沼气干发酵的工艺条件
1 原料的 C/N比
发酵原料的 C/N比 ,是指原料中有机碳素和氮素含量的比例关系。在沼气发酵过程中 ,由于有CH4不断生成 ,原料的 C/ N 比是不断下降的 ,因此进料的 C/ N比可适当高些。当原料中 N 的含量过高时 ,高浓度的氨态氮(NH32N)将抑制厌氧发酵 ,在消化过程中当氨浓度增加到2000 mg· L - 1以上时 ,甲烷产量降低。目前 ,一般认为沼气干发酵适宜的C/N比为 25～30。为了保证合适的 C/ N 比 ,需要对发酵过程的营养物质进行调控。孙国朝等在干发酵的工艺条件研究中 ,以不同的草粪比 1∶ 1 ,2∶ 1 进行试验 ,研究结果表明两者的发酵效果均良好 ,产气效果没有明显区别。邹元良等选用猪粪、 麦秸为原料进行原料的配比试验 ,结果表明配比为7∶ 3或者6∶ 4是比较合适的。Zhang Ruihong在试验研究中把NH3 添加到稻草消化液中 ,作为N 源的补充 ,以调节发酵原料的碳氮比为25左右。
2 原料的预处理
原料预处理包括物理预处理、化学预处理和生物预处理。物理预处理包括切碎、研磨等方法。Zhang Ruihong在用稻草为底物的沼气干发酵试验中 ,采用研磨和切碎两种物理预处理方法处理稻草 ,研磨比切碎在沼气产量上高出 12.5 %。L M Pal2mowski 等研究了有机废弃物厌氧消化时 ,废弃物颗粒大小对产气效果的影响 ,对于纤维素含量高的固体废物,粉碎能显著提高沼气产量和有机物的降解率以及缩短消化时间 ,减小了消化体积。冷成保等在暗河式生活垃圾干发酵处理研究中 ,把垃圾用破碎机破碎以减少垃圾的粒径。化学预处理包括酸碱浸泡、 热处理等。Ghosh 等研究了用碱预处理城市固体垃圾后进行高温(55 ℃)两相消化处理 ,甲烷产量提高 35 %。Zhang Ruihong在进行稻草固体厌氧消化的研究中 ,对稻草分别进行 60 ℃,90℃,110 ℃ 的热处理 ,结果是预处理的温度越高 ,甲烷生成量越多。生物预处理主要是指发酵原料的好氧堆沤 ,邹元良等在农村沼气干发酵的研究中指出 ,对发酵原料进行 3～5 天的堆沤 ,有利于控制发
酵原料的酸碱度 ,使原料获得抗酸化的能力 ,可有效解决干发酵中易出现酸化的问题。
3 干物质浓度
水分是微生物活动不可缺少的重要因素 ,在干发酵过程中如果干物质浓度过高而水分含量过低 ,会导致挥发性酸的积累 ,引发酸中毒 ,从而导致干发酵过程的终止。刘晓风等对城市有机垃圾进行干发酵研究发现 ,TS浓度在30 %～40 %是比较理想的干物质浓度。冷成保在暗河式生活垃圾干发酵处理研究中指出 ,在控制总 C/ N(为30∶ 1 左右)满足厌氧消化顺利进行的情况下 ,对垃圾固体含量从8 %～40 %进行实验 ,认为25 %～30 %是较理想的干物质浓度。孙国朝等以草和粪为发酵原料 ,在TS含量为8 %～30 %时 ,随着 TS含量的增加 ,产生的沼气中甲烷含量有所下降 ,CO2 含量有所上升 ,但产生的总沼气量相应增加 ,当 TS含量为 35 %时 ,pH为5. 5～5. 6 ,发生酸积累 ,沼气发酵受抑制。
4 接种物
优质足量的接种物是沼气干发酵顺利启动的重要保证。邹元良等指出 ,取产气正常的沼气池中的活性污泥为接种物 ,以比重 1.03 ,波美度 4 作为一个粗略的指标 ,可保证接种物质量。刘晓风等对城市有机垃圾厌氧进行干发酵研究中 ,选择厌氧消化污泥作为接种物 ,按试验原料的总 TS量与接种物量 10∶ 1 进行接种 ,结果表明发酵和产气均正常。孙国朝等指出 ,加大接种量 ,是防止干发酵前期偏酸、 缩短干发酵启动时间的关键措施 ,但是干发酵接种量达到一定时,分解率就达到了一定极限 ,接种剂量在20 %～30 %范围内为宜。
5 发酵温度
根据发酵温度不同 ,厌氧干发酵分为常温发酵、中温发酵(30 ℃～38 ℃) 和高温发酵(50 ℃～55℃)。常温发酵 ,产气率低 ,产气周期长 ,受环境温度影响大。中温发酵与常温发酵相比 ,分解快、 产气率高、 气质好 ,有利于规模化生产。高温发酵 ,分解快、 产气率高、 环保效果好 ,但气质稍差、 耗能较多。
6 pH值
厌氧发酵的适合pH值为6. 8～7. 4 ,6. 4 以下或7. 6以上都对产气有抑止作用 ,pH值在5. 5以下 ,产甲烷菌的活动则完全受到抑止。在沼气干发酵过程中 ,如果水解发酵阶段与产酸阶段的反应速度超过产甲烷阶段 ,则pH值会降低 ,影响甲烷菌的生活环境。在沼气干发酵启动过程中 ,时常有这种现象发生 ,即酸中毒。对发酵原料进行1～3天的好氧堆沤 ,可减少挥发性脂肪酸 ,从而有利于沼气干发酵启动时的 pH 值处于正常范围内。在发酵过程中 ,对发酵原料的pH值进行监控 ,当pH值低于6. 4时 ,可加入石灰水或者氨水调节 ,可保证沼气干发酵过程的顺利进行。
7 搅拌
对发酵物进行适当的搅拌 ,可使微生物与发酵原料充分接触 ,增加原料的分解速度 ,扩大活性层 ,使得所产生的沼气容易分离而逸出 ,提高产气率。常用的搅拌方法有液流搅拌和机械搅拌。液流搅拌即从外部将发酵液从反应器底部抽出 ,再从反应器顶部以一定角度喷回。车库型干发酵系统、 渗滤液储存桶型干发酵系统都采用了液流搅拌。机械搅拌是指在反应器内安装叶轮等进行的搅拌。目前 ,已有对沼气干发酵机械搅拌进行的试验研究如甘如海对畜禽粪便厌氧干发酵处理搅拌反应器的试验研究。
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