厭氧發(fā)酵原理與工藝設(shè)計(jì)

1、實(shí)驗(yàn)研究目的，技術(shù)路線(xiàn)我國(guó)目前的農(nóng)作物發(fā)酵制沼氣技術(shù)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，起步較晚，大型項(xiàng)目的 運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)相對(duì)較少。由于我國(guó)幅員遼闊，不同地域的農(nóng)作物資源種類(lèi)不同，其物理 和化學(xué)性質(zhì)也有較大的差別，加之我國(guó)不同地區(qū)年平均氣溫差別較大，使我國(guó)農(nóng)作 物厭氧發(fā)酵制備沼氣的大型項(xiàng)目難有統(tǒng)一的設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于不同的大型沼 氣項(xiàng)目，必須結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際的農(nóng)作物種類(lèi)和物性、氣候條件、供熱條件、沼液和 沼漁的消納和后續(xù)處理工藝、農(nóng)作物的價(jià)格和最大運(yùn)輸半徑、原料的儲(chǔ)存和供 料方式、發(fā)電機(jī)組的選型等因素進(jìn)行綜合考慮，才能使項(xiàng)目實(shí)施后獲得最佳的經(jīng) 濟(jì)和社會(huì)效益。根據(jù)我國(guó)農(nóng)作物制備沼氣技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，結(jié)合本文研究的農(nóng)作物制備沼

2、 氣項(xiàng)目實(shí)際案例，本文的研究目的為：;研究發(fā)酵原料的物理化學(xué)性質(zhì)和產(chǎn)氣率，提 出合理估算農(nóng)作物(主要是黃瓜藤)和粒徑的方法 ，為項(xiàng)目實(shí)例提供工藝選擇、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性計(jì)算提供可靠依據(jù)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本文研究?jī)?nèi)容主要集中如下幾個(gè)方面：(1)研究農(nóng)作物破碎預(yù)處理的特點(diǎn)，為合理計(jì)算破碎預(yù)處理能耗提供計(jì)算 方法。(2)研究了黃瓜藤的鮮活度對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響。(3)不同投配率對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響；為了厭氧發(fā)酵反應(yīng)的持續(xù)反應(yīng)，同時(shí)還研究不同投配率對(duì)于 pH值的影響。論文章節(jié)安排本論文共包括六章內(nèi)容。第一章介紹課題的研究背景，國(guó)內(nèi)能源消費(fèi)和可再生能源利用現(xiàn)狀，以及課題的主

3、要研究?jī)?nèi)容和意義。第二章厭氧發(fā)酵反應(yīng)制備沼氣的基本原理和影響參數(shù)。第三章闡述農(nóng)作物的破碎原理，從中說(shuō)明粒度與能耗間的關(guān)系，并且從能耗的角度分析不同粒度的顆粒的耗能情況。第四章針對(duì)需要采用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)各個(gè)因素進(jìn)行研究，確定實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)測(cè)量的方法以及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中需要的注意事項(xiàng)，防止實(shí)驗(yàn)失敗。第五章實(shí)驗(yàn)采用定制CSTR厭氧反應(yīng)器對(duì)黃瓜藤在中溫條件下進(jìn)行厭氧消 化反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，研究系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和產(chǎn)氣性能。第六章作出對(duì)課題的總結(jié)和展望，總結(jié)本課題的研究成果，并提出不足之 處和以后還需進(jìn)一步研究的方向。第二章厭氧發(fā)醉原理及其工藝農(nóng)作物作為發(fā)酵原料，用來(lái)制備沼氣是生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的一種。如本文第一章所述，生物質(zhì)發(fā)

4、酵根據(jù)發(fā)酵過(guò)程中是否存在氧氣，可分為好氧發(fā)酵和厭氧發(fā) 酵。好氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是有機(jī)肥，厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品可以是有機(jī)肥或沼氣。如果 生物質(zhì)厭氧發(fā)酵的主產(chǎn)品是沼氣，則稱(chēng)為生物質(zhì)發(fā)酵制備沼氣。2.1有機(jī)物厭氧降解基本過(guò)程厭氧處理過(guò)程是由多種微生物共同作用完成的，微生物將有機(jī)大分子化合物通過(guò)轉(zhuǎn)化成了 CH4、C02、H2O、H2s和氨等物質(zhì)。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，微生物相互間影響、相互間約束，微生物之間共同組成一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)。從上世紀(jì) 70年代中起，研究者們就對(duì)厭氧消化技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研冗并取得了很多成果。厭 氧生物降解基本過(guò)程如圖2-1所示18。施防醵.酷典.內(nèi)Eftr 丁嘲、乙不* .乳.稗專(zhuān)產(chǎn)國(guó)中乙班 廣

5、帆產(chǎn)乙上”眠.-挈.化始1.發(fā)酵菌；2.產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌；3.同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌;4.利用H2和CO2甲烷細(xì)菌；5.分解乙酸的產(chǎn)甲烷細(xì)菌圖2-1大分子有機(jī)物的厭氧降解過(guò)程一、水解階段水解階段是非溶性的大分子化合物被轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的小分子化合物或單體的過(guò)程。大分子有機(jī)化合物相對(duì)分子質(zhì)量都比較大，不能被微生物直接吸收利用 這些大分子的有機(jī)化合物首先在被轉(zhuǎn)化為小分子化合物，這些小分子化合物就很 容易被微生物利用。通常水解反應(yīng)過(guò)程可用下式表示。R-X + H 2O R-OH + X -+H +式中:R-有機(jī)物分子的碳鏈主體X-分子中的極性基團(tuán)二、發(fā)酵階段在發(fā)酵過(guò)程中，發(fā)酵微生物首先將小分子化合物轉(zhuǎn)化為簡(jiǎn)單的物質(zhì)

6、，分泌 到細(xì)胞外。因此，這一過(guò)程也稱(chēng)為酸化階段。這一階段的最終產(chǎn)物主要有揮發(fā) 性脂肪酸（VFA）、二氧化碳、氧氣、氨、硫化氫等氣體物質(zhì)。同時(shí) ，厭氧發(fā)酵 過(guò)程中，微生物也會(huì)合成新細(xì)胞進(jìn)行自身的增殖，所以系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生剩余污泥。一 般的底物在進(jìn)行酸化反應(yīng)時(shí)，部分氨基酸的分解是通過(guò)所謂的史提克蘭德反應(yīng)進(jìn) 行的，該反應(yīng)需要兩種氨基酸的參與，或者說(shuō)它需要和其他分子同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，其 中一個(gè)氨基酸分子進(jìn)行氧化脫氮，同時(shí)產(chǎn)生H+使另外一種氨基酸的兩個(gè)分子還 原，兩個(gè)過(guò)程都有脫氧基的作用。以丙氨酸和甘氨酸的降解為例來(lái)說(shuō)明它們就需 要這種偶聯(lián)反應(yīng)。CH3CHNH2C00H+2H 20CH3COOH+CO 2+NH3

7、+4H +2CH2NH2COOH+4H +2CH3COOH+2NH 4即為：CH3CHNH2COOH+2CH 2NH2COOH+2H 2O 3CH3COOH+3NH 4+CO2這里內(nèi)氨酸作為電子的供體，甘氨酸作為電子的受體。而丙氨酸和甘氨酸都 是有機(jī)物，卻一個(gè)作為電子供體，另一個(gè)作為電子受體。這一特點(diǎn)說(shuō)明，酸化反應(yīng) 過(guò)程是一個(gè)不穩(wěn)定并且沒(méi)有進(jìn)行到底的過(guò)程。三、產(chǎn)乙酸階段發(fā)酵階段的最終產(chǎn)物在產(chǎn)乙酸菌的作用下被進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為CH3COOH、H2、碳酸和新的細(xì)胞物質(zhì)。這些微生物能把各種 VFA降解為乙酸和氫氣。其反 應(yīng)如下16:CH3CH2OH+H 2。一CH 3COOH+2H 2CH3CH2COOH

8、+2H 20CH3COOH+3H 2+C02CH3CH2COOH+2H 2O2CH 3COOH+2H 2四、產(chǎn)甲烷階段在這一階段過(guò)程中，產(chǎn)甲烷微生物將CH3COOH、H2、碳酸、甲酸和甲醇 等轉(zhuǎn)化為甲烷、二氧化碳和新的細(xì)胞物質(zhì)。有些細(xì)菌能夠直接利用乙酸產(chǎn)生甲 烷，在一般的厭氧反應(yīng)器中，由乙酸分解產(chǎn)生的甲烷和由氫氣分解產(chǎn)生的甲烷的比 例為7:3。禾I用乙酸:CH3COOH4CH4+CO2禾I用 H2 和 C02 : H2+C02 CH4+H20上述4個(gè)階段還包含以下過(guò)程：(a)蛋白質(zhì)、碳水化合物的和脂類(lèi)發(fā)生變化是 在水解階段發(fā)生的；(b)氨基酸和糖類(lèi)的氧化、高級(jí)脂肪酸和醇類(lèi)的氧化發(fā)生在厭 氧發(fā)酵

9、階段；(C)產(chǎn)乙酸階段包含從中間產(chǎn)物中形成 CH3COOH和H2,由H2和 C02形成CH3COOH; (d)產(chǎn)甲烷階段包括由CH3COOH形成甲烷和從H2和C02 形成甲烷。厭氧發(fā)酵過(guò)程的特點(diǎn)厭氧生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)(1)厭氧生物處理能夠減少環(huán)境污染。能夠大幅度降低廢水中的COD、BOD的含量，減少水體富營(yíng)養(yǎng)化；厭氧消化可以殺滅病原菌、微生物蟲(chóng)卵；減 少蚊繩的繁殖效率，避免了疾病的傳播。(2)厭氧生物處理產(chǎn)生的污泥量較少、剩余污泥脫水性能好、濃縮時(shí)可以不 使用脫水劑等優(yōu)點(diǎn)，因此，厭氧生物處理工藝受到廣泛應(yīng)用。(3)厭氧處理工藝可產(chǎn)生無(wú)污染的能源沼氣作為燃料使用；沼氣燃燒后的產(chǎn)物 是水,因此對(duì)環(huán)

10、境無(wú)污染。(4)厭氧生物處理可以把難被微生物吸收的有機(jī)氮轉(zhuǎn)化成氨或確酸鹽，從而提高營(yíng)養(yǎng)成分的利用率。(5)厭氧生物處理后的沼澄、沼液施用到土壤中可以改良土壤、增加農(nóng)作物的產(chǎn)量。(6)高濃度的有機(jī)廢水也可以用厭氧生物技術(shù)來(lái)處理。且不需要大量水稀釋。(7)厭氧生物處理可以節(jié)省費(fèi)用。厭氧生物處理技術(shù)的缺點(diǎn)(1)厭氧生物處理啟動(dòng)周期較長(zhǎng)。厭氧微生物的世代期長(zhǎng)，微生物增長(zhǎng)速率低污泥增長(zhǎng)緩慢，一般厭氧啟動(dòng)期需要幾個(gè)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間。如果增加接種污泥 量來(lái)達(dá)到快速啟動(dòng)，就會(huì)增加經(jīng)濟(jì)投入(2)管理較復(fù)雜。由于微生物種類(lèi)、性質(zhì)各不相同，對(duì)運(yùn)行管理較為嚴(yán)格。(3)厭氧生物處理后的廢水不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。厭氧生物處理

11、對(duì)氮和等營(yíng)養(yǎng)元素的去除率不高，厭氧消化只是把含氧和磷的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為氧氮和磷酸鹽，微生 物合成新細(xì)胞用到的氮和磷也較少，因此，厭氧消化系統(tǒng)除水中氮和磷的含量一般 達(dá)不到排放標(biāo)準(zhǔn)。氮和磷等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)排入水體可引起湖泊發(fā)生富營(yíng)養(yǎng)化，由于該法的利用存在局限性，當(dāng)被處理的廢水對(duì)氮和 的含量要求較高時(shí)，就應(yīng)當(dāng)采用厭 氧和好氧相結(jié)合的處理工藝。(4)厭氧生物技術(shù)在處理廢水時(shí)可能會(huì)造成二次污染。由于廢水中硫酸鹽的 存在，在厭氧條件下硫酸鹽被氧化而放出 H2s等惡臭氣體。(5)厭氧微生物對(duì)有毒物質(zhì)非常敏感，因此，要嚴(yán)格控制有毒物質(zhì)進(jìn)入?yún)捬跸?化系統(tǒng)中。厭氧微生物降解動(dòng)力學(xué)原理微生物降解動(dòng)力學(xué)是指目標(biāo)化合物的微生物

12、降解速率。厭氧消化過(guò)程中的動(dòng)力學(xué)主要有兩個(gè)方面的內(nèi)容：即厭氧微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)。莫諾德(Monod)動(dòng)力學(xué)方程可表示為：KmaxCXdC-dT KS C S式中，dC為基質(zhì)利用速率mg/(L.d)； Kmax為最大比基質(zhì)利用速率 dtgCOD/(gVSS-d) ; C為生長(zhǎng)限制基質(zhì)濃度(與生物體接觸的濃度，mg/L); X為生物濃度(mg/L); Ks為半飽和濃度(mg/L).溶解性基質(zhì)的生物轉(zhuǎn)化速率可由莫諾德方程表示。則有U=rk莫諾德方程可表示為K : k _ max 一 KS ： S因?yàn)閁max =rKmax ,而U = rk,上式也可以寫(xiě)作U D maxU 一KS ：

13、S式中,P為基質(zhì)濃度；Kmax為最大比基質(zhì)利用率：Umax為最大比細(xì)胞增長(zhǎng)率：丸1一 ,、為基質(zhì)殺合力常數(shù)或飽和常數(shù),它等于當(dāng)U=1Kmax時(shí)的基質(zhì)儂度。在厭氧處理的產(chǎn)甲烷階段，產(chǎn)甲烷菌將COD轉(zhuǎn)化為CH4和細(xì)胞物質(zhì)。假定產(chǎn)生的細(xì)胞物質(zhì)占被轉(zhuǎn)化的 COD的產(chǎn)率為rn,則轉(zhuǎn)化為CH4的COD的產(chǎn)率為1-rn 。在酸化階段，基質(zhì)被轉(zhuǎn)化為細(xì)胞物質(zhì)和揮發(fā)性脂肪酸，假定細(xì)胞產(chǎn)率為rm,則轉(zhuǎn)化為VFA的分值為1-rm在穩(wěn)定的生物處理系統(tǒng)中，有機(jī)物質(zhì)的氧化分解；新細(xì)胞的合成；老細(xì)胞的衰亡是同時(shí)進(jìn)行的。將以上過(guò)程綜合起來(lái)，就得到下面方程:ddr-（-dS）-bx式中dX一微生物凈增長(zhǎng)速率，mg微生物/ (L

14、d);dS一基質(zhì)降解速率,mg基質(zhì)/ (L d); dtY新細(xì)胞增長(zhǎng)常數(shù)，即產(chǎn)率,mg微生物/ mg基質(zhì);b一細(xì)菌自身氧化分解率，也稱(chēng)衰減系數(shù)，d-1 ;X一微生物濃度,mg微生物/ L;dXu =-dX將上式兩邊各除以X,得dS=Y d- -bXdX式中： H是微生物的比增長(zhǎng)速度u;XdX3 是單位微生物在單位時(shí)間內(nèi)降解基質(zhì)的量;X厭氧處理微生物生態(tài)學(xué)在厭氧處理系統(tǒng)中，存在著種類(lèi)繁多，關(guān)系復(fù)雜的微生物區(qū)系。這些微生物相互協(xié)同共同完成一個(gè)復(fù)雜的厭氧降解反應(yīng)過(guò)程，總的來(lái)說(shuō)，這些微生物大致可以 分為兩類(lèi)：產(chǎn)甲烷菌、不產(chǎn)甲烷菌。不產(chǎn)甲烷菌不產(chǎn)甲烷菌（發(fā)酵細(xì)菌、產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸細(xì)菌和同型產(chǎn)乙酸菌）在厭氧消化

15、過(guò) 程中也起著非常重要的作用。一、發(fā)酵細(xì)菌發(fā)酵細(xì)菌是一個(gè)混合細(xì)菌群，主要由專(zhuān)性厭氧細(xì)菌組成。這類(lèi)微生物能夠 在厭氧條件下將不溶性大分子有機(jī)物水解為可溶性小分子物質(zhì)，并利用這些小分子物質(zhì)生成各種酸、H2和C02。二、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸細(xì)菌產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌能夠?qū)⑺猱a(chǎn)物轉(zhuǎn)化為C02、02以及乙酸。水解酸化過(guò)程中的產(chǎn)物部分能夠直接被甲烷菌利用，部分不能被甲烷菌利用，這時(shí)產(chǎn)氧產(chǎn)乙酸菌就在整個(gè)厭氧消化過(guò)程中發(fā)揮極為的重要。產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌能將各種VFA降解成為乙酸并放出H2。三、同型產(chǎn)乙酸細(xì)菌同型產(chǎn)乙酸菌是混合營(yíng)養(yǎng)性厭氧細(xì)菌，不僅能利用有機(jī)基質(zhì)產(chǎn)生乙酸，也能利 用H2和C02產(chǎn)生乙酸。因?yàn)橥彤a(chǎn)乙酸細(xì)菌可以利用氫氣而降

16、低氫氣分壓 ，所 以對(duì)產(chǎn)氫氣的發(fā)酵性細(xì)菌有利，同時(shí)對(duì)利用乙酸的產(chǎn)甲燒菌也有利。產(chǎn)甲烷菌為了避免產(chǎn)甲烷菌與另一類(lèi)氧化好氧細(xì)菌相混淆，1974年Bryant提出產(chǎn)甲烷菌這一名詞。產(chǎn)甲烷菌有多種形態(tài)，大致可分為桿狀、球狀、螺旋狀和八疊 狀等四類(lèi)形態(tài)。螺旋狀產(chǎn)甲烷菌目前僅發(fā)現(xiàn)一種。由于產(chǎn)甲烷菌是生存于極端 厭氧的環(huán)境中和其對(duì)氧高度敏感的特性，使其成為難于研究的細(xì)菌之一。因此到 20世紀(jì)70年代分類(lèi)學(xué)家才以菌體細(xì)胞的形態(tài)學(xué)特征，再輔以某些生理學(xué)形狀和 對(duì)各種基質(zhì)的利用能力來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。隨著電鏡的使用和現(xiàn)代生化技術(shù)的發(fā)展，逐步進(jìn)入依據(jù)細(xì)胞學(xué)水平和分子水平的差異來(lái)進(jìn)行分類(lèi)。1956年，巴克將甲烷菌歸納成1個(gè)科

17、和4個(gè)屬，共8個(gè)種。1974年在伯捷氏細(xì)菌鑒定手冊(cè)的第八 版中，布賴(lài)恩特扔根據(jù)巴克的意見(jiàn)把產(chǎn)甲烷菌列為1個(gè)產(chǎn)甲烷菌科，下分為甲烷桿菌屬（5個(gè)種）、甲烷八疊球菌屬（2個(gè)種）和甲烷球菌屬（2個(gè)種），共9個(gè)種。到 1991年為止，共分離到產(chǎn)甲烷菌65個(gè)種。產(chǎn)甲烷菌是一個(gè)特殊的專(zhuān)門(mén)的生理群，具有特殊的細(xì)胞成分和產(chǎn)能代謝功能 是一群形態(tài)多樣，可代謝氫、二氧化碳及少數(shù)幾種簡(jiǎn)單有機(jī)物生成甲烷的嚴(yán)格厭 氧的古細(xì)菌。不產(chǎn)甲烷菌和產(chǎn)甲烷菌之間的相互關(guān)系在厭氧處理系統(tǒng)中，微生物的種類(lèi)很多、關(guān)系也很復(fù)雜。甲烷的產(chǎn)生是各 種微生物相互平衡、協(xié)同作用的結(jié)果。不產(chǎn)甲烷菌依賴(lài)產(chǎn)甲烷菌，同時(shí)，產(chǎn)甲烷菌也依賴(lài)不產(chǎn)甲烷菌，它們之間

18、相互依存又相互制約，在厭氧生物處理系統(tǒng)中它們是 同時(shí)存在的。(1)不產(chǎn)甲烷細(xì)菌為產(chǎn)甲烷菌提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。發(fā)酵細(xì)菌可以把高分子的碳水 化合物、脂肪、蛋白質(zhì)等進(jìn)行發(fā)酵，生成H2、C02、氨、及各種酸等，為產(chǎn)甲烷細(xì) 菌提供碳源和氮源。(2)不產(chǎn)甲烷細(xì)菌創(chuàng)造了適宜的氧化還原電位。消化液、進(jìn)料時(shí)都會(huì)使氧氣 混入，這些氧會(huì)抑制產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)。但是，兼性厭氧菌和兼性好氧菌能夠減少裝 置中的氧含量,0在厭氧裝置中的各種厭氧微生物對(duì)氧化還原電位的適應(yīng)性是不 同的。如果這些微生物能夠正常的生長(zhǎng)代謝，就會(huì)降低消化液中的氧化還原電位 使產(chǎn)甲烷菌能夠正常生長(zhǎng)。(3)不產(chǎn)甲烷細(xì)菌能夠消除系統(tǒng)中的有毒物質(zhì)。廢水中特別是工業(yè)廢

19、水中可 能會(huì)含有重金屬、酷、鼠等有毒物質(zhì)，不產(chǎn)甲烷菌可以分解、吸收、轉(zhuǎn)化這些有毒物質(zhì)，有的還能夠以氟化物作為碳源和能源，都能夠解除有毒物質(zhì)對(duì)產(chǎn)甲烷菌的0(4)產(chǎn)甲烷細(xì)菌能夠把不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的反饋抑制解除。不產(chǎn)甲烷菌的很多發(fā) 酵產(chǎn)物對(duì)自己本身是有抑制作用的。而產(chǎn)甲烷菌可以消耗掉這么產(chǎn)物將它們轉(zhuǎn) 化為C02和CH4,使不產(chǎn)甲烷細(xì)菌的代謝能夠正常進(jìn)行。(5)不產(chǎn)甲烷細(xì)菌和產(chǎn)甲烷細(xì)菌共同維持系統(tǒng)中的適宜pH值。在厭氧消化初期，發(fā)酵微生物在降解有機(jī)物時(shí)會(huì)產(chǎn)生酸性物質(zhì)，導(dǎo)致消化液中的pH值持續(xù)下 降。同時(shí)，氨化細(xì)菌可以分解蛋白質(zhì)產(chǎn)生氨。氨可中和消化液中的部分酸性物質(zhì) 對(duì)厭氧消化系統(tǒng)起到一定的緩沖作用。到了厭

20、氧發(fā)酵后期，產(chǎn)甲烷細(xì)菌可以將乙酸、氫和C02轉(zhuǎn)化為CH4,從而維持厭氧消化系統(tǒng)pH值的穩(wěn)定。原料預(yù)處理的研究進(jìn)展農(nóng)作物發(fā)酵原料預(yù)處理的研究農(nóng)作物制備沼氣的工藝中，通過(guò)對(duì)發(fā)酵原料的預(yù)處理，可以增加發(fā)酵過(guò)程 中的生化反應(yīng)表面積，提高產(chǎn)氣率和縮短產(chǎn)氣時(shí)間，從而提高發(fā)酵反應(yīng)器的容積利 用率。對(duì)于發(fā)酵原料的預(yù)處理，通常通過(guò)物理化學(xué)和生物等方式，提高木質(zhì)素和纖 維素的降解程度，使纖維素、半纖維素和木質(zhì)素分解，增加酶和纖維素的反應(yīng)接觸 面積,從而提高酶解的效率，以加快厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率。這方面的研究主要包括楊立19等人用NaOH對(duì)稻桿進(jìn)行預(yù)處理，研究不同濃度的NaOH、NaOH水溶液加熱預(yù)處理時(shí)間和水浴溫度對(duì)

21、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,NaOH濃度為6%時(shí)最佳，產(chǎn)量比為處理的對(duì)照組提高了 110%,水溶液加熱時(shí) 問(wèn)3h最佳，產(chǎn)氣量比對(duì)照組提高了 107.9%,水浴加熱溫度10c最佳，產(chǎn)氣量比對(duì) 照組提高115.8%。覃國(guó)棟20等對(duì)水稻稻稈進(jìn)行酸預(yù)處理，研究其對(duì)沼氣發(fā)酵的影響。實(shí)驗(yàn) 所需的水稻稻桿被切成 2cm3cm 左右，分別采用不同濃度的酸（2%、4%、6%、 8%、10%）對(duì)水稻稻稈進(jìn)行處理，預(yù)處理后的稻稈放入1L的發(fā)酵裝置中，并在20 c 的恒溫包濕箱中，用活性污泥接種進(jìn)行發(fā)酵。發(fā)酵裝置中料液總質(zhì)量為800g,發(fā)酵料液初始濃度為6%,接種物濃度為30% o實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，酸預(yù)處理可顯著

22、改善 水稻稻稈產(chǎn)沼氣的量，提高產(chǎn)氣率。楚莉莉21等用沼液對(duì)小麥稻稈進(jìn)行預(yù)處理，研究對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的 影響,實(shí)驗(yàn)在25 1 C條件下進(jìn)行。相對(duì)于未處理的小麥稻稈，預(yù)處理后小麥稻稈 的碳氮比下降2030:1 ,且產(chǎn)氣速率顯著增加，產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間提前，甲烷的平 均含量為64%71%,VS的去除率為17.1%25.7%。其中，預(yù)處理時(shí)間6d時(shí)的 產(chǎn)氣效果最好,VS產(chǎn)氣量比對(duì)照組的產(chǎn)氣量提高了 69.5%。Kouichi Izuini 22等研究食品廢棄物不同粒徑對(duì)厭氧發(fā)酵的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié) 果表明，相比于用普通破碎機(jī)進(jìn)行的破碎，用玻珠研磨機(jī)在lOOOrpni速度下進(jìn)行的破碎，可使沼氣產(chǎn)量增加28%。

23、若食物廢棄物的粒徑過(guò)小，將導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪 酸的積累，沼氣的產(chǎn)量和粒徑的增溶性也會(huì)相應(yīng)降低。S.Menardo 23等研究小麥，大麥，水稻和玉米四種秸稈，改變其粒徑和經(jīng)過(guò) 熱處理后對(duì)沼氣產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)在 40 C溫度下,四種農(nóng)作物秸稈的粒徑分別 定為5cm、2cm、0.5cm、0.2cm ;熱處理溫度設(shè)為 90 c和120 C。實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明，粒徑的改變可使沼氣產(chǎn)量增加 80%以上，對(duì)于小麥和大麥稻稈的沼氣產(chǎn)量 明顯高于預(yù)處理前，并隨著粒徑的降低而增加；稻桿和玉米桿的沼氣產(chǎn)量并沒(méi)有明 顯的高于預(yù)處理前。經(jīng)過(guò)熱處理后的玉米桿和稻桿的產(chǎn)氣量并沒(méi)明顯高于預(yù)處 理前。但對(duì)于小麥和大麥稻稈熱處理，其產(chǎn)氣

24、量明顯高于預(yù)處理前，產(chǎn)氣量增加大 約40%左右。對(duì)于小麥秸稈，不同的預(yù)處理方式都可得到更多的產(chǎn)氣量。李玉英24等用不同種類(lèi)的稻稈進(jìn)行發(fā)酵，并蹄選高效產(chǎn)酸復(fù)合菌系。實(shí) 驗(yàn)以麥稈、玉米稈為碳源，牛糞為氮源，研究不同菌群經(jīng)多代馴化后，以不同種類(lèi) 稻稈為碳源的產(chǎn)酸規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，以麥稈為發(fā)酵原料時(shí)，來(lái)自牛胃內(nèi)容物的 菌群具有高效的產(chǎn)酸能力；以玉米稈為碳源時(shí)，來(lái)自腐殖土的菌群具有高效產(chǎn)酸 能力。邊義25等用不同菌種對(duì)玉米秸稈進(jìn)行干式發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，分別采用綠稻靈、 酵素菌、石灰水、速腐劑在相同條件下對(duì)玉米稻稈進(jìn)行預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過(guò)酵素菌預(yù)處理后的原料，產(chǎn)氣率為455.7ml/g,原料的纖維素降解效果最

25、好，降解率 為56.9%。在發(fā)酵產(chǎn)氣的旺盛期，采用四種預(yù)處理后發(fā)酵時(shí)的甲烷含量都很高 經(jīng)酵素菌處理的原料的甲燒含量最高，其次為綠稻靈、速腐劑、石灰水。方文杰26等采用厭氧消化后的消化液對(duì)稻草進(jìn)行堆樞預(yù)處理，研究溫度、含水率、混合液懸浮固體及時(shí)間對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，堆樞預(yù)處理后稻草總產(chǎn)氣量比未處理提高了 3%49.5%。Bipro Ranjan Dhart 27等用超聲波和高溫對(duì)活性污泥進(jìn)行預(yù)處理，分析預(yù)處 理后厭氧發(fā)酵的經(jīng)濟(jì)性。三種高溫預(yù)處理的溫度分別為5 C、70 C、90 C,三種超聲波預(yù)處理的比能輸入分別為 1000、5000、lOOOOkJ/kgTSS 。相比未預(yù) 處理的

26、厭氧發(fā)酵，預(yù)處理后的厭氧發(fā)酵能明顯的提高揮發(fā)分固體懸浮物的降解率，其增量為29%38%,并可得到30%的沼氣增量。Kim28來(lái)自韓國(guó)污水處理廠(chǎng)的活性污泥進(jìn)行批量發(fā)酵，以研究不同預(yù)處理方 式對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的影響，包括熱預(yù)處理、化學(xué)預(yù)處理、超聲波預(yù)處理和熱化學(xué) 預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)表明，熱化學(xué)預(yù)處理對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣情況和污染物的降低均具有較好的 效果，在經(jīng)過(guò)熱化學(xué)預(yù)處理后，污泥的沼氣產(chǎn)氣量增加了 34% oAnthony Mshandete 29等研究粒徑對(duì)劍麻廢棄物厭氧發(fā)酵的影響，實(shí)驗(yàn)在 33 C條件下，粒徑為2mm100mm。實(shí)驗(yàn)表明，在劍麻粒徑為2mm的情況下，預(yù) 處理后劍麻纖維的降解程度要比未處理的增加

27、 31%70%。并且沼氣產(chǎn)量與粒徑的大小成反比，粒徑為2mm的劍麻，其產(chǎn)氣量增加了 23%,1kg揮發(fā)分固體產(chǎn) 甲燒量由未處理的0.18m 3增力口至I 0.22m 30從上述文獻(xiàn)中可以看出，生物質(zhì)發(fā)酵原料的預(yù)處理主要是通過(guò)采用酸、堿 等化學(xué)處理劑進(jìn)行預(yù)處理、加溫法預(yù)處理、微波法預(yù)處理、預(yù)發(fā)酵等不同的預(yù) 處理方法，加快發(fā)酵原料的產(chǎn)氣、提高產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量。在實(shí)際的發(fā)酵原料預(yù)處 理過(guò)程中，預(yù)處理成本是制約不同預(yù)處理方法實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵因素。發(fā)酵過(guò)程工藝參數(shù)的研究發(fā)酵過(guò)程工藝參數(shù)直接影響沼氣的質(zhì)量、沼氣產(chǎn)量和容積沼氣產(chǎn)率。在 農(nóng)作物發(fā)酵制備沼氣的系統(tǒng)中，優(yōu)化發(fā)酵過(guò)程的工藝參數(shù)，是保證農(nóng)作物發(fā)酵制備 沼

28、氣系統(tǒng)的安全、經(jīng)濟(jì)和高效運(yùn)行的主要條件。國(guó)內(nèi)外對(duì)于發(fā)酵過(guò)程工藝參數(shù) 研究的內(nèi)容是十分廣泛的，現(xiàn)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹如下：王偉30等通過(guò)玉米稻稈與雞糞混合，在不同干物質(zhì)濃度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表 明,干物質(zhì)濃度在15%時(shí)原料的分解利用率最高；在濃度為 8%30%中,干物質(zhì) 濃度含量越高，沼氣產(chǎn)量隨干物質(zhì)濃度的增加而增加，沼氣總產(chǎn)量也隨干物質(zhì)濃度 的增加而增加；但甲燒含量卻隨發(fā)酵原料的干物質(zhì)濃度的提高而減少。張望31等在稻草為發(fā)酵原料進(jìn)行中溫干式厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)濃度分別為 20%、30%、40%,實(shí)驗(yàn)表明，相對(duì)于濃度20%而言,濃度為30%的干式發(fā)酵在反應(yīng)前期經(jīng)歷了很長(zhǎng)的酸化期，產(chǎn)氣量在后期才始升高。對(duì)于半

29、纖維素，隨著濃度的升高，半纖維素的降解呈下降趨勢(shì)。在不加任何預(yù)處理措施的情況下，濃度越高, 產(chǎn)氣效果越差，微生物生長(zhǎng)活動(dòng)嚴(yán)重受制，干物質(zhì)濃度在20%時(shí)效果最好。孫麗麗32等在玉米稻桿和麥稻的中、高溫發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中得出，當(dāng)溫度從30 C升高到35 C時(shí)，單位干物質(zhì)產(chǎn)氣量提高幅度較大，溫度超過(guò)35 C時(shí)，玉米稻和 麥稻的單位產(chǎn)氣量增加幅度都不大。徐宵33等在稻稈干式厭氧發(fā)酵滲濾液回流的研究結(jié)果表明，在底物濃度低 于18%時(shí),滲濾液回流對(duì)稻桿厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣率的影響不大。當(dāng)?shù)孜餄舛忍岣叩?20%時(shí),滲濾液回流可明顯的提高稻稈厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率，其中以產(chǎn)氣趨勢(shì)下降后 再回流的方式最好。同時(shí)，對(duì)秸稈發(fā)酵前后化合物

30、組成分析表明，回流可以提高纖 維素、半纖維素的降解率。David Bolzonella 34等用活性污泥在1.3m3的攪拌反應(yīng)器中進(jìn)行中試發(fā)酵 實(shí)驗(yàn)，研究?jī)上嗵幱诓煌瑴囟认碌陌l(fā)酵規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器的性能隨著溫 度的上升而提高。COD的去除率由兩相中溫的35%增加到兩相高溫的45%。E.Maranont 35等用牛糞與食品廢棄物、污泥進(jìn)行聯(lián)合發(fā)酵，以研究發(fā)酵產(chǎn) 氣規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)增加有機(jī)負(fù)載率并縮短水力停留時(shí)間時(shí)，將會(huì)降低產(chǎn)氣量。 當(dāng)對(duì)給料混合物進(jìn)行超聲波預(yù)處理后，產(chǎn)氣量會(huì)增加，但發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣總能量小 于超聲波預(yù)處理的能耗。Prasad Kaparaju 36用稻桿釜儲(chǔ)物作為發(fā)酵原料

31、進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)。采用不同濃度的釜儲(chǔ)物進(jìn)行批量發(fā)酵，以確定其產(chǎn)氣潛力。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)物料濃度增加 到33%55%或有機(jī)負(fù)載率提高到41.2g-COD/L d時(shí)，產(chǎn)氣量降低或使整個(gè)發(fā)酵 實(shí)驗(yàn)失敗。J.Fernandez 37對(duì)城市有機(jī)固體廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，研究總固體濃 度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，反應(yīng)器在總固體質(zhì)量濃度為20%時(shí)，具有 更好的發(fā)酵性能。Hana Gannoun 38等用屠宰場(chǎng)廢水為發(fā)酵原料進(jìn)行間歇式厭氧發(fā)酵，發(fā)酵 前對(duì)廢水進(jìn)行靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的水解預(yù)處理。相比于靜態(tài)預(yù)處理 ，動(dòng)態(tài)預(yù)處理可使懸 浮物增加80%的水解性，使其更有效地轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇芪铩.J.Chae 39等研究不同的

32、發(fā)酵溫度、溫度波動(dòng)及給料負(fù)荷對(duì)豬糞厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣量和甲烷濃度的影響，實(shí)驗(yàn)所設(shè)的溫度范圍為25、30 C、35;發(fā) 酵原料的總固體質(zhì)量濃度為5%、10%、20%和40%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相對(duì)于發(fā) 酵溫度為35 C的條件，在30C狀態(tài)下的產(chǎn)氣量降低了 3%,而在25C時(shí)的產(chǎn)氣 量減少了 25% oSamantha Cristina Pinho 40等在厭氧預(yù)批式生物膜反應(yīng)器中，對(duì)部分可溶性廢水進(jìn)行處理，研究了機(jī)械攪動(dòng)對(duì)有機(jī)物降解率的影響從上述文獻(xiàn)查閱中可以看出，不同發(fā)酵原料的發(fā)酵工藝的參數(shù)變化范圍很 大，很難得到可以適用于任何發(fā)酵裝置的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的工藝參數(shù)，對(duì)于不同的發(fā)酵原 料和系統(tǒng)，需要結(jié)合具體情況

33、進(jìn)行具體的分析，進(jìn)而對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而最佳的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。影響微生物厭氧消化的主要因素溫度溫度對(duì)厭氧消化系統(tǒng)中微生物的影響是最大的，甚至系統(tǒng)溫度發(fā)生微小的改變都可能造成系統(tǒng)的癱疾。在厭氧反應(yīng)器中，厭氧微生物通過(guò)生命代謝過(guò)程來(lái)產(chǎn) 生能量以維持自身的生長(zhǎng)，同時(shí)也產(chǎn)生副產(chǎn)物甲烷厭氧發(fā)酵制備沼氣的過(guò)程中，微生物代謝活動(dòng)與溫度有著密切的關(guān)系。細(xì)菌代謝活動(dòng)在35 C38 C和50C65 C范圍內(nèi)分別有一個(gè)高峰值。40 50 是產(chǎn)沼氣高溫菌種和中溫菌種 活動(dòng)過(guò)渡的溫度區(qū)間范圍，它們?cè)谶@個(gè)溫度范圍內(nèi)都不太適應(yīng)，因而產(chǎn)氣率可能會(huì) 下降。而隨著溫度的升高，微生物的代謝越發(fā)旺盛，沼氣的產(chǎn)量也就越多

34、，當(dāng)溫度 增加到53 C55 C時(shí),高溫菌種會(huì)變得活躍，產(chǎn)沼氣的速率當(dāng)然最快；當(dāng)溫度超過(guò) 65 C時(shí),高溫菌則會(huì)被殺死，產(chǎn)沼氣的速率也會(huì)急劇的減少，直至停止產(chǎn)沼氣。厭氧微生物可分為低溫微生物、中溫微生物和高溫微生物，各類(lèi)厭氧微生物 生長(zhǎng)的溫度范圍見(jiàn)表 2-1。因此，厭氧處理工藝可以分為低溫厭氧處理工藝、中溫厭氧處理工藝和高溫厭氧處理工藝表2-1不同種類(lèi)厭氧微生物的適宜溫度范圍類(lèi)細(xì)菌種生長(zhǎng)的溫度范圍/C最適溫度/C低溫菌10-3010-20中溫菌30-403538高溫菌50-6051-53一般來(lái)說(shuō)，高溫區(qū)的微生物代謝速率要大于中溫區(qū)；而中溫區(qū)的代謝速率大于 低溫區(qū)。在大多數(shù)厭氧反應(yīng)器中，溫度每增

35、加10 c速率就增加1倍。中溫發(fā)酵 (45C48 C),與常溫相比，具有降解速度快、產(chǎn)氣率高、產(chǎn)氣性質(zhì)好等特點(diǎn)。中 溫發(fā)酵在大中型沼氣工程占有主導(dǎo)地位。高溫發(fā)酵降解快、產(chǎn)氣率高、環(huán)保效 果好，有利于無(wú)害化。與中溫發(fā)酵相比，高溫發(fā)酵在產(chǎn)氣量方面沒(méi)有明顯的優(yōu)勢(shì) 但發(fā)酵所需能耗較多。一般用于有余熱利用或需要?dú)缬泻?xì)菌的廢物處理的 工程項(xiàng)目。酸堿度(pH值)環(huán)境pH值是通過(guò)影響酶的活性來(lái)影響微生物代謝的。環(huán)境 pH值的變化 可以引起微生物細(xì)胞膜上電荷的改變，從而影響微生物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收。介質(zhì) 的pH值不僅能影響微生物的生命活動(dòng)，甚至能影響微生物的形態(tài)。pH值是氫離 子活度的負(fù)對(duì)數(shù)，微生物對(duì)pH值有

36、一個(gè)適應(yīng)的范圍，并且對(duì)pH值的波動(dòng)十分敏 感。微生物對(duì)pH值的適應(yīng)范圍隨著微生物種類(lèi)的不同而有所不同。產(chǎn)甲烷菌 的適宜范圍大致是6.67.5。氧化還原電位(ORL)體系中氧化劑和還原劑的相對(duì)強(qiáng)度稱(chēng)之為氧化還原電位，通常用Eh表示,以伏特(V)或毫伏(mV)來(lái)計(jì)量。根據(jù)Nerast的方程式，溶液體系中的氧化還原電 位可(Eh)可以表示為0 2.3RT , 氧化型Eh Eloghnf 還原型式中,R為氣體常數(shù);T為熱力學(xué)溫度(K), T=273+t (C); n為離子價(jià);f為電化 學(xué)當(dāng)量;E0為標(biāo)準(zhǔn)電極電位；Eh為待測(cè)氧化還原電位；氧化型為氧化態(tài)離子濃 度;還原型為還原態(tài)離子濃度。好氧微生物、兼性

37、微生物和厭氧微生物都呈現(xiàn)出一種趨勢(shì)，那就是在其生長(zhǎng)過(guò)程中會(huì)降低外界的氧化還原電位。這是因?yàn)楹醚跷⑸锖图嫘晕⑸镌?其生命代謝中都以氧為最終電子的受體，環(huán)境中的氧被微生物代謝消耗會(huì)導(dǎo)致使 環(huán)境中的氧化還原電位降低。基質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)比例在厭氧反應(yīng)器運(yùn)行中，一般是控制進(jìn)料的C/N的比例來(lái)滿(mǎn)足厭氧發(fā)酵微 生物的營(yíng)養(yǎng)要求的。通常情況下，含有天然有機(jī)物的廢水會(huì)在處理時(shí)不需要加入 基質(zhì)，但是在處理化工廢水時(shí)就要注意進(jìn)水中碳、氮、磷的三者比例。不論是在好氧反應(yīng)器中還是厭氧反應(yīng)反應(yīng)器中，氮與磷的比值都應(yīng)當(dāng)是5: 1。但碳與它們的比值則差異會(huì)很大。厭氧反應(yīng)需要的碳比好氧反應(yīng)需要的多?；|(zhì)微生物比(COD/VSS)厭氧

38、生物處理系統(tǒng)中的 COD/VSS對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的影響非常大，在實(shí)用 中常以有機(jī)負(fù)荷(C0D/VSS)表示其含量，單位為kg / ( kgd)。但通常情況是進(jìn)料 有機(jī)負(fù)荷大，系統(tǒng)產(chǎn)氣量則大。厭氧消化過(guò)程中產(chǎn)酸階段比產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)速 率要高得多，所以在選擇有機(jī)負(fù)荷時(shí)我們需要十分謹(jǐn)慎把握，避免揮發(fā)酸的積累。 有機(jī)負(fù)荷的絕對(duì)值在反應(yīng)的開(kāi)始階段不適合太高。抑制性物質(zhì)或毒性物質(zhì)與其他生物系統(tǒng)一樣，有毒物質(zhì)的進(jìn)入也會(huì)影響厭氧處理系統(tǒng)。由于微生物 對(duì)各種有毒物質(zhì)具有一定的適應(yīng)能力，因此，只有當(dāng)有毒物質(zhì)超過(guò)一定限度才會(huì)對(duì) 厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用，嚴(yán)重時(shí)甚至完全破壞厭氧過(guò)程。只有溶解成離子狀態(tài)的 重金屬才會(huì)對(duì)細(xì)菌

39、有毒害作用，如果重金屬離子可以與硫化物結(jié)合生成不溶物質(zhì) 則對(duì)微生物無(wú)毒害作用。因此，重金屬即使?jié)舛群芨撸缤瑫r(shí)存在著與其相應(yīng)的硫 化物，抑制作用就不會(huì)產(chǎn)生。具體情況如表 2-2所示。表2-2列出了氨濃度對(duì)微生物的影響情況影響程度氨濃度(以N記)(mg/L )有益50200無(wú)不利情況2001000抑制作用15003000有毒高于3000農(nóng)作物粒度對(duì)發(fā)酵原料進(jìn)行破碎處理，可以減小發(fā)酵原料的粒徑，增加發(fā)酵原料與厭氧 菌種的接觸面積，提高發(fā)酵過(guò)程的生化反應(yīng)速度，從而縮短產(chǎn)氣時(shí)間和提高反應(yīng) 器單位發(fā)酵容積的產(chǎn)氣率。另外，經(jīng)過(guò)破碎預(yù)處理，還可以破壞農(nóng)作物所含木質(zhì)纖 維素的細(xì)胞壁，使其有利于降解，增加降解速

40、率，縮短產(chǎn)氣時(shí)間和提高反應(yīng)器容 積產(chǎn)氣率。農(nóng)作物經(jīng)過(guò)破碎，還可以提高其堆積密度，便于農(nóng)作物的運(yùn)輸和存儲(chǔ)。 因此，在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的工程實(shí)際中，對(duì)農(nóng)作物梢稈進(jìn)行破碎處理是必不可少的預(yù)處理工序。其他因素除了對(duì)于加入物質(zhì)、控制環(huán)境等因素外，其他因素也會(huì)對(duì)厭氧微生物的生 長(zhǎng)產(chǎn)生影響。例如在反應(yīng)過(guò)程中攪拌（甚至攪拌速度不同，影響也不同）、在 反應(yīng)前對(duì)物質(zhì)進(jìn)行預(yù)處理等都會(huì)影響微生物的生長(zhǎng)情況。在反應(yīng)過(guò)程中攪拌可 以加快反應(yīng)，預(yù)處理可以提高水解過(guò)程、產(chǎn)甲烷過(guò)程的穩(wěn)定性性。除了考慮共性問(wèn)題，同時(shí)，還必須關(guān)注不同處理工藝中的特殊因素等其他影響第3章農(nóng)作物破碎原理、粒度與能耗分析為縮短發(fā)酵原料的產(chǎn)氣時(shí)間，

41、提高單位容積的產(chǎn)氣量，需要對(duì)發(fā)酵原料（蔬 菜類(lèi)農(nóng)作物）進(jìn)行預(yù)處理，如前面所述，在農(nóng)作物厭氧發(fā)酵制備沼氣的項(xiàng)目中，最 常用的預(yù)處理方式之一是進(jìn)行破碎。本章首先介紹常見(jiàn)的破碎工藝，然后通過(guò)粒度表征方法和分形模型對(duì)破碎后的粒度分布進(jìn)行表征 ，目的是為了確定粒度分布 的特征參數(shù)和粒度的分布情況，從而分析破碎不同粒徑所需要的能耗。農(nóng)作物破碎原理物料在受到外力作用時(shí)，總是沿著其最抗壓性最差處發(fā)生破裂。經(jīng)過(guò)破裂 后，物料的粒徑變小。不同的破碎方式有一個(gè)共同的特性，就是在不同形式的破碎 力的作用下，對(duì)物料進(jìn)行破碎，從而達(dá)到減小物料粒徑，增大比表面積的目的，從而 使物料在厭氧發(fā)酵制備沼氣的過(guò)程中，可以加速物料的

42、生化反應(yīng)。農(nóng)作物的破碎原理論述中我有查閱有關(guān)文獻(xiàn)，由于研究的是蔬菜類(lèi)農(nóng)作物（黃瓜藤），結(jié) 構(gòu)和秸稈類(lèi)似，所以以秸稈來(lái)說(shuō)明農(nóng)作物的破碎原理，農(nóng)作物秸稈的結(jié)構(gòu)由木 質(zhì)素、纖維素、半纖維素、果膠和蠟質(zhì)等化合物組成。由于農(nóng)作物秸稈的木質(zhì) 素很難通過(guò)微生物來(lái)進(jìn)行降解，因而農(nóng)作物秸稈的原料的厭氧發(fā)酵，其降解率一般 取決于纖維素和半纖維素被木質(zhì)素包裹的程度。當(dāng)木質(zhì)素完全包裹在纖維素和 半纖維素表面時(shí)，微生物難以接觸纖維素和半纖維素，使其降解速率十分緩慢。 秸稈表面的一層蠟質(zhì)，也不易被厭氧微生物所分解。所以從中可以發(fā)現(xiàn)秸稈不經(jīng) 過(guò)預(yù)處理進(jìn)行發(fā)酵，就會(huì)不能有效降解。因此，要求對(duì)木質(zhì)素和蠟質(zhì)進(jìn)行破碎處理 使纖維素

43、與有機(jī)微生物的接觸表面積增大，加快原料的分解。秸稈的破碎過(guò)程破 壞了秸稈表面的蠟質(zhì)層，同時(shí)增加原料與料液接觸面積。工程實(shí)用中對(duì)秸稈進(jìn)行 破碎，主要是通過(guò)機(jī)械的方式對(duì)秸稈進(jìn)行破碎，從而達(dá)到增加接觸表面積的目的。常見(jiàn)的破碎工藝常見(jiàn)的破碎工藝主要有：閉路破碎工藝、開(kāi)路破碎工藝、半路破碎工藝17(1)閉路破碎工藝中，原料在破碎機(jī)內(nèi)完成破碎。在破碎機(jī)下方安裝有蹄板 或蹄條，符合粒度要求的物料才能從篩板或蹄條中排出。該工藝一般由鄂式破碎 機(jī)和錘式破碎機(jī)組合而成，實(shí)現(xiàn)粗破碎與細(xì)破碎的組合破碎工藝，該工藝較適宜對(duì) 硬度較軟的物料進(jìn)行破碎。(2)開(kāi)路破碎工藝中，破碎機(jī)下方不安裝蹄板或蹄條，物料可以直接從破碎機(jī)

44、底部排出，破碎后的物料經(jīng)過(guò)篩分工序，才能滿(mǎn)足所需的粒度要求，該工藝中需加 蹄分設(shè)備。此工藝一般由鄂式破碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、振動(dòng)蹄組合而成，組合成粗破碎、細(xì)破碎和蹄分的破碎工藝。相對(duì)于閉路破碎工藝而言，開(kāi)路生產(chǎn)的破碎工藝降低了破碎機(jī)的設(shè)計(jì)難度，且具有較高的產(chǎn)量；所需的功率也相對(duì)較低；對(duì)于原 料含水率要求，可略高于閉路破碎工藝。對(duì)于破碎密度小 ，質(zhì)量輕的物料，易形成 無(wú)數(shù)小顆粒和大量粉塵。而且對(duì)小粒徑物料的再破碎難度很大，物料在蹄網(wǎng)上過(guò)多的返料，降低了破碎效率，增加了功率的消耗。(3)半開(kāi)路破碎工藝中，是閉路、開(kāi)路生產(chǎn)破碎工藝的優(yōu)化組合 ，在本破碎工 藝中，在排料區(qū)域設(shè)置一段蹄條，形成部分閉路生產(chǎn)的

45、效果。該工藝也是由鄂式破 碎機(jī)、錘式破碎機(jī)、振動(dòng)蹄組合而成，形成粗破碎、細(xì)破碎和篩分的工藝組合。 半路破碎工藝不僅采用了開(kāi)路工藝直接排料方式，又兼顧了閉路工藝蹄分排料的設(shè)置，具有路破碎工藝和閉路破碎工藝兩者的優(yōu)點(diǎn)，此種工藝實(shí)際應(yīng)用最為廣泛。常見(jiàn)的農(nóng)作物破碎方式對(duì)于農(nóng)作物的破碎，由于其質(zhì)地較軟，并對(duì)破碎后的粒度有一定的要求，因此常選擇閉路式破碎工藝，這樣既簡(jiǎn)化了破碎工藝，又不會(huì)因?yàn)槠扑槎a(chǎn)生大量小顆 粒和灰塵。在選取破碎工藝的同時(shí)，也應(yīng)考慮對(duì)農(nóng)作物的破碎方式。由于農(nóng)作物 具有粗度大、密度低、硬度小等特點(diǎn)，因此要選用適合農(nóng)作物秸稈特點(diǎn)的破碎方 式。對(duì)于秸稈的破碎，主要是借助機(jī)械力的作用，對(duì)秸稈進(jìn)行剪切和磨碎，從而減 小秸稈的粒度。實(shí)際上，能夠?qū)崿F(xiàn)剪切和磨碎的秸稈破碎方式有如下幾種41：(1)劈碎，利用尖齒楔入物料的勢(shì)力，使物料破碎，其特點(diǎn)是力的作用范圍較為 集中,可以發(fā)生局部破裂。(2)磨削，在兩個(gè)平面及不同形狀的研磨面中對(duì)物料進(jìn)行磨削，剪切后被磨削成為很細(xì)的微粒。(3)沖擊,沖擊力是瞬間作用在物料上，同時(shí)沖擊力可以是動(dòng)擠壓、動(dòng)剪切、動(dòng)拉伸、動(dòng)彎曲等作用。沖擊力