畜禽糞便高溫發(fā)酵與秸稈熱化學(xué)處理工藝的耦合

浦紹瑞，錢紅亮,2，馬春燕，劉暢，陸小華

（1南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210009；2 中國(guó)藥科大學(xué)工學(xué)院，江蘇 南京 210009）

引 言

我國(guó)低劣生物質(zhì)資源量巨大，每年產(chǎn)生約8 億噸農(nóng)作物秸稈和40 億噸畜禽糞便[1]，造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染，并排放大量的溫室氣體。據(jù)污染源普查數(shù)據(jù)顯示，2010年畜禽養(yǎng)殖業(yè)的化學(xué)需氧量、氨氮排放量分別達(dá)到1184 萬(wàn)噸和65 萬(wàn)噸，占全國(guó)排放總量的比例分別為45%、25%[2]，畜禽養(yǎng)殖污染已經(jīng)成為環(huán)境污染的重要來(lái)源。與此同時(shí)，秸稈并未得到充分利用，隨意丟棄和焚燒的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，據(jù)測(cè)算我國(guó)每年大概有1.2 億噸秸稈被無(wú)序燃燒，由此產(chǎn)生的PM2.5 總量高達(dá)200 萬(wàn)噸[3]，造成資源巨大浪費(fèi)，并帶來(lái)嚴(yán)重的空氣污染。

低劣生物質(zhì)既是污染源，同時(shí)也是資源，通過(guò)不同工藝可以轉(zhuǎn)化為能源。通常情況下，能量的最終需求形式和生物質(zhì)原料的類型很大程度上決定了轉(zhuǎn)化工藝，而最主要的轉(zhuǎn)化技術(shù)為熱化學(xué)轉(zhuǎn)化和厭氧發(fā)酵[4]。秸稈由于自身富含木質(zhì)纖維素，抗降生物解性強(qiáng)[5]，需要在發(fā)酵前進(jìn)行預(yù)處理，其處理方法有物理法、化學(xué)法和生物等方法[6]，然而這些技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)且成本較高，尚不完全成熟。但熱化學(xué)轉(zhuǎn)換是快速處理此類低劣生物質(zhì)的有效方法[7-8]，尤其適用于處理水分含量較低的秸稈和木屑等生物質(zhì)，城市垃圾通常用焚燒的方法進(jìn)行大規(guī)模減量處理[9]。

另一方面，畜禽糞便經(jīng)過(guò)熱裂解、熱氣化及液化等熱化學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)減少污染、并獲得燃?xì)饣蛞后w燃料，其中氣化技術(shù)最具潛力，然而畜禽糞便灰分和水含量高，在高溫下容易結(jié)焦，且能耗較傳統(tǒng)厭氧發(fā)酵高出數(shù)倍[8]，大多只是參考植物類生物質(zhì)氣化經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，目前國(guó)內(nèi)外還處于探索階段，距離大規(guī)模工業(yè)化尚遙遠(yuǎn)[10-11]。因此，畜禽糞污仍主要以厭氧發(fā)酵處理為主。

然而，我國(guó)沼氣工程采用的常溫和中溫厭氧發(fā)酵工藝，沼氣產(chǎn)生速率一般為0.5～1.0 m3·m-3·d-1（容積產(chǎn)氣率），與化工天然氣生產(chǎn)速率相比，僅為其千分之一[12]。由于發(fā)酵原料產(chǎn)氣速率慢，需要在發(fā)酵罐內(nèi)滯留20～60 d，導(dǎo)致發(fā)酵罐體積巨大，一般萬(wàn)頭豬場(chǎng)配置的發(fā)酵罐體積約為1000 m3，因而設(shè)備投資成本居高不下[13]。我國(guó)現(xiàn)有34 萬(wàn)個(gè)規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)，目前僅有5 萬(wàn)多個(gè)養(yǎng)殖場(chǎng)配備了沼氣工程，一個(gè)萬(wàn)頭豬場(chǎng)的沼氣工程投資在300 萬(wàn)左右，要將全部規(guī)?；B(yǎng)殖場(chǎng)配備沼氣工程所需資金達(dá)4000 多億[14]，而我國(guó)畜禽養(yǎng)殖污染防治“十二五”規(guī)劃中制定的目標(biāo)指出：到2015年，規(guī)模化畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)（小區(qū)）配套建設(shè)廢棄物處理設(shè)施比例達(dá)到50%以上，屆時(shí)仍將有大量的畜禽糞便排入水體而污染環(huán)境。

溫度是影響發(fā)酵過(guò)程的重要參數(shù)[15]，目前中常溫發(fā)酵容積產(chǎn)氣率往往不到1.0 m3·m-3·d-1，而55℃下高溫發(fā)酵較常溫與中溫發(fā)酵產(chǎn)氣速率分別提高144%和41%[16]。在歐洲，高溫發(fā)酵處理廢棄物已較為普遍，丹麥65%的沼氣工程采用高溫[17]。但升溫則意味著增加了過(guò)程的加熱能耗，大中型沼氣工程為維持發(fā)酵溫度，常需要消耗大量沼氣，甚至采用燃煤。在“沼氣終端產(chǎn)品價(jià)格補(bǔ)貼”政策勢(shì)在必行的情況下，更需要穩(wěn)定低廉的熱源[18]。

基于此，本文提出熱化學(xué)轉(zhuǎn)換處理秸稈與高溫發(fā)酵工藝處理畜禽糞便相耦合的新思路。將農(nóng)村秸稈等原料代替煤或沼氣進(jìn)行燃燒，產(chǎn)生的熱量供給高溫發(fā)酵沼氣工程所需，將常規(guī)的中常溫發(fā)酵工藝提升為高溫發(fā)酵，既加快發(fā)酵產(chǎn)氣速率，減小發(fā)酵罐體積，降低沼氣工程的投資，同時(shí)促進(jìn)秸稈的有效利用。

1 模型建立

1.1 低劣生物質(zhì)處理模式構(gòu)建

低劣生物質(zhì)處理模式分為兩部分，根據(jù)原料特性和產(chǎn)生能源的用途，含水量較高的畜禽糞便采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣，進(jìn)一步分離提純獲得生物甲烷，而木質(zhì)纖維素含量高、難降解的秸稈類生物質(zhì)（部分可用于調(diào)節(jié)厭氧發(fā)酵碳氮比），通過(guò)熱化學(xué)轉(zhuǎn)化獲取熱量，維持發(fā)酵所需溫度，過(guò)程框架如圖1 所示。

圖1 畜禽糞便高溫發(fā)酵與秸稈熱化學(xué)處理工藝的耦合模式Fig.1 Coupling model of thermophilic fermentation of livestock manure and thermochemical treatment of straw

本文以我國(guó)典型萬(wàn)頭豬場(chǎng)為例，畜禽糞污采用高溫發(fā)酵處理，其熱源選用秸稈直燃供熱這種最簡(jiǎn)單的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化方式，從熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)角度對(duì)過(guò)程的可行性進(jìn)行了計(jì)算和分析。

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

沼氣工程的設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算公式如下

發(fā)酵罐設(shè)計(jì)

式中，Ve為發(fā)酵罐有效容積，m3；Vi為進(jìn)料流量，m3·d-1；θ為停留時(shí)間，d。

在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，容積有機(jī)負(fù)荷是單位體積反應(yīng)器每天所承受的有機(jī)物量。

式中，L 為容積有機(jī)負(fù)荷，kg VS·m-3·d-1；S0為初始揮發(fā)性固體濃度，kg VS·m-3；V 為發(fā)酵罐體積，m3。

日產(chǎn)沼氣量Y

式中，B 為有機(jī)廢物的甲烷產(chǎn)率 ；mVS為揮發(fā)性固體總量，kg·d-1。

1.3 發(fā)酵動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算

生化動(dòng)力學(xué)模型通常用微生物連續(xù)培養(yǎng)理論表示，其依據(jù)是生長(zhǎng)限定基質(zhì)濃度決定微生物生長(zhǎng)及底物消耗，其中典型的動(dòng)力學(xué)模型有Monod 模型和Contois 模型等[19]。Monod 和Contois 模型都考慮到了發(fā)酵過(guò)程的有機(jī)負(fù)荷作為反應(yīng)器性能的一個(gè)基本參數(shù)，并已被廣泛應(yīng)用在厭氧工藝的模擬中。然而Contois 模型認(rèn)為出水基質(zhì)濃度S 是進(jìn)水基質(zhì)濃度S0的函數(shù)，這對(duì)比Monod 模型中的S 與S0無(wú)關(guān)來(lái)說(shuō)是一個(gè)重要的改進(jìn)，基于Contois 模型得到的表達(dá)式的主要優(yōu)勢(shì)也體現(xiàn)于此[20]?；贑ontois 模型，Chen 等[21-22]提出了穩(wěn)態(tài)條件下有機(jī)廢棄物產(chǎn)甲烷的動(dòng)力學(xué)方程，可用于計(jì)算底物消耗量和甲烷產(chǎn)量。針對(duì)豬糞、餐廚垃圾等生物質(zhì)廢棄物的厭氧消化，此模型較為簡(jiǎn)單，可以很好地用于底物的產(chǎn)氣量及反應(yīng)速率的模擬研究，與試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合較好。Chen 將其運(yùn)用于計(jì)算小試和中試規(guī)模下的豬糞厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量，所得計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的比率為1.01 且標(biāo)準(zhǔn)偏差為±0.092，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)值十分相符[23]，其動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式如下

式中，B0為有機(jī)廢物的極限甲烷產(chǎn)率，m3·kg-1；μm是微生物的最大生長(zhǎng)比率；K 為動(dòng)力學(xué)參數(shù)。

在20～60℃范圍內(nèi)，微生物的最大比生長(zhǎng)速率為

式中，T 為溫度，℃。

溫度為35℃時(shí) μm=0.33 d-1，最小水力停留時(shí)間θm等于μm的倒數(shù)，即3d[21]。一般而言，應(yīng)保證物料在反應(yīng)器內(nèi)有充分的停留時(shí)間以利于有機(jī)物的分解消化，在生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的停留時(shí)間。

豬糞為發(fā)酵原料的動(dòng)力學(xué)參數(shù)如下

式中，S0的范圍為33.5～61.8 kg VS·m-3。

式中，γV是容積產(chǎn)氣率，m3·m-3·d-1。

2 結(jié)果與討論

下面選取作者調(diào)研的國(guó)內(nèi)江蘇金壇永康農(nóng)牧養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣發(fā)電工程[14]進(jìn)行實(shí)例分析，永康牧業(yè)存欄9000 頭豬，年出欄20000 頭，糞污日排放量50多噸。為處理養(yǎng)豬過(guò)程中帶來(lái)的污染，該場(chǎng)建有1200 m3厭氧發(fā)酵裝置，采用中溫沼氣發(fā)酵工藝，并配有80 kW 沼氣發(fā)電機(jī)組，年產(chǎn)沼氣28 萬(wàn)～35萬(wàn)立方米。

2.1 對(duì)實(shí)際工程的模擬

畜禽糞便沼氣產(chǎn)量估算一般以干物質(zhì)含量計(jì)，規(guī)?；B(yǎng)豬場(chǎng)糞尿排泄系數(shù)及其產(chǎn)氣潛力等基本參數(shù)[24-25]如表1 所示。

表1 豬的排泄系數(shù)及其糞便的產(chǎn)氣潛力Table 1 Excreta parameters of a pig and ultimate methane yield of pig manure

通過(guò)豬場(chǎng)存欄數(shù)乘以排泄系數(shù)，可計(jì)算豬場(chǎng)糞污日排放量。大型畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程進(jìn)料TS 濃度通常在8%～12%之間，以永康牧業(yè)沼氣工程實(shí)際進(jìn)料為基準(zhǔn)，選取進(jìn)料TS 濃度為8%。厭氧發(fā)酵工藝溫度為30℃，沼氣中甲烷含量60%，經(jīng)過(guò)厭氧發(fā)酵后，揮發(fā)性固體有機(jī)物降解率為75%。設(shè)發(fā)酵罐有效體積為其實(shí)際體積的80%，模擬計(jì)算工藝結(jié)果與永康牧業(yè)實(shí)際工藝參數(shù)對(duì)比如表2 所示。

表2 永康牧業(yè)沼氣工程實(shí)際參數(shù)與模擬結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison between actual values and simulation results of Yongkang biogas project

從表2 可以得知，考慮到糞污日排放量的波動(dòng)，模擬發(fā)酵過(guò)程得出的設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)際狀況基本一致，除了實(shí)際的容積產(chǎn)氣率僅為0.72m3·m-3·d-1，遠(yuǎn)低于模擬值，同時(shí)也低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[27]——即特大型和大型沼氣工程采用中溫發(fā)酵工藝，容積產(chǎn)氣率不小于1.0 m3·m-3·d-1。厭氧發(fā)酵是復(fù)雜的生化反應(yīng)，受溫度、pH 和發(fā)酵罐攪拌系統(tǒng)等因素影響，實(shí)際容積產(chǎn)氣率往往低于理論值，其中溫度是影響生化反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一，它直接影響微生物的活性，進(jìn)而影響生化反應(yīng)的速率。實(shí)際工程中，由于溫度升高，所需的熱量隨之增加，必將消耗大量的沼氣用于加熱，同時(shí)熱電聯(lián)產(chǎn)沼氣工程，其發(fā)電余熱也沒(méi)有得到充分利用，所以養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程大多數(shù)為常溫或近中溫發(fā)酵，受天氣影響較大。

2.2 溫度對(duì)發(fā)酵過(guò)程影響

溫度是影響厭氧微生物處理工藝的主要因素，根據(jù)溫度區(qū)間可分為低溫發(fā)酵(＜25℃)、中溫發(fā)酵(25～45℃)和高溫發(fā)酵(45～60℃)，3 個(gè)過(guò)程中的產(chǎn)甲烷菌種類并不相同，其中中溫和高溫發(fā)酵過(guò)程中，產(chǎn)甲烷菌最適生長(zhǎng)溫度分別為35℃和55℃[28]。目前中溫發(fā)酵是畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)沼氣工程最常見(jiàn)的工藝，而高溫發(fā)酵產(chǎn)氣速率高、發(fā)酵罐體積小并可有效殺死細(xì)菌和蟲卵及雜草種子。對(duì)于江蘇金壇永康牧業(yè)或與其糞污排放量等當(dāng)?shù)娜f(wàn)頭豬場(chǎng)沼氣工程，即日進(jìn)料55.8 m3·d-1，且TS 為8%，料液經(jīng)厭氧發(fā)酵后揮發(fā)性固體有機(jī)物降解率為75%，若將原有的中溫發(fā)酵改為高溫發(fā)酵設(shè)計(jì)，則不同工藝溫度下的產(chǎn)氣速率和發(fā)酵罐體積如圖2 所示。

由圖2 可知，隨著發(fā)酵溫度的升高，容積產(chǎn)氣率先快速增加后趨于平衡，從 30℃時(shí)的 1.43 m3·m-3·d-1增至45℃時(shí)的3.08 m3·m-3·d-1，當(dāng)溫度為55℃，容積產(chǎn)氣率達(dá)到3.40 m3·m-3·d-1，隨后基本維持不變。由于溫度升高，有機(jī)質(zhì)的水解速率加快，Converti 等[29]實(shí)驗(yàn)對(duì)比了中溫發(fā)酵(37℃) 和高溫發(fā)酵(55℃)條件下的厭氧發(fā)酵反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參 數(shù)，指出高溫條件下高水解速率是導(dǎo)致甲烷產(chǎn)量及甲烷濃度均高于中溫發(fā)酵的主要因素。另外，從圖中也可以看出，當(dāng)溫度由30℃增至55℃，對(duì)應(yīng)發(fā)酵罐體積也從1200 m3減小到500 m3，下降幅度為58%，這意味著因罐體和保溫材料帶來(lái)的設(shè)備投資可大幅降低。

圖2 不同溫度下發(fā)酵過(guò)程中的容積產(chǎn)氣率和發(fā)酵罐體積Fig.2 Gas production rate and volume of digester at different temperatures in fermentation process

此外，現(xiàn)有沼氣工程采用常溫或近中溫發(fā)酵，由于發(fā)酵不徹底，導(dǎo)致排出的沼液沼渣中COD 含量明顯偏高，靳紅梅等[30]對(duì)江蘇省21 個(gè)規(guī)模化養(yǎng)豬場(chǎng)和奶牛場(chǎng)的大型沼氣工程進(jìn)行了全面調(diào)查，豬場(chǎng)沼液中COD 含量均值高達(dá)20600 mg·L-1，而奶牛場(chǎng)沼液中則更高。然而我國(guó)對(duì)畜禽養(yǎng)殖業(yè)污染物放標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定經(jīng)處理后出水 COD 需低于 400 mg·L-1，勢(shì)必造成后續(xù)沼液處理困難。針對(duì)現(xiàn)有已建沼氣工程，通過(guò)工藝改造，將原有近中溫提升為高溫發(fā)酵，增大揮發(fā)性有機(jī)物分解率，降低出料中COD 含量，并提高沼氣產(chǎn)量。若繼續(xù)使用原有發(fā)酵罐，即維持發(fā)酵罐體積為1200 m3，對(duì)金壇永康牧業(yè)沼氣工程進(jìn)行增溫工藝改造。由于罐體體積和日進(jìn)料量不變，高溫發(fā)酵與中溫發(fā)酵的停留時(shí)間相同，保證進(jìn)料中可降解有機(jī)物盡可能發(fā)酵完全，對(duì)不同溫度下有機(jī)物的轉(zhuǎn)化率和對(duì)應(yīng)產(chǎn)氣量進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 顯示，隨著溫度升高，畜禽糞便中揮發(fā)性有機(jī)物的分解率逐漸增大，從30℃時(shí)的75.0%增至55℃的89.6%，同時(shí)對(duì)應(yīng)分解產(chǎn)生的沼氣量增多，日增產(chǎn)沼氣量達(dá)300 m3，將有機(jī)物中的碳源更多轉(zhuǎn)化生成生物甲烷，可有效降低出料中的COD 含量。當(dāng)溫度達(dá)到45℃后有機(jī)物分解率增幅變緩且趨于穩(wěn)定，此時(shí)料液中剩余物質(zhì)大部分為難降解有機(jī)物，出料中污染物排放量得到有效削減。

圖3 不同發(fā)酵溫度下有機(jī)物的分解率及產(chǎn)氣量Fig.3 Conversion rate of organic matter and biogas production at different temperatures

2.3 不同發(fā)酵溫度下的加熱能耗

厭氧發(fā)酵過(guò)程中沼氣產(chǎn)量和速率隨著溫度升高而增大，這在實(shí)驗(yàn)和理論上均得到了大量研究者的證實(shí)[29,31]。然而高溫發(fā)酵同時(shí)意味著更高的加熱負(fù)荷，運(yùn)營(yíng)過(guò)程中加熱成本增高，這是限制高溫發(fā)酵沼氣工程推廣的主要原因之一。

厭氧發(fā)酵過(guò)程的加熱能耗，主要包括加熱原料和經(jīng)發(fā)酵罐散失的熱量，設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)溫度T 為一穩(wěn)定值，進(jìn)料溫度等于外界環(huán)境溫度Ta，其計(jì)算公式分別如下

式中，Eh為加熱原料所需熱量，kJ；El為經(jīng)罐體損失的熱量，kJ；cp為料液的比熱容，kJ·kg-1·℃-1；T 為發(fā)酵罐內(nèi)溫度，℃；Ta為環(huán)境溫度，℃；A 為罐體與空氣接觸的面積，m2；∑R為罐體材料的熱阻，m2·℃·W-1。

江蘇金壇市年平均氣溫16.1℃，考慮環(huán)境溫度波動(dòng)，假定環(huán)境和進(jìn)料溫度均為15℃，進(jìn)料的比熱容為4.16 kJ·kg-1·℃-1[26]，則可計(jì)算出加熱發(fā)酵原料所需熱量Eh。經(jīng)發(fā)酵罐體的熱量損失El主要由罐頂、罐壁和罐底三部分組成，El計(jì)算的相關(guān)參數(shù)來(lái)自本課題組相關(guān)工作[17]，進(jìn)而獲得不同發(fā)酵溫度下需要的總熱量。

如圖4 所示，罐體損失熱量較小且基本維持不變，而加熱進(jìn)料所需熱量隨溫度升高而呈線性快速增長(zhǎng)，溫度每升高5℃，熱量消耗增加1.2 GJ。55℃時(shí)消耗的熱量為9.76 GJ，約為35℃時(shí)的2 倍，意味著維持高溫發(fā)酵消耗的沼氣量為中溫發(fā)酵的近2 倍，從產(chǎn)生生物質(zhì)能源的角度顯然是不利的。當(dāng) 前現(xiàn)有沼氣工程通常采用燃燒部分沼氣來(lái)獲得熱源，但這減少了發(fā)酵過(guò)程中的凈產(chǎn)沼氣量。發(fā)展生物甲烷路線，盡可能減少回用沼氣量，能否找到穩(wěn)定低廉的熱源？

圖4 不同溫度下加熱進(jìn)料與管壁損失的能量Fig.4 Energy of heating feed and that lost through wall at different temperatures

2.4 秸稈作為供熱源

發(fā)酵所需熱量由燃燒系統(tǒng)內(nèi)發(fā)酵產(chǎn)生的粗沼氣供給降低了系統(tǒng)的有效能，在沒(méi)有外來(lái)熱源的條件下，發(fā)展生物甲烷路線，使得發(fā)酵體系維持在高溫，需要能量輸入。秸稈作為一種低劣生物質(zhì)，同時(shí)也是可再生資源，由于秸稈發(fā)酵轉(zhuǎn)化，預(yù)處理復(fù)雜且過(guò)程中易結(jié)殼，限制了其發(fā)酵處理，而秸稈熱化學(xué)轉(zhuǎn)換中的直接燃燒具有操作簡(jiǎn)單、速率快、熱量多等優(yōu)點(diǎn)，是處理秸稈的重要途徑。隨著生物質(zhì)熱水鍋爐[32]技術(shù)日趨成熟，適合對(duì)熱量要求不高的供熱方式，生物質(zhì)供熱得到了廣泛地應(yīng)用。

我國(guó)生物質(zhì)秸稈主要來(lái)自糧食作物，其中三大糧食作物秸稈量占秸稈總產(chǎn)量的60%以上[33]，本文選取玉米秸稈為例，其凈熱值約為 1.5×104kJ·kg-1[34]，鍋爐熱效率采用熱平衡法，計(jì)算公式如下

式中，Q1、Q2分別為秸稈完全燃燒放出熱量、鍋爐利用熱量，kJ；鍋爐的熱效率η=0.7[32]。

為了進(jìn)一步對(duì)比秸稈代替沼氣回用燃燒供熱的效果，取甲烷的熱值為35.9 MJ·m-3，進(jìn)而可估算出秸稈利用量m 和沼氣的回用量Yr，結(jié)果如圖5所示。

從圖5 可知，當(dāng)發(fā)酵溫度由30℃提高為55℃，通過(guò)沼氣燃燒供熱，其回用量由9.20×104m3增至2.36×105m3，分別占年產(chǎn)沼氣總量的14.6%和37.5%，大量高品位生物甲烷燃燒供熱而被消耗。然而，若采用秸稈替代沼氣回用，高溫發(fā)酵（55℃）時(shí)，秸稈年消耗量為339 t，可有效促進(jìn)秸稈這種低劣生物質(zhì)的能源化利用。采用秸稈燃燒供給畜禽糞便厭氧發(fā)酵所需熱量，置換出高品位燃?xì)猓谥袊?guó)兩種典型的低劣生物質(zhì)（秸稈、畜禽糞便）各自特點(diǎn)，將其同時(shí)處理，得到高品位能源，并達(dá)到二氧化碳減排的效果。

圖5 不同溫度下年秸稈消耗和沼氣回用量Fig.5 Annual consumption of straw and biogas for heating at different temperatures

3 結(jié) 論

本文基于發(fā)酵過(guò)程Contois 模型，以萬(wàn)頭豬場(chǎng)——金壇永康牧業(yè)沼氣工程為例，對(duì)熱化學(xué)與高溫發(fā)酵產(chǎn)沼氣耦合工藝進(jìn)行了計(jì)算分析，得出以下結(jié)論：

（1）當(dāng)發(fā)酵工藝由中溫（30℃）升至高溫（55℃）時(shí)，容積產(chǎn)氣率由1.43 m3·m-3·d-1提高至3.40 m3·m-3·d-1，發(fā)酵罐體積從1200 m3減小到500 m3，揮發(fā)性有機(jī)物的分解率由75.0%增大為89.6%，日增產(chǎn)沼氣量達(dá)300 m3，可有效降低出料中的COD含量，高溫發(fā)酵比中溫發(fā)酵優(yōu)勢(shì)明顯；

（2）55℃時(shí)高溫發(fā)酵所需熱量為9.76 GJ，約為35℃時(shí)中溫發(fā)酵熱量的2 倍，這是限制高溫發(fā)酵發(fā)展的主要原因之一；

（3）為維持55℃時(shí)所需熱量，采用秸稈燃燒代替沼氣回用供給畜禽糞便厭氧發(fā)酵所需熱量，每年處理秸稈339 t，可有效避免秸稈焚燒帶來(lái)的空氣污染。

符 號(hào) 說(shuō) 明

a ——有機(jī)廢棄物分解率，%

B,B0——分別為有機(jī)廢物的甲烷產(chǎn)率、極限甲烷產(chǎn)率，m3·kg-1

Eh,El——分別為加熱發(fā)酵原料所需熱量、損失熱量，kJ

K ——發(fā)酵罐性能動(dòng)力參數(shù)

L ——容積有機(jī)負(fù)荷，kgVS·m-3·d-1

m ——秸稈年消耗量，kg

mVS——揮發(fā)性固體（VS）總量，kg·a-1

Q2,Q1——分別為秸稈完全燃燒放出熱量、鍋爐利用熱量，kJ

S0——初始揮發(fā)性固體（VS）濃度，kg·m-3

T ——溫度，℃

V,Ve——分別為反應(yīng)器容積、反應(yīng)器有效容積，m3

Vi——進(jìn)料體積，m3·d-1

Y,Yr——分別為年產(chǎn)沼氣量、年沼氣回用量，m3

θ ——水力停留時(shí)間，d

γV——容積產(chǎn)甲烷率，m3·m-3·d-1

η ——鍋爐熱效率，%

μm——微生物的最大生長(zhǎng)比率

[1]Jiang X Y, Sommer S G, Christensen K V.A review of the biogas industry in China [J].Energy Policy, 2011, 39: 6073-6081.

[2]Chinese Ministry of Environmental Protection(環(huán)境保護(hù)部).The first national pollution census bulletin[R].Beijing, 2010.

[3]Liu Shixin(劉世昕).Why does straw burning make the haze pollution worse? [EB/OL].[2013-12-20].http: //zqb.cyol.com/ html/2013-12/ 20/nw.D110000zgqnb_20131220_2-10.htm.

[4]McKendry P.Energy production from biomass (Ⅱ): Conversion technologies [J].Bioresource Technology, 2002, 83 (1): 47-54.

[5]Hendriks A T, Zeeman, G.Pretreatments to enhance the digestibility of lignocellulosic biomass [J].Bioresource Technology, 2009, 100(1): 10-18.

[6]Cui Mei(崔美), Huang Renliang(黃仁亮), Su Rongxin(蘇榮欣), Qi Wei(齊崴), Zhang Yimin(張毅民), He Zhimin(何志敏).An overview on lignocellulose pretreatment and recalcitrant characteristics [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2012, 63(3): 677-687.

[7]Mohan D, Pittman C U, Steele P H.Pyrolysis of wood/biomass for bio-oil: a critical review [J].Energy & Fuels, 2006, 20: 848-889.

[8]Cantrell K, Ro K, Mahajan D, et al.Role of thermochemical conversion in livestock waste-to-energy treatments: obstacles and opportunities [J].Industrial & Engineering Chemistry Research, 2007, 46(26): 8918-8927.

[9]Wan L G, Tian Y, Zhang L J, et al.Status and progress on high temperature pyrolysis of sewage sludge [J].Environmental Science & Technology, 2011, 34(6): 109-114.

[10]Cantrell K B, Ducey T, Ro K S, et al.Livestock waste to bioenergy generation opportunities [J].Bioresource Technology, 2008, 99: 7941-7953.

[11]Huang Yefei(黃葉飛), Dong Hongmin(董紅敏), Zhu Zhiping(朱志平), Tao Xiuping(陶秀萍), Huang Hongkun(黃宏坤).A review on thermochemistry conversion of animal manure [J].J..Agri.Sci.Tech.(中國(guó)農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)), 2008, 10(4): 22-27.

[12]Liu Chang(劉暢), Lu Xiaohua(陸小華), Yang Zhuhong(楊祝紅), Zhu Yudan(朱育丹), Feng Xin(馮新).Leap-forward development strategy of China’s biomethane industry based on new developments of chemical engineering [J].Chemical Industry and Engineering Progress(化工進(jìn)展), 2013, 32(4): 786-790.

[13]Deublein D, Steinhauser A.Biogas from Waste and Renewable Resources[M].Weinheim: Wiley-VCH, 2008.

[14]Liu Chang(劉暢), Wang Jun(王俊), Pu Shaorui(浦紹瑞), Lu Xiaohua(陸小華).Economic analysis of pig farm biogas projects between China and Germany [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(5): 1835-1839.

[15]Wu Bin(武斌), Zhang Xiangping(張香平), Xu Yajing(許亞晶), Huang Ying(黃鶯).Progress of evaluation and integration of biomethane system [J].Chemical Industry and Engineering Progress(化工進(jìn)展), 2014, 33(7): 1659-1670.

[16]Doppenberg J, van der Aar P.Biofuels: Implications for the Feed Industry[M].Wageningen：Wageningen Academic Publishers, 2007.

[17]Hua Jing(花鏡), Teng Ziyan(滕子言), Lu Xiaohua(陸小華), Yang Zhuhong(楊祝紅), Wang Changsong(王昌松).Effect of waste heat recovery on net biogas yield in thermophilic biogas plants [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(5): 1888-1892.

[18]Min Shijie(閔師界), Huang Xu(黃敘), Qiu Kun(邱坤).Economic analysis on subsidy policy for farm biogas engineering [J].China Biogas(中國(guó)沼氣), 2013, 31(1): 33-37.

[19]Li Heng(李恒), Ke Lanting(柯藍(lán)婷), Wang Haitao(王海濤), Zheng Yanmei(鄭艷梅), Wang Yuanpeng(王遠(yuǎn)鵬), He Ning(何寧), Li Qingbiao(李清彪).Simulation research on anaerobic digestion biogas generation from low-grade biomass [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(5): 1577-1586.

[20]Fernandez-Rodriguez J, Perez M, Romero L I.Comparison of mesophilic and thermophilic dry anaerobic digestion of OFMSW: kinetic analysis [J].Chemical Engineering Journal, 2013, 232: 59-64.

[21]Chen Y R, Hashimoto A G.Kinetics of methane fermentation [J].Biotechnology and Bioengineering(Sympos), 1978, (8): 269-282.

[22]Chen Y R, Hashimoto A G.Substrate utilisation kinetic model for biological treatment processes [J].Biotechnology and Bioengineering, 1980, 22(10): 2081-2095.

[23]Chen Y R.Kinetic analysis of anaerobic digestion of pig manure and its design implications [J].Agricultural Wastes, 1983, (8): 65-81.

[24]Fan Jingchun(樊京春), Zhao Yongqiang(趙勇強(qiáng)), Qing Shiping(秦世平).Technical Guide for Biogas Project in China (Livestock, Poultry Farms and Light Industry)(中國(guó)畜禽養(yǎng)殖場(chǎng)與輕工業(yè)沼氣技術(shù)指南)[M].Beijing: Chemical Industry Press, 2009: 34-36.

[25]Zhang P D, Yang Y L, Tian Y S, et al.Bioenergy industries development in China: dilemma and solution [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2009, 13(9): 2571-2579.

[26]Hill D T.Design of digestion systems for maximum methane production [J].Trans.ASAE, 1982, 25(1): 226-236.

[27]NYT 667-2011.Classification of scale for biogas engineering (沼氣工程規(guī)模分類)[S].Beijing: Ministry of Agriculture of the People's Republic of China(國(guó)家農(nóng)業(yè)部), 2011.

[28]Wu Meirong(吳美容), Zhang Rui(張瑞), Zhou Jun(周俊) , Xie Xinxin(謝欣欣), Yong Xiaoyu(雍曉雨), Yan Zhiying(閆志英), Ge Mingmin(葛明民), Zheng Tao(鄭濤).Effect of temperature on methanogens metabolic pathway and structures of predominant bacteria [J].CIESC Journal(化工學(xué)報(bào)), 2014, 65(5): 1602-1605.

[29]Converti A, Del Borghi A, Zilli M, Arni S, Del Borghi M.Anaerobic digestion of the vegetable fraction of municipal refuses: mesophilic versus thermophilic conditions [J].Bioprocess Engineering, 1999, 21 (4): 371-376.

[30]Jin Hongmei(靳紅梅), Chang Zhizhou(常志州), Ye Xiaomei(葉小梅), Ma Yan(馬艷), Zhu Jin(朱瑾).Physical and chemical characteristics of anaerobically digested slurry from large-scale biogas project in Jiangsu province [J].Transactions of the CSAE(農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)), 2011, 27(1): 291-296.

[31]Kim M, Ahn Y H, Speece R E.Comparative process stability and efficiency of anaerobic digestion; mesophilic vs.thermophilic [J].Water Research, 2002, 36(17): 4369-4385.

[32]Tian Yishui(田宜水), Zhang Jianming(張鑒銘), Chen Xiaofu(陳曉夫), Yao Xiang jun(姚向君), Cui Yuanbo(崔遠(yuǎn)勃).Study & design on straw hot water boiler for heating plant [J].Transactions of the CSAE(農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)), 2002, 18(2): 87-90.

[33]Bi Yuyun(畢于運(yùn)), Wang Yajing(王亞靜), Gao Chunyu(高春雨).Straw resource quantity and its regional distribution in China [J].Journal of Agricultural Mechanization(農(nóng)機(jī)化研究), 2010, (3): 1-7.

[34]Liu Shengyong(劉圣勇), Bai Bing(白冰), Liu Xiao’er(劉小二), Yang Guofeng(楊國(guó)峰), Zhang Fei(張飛), Huang Jun(黃俊)．Design and study of a biomass bales combustion boiler [J].Acta Energiae Solaris Sinica(太陽(yáng)能學(xué)報(bào)), 2010, 31(12): 1527-1531.