【文章內容簡介】 省了預處理成本；耗水量比起濕法大大降低，節(jié)省水費；發(fā)酵室為地面車庫型不透氣混凝土結構，底部管道暖氣供熱，因而土建費用很低。（3）處理費用低。比起濕法，幾乎沒有污水排放，污水處理費用低；發(fā)酵剩余物無濕法發(fā)酵的沼液，所以不用脫水處理，存儲和后處理費用低。（4）產物質量高。產生的沼氣含硫量遠遠低于濕法，只有50～300ppm，可以不經洗氣直接供沼氣發(fā)動機使用；發(fā)酵剩余物經簡單的過篩和短時間的堆肥即可用作園林肥料或農作物肥料。（5）設備穩(wěn)定效率高。發(fā)酵室為模塊化結構，易擴展；由于沒有接種物，發(fā)酵不受干擾物質如塑料、木塊、沙石等的影響，因而不需花費人力和設備將其在發(fā)酵前檢出；在發(fā)酵罐/室中沒有攪拌器等運動部件，因此系統(tǒng)的可靠性很高；進料出料可使用通用的裝載機等工程機械，設備效率高，通用性強。1 底物組成因可生化降解性不同,不同的底物沼氣產量相差很大, 甚至相差40%以上[20]。此外,底物C/N比值也影響產氣量,C/N比值太高,微生物所需氮量不足,且消化液緩沖能力降低。C/N比值太低,含氮量過多,有機物分解受到抑制。眾多研究結果表明,厭氧發(fā)酵底物C/N比值以20～30為宜,過高與過低均會影響底物產氣量或產氣速率[21]。底物中木質纖維素含量影響底物的可生化降解性,進而影響產氣潛力[22]。 此外,采用多種底物混合發(fā)酵可獲得更高的產氣效率,同時也為沼渣的后續(xù)處理與利用帶來方便。PARAW IRA[23]等將番茄殘體與甜菜葉按不同比例混合,進行干法厭氧發(fā)酵,當番茄殘體與甜菜葉質量比為24∶16時,與單一的番茄殘體相比,甲烷產氣量可提高31%～62%。MSHANDETE等將劍麻果漿與魚加工廢棄物混合進行厭氧發(fā)酵,結果表明混合發(fā)酵的單位揮發(fā)性固體(VS)所產甲烷量比單一原料提高了近100%。LEHTOM[24]等用不同秸稈與糞便混合,當秸稈比例為30%時,與單一糞便發(fā)酵相比,沼氣產量提高了16%～85%。WELIAND[25]在綜述德國厭氧消化技術發(fā)展現狀與趨勢后指出,混合厭氧發(fā)酵以及優(yōu)化混合原料組合將是重要的發(fā)展方向。2 底物預處理對于固體含量高的有機廢物,底物水解是限制其厭氧消化過程的主要因素。底物水解速率除受自身生物可降解性、C/N比值等影響外,還受底物物理結構、性狀以及它們與水解酶接觸難易程度等影響。底物比表面積大、底物與酶接觸容易等均會提高水解速率,加速產氣速率。因此采取減少底物顆粒直徑、改善底物與酶的親和能力等預處理技術,可以提高底物水解速率與產氣量。 3 TS含量TS含量對有機物的降解有顯著影響。劉曉風等[26]以垃圾為底物,研究間歇式反應器中TS質量分數20%～50%時對有機物降解的影響。結果表明,TS 20%和30%時,TS和VS的降解率較高,%、%%、33163%。當TS濃度為40%時,TS和VS降解率明顯下降,分別為24122%%。當TS為50%時,TS與VS降解率更低,%%。對于連續(xù)式反應器而言,在一定水力滯留時間條件下,總固體含量,即有機負荷量過高,會由于有機酸過量積累而導致啟動失敗或產氣量降低。4 接種物因總固體含量高,在干法厭氧發(fā)酵過程中加入足夠的接種物是加快厭氧消化啟動和提高甲烷產氣率的重要措施之一。一般情況下,干法厭氧發(fā)酵時菌種(消化污泥)添加比例為料重的20%左右,若能達到30%以上則更好,這樣可以提高產氣速率和早期沼氣中甲烷的含量。PARAW IRA等研究不同接種量(厭氧消化污泥)對土豆廢渣降解過程的影響發(fā)現,甲烷產氣率隨接種量增加而提高。,底物(VS)產甲烷最多,達0132 Lg1。不同接種物因菌群不同產氣效果相差很大。TORRESCASTILLO等對畜禽墊料進行干法發(fā)酵,研究豬糞和牛糞作為接種物的產氣效率,結果發(fā)現,以牛糞為接種物的物料降解效率高于豬糞,且產氣量隨著接種量增加而增加。余建峰比較了不同接種物(二沉池污泥、濃縮池污泥、厭氧池污泥)對牛糞干法厭氧處理系統(tǒng)的影響,結果表明,二沉池污泥經馴化用作接種物效果好于其他處理, mLg1。周嶺等研究表明,用秸稈浸泡液對厭氧發(fā)酵用污泥接種物進行馴化可以提高優(yōu)勢菌種的數量。 5　pH及溫度厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中產酸菌可以在pH ～,而產甲烷菌對pH變化非常敏感,～,因此,～。溫度與有機物分解過程有密切關系。30～35℃(中溫)與50～55℃(高溫)是厭氧發(fā)酵的2個適宜溫度段。中溫厭氧發(fā)酵工藝所需熱量少,運行穩(wěn)定,便于管理,因此得到大量應用。李連華等研究結果證實,中溫比高溫更合適農作物秸稈的厭氧消化。 6　攪拌攪拌可使微生物與發(fā)酵底物充分接觸,加快底物的分解速度。對于厭氧干發(fā)酵,攪拌尤為重要。攪拌可使物料混合均勻,避免局部酸化,并有利于沼氣逸出。但由于厭氧微生物代謝較慢,攪拌過于強烈反而會影響微生物的絮凝作用,降低消化能力。廢棄菌棒的研究一般都集中于以下幾個方面：第一，食用菌菌棒作為農作物基肥，以自然堆制發(fā)酵為主，即將食用菌菌棒直接還田，能夠起到改良土壤、增加土壤的通透性、改善理化性質、提高農作物品質、增產增收的效果；第二，食用菌菌棒用作栽培基質，在對菌渣進行簡單發(fā)酵處理后，將菌棒發(fā)酵產物與其它無機基質混合進行蔬菜或者花卉栽培，降低了生產成本，提高了產量和品質；第三，食用菌菌棒用作燃料，將出菇后的食用菌菌棒曬干收藏，用作菌種生產和熟料栽培時的滅菌燃料；第四，食用菌菌棒用作飼料添加劑；第五，食用菌菌棒用作飼料基質再利用。農作物秸稈的干發(fā)酵是一個錯綜復雜的微生物代謝過程，通過以有的國內外研究試驗證明，在這個過程中，對秸稈進行預處理，添加有利于反應物發(fā)酵的添加劑，提供嚴格的厭氮環(huán)境，提供適和反應進行的溫度，提供適和反應進行的酸堿度，能夠提高厭氧消化產氣率。這項技術能使秸稈應用于大規(guī)模生物氣生產，減少污染，合理有效的開發(fā)和利用了農作物秸稈資源，應用前景廣闊。近年來，秸稈產沼氣在技術方面進行了許多探索，通過營養(yǎng)調節(jié)改善原料發(fā)酵特性、在反應器中增加格柵防止漂浮結殼、時差進料調節(jié)產氣平衡、變換反應器接種物和接種濃度、加速反應啟動以及改進發(fā)酵工藝調控反應條件等，提高了產氣率，獲得了有益成果，也為秸稈資源化利用進一步發(fā)展指明了方向。但是，目前秸稈產沼氣技術的研究，主要是秸稈與其他接種物，如生活垃圾、人畜糞便等有機物混合后，在厭氧環(huán)境及一定的溫度、酸堿度、水分、碳氮比條件下，通過微生物發(fā)酵作用生產沼氣。但是隨著農村經濟的發(fā)展和農業(yè)結構調整，農村人畜分離趨勢也在上升，接種物的來源也在減少。秸稈干發(fā)酵產沼氣技術勢在改變農村沼氣只能以人畜糞便為主要發(fā)酵原料的傳統(tǒng)做法，拓寬農村秸稈資源利用的途徑，打破沼氣建設對畜禽飼養(yǎng)的依賴性，使沒有畜禽糞便的農戶也能用上沼氣。而且，發(fā)酵后的秸稈沼渣也可直接用作農田肥料，改良土壤結構，生產優(yōu)質無公害或綠色有機農產品，實現資源的合理利用。國外對生物質能源和可再生能源利用的研究十分重視，其中沼氣利用的研究和實踐也取得進展。20世紀90年代以來，德國在間歇式干法沼氣發(fā)酵技術的研發(fā)上取得了新的成績，2002年生產出工業(yè)級裝備并投入實際運行[27]。中國科學院成都生物研究所與北京合百意生態(tài)能源科技開發(fā)有限公司已經開發(fā)出了用于秸稈預處理的復合菌劑，在沼氣發(fā)酵技術上取得了新突破[28]。據了解，農業(yè)部從2005年開始，就組織相關科研單位和企業(yè)開展秸稈沼氣技術（也稱秸稈生物氣化）研發(fā)與示范，并且在江西、山東、江蘇、浙江、四川、河南、北京、河北、遼寧、黑龍江和大連等11個省市的100多個縣進行試點示范。北方以玉米秸稈和麥秸為主要原料，南方以稻草為主要原料，戶用秸稈沼氣和秸稈沼氣集中供氣試點成效十分明顯[29]。目前農村分散養(yǎng)殖農戶的比例逐年降低，缺少沼氣發(fā)酵原料的農戶增多，使用這項技術，不僅可以使原來不具備建池條件的農戶用上沼氣，而且解決了已建池但又無原料的沼氣池或季節(jié)性養(yǎng)豬農戶發(fā)酵原料不足的問題，大大提高了沼氣池的使用率。這項以秸稈為原料生產沼氣的技術可以為農村地區(qū)田間地頭和房前屋后堆積的大量秸稈找到新的有效利用途徑，減少資源浪費和環(huán)境污染。秸稈沼氣發(fā)酵后不僅可以為農戶提供清潔的能源，而且厭氧消化后的沼渣還是優(yōu)質的有機肥料，能有效的提高土地肥力和增強作物的抗逆能力[30]。 課題選用的主要研究對象是平菇栽培廢棄菌棒和玉米秸稈，研究了菌棒與玉米秸稈不同配比對產氣量、發(fā)酵啟動速度、甲烷產量等的影響，分析比較了不同配比原料在發(fā)酵過程中可揮發(fā)性固形物的利用率，優(yōu)化確定了菌糠和秸稈的比例，測量并分析發(fā)酵前后發(fā)酵物的TS、VS、酸度、堿度、VFA等的變化。第二章 材料與方法第二章 材料與方法 材料平菇菌糠采集于淄博市桓臺縣劉茅村。平菇收獲完畢后，廢棄菌棒自然曬干，手工揉搓碾碎。玉米秸稈采集于淄博市淄川楊寨鎮(zhèn)，收獲曬干后經5mm篩網粉碎，塑料袋密封備用。接種物取自于淄博市淄川區(qū)楊寨鎮(zhèn)，為液態(tài)沼氣發(fā)酵后的沼渣。表1試驗原料成分分析TS（%）VS（%）C含量（%）N含量（%）菌棒秸稈接種物NH4Cl，主要由1個2000mL的廣口瓶和一個氣體收集袋組成，2000ml的廣口瓶作為原料的發(fā)酵罐，瓶口塞一插玻璃管的橡皮塞，玻璃管上帶橡皮管，橡皮管與氣體收集袋連接，所有連接均為密封連接。發(fā)酵裝置置于37℃的生化培養(yǎng)箱中，用于提供恒溫環(huán)境。圖21 發(fā)酵裝置示意圖1 (a) (b) (c) （d）圖22 試驗實物圖（a/b:發(fā)酵裝置