高密度方捆稻秸干发酵温度分布特性和产气效果研究

李瑞容， 孔 伟， 曹 杰， 王鹏军， 曲浩丽， 韩柏和， 陈永生

(农业部南京农业机械化研究所， 南京 210014)

我国是一个农业大国，每年产生大量的畜禽粪便和农作物秸秆，这些废弃物以年均5%的速度增长。然而，这些废弃物并没有得到合理的利用，大量畜禽粪便被随意排放，秸秆被任意焚烧，既产生雾霾污染环境，又是资源的极大浪费[1-3]。厌氧干发酵技术(发酵底物固含量 TS≥20%)具有原料适应性强、有机负荷高、过程能耗较低、无沼液二次排放等特点受到广泛关注和应用[4-6]。随着秸秆收—储—运体系的完善和打捆一体化装备的推广，收获的高密度秸秆捆尤其适用于高浓度的厌氧干发酵[7-8]。

温度是影响沼气发酵产气效率的关键因素[9]，它通过对酶的活性、微生物代谢方式、基质扩散速率等方面影响厌氧发酵，进而改变了沼气的产量[10-12]。现有的研究主要集中于试验室规模的不同稳定温度条件下各个温度值对发酵产气效率的影响[13]，但在整个发酵周期中，物料的温度是动态变化的，短期的温度变化皆会影响发酵参数的变化[14]。可见，研究发酵装置内温度场的变化对工程的稳定运行有着重要的意义，已有一些学者开展了试验和模拟研究：罗涛[15]等研究了进料对发酵系统热量损失和罐内温度场分布的影响规律，得到连续进料的最适进料速度；毕峻玮[16]等对沼气池进行了搅拌后速度场和温度场的双重验证，通过秩和分析得到模型的温度变化规律与实际测试结果变化规律相同；石惠娴[17]等采用地源热泵加温厌氧消化池的前提下，研究和分析了中温发酵沼气池实际运行中温度场的分布特性；张君美[18]等用实验研究和数值模拟相结合的方法，研究不同加热位置对沼气罐内的温度场分布的影响；张少鹏[19]等采用现实沼气工程罐内盘管底部加热方式，分别研究了纯水体系和秸秆发酵体系的温度场分布规律。

可见，上述研究采用的原料主要是畜禽粪便和粉碎秸秆，局限于加热方式、加热位置、连续进料等外部因素对温度场的影响[20]，忽略了常温发酵中生物热的内部因素影响。因此，本文以高密度方捆秸秆和猪粪为原料，试验分析常温干发酵过程中温度分布特性和产气特性变化，寻求最优的工艺参数，减少发酵温度分布不均和发酵盲区，提高产气效率，以期指导大中型沼气工程实践。

1 材料与方法

1.1 试验材料

水稻秸秆取自江苏省常熟市田娘农场，经稻麦联合收割机捡拾打捆后(长×宽×高为70 cm×50

cm×30 cm)备用，单捆稻秸重量约9 kg，单捆稻秸平均密度约为85.71 kg·m-3。新鲜的猪粪取自实验基地附近某养猪场，发酵接种物取自实验基地的CSTR反应装置中的发酵沼液，具体的理化性质如表1所示。

表1 厌氧干发酵原料的理化性质

1.2 试验装置

试验采用自行研制的柔性顶膜车库式干发酵装置，主要由干发酵库主体、库门密封系统、内部循环喷淋系统、太阳能联合沼气锅炉增温系统、沼气净化系统、沼气存储系统、智能监控系统等组成，如图1所示。该发酵装置采用小型装载机和输送装置从库门和顶部进出料，原料采用方捆稻秸、猪粪和菌剂交替铺放的形式堆置。进料完成后，将顶部的红泥塑料覆盖采用水压密封，库门关闭后开启充气密封系统，完成进料和密封工作。在发酵过程中，根据监控系统显示的温度，湿度，pH值等参数，开启内部循环喷淋系统对发酵环境进行调节，有效防止局部酸化，提高干发酵的产气效率。

1.保温系统； 2.锁紧机构； 3.含保温被的温棚； 4.库门密封系统； 5.内部循环喷淋系统； 6.沼气稳压罐； 7.智能监控系统； 8.沼气脱水罐； 9.沼气脱硫罐； 10.储气罐； 11.沼气锅炉； 12.软水装置； 13.太阳能增温系统； 14.储热水箱； 15.增压风机； 16.热水盘管图1 车库式干发酵系统

其中，发酵库主体主要由库体、库门、渗滤液池、喷淋系统、增温盘管、柔性顶膜、温棚、保温被和监控装置等组成。库体的单个有效容积73.8 m3，内部尺寸(长×宽×高)为8.2 m×3 m×3 m，共有2个。在发酵库内部后方的地面以下设置有一个渗滤液池，其尺寸(长×宽×高)为2.0 m×1.0 m×1.0 m。发酵库主要的保温结构有： 1)发酵库底部，以碎石做基地，加盖加气混凝土，最后浇筑200 mm的细石混凝土层； 2)发酵库四周，在厚度为250 mm的钢筋混凝土库壁外将苯板粘贴上，用膨胀螺钉加以锚固，然后在苯板外表面上覆盖彩钢板； 3)发酵库顶部，在柔性顶膜上方架设可根据库内温度自动开合的保温被，并在保温被系统外部构建一个塑料温棚； 4)管道，在镀锌钢管外部包裹聚乙烯保温套管并缠绕防水胶布。

1.3 试验方案

本次捆式稻秸干发酵试验于2016年4月26日～2016年6月4日进行，共计40天。试验采用人工进料，将稻秸方捆水平铺放在库底部，平铺一层后，将搅拌均匀的新鲜猪粪和菌剂均匀铺在稻秸方捆上，如此往复，共叠放6层稻秸方捆。进料完成后，启动密封系统，采用库内渗滤液池中沼液进行内部循环喷淋，将物料含水量调至70%～75%，然后静置堆沤5天。堆沤完成后，启动离心泵打入沼液将库内物料含水率调至80%。最后，覆盖柔性顶膜和自动温控式保温被，采用水密封发酵库。发酵过程中，每天早晚各喷淋1次，喷淋时间30 min，喷淋量10 m3。

根据进料后的物料总高度约2.4 m，将物料纵向平均分为4分，选取3个测温层，其距离地面高度分别为0.6 m，1.2 m，1.8 m。每个测温层设置13个温度测试点，3层共39个温度测试点，如图2所示。根据设置好的温度探头安放位置，在顶层物料上精确测量并用记号笔画好定位点，将定制长度为0.6 m，1.2 m和1.8 m的温度传感器按照定位点分别放置好，数据线从上部引出，采用顶部的柔性顶膜水密封。本次试验针对方捆稻秸—猪粪常温干发酵过程的温度场和产气效果开展研究，采用多项保温技术和渗滤液回流喷淋技术提高干发酵的传热传质效率，试验开始后，通过温度监控系统每隔1小时记录1次数据并保存在计算机中，每天按时读取沼气流量计数据1次，每天用红外沼气分析仪按时测量沼气中的甲烷和二氧化碳成分1次。

1.4 试验仪器与设备

温度的测定通过不锈钢温度传感器PT100(北京昆仑海岸传感技术有限公司生产，量程为-50℃～300℃，精度为±0.15℃)、数据采集模块KL-4542B，上位机存储记录，试验前用标准水银温度计对温度传感器进行标定；沼气产量的测定采用BF-30008-160超声波沼气流量计；沼气中甲烷体积分数的测定采用在线红外沼气分析仪Gasboard-3200；TS的测定采用105℃烘干24 h，差重法测定；VS的测定采用550℃灼烧4 h，差重法测定；pH值的测定采用雷磁pHS-2F型酸度计；有机碳的测定含量采用重铬酸钾氧化-外加热法；全氮的测定采用H2SO4-H2O2消煮，蒸馏定氮法。

图2 干发酵物料分层示意图

图3 发酵库和渗滤液池内温度探头安放位置图

2 结果与分析

2.1 发酵库内物料和沼液平均温度变化

本次试验从堆沤结束、覆盖柔性膜后开始，共计40天。库内物料均温数值是取每日发酵库内每层物料中13个温度传感器的平均值，沼液温度数值是取发酵库底部渗滤液池中4个不同位置的温度传感器的平均值。由图4可见，在发酵周期内，库内物料均温呈现开始迅速上升后略降低，随后保持稳定的变化趋势。

首先，从第1天开始发酵物料均温迅速上升，于第12天达到最高温度24.79℃，其主要原因是厌氧发酵前期，原料中营养物质浓度高，经过微生物的分解产生大量的生物热，这些热量一部分用于合成高能物质，供应微生物合成和代谢的需要，一部分用来合成代谢产物，其余的部分以热量的形式散发出，使得物料温度不断升高，而适当的温度上升提高了微生物的比生长速率、活化能和酶促反应速度。而此时的产酸菌和产甲烷菌处于对数生长阶段，呼吸作用强烈，细胞数量大幅增长，产生大量的热，促使发酵前期物料温度由原始的进料温度21.21℃不断上升至24.79℃。第13天至发酵周期结束，物料温度随着厌氧发酵的进行，原料中有机质的消耗，微生物生长速率和增长速度减缓，原料的各个区域中乙酸，H2，CO2和NH3等均保持在一定的浓度范围内，产酸菌和产甲烷菌的总代谢能力达到相对平衡，产热速率趋于平稳，这段时间的温度维持在24.03℃～24.79℃之间，日均温变化≤0.2℃。

图4 库内物料平均温度、沼液温度和环境温度的变化趋势图

沼液温度在发酵周期内整体呈缓慢上升趋势，第1天至第11天沼液温度上升速率较快，由17.03℃上升至21.61℃；第12天至第16天稳中有降，第17天至发酵结束呈现缓慢上升趋势，温度变化范围稳定在21.61℃～21.93℃。由于每天均采用喷淋回流技术进行干发酵传热传质强化，在发酵初期，沼液中易分解的蛋白质和糖类迅速被菌群分解，产生大量的生物热，沼液快速增温；发酵中后期，沼液中有机质浓度降低，产热速率减缓，通过与发酵物料的热交换，其温度呈现缓慢上升趋势。

2.2 发酵过程中物料温度分布特性

在大中型沼气工程中，由于发酵库的容积大、发酵原料的物理特性和微生物分布不均，库内各个点的温度有所不同，这直接影响沼气工程的产气效率和产气质量。根据发酵库内上中下3层，每层13个分布不同位置的温度传感器，共39个温度传感器，每1小时记录1次数值绘制成图5～图8。

图5 顶层物料(距地面高度H=1.8 m)温度变化趋势图

图5为第1层物料温度随时间变化的趋势图，该层物料位于整体物料的最顶层部位。由图可见，第1层物料温度在发酵前期均呈现快速上升趋势，达到最大值后各点温度曲线呈现较大的波动，各个点的温度变化过程比较复杂。这主要由于发酵库顶部为柔性顶膜结构，是整个库体散热量最大的部位，采取了架设温棚和智能型保温被的增保温措施，白天时保温被打开接收太阳辐射，增加顶层物料的温度；晚间保温被根据环境温度关闭，防止库内热量的散失。

表2 第1层物料中各温度点变化情况 (℃)

从表2分析，温度点7处于物料层的正中间部位，不仅最大程度的吸收上部太阳辐射热量并受其影响显著，而且下部物料产生的生物热也传递到该处，使得其整体温度高于其余各点；而温度点5，6，8，9由于处于渗滤液回流的集中区域，每天1～2次的喷淋回流导致该处的温度波动，且液体的对流换热也降低了这几处的温度，这几处温度受到环境因素的影响明显；温度点1-4和10-13的温度比较稳定，这主要是由于这几个点都处于发酵库顶部的混凝土部位下方，受到太阳能辐射热量直接扰动有限，其中温度点1，2，12，13还处于渗滤液喷淋回流的边缘区域，热量损失减低。

图6 中层物料(距地面高度H=1.2 m)温度变化趋势图

(℃)

图6为第2层物料温度随时间变化的趋势图，该层物料位于整体物料的中间部位，第13天左右达到最高温度，随后在小幅波动中略有下降，波动幅度较上层小。从表3可见，该层各个点的温度值较为接近，温度场分布较均匀，其中3-11点的平均温度略高于1，2，12，13点，究其原因主要是：1)该层处于发酵物料的中间部位，受到太阳辐射的扰动作用较小；2)由于打捆秸秆的密度大、孔隙率小，喷淋回流的渗滤液易在物料表面形成沟流，液体的入渗较缓慢，使得中间层的物料处于一个较稳定的发酵环境。

图7 低层物料(距地面高度H=0.6 m)温度变化趋势图

图7为第3层物料温度随时间变化的趋势图，该层物料位于整体物料的底层部位，在第14天左右达到最高温度，随后平稳下降，其波动性较上面两层小，究其原因主要是：物料上覆载荷和生物降解的影响产生沉降变形，变形应力降低了底层物料的孔隙率和导热性；且底层物料部分均匀的浸泡在沼液中，沼液含有大量有机酸、腐殖质和微生物，大大促进了底层有机质的降解和生物热的产生；同时最底层受环境温度的影响较小，使得底层物料的温度梯度变化较为平稳。

表4 第3层物料中各温度点变化情况 (℃)

从表4分析得出，该层的温度场呈现中间高四周低的阶梯分布，其中，温度点5，6，7，8，9属于该层中温度较高的区域，这几个点处于物料的中间部位，不仅热量散失的少，而且接受上部物料的传递热量较多；温度点1，2，12，13属于该层中温度偏低的区域，温度扰动现象较明显，其一是离壁面较近，散热量较大；其二是打捆秸秆与壁面有一段盘管架的距离，使得部分喷淋液体沿着壁面流动，对流换热现象降低了该处的温度。

图8 3层物料均温变化趋势图

从图8可得，方捆稻秸厌氧干发酵中各层平均温度呈现第3层>第1层>第2层，其稳定性呈现第3层>第2层>第1层。其中，第1层和第2层物料的均温整体变化趋势相似，前期温度迅速攀升，后期呈现波动性变化，第1层的后期波动较第2层大。第3层物料的均温前期迅速上升，其最高温度到达时间比其他两层的略有延迟，温度峰值也较高，后期温度稳定下降。

图9 日产气量和累计产气量的变化趋势图

2.3 产气效果

方捆稻秸厌氧干发酵过程中日产气量和累计产气量变化情况如图9所示。由图可见，日产气量从第1天开始迅速增加，于第14天达到产气峰值，为33.41 m3，其对应的有效容积产气率为0.57 m3·m-3d-1，维持短暂的高峰值日产气量后迅速降低，在第18天后日产气量维持小幅度的波动。在40天的厌氧发酵周期中，总产气量为766.18 m3，日均产气量为19.11 m3，有效容积产气率为0.33 m3·m-3d-1(发酵物料有效容积为59.04 m3)。从日产气量的变化看，发酵温度对方捆稻秸干发酵的日产气量影响较大，主要表现为日产气量随着温度的增加而增加，由图10可见，日产气量到达峰值的时间较物料均温达到最高值的时间延后2天，表明在微生物细胞代谢运动产生的生物热和太阳辐射热的共同作用下，造成发酵物料温度的持续升高，从而促进产酸菌和产甲烷菌的生长速率，提高日产气量，但方捆稻秸堆积密度大，且发酵一段时间后，随着物料的降解，其孔隙率和有效传热系数都有所降低，传热效率也大大降低，直接导致产气量峰值的延后。需要注意的是，在产气峰值后，物料温度较为稳定，但日产气量却出现明显的下降，表明TS浓度越高，有机酸的累积越容易出现。

方捆稻秸厌氧干发酵过程中甲烷浓度(体积分数)和二氧化碳浓度(体积分数)的变化如图11所示。由图可见，在发酵周期中，甲烷浓度变化趋势为逐渐增加后趋于稳定；甲烷浓度从发酵第1天的13.13%迅速上升至第7天的30.05%，即达到工程运行中沼气收集的低值；从第11天至厌氧发酵周期结束，甲烷浓度保持在50.42%～61.78%之间。二氧化碳体积分数变化趋势为迅速增加至最大值，随后缓慢降低趋于平稳，维持在36.50%左右。可见，甲烷浓度随着温度的升高而升高，并在温度稳定后仍持续增长，表明进入产气高峰期后，产甲烷菌代谢旺盛，适量的有机酸为产甲烷提供原料，使甲烷浓度保持较高的状态。

图10 日产气量和库内物料均温变化趋势图

图11 甲烷浓度和二氧化碳浓度的变化趋势图

3 结论

通过对方捆稻秸—猪粪常温干发酵过程中温度场和产气效率的试验结果分析，可以得出以下结论：

(1)在40天的常温发酵周期内，库内物料均温呈现开始迅速上升后略降低，随后保持稳定，日均温变化≤0.2℃；沼液温度在发酵周期内整体呈上升趋势，从17.03℃上升至21.93℃。

(2)方捆稻秸厌氧干发酵过程中各层平均温度呈现第3层>第1层>第2层，其稳定性呈现第3层>第2层>第1层。

(3)在常温干发酵试验中，日产气量随着温度的增加而增加，至峰值后下降并保持稳定，且日产气量到达峰值的时间较物料均温到达最高值的时间略有延迟，有效容积产气率为0.33 m3·m-3d-1，稳定后甲烷浓度保持在50.42%以上。