蔬菜类沼气厌氧发酵工艺条件及经济分析研究

蔬菜类沼气厌氧发酵工艺条件及经济分析研究摘要随着能源紧张和环境污染问题的日益突出，本世纪全球直接面临着能源资源的匮乏导致的全球能源危机和一次能源消耗增长带来的日益严重的环境危机。我国正处于经济高速发展时期，能源消费的增长速度接近甚至超过了国民经济的发展速度，部分能源紧缺的趋势必将随着我国经济的快速增长日益加剧。同时，随着全球气候变暖和大气环境质量的急剧恶化，我国的环境污染问题也日益凸显。这些都必将制约我国未来的能源、经济、社会的发展。因此，如何寻求未来能源发展契机，缓解能源供需矛盾和有效控制环境污染是我国乃至全世界都在面临的两大难题。沼气是一种可再生无污染的优质燃料，代替秸秆和煤，不仅可以减少一次能源的消耗，还有助于减少CO2、SO2等有害气体的排放。沼气技术用于处理畜禽粪便、工业有机废水、生活污水、城市有机垃圾等生物质废弃物可以得到最完全最彻底的利用，是我国目前大力发展的四大重点可再生能源项目之一。因此，合理利用生物质资源，发展沼气产业是缓解我国能源供需缺口、减少环境污染的有效途径，也是我国实现可持续发展的重要内容之一，具有重要的现实意义。本文采用实验与理论分析相结合的方法,研究了可供农作物黄瓜藤发酵制备沼气的工艺参数确定和破碎能耗经济性计算的有效方法。本文的主要研究成果及结论如下:介绍了农作物的主要破碎方式,对不同厂家生产的农作物秸杆破碎能耗进行了分析,在相同破碎出力条件下,破碎粒度越小,能耗越高。工程实际中可根据不同粒径的需求,尽量降低破碎能耗。以常见农作物—黄瓜藤叶为原料，通过中温条件，连续投料的方式，研究了不同因素对黄瓜藤叶产气特性的影响。其中包括黄瓜藤的青枯比和活性污泥的投配率等因素，实验结果显示，黄瓜藤的新鲜度能有效影响厌氧发酵的产气总量和产甲烷气体量，同时也影响产气速率。通过添加不同投配率的活性污泥在中温条件下进行厌氧消化反应研究，投加污泥的方式是每天投加，通过分析反应过程中的产气总量、产甲烷气体量、pH等指标对投配率为5%，7%和10%的影响，用来探究厌氧发酵产气特性和稳定性能。关键词：厌氧发酵沼气制取能耗分析Vegetablesbiogasanaerobicfermentationprocessconditionsandeconomicanalysis

ABSTRACTWiththeincreasinglyprominentproblemsofenergyshortagesandenvironmentalpollution,thewholeworldinthiscenturyhasimmediatelyexperiencedglobalenergycrisescausebyinsufficientenergyresourcesandanincreasinglyseriousenvironmentalcrisisbroughtaboutbythegrowthofenergyconsumption.Ourcountryisintheperiodofrapideconomicdevelopment.Chinesegrowthrateofenergyconsumptionisclosetoevenhigherthanthespeedofdevelopmentinnationaleconomy.ThetrendofshortagesinsometypesofenergywillbecomeincreasinglyseriouswiththefastincreaseinChineseeconomy.Meanwhile,withglobalwarmingandsharplydeterioratedqualityofatmosphericenvironment,Chineseproblemsonenvironmentalpollutionareincreasinglyprominent.AlltheseproblemswillundoubtedlyrestrictChinesefuturedevelopmentsonenergy,economyandsociety.Therefore,Chinaandeventheworldarefacedwithtwobigproblemswhicharehowtofindtheopportunitiestodevelopfutureenergy,andthereliefforthecontradictionbetweensupplyanddemandofenergyandeffectivecontroloftheenvironmentpollution.Biogaswhichcantaketheplaceofstrawandcoalisatypeofrenewablepollution-freepremiumfuel.Itcannotonlyreducetheconsumptionofprimaryenergy,butalsocontributetodecreasetheemissionsofharmfulgassuchasCO2,SO2andsoon.Biogastechnologyisusedtodealwithandmakefulluseofbiomasswastesuchaslivestockandpoultrywaste,industrialorganicwastewater,sewage,urbanorganicwasteandsoforth.ItisatpresentoneofthefourkeyprogramsinChinagreatlydevelopedinrenewableenergy.Hence,reasonableuseofbiomassresourcesandthedevelopmentonbiogasindustrywhichareofgreatpracticalsignificanceareeffectivewaystoeasetheshortagebetweenenergysupplyanditsdemandandtoreducethepollutiontotheenvironment,andarealsoimprotantcontentsofachievingsustainabledevelopmentinourcountry.Thisarticleadoptsthemethodofcombiningexperimentandtheory,researchforcropstrawpreparationofbiogasfermentationbiogasprojectsforprocessselection,processparametersandeffectivemethodofefficiencycalculation.Inthispaper,themainresearchresultsandconclusionsareasfollows：introducesthemainwaybrokencrops,fordifferentmanufacturerscropstrawbreakingenergywereanalyzedunderthesameconditionscrushingoutput,crushingsmallertheparticlesize,thehighertheenergyconsumption.Engineeringpracticeaccordingtotheneedsofdifferentsize,tominimizeenergyconsumptionbroken.incommoncrops-cucumbervineleavesasrawmaterials,throughthetemperatureconditions,continuousfeedingoftheway,theeffectsofdifferentfactorsoncucumbervineleavesgasproperties.IncludingcucumbervinesofRalstoniaratioandactivatedsludgedosingrateandotherfactors,theexperimentalresultsshowthatthefreshnessofcucumbervinescaneffectivelyinfluencethetotalgasproductionandtheamountofmethanegasproducedbyanaerobicfermentation,butalsoaffectgasproductionrate.Byaddingactivesludgedifferentdosingratesinthetemperatureanaerobicdigestionreactionconditionsstudieddosingsludgewaydailydosing,thetotalgasproductionbyanalyzingthereactionprocess,theamountofmethanegas,pH,etc.indicatorsofdosingrateof5%,7%and10%oftheimpact,toexploretheanaerobicfermentationgaspropertiesandstability.KEWWORDS:AnaerobicfermentationBiogasPreparationAnalysisofEnergyConsumption第一章绪论1.1课题背景1.1.1我国一次能源消费状况《中国的能源状况与政策(2021)》一书指出,我国化石燃料的人均拥有量较低，煤炭、石油和天然气的人均占有量分别为世界平均水平的67%、5.4%和7.5%。随着我国经济的快速发展,我国一次能源的消费量逐年增长。根据国家统计局统计公报的有关数据,通过分析,可得出我国能源消费总量的变化情况,如图1.1所示[1]。从图1.1可以看出,我国2021年的能源总产量为31.8亿吨标准煤,同比增长7.1%。煤炭是我国主要的一次能源，占能源总量的70%以上,石油、天然气、水电、核电、风电等不同种类的一次能源在我国一次能源结构中的比例如图1.2中所示。为了改善我国的一次能源结构,实现经济与能源的可持续健康发展,我国十分重视新能源与可再生能源的发展,在政策导向、经济补偿和技术研发等方面加大了新能源与可再生能源的支持和投资的力度。2021年,全国人大颁布了《中华人民共和国可再生能源法》，2021年国家发改委公布了《可再生能源中长期发展总体规划》。在《可再生能源中长期发展总体规划》中，规划指出到2021年可再生能源在我国的一次能源消费中所占的比例将达到15%。图1.1能源生产总量（万吨标准煤）图1.2各能源占能源生产总量的比重（%）1.1.2国内外新能源与可再生能源发展状况化石燃料的大规模应用推动了第一次工业化革命,促进了人类经济规模的快速增长和生活水平的大幅度提高。在过去100多年里，大规模利用化石燃料的过程中,化石燃料能源化利用排放的温室气体（CO2）、酸性气体(硫化气体)和粉尘,造成全球性的环境污染和生态破坏。同时,化石燃料的资源量也在快速地减少。为了实现经济、能源和环境的和谐发展,在20世纪出现能源危机以来,各国逐渐认识到改变能源消费结构的重要性,加大了新能源与可再生能源的研发力度,投入了大量的人力和物力,使新能源与可再生能源在全球一次能源消费结构中所占的比例逐年上升。世界一次能源消费结构的预测结果和中国一次能源消费结构的预测结果,如图1.3。图1.3世界及中国一次能源消费结构预测图从图1.3可以看出,不论是在亚洲,还是在全球,可再生能源在一次能源消费结构中所占的比例都逐年增加。由于各国都十分重视可再生能源的健康发展,可再生能源实际的增长速度,超过图1.3中的所预测的结果。在世界范围内,各国都十分重视新能源与可再生能源的发展和利用,认为占领新能源和可再生能源的技术制高点,是本国经济与环境可持续发展的重要保证。2021年1月26日,国际上成立了TheInternationalRenewableEnergyAgency(IRENA)[2],旨在促进新能源与可再生能源的研发和推广应用。该组织的签字国家达到75个,包括非洲一些经济落后的国家。虽然美国、中国、俄罗斯、印度、日本、中国等国家均未参加该组织,但这些国家也都十分重视新能源与可再生能源在本国能源消费中所占的比例。2021年,美国政府提出到2021年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为10%;到2025年,新能源与可再生能源的发电量占总发电量的比例为25%;到2050年,温室气体排放量,在2021年温室气体排放量的基础上减少80%[3]。欧共体规划[4]:2021年可再生能源占能源消耗的20%,可再生能源发电量占总发电量的30%。德国规划[5]:到2021年,可再生能源在一次能源消费中的比例将达到18%,其中可再生能源的发电量占总发电量的比例为30%,可再生能源的供热量占总供热量的14%。英国、法国、丹麦、荷兰、日本、加拿大、俄罗斯、巴西、印度等国家也都提出了相应的发展新能源与可再生能源的规划,以促进本国可再生能源的快速发展和推广应用。近年来,我国新能源与可再生能源的发展速度处于世界领先水平,在太阳能热利用和光伏发电方面[6],太阳能热利用处于世界领先水平;太阳能光伏发电装机容量到2021年底己达到600MW,位居世界第一。到2021年,中国太阳能光伏发电总装机容量将达到20210MW。在风能方面,到2021年底,我国风力发电的总装机容量己超过63000MW,居世界第一。在我国可再生能源法中规定了生物质能资源的范围,我国的生物质能资源包括:自然界的植物、粪便和城乡有机物。上述生物质转化的能量称为生物质能。常见的生物质的能源化和资源化包括生物质能源化利用和资源化利用这两大类。生物质能源化利用和资源化利用的目的是不相同的,但有一个共同的目标,就是提高生物质的利用价值和利用率,减少化石燃料的用量,改善能源结构,实现能源与环境的可持续发展。常见的生物质能源化与资源化的利用方式如图1.4所示。图1.4生物质能源化与资源化的利用方式根据我国《可再生能源中长期发展规划》[7],到2021年,我国在生物质能利用领域的目标为:生物质发电总装机容量达到30000MW,生物质固体成型燃料的年利用量达到5000万吨,沼气年利用量达到440亿立方米,生物质乙醇年利用量达到1000万吨,生物柴油年利用量达到200万吨。如前所述,2021年底,我国在太阳能和风能两个领域的装机容量已居于世界第一。我国在生物质能利用领域的发展并没有像预期的那样顺利。为了加快我国生物质能的开发和利用,国家在生物质发电方面给予了重点扶植,生物质发电的标杆电价统一规定为0.75元/千瓦时,以促进生物质发电技术的推广应用。1.2农作物的能源化利用和资源化利用的特点1.2.1农作物能源化利用农作物的能源化与资源化利用目的是不同的,农作物的能源化利用的目的是通过化学、物理或生物的方式,将农作物所含的生物质能进行能源化利用,包括发电、供热和热电联产。如图1.4所示,常见的农作物能源化技术分高温转化、物理化学转化和生物化学转化等三种。其中,高温转化包括:碳化、热解、气化,将产生的固体燃料、液体燃料和气体燃料进行燃烧,实现能源化利用；物理化学转化主要指先将农作物压缩成型固体燃料,然后再进行燃烧进行能源化利用或将其制成液体燃料；生物化学转化包括:发酵制备成乙醇、厌氧制备沼气或好氧堆肥,乙醇和沼气作为燃料进行燃烧,实现能源化利用,好氧堆肥产生的热量进行供热[8]。现就农作物的能源化利用技术进行简要的介绍:直接燃烧技术农作物通过燃烧的方式进行能源化利用,是农作物能源化利用的主要方式之一。从农作物作为炊事的薪柴,到农作物釆用大容量锅炉进行燃烧,实现发电、供热和热电联产。农作物的能源化利用可以减少化石燃料的应用,减少污染排放。在农作物的生长过程中,农作物的光合作用是吸收C02,释放出02;而在农作物的能源化利用过程中,如果采用燃烧方式实现农作物的能源化利用,则燃烧过程消耗02,产生C02,从而实现农作物替代化石燃料,减少C02的排放。21世纪初,国内外都把农作物采用大容量锅炉进行燃烧发电、供热和热电联产,作为农作物能源化利用的主要应用技术加以研究和推广应用,但在推广应用的过程中发现,由于不同种类的农作物含有不同种类和数量的碱金属,使农作物在燃烧过程中造成灰熔点的温度降低。如果不降低锅炉的燃烧温度,就会使农作物燃烧产生的灰渣处于熔融状态,引起锅炉受热面的沾污和腐烛,影响锅炉的日常安全运行，加重维护成本。如果降低农作物燃烧的温度,使农作物燃烧产生的灰渣处于固态,则使锅炉的炉膛烟温要降到800°C以下,这不仅降低了锅炉的热效率,也使炉膛内的燃烧工况不断恶化,造成不稳定燃烧。为了解决农作物燃烧过程中所存在的问题,国内外对不同种类农作物在不同燃烧条件下碱金属对灰溶点的影响规律和锅炉安全运行的条件进行了大量的研究,得出了不同碱金属对灰溶点的影响规律,也找到了一些使锅炉安全运行的技术措施[9]。但是到目前为止,尚没有从根本上解决农作物中碱金属对锅炉受热面的沾污和腐烛的问题,从而制约了农作物采用锅炉燃烧进行能源化利用的推广。近年来,我国先后建立了将近100座以农作物为燃料的生物质发电厂,但大多数都在运行1年左右后出现严重的受热面沾污和腐烛的现象,严重影响了这些生物质电厂的安全运行和经济效益,有三分之一以上的生物质发电厂处于停产和半停产状态,这些原因使我国调整了农作物能源化利用的方向。农作物的碳化技术农作物的碳化技术是将预处理成型后的农作物进行加热,使其水分挥发或蒸发掉,得到木炭产品[10]。木炭作为固体燃料进行燃烧,可作为家庭日常炊事用燃料,也可用于冶金、化工等领域。因此,农作物碳化技术既是一种农作物秸秆的能源利用技术,也是农作物的资源化利用技术。但是，总体来说,国内外农作物碳化技术的规模化应用不多。农作物的热解技术农作物燃烧是在过量空气系数大于1的情况下进行的热化学反应,而农作物热解则是在过量空气系数为零,即没有空气存在的情况下进行加热,进行热化学反应,农作物经过水分蒸发、干馏、气体产出等不同阶段,得到气体燃料,同时产生焦油和固定碳。热解过程根据温度范围可分为低温热解(热解温度<500°C)、中温热解(热解温度为500~800°C)和高温热解(热解温度>800°C)[11]。对于农作物的低温热解,木炭是其主要产品,热解产生的焦油和可燃气体是副产品;但对于农作物的中温热解和高温热解来说，主要产品是热解过程产生的气体燃料,而热解过程产生的焦油和焦炭是副产品。国内外对农作物秸秆的热解过程也进行了大量的理论探索和实验研究，为农作物的热解技术商业化应用奠定了较为扎实的理论方面和技术方面的基础。农作物热解技术在国内外都得了商业化推广应用。我国也有多套农作物热解装置进行了商业化运行。但在农作物热解的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,一直是热解气体净化过程中较难以解决的技术难题，这会造成热解工艺的二次污染,影响了热解装置运行的安全性和经济性，同时也制约农作物热解的大规模商业化应用。因此，农作物热解技术，目前在国内外都不是农作物能源化利用的主流技术方向。(4)农作物的气化技术农作物气化是在过量空气系数小于1的情况下进行的热化学反应。农作物气化以氧气(空气、富氧或纯氧)、水蒸气或氢气作为气化介质,在高温条件下通过热化学反应将农作物中的高分子有机物转化成可燃气体性燃料,气化过程产生的焦油和少量的固定碳则是气化过程的副产品[12]。我国目前有300套以上农作物气化装置投入了商业化运行[15],包括为农村提供了炊事用气体燃料。但在农作物气化的商业化运行过程中,作为副产品的焦油,同样造成了气化装置中的管道堵塞和设备腐烛等问题，给后期装置的运行维护带来了不利条件。在脱除焦油的过程中,也会产生二次污染,影响了农作物气化装置运行的安全性和经济性。农作物制备液体燃料农作物制备液体燃料分为制备生物油和乙醇两种形式。用农作物制备生物油的直接液化技术,是将农作物在高温、高压和溶剂存在的条件下,进行热化学反应,从而制备成生物油。农作物制备乙醇则是采用发酵的方法，将农作物进行降解，制备成乙醇。生物油和乙醇都可作为液体燃料,乙醇还可以作为在化工领域广泛使用的原料。因此,农作物制备液体燃料可视为农作物能源化利用和资源化两者利用相结合的技术。国内外对农作物制备液体燃料的理论基础、工艺流程等也进行了大量的研究探索，为农作物工业化制备生物油和乙醇奠定了理论和技术基础。在农作物制备生物油方面，虽然技术上是成熟和可行的,但由于制备的生物油成本比较高,如果没有政府以财政形式进行补贴的话,在价格上难以与石油炼成的燃料油进行直接竞争,从而制约了农作物制备生物油的规模化推广应用。对于农作物制备乙醇,国内外都有大规模工业化装置在运行。世界上利用农作物制备乙醇产量最多的国家是南美洲的巴西,该国利用甘蔗澄制备的乙醇,可以满足本国汽油添加20%乙醇的要求,2021年乙醇产量将达到1.5亿升[16]。由于农作物制备乙醇的生产率比较低,农作物制备乙醇的技术在我国并没有大规划商业化应用。农作物制备沼气农作物制备招气是将农作物破碎后与水混合成液体发酵原料,在厌氧条件下,经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段,将农作物中可降解的有机物降解为CH4、C02、H2、H2S等气体,这些气体的混合物称为沼气。农作物秸秆制备沼气的主产品是沼气,副产品是沼液和沼渔。沼气可以作为燃料直接进行能源化利用。通过纯化提高甲烷浓度后并入天然气管网，以作为燃料进行资源化利用。沼液和沼渣是理想的有机肥料，因此，农作物制备沼气的技术是典型的农作物能源化和资源化的利用技术,且具有污染排放低、能源化与资源化利用率和转换率高、易实现模块化等优势，是国内外近年来广泛受青睐的农作物能源化与资源化利用技术。近年来,国内外对农作物制备沼气的基础理论、工艺流程、污染排放、经济与环保效益等方面的内容进行了广泛和深入细致的研究,取得了丰富的成果,为农作物制备沼气的大规模商业化推广应用奠定了技术实用基础,促进了农作物制备沼气技术的推广与应用。许多国家都把农作物制备沼气技术作为本国农作物能源化与资源化利用的主导技术之一。1.2.2农作物的资源化利用农作物资源化利用是对农作物进行合理利用的主要途径之一,常见的农作物资源化利用技术主要包括如下几个方面:农作物的堆肥技术农作物堆肥分为好氧堆肥和厌氧堆肥这两类。好氧堆肥是将预处理后的农作物通入氧气,经历升温阶段、高温阶段、降温阶段和腐熟阶段这四个主要步骤,将农作物制成有机肥，同时伴有NH3、C02等气体的产生,气体经过净化后排入大气中，当然这其中对大气是有污染的。好氧堆肥过程中产生的热量用以加热堆肥原料或对外供热，实现热能回收利用。从好氧堆肥的目的来看,主要目的是获得有机肥料。因此,农作物的好氧堆肥视为农作物的资源化利用更为合适些。农作物的厌氧堆肥,是将农作物破碎预处理后,在厌氧的条件下经历水解、酸化、醋酸化和甲烷化等四个阶段制备成有机肥—沼渣沼液,同时产生沼气。与农作物制备沼气不同,农作物厌氧堆肥产生的有机肥是主产品,沼气是副产品,沼气大多数情况下通过净化后排入大气,并不进行能源化利用。因此,农作物厌氧堆肥是属于农作物的资源化利用技术。在农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的实际应用过程中,大规模的堆肥厂好氧堆肥占主导地位，小型或家用农作物堆肥,则是以厌氧堆肥为主。国内外对农作物好氧堆肥和厌氧堆肥的机理和工艺流程、堆肥过程的温度和通风控制方法、肥料的有效成分、堆肥的生态与环境效益等方面进行了广泛和深入的研究,为农作物堆肥技术的规模化应用奠定了理论基础。在发达国家，农作物的工业化堆肥产品的价格较高,堆肥厂可以获得较好的经济效益和社会效益。而在我国,大型堆肥厂的堆肥产品售价定得太低,无法与化肥进行市场竞争,即便有政府的财政补贴,也难以获得较好的经济效益。因此我国已建成的数家大型农作物堆肥厂,都处于半停产或关闭的状态。如上所述,农作物堆肥技术可分为好氧堆肥和厌氧堆肥两类,虽然好氧堆肥过程中有热能利用的情况，但农作物的好氧堆肥和厌氧堆肥都作为农作物的资源化利用更为合适。农作物成型燃料技术农作物经过压缩、成型等处理方式，将其制备成成型燃料,这能提高了燃料的密度,由于成型过程中脱除了大量得水分,使其单位质量的成型燃料的热值比原农作物的热值得到显著提升，农作物，比如秸秆成型燃料的密度为:1.2~1.4g/em3,干基高热值为14~20MJ/kg,使农作物秸秆成型燃料比原农作物更易于进行燃烧和储存[15]。国内外对农作物的破碎原理、成型设备、成型能耗、成型燃料的燃烧过程等方面进行了大量的研究,发出几十种不同类型的农作物成型燃料成型机。我国也有数十家农作物成型机制造厂家，国产农作物成型机的最大额定出力为2t/h。农作物,尤其秸秆类的农作物，成型燃料可作为农村炊事用燃料,也可以用于燃煤电厂或水泥厂与煤进行混烧,不仅节省了化石燃料的消耗量,而且也可以降低燃煤电厂或水泥厂的气体污染物排放。因此,农作物成型燃料技术是农作物能源化利用技术主要方向之一,是国内外感兴趣的农作物能源化和资源化利用的方向。而农作物成型燃料成型过程的高能耗,成为该项技术大规模推广应用的主要障碍。如上所述,农作物成型燃料技术可视为农作物的能源化利用技术或资源化利用技术。但农作物成型燃料主要作为燃料进行燃烧,农作物成型燃料热值较高,且含硫量低,灰分小,具有输运方便、工艺简单等优点。因此,农作物成型燃料技术视为农作物的能源化利用技术更为合适。随着化石燃料价格的不断攀升和农作物成型燃料成型过程能耗的不断下降,有理由相信,农作物成型燃料的应用规模将得到迅速扩大。(3)农作物制备建筑材料、包装材料等以农作物，尤其是秸秆类为原料,不仅可以制备成建筑材料如保温材料,农作物还是造纸业的主要供料之一,农作物还可加工成各种轻质板材,用作家具的辅助型材料。此外，农作物还可以用作编织材料，制作箱包等等。由此可见,农作物的资源化利用途径是多种多样的,但上述农作物的资源化利用途径的规模都不是很大,很难实现农作物的规模化资源利用。1.3我国沼气产业发展存在的主要问题从总体发展水平来看，我国沼气产业的整体水平与发达国家相比还有较大差距，还没有实现“产业化”。德国和中国是目前世界上处理农业废弃物沼气工程数量最多、发展最快的国家。但我国沼气工程的整体技术水平和运行效率与德国还相差甚远。本论文将通过对比我国和德国沼气产业的发展现状，详细分析我国沼气产业发展存在的主要问题。大规模工业化生产比例小，整体运行效率低目前，我国沼气建设主要还是以农村户用沼气为主，池容通常只有6~10m3，产生的沼气主要用于农户炊事。处理农业废弃物的沼气工程也主要是建在规模化畜禽养殖场，由于受养殖场数量、规模和地域等条件限制，其数量有限，规模也以中小型为主。而且，这些农村户用沼气及农业废弃物沼气工程的建设大都是在国家扶持的情况下建设并推广的，否则推广起来是非常困难的。因此，我国沼气产业尽管发展势头良好，数量很大，但规模小、平均装置容积小、产气率低、技术水平上升缓慢、沼气的利用更多是采用“自产自消”型的模式，无论是现在还是将来，都无法形成规模化和形成产业化。表1.3.1为2021年我国各种沼气工程数量及产气情况[17]。类型户（或处）产气量（亿m3/方）所占比例（%）工业沼气工程7001.411.39%户用沼气池2174000010.1985.79%农业小型沼气工程1811970.0560.47%农业大中型沼气工程85760.2321.95%表1.3.12021年我国各类沼气工程数量及产气情况名称中国德国运行数量（处）33562680平均每处容积（m3/处）2831000年产气量（万m3）2298.5130280平均每处日产气量（m3）1771322容积产气率（m3/m3·d）0.2~0.51.0~1.5沼气发电装机容量（MW）6.696.50沼气发电量（GWh）8.7355.64发电沼气占总沼气产量的比例（%）2.598.5表1.3.22021中国与德国大中型沼气工程运行情况对比由表1.3.2可以看出，我国处理农业废弃物的大中型沼气工程数量是德国的1.33倍，但平均每处日产气量却只有德国的13.39%，沼气年总产量只有德国的17.6%。这主要是由于我国处理农业废弃物的沼气工程平均装置容积只有283m3/处，其容积产气率0.2~0.5m3/m3·d，仅为德国沼气工程平均装置容积的28.3%，容积产气率的20%~33%。因此，要实现沼气产业化，大规模工业化生产是前提，产业化就意味着先必须实现工业化生产。只有实现工业化生产，配套的发酵工艺、发酵装置、输配气设备以及沼气的燃烧设备等技术水平才能得到整体提升，其工程整体运行效率也才能得到整体提高，也才有利于实现沼气集中供气、沼气发电并网、沼气汽车燃料等产业化运作模式。产业配套法规、政策不完善，市场机制不健全我国沼气工程建设主要是以政府补贴拉动及环保要求引导建设，市场流程并没有完全打通。长期以来，沼气产业发展没有明确的市场信号，虽然国家政府对其发展给予了一定的支持，但由于没有建立起强制性的市场保障政策，无法形成稳定的市场需求，沼气产业的发展缺乏持续的市场拉动。国家引导的沼气发电上网也因入网困难而难以大面积推广，致使很多沼气工程建成之日也是项目停产之日，导致国家及政府大量的资金和资源浪费，更谈不上经济效益和社会、生态效益，与原有意愿相差甚远。更有甚者，一些部门及企业借上沼气工程之名套取国家补贴，粗制滥造设备赚钱，严重扰乱了产业市场的发展。相比之下，德国沼气补贴政策全面，不仅对原料有补贴，对产品如发电和管道输运天然气都有补贴，而且对采用新的厌氧发酵技术和净化、纯化技术也有相应补贴。以公平、全面的原则对整个沼气产业进行审视，关注到每个发展节点，并大力推动项目的进行。整套法规和政策全面而且是闭合的，国家政府对沼气的补贴资金最终来源于终端用户，由国家立法，要求用户必须消费一定比例的可再生能源，使政府的法律政策可执行可持续。由此，我国已经规划在“十二五”期间，重点探索对沼气工程发电上网、热能回收、提纯灌装、沼肥利用等开展补贴，引入清洁发展机制，统筹沼气工程环境治理、能源利用、肥料生产等多重目标，实现沼气产业的可持续发展。（3）产业关键技术和装备水平相对较低德国沼气产业关键艺术和装备的领先是其沼气产业快速发展的一个重要因素。德国沼气工程的产气率和设备利用率均较高。例如发酵罐搅拌电机，同等规模的沼气工程德国只需8KWh，而我国的设计高达100KWh，运行能耗差距悬殊。再如换热设备，德国瑞士厂家能将18℃的余热回收到16℃，只有2℃的温差，而我国的设计一般要达到50℃的温差，设备制造和设计理念差距悬殊。此外，沼气净化纯化生产天然气工艺，德国可将净化纯化的压缩机余热回收用于发酵罐的加热，而我国目前还难以达到该水平，一般是另设加热源加热。德国的净化纯化技术已经形成水洗、PSA（PressureSwingAdsorption）和胺洗等三个系列成套技术，技术先进成熟，而我国才刚刚起步。且由于我国沼气工程规模偏小，即使引进国外的水洗、PSA和胺洗也会遇到问题，难以达到德国本地的技术指标，需要进一步的引进消化吸收以及改进。综上所述，我国沼气产业的发展，必须要从现在的主要局限于农村户用，逐步向工业化生产和工业化应用的方向转变。通过相关扶持政策，探索适合我国沼气产业发展的产业链，走市场化的道路，按照市场规律运作，使沼气的综合效益得以利润体现，才能开辟出新的沼气产业化途径。1.4实验研究目的，技术路线我国目前的农作物发酵制沼气技术与发达国家相比,起步较晚,大型项目的运行经验相对较少。由于我国幅员辽阔,不同地域的农作物资源种类不同,其物理和化学性质也有较大的差别,加之我国不同地区年平均气温差别较大,使我国农作物厌氧发酵制备沼气的大型项目难有统一的设计参数标准。对于不同的大型沼气项目,必须结合项目实际的农作物种类和物性、气候条件、供热条件、沼液和沼渔的消纳和后续处理工艺、农作物的价格和最大运输半径、原料的储存和供料方式、发电机组的选型等因素进行综合考虑,才能使项目实施后获得最佳的经济和社会效益。根据我国农作物制备沼气技术的应用现状,结合本文研究的农作物制备沼气项目实际案例,本文的研究目的为:;研究发酵原料的物理化学性质和产气率,提出合理估算农作物（主要是黄瓜藤）和粒径的方法,为项目实例提供工艺选择、系统设计和经济性计算提供可靠依据。为了实现上述目的,本文研究内容主要集中如下几个方面:（1）研究农作物破碎预处理的特点,为合理计算破碎预处理能耗提供计算方法。（2）研究了黄瓜藤的鲜活度对发酵产气量和产气速率等因素的影响。（3）不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响；为了厌氧发酵反应的持续反应，同时还研究不同投配率对于pH值的影响。1.5论文章节安排本论文共包括六章内容。第一章介绍课题的研究背景，国内能源消费和可再生能源利用现状，以及课题的主要研究内容和意义。第二章厌氧发酵反应制备沼气的基本原理和影响参数。第三章阐述农作物的破碎原理，从中说明粒度与能耗间的关系，并且从能耗的角度分析不同粒度的颗粒的耗能情况。第四章针对需要采用实验方法对各个因素进行研究，确定实验的数据测量的方法以及实验进行过程中需要的注意事项，防止实验失败。第五章实验采用定制CSTR厌氧反应器对黄瓜藤在中温条件下进行厌氧消化反应实验，研究系统的稳定性能和产气性能。第六章作出对课题的总结和展望，总结本课题的研究成果，并提出不足之处和以后还需进一步研究的方向。

厌氧发酵原理及其工艺农作物作为发酵原料，用来制备沼气是生物质厌氧发酵的一种。如本文第一章所述,生物质发酵根据发酵过程中是否存在氧气,可分为好氧发酵和厌氧发酵。好氧发酵的主产品是有机肥,厌氧发酵的主产品可以是有机肥或沼气。如果生物质厌氧发酵的主产品是沼气,则称为生物质发酵制备沼气。2.1有机物厌氧降解基本过程厌氧处理过程是由多种微生物共同作用完成的,微生物将有机大分子化合物通过转化成了CH4、C02、H2O、H2S和氨等物质。在厌氧发酵过程中,微生物相互间影响、相互间约束，微生物之间共同组成一个生态系统。从上世纪70年代中起,研究者们就对厌氧消化技术进行了广泛的研宄并取得了很多成果。厌氧生物降解基本过程如图2-1所示[18]。1.发酵菌；2.产氢产乙酸细菌；3.同型产乙酸细菌；4.利用H2和CO2甲烷细菌；5.分解乙酸的产甲烷细菌图2-1大分子有机物的厌氧降解过程一、水解阶段水解阶段是非溶性的大分子化合物被转化为简单的小分子化合物或单体的过程。大分子有机化合物相对分子质量都比较大,不能被微生物直接吸收利用。这些大分子的有机化合物首先在被转化为小分子化合物,这些小分子化合物就很容易被微生物利用。通常水解反应过程可用下式表示。R-X+H2O—>R-OH+X-+H+式中:R-有机物分子的碳链主体X-分子中的极性基团发酵阶段在发酵过程中,发酵微生物首先将小分子化合物转化为简单的物质,分泌到细胞外。因此，这一过程也称为酸化阶段。这一阶段的最终产物主要有挥发性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧气、氨、硫化氢等气体物质。同时,厌氧发酵过程中，微生物也会合成新细胞进行自身的增殖,所以系统会产生剩余污泥。一般的底物在进行酸化反应时,部分氨基酸的分解是通过所谓的史提克兰德反应进行的,该反应需要两种氨基酸的参与,或者说它需要和其他分子同时进行反应,其中一个氨基酸分子进行氧化脱氮,同时产生H+使另外一种氨基酸的两个分子还原,两个过程都有脱氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解为例来说明它们就需要这种偶联反应。CH3CHNH2C00H+2H20—>CH3COOH+CO2+NH3+4H+2CH2NH2COOH+4H+—>2CH3COOH+2NH4即为:CH3CHNH2COOH+2CH2NH2COOH+2H2O—>3CH3COOH+3NH4+CO2这里丙氨酸作为电子的供体,甘氨酸作为电子的受体。而丙氨酸和甘氨酸都是有机物,却一个作为电子供体,另一个作为电子受体。这一特点说明,酸化反应过程是一个不稳定并且没有进行到底的过程。产乙酸阶段发酵阶段的最终产物在产乙酸菌的作用下被进一步转化为CH3COOH、H2、碳酸和新的细胞物质。这些微生物能把各种VFA降解为乙酸和氢气。其反应如下[16]:CH3CH2OH+H2O—>CH3COOH+2H2CH3CH2COOH+2H20—>CH3COOH+3H2+C02CH3CH2COOH+2H2O—>2CH3COOH+2H2四、产甲烷阶段在这一阶段过程中,产甲烷微生物将CH3COOH、H2、碳酸、甲酸和甲醇等转化为甲烷、二氧化碳和新的细胞物质。有些细菌能够直接利用乙酸产生甲烷,在一般的厌氧反应器中,由乙酸分解产生的甲烷和由氢气分解产生的甲烷的比例为7:3。利用乙酸: CH3COOH4—>CH4+CO2利用H2和C02:H2+C02—>CH4+H20上述4个阶段还包含以下过程:(a)蛋白质、碳水化合物的和脂类发生变化是在水解阶段发生的;(b)氨基酸和糖类的氧化、高级脂肪酸和醇类的氧化发生在厌氧发酵阶段;(C)产乙酸阶段包含从中间产物中形成CH3COOH和H2,由H2和C02形成CH3COOH;(d)产甲烷阶段包括由CH3COOH形成甲烷和从H2和C02形成甲烷。2.2厌氧发酵过程的特点2.2.1厌氧生物处理技术的优点厌氧生物处理能够减少环境污染。能够大幅度降低废水中的COD、BOD的含量,减少水体富营养化；厌氧消化可以杀灭病原菌、微生物虫卵；减少蚊绳的繁殖效率,避免了疾病的传播。厌氧生物处理产生的污泥量较少、剩余污泥脱水性能好、浓缩时可以不使用脱水剂等优点,因此,厌氧生物处理工艺受到广泛应用。厌氧处理工艺可产生无污染的能源沼气作为燃料使用;沼气燃烧后的产物是水,因此对环境无污染。(4)厌氧生物处理可以把难被微生物吸收的有机氮转化成氨或确酸盐,从而提高营养成分的利用率。(5)厌氧生物处理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加农作物的产量。(6)高浓度的有机废水也可以用厌氧生物技术来处理。且不需要大量水稀释。(7)厌氧生物处理可以节省费用。2.2.2厌氧生物处理技术的缺点厌氧生物处理启动周期较长。厌氧微生物的世代期长,微生物增长速率低,污泥增长缓慢,一般厌氧启动期需要几个月甚至更长的时间。如果增加接种污泥量来达到快速启动,就会增加经济投入。(2)管理较复杂。由于微生物种类、性质各不相同,对运行管理较为严格。(3)厌氧生物处理后的废水不能达到排放标准。厌氧生物处理对氮和等营养元素的去除率不高,厌氧消化只是把含氧和磷的有机物转化为氧氮和磷酸盐,微生物合成新细胞用到的氮和磷也较少,因此,厌氧消化系统除水中氮和磷的含量一般达不到排放标准。氮和磷等营养物质排入水体可引起湖泊发生富营养化,由于该法的利用存在局限性,当被处理的废水对氮和的含量要求较高时,就应当采用厌氧和好氧相结合的处理工艺。(4)厌氧生物技术在处理废水时可能会造成二次污染。由于废水中硫酸盐的存在,在厌氧条件下硫酸盐被氧化而放出H2S等恶臭气体。(5)厌氧微生物对有毒物质非常敏感,因此,要严格控制有毒物质进入厌氧消化系统中。2.3厌氧微生物降解动力学原理微生物降解动力学是指目标化合物的微生物降解速率。厌氧消化过程中的动力学主要有两个方面的内容:即厌氧微生物生长动力学和有机物降解动力学。莫诺德(Monod)动力学方程可表示为:式中,为基质利用速率[mg/(L.d)];为最大比基质利用速率[gCOD/(gVSS-d)];C为生长限制基质浓度(与生物体接触的浓度,mg/L);X为生物浓度(mg/L);为半饱和浓度(mg/L).溶解性基质的生物转化速率可由莫诺德方程表示。则有U=rk莫诺德方程可表示为因为，而u=rk,上式也可以写作式中,p为基质浓度;为最大比基质利用率:为最大比细胞增长率;为基质亲合力常数或饱和常数,它等于当时的基质浓度。在厌氧处理的产甲烷阶段,产甲烷菌将COD转化为CH4和细胞物质。假定产生的细胞物质占被转化的COD的产率为rn,则转化为CH4的COD的产率为1-rn。在酸化阶段,基质被转化为细胞物质和挥发性脂肪酸,假定细胞产率为rm,则转化为VFA的分值为1-rm。在稳定的生物处理系统中,有机物质的氧化分解;新细胞的合成;老细胞的衰亡是同时进行的。将以上过程综合起来,就得到下面方程:式中—微生物净增长速率,mg微生物/(L·d);—基质降解速率,mg基质/(L·d);Y—新细胞增长常数,即产率,mg微生物/mg基质;b—细菌自身氧化分解率,也称衰减系数,d-1;X—微生物浓度,mg微生物/L;将上式两边各除以X,得式中：是微生物的比增长速度u;是单位微生物在单位时间内降解基质的量；2.4厌氧处理微生物生态学在厌氧处理系统中,存在着种类繁多,关系复杂的微生物区系。这些微生物相互协同共同完成一个复杂的厌氧降解反应过程,总的来说,这些微生物大致可以分为两类:产甲烷菌、不产甲烷菌。2.4.1不产甲烷菌不产甲烷菌(发酵细菌、产氧产乙酸细菌和同型产乙酸菌)在厌氧消化过程中也起着非常重要的作用。一、发酵细菌发酵细菌是一个混合细菌群,主要由专性厌氧细菌组成。这类微生物能够在厌氧条件下将不溶性大分子有机物水解为可溶性小分子物质,并利用这些小分子物质生成各种酸、H2和C02。二、产氢产乙酸细菌产氢产乙酸菌能够将水解产物转化为C02、02以及乙酸。水解酸化过程中的产物部分能够直接被甲烷菌利用,部分不能被甲烷菌利用,这时产氧产乙酸菌就在整个厌氧消化过程中发挥极为的重要。产氢产乙酸菌能将各种VFA降解成为乙酸并放出H2。三、同型产乙酸细菌同型产乙酸菌是混合营养性厌氧细菌,不仅能利用有机基质产生乙酸,也能利用H2和C02产生乙酸。因为同型产乙酸细菌可以利用氢气而降低氢气分压,所以对产氢气的发酵性细菌有利,同时对利用乙酸的产甲烧菌也有利。2.4.2产甲烷菌为了避免产甲烷菌与另一类氧化好氧细菌相混淆,1974年Bryant提出产甲烷菌这一名词。产甲烷菌有多种形态,大致可分为杆状、球状、螺旋状和八叠状等四类形态。螺旋状产甲烷菌目前仅发现一种。由于产甲烷菌是生存于极端厌氧的环境中和其对氧高度敏感的特性,使其成为难于研究的细菌之一。因此到20世纪70年代分类学家才以菌体细胞的形态学特征,再辅以某些生理学形状和对各种基质的利用能力来进行分类。随着电镜的使用和现代生化技术的发展,逐步进入依据细胞学水平和分子水平的差异来进行分类。1956年,巴克将甲烷菌归纳成1个科和4个属,共8个种。1974年在《伯捷氏细菌鉴定手册》的第八版中,布赖恩特扔根据巴克的意见把产甲烷菌列为1个产甲烷菌科,下分为甲烷杆菌属(5个种)、甲烷八叠球菌属(2个种)和甲烷球菌属(2个种),共9个种。到1991年为止,共分离到产甲烷菌65个种。产甲烷菌是一个特殊的专门的生理群,具有特殊的细胞成分和产能代谢功能,是一群形态多样,可代谢氢、二氧化碳及少数几种简单有机物生成甲烷的严格厌氧的古细菌。2.4.3不产甲烷菌和产甲烷菌之间的相互关系在厌氧处理系统中,微生物的种类很多、关系也很复杂。甲烷的产生是各种微生物相互平衡、协同作用的结果。不产甲烷菌依赖产甲烷菌,同时,产甲烷菌也依赖不产甲烷菌,它们之间相互依存又相互制约,在厌氧生物处理系统中它们是同时存在的。(1)不产甲烷细菌为产甲烷菌提供营养物质。发酵细菌可以把高分子的碳水化合物、脂肪、蛋白质等进行发酵,生成H2、C02、氨、及各种酸等,为产甲烷细菌提供碳源和氮源。(2)不产甲烷细菌创造了适宜的氧化还原电位。消化液、进料时都会使氧气混入,这些氧会抑制产甲烷菌的生长。但是,兼性厌氧菌和兼性好氧菌能够减少装置中的氧含量,。在厌氧装置中的各种厌氧微生物对氧化还原电位的适应性是不同的。如果这些微生物能够正常的生长代谢,就会降低消化液中的氧化还原电位,使产甲烷菌能够正常生长。(3)不产甲烷细菌能够清除系统中的有毒物质。废水中特别是工业废水中可能会含有重金属、酷、氰等有毒物质,不产甲烷菌可以分解、吸收、转化这些有毒物质,有的还能够以氰化物作为碳源和能源,都能够解除有毒物质对产甲烷菌的毒害。(4)产甲烷细菌能够把不产甲烷细菌的反馈抑制解除。不产甲烷菌的很多发酵产物对自己本身是有抑制作用的。而产甲烷菌可以消耗掉这么产物将它们转化为C02和CH4,使不产甲烷细菌的代谢能够正常进行。(5)不产甲烷细菌和产甲烷细菌共同维持系统中的适宜pH值。在厌氧消化初期,发酵微生物在降解有机物时会产生酸性物质,导致消化液中的pH值持续下降。同时,氨化细菌可以分解蛋白质产生氨。氨可中和消化液中的部分酸性物质,对厌氧消化系统起到一定的缓冲作用。到了厌氧发酵后期,产甲烷细菌可以将乙酸、氢和C02转化为CH4,从而维持厌氧消化系统pH值的稳定。2.5原料预处理的研究进展2.5.1农作物发酵原料预处理的研究农作物制备沼气的工艺中,通过对发酵原料的预处理,可以增加发酵过程中的生化反应表面积,提高产气率和缩短产气时间,从而提高发酵反应器的容积利用率。对于发酵原料的预处理,通常通过物理化学和生物等方式,提高木质素和纤维素的降解程度,使纤维素、半纤维素和木质素分解,增加酶和纤维素的反应接触面积,从而提高酶解的效率,以加快厌氧发酵的产气率。这方面的研究主要包括:杨立[19]等人用NaOH对稻杆进行预处理,研究不同浓度的NaOH、NaOH水溶液加热预处理时间和水浴温度对厌氧发酵产沼气的影响。实验结果表明,NaOH浓度为6%时最佳,产量比为处理的对照组提高了110%,水溶液加热时间3h最佳,产气量比对照组提高了107.9%,水浴加热温度10℃最佳,产气量比对照组提高115.8%。覃国栋[20]等对水稻稻秆进行酸预处理,研究其对沼气发酵的影响。实验所需的水稻稻杆被切成2cm~3cm左右,分别采用不同浓度的酸(2%、4%、6%、8%、10%)对水稻稻秆进行处理,预处理后的稻秆放入1L的发酵装置中,并在20℃的恒温恒湿箱中,用活性污泥接种进行发酵。发酵装置中料液总质量为800g,发酵料液初始浓度为6%,接种物浓度为30%。实验结果表明,酸预处理可显著改善水稻稻秆产沼气的量,提高产气率。楚莉莉[21]等用沼液对小麦稻秆进行预处理,研究对厌氧发酵产气特性的影响,实验在25±1℃条件下进行。相对于未处理的小麦稻秆,预处理后小麦稻秆的碳氮比下降20~30:1，且产气速率显著增加,产气高峰出现时间提前,甲烷的平均含量为64%~71%,VS的去除率为17.1%~25.7%。其中,预处理时间6d时的产气效果最好,VS产气量比对照组的产气量提高了69.5%。KouichiIzuini[22]等研究食品废弃物不同粒径对厌氧发酵的影响。实验结果表明,相比于用普通破碎机进行的破碎,用玻珠研磨机在lOOOrpni速度下进行的破碎,可使沼气产量增加28%。若食物废弃物的粒径过小,将导致挥发性脂肪酸的积累,沼气的产量和粒径的增溶性也会相应降低。S.Menardo[23]等研究小麦,大麦,水稻和玉米四种秸秆,改变其粒径和经过热处理后对沼气产量的影响。实验在40℃温度下,四种农作物秸秆的粒径分别定为5cm、2cm、0.5cm、0.2cm；热处理温度设为90℃和120℃。实验结果表明,粒径的改变可使沼气产量增加80%以上,对于小麦和大麦稻秆的沼气产量明显高于预处理前,并随着粒径的降低而增加;稻杆和玉米杆的沼气产量并没有明显的高于预处理前。经过热处理后的玉米杆和稻杆的产气量并没明显高于预处理前。但对于小麦和大麦稻秆热处理,其产气量明显高于预处理前,产气量增加大约40%左右。对于小麦秸秆,不同的预处理方式都可得到更多的产气量。李玉英[24]等用不同种类的稻秆进行发酵,并蹄选高效产酸复合菌系。实验以麦秆、玉米秆为碳源,牛粪为氮源,研究不同菌群经多代驯化后,以不同种类稻秆为碳源的产酸规律。实验结果表明,以麦秆为发酵原料时,来自牛胃内容物的菌群具有高效的产酸能力；以玉米秆为碳源时,来自腐殖土的菌群具有高效产酸能力。边义[25]等用不同菌种对玉米秸秆进行干式发酵实验,分别采用绿稻灵、酵素菌、石灰水、速腐剂在相同条件下对玉米稻秆进行预处理。实验表明,经过酵素菌预处理后的原料,产气率为455.7ml/g,原料的纤维素降解效果最好,降解率为56.9%。在发酵产气的旺盛期,采用四种预处理后发酵时的甲焼含量都很高,经酵素菌处理的原料的甲烧含量最高,其次为绿稻灵、速腐剂、石灰水。方文杰[26]等采用厌氧消化后的消化液对稻草进行堆枢预处理,研究温度、含水率、混合液悬浮固体及时间对沼气产气量的影响。实验结果表明,堆枢预处理后稻草总产气量比未处理提高了3%~49.5%。BiproRanjanDhart[27]等用超声波和高温对活性污泥进行预处理,分析预处理后厌氧发酵的经济性。三种高温预处理的温度分别为5°C、70°C、90°C,三种超声波预处理的比能输入分别为1000、5000、lOOOOkJ/kgTSS。相比未预处理的厌氧发酵,预处理后的厌氧发酵能明显的提高挥发分固体悬浮物的降解率,其增量为29%~38%,并可得到30%的沼气增量。Kim[28]来自韩国污水处理厂的活性污泥进行批量发酵,以研究不同预处理方式对厌氧发酵过程的影响,包括热预处理、化学预处理、超声波预处理和热化学预处理。实验表明,热化学预处理对发酵产气情况和污染物的降低均具有较好的效果,在经过热化学预处理后,污泥的沼气产气量增加了34%。AnthonyMshandete[29]等研究粒径对剑麻废弃物厌氧发酵的影响,实验在33°C条件下,粒径为2mm~100mm。实验表明,在剑麻粒径为2mm的情况下,预处理后剑麻纤维的降解程度要比未处理的增加31%~70%。并且沼气产量与粒径的大小成反比,粒径为2mm的剑麻,其产气量增加了23%,1kg挥发分固体产甲烧量由未处理的0.18m3增加到0.22m3。从上述文献中可以看出,生物质发酵原料的预处理主要是通过釆用酸、碱等化学处理剂进行预处理、加温法预处理、微波法预处理、预发酵等不同的预处理方法,加快发酵原料的产气、提高产气率和产气量。在实际的发酵原料预处理过程中,预处理成本是制约不同预处理方法实际应用的关键因素。2.5.2发酵过程工艺参数的研究发酵过程工艺参数直接影响沼气的质量、沼气产量和容积沼气产率。在农作物发酵制备沼气的系统中,优化发酵过程的工艺参数,是保证农作物发酵制备沼气系统的安全、经济和高效运行的主要条件。国内外对于发酵过程工艺参数研究的内容是十分广泛的,现进行简要介绍如下:王伟[30]等通过玉米稻秆与鸡粪混合,在不同干物质浓度下进行实验,实验表明,干物质浓度在15%时原料的分解利用率最高；在浓度为8%~30%中,干物质浓度含量越高,沼气产量随干物质浓度的增加而增加,沼气总产量也随干物质浓度的增加而增加;但甲烧含量却随发酵原料的干物质浓度的提高而减少。张望[31]等在稻草为发酵原料进行中温干式厌氧发酵实验,实验浓度分别为20%、30%、40%,实验表明,相对于浓度20%而言,浓度为30%的干式发酵在反应前期经历了很长的酸化期,产气量在后期才始升高。对于半纤维素,随着浓度的升高,半纤维素的降解呈下降趋势。在不加任何预处理措施的情况下,浓度越高,产气效果越差,微生物生长活动严重受制,干物质浓度在20%时效果最好。孙丽丽[32]等在玉米稻杆和麦稻的中、高温发酵实验中得出,当温度从30°C升高到35°C时,单位干物质产气量提高幅度较大,温度超过35°C时,玉米稻和麦稻的单位产气量增加幅度都不大。徐宵[33]等在稻秆干式厌氧发酵渗滤液回流的研究结果表明,在底物浓度低于18%时,渗滤液回流对稻杆厌氧发酵产气率的影响不大。当底物浓度提高到20%时,渗滤液回流可明显的提高稻秆厌氧发酵的产气率,其中以产气趋势下降后再回流的方式最好。同时,对秸秆发酵前后化合物组成分析表明,回流可以提高纤维素、半纤维素的降解率。DavidBolzonella[34]等用活性污泥在1.3m3的搅拌反应器中进行中试发酵实验,研究两相处于不同温度下的发酵规律。实验结果表明,反应器的性能随着温度的上升而提高。COD的去除率由两相中温的35%增加到两相高温的45%。E.Maranont[35]等用牛粪与食品废弃物、污泥进行联合发酵,以研究发酵产气规律。实验表明,当增加有机负载率并缩短水力停留时间时,将会降低产气量。当对给料混合物进行超声波预处理后,产气量会增加,但发酵产生的沼气总能量小于超声波预处理的能耗。PrasadKaparaju[36]用稻杆釜馏物作为发酵原料进行厌氧发酵实验。采用不同浓度的釜馏物进行批量发酵,以确定其产气潜力。实验表明,当物料浓度增加到33%~55%或有机负载率提高到41.2g-COD/L·d时,产气量降低或使整个发酵实验失败。J.Fernandez[37]对城市有机固体废弃物进行厌氧发酵实验,研究总固体浓度对发酵过程的影响。实验结果表明,反应器在总固体质量浓度为20%时,具有更好的发酵性能。HanaGannoun[38]等用屠宰场废水为发酵原料进行间歇式厌氧发酵,发酵前对废水进行静态和动态的水解预处理。相比于静态预处理,动态预处理可使悬浮物增加80%的水解性,使其更有效地转变为可溶物。K.J.Chae[39]等研究不同的发酵温度、温度波动及给料负荷对猪粪厌氧发酵的产气量和甲烷浓度的影响,实验所设的温度范围为25°C、30°C、35°C；发酵原料的总固体质量浓度为5%、10%、20%和40%。实验结果表明,相对于发酵温度为35°C的条件,在30°C状态下的产气量降低了3%,而在25°C时的产气量减少了25%。SamanthaCristinaPinho[40]等在厌氧预批式生物膜反应器中,对部分可溶性废水进行处理,研究了机械搅动对有机物降解率的影响。从上述文献查阅中可以看出,不同发酵原料的发酵工艺的参数变化范围很大,很难得到可以适用于任何发酵装置的统一标准的工艺参数,对于不同的发酵原料和系统,需要结合具体情况进行具体的分析，进而对发酵系统的参数进行优化,从而最佳的经济效益和社会效益。2.6影响微生物厌氧消化的主要因素2.6.1温度温度对厌氧消化系统中微生物的影响是最大的,甚至系统温度发生微小的改变都可能造成系统的瘫疾。在厌氧反应器中,厌氧微生物通过生命代谢过程来产生能量以维持自身的生长,同时也产生副产物甲烷厌氧发酵制备沼气的过程中,微生物代谢活动与温度有着密切的关系。细菌代谢活动在35°C~38°C和50°C~65°C范围内分别有一个高峰值。40°C~50°C是产沼气高温菌种和中温菌种活动过渡的温度区间范围,它们在这个温度范围内都不太适应,因而产气率可能会下降。而随着温度的升高,微生物的代谢越发旺盛,沼气的产量也就越多,当温度增加到53°C~55°C时,高温菌种会变得活跃,产沼气的速率当然最快;当温度超过65°C时,高温菌则会被杀死，产沼气的速率也会急剧的减少,直至停止产沼气。厌氧微生物可分为低温微生物、中温微生物和高温微生物,各类厌氧微生物生长的温度范围见表2-1。因此,厌氧处理工艺可以分为低温厌氧处理工艺、中温厌氧处理工艺和高温厌氧处理工艺。表2-1不同种类厌氧微生物的适宜温度范围细菌种类生长的温度范围/℃最适温度/℃低温菌10~3010~20中温菌30~4035~38高温菌50~6051~53一般来说,高温区的微生物代谢速率要大于中温区;而中温区的代谢速率大于低温区。在大多数厌氧反应器中,温度每增加10℃速率就增加1倍。中温发酵(45℃~48℃)，与常温相比,具有降解速度快、产气率高、产气性质好等特点。中温发酵在大中型沼气工程占有主导地位。高温发酵降解快、产气率高、环保效果好,有利于无害化。与中温发酵相比,高温发酵在产气量方面没有明显的优势,但发酵所需能耗较多。一般用于有余热利用或需要杀灭有害细菌的废物处理的工程项目。2.6.2酸碱度(pH值)环境pH值是通过影响酶的活性来影响微生物代谢的。环境pH值的变化可以引起微生物细胞膜上电荷的改变,从而影响微生物对营养物质的吸收。介质的pH值不仅能影响微生物的生命活动,甚至能影响微生物的形态。pH值是氢离子活度的负对数,微生物对pH值有一个适应的范围,并且对pH值的波动十分敏感。微生物对pH值的适应范围随着微生物种类的不同而有所不同。产甲烷菌的适宜范围大致是6.6—7.5。2.6.3氧化还原电位（ORL）体系中氧化剂和还原剂的相对强度称之为氧化还原电位,通常用Eh表示,以伏特(V)或毫伏(mV)来计量。根据Nerast的方程式,溶液体系中的氧化还原电位可(Eh)可以表示为式中,R为气体常数;T为热力学温度(K),T=273+t(°C);n为离子价;f为电化学当量;E0为标准电极电位;Eh为待测氧化还原电位;[氧化型]为氧化态离子浓度;[还原型]为还原态离子浓度。好氧微生物、兼性微生物和厌氧微生物都呈现出一种趋势,那就是在其生长过程中会降低外界的氧化还原电位。这是因为好氧微生物和兼性微生物在其生命代谢中都以氧为最终电子的受体,环境中的氧被微生物代谢消耗会导致使环境中的氧化还原电位降低。2.6.4基质的营养比例在厌氧反应器运行中,一般是控制进料的C/N的比例来满足厌氧发酵微生物的营养要求的。通常情况下,含有天然有机物的废水会在处理时不需要加入基质,但是在处理化工废水时就要注意进水中碳、氮、磷的三者比例。不论是在好氧反应器中还是厌氧反应反应器中,氮与磷的比值都应当是5:1。但碳与它们的比值则差异会很大。厌氧反应需要的碳比好氧反应需要的多。2.6.5基质微生物比(COD/VSS)厌氧生物处理系统中的COD/VSS对厌氧消化系统的影响非常大,在实用中常以有机负荷(C0D/VSS)表示其含量,单位为kg/(kgd)。但通常情况是进料有机负荷大,系统产气量则大。厌氧消化过程中产酸阶段比产甲烷阶段的反应速率要高得多,所以在选择有机负荷时我们需要十分谨慎把握,避免挥发酸的积累。有机负荷的绝对值在反应的开始阶段不适合太高。2.6.6抑制性物质或毒性物质与其他生物系统一样,有毒物质的进入也会影响厌氧处理系统。由于微生物对各种有毒物质具有一定的适应能力,因此,只有当有毒物质超过一定限度才会对厌氧发酵产生抑制作用,严重时甚至完全破坏厌氧过程。只有溶解成离子状态的重金属才会对细菌有毒害作用,如果重金属离子可以与硫化物结合生成不溶物质,则对微生物无毒害作用。因此,重金属即使浓度很高,如同时存在着与其相应的硫化物,抑制作用就不会产生。具体情况如表2-2所示。表2-2列出了氨浓度对微生物的影响情况影响程度氨浓度（以N记）（mg/L）有益50~200无不利情况200~1000抑制作用1500~3000有毒高于30002.6.7农作物粒度对发酵原料进行破碎处理,可以减小发酵原料的粒径,增加发酵原料与厌氧菌种的接触面积,提高发酵过程的生化反应速度，从而缩短产气时间和提高反应器单位发酵容积的产气率。另外,经过破碎预处理,还可以破坏农作物所含木质纤维素的细胞壁,使其有利于降解，增加降解速率，缩短产气时间和提高反应器容积产气率。农作物经过破碎,还可以提高其堆积密度,便于农作物的运输和存储。因此，在农作物厌氧发酵制备沼气的工程实际中,对农作物梧秆进行破碎处理是必不可少的预处理工序。2.6.8其他因素除了对于加入物质、控制环境等因素外,其他因素也会对厌氧微生物的生长产生影响。例如在反应过程中搅拌（甚至搅拌速度不同，影响也不同）、在反应前对物质进行预处理等都会影响微生物的生长情况。在反应过程中搅拌可以加快反应,预处理可以提高水解过程、产甲烷过程的稳定性性。除了考虑共性问题,同时,还必须关注不同处理工艺中的特殊因素等其他影响。第3章农作物破碎原理、粒度与能耗分析为缩短发酵原料的产气时间,提高单位容积的产气量,需要对发酵原料（蔬菜类农作物）进行预处理,如前面所述,在农作物厌氧发酵制备沼气的项目中,最常用的预处理方式之一是进行破碎。本章首先介绍常见的破碎工艺,然后通过粒度表征方法和分形模型对破碎后的粒度分布进行表征,目的是为了确定粒度分布的特征参数和粒度的分布情况,从而分析破碎不同粒径所需要的能耗。3.1农作物破碎原理物料在受到外力作用时,总是沿着其最抗压性最差处发生破裂。经过破裂后,物料的粒径变小。不同的破碎方式有一个共同的特性,就是在不同形式的破碎力的作用下,对物料进行破碎,从而达到减小物料粒径,增大比表面积的目的,从而使物料在厌氧发酵制备沼气的过程中,可以加速物料的生化反应。3.1.1农作物的破碎原理论述中我有查阅有关文献，由于研究的是蔬菜类农作物（黄瓜藤），结构和秸秆类似，所以以秸秆来说明农作物的破碎原理，农作物秸秆的结构由木质素、纤维素、半纤维素、果胶和蜡质等化合物组成。由于农作物秸秆的木质素很难通过微生物来进行降解,因而农作物秸秆的原料的厌氧发酵,其降解率一般取决于纤维素和半纤维素被木质素包裹的程度。当木质素完全包裹在纤维素和半纤维素表面时,微生物难以接触纤维素和半纤维素,使其降解速率十分缓慢。秸秆表面的一层蜡质,也不易被厌氧微生物所分解。所以从中可以发现秸秆不经过预处理进行发酵,就会不能有效降解。因此,要求对木质素和蜡质进行破碎处理,使纤维素与有机微生物的接触表面积增大,加快原料的分解。秸秆的破碎过程破坏了秸秆表面的蜡质层,同时增加原料与料液接触面积。工程实用中对秸秆进行破碎,主要是通过机械的方式对秸秆进行破碎,从而达到增加接触表面积的目的。3.1.2常见的破碎工艺常见的破碎工艺主要有:闭路破碎工艺、开路破碎工艺、半路破碎工艺[17]。(1)闭路破碎工艺中,原料在破碎机内完成破碎。在破碎机下方安装有蹄板或蹄条,符合粒度要求的物料才能从筛板或蹄条中排出。该工艺一般由鄂式破碎机和锤式破碎机组合而成,实现粗破碎与细破碎的组合破碎工艺,该工艺较适宜对硬度较软的物料进行破碎。(2)开路破碎工艺中,破碎机下方不安装蹄板或蹄条,物料可以直接从破碎机底部排出,破碎后的物料经过筛分工序,才能满足所需的粒度要求,该工艺中需加蹄分设备。此工艺一般由鄂式破碎机、锤式破碎机、振动蹄组合而成,组合成粗破碎、细破碎和蹄分的破碎工艺。相对于闭路破碎工艺而言,开路生产的破碎工艺降低了破碎机的设计难度,且具有较高