不同粒径稻草的漂浮特性和厌氧发酵产气性能研究

邾宏志， 袁海荣， Akiber Chufo Wachemo,2， 左晓宇, 李秀金

(1.北京化工大学 环境科学与工程系， 北京 100029； 2.Department of Water Supply and Environmental Engineering, Arba Minch University, Arba Minch P O Box 21, Ethiopia)

作为世界公认的农业大国，我国的农业播种面积在逐年增加[1]，秸秆产量也不断增长。 2017年我国秸秆的理论资源量为8.84亿吨，可收集资源量约为7.36亿吨，其中稻草占比为25.1%。而大部分秸秆并未得到合理利用，传统的处理方式以就地焚烧或随意抛弃为主，这将带来一系列环境问题[2]，并威胁到人类的健康。目前，废弃生物质的资源化利用[3]已经颇受关注，而利用厌氧发酵产沼气是一种较为充分的秸秆利用方式[4]。该方法还具有生产成本低、工艺简单、能源清洁和效益高的特点，产生的沼渣沼液也可以作为有机肥料使用[5]。这一处理方式消除了秸秆随意处置的污染问题，同时沼气作为清洁的可再生能源[6]，也可以缓解世界范围内的能源危机问题。

秸秆用于沼气工程中时，原料需要粉碎后使用以提高厌氧发酵效率[7]，但是粉碎过程往往伴随着巨大的能耗，且粒径大小对耗电量有直接影响。此外秸秆的密度小且流动性差，容易在发酵装置中产生上浮结壳现象，使得罐内物料体积膨胀，这不利于沼气生产过程的正常运行，工程上往往采取机械搅拌的方式打破壳层使物料充分混合[8]。为合理安排搅拌频率减少能量消耗，因此有必要对稻草发酵过程的漂浮层规律进行研究，为搅拌参数的设置和发酵罐体积设计提供基础数据和理论依据。Daniela Gallegos[9]等将麦秸破碎至2 cm和0.2 cm两种粒径，通过分析其单位VS的生化产甲烷潜力，得出粒径为0.2 cm的麦秸其生化产甲烷潜力较2 cm的试验组高出了26%。而何曼妮[10]在研究不同粒径玉米秸秆的厌氧消化性能时得出：厌氧发酵时粒径并非越小越好。以上研究都未指出粉碎过程的能量消耗问题。熊霞[11]等研究了玉米秸秆粒度(5 cm，1 cm和过筛10目)对发酵浮渣结壳层特性的影响，观测得出粒度与产气潜力呈负相关，与发酵物总厚度、结壳层失水厚度呈正相关，并给出结论小粒度秸秆是更优的发酵原料且选用大容器反应罐对于秸秆发酵更适宜。目前对于秸秆发酵过程的物料上浮形成结壳的机理已有报道，但很少有关于秸秆上浮特性的研究，而针对不同粒径稻草在不同发酵阶段的漂浮特性则更加鲜有报道。

本文研究了不同粒径的稻草厌氧发酵产沼气性能、以及发酵过程中秸秆的漂浮特性，结合不同粒径稻草粉碎时的能耗[12]，初步分析了不同粒径稻草的经济效益，为工程上稻草粉碎方式的选择提供参考。此外，通过观测产气高峰期和发酵末期罐内漂浮层高度随时间的变化规律，分析了稻草粒径和产气状况对于漂浮层形成的影响，用以指导发酵过程搅拌参数的设置。

1 材料与方法

1.1 试验材料

稻草，取自天津市武清区，自然风干后，利用铡刀切成小段，再利用粉碎机和不同孔径筛网粉碎至不同粒径，用自封袋封存后置于阴凉干燥处待用；接种物取自顺义沼气站猪粪厌氧消化后的沼渣沼液出料，于阴凉处静置一周后去除上清液待用，使用前需测接种物性质。稻草和接种物的基本性质见表1。

表1 试验原料基本参数

注：表中的数据均采用平均值(n=3)，a为鲜物质含量，b为干物质含量。

1.2 试验设计方案

1.2.1 厌氧发酵试验

试验为批式反应，试验装置主要有1 L蓝盖瓶，1 L集气瓶和集水槽，其中1 L蓝盖瓶为厌氧消化反应器，有效体积0.8 L，1 L集气瓶和集水槽组成排水集气装置，其中1 L蓝盖瓶被置于35℃±1℃恒温水箱中进行培养，期间每隔12 h手动摇瓶1次。厌氧发酵中稻草负荷为50 gTS·L-1，接种物添加量15 gMLSS·L-1，试验周期为50天。试验组粒径分别为40目，20目，10目和5目，稻草用KOH溶液在室温(20℃～25℃)下预处理3天，其中稻草干重:KOH∶H2O=1∶0.04∶6(质量比)，每种粒径进行3个平行试验。

1.2.2 稻草厌氧发酵漂浮特性试验

漂浮特性试验的主要目的是考察厌氧发酵在无搅拌状态下，反应容器内液位高度因物料漂浮而发生变化的规律及漂浮层大小。试验中的相关测量采取原位观察的方式进行，试验期间，停止对物料的手动搅拌，直至一个漂浮实验过程结束。不同粒径稻草的漂浮试验定在产气高峰阶段和厌氧发酵末期进行，漂浮实验开始后的24 h内，每隔2 h进行1次液面高度测量并计算失水漂浮层高度同时记录下当时的产气数据。

反应器有效反应体积为0.8 L，在气泡的浮力作用下，厌氧消化反应器内的物料出现整体上浮的现象。这里定义高于液面有效体积的部分为失水漂浮层，这一层处于发酵罐液面以上可能不利于厌氧发酵的进行。漂浮试验期间记录产气状况是为了探究产气速率与漂浮层厚度之间的联系。

1.3 分析方法

日产气量测定采用排水法计量；甲烷含量通过气相色谱仪SP-2100A测定；总固体TS和挥发性固体VS采用重量法测定，使用的仪器主要有烘箱、马弗炉、坩埚、干燥器和分析天平，参考标准为CJ/T 3039-1995和CJ/T 99-1999；木质纤维素采用仪器法通过全自动纤维素分析仪(ANKOM 2000i)测定。

2 结果与分析

2.1 日沼气产量

不同粒径试验组日产气量如图1所示，各组试验发酵过程中日产气量变化规律相似，都有3个产气高峰，40目和20目两组日产气量最高点都在第1个峰处，后两个峰产气峰值明显较小，第1个高峰分别出现在第5和第6天，较其余两组有所推迟，可能是粒径较细而预处理阶段生成较多溶解性有机物，因此发酵过程中迅速产生大量有机酸使得pH值降低，因而抑制了产甲烷菌活性。10目和5目两组都在第2个峰值处日产气量最高，第1个峰分别出现在第2和第3天，第2个峰分别出现在第18和第13天。从40目到5目这四组日产气量最高值分别为1100 mL，1060 mL，1340 mL和980 mL，5目稻草日产气量峰值最低，产气过程相对更缓和。40目和20目这两组酸化阶段不明显，5目和10目这两组都在第5天左右进入酸化阶段，但5目稻草恢复得更快，而10目稻草因为酸化时间较长因此积累的VFAs较多，因此其第2个产气高峰的产气量高于5目稻草。各组在3个产气高峰结束后产气量总体都呈递减趋势并趋于零。5目稻草累积产气量分别比10目，20目和40目稻草累积产气量高了9.10%，21.49%和8.70%。20目稻草累积产气量最低。

图1 各试验组日沼气产量

2.2 甲烷含量和累积甲烷产量

不同粒径稻草日产气甲烷含量如图2所示，4个试验组甲烷含量波动规律基本一致，第1天甲烷含量较高随后迅速降低至最低点，此时日产气量并未下降但是气体中二氧化碳含量增大使得甲烷含量降低。随后甲烷含量逐渐升高至峰值，然后甲烷含量又开始缓慢下降最后逐渐稳定在一定范围内。之所以各组甲烷含量在20 d左右有所下降，是因为甲烷含量与可供甲烷菌利用的小分子酸含量有关。由日产沼气量可知，各组在经历前期酸化阶段后均在18 d前达到第2个产气高峰，因此积累的VFAs被迅速消耗，小分子酸的含量也迅速降低，因此甲烷含量出现下降趋势。10目和5目两组都在第15天达到甲烷含量的峰值，并且峰值都将近80%，最后25天都基本稳定在55%～60%。40目和20目两组整体甲烷含量相对较平稳，没有明显的峰值，但相对其他两组它们在厌氧消化全过程都保持较高的甲烷含量，最后基本稳定在60%附近。40目和20目两组平均甲烷含量较其他组更高。

图2 各试验组日产甲烷含量

各试验组累积甲烷产量如图3所示，40目和20目稻草的累积甲烷产量呈逐渐上升趋势，而10目和5目稻草前期有一段斜率很小的曲线，这也是由于酸化导致该阶段甲烷产量极低。40目，20目，10目和5目稻草累积甲烷产量分别为7443.80 mL，6905.14 mL，7541.49 mL和8292.36 mL。5目稻草累积甲烷产量最高，比40目，20目和10目稻草累积甲烷产量分别高出了11.40%，20.09%和9.96%。

图3 各试验组累积甲烷产量

2.3 漂浮特性与产气关系

根据试验设计中的定义，将高于发酵罐液面有效体积的部分作为失水漂浮层，各试验组失水漂浮层厚度随时间变化以及当天产气情况见图4～图7。

从发酵阶段的角度分析，不同发酵阶段罐内物料漂浮的速率有较大差别，不同粒径的稻草在产气高峰时漂浮速率都较快，失水漂浮层的厚度峰值较高且达到峰值的时间较短。各试验组在前6h内失水漂浮层的厚度快速增加，12 h内各组都达到漂浮峰值。前6 h从40目到5目各组失水漂浮层厚度平均增长速率为2.33 mm·h-1，3.67 mm·h-1，3.17 mm·h-1和3.00 mm·h-1，最终达到的厚度峰值分别为14 mm，26 mm，26 mm和18 mm。除40目稻草外，其余各组在峰值附近稳定一段时间后逐渐降低，在16 h左右失水漂浮层厚度开始明显降低；而40目稻草在达到峰值后则迅速降低，这可能是由于粒度较小导致其漂浮层强度较低、结构不稳定所致。在第24 h时各组失水漂浮层厚度分别为7 mm，19 mm，19 mm和11 mm，分别比峰值时下降了50.00%，26.92%，26.92%，38.87%。而在厌氧发酵的末期失水漂浮层厚度增加趋势十分缓和，各组失水漂浮层厚度峰值分别为5 mm，6 mm，9 mm和8 mm，分别比产期高峰期达到的峰值降低了64.29%，76.92%，65.38%和55.56%。

观察高峰期漂浮曲线发现，5目，10目和20目这3组出现了两个峰值，这是由于这3组漂浮层厚度较大，使得漂浮层局部超出了保温水箱的液面，因此易受外界空气温度的影响，由于凌晨室内气温相对较低，漂浮层内气泡由于热胀冷缩而出现体积收缩的现象，因而导致漂浮层高度会有微小的降低。当气温回升时，漂浮层厚度又有所增加，因此会观察到两个峰值。

从产气曲线分析，产气高峰时的产气曲线斜率较大，表明产气速度较快；发酵末期产气曲线斜率较小表明产气十分缓慢甚至停滞。由此可以进一步证明，产气速率对于失水漂浮层厚度的增加影响较大。而随着漂浮层的增大，产气曲线斜率几乎保持不变，可以初步断定短时间内的漂浮现象不会使产气速率明显变化。在24 h内，高峰期时40目到5目各组的平均产气速率分别为27.92 mL·h-1，33.33 mL·h-1，29.17 mL·h-1和32.08 mL·h-1，发酵末期各组的平均产气速率分别为2.91 mL·h-1，6.67 mL·h-1，7.00 mL·h-1和7.70 mL·h-1，各组的末期的产气速率比高峰期的产气速率分别降低了65.67%，85.00%，85.71%和87.01%。

图4 40目稻草失水漂浮层厚度和产气变化

在漂浮层达到峰值前，产气速率和漂浮速率正相关，一段时间后漂浮层不再继续增大可能是受力达到平衡状态，因为上升过程中收到的浮力越来越小而产气速率几乎恒定可以认为气体浮力不变因此最终浮力达到临界值而不再上浮；此外发酵罐体积的限制也可能是阻止物料继续上浮的因素之一。除了产气速率的影响，物料在降解过程中性质发生改变也可能影响漂浮特性，随着厌氧消化的进行，物料不断被水解，木质纤维结构被不断破坏，使得物料强度越来越低，形成的漂浮层不稳定，导致后期失水漂浮层厚度峰值较低。

图5 20目稻草失水漂浮层厚度和产气变化

图6 10目稻草失水漂浮层厚度和产气变化

图7 5目稻草失水漂浮层厚度和产气变化

从粒径的角度分析，可以看出，与40目稻草相比，其余各组不论在产期高峰期还是发酵末期，形成的漂浮层峰值都更大且其厚度减小的速率较慢，说明粒径越小形成的失水漂浮层厚度也越小且不稳定，因此在工程上对于大颗粒的稻草会出现较严重的结壳现象。

2.4 TS，VS去除率及TS，VS产甲烷率

图8所示为不同粒径稻草厌氧消化后TS，VS的去除率以及TS，VS产甲烷量。稻草在发酵中被微生物分解产生沼气，因此其中的固体物质和有机成分会下降。不同粒径稻草的TS去除率和VS去除率变化趋势较接近，单位TS和单位VS产甲烷量总体上和去除率的变化趋势相吻合。说明底物被消化得越多，产气量越多，厌氧消化得更充分。40目到5目稻草的TS去除率分别为56.32%，55.48%，45.66%和51.62%，VS去除率分别为65.91%，65.45%，62.93%和68.65%,5目稻草的VS去除率分别比40目，20目和10目的高了4.16%，4.88%和9.09%。40目到5目稻草的单位TS产甲烷量分别为186.1 mL，172.6 mL，188.5 mL和207.3 mL，单位VS产甲烷量分别为214.1 mL，198.6 mL，216.9 mL和238.5 mL，5目稻草的单位VS产甲烷量分别比40目，20目和10目的高了11.40%，20.09%和9.96%。可以看出粒径大小对于生物质的降解有一定影响。

图8 厌氧消化性能评价指标

2.5 纤维素和半纤维素降解率

不同粒径稻草的纤维素和半纤维素降解率如表2所示。各试验组中5目稻草的纤维素降解率和半纤维素降解率都是最高，其中纤维素降解率比40目，20目和10目稻草分别高出了30.05%，20.33%和12.05%，而半纤维素降解率比它们分别高出了25.87%，23.22%和20.62%。这一结果和稻草的产气量以及物质去除率也基本吻合。

表2 稻草主要成分的降解率

2.6 能耗与效益分析

单位质量稻草甲烷产量与耗电量以及产甲烷的经济效益见表3，粉碎稻草的耗电量总体随粒径的增大而减小，每吨5目稻草的产甲烷量为195.2 m3，比40目，20目和5目稻草分别高出了11.40%，20.09%和9.96%。因此5目稻草可以以较低的预处理能耗获得较高的甲烷产量。5目稻草的粉碎耗电量为42 kWh·t-1，40目，20目和10目稻草的耗电量分别是5目稻草的5.48倍，2.62倍和1.67倍，可以看出不同粒径稻草之间的耗电量差距十分明显。

若每立方米甲烷售价定为1.5元，用电成本以工业电(0.8元·kWh-1)收费标准计算，每吨5目稻草所产甲烷收益可达263.2元。除去用电成本，每吨5目稻草的净收益可达259.1元，这比40目，20目和10目稻草的净收益高出了228.93%，66.36%和23.26%。由此看出，不同粒径稻草的产甲烷收益主要取决于粉碎过程的能耗，若不考虑其他因素，5目稻草的产甲烷效果较好且耗电量远小于其他粒径的稻草，更适合在沼气工程中应用。

表3 不同粒径稻草用电成本和产甲烷收益

3 结论

(1)不同粒径的稻草中厌氧消化性能最佳的为5目。5目稻草的累积产甲烷量为8292.36 mL,这比40目，20目和10目稻草的累积甲烷产量分别高出了11.40%，20.09%和9.96%，5目稻草的物质去除率和纤维素降解率也比其他组更高。产气性能比较：5目>10目>40目>20目。

(2)稻草粉碎时的能耗随着粒径增大而减小，获得5目稻草所需能耗最小，40目，20目和10目稻草的耗电量分别是5目稻草的5.48倍，2.62倍和1.67倍。粉碎能耗比甲烷产量对经济效益的影响更大，因此5目稻草更具有工程前景。经济效益比较：5目>10目>20目>40目。

(3)失水漂浮层厚度增加速率与产气速率正相关，产气高峰时基本在8 h左右物料就会上浮达到最大厚度，除40目稻草外，其余各组在16 h后漂浮层开始逐渐减小；40目稻草在达到峰值后漂浮层厚度会很快降低，它形成的漂浮层厚度最小且最不稳定。而在发酵末期各组形成失水漂浮层的速率都十分缓慢。