有更好的容积产气率和COD去除率。

查阅大量文献发现，现有对养殖废水与秸秆混合发酵的研究较少，已有的研究均采用将养殖废水与秸秆直接混合批式厌氧发酵的方式[17-19]，该方式虽然操作简单，但处理养殖废水量较少，且周期较长，不符合养殖废水每天产生的特点，故该方式并不能解决养殖废水的处理问题。

基于秸秆疏松多孔、养殖废水易流动的特点，拟以打捆秸秆为固定相，养殖废水为流动相的秸秆床厌氧发酵系统处理养殖废水和秸秆，国内外还鲜有这方面的研究报道，不但同时处理了秸秆和养殖废水，且实现了养殖废水的半连续进料，符合养殖场的需求。

本试验以打捆麦秸为固定相，以猪粪废水为流动相，组成秸秆床反应器，并在后部连接二级厌氧反应器，秸秆床反应器出水进入二级厌氧反应器进一步厌氧发酵产沼气，通过逐渐提高猪粪废水有机负荷（organic loading rate，OLR）的方式，研究该发酵系统的可行性及产气效果，为农村多元废弃物沼气工程提供技术支持。

1 材料与方法1.1 试验材料麦秸取自江苏省农业科学院小麦试验田，风干，人工打成圆柱形捆（麦秸质量300 g，高约20 cm，直径约18 cm，容重为0.059×103 kg/m3），于干燥阴凉处备用，总固体（total solid，TS）质量分数为90.38%，挥发性固体（volatile solid，VS）质量分数为87.78%，C/N为52.73；猪粪pH值为7.23，以猪粪水稀释液模拟猪粪废水，过20目筛后用于本试验；接种污泥由实验室自行驯化，TS为3.43%，VS为57.32%，pH值为7.71。

文中物质含量均为占干物质的百分比。

1.2 试验方法试验用秸秆床发酵系统（见图1）由2套总容积各5 L的有机玻璃罐串联而成，打捆秸秆位于秸秆床反应器（1#）内，猪粪废水从秸秆床反应器底部进水口进入，同时，等量的发酵液从反应器上部出水口排出，用蠕动泵泵入二级厌氧反应器（2#）继续发酵。

秸秆床反应器和二级厌氧反应器均采用水浴夹套加热方式，发酵温度均为(37±1)℃。

试验设3个处理，处理1为秸秆床厌氧发酵系统，每日向秸秆床反应器底部进猪粪废水，试验过程中逐步提高猪粪废水COD负荷；处理2，为纯猪粪废水厌氧发酵，除第1个反应器内未添加打捆秸秆外，其他操作同处理1；处理3，为纯秸秆批式厌氧发酵，目的是作为纯秸秆产气的对照，如采用与处理1、2相同的两阶段发酵方式，由于秸秆水解产酸速率低，较低浓度的水解液在第2级反应器内转化率较低，势必影响秸秆干物质产气量，故采取批式厌氧发酵方式，将与处理1等质量的打捆秸秆装入同规格厌氧发酵罐内进行厌氧发酵产沼气，每个处理2个平行。

各处理装料情况见表1。

图1 试验用发酵装置示意图Fig.1 Schematic diagram of bioreactor used in experiments表1 试验装料配比Table 1 Ratio of experimental materials 处理编号Treatment No.第1级First stage (1#)第2级Second stage (2#) 1总固体质量（total solid，TS）300 g打捆麦秸，接种物3.7 kg3 kg接种物和1 kg水2 接种物3.7和0.3 kg水 3kg接种物和1 kg水3 TS质量300 g的打捆麦秸，接种物3.7 kg试验启动后，每天向处理1和处理2第1级反应器添加等量猪粪废水。

由于试验用猪粪废水来自猪粪水稀释液过20目筛后的筛下物，故其COD浓度波动较大。

试验启动后的前20 d，该阶段秸秆厌氧发酵产气量较高，为避免猪粪废水进料对秸秆发酵造成太大的冲击，故该阶段猪粪废水进水量较小，固定猪粪废水HRT为20 d，即每天加入猪粪废水200 mL，第1天向第1级反应器加入的猪粪废水OLR为0.5 kg/(m3·d)，每5 d为1个周期逐步增加猪粪废水COD浓度至15 000～20 000 mg/L。

受限于猪粪废水COD浓度难以继续提高，故20 d后固定猪粪废水COD浓度，逐步增大猪粪废水进水量，每5 d为1个周期，从200 mL增加至300、500、700、900、1 200、1 500 mL。

在试验第51和52天猪粪废水添加量达1 500 mL，此时猪粪废水OLR 达6.4 kg/(m3·d)。

但由于猪粪废水进水量过大，造成反应器内短流严重，故52 d后停止添加猪粪废水，相应的二级厌氧反应器停止进水。

由于本试验农业工程学报 2014年246所用猪粪废水为猪粪水稀释液过20目筛的筛下物，受限于每次配水量有限，试验前20 d 1次配水可连续使用5 d，20 d后随着猪粪废水进水量逐渐增加，一次配水从试验初期可使用5 d到试验后期2 d配水1次，故试验过程中猪粪废水COD浓度以及OLR 波动较大。