三種主要農(nóng)村廢棄物混合產(chǎn)沼氣試驗(yàn)研究

王艷芹+趙自超+付龍?jiān)?楊光+袁長(zhǎng)波+姚利+張柏松

摘要：隨著我國(guó)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)村廢棄物越來越多，利用其生產(chǎn)沼氣，不僅可以為人們提供清潔能源，還能大力改善農(nóng)村生活環(huán)境。本研究選取農(nóng)村三種主要廢棄物（玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾和牛糞）按照不同的質(zhì)量比（1∶0∶0、1∶2∶0、1∶1.5∶0.5、1∶1∶1、1∶0.5∶1.5、1∶0∶2）混合進(jìn)行產(chǎn)沼氣試驗(yàn)。結(jié)果表明，相比單物料和雙物料，三物料混合厭氧發(fā)酵能顯著提高產(chǎn)氣率和減少發(fā)酵周期。玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾和牛糞產(chǎn)沼氣性能最佳的配比為1∶0.5∶1.5。

關(guān)鍵詞：厭氧發(fā)酵；混合；玉米秸稈；農(nóng)村有機(jī)生活垃圾；牛糞；沼氣

中圖分類號(hào)：S216.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A文章編號(hào)：1001-4942（2017）12-0068-04

Abstract Rural wastes have increased with the development of rural economy in China. Biogas technology can not only provide clean energy， but also improve the rural living environment. In this study， three major rural wastes （maize straw， domestic organic garbage and cow manure） were anaerobically co-digested at different ratios （1∶0∶0，1∶2∶0，1∶1.5∶0.5，1∶1∶1，1∶0.5∶1.5 and 1∶0∶2， by wet weight ratio）. The results revealed that ternary mixing of feedstocks significantly increased the biogas yield and reduced the digestion time compared with binary mixing of feedstocks and single feedstock. The optimal mixing ratio of the three feedstocks was 1∶0.5∶1.5 for anaerobic co-digestion.

Keywords Naerobic digestion； Mixture； Corn straw； Rural organic waste； Cow manure； Biogas

隨著農(nóng)村居民生活水平的提高，農(nóng)村廢棄物越來越多。其中較為常見的主要有作物秸稈、畜禽糞便和有機(jī)生活垃圾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年我國(guó)這三種廢棄物產(chǎn)生量分別為：玉米秸稈約1.75億噸、畜禽養(yǎng)殖廢棄物38億噸和農(nóng)村生活垃圾3億噸；其中約26%的玉米秸稈、50%的畜禽糞便和大部分生活垃圾得不到有效處理，這不僅污染環(huán)境還浪費(fèi)資源[1-6]。因而，如何高效、合理處理這些廢棄物，是一個(gè)亟待解決的問題。

研究表明，將這些廢棄物進(jìn)行單獨(dú)或混合厭氧發(fā)酵，不僅能解決環(huán)境問題，還能產(chǎn)生清潔能源——沼氣[3，7]。為了提高原料發(fā)酵和產(chǎn)氣效率，近幾年眾多國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究焦點(diǎn)在混合物料厭氧發(fā)酵上[7]。相對(duì)于單一物料，多物料的厭氧發(fā)酵具有原料來源廣、能調(diào)節(jié)底物營(yíng)養(yǎng)、優(yōu)化發(fā)酵物碳氮比和減緩發(fā)酵物酸化等優(yōu)勢(shì)[8]。馮亞君等[9]研究發(fā)現(xiàn)，玉米秸稈與雞糞混合比例為1∶2時(shí)厭氧發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量分別高出單一玉米秸稈和單一雞糞發(fā)酵的32.6%和1.4%。張彬等[10]研究結(jié)果表明，豬糞與玉米秸稈配比為2∶1 時(shí)的累積產(chǎn)氣量最大。Wu 等[11]通過向豬糞中添加玉米秸稈、燕麥秸稈和水稻秸稈混合發(fā)酵，發(fā)現(xiàn)較豬糞單獨(dú)發(fā)酵，沼氣和CH4產(chǎn)量分別提高了11倍和16倍。

本試驗(yàn)采用玉米秸稈、農(nóng)村有機(jī)生活垃圾與牛糞進(jìn)行混合厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，探討這三種物料不同配比對(duì)產(chǎn)沼氣性能的影響，以期為農(nóng)村多種廢棄物集中處理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原料為玉米秸稈、農(nóng)村有機(jī)生活垃圾和奶牛糞便。試驗(yàn)原料理化性質(zhì)如表1所示。

玉米秸稈：取自山東省章丘市普集鎮(zhèn)，用粉碎機(jī)粉碎至3～5 mm后自然風(fēng)干；有機(jī)生活垃圾：取自章丘市普集鎮(zhèn)樂家村分類后的有機(jī)生活垃圾，主要包括蔬果廢棄物和極少量的剩飯剩菜等，用粉碎機(jī)打碎；奶牛糞便：取自山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所奶牛場(chǎng)的新鮮牛糞；接種物：取自山東省淄川區(qū)法家村正常運(yùn)行沼氣工程沼渣，該工程原料為秸稈和牛糞。

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)按照三種不同物料的配比（玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾與牛糞的濕基質(zhì)量比）共設(shè)置6個(gè)處理，見表2。每處理重復(fù)3次。設(shè)計(jì)接種率為41%（以接種污泥TS為發(fā)酵原料總TS的百分?jǐn)?shù)計(jì)）。通過加入不同量的自來水調(diào)節(jié)各處理發(fā)酵濃度為12%。添加物料后，向發(fā)酵瓶（圖1）中吹氮?dú)? min，以保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。試驗(yàn)期間，每天上午9∶00測(cè)定沼氣產(chǎn)量，每2～4 d測(cè)定沼氣成分，每3～8 d取樣測(cè)定pH值和揮發(fā)性脂肪酸。試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。

1.3 指標(biāo)測(cè)定方法

TS、VS采用烘干失重法測(cè)定[12]；pH值采用pH計(jì)（上海Bante220）測(cè)定；沼氣產(chǎn)量通過沼氣流量計(jì)（德國(guó)Ritter，TG05-5）測(cè)定；氣體成分采用氣相色譜法測(cè)定（普析GC1100）；揮發(fā)性脂肪酸濃度采用氣相色譜法測(cè)定（島津GC-2014）；TOC用TOC測(cè)定儀（德國(guó)耶拿，multi N/C 3100）測(cè)定；TKN用凱氏定氮儀（瑞士BUCHI，Kje Master k-375）測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧發(fā)酵中的pH值變化

多項(xiàng)研究表明，pH值在7左右時(shí)產(chǎn)甲烷菌比較活躍[13，14]。本試驗(yàn)各處理pH值變化如圖2所示。6個(gè)處理pH值變化呈現(xiàn)先降低后升高，然后基本趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)，T3、T4、T5和T6處理基本維持在7左右，T1和T2處理的pH值在6以下。這表明玉米秸稈單一物料發(fā)酵易酸化，這與單位TS累積產(chǎn)氣量偏低吻合，玉米秸稈與有機(jī)生活垃圾混合發(fā)酵pH值也較低，也易發(fā)生酸化。endprint

2.2 厭氧發(fā)酵過程中揮發(fā)性脂肪酸的變化

揮發(fā)性脂肪酸的積累與消耗是厭氧反應(yīng)進(jìn)程指示性參數(shù)[15]。從圖3可以看出，6個(gè)不同處理?yè)]發(fā)性脂肪酸的濃度趨勢(shì)基本一致，先升高后降低。各處理?yè)]發(fā)性脂肪酸都在厭氧發(fā)酵第2～3 d達(dá)到峰值。T1處理在第3 d達(dá)到峰值2 712 mg/L，然后急劇下降，在發(fā)酵6 d后又開始上升，第34 d升高到1 376 mg/L，可見玉米秸稈單一物料發(fā)酵易形成酸累積；T2處理的揮發(fā)性脂肪酸在發(fā)酵第3 d達(dá)到最高值2 985 mg/L，第9 d又出現(xiàn)一高峰值1 165 mg/L，這與pH值的變化有很好的符合性。其它處理的揮發(fā)性脂肪酸變化較平穩(wěn)。

2.3 產(chǎn)氣情況的變化

2.3.1 厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速率 從圖4可以看出，T3、T4和T5處理產(chǎn)氣速率較高，要高于T1、T2和T6處理的產(chǎn)氣速率。這表明相比單一物料發(fā)酵和兩種物料混合發(fā)酵，三種物料混合發(fā)酵可以提高產(chǎn)氣速率。各處理產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)的時(shí)間排序是T2>T3>T4>T5>T6>T1，這表明在玉米秸稈投加比例為1的情況下，有機(jī)生活垃圾和牛糞配比的不同影響產(chǎn)氣高峰時(shí)間，產(chǎn)氣高峰會(huì)隨著有機(jī)生活垃圾配比的升高而提前，加入有機(jī)生活垃圾可以提高發(fā)酵效率。一般認(rèn)為，產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成[16，17]。T1處理完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間為46 d，T2、T3、T4、T5、T6處理完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間分別為41、36、38、39、38 d，這表明玉米秸稈與有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵能縮短厭氧完成時(shí)間。

2.3.2 單位TS累積產(chǎn)氣量 從圖5看出，各處理變化趨勢(shì)基本一致，均為先增加后基本不變。從厭氧發(fā)酵第6 d以后，甲烷濃度基本穩(wěn)定在55%～65%之間?；旌衔锪习l(fā)酵（T2、T3、T4、T5和T6處理）的甲烷濃度高于玉米秸稈單一發(fā)酵（T1處理）。

2.3.3 沼氣累積產(chǎn)生量 從圖6可以看出，T1、T2、T3、T4、T5和T6處理單位TS累積產(chǎn)氣量（mL/g）大小順序是T5（294）>T4（279）>T3（250）>T6（216）>T2（188）>T1（157）。玉米秸稈單一物料厭氧發(fā)酵單位TS累積產(chǎn)氣量最低，僅為157 mL/g，玉米秸稈與有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈與牛糞雙物料厭氧發(fā)酵單位TS累積產(chǎn)氣量高于玉米秸稈單獨(dú)發(fā)酵，玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾和牛糞三者混合發(fā)酵單位TS累積產(chǎn)氣量高于單物料和雙物料，三者配比為1∶0.5∶1.5的處理最高，達(dá)到294 mL/g，比玉米秸稈單一物料發(fā)酵提高87.3%。

3 討論

（1）玉米秸稈具有木質(zhì)纖維含量高、容重小易漂浮、表層含有蠟質(zhì)不易降解等特點(diǎn)，如果不進(jìn)行預(yù)處理直接厭氧發(fā)酵，會(huì)造成發(fā)酵難、產(chǎn)氣效率低等問題。玉米秸稈和農(nóng)業(yè)、農(nóng)村其他有機(jī)廢棄物如牛糞、有機(jī)生活垃圾、等物料混合厭氧發(fā)酵能提高原料產(chǎn)氣率，具有較好的效果。

（2）2014年農(nóng)村大中型沼氣工程轉(zhuǎn)型升級(jí)，我國(guó)主要支持特大型沼氣工程（日產(chǎn)生物天然氣1×104 m3以上規(guī)模項(xiàng)目，厭氧消化器不低于1.67×104 m3），三種農(nóng)村廢棄物混合物料厭氧發(fā)酵主要適用于缺乏燃料的農(nóng)村建設(shè)的大中型沼氣工程，還適用于目前特大型沼氣工程，這不僅可以提供清潔能源還能改善居民生活環(huán)境，是農(nóng)村廢棄物資源化利用的有效方式。

（3）玉米秸稈作為厭氧發(fā)酵原料，建議先進(jìn)行微生物或酸堿預(yù)處理，可以提高發(fā)酵效率。

4 結(jié)論

4.1 合適的物料配比能改善原料的厭氧發(fā)酵性能，并促進(jìn)產(chǎn)氣速率及單位TS累積產(chǎn)氣率。本研究玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾和牛糞配比1∶0.5∶1.5時(shí)單位TS累積產(chǎn)氣量最高，達(dá)到294 mg/L。

4.2 玉米秸稈、有機(jī)生活垃圾和牛糞三物料混合發(fā)酵不同物料配比能影響系統(tǒng)中酸的濃度，合適的配比能防止系統(tǒng)酸化。

4.3 發(fā)酵原料的不同配比能影響厭氧發(fā)酵速率和厭氧發(fā)酵完成時(shí)間。三種農(nóng)村廢棄物玉米秸稈和有機(jī)生活垃圾、牛糞混合發(fā)酵相比玉米秸稈單一發(fā)酵厭氧可以減少發(fā)酵周期。

參 考 文 獻(xiàn)：

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