牛糞、羊糞及混合發(fā)酵產(chǎn)氫能力的比較研究

孫學(xué)習(xí)，高廣穎，任保增

(1.鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，鄭州450001;2.中州大學(xué) 化工食品學(xué)院，鄭州450044)

利用牲畜糞便及堆肥進(jìn)行厭氧發(fā)酵，不僅減少了廢物對(duì)環(huán)境的污染，還可以得到清潔高效的能源氫氣［1-3］。厭氧發(fā)酵的影響因素主要包括四個(gè)方面:發(fā)酵菌種的來源、底物的種類及濃度、厭氧反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)、酸堿度以及溫度等［4］，尤以底物的濃度和發(fā)酵菌種的來源對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的影響較大。大部分研究者只進(jìn)行了單一動(dòng)物糞便和活性污泥的發(fā)酵研究，進(jìn)行混合堆肥研究的報(bào)道很少。本研究用間歇實(shí)驗(yàn)方法，在37℃、初始pH 7.0和蔗糖20 g/L時(shí)，研究了預(yù)處理的牛糞和羊糞及混合菌對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氫能力的影響。

1 材料與方法

1.1 混合菌種來源

采自鄭州北郊的牛糞堆肥和新鮮羊糞，牛糞堆肥和新鮮羊糞經(jīng)過煮沸15min和強(qiáng)制曝氣2h富集產(chǎn)氫菌種，經(jīng)過濾網(wǎng)過濾取上清液作為生物產(chǎn)氫的菌種來源。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與方法

實(shí)驗(yàn)儀器:GC900型氣相色譜儀;THZ-82B型氣浴恒溫振蕩器;微波密封消解儀;6219型精密酸度計(jì)。

發(fā)酵產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)在250mL的錐形瓶中進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中所采用營養(yǎng)液組成為(g/L):NiCl2·6 H2O 0.002;K2HPO4·3 H2O 6;NaHCO330;MgCl2·6 H2O 0.080;NH4Cl 6;NaH2PO4·2H2O 6;FeSO4·7 H2O 15。在實(shí)驗(yàn)過程中，錐形瓶中根據(jù)需要分別加入100mL熱處理15min后的牛糞、牛糞堆肥和新鮮羊糞以及相應(yīng)質(zhì)量的蔗糖，然后加入10mL營養(yǎng)液，用去離子水把混合液的體積定容到200mL，接著用一定濃度的酸堿溶液把錐形瓶內(nèi)混合液的酸堿度調(diào)至中性，用純氮?dú)庠阱F形瓶內(nèi)吹脫3min，排除里面的氧氣，最后及時(shí)用橡膠塞密封，在恒溫氣浴搖床中進(jìn)行發(fā)酵培養(yǎng)，搖床轉(zhuǎn)動(dòng)速度控制在140r/min，溫度為37℃，每個(gè)實(shí)驗(yàn)取3個(gè)平行樣。

1.3 分析方法

發(fā)酵氣體成分氣利用氣相色譜測(cè)量，發(fā)酵產(chǎn)生的氣體用排水法收集，并用氣體流量計(jì)計(jì)量。氣相色譜測(cè)定的條件:Porapak Q 6英尺不銹鋼柱，利用N2作為載氣，氣體流速為20mL/min，柱內(nèi)溫度為60℃，檢測(cè)室和汽化室的溫度均控制在100℃。用氣相色譜測(cè)量發(fā)酵液相末端產(chǎn)物的濃度(FID檢測(cè)器)。測(cè)定條件:毛細(xì)管柱，30m ×0.53mm，SE-30，組成為100%甲基聚硅氧烷(膠體)，非極性，載氣為N2，流速 5.7mL/min，H2流速為 17mL/min，空氣流速為340mL/min，尾吹 10mL/min，柱溫 90℃，氣化室溫度150℃，檢測(cè)器溫度220℃。進(jìn)樣量0.1μL。用6219型精密酸度計(jì)測(cè)量發(fā)酵液pH;殘余蔗糖濃度用3，5—二硝基水楊酸比色測(cè)量［5］。產(chǎn)氫率計(jì)算公式為:

式中:φ(H2)——?dú)錃獾捏w積分?jǐn)?shù);

n(H2)——?dú)錃馕镔|(zhì)的量;

y——糖利用率;

n(底物)——底物物質(zhì)的量。

2 結(jié)果與討論

2.1 牛糞堆肥與新鮮牛糞產(chǎn)氫能力比較

牛糞堆肥及新鮮牛糞重量為1.0kg，放入容器內(nèi)加入2.5L水浸泡1d，用濾網(wǎng)過濾去除雜質(zhì)得到上清菌液。在大燒杯中加入質(zhì)量百分比為0.25%的NaOH溶液50mL，在電爐上加熱至沸騰，持續(xù)18min，然后用空氣機(jī)曝氣2h。取經(jīng)過處理的牛糞堆肥和新鮮牛糞的菌液 20mL，40mL，80mL，100mL，150mL，分別放入250mL的錐形瓶內(nèi)，然后每個(gè)瓶內(nèi)加入4g蔗糖，完全溶解后進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。加入不同量菌液后蔗糖的累計(jì)產(chǎn)氫量有較大的區(qū)別，如圖1所示，通過圖中曲線可知，隨著加入菌液量的增加，累計(jì)產(chǎn)氫量也有所增加，總體來看利用牛糞堆肥作為發(fā)酵菌源比采用新鮮牛糞的產(chǎn)氫能力要高，最大時(shí)的比產(chǎn)氫量可以達(dá)到112mL/g(蔗糖)。

圖1 牛糞堆肥與新鮮牛糞比產(chǎn)氫量的比較

2.2 新鮮羊糞發(fā)酵產(chǎn)氫潛力的研究

利用牲畜糞便產(chǎn)生沼氣的實(shí)驗(yàn)表明［6］，在厭氧發(fā)酵過程中利用豬糞作為菌源，反應(yīng)系統(tǒng)內(nèi)容易酸化，酸度增加造成產(chǎn)氣量下降，甚至有可能停止產(chǎn)氣;而采用牛糞和羊糞發(fā)生酸化可能性較小，基本上不會(huì)影響產(chǎn)氣的持續(xù)進(jìn)行。產(chǎn)氫實(shí)驗(yàn)也是盡量要避免厭氧發(fā)酵過程中酸化的發(fā)生，因此，選擇羊糞作為產(chǎn)氫微生物菌源是切實(shí)可行的。研究者利用羊糞作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫的菌源［7，8］，并取得了較好的實(shí)驗(yàn)效果。選取1.0kg的干燥羊糞，經(jīng)過破碎處理后浸泡24h，過濾后進(jìn)行加堿煮沸預(yù)處理;分別取處理后的菌液30mL，60mL，90mL，120mL 加入到 250mL 的錐形瓶內(nèi)，然后每個(gè)瓶內(nèi)加入4g蔗糖，完全溶解后進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。加入不同量菌液后系統(tǒng)的累計(jì)產(chǎn)氫量區(qū)別不大，如圖2所示，系統(tǒng)的最大比產(chǎn)氫率為121mL/g(蔗糖)。

圖2 新鮮羊糞不同菌液用量對(duì)比產(chǎn)氫量的影響

2.3 牛糞和羊糞不同質(zhì)量比混合發(fā)酵產(chǎn)氫能力的比較

在37℃、初始pH 7.0和蔗糖20 g/L時(shí)，發(fā)酵液中堆肥的液固質(zhì)量比為2.5∶1，牛糞和羊糞的總質(zhì)量為1kg，取羊糞和牛糞混合處理菌液120mL置于250mL的序批式錐形瓶中，然后每個(gè)瓶內(nèi)加入4g蔗糖，完全溶解后進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)氫。對(duì)產(chǎn)氫能力進(jìn)行比較，不同牛糞和羊糞混合比例對(duì)產(chǎn)氫力具有較大的影響，結(jié)果見表1。

表1 混合菌對(duì)產(chǎn)氫量和底物降解率的影響

不同質(zhì)量比混合發(fā)酵產(chǎn)氫能力的比較結(jié)果表明，產(chǎn)氫能力均比采用單一菌源的產(chǎn)氫能力高。牛糞與羊糞的質(zhì)量比小于0.5時(shí)產(chǎn)氫效果較好，最好條件是其比值為1∶3，此時(shí)比產(chǎn)氫率為136mL/g(蔗糖)。

3 結(jié)論

在37℃和初始pH 7.0，蔗糖底物濃度為20 g/L時(shí)，研究了不同混合菌對(duì)產(chǎn)氫能力的影響，得出以下結(jié)論。

(1)利用牛糞、牛糞堆肥及羊糞作為產(chǎn)氫菌源都取得了較好的產(chǎn)氫效果。

(2)在相同條件下，羊糞處理菌液的產(chǎn)氫能力好于牛糞堆肥處理菌液的產(chǎn)氫能力。

(3)發(fā)酵液中堆肥的液固質(zhì)量比為2.5∶1，產(chǎn)氫能力最大的為牛糞和羊糞混合發(fā)酵，其質(zhì)量比為1∶3，此時(shí)混合發(fā)酵的比產(chǎn)氫能力為136mL/g(蔗糖)。

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