李布青 葛昕

摘要秸稈沼氣化是秸稈綜合利用的有效途徑，受到廣泛關(guān)注。通過(guò)對(duì)秸稈沼氣工程的調(diào)查與分析，總結(jié)工程設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題及解決途徑，闡述了針對(duì)秸稈特性的沼氣工程技術(shù)研究進(jìn)展和秸稈沼氣工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞秸稈；沼氣；工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼

A文章編號(hào)0517-6611（2015）05-354-04

基金項(xiàng)目安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院學(xué)科建設(shè)與宏觀農(nóng)業(yè)研究項(xiàng)目（13A1323）。

作者簡(jiǎn)介李布青（1962- ），男，安徽太湖人，研究員，從事農(nóng)村能源研究。

收稿日期2015-01-12

秸稈沼氣化利用是秸稈綜合利用的有效途徑。秸稈原料經(jīng)微生物厭氧發(fā)酵作用產(chǎn)生清潔能源—沼氣和優(yōu)質(zhì)有機(jī)肥，沼氣作為農(nóng)民生活用能，也可替代天然氣等用于工業(yè)生產(chǎn)。施用沼渣有機(jī)肥不僅可節(jié)約化肥和農(nóng)藥，增加土壤的有機(jī)質(zhì)含量和肥力，而且能改善土壤理化性狀，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，促進(jìn)生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。 “十二·五”期間，國(guó)家將大力發(fā)展秸稈沼氣，提高可再生能源在能源結(jié)構(gòu)中的比例。

秸稈的密度小、體積大、流動(dòng)性差，秸稈沼氣工程存在進(jìn)出料困難、浮渣結(jié)殼和傳質(zhì)傳熱慢、效率低等問(wèn)題。而且秸稈的木質(zhì)纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解。相對(duì)于畜禽糞便等易消化的物料，秸稈厭氧消化對(duì)工藝技術(shù)要求要高得多。該文通過(guò)對(duì)秸稈沼氣工程的調(diào)查與分析，總結(jié)工程設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題，闡述了針對(duì)秸稈特性的沼氣工程技術(shù)進(jìn)展，總結(jié)工程設(shè)計(jì)中存在的主要問(wèn)題及解決途徑，闡述了針對(duì)秸稈特性的沼氣工程技術(shù)進(jìn)展和秸稈沼氣工程設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，以促進(jìn)我國(guó)規(guī)?；斩捳託夤こ痰目沙掷m(xù)發(fā)展。

1秸稈沼氣工程存在的主要問(wèn)題及解決途徑

1.1秸稈作為沼氣發(fā)酵原料的特性

秸稈的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其成分中的木質(zhì)素不能被轉(zhuǎn)化為可發(fā)酵的糖類。木質(zhì)素是植物界中僅次于纖維素的最豐富和最重要的有機(jī)高聚物，是一類由苯基丙烷結(jié)構(gòu)單元通過(guò) C-C 鍵連接而成的三維空間高分子化合物，與纖維素，半纖維素一起構(gòu)成細(xì)胞壁的主要成分，其中 80%存在于植物細(xì)胞壁中，20%分布于細(xì)胞間隙中，成為細(xì)胞聯(lián)合的粘連劑。秸稈中的木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素的表面，并且三者在纖維細(xì)胞次生壁中呈不連續(xù)的層狀結(jié)構(gòu)，彼此粘連相互間斷，形成空間阻礙，阻礙了酶和微生物與纖維素、半纖維素的充分接觸，降低了纖維素類物質(zhì)的利用率。因此，秸稈在自然狀態(tài)下難以被厭氧菌消化，導(dǎo)致消化效率不高，投入產(chǎn)出效益差；秸稈不具有流動(dòng)性，且密度小、體積大，進(jìn)出料困難；秸稈在消化開(kāi)始階段容易產(chǎn)生酸，消耗不平衡，引起酸積累，造成酸中毒現(xiàn)象，影響正常運(yùn)行；反應(yīng)器內(nèi)傳熱傳質(zhì)不均勻，物料與接種物接觸不充分，消化進(jìn)程不易控制。

1.2秸稈沼氣工程存在的主要問(wèn)題

將秸稈直接投入沼氣池內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵處理，存在啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣量少、產(chǎn)氣率低、浮渣結(jié)殼等問(wèn)題。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和對(duì)部分大中型沼氣工程的調(diào)查結(jié)果，目前我國(guó)秸稈沼氣工程中存在著如下突出問(wèn)題：厭氧消化反應(yīng)器基本上沿用畜禽糞便沼氣工程的厭氧消化器，秸稈本身質(zhì)地較輕，進(jìn)料后容易浮在液面上，造成原料分層和結(jié)殼；原料漂浮在料液上面不能與微生物充分接觸，減緩反應(yīng)速度。同時(shí)，漂浮原料易結(jié)殼阻止沼氣及時(shí)逸出；攪拌阻力大，傳質(zhì)效率低，氣體釋放困難，啟動(dòng)慢、產(chǎn)氣量少、產(chǎn)氣率低、原料浪費(fèi)等問(wèn)題難以得到根本地解決；部分秸稈沼氣工程產(chǎn)生大量的沼液，易在周邊形成2次污染。

1.3秸稈沼氣工程存在的主要問(wèn)題及解決途徑

2規(guī)?；斩捳託夤こ淘O(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

2.1秸稈原料預(yù)處理

2.1.1秸稈預(yù)處理工藝概述。在秸稈原料進(jìn)厭氧消化器發(fā)酵前需要進(jìn)行一定的預(yù)處理，主要作用是質(zhì)地改善和營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)2個(gè)方面。秸稈中的木質(zhì)素很難被微生物消化，導(dǎo)致了產(chǎn)沼率低下。改善秸稈的成分和結(jié)構(gòu)主要通過(guò)物理、化學(xué)和生物手段。物理預(yù)處理是利用機(jī)械、熱等方法來(lái)改變秸稈的外部形態(tài)或內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)?；瘜W(xué)預(yù)處理是利用化學(xué)制劑作用于作物秸稈，破壞細(xì)胞壁中半纖維素與木質(zhì)素形成的共價(jià)鍵，從而達(dá)到提高秸稈消化率的目的。生物處理是在人工控制下，利用一些細(xì)菌，真菌等微生物的發(fā)酵作用來(lái)處理秸稈。雖然很多研究結(jié)果顯示，物理、化學(xué)預(yù)處理的效果顯著，但在工程實(shí)踐中應(yīng)用很困難，主要是工藝復(fù)雜，投資大，以及潛在的2次污染等問(wèn)題。

秸稈中碳含量較高，而磷、鉀等微生物代謝所必需的元素和微量元素含量較低，不利于微生物發(fā)酵利用，營(yíng)養(yǎng)的不均衡也是秸稈處理效率低的原因。營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)通常是調(diào)整碳氮比，與碳氮比低的發(fā)酵原料混和發(fā)酵。例如畜禽糞便等，或添加一些化學(xué)元素，如尿素或碳酸氫銨。

2.1.2預(yù)處理工藝設(shè)計(jì)。預(yù)處理是整個(gè)沼氣工程的咽喉，通過(guò)預(yù)處理提高秸稈的可生物消化性能、消化效率和產(chǎn)氣率，同時(shí)在預(yù)處理階段需要調(diào)節(jié)進(jìn)料濃度、進(jìn)料溫度。如果不能通過(guò)預(yù)處理確保沼氣工程的進(jìn)料質(zhì)量，將導(dǎo)致沼氣工程運(yùn)行不穩(wěn)定，難以發(fā)揮最佳的處理能力，所以在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)全面考慮預(yù)處理工藝。

從所調(diào)查的實(shí)際工程情況來(lái)看，預(yù)處理工藝在實(shí)際運(yùn)行中存在的問(wèn)題最為突出。綜合現(xiàn)有工程的調(diào)查情況，在進(jìn)行預(yù)處理工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮如下處理方案：

（1）針對(duì)沼氣秸稈原料特性，將生物預(yù)處理、物理預(yù)處理（機(jī)械剪切）相結(jié)合，質(zhì)地改善和營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)相結(jié)合，設(shè)計(jì)秸稈原料秸稈預(yù)處理和調(diào)質(zhì)一體化裝置，在一個(gè)前處理池完成秸稈作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣原料的秸稈生物預(yù)處理、勻漿調(diào)質(zhì)等原料前處理，降低秸稈沼氣工程投資，提高處理效率。

（2）攪拌池和調(diào)節(jié)池合并為前處理池，用篩網(wǎng)取代格柵；前處理池設(shè)計(jì)為圓形池，減少死角；設(shè)置坡底和砂斗，把大部分泥砂沉淀在前處理池底部，定期清渣。

（3）利用回流沼液進(jìn)行勻漿調(diào)質(zhì)，沼液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)不外排。待處理的秸稈原料與回流沼液、調(diào)質(zhì)物（微生物和富N原料）在預(yù)處理和調(diào)質(zhì)一體化裝置中混合勻漿調(diào)質(zhì)的同時(shí)，通過(guò)機(jī)械剪切作用力，改變秸稈的外部形態(tài)和內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)微生物的降解效果，加快生物預(yù)處理進(jìn)程，在批次進(jìn)料的間隙完成秸稈原料的預(yù)處理。

（4）秸稈原料經(jīng)生物預(yù)處理和勻漿調(diào)質(zhì)后通過(guò)篩網(wǎng)，由進(jìn)料器送入?yún)捬醢l(fā)酵裝置，提高處理效率，并可有效防止進(jìn)料設(shè)備和管道的堵塞。

2.2秸稈沼氣厭氧消化工藝

2.2.1厭氧消化工藝。消化器是沼氣發(fā)酵的核心設(shè)備，其設(shè)計(jì)取決于選定的厭氧消化工藝。從成功運(yùn)行的秸稈沼氣示范點(diǎn)看，我國(guó)秸稈沼氣工藝類型多樣。根據(jù)秸稈物料在反應(yīng)器中的形態(tài)，大致可分為液態(tài)消化、固態(tài)消化和固液兩相消化工藝。

2.2.2液態(tài)消化。液態(tài)消化工藝較成熟，發(fā)酵原料固體含量在8%左右。在厭氧消化器內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，通過(guò)適當(dāng)攪拌改善厭氧菌群與物料接觸和傳質(zhì)傳熱效果。由于采用了攪拌裝置，消化裝置內(nèi)物料處于完全均勻或基本均勻的狀態(tài)，因此微生物能和原料充分接觸。

液態(tài)消化反應(yīng)器為立式或臥式，通常采用序批式或連續(xù)式進(jìn)出料方式，沼液回流循環(huán)使用，減少了沼液外排。液態(tài)消化技術(shù)已被大量應(yīng)用于混合原料沼氣工程，目前我國(guó)已建的秸稈沼氣工程也多采用液體消化工藝。主要問(wèn)題是所用物料TS較低，消化器體積較大，加熱和攪拌能耗高，且微生物容易隨出料流失。

全混式反應(yīng)器（CSTR）。該消化器常采用恒溫連續(xù)投料或半連續(xù)投料運(yùn)行，適用于高濃度及含有大量懸浮固體原料的處理。中溫發(fā)酵時(shí)負(fù)荷為3～4 kg/（m3·d）COD，高溫發(fā)酵為5～6 kg/（m3·d）COD。在該消化器內(nèi)，新進(jìn)入的原料由于攪拌作用很快與發(fā)酵器內(nèi)的全部發(fā)酵液混合，使發(fā)酵底物濃度始終保持相對(duì)較低狀態(tài)。排出的料液與發(fā)酵液的底物濃度相等，并且在出料時(shí)微生物也一起被排出。該裝置出料濃度一般較高，一方面不利于沼肥的后續(xù)利用，另一方面沼渣停留時(shí)間短，消化不完全。該消化器是典型的HRT、SRT和MRT完全相等的消化器，為了使生長(zhǎng)緩慢的產(chǎn)甲烷菌的增殖和沖出速度保持平衡，要求HRT較長(zhǎng)，一般要10～15 d或更長(zhǎng)的時(shí)間。原料利用率低，出料COD濃度較高，沼液量大，存在2次污染隱患。雖在早期的秸稈沼氣工程中被廣泛應(yīng)用，但是并不適于秸稈沼氣工程的落后工藝，為此在工程實(shí)踐中有很多改進(jìn)。

對(duì)CSTR機(jī)械攪拌的改進(jìn)。將CSTR的機(jī)械攪拌改為沼液、沼氣回流攪拌，以沼液、沼氣作攪拌動(dòng)力，無(wú)需攪拌設(shè)備，浮渣直接從排液管排出，排液管出口設(shè)一水封池（沼液儲(chǔ)存池），沼氣循環(huán)于反應(yīng)器發(fā)酵液中可大大減少沼氣中的二氧化碳含量。該新工藝通過(guò)對(duì)CSTR工藝的內(nèi)部?jī)?yōu)化整合，簡(jiǎn)化了反應(yīng)器結(jié)構(gòu)，節(jié)省了攪拌裝置的投資及運(yùn)行費(fèi)，實(shí)現(xiàn)了混合原料沼氣化處理的高效、安全、穩(wěn)定運(yùn)行。而且原料的總產(chǎn)沼氣量相對(duì)增加，沼氣中二氧化碳含量低。

對(duì)CSTR進(jìn)出料的改進(jìn)。為有利于厭氧發(fā)酵，方便進(jìn)出料，克服浮殼沉渣等問(wèn)題，改進(jìn)全混式厭氧消化器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用多點(diǎn)進(jìn)出料。特點(diǎn)是一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)分成上中下3層，上層為1級(jí)反應(yīng)區(qū)，高濃度，高溫度；中層為2級(jí)反應(yīng)區(qū)，為主反應(yīng)區(qū)；下層為3級(jí)反應(yīng)區(qū)，低濃度，中溫發(fā)酵，剩余物便于出口排出。該工藝解決了秸稈進(jìn)出難、浮殼沉渣、產(chǎn)氣變化大、2次污染等一系列問(wèn)題。

2.2.3固態(tài)消化。固態(tài)消化（干法發(fā)酵）工藝特點(diǎn)是發(fā)酵原料干物質(zhì)濃度高，一般干物質(zhì)含量大于15%。優(yōu)點(diǎn)是發(fā)酵原料干物質(zhì)含量高，提高了池容產(chǎn)氣率，一次性裝料，中途無(wú)需進(jìn)出料，適應(yīng)大規(guī)模的秸稈處理，發(fā)酵過(guò)程中運(yùn)行費(fèi)用低。缺點(diǎn)是不能連續(xù)生產(chǎn)沼氣（需要多個(gè)池子交替使用），大出料時(shí)安全性差、投資大。根據(jù)投料方式不同，可分為序批式和連續(xù)式工藝。

由于固態(tài)消化工藝秸稈濃度高，進(jìn)出料困難，因此我國(guó)采用固態(tài)消化的秸稈沼氣工程以序批式投料為主，主要有覆膜槽干式、車庫(kù)（集裝箱）式和紅泥塑料厭氧消化工藝。由于單個(gè)消化周期內(nèi)存在產(chǎn)氣高峰、低谷明顯等特點(diǎn)，因此序批式沼氣工程大都采用多個(gè)不同消化階段反應(yīng)器并聯(lián)的方式運(yùn)行，以保證整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)氣穩(wěn)定。

（1）覆膜槽干式消化工藝。通過(guò)好氧前處理——厭氧消化產(chǎn)氣——剩余物處理3 個(gè)階段進(jìn)行沼氣生產(chǎn)的厭氧消化技術(shù)。首先以好氧堆肥方法對(duì)物料進(jìn)行機(jī)械攪拌，利用生物能使原料升溫（同時(shí)實(shí)施秸稈生物預(yù)處理），再輔以高效的保溫措施，不用外加熱源就能達(dá)到中溫厭氧消化所需溫度，減少了系統(tǒng)的能耗。

（2）車庫(kù)式厭氧消化工藝。固體混合物料在多個(gè)并聯(lián)的車庫(kù)型或集裝箱型厭氧反應(yīng)器中進(jìn)行的序批式厭氧消化技術(shù)。經(jīng)粉碎的秸稈直接與富含菌種的沼渣接種，用鏟車送入反應(yīng)器進(jìn)行批式消化，通過(guò)滲濾液回流噴淋達(dá)到連續(xù)接種和緩解過(guò)度酸化的效果。該工藝運(yùn)行能耗低，易于操作，且無(wú)沼液排放。對(duì)車庫(kù)門(mén)的密封和反應(yīng)倉(cāng)內(nèi)甲烷含量檢測(cè)要求較高。

（3）紅泥塑料厭氧消化技術(shù)。采用地下磚混或鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為厭氧消化器，并用紅泥塑料覆蓋收集沼氣的技術(shù)。對(duì)秸稈預(yù)處理要求不高，不需切碎或粉碎，分層添加畜禽糞便作為接種物和營(yíng)養(yǎng)調(diào)節(jié)劑，直接在地面或敞開(kāi)的消化器內(nèi)堆制處理5～10 d。進(jìn)料時(shí)往消化器內(nèi)注入可淹沒(méi)池內(nèi)物料的水量，覆上紅泥塑料蓋并通過(guò)水封將消化器密封，進(jìn)行厭氧消化。消化器頂部的四周設(shè)置噴淋管，定期添加液體或回流沼液，以防止結(jié)殼，提高產(chǎn)氣效率。換料時(shí)可直接揭開(kāi)紅泥塑料覆皮，采用機(jī)械式進(jìn)出料。紅泥塑料吸熱性能好，能迅速提高消化器的溫度。需要的動(dòng)力設(shè)備裝置少，能耗低，且操作簡(jiǎn)便。

2.2.4固液兩相消化工藝。固液兩相消化工藝針對(duì)秸稈特性，固態(tài)產(chǎn)酸與液態(tài)產(chǎn)甲烷相結(jié)合，綜合了液態(tài)消化、固態(tài)消化的優(yōu)點(diǎn)，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行，無(wú)需停產(chǎn)大出料、機(jī)械化自動(dòng)化程度高、運(yùn)行可靠、處理量大、運(yùn)行能耗低、管理方便。兩相（循環(huán)接種式）厭氧消化技術(shù)將固相和液相發(fā)酵原料分在不同區(qū)域，以達(dá)到產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相分離，并利用沼液回流實(shí)現(xiàn)循環(huán)接種。根據(jù)反應(yīng)器個(gè)數(shù)的不同，可分為分離式兩相和一體兩相厭氧消化技術(shù)。

（1）分離式兩相消化工藝。固相和液相分別在不同消化器中進(jìn)行，兩相分離有利于產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌在各自的反應(yīng)區(qū)內(nèi)保持適宜的生長(zhǎng)環(huán)境。同時(shí)，秸稈在產(chǎn)酸反應(yīng)器中轉(zhuǎn)化成易于消化的滲濾液，作為產(chǎn)甲烷消化器的原料生產(chǎn)沼氣，沼液作為接種物回流至產(chǎn)酸反應(yīng)器。通過(guò)固相消化器的連續(xù)投料或多個(gè)處于不同消化階段的序批消化器并聯(lián)達(dá)到整個(gè)系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。整個(gè)工藝過(guò)程中，系統(tǒng)沒(méi)有液體排出，產(chǎn)生的固體殘?jiān)梢酝ㄟ^(guò)后續(xù)處理生產(chǎn)有機(jī)肥。通過(guò)滲濾液集中收集、沼液噴淋和攪拌等方式，提高系統(tǒng)的消化速率和穩(wěn)定性，解決傳統(tǒng)固體廢棄物厭氧發(fā)酵中出現(xiàn)的易酸化、難攪拌、產(chǎn)氣不穩(wěn)定等難題。

（2）一體兩相（循環(huán)接種式）厭氧消化技術(shù)。兩相（循環(huán)接種式）厭氧消化技術(shù)是在中溫條件下，以秸稈為原料，從消化器頂部投料，依靠秸稈和沼液的比重差異形成固液兩相分離；同時(shí)，通過(guò)進(jìn)料時(shí)攜帶的沼液循環(huán)，達(dá)到物料循環(huán)接種效果的秸稈厭氧消化技術(shù)。適合處理干秸稈、青貯秸稈等秸稈類物料或秸稈與糞便等的混合性物料。發(fā)酵過(guò)程中不加水或加少量水，產(chǎn)生沼液循環(huán)用于接種和調(diào)節(jié)原料特性，基本不產(chǎn)生沼液，有效解決了大量消化產(chǎn)物如何有效處理的難題。

2.2.5抗浮防結(jié)殼設(shè)計(jì)。由于秸稈原料的生化特性，秸稈原料在厭氧發(fā)酵中由于密度小，容易隨沼氣氣體上浮，發(fā)酵初期原料上浮和上浮的秸稈浮渣中微生物在固體原料表面形成的生物膜相互作用在液面形成一層不透氣的硬殼，對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生很多不利影響。結(jié)殼上浮使秸稈原料不能與發(fā)酵液充分接觸，原料不能被徹底分解，降低原料利用率。浮渣結(jié)殼導(dǎo)致發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣在發(fā)酵液中累積，不僅增加了發(fā)酵液中的沼氣分壓，而且沼氣中較多的CO2溶解于沼液中，使沼液的pH值下降，影響產(chǎn)氣；秸稈上浮積聚結(jié)殼，影響發(fā)酵裝置內(nèi)固、液、氣3相傳質(zhì)、傳熱和流動(dòng)性，傳統(tǒng)攪拌裝置和動(dòng)力配置很難應(yīng)用。發(fā)酵裝置內(nèi)傳質(zhì)不均勻，容易造成局部酸積累。

秸稈原料浮渣結(jié)殼直接影響產(chǎn)氣效率和運(yùn)行穩(wěn)定性，是制約秸稈厭氧發(fā)酵的關(guān)鍵因素之一，所以秸稈原料的沼氣工程需要進(jìn)行抗浮防結(jié)殼設(shè)計(jì)。攪拌是使微生物與發(fā)酵原料接觸的有效手段，適度的攪拌可以防止結(jié)殼或者打破已有的結(jié)殼層，使得固體有機(jī)物質(zhì)均勻分布在沼液中。利用發(fā)酵罐內(nèi)已有的料液，每隔一定時(shí)間段通過(guò)泵對(duì)料液進(jìn)行水力循環(huán)，可通過(guò)料液的液體流動(dòng)抗浮防結(jié)殼。

安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)2015年

2.2.6攪拌設(shè)計(jì)。攪拌通過(guò)促進(jìn)水動(dòng)力循環(huán)，促進(jìn)微生物和底質(zhì)的良好接觸，通常是提高沼氣發(fā)酵效率的有效手段。攪拌可以使反應(yīng)器內(nèi)的物料混合均勻，溫度、pH微生物種群等保持均勻一致，還可以大大降低池底沉積及液面浮渣結(jié)殼。對(duì)于秸稈發(fā)酵，從工程運(yùn)行情況看，適當(dāng)?shù)臄嚢枋怯欣?，可以提高產(chǎn)氣率。

目前秸稈沼氣工程常用的有機(jī)械攪拌、水力循環(huán)攪拌、沼氣攪拌。機(jī)械攪拌是使用各種安裝形式的機(jī)械裝置，通過(guò)各種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng)使物料達(dá)到充分混合狀態(tài)的一種攪拌方式。此種攪拌方式可以產(chǎn)生強(qiáng)大的剪切作用，可以借助攪拌葉片的轉(zhuǎn)動(dòng)能來(lái)打碎消化原料，有利于高粘度物料混合。機(jī)械攪拌過(guò)程中渦旋剪切力為主導(dǎo)動(dòng)力，渦旋速度梯度、歐拉準(zhǔn)數(shù)、雷諾數(shù)的相互結(jié)合可以作為攪拌效果的綜合控制指標(biāo)。秸稈原料厭氧消化器內(nèi)的流體是一種非牛頓流體。在間歇式攪拌條件下，需要一定的流場(chǎng)速度，才能使底部沉積的污泥揚(yáng)起并隨流場(chǎng)位移，攪拌阻力大，能耗高。為了克服攪拌死區(qū)的存在，應(yīng)增加攪拌強(qiáng)度，產(chǎn)氣量呈曲線變化，先是增加，達(dá)到最大值時(shí)，隨后又呈下降趨勢(shì)。

適度的攪拌混合能增加微生物與底物的接觸程度，使得池內(nèi)溫度場(chǎng)更加均勻，然而攪拌過(guò)度，則可能會(huì)影響微生物的活性。當(dāng)厭氧消化器中物料滿足臨界起始強(qiáng)度時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的攪拌形成的剪切力對(duì)微生物的破壞會(huì)在短期內(nèi)恢復(fù)。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，物料已經(jīng)充分混合，持續(xù)的剪切力會(huì)造成不可逆破壞，同時(shí)增加能耗。過(guò)長(zhǎng)的攪拌間歇，也會(huì)造成底部污泥內(nèi)代謝物質(zhì)的積累，發(fā)酵底物的過(guò)度消耗，而上部發(fā)酵液底物又不能及時(shí)補(bǔ)給，進(jìn)而造成發(fā)酵效率降低。水力循環(huán)攪拌、沼氣攪拌在控制攪拌剪切力的情況下增加攪拌的擾動(dòng)區(qū)域，防止過(guò)高剪切力對(duì)微生物代謝鏈造成紊亂。

2.2.7沼液控制。大型沼氣工程產(chǎn)生的沼液在儲(chǔ)存和使用過(guò)程中會(huì)對(duì)周圍環(huán)境構(gòu)成污染，其主要表現(xiàn)為沼液儲(chǔ)存過(guò)程中有害氣體釋放、沼液直排造成的水體污染、農(nóng)田長(zhǎng)期大量施用造成的重金屬沉積和沼液滲濾造成的地下水惡化。由于單位土地面積對(duì)沼液的容納能力有限，沼液的長(zhǎng)距離運(yùn)輸成本又較高，加上氣候變化及農(nóng)作物復(fù)種情況影響，大型沼氣工程所產(chǎn)的沼液無(wú)法完全利用，而現(xiàn)階段對(duì)多余沼液的凈化處理或者對(duì)沼液的濃縮減容處理成本很高。因此，在秸稈沼氣工程設(shè)計(jì)中，避免沼液外排是基本要求。通過(guò)工藝措施，使沼液在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)，并處于收縮狀態(tài)是必要的。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)沼氣發(fā)酵獲取生物能源是農(nóng)作物秸稈的資源化利用一條非常有潛力的途徑。由于秸稈的密度小、體積大、流動(dòng)性差，存在進(jìn)出料困難、浮渣結(jié)殼和傳質(zhì)傳熱慢、效率低等問(wèn)題。而且秸稈的木質(zhì)纖維素含量較高，不能被厭氧菌有效地降解。秸稈沼氣工程日益受到普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外在秸稈的預(yù)處理、秸稈厭氧發(fā)酵工藝及產(chǎn)業(yè)化裝備方面做了大量研究和工程實(shí)踐，已經(jīng)獲得了許多有益的成果，取得可喜進(jìn)展。但工程化的秸稈沼氣技術(shù)目前尚處于試驗(yàn)示范階段，秸稈沼氣特殊的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題仍未有經(jīng)濟(jì)成熟的解決方案。尤其是目前運(yùn)行的示范工程采用的秸稈沼氣工程技術(shù)并不具備商業(yè)化運(yùn)營(yíng)要求，集成秸稈沼氣工程先進(jìn)技術(shù)提高工程經(jīng)濟(jì)性是秸稈沼氣工程可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。

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責(zé)任編輯夏靜責(zé)任校對(duì)況玲玲