黄贮玉米秸秆在全混流、竖向推流、折流板竖向推流反应器中的厌氧发酵特性
江皓1，吴凡1，于蕾1，钱名宇2，
周红军1，李叶青1
（1中国石油大学(北京)新能源与材料学院，生物燃气高值利用北京市重点实验室，北京；2德国国际合作机构，北京）
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DOI：10./j.issn.-.-
引用本文：江皓,吴凡,于蕾,等.黄贮玉米秸秆在全混流、竖向推流、折流板竖向推流反应器中的厌氧发酵特性[J].化工进展,,39(8):-.
摘要
为提高厌氧发酵的效率和秸秆利用率，将玉米干秸秆经过物理生物联合预处理形成黄贮玉米秸秆。本研究通过实验考察了黄贮玉米秸秆在竖向推流反应器（verticalplugflow，VPF）、全混流反应器（continuousstirredtankreactor，CSTR）和由本文作者课题组首创的折流板竖向推流反应器（baffledverticalplugflow，BVPF）中的厌氧发酵产气性能。结果表明，VPF反应器在有机负荷率（organicloadingrate，OLR）为0.5gVS/(L·d)时运行良好，但提高OLR会出现出料困难的问题。CSTR有搅拌装置，所以反应器能够快速达到产气平衡。在OLR为1gVS/(L·d)时，BVPF达到稳定所需时间比CSTR多7天，但最终趋于稳定时CSTR和BVPF反应器的单位挥发性固体（volatilesolid，VS）的日产气量分别为.9mL和.4mL。在OLR为2gVS/(L·d)时，BVPF达到稳定所需时间仅比CSTR多2天，稳定时CSTR和BVPF反应器的单位VS日产气量分别为.3mL和.9mL。此外，3种反应器在运行阶段，pH和VFA/TIC值都能维持稳定。在提高OLR后，BVPF和CSTR能够达到新的平衡状态。本实验结果表明VPF反应器只能用于低OLR的情况；CSTR达到稳定状态所需的时间较短，但CSTR和BVPF在稳定运行时的产气效率基本持平。由于BVPF的耗能量、耗水量低，因此该类反应器有良好的商业应用前景。
图表摘要
表1 玉米干秸秆、黄贮玉米秸秆及接种物的性质
图1 3种反应器的结构示意图
表2 3种反应器的进料情况
图2 3个反应器日产沼气量和甲烷含量随时间的变化
图3 在OLR为1gVS/(L·d)和2gVS/(L·d)时两种反应器单位VS的日产甲烷量随时间的变化
图4 沼液的VFA/TIC和pH随时间的变化
结论
以黄贮玉米秸秆为原料在CSTR、VPF以及BVPF反应器中进行厌氧发酵，通过产气情况和沼液性质考察黄贮玉米秸秆在3种反应器中的发酵性能。在VPF反应器中，连续加入黄贮玉米秸秆，可以在OLR为0.5gVS/(L·d)时稳定运行。但由于反应器出料口位于底部并且无搅拌装置，秸秆易浮于沼液上方，不能充分和沼液混合，难以出料，较大程度地影响了反应器的性能。在BVPF反应器中，中部设置了筒状折流板，使出料口位于反应器上部，VPF反应器中出料困难的问题得到有效解决。从产气来看，在OLR为1gVS/(L·d)和2gVS/(L·d)时，CSTR反应器达到稳定所需的时间要少于BVPF反应器，在启动阶段，CSTR的单位VS日产甲烷量略高于BVPF。随着反应时间增加，BVPF和CSTR两种反应器在稳定阶段的单位体积产气效率相当。从沼液性质来看，虽然OLR提高时会使体系内平衡被打破，但CSTR和BVPF两种反应器都能很快达到平衡状态，都未出现抑制现象。综上所述，VPF反应器不适用于处理OLR较高的玉米秸秆发酵，改进后的BVPF反应器解决了VPF反应器的出料困难问题而且结构较为简单，不需要动力装置，因此BVPF反应器在处理黄贮玉米秸秆发酵中有较好的应用前景。之后的研究可以适当提高反应器的OLR并且考察CSTR和BVPF反应器在更长操作时间内的稳定性，为BVPF反应器的商业化发展提供依据和技术支持。
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