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影响干式厌氧发酵技术的六大因素

更新时间:2017-06-06      点击次数:1887

干式发酵是指以有机废弃物为原料(干物质浓度在25%以上),利用水解产酸菌、产氢产乙酸菌和产甲烷菌将其分解为CH4CO2H2S等气体的发酵工艺。由于固体浓度太高难以采用连续投料或半投料的投料方式,绝大数均采用批量投料。红外沼气分析仪Gasboard-3200系列。

一、干式厌氧发酵技术的应用范围

1.城市生活垃圾

组成:食物残渣,废纸,玻璃、陶瓷、塑料、金属制品等废物,煤灰渣及粪便等。

特性:组分复杂且随季节、场合而异;食品残渣的比例需达到60%以上,尚未实现分类收集,用于堆肥时需经分选。

2.禽畜粪便

组成:鸡、鹌鹑、鸭、鹅等禽粪尿;猪、羊、牛等畜粪尿;兔、蚕、蚯蚓等其他动物粪尿及冲刷废水。

特性:有恶臭,孽生蚊蝇且携带大量病菌及虫卵,但有机质、N、P、K及微量元素丰富,C/N比较低,适合用作堆肥、饲料和产沼的原料。可直接用作土壤改良剂,促进作物增产。

3.污泥

组成:沉砂池沉渣、浮渣、初沉污泥、二沉池污泥、活性污泥、消化污泥以及造纸污泥、炼油污泥等。

特性:易于腐化发臭、含水率高且不易脱水;有机物含量约50%,植物营养素丰富,可用作土壤改良剂和堆肥原料,但需除去其中重金属、有机污染物、病原菌、寄生虫等有害成分。

4.农产品及其加工废物

组成:麦秸、稻草、玉米秆、树叶、杂草、木屑、玉米芯、豆荚、花生壳、棉籽壳、谷壳、棉秆、锯末等。

特性:以碳水化合物为主,种类多、数量大、廉价易得,是微生物良好的营养物质和堆肥理想原料;物化性质良好,适宜用作工业原料,干燥后热值高,燃烧清洁,灰分用途广泛。

5.厨余和泔脚

组成:米和面粉类食品残余,蔬菜、肉骨、鱼刺、瓜皮、果皮果壳、菜叶、剩饭、剩菜及废餐具、餐巾纸等。

特性:有机物含量高、热值低、易腐;含水率在80%左右;组成简单,毒害物质含量较少;营养成分丰富;来源复杂,需适当处理以截断病原菌,适用于堆肥产沼。

6.食品工业废渣

组成:麦麸、糟渣、蔗渣、骨粉、滤泥、糠醛渣、剑麻渣、食用菌渣等。

特性:产量大,可集中处理;营养元素全面,杂质少,适于用作饲料,堆肥原料和厌氧发酵产沼。

7.高浓度有机废水

组成:酒精、味精、发酵、屠宰、制糖、养殖、化工、食品行业的有机废水。

特性:COD含量高;废水中含有丰富的微生物菌群,其成分类似于生物有机肥菌种,可与秸秆、粪便一起生产有机生态肥。红外沼气分析仪Gasboard-3200系列。

二、影响干式厌氧发酵工艺的主要因素

厌氧发酵产气量的多少、运行的稳定性以及CH4含量的高低与发酵过程中工艺条件的控制密切相关。由于发酵原料干物质浓度高导致进料难、传热传质不均匀、酸中毒等问题成为干式厌氧发酵工艺的技术难点,对此国内外都进行了深入的研究,其中有研究表明影响干式厌氧发酵产气性能稳定运行的主要因素包括:底物组成、底物预处理、接种物、有机负荷、pH值和温度以及搅拌等。红外沼气分析仪Gasboard-3200系列。

1.底物组成

由于底物本身特性的不同,发酵产生的沼气产量相差较大,众多研究表明:厌氧发酵底物的C/N比值以20~30为宜,过高与过低均会影响底物产气量或产气速率。C/N比过高,发酵过程有机酸会大量累积;C/N比过低,有机物的分解会受到抑制,同时会产生大量的NH3抑制产甲烷菌的活性。

2.底物预处理

对于固体含量高的有机废弃物的厌氧发酵,底物的水解阶段是在整个厌氧发酵过程的限速阶段。底物的水解速率除了和自身特性有关外,还与其物理结构、性状以及底物与水解酶接触难易程度有关。通过一定的预处理技术减少底物的颗粒直径、改善底物与酶的亲和能力等,不仅可以促进有机物的分解,而且还可以为微生物生长繁殖创造适宜的环境,增大微生物与发酵底物的接触面积,同时可以显著地提高底物水解速率和产气量。

目前比较常见的预处理方法有物理预处理法、化学预处理法和生物预处理法。

1)物理预处理法

物理预处理法是通过改变底物物理特性促进厌氧发酵,主要方法有切碎、研磨、浸泡、冷冻、微波、超声波、蒸汽爆破、脉冲等。

2)化学预处理法

化学预处理法可以促进复杂有机物质降解转变为易于生物降解的小分子物质,如葡萄糖、乙酸等,从而提高产气效率,通常是酸、碱法。

酸水解法可以破坏秸秆中纤维素的晶体结构,使秸秆变得疏松,但高浓度的酸会产生对沼气发酵有抑制作用的副产品,如糠醛等。碱水解法的机理是利用碱破坏木质素的醚键、皂化半纤维素和木质素之间的酯键,从而削弱纤维素、半纤维素内部氢键的结合,使纤维素水解膨胀,结晶度降低,并且半纤维素在碱的作用下溶解,有利于生物质秸秆的酶解。

3)生物预处理方法

生物预处理法主要是利用微生物产生胞外酶等物质预先水解底物,具体反应体系条件温和、对木质素的降解具有专一性、反应过程能耗较低、对环境产生污染较少等优点。

3.接种物

在干式厌氧发酵过程中,由于固体浓度高,加入足够所需的微生物作为接种物是极其重要的,甚至关系到干发酵的成败。接种物的来源、富集培养方式及添加比例对厌氧发酵影响很大。一般情况下,厌氧干法发酵时菌种与发酵原料的比例为1:5左右,若能达到3:10以上,可以提高产气率和沼气中CH4的百分比。

4.有机负荷

有机负荷时厌氧消化系统中生物转化能力的度量。如果有机负荷过大,会造成挥发性有机酸的积累,形成“酸中毒”现象,不利于产生CH4微生物的生长繁殖;但如果过小,处理效率将大大降低,造成资源量费。研究表明:在TS浓度为20%~50%的情况下,能正常产出CH4。随着TS浓度的增高,产CH4量逐渐降低:在TS浓度为20%~40%范围内降低幅度不大;在TS浓度为50%时,产CH4量大大降低。

5.pH值及温度

厌氧发酵系统中产酸菌可以在pH为5.5~8.5范围内良好生长,而产甲烷菌对pH变化非常敏感,低于5.5就会*受到抑制。干式厌氧发酵的适宜pH范围为6.8~7.4,低于6.4或者高于7.6都会对产气有抑制作用。因此,发酵体系的pH值应维持在6.5~7.8范围内。

发酵温度也是影响沼气干发酵的重要因素,温度与有机物分解过程有密切,在一定温度范围内,温度越高,原料有机物分解越快。30~35℃(中温)与50~55℃(高温)是厌氧发酵的2个适宜温度段。研究表明:中温厌氧发酵工艺所需热量少,运行稳定,便于管理,较适宜干式厌氧发酵工艺。

6.搅拌

在配料不当或者原料浓度较高的情况下,常会在启动阶段发生pH剧烈下降的现象,即“酸中毒”。搅拌能够避免装置中原料局部酸积累,使发酵原料分布均匀,增加微生物与原料的接触和反应,扩大活性层,同时防止大量原料浮面结壳、原料利用率降低、产生的沼气释放不出来等问题。

三、干式厌氧发酵的主要工艺

国外对沼气干发酵技术的研究比我国早,整体技术水平较我国。从20世纪40年代起,德国、法国和阿尔及利亚就开始运用批量式沼气干发酵技术。20世纪80年代,德国、荷兰、瑞士、布基纳法索、尼日尔等国家对沼气干发酵进行了深入的研究。20世纪90年代,德国大量资助新型的间歇式干式发酵技术研究,在90年代末,该项工艺和装备通过了中试,并于2002年生产出产业化装备,投入实际运行。目前国外的沼气干式发酵技术已经成熟,如车库型干发酵系统、气袋型干发酵系统、干湿联合型发酵系统、渗滤液储存桶型干发酵系统等大型沼气干发酵系统,已投入生产性应用以及规模化的沼气生产。红外沼气分析仪Gasboard-3200系列。

国外部分干式厌氧发酵工艺技术对比

(来源:公众号@沼气圈)

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