（环境工程专业论文）稻草中温高效厌氧消化生产生物气的实验研究.pdf

；oi 户 学位论文数据集 中图分类号 x 7 0 5 学科分类号 6 1 0 3 0 论文编号 1 0 0 1 0 2 0 0 7 0 1 2 2 密级 无 学位授予单位代码 1 0 0 1 0 学位授予单位名称北京化工大学 作者姓名康佳丽学号2 0 0 4 0 0 0 1 2 2 获学位专业名称环境工程获学位专业代码 0 8 3 0 0 2 课题来源 农业部 研究方向固体废物处理与资源化 论文题目稻草中温高效厌氧消化生产生物气的实验研究 关键词稻草，堆沤，n a o h 处理，厌氧消化，产气量 论文答辩日期 2 0 0 7 6 2牛论文类型 应用研究 学位论文评阅及答辩委员会情况 姓名职称工作单位学科专长 指导教师李秀金教授北京化工大学环境工程 评阅人l 曹云者副研究员 中国环境科学研究院 环境管理 评阅人2胡翔副教授北京化工大学 环境工程 评阅人3 评阅人4 评阅人5 答辩委员会主席席北斗研究员中国环境科学研究院环境工程 答辩委员1 曹云者副研究员中国环境科学研究院环境管理 答辩委员2胡翔副教授 北京化工大学环境工程。 答辩委员3 答辩委员4 答辩委员5 注：一论文类型：1 基础研究2 应用研究3 。开发研究4 其它 二中图分类号在中国图书资料分类法查询。 三学科分类号在中华人民共和国国家标准( g b t1 3 7 4 5 9 ) 学科分类与代码中查 询。 四论文编号由单位代码和年份及学号的后四位组成。 l 。 - 誓 i 叭 摘要 稻草中温高效厌氧消化生产生物气的实验研究 摘要 用厌氧消化技术转化稻草获取清洁能源一生物气，是稻草生物质能源 产业化的一条有效和潜在途径。但是，稻草的木质纤维素含量较高，导致 其厌氧消化时间长、消化率低及投入产出效益差。本课题对稻草的中温高 效厌氧消化技术进行了实验研究，并为稻草的大规模生物气化提供指导。 通过对未处理稻草、经堆沤预处理的稻草及经6 n a o h 预处理的稻 草进行完全混合厌氧消化，研究了不同负荷率( 3 5 9 l 、5 0 9 t , 、6 5 9 l 、 8 0 9 l ) 对未处理稻草及两种预处理稻草厌氧消化产气性能的影响，并确 定最佳厌氧消化条件。 实验结果表明，未处理稻草在5 0 9 l 负荷率下的单位产气量最高，为 0 3 1 l g ，高负荷率( 6 5 9 l 、8 0 9 l ) 对未处理稻草的产气过程有一定的抑 制作用。在5 0 9 i n 负荷率下，未处理稻草的总产气量、c h 4 含量和消化时 间分别为2 3 0 5 l 、5 0 6 5 和3 2 天。 与未处理稻草相比，经堆沤预处理稻草的产气性能有明显提高，总产 气量提高了4 0 8 - , 5 2 2 6 ；其中l i 堆沤稻草在5 0 9 t , 负荷率下的单位产气 量最高，为0 4 1 l g ，比未处理稻草提高了3 2 2 6 。其在该负荷率下的总 产气量、c h 4 含量和消化时间分别为3 0 8 6 l 、5 2 5l 和3 2 天。 经6 n a o h 预处理后，稻草的产气量、产气速率和单位产气量都有 明显提高，总产气量提高了1 3 7 9 4 8 1 4 。其单位产气量也在5 0 9 l 负荷 北京化工大学硕士学位论文 率下最高，为0 4 1 l g 。此外，在同一负荷率下，4 0 目、2 0 目、l c m 和 3 c m 四种粒径对经6 n a o h 预处理稻草的总产气量、单位产气量、c h 4 含量及消化时间等都没有显著影响，其单位产气量均为0 2 9 l g 。 综合以上实验结果，堆沤和6 n a o h 预处理都可以有效地改善稻草 的厌氧消化产气性能，且两种稻草的产沼气能力相当。因此，可采用堆沤 或6 n a o h 对未处理稻草先进行预处理，然后再进行厌氧消化，并推荐 5 0 9 l 为二者厌氧消化的最佳负荷率。 关键词：稻草，堆沤，n a o h 预处理，厌氧消化，产气量 l l 摘要 h i g h e f f i c i e n c ym e s o p h i l i cb i o g a s i f i c a t i o no f r i c es t r a wb ya n a r o b i cd i g e s t i o n a b s t r a c t a n a e r o b i cd i g e s t i o ni so n eo ft h ef e a s i b l et e c h n o l o g i e st ou t i l i z et h er i c e s t r a w , w h i c hc a nc o n v e r ti ti n t ob i o g a s b u tl i t t l er e s e a r c hh a sb e e nc o n d u c t e d o nt h ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fr i c es t r a wt ob i o g a s t h em a i nr e a s o ni st h a tr a w r i c es t r a wc o n t a i n sh i g hp e r c e n t a g eo fl i g n o c e l l u l o s e ，w h i c hi sn o tr e a d i l y b i o d e g r a d a b l eb yt h ea n a e r o b i cb a c t e r i a ，l e a d i n gt ol o w e rd i g e s t i o nr a t ea n d b i o g a sp r o d u c t i o n p r e t r e a t m e n th a sb e e np r o v e dt ob ea ne f f e c t i v ew a yt o i m p r o v et h eb i o d e g r a d a t i o ne f f i c i e n c ya n db i o g a sp r o d u c t i o n t h i ss t u d yi n v e s t i g a t e dt h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fu n t r e a t e dr i c es t r a w , r e t t e d r i c es t r a wa n d6 n a o h t r e a t e dr i c es t r a wa td i f f e r e n tl o a d i n gr a t e s ( 3 5 9 l ， 5 0 9 l ，6 5 9 l ，8 0 9 l ) u n d e rm e s o p h i l i cc o n d i t i o n s ，w h i c hc o u l dp r o v i d eu s e f u l p a r a m e t e r sf o rt h ed e s i g no fl a r g e s c a l ea n a e r o b i cd i g e s t i o no fr i c es t r a wf o r 夕 b i 。g a sp r o d u c t i 。n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h eb i o d e g r a d a b i l i t yo fu n t r e a t e dr i c es t r a ww a s i n h i b i t e db yh i g hl o a d i n gr a t e s6 5 9 la n d8 0 9 l i ta c h i e v e dt h eh i g h e s tb i o g a s y i e l da tt h e5 0 9 ll o a d i n gr a t e 。w h i c hw a s0 31 l | 譬t s t h et o t a lb i o g a s p r o d u c t i o n ，m e t h a n e c o n t e n to fb i o g a sa n dt e c h n i c a l d i g e s t i o nt i m e f o r i i i 北京化t 大学硕i ：学位论义 u n t r e a t e dr i c es t r a ww e r e2 3 0 5 l 、5 0 6 5 a n d3 2 d a y sr e s p e c t i v e l y t h er e t t i n gp r e t r e a t m e n tc o u l di m p r o v et h eb i o d e g r a d a b i l i t yo ft h er i c e s t r a w s i g n i f i c a n t l y t h e t o t a l b i o g a sp r o d u c t i o n w a si n c r e a s e d b y 4 0 5 - 5 2 2 a m o n gt h en i n ek i n d so fr e t t e dr i c es t r a w s ，t h e1 拌r e t t e dr i c e s t r a wa c h i e v e dt h eh i g h e s tb i o g a sy i e l da tt h e5 0 9 ll o a d i n gr a t e ，0 41l g t s ， w h i c hi s3 2 2 6 h i g h e rt h a nt h eb i o g a sy i e l do fu n t r e a t e dr i c es t r a w t h et o t a l b i o g a sp r o d u c t i o n ，m e t h a n ec o n t e n to fb i o g a sa n dt e c h n i c a ld i g e s t i o nt i m ef o r 1 撑r e t t e dr i c es t r a ww e r e3 0 5 6 l ，5 2 51 a n d3 2d a y sr e s p e c t i v e l y t h en a o hc h e m i c a lp r e t r e a t m e n ta l s oi m p r o v e dt h eb i o g a sp r o d u c t i o n a n db i o g a sp r o d u c t i o nr a t eo fu n t r e a t e dr i c es t r a ws i g n i f i c a n t l y t h et o t a l b i o g a sp r o d u c t i o nw a s13 7 9 4 8 14 h i g h e rt h a nt h a t o fu n t r e a t e dr i c e s t r a w i ta l s oa c h i e v e dt h eh i g h e s tb i o g a sy i e l da tt h e5 0 9 ll o a d i n gr a t e ，w h i c h w a s0 41l g t s i na d d i t i o n ，t h ee f f e c to fp a r t i c l es i z eo nt h ea n a e r o b i c d i g e s t i o nr a t eo ft h en a o h - t r e a t e dr i c e s t r a wi si n d i s t i n c t i v e t h eb i o g a s y i e l d so f t h e mw e r ea l la r o u n d0 2 9 l g t s t h e r e f o r e ，t h ed i g e s t i b i l i t yo ft h et w ok i n d so fr i c es t r a wp r e t r e a t e db y r e t t i n g ( 1 稃) a n d6 n a o h a r ec o m p a r a b l e e i t h e ro ft h e mc a nb ea p p l i e dt o p r e t r e a tt h er i c es t r a w , a n d50 9 li sr e c o m m e n d e d t ob et h eo p t i m u ml o a d i n g r a t ef o rb o t ho ft h et w ok i n d so fr i c es t r a w k e yw o r d s ：r i c es t r a w , r e t t i n g ，n a o h - t r e a t e d ，a n a e r o b i cd i g e s t i o n ，b i o g a s p r o d u c t i o n i v - i ，、 ； 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 作物秸秆的产生现状l 1 2 作物秸秆的主要成分2 1 3 作物秸秆的利用现状3 1 2 1 秸秆肥料技术3 1 2 2 秸秆饲料化技术3 1 2 3 以秸秆为原料的技术4 1 2 4 秸秆能源利用技术5 1 4 厌氧消化技术概述7 1 4 1 厌氧消化机理7 1 4 2 影响厌氧消化的因素9 1 4 3 厌氧消化技术的特点1 2 1 5 作物秸秆厌氧消化研究现状1 3 1 5 1 预处理一1 3 1 5 2 厌氧消化工艺_ 1 4 1 5 3 存在问题l5 1 6 研究内容16 第二章实验设计及方法17 2 1 材料和仪器1 7 2 1 1 实验原料17 2 1 2 实验仪器18 2 2 实验装置18 2 3 实验方案1 9 2 4 实验参数确定19 2 4 1 负荷率1 9 2 4 2 接种量2 0 2 4 3c n 比2 0 2 4 4 温度2 1 2 4 5p h 值2 l 2 4 6 消化时间2 1 v 北京化工大学硕士学位论文 2 5 实验步骤2l 2 6 分析方法2 2 2 7 实验运行与维护2 3 第三章未处理稻草中温厌氧消化实验研究2 5 3 1 日产气量2 5 3 2 累积产气量2 6 3 3c h 4 含量的变化2 6 3 4 厌氧消化产气性能分析2 7 3 5 本章小结2 8 第四章堆沤预处理稻草中温厌氧消化实验研究3 0 4 1 日产气量3 0 4 - 2 累积产气量3 2 4 3c h 4 含量的变化_ 3 5 4 4 厌氧消化产气性能分析3 6 4 5 本章小结4 0 第五章n a o h 固态预处理稻草厌氧消化实验研究4 1 5 1 经n a o h 固态预处理稻草的厌氧消化实验4 l 5 1 1 同产气量4 l 5 1 2 累积产气量4 2 5 1 3c h 4 含量的变化4 3 5 1 4 厌氧消化产气性能分析4 3 5 2 经n a o h 固态预处理的不同粒径稻草的厌氧消化实验4 5 5 2 1 日产气量4 5 5 2 2 累积产气量4 6 5 2 3c h 4 含量的变化4 6 5 2 4 厌氧消化产气性能分析4 7 5 3 本章小结4 8 第六章预处理与未处理稻草厌氧消化性能的分析比较4 9 6 1 产气结果分析4 9 6 2 主要成分的变化51 6 3 总产气量和t s 、v s 减少的关系5 2 6 4 本章小结5 3 v i 孓 一 ， 日录 第七章结论和建议5 5 7 1 结论5 5 7 2 建议5 6 参考文献5 7 致谢6 0 攻读学位期间所发表的学术论文。6 1 v i i 一 符号说明 弼 坶 m l s s 陋4 陀 t k n 符号说明 t o t a ls o l i d ，总固体 v o l a t i l es o l i d ，挥发性固体 m i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d ，混合液悬浮固体 v o l a t i l ef a t t ya c i d ，挥发性脂肪酸 t o t a lc a r b o n ，总碳 t o t a lk i e l d a h ln i t r o g e n ，总氮 v i i i 第一章绪论 第一章绪论 随着石油、煤炭储量的下降及各国对环境污染问题的日益关注和重视，人们逐渐 将研发重点转移到各种可再生能源的开发与利用上来。转化利用农业废弃物这一巨大 的可再生资源，以提供人们所需的能源和其他化工产品，对于解决人类能源、粮食和 环境污染等问题起着巨大的作用。我国是一个农业大国，农业生产中的废弃物种类繁 多，数量巨大，而且随着农业生产水平和农民生产水平的提高，对原来用作燃料和肥 料的农业废弃物的利用越来越少，因此农业废弃物越来越多。这些废弃物如不经妥善 处理排人环境，将会严重污染环境。如，近年来，大量剩余秸秆被随意遗弃田间或直 接焚烧，不仅造成资源浪费、地力损伤、环境污染，还导致火灾及交通事故的频发， 并对人类健康和周围动植物的生态环境造成严重危害。另一方面，秸秆未经任何处理 直接用于肥料、燃料和饲料等传统应用模式，j 下制约着秸秆利用率、转化率和经济效 益的进一步提高。因此，如何充分有效地处理并利用这些废弃物成为我国亟待解决的 问题，也是我国可持续发展战略的一项重要内容。 1 1 作物秸秆的产生现状 秸秆通常指小麦、水稻、玉米、薯类、油料、棉花、甘蔗和其他农作物在收获籽 实后剩余的部分。我国农作物秸秆的年产量约7 亿多吨，约占全世界秸秆总量的3 5 左右，列世界之首【l 】。且随着我国农作物单产的提高，秸秆产量也将随之增加。从表 1 1 t 2 3 】可以看出，2 0 0 5 年全国各种秸秆的产量达7 2 2 亿吨，其中，稻草1 8 l 亿吨、麦 秸0 9 7 亿吨和玉米秸2 7 9 亿吨。秸秆资源中以稻草、麦秸和玉米秸为主，这些秸秆资 源量约占秸秆总资源量的7 7 0 4 。5 0 以上的秸秆资源集中在四川、河南、山东、河 北、江苏、湖南、湖北、浙江等9 省，西北地区和其它省份秸秆资源分布量较少。稻 草主要在长江以南的诸多省份，而小麦和玉米秸秆分布在黄河与长江流域之间，以及 黑龙江和吉林等省份。 表1 - 12 0 0 5 年中国主要农作物秸秆量 t a b l e1 - 1t o n n a g eo fs t r a wb yc r o pc a t e g o r i e si nc h i n ai n2 0 0 5 作物种类作物名称作物产最万t谷草比 秸秆量7 5t占秸秆总量 粮食 稻谷 小麦 玉米 豆类 薯类 1 8 0 5 8 8 9 7 4 4 5 1 3 9 3 6 5 2 1 5 7 7 3 4 6 8 5 1 0 1 o 2 o 1 5 1 o 1 8 0 5 8 8 9 7 4 4 5 2 7 8 7 3 0 3 2 3 6 6 3 4 6 8 5 2 4 9 9 1 3 4 8 3 8 5 7 4 4 8 4 8 0 北京化t 大学硕i j 学位论义 其它 1 0 3 6 2l 。01 0 3 6 21 4 3 注：秸秆重量以秸秆风十值计 1 2 作物秸秆的主要成分 农作物秸秆是籽实收获后留下的含纤维成分很高的作物残留物，农作物光合作用 的产物有一半以上存在于秸秆中。秸秆富含有机质，还含有氮、磷、钾、钙、镁、硫 等其他微量元素，是一种具有多种用途的可再生生物资源。但由于农作物品种和产地 的不同，秸秆的物质组成与含量也存在一定差异，见表1 2 。 表1 - 2 几种农作物秸秆的元素成分( ) t a b l ei - 2e l e m e n t a r yc o m p o s i t i o no fs e v e r a lm a i nc r o pr e s i d u e s ( ) 种类有机质 npkc a m g m ns i 稻草8 2 2 0 6 0o 0 91 0 00 1 4o 1 20 0 27 9 9 麦秸 9 5 70 5 00 0 30 7 30 14o 0 20 0 0 3 3 9 5 大豆秸 9 5 21 9 3o 0 31 5 5 o 8 40 0 7 一一 油菜 9 3 80 5 2 0 0 30 6 5o 4 20 0 50 0 0 40 1 8 表1 3 主要农作物秸秆的有机成分( ) t a b l e1 - 3c o m p o s i t i o no fs e v e r a lm a i nc r o pr e s i d u e s ( ) 种类灰分 脂肪蛋白质木质素纤维素半纤维素 秸秆由大量有机物和少量的无机盐及水构成。其有机成分以纤维素、半纤维素为 主，其次是木质素、蛋白质、氨基酸、树脂、单宁等( 表l - 3 ) 。其中，纤维素，半纤 2 第一章绪论 维素和木质素是构成秸秆细胞壁的主要成份。秸秆中的有机成分大都可以被微生物利 用，在土壤中分解为腐殖质可提高土壤有机碳含量，经过处理后可以加工成动物饲料 等。秸秆的主要成分是碳水化合物，如果燃烧充分，是一种清洁的可再生能源。 1 3 作物秸秆的利用现状 近年来，秸秆利用技术在我国发展得很快，主要有秸秆肥料技术、秸秆饲料化技 术、秸秆能源利用技术、以及用于原料( 基料、造纸、建筑材料等) 的技术等。 1 2 1 秸秆肥料技术 农作物秸秆富含有机质，作为肥料可使作物吸收的大部分营养元素归还给土壤， 增加土壤有机质( 每年0 0 1 ) ，对维持土壤养分平衡起着积极作用。同时还可改善土 壤团粒结构和理化性状，增加土壤肥力，增加作物产量，节约化肥用量，以利于农业 生态系统的良性循环和种植业的持续发展。秸秆制作肥料形式多样，包括直接还田、 过腹还田、堆沤还田和复合肥还田等，其核心是加速有机质的分解。我国人多地少， 复种指数高，要求秸秆和留茬必须快速分解，才有利于接茬作物的生长，这是近期秸 秆利用的主要方式【4 】。 1 2 2 秸秆饲料化技术 我国用秸秆做饲料有非常悠久的历史。但是，由于秸秆是一种非常规饲料，其粗 蛋白质含量低，不易被家畜消化的纤维素、木质素等含量高，适口性差，牲畜采食量 极低。通过物理、化学和微生物发酵法可以改善秸秆的适口性和营养价值，进而提高 秸秆的采食率。其中，青贮、微贮和氨化方法处理秸秆，是被实践证明有效和经济的 方法【5 】o ( 1 ) 青贮技术 青贮是指利用微生物的发酵作用，在适宜的温度、湿度、密封等条件下，通过厌 氧发酵产生酸性环境，抑制和杀灭各种微生物的繁衍，从而达到长期保存青绿多汁饲 料及其营养的一种方法。它是一种简单、可靠而又经济的方法，已在世界各国畜牧生 产中普遍推广应用。青贮饲料气味酸香，柔软多汁，颜色黄绿，营养不易丢失，适口 性好，容易被动物消化吸收，是动物冬春不可缺少的优良青绿多汁饲料。青贮方法有 半干青贮、添加某些添加剂的特种青贮和用于非草食动物的混合青贮等。 ( 2 ) 微贮技术 北京化丁大学硕l j 学位论义 微贮是将微生物高效活性菌种加入到农作物秸秆中，使其密封，在适宜的厌氧环 境下进行生物发酵，将大量的纤维素、半纤维素类物质转化为糖类，糖类又经有机酸 发酵菌转化为乳酸菌和挥发性脂肪酸，使p h 值降到4 0 以下，抑制了丁酸菌、腐败 菌等有害菌的繁殖，从而使农作物秸秆能够长期保存。秸秆微贮后，可提高采食速度 4 0 ，采食量增加2 0 3 0 ，消化率提高2 4 , - 4 3 ，有机物消化率提高2 9 【6 j 。微 贮饲料的制作方法与传统的青贮饲料制作方法基本相同。 ( 3 ) 氨化技术 氨化就是在秸秆中加入一定比例的氨水、无水氨、尿素等，通过它们的作用，破 坏木质素和纤维素、半纤维素之间的联系，促使木质素与纤维素、半纤维素分离，使 部分纤维素及半纤维素分解、细胞膨胀、结构疏松，从而提高秸秆的消化率、营养价 值和适口性。通常牲畜采食氨化后的秸秆，消化率可提高2 0 1 7 】左右。氨化后秸秆总 的营养价值可提高l 倍以上，并可防止霉变，杀死杂草种子、寄生虫卵及病菌。我国 广泛采用的氨化方法有堆垛法、窑( 池) 法、氨化炉法3 种。 1 2 3 以秸秆为原料的技术 ( 1 ) 造纸原料 随着木材资源问题给造纸行业造成的压力增大，人们越来越重视非木材原料的开 发利用，秸秆作为最大的非木材资源受到了很大青睐。目前我国造纸制浆原料中，1 3 来源于秸秆，其制浆具有成本低廉、成纸平滑度好，容易施胶等优点，但纸浆质量差、 效率低、污染重，而且传统制浆易造成巨大的无机碱和有机污染，不但给水环境造成 严重破坏，而且也没有充分利用资源。因而，人们经过多年的探索，进行了很多改进， 如通氧的碱蒸煮法、添加助剂法、氨法、石灰磷酸氧法【8 】等。其中氨法，因蒸煮废 液中含有农作物生长所需要的营养元素，可直接用于农f 日施肥，是小型纸浆厂制浆的 好方法。 ( 2 ) 轻型建材 秸秆富含纤维素、木质素，是生产建材的优良原料。可将秸秆粉碎后与无机固化 材料科学配置得阻燃纤维板；以秸秆为增强材料，以水泥为粘合剂加特种添加剂，可 经冷压成水泥基板材。另外，以秸秆还可制树脂基轻质板和氯氧镁空心板等。 ( 3 ) 食用菌基料 由于秸秆中含有丰富的碳、氮、矿物质及激素等营养成分，加之资源丰富、成本 低廉，因此很适合做多种食用菌的培养料。据不完全统计，目前国内能够用作物秸秆 生产的食用菌品种已达2 0 多种，大大丰富了人类的食物资源，满足人们对食品多样 4 ， ， 第一幸绪论 化的需求，均衡人类的食物营养。另外，秸秆栽培过食用菌后的菇渣，由于菌体的生 物降解作用，氮、磷等养分的含量也有显著提高，因而可作为饲料和优质肥料。 此外，近年来又兴起了以秸秆等纤维素废料为原料，采取生物技术手段发酵生产 乙酸、乙醇、糠醛、苯酚、单细胞蛋白、工业酶制剂、纤维素酶制剂等2 1 ，在北欧、 日本、美国等发达国家和地区已有深入研究和一定的生产规模。 1 2 4 秸秆能源利用技术 自古以来，秸秆一直是中国农村居民的主要生活燃料之一，在农村生活用能中占 有重要地位。但是，随着农村经济和农业生产水平的迅速发展，在经济发达的地区， 秸秆低效不清洁的直接燃烧利用方式已不适应农民生活水平提高的需要，富裕起来的 农民迫切需要优质、清洁、方便的能源。同时，为了保持良好的生态环境，使农村、 农业持续发展，国家及有关部门近年来一直在组织力量进行秸秆的清洁、方便能源利 用技术研究，并已取得了一些成果，这些技术已日趋成熟，并得到了一定程度的推广。 国内现行的秸秆优质能源利用技术主要有秸秆直接燃烧供热技术、秸秆气化集中 供气技术、秸秆压块成型及炭化技术、秸秆发酵制沼气技术等。 ( 1 ) 直接燃烧供热技术 秸秆的主要成分是碳水化合物，如果燃烧充分，可作为一种清洁的可再生能源。 资料表明，稻草、玉米秸等作物秸秆的能值在1 6 m j k g 左右，大约相当于标准煤的1 2 。 此外，秸秆直接燃烧作为传统的能量转换方式，成本低，易推广。该技术，以专用的 秸秆锅炉为核心形成供热系统，在有效消耗农村大量剩余秸秆的同时，还可以将废弃 秸秆转化成商品燃料，成为农民新的经济来源。 目前，英国、荷兰、月麦等发达国家均采用大型秸秆锅炉用于供暖、发电或热电 联产。我国秸秆工业燃烧技术起步较晚，目前尚无专门以秸秆为燃料的定型锅炉问世。 因此，研制开发适合我国国情的秸秆燃料锅炉对于农村生态环境保护和可持续发展具 有重要意义。 ( 2 ) 气化技术 秸秆生物质气化技术是生物能高品位利用的一种主要转换技术，是通过气化装置 将秸秆等原材料在缺氧状态下加热反应转换成燃气的过程。利用农业废弃物气化供气 及发电技术，每吨秸秆可供气2 0 0 0 m 3 或发电6 0 0 k w h 。目前丹麦已建成了各种焚烧稻 麦秸秆的热能发电站6 0 多座，实现了植物能向热能、机械能、电能的转换，该项技 术在我国的研究及推广也取得了一定的成功。至今，全国已有3 8 0 余处秸秆气化集中 供气示范点，仅山东就有1 7 0 余处，大大提高了剩余秸秆的利用率。不仅减少了对一 次性能源( 煤、石油) 的压力，又避免了露天无控制燃烧所造成的季节性大气污染。 5 北京化t 大学硕i ：学位论义 ( 3 ) 压块成型及炭化技术 压块成型就是将秸秆粉碎，用机械的方法在一定的压力下挤压成型。这种技术能 提高能源密度，改善燃烧特性，实现优质能源转化。现在一般为棒状压块成型，密度 1 2 0 0 k g m 3 ，热值1 4 - - 2 0 m j k g ，接近于中质煤。 炭化技术就是利用炭化炉将秸秆压块进一步加工处理成蜂窝煤状、棒状、颗粒状 等多种形状的固体成型燃料。这种燃料具有易着火、使用方便，燃烧效率高的特点， 而且造成的环境污染较小，因此被称为“生物煤”。生产1 吨生物煤成本约7 0 元，在 非产煤区比煤炭更便宜，因此值得大力推广。 由于生态环境保护的要求，制取木炭不能再依靠大量砍伐木材，因此，由各种生 物质废弃物制取压块炭化燃料己成为发展趋势。目前，欧美、同韩等国都希望在我国 寻求合作伙伴，发展炭化成型燃料的生产。国内对生物制压块成型燃料的需求也有较 大的潜在市场。经过我国科研单位和生产厂家的不断努力，已经研制出了连续运行时 数超过了1 0 0 0 h 的秸秆压块成型及炭化设备。 ( 4 ) 沼气发酵技术 秸秆经厌氧发酵后产生沼气，生产出的沼气不仅能解决农村的煮饭和照明问题， 还可与柴油混合使用，节约柴油7 0 8 0 ，为乡镇企业和农副产品加工提供动力。另 外，沼液沼渣中也含有丰富的氨基酸和蛋白质，沼液的中下层是喂猪和养鱼很好的饲 料和添加剂，沼渣是栽培食用菌和养蚯蚓的好原料，同时沼液沼渣都是很好的有机肥。 因此，这种以沼气为纽带的种养，加结合型的秸秆利用方式，更具有较高的经济、生 态和社会效益。我国的大中型沼气工程的建设丌始于上世纪6 0 年代，近年来进入了 稳步和健康的发展阶段建成的一批类似于南阳酒精厂、杭州浮山养殖场和上海星火养 殖场的大中型沼气工程，在厌氧消化技术、技术经济指标、工程设计及规模等方面， 都达到了较高水平，已具备了在全国大规模推广条件。 可以看出，我国农作物秸秆的治理和利用呈现多元化发展，但从全国范围来看， 示范推广力度还远远不够。一个重要的原因就是秸秆利用的一些关键性技术难题尚未 突破。例如，秸秆作为饲料的缺点是消化率低，只有4 0 左右，氨化技术虽能提高秸 秆消化率约1 0 ，但氨源浪费约7 0 【l3 1 ；再例如，秸秆气化中的焦油问题，高效生物 有机肥工业化生产设备的引进、消化吸收及国产化问题，秸秆饲料的优化配制等等问 题也有待解决。这些问题的存在使秸秆综合利用技术的经济效益还不很高，推广难度 大。这也一定程度上促使部分地区的农民选择“焚烧 方式处理秸秆，从而导致资源 浪费和环境污染问题。因此，研究和开发经济效益高且实用性较强的秸秆利用技术就 成了迫切需求。 利用厌氧消化技术处理利用秸秆，不仅可以产生高效、清洁的高品位能源一生物 气，同时产生的沼渣和沼液还可以直接用作有机肥料，不失为一种行之有效的出路。 6 第一章绪论 一方面，厌氧消化技术本身是一种非常成熟的技术，利用厌氧生物气化技术转化作物 秸秆为新型能源，可以缓解我国常规能源紧张状况、提高农村人民的生活质量；另一 方面，又可解决作物秸秆的出路问题，减少因其露天焚烧、乱堆乱置等带来的对环境 不利影响。 1 4 厌氧消化技术概述 厌氧消化技术是指在无氧的环境下，利用专性厌氧菌群或兼性厌氧菌群分解各种 有机质( 包括农作物秸秆、人畜粪便以及工农业排放废水中所含有的有机物等) ，同 时产生可利用的能源( 沼气) 的生物处理方法。厌氧消化工艺最初用于处理高浓度有 机废水，经过多年的发展，该技术日趋完善，并广泛用于固体有机废物的处理与资源 化利用。 1 4 1 厌氧消化机理 有机固体废物的厌氧消化是一个极其复杂的过程，其生物反应具有多步骤性，有 多种微生物参与。在此过程中，不同微生物的代谢过程相互影响、相互制约，形成复 杂的生态系统。在多种微生物共同作用下，大分子有机物将最终转化为c h 4 、c 0 2 、 h 2 0 、h 2 s 和n h 3 等。有机固体废物的厌氧消化过程通常被认为由以下4 个阶段组成， 如图1 1 所示。 ( 1 ) 水解阶段 农作物秸秆、人畜粪便、垃圾及其他各种有机废弃物，都是以大分子状态存在的 碳水化合物，如淀粉、纤维素及蛋白质等。它们不能被微生物直接吸收利用，必须通 过微生物分泌的胞外酶( 如纤维素酶、肽酶和脂肪酶等) 作用，进行酶解，将其分解 成可溶于水的小分子化合物，即多糖分解成单糖或二糖；蛋白质分解成肽和氨基酸； 脂肪分解成甘油和脂肪酸。这些小分子化合物力能进入到微生物细胞内，为细菌所利 用，进行以后的一系列生物化学反应。 影响水解反应的速度与进行程度的因素较多，如水解温度、发酵原料中有机质的 组成、有机质颗粒大小、p h 值、水解产物的浓度等。胞外酶能否有效接触到底物是影 响水解速率的关键。因此大颗粒比小颗粒底物降解要缓慢得多。对来自于植物中的物 料，其生物降解性取决于纤维素和半纤维素被木素包裹的程度。纤维素和半纤维素是 可以生物降解的，但木素难以降解，当木素包裹在纤维素和半纤维素表面时，酶难于 接触纤维素与半纤维素，导致降解缓慢。因此在有机聚合物占多数的废物厌氧生物处 理中，水解作用是整个过程的限速步骤【1 4 以引。 7 北京化工大学硕士学位论文 图1 - 1 有机物厌氧分解过程 f i g 1 - 1t h ep r o c e s so f a n a e r o b i cd i g e s t i o n ( 2 ) 发酵阶段 发酵可以被定义为有机化合物既作为电子受体也是电子供体的生物降解过程。在 此过程中，水解阶段产生的小分子化合物在发酵细菌的细胞内转化为更为简单的以挥 发性脂肪酸为主的末端产物，并分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这 一阶段的木端产物主要有挥发性脂肪酸( v f a ) 、醇类、乳酸、c 0 2 、h 2 、n h 3 、h 2 s 等。与此同时，发酵细菌也利用部分物质合成新的细胞物质，因此未酸化废物厌氧处 理时产生更多的剩余污泥。 发酵过程的木端产物组成取决于厌氧降解的条件、底物种类和参与发酵的微生物 种群。例如，如果发酵过程在一个专门的反应器( 如两相厌氧处理的产酸相) 内进行， 糖类作为主要的底物，则末端产物将主要是丁酸、乙酸、丙酸、乙醇、c 0 2 和h 2 等混 合物。如果发酵过程在一个稳定的单相厌氧反应器内进行，则乙酸、c 0 2 和h 2 是酸化 细菌最主要的术端产物，其中h 2 又能相当有效地被产甲烷菌利用。故在反应器中往往 只能检测到乙酸和c 0 2 。h 2 也可以被能利用氢的硫酸j ；：还原菌或脱氮菌所利用。 8 第一章绪论 ( 3 ) 产氢产乙酸阶段 专性厌氧的产氢产乙酸细菌将发酵阶段的末端产物进一步利用，生成乙酸、h 2 、 c 0 2 ；同时同型乙酸菌将h 2 和c 0 2 合成乙酸。其反应如下： c h 3 c h o h c o o ( 孚l 酸)+ 2 h 2 0 c h 3 c o o + h c 0 3 。+ h + + 2 h 2 c h 3 c h 2 0 h ( 乙醇) + h 2 0 _ c h 3 c o o + h r + h 2 c h 3 c h 2 c h 2 c o o 。( 丁酸)+ 2 h 2 0 _ 2 c h 3 c o o + h + + 2 h 2 c h 3 c h 2 c o o ( 丙酸) + 3 h 2 0 - c h 3 c o o + h c 0 3 。+ h + 3 h 2 c h 3 0 h ( 甲醇) + 2 c 0 2 _ 3 c h 3 c o o h + 2 h 2 0 上述反应只有在乙酸浓度低、液体中氢分压也较低时才能完成。 较高级的脂肪酸遵循p 氧化机理进行生物降解。其降解过程中，脂肪酸末端每次 脱落两个碳原子( 即乙酸) 。对于含偶数个碳原子的较高级的脂肪酸，这一反应终产 物为乙酸，而对含奇数个碳原子的脂肪酸，最终要形成一个丙酸。不饱和脂肪酸先通 过氢化作用转变成饱和脂肪酸，然后按d 氧化过程降解。 ( 4 ) 甲烷化阶段 产氢产乙酸阶段的产物，主要是乙酸和h 2 ，被属于古细菌的甲烷细菌所利用，形 成c h 4 。主要有两类甲烷细菌参与了反应：分解乙酸的甲烷细菌，将乙酸分解为c h 4 和c 0 2 ；氧化h 2 的甲烷细菌，将c 0 2 还原为c h 4 。通常认为，厌氧消化产生的c h 4 中， 约有2 3 来源于乙酸，其余部分来自h 2 、c 0 2 和一碳化合物。除了转化为细胞物质的电 子外，被处理废物中的几乎所有能量都以c h 4 形式被回收了。 甲烷细菌( 最严格的专性厌氧菌) 利用乙酸、h 2 、c 0 2 和一碳化合物产生c h 4 的 转化途径如下。 c h 3 c o o h _ c h 4 + c 0 2 h 2 + c 0 2 一c h 4 + h 2 0 h c o o h + 3 h 2 c h 4 + 2 h 2 0 c h 3 0 h + h 2 _ c h 4 + 2 h 2 0 4 c h 3 n h 2 ( 甲胺) + 2 h 2