蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用

第24卷第8期农业工程学报Vol.24No.82008年8月TransactionsoftheCSAEAug.2008189蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用王许涛1,2，张百良1※，宋安东1，罗志华1，任天宝1（1．河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，郑州450002；2．平顶山工学院，平顶山467044）摘要：该文采用蒸汽爆破技术对秸秆进行预处理，探讨提高秸秆厌氧发酵产气量的新工艺。研究蒸汽爆破预处理的关键参数“爆破压力”和“保留时间”对秸秆厌氧发酵效果的影响。结果表明：蒸汽爆破预处理后的秸秆比未经预处理秸秆厌氧发酵的产气量提高34%～67.36%，蒸汽爆破预处理压力在3.0MPa、保留时间为90s时，每克干秸秆厌氧发酵沼气产量最大值达到304.72ml；蒸汽爆破预处理后，秸秆厌氧发酵的启动时间和发酵周期大大缩短。关键词：蒸汽爆破；厌氧发酵；爆破压力；产气量中图分类号:S216.4文献标识码：A文章编号：1002-6819(2008)-8-0189-04王许涛，张百良，宋安东，等.蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中的应用[J].农业工程学报，2008，24(8)：189－192.WangXutao,ZhangBailiang,SongAndong,etal.Applicationofsteam-explodedtechnologytoanaerobicdigestionofcornstover[J].TransactionsoftheCSAE,2008,24(8)：189－192.(inChinesewithEnglishabstract)0引言沼气作为一种清洁高效的能源已经得到了认可，但以秸秆为主要原料的沼气工程却很少，这与秸秆的成分和结构特性有关。秸秆主要成分是半纤维素、纤维素和木质素，在纤维细胞的次生壁中，微细纤维、木素、半纤维素中组分均呈不连续的层状结构，彼此粘结又互相间断。这种结构不利于厌氧菌对纤维素的利用，从而导致消化效率和产气率较低，投入产出效益差。适当的预处理可以改善厌氧菌对秸秆的消化能力。蒸汽爆破技术最早用于纸浆生产，现正逐渐被用作生物质能源转换预处理技术[1-6]。通过化学、生物及其它方法对秸秆进行预处理来提高秸秆消化率的研究已有很多报道[7-12]，但将蒸汽爆破技术运用到秸秆的预处理发酵上还鲜有报道。本实验采用的蒸汽爆破装置的爆破脉冲宽度仅为0.00875s，在此瞬间释放高密能量完成爆破来破坏秸秆结构，实现秸秆的半纤维素、纤维素和木质素的分离，旨在提高秸秆的可降解性和利用率，为废弃秸秆的沼气化利用提供参考。1材料与方法1.1试验材料1）玉米秸秆玉米秸秆取自河南农业大学科教试验园区，挑选干净的秸秆去根自然风干后（含水率在10％以内），制备成2～4cm长的试样备用。秸秆主要成分见表1。表1玉米秸秆的主要组成成分Table1Maincompositionofcornstalk项目纤维素/%木质素/%半纤维素/%酸不溶灰分/%含水率/%TS/%VS/TS/%灰分/%C/N/%含量32.7510.3834.660.856.693.493.76.337.52）污泥污泥是取自郑州市污水处理厂的厌氧污泥，污泥的总固体（TS）含量为8.73%，pH值为7.50，呈黑色絮凝状，取回后用塑料桶密封保存备用。1.2试验装置1）蒸汽爆破试验台蒸汽爆破试验台由河南省鹤壁市正道重机厂生产的收稿日期：2007-12-11修订日期：2008-03-20作者简介：王许涛（1971－），男，河南平顶山人，博士生。郑州河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，450002。Email:[e-mail].※通讯作者：张百良（1941－），男，河南汤阴人，教授，博士生导师，研究方向为可再生能源。郑州河南农业大学农业部可再生能源重点开放实验室，450002。Email:[e-mail]-200型蒸汽爆破装置，最高蒸汽压力可达6MPa，加热功率为8kW，有效爆腔容积为0.405L。该汽爆台采用气弹技术，可以在0.00875s内完成压力释放，不同于过去所谓的汽爆方式（膨化和热喷），实现了真正意义上的爆破。2）发酵试验装置发酵装置（图1）主要有2500mL的消化瓶，2500mL的集气瓶和1500mL的收集瓶组成。消化瓶上设气体和液体取样管，便于进行发酵醪液和沼气的取样化验。1.3试验内容与方法1）秸秆蒸汽爆破预处理将秸秆分别在不同压力和保留时间下进行爆破处理，压力水平分别为：3.0、2.5、2.0MPa，保留时间分别为60、90和150s。爆破后秸秆的主要成分见表2。190农业工程学报2008年图1厌氧发酵试验装置Fig.1Experimentalsetupforbatchanaerobicdigestion2）厌氧发酵试验发酵过程中采用的发酵料液的总固体（TS）为5%，污泥接种量为20%，发酵温度在23℃左右，由于秸秆中的碳氮比较高，试验中采用加NH4HCO3调节碳氮比至25︰1，每瓶中加入汽爆后干物质秸秆50g，每种汽爆秸秆样品发酵处理进行两次重复。3）测定方法纤维素、半纤维素、木质素的测定按范氏VanSoest纤维测定法[13]；总固体（TS）和挥发性固体物（VS）采用烘干法测定；产气量的测定采用排水集气法，每天计量一次。表2蒸汽爆破秸秆的主要成分Table2Maincompositionofthesteam-explodedcornstalk/%项目2.0MPa，60s2.0MPa，90s2.0MPa，150s2.5MPa，60s2.5MPa，90s2.5MPa，150s3.0MPa，60s3.0MPa，90s3.0MPa，150s木质素10.99.529.8712.7511.7613.2511.5111.5310.31半纤维素26.8826.0119.1412.1112.3010.089.888.846.18纤维素30.6929.2030.6432.5935.3435.9331.0430.7530.952结果与分析2.1不同蒸汽爆破条件下秸秆发酵沼气产量变化2.1.1单位产气量的变化经不同汽爆压力处理的秸秆常温厌氧发酵的单位产气量如图2所示。未经过汽爆的秸秆单位干物质的产气量为182.08mL，经爆破预处理后秸秆较未汽爆的秸秆产气量增加34%～67.36%。在压力3MPa，保留时间90s的条件下，爆破预处理的秸秆常温下每克干物质最高产气量达到304.72ml。同一个汽爆压力下，在保留时间小于90s时，随着保留时间的延长，单位干物质秸秆的产气量呈上升的趋势；保留时间在90s到150s区间，随着保留时间的递增，产气量稍有下降。在不同的爆破压力下，保留时间小于90s时，产气量还有一定差距，但在保留时间大于等于90s后，产气量差距逐渐缩小。保压时间为90s时，3.0、2.5和2.0MPa压力下每克干物质的产气量分别为304.72、301.3和297.24mL。可以看出，随着蒸汽爆破压力的增加，秸秆产气量提高，但增幅度较小。图2不同汽爆压力和保留时间下沼气产气量Fig.2Biogasproductionrateunderdifferentsteam-explodedpressureandretentiontime2.1.2产气规律不同爆破压力的产气规律见图3～5。未处理秸秆的产气高峰在第19d出现，蒸汽爆破压力2.0、2.5和3.0MPa的主产气高峰出现在19、15和11d，压力越高，主产气高峰提前越多。这说明较高蒸汽爆破压力溶出降解更多半纤维素，同时溶出部分木质素，将秸秆变得多孔疏松，提高了细菌对纤维素的可及度，秸秆更易消化。2.0、2.5和3.0MPa压力下的日最大产气量分别为810、830和1082mL，且基本都出现在保留时间为90s的条件下。压力较低、保留时间较短的蒸汽爆破预处理秸秆的产气曲线到达产气高峰的时间较长，接近未处理秸秆的产气规律。压力大于2.0MPa，保留时间为60s时的产气分散且高峰低，预处理时间高于60s的条件下，在发酵前20d产气比较集中且峰高较高，20d后发酵产气量开始稳步下降，30d后，日产气量基本都降到200mL以下。而未处理秸秆30d后还有一个产气的小高峰，在接近第40d时产气量才降至200mL/d以下，发酵启动和结束时间都较经蒸汽爆破预处理的秸秆要晚10d左右。图32.0MPa压力下不同保留时间汽爆秸秆产气变化曲线Fig.3Dailybiogasproductioncurveunderthesteam-explodedpressure2.0MPa第8期王许涛等：蒸汽爆破技术在秸秆厌氧发酵中应用的试验研究191图42.5MPa压力下不同保留时间汽爆秸秆产气变化曲线Fig.4Dailybiogasproductioncurveunderthesteam-explodedpressure2.5MPa图53.0MPa压力下不同保留时间汽爆秸秆产气变化曲线Fig.5Dailybiogasproductioncurveunderthesteam-explodedpressure3.0MPa图6是2.0、2.5和3.0MPa爆破压力下不同保留时间处理秸秆与未经爆破的秸秆累计产气量的曲线图。从图6中可以看出未处理秸秆的曲线处在最下面，整个发酵周期呈平缓增长趋势，依次向上分别是爆破压力为2.0、2.5、3.0MPa、保留时间为60s条件下的3条曲线，它们相对于未处理秸秆的曲线的斜率大大增加，在发酵进行到20d时，沼气产量已经达到总产量的60%左右，而未处理秸秆产气量则只有总产量的40%。当保留时间大于等于90s时，经汽爆处理的秸秆发酵曲线变化规律趋于一致，启动时间短，在发酵20d时，沼气产量已经达到总产量的70%，此后增速开始放缓。图6不同汽爆条件下的累计产气量Fig.6Cumulativebiogasproductionunderdifferentsteam-explodedcondition2.2蒸汽爆破技术提高秸秆发酵产气率的机理分析蒸汽爆破原理是将秸秆置于密闭容器中，将高压蒸汽（通常大于1MPa）注入容器,蒸汽会通过秸秆表层微孔渗入到秸秆组织内部并与容器压力达到平衡，然后在毫秒级(0.00875s)的时间内将秸秆暴露于大气下。由于植物秸秆表层微孔很小，此时渗入秸秆组织内部的蒸汽只有很少部分通过微孔泄出，其余大部分高压蒸汽在压差作用下完成绝热膨胀做功，对物料的细胞壁物理结构形成冲击，破坏细胞壁结构，同时在秸秆内的高温水分在细胞壁被破坏后会瞬间汽化，从而进一步对秸秆细胞结构冲击和剪切，使纤维发生一定的机械断裂。爆腔内高温高压环境加剧纤维素内部氢键的破坏，游离出新的羟192农业工程学报2008年基，纤维素内有序结构发生变化，增加了纤维素的吸附能力。秸秆组织致密的表面变得多孔柔软，细菌对纤维素的可及性大大增加[14]，秸秆被降解能力提高,产气速率和产气量得到提升。3结论与讨论蒸汽爆破后秸秆常温发酵产气量大大提升，比未处理秸秆高34%～67.36%，而且启动快，发酵周期大大缩短，主产气区域相对集中，比较适合大规模的沼气和工业沼气发电的项目。3种压力对应保压时间90s和150s条件下，经蒸汽爆破预处理秸秆的常温产气量都在每克干物质296mL以上，主产气区主要集中在前20d。如果在中温条件下发酵，其产气量和发酵周期会更加适合工业化沼气发电项目，这将为秸秆高效清洁转化利用开辟新的出路。虽然秸秆在3.0MPa、90s条件下爆破发酵得到的产气量（每克干物质304.72mL）最高，但2.5MPa、90s处理条件的产气量是每克干物质301.3mL，仅比3.0MPa少3mL，压力的增加就意味能耗上升，加之实际生产中超过2.5MPa的压力不易获得，所以选择2.5MPa作为汽爆压力较为合理。保留时间大于90s时，继续增加保留时间秸秆产气量的变化不再明显，甚至有下降的趋势，所以保压时间以90s为宜。因此，应用于厌氧发酵沼气生产的最佳爆破处理参数应为：压力2.5MPa、保留时间90s。由于用于蒸汽