不同接種量對芥菜渣厭氧消化產(chǎn)氣的影響研究*

董姚君， 賀密密， 唐彬彬， 魏丹丹， 吳凱， 劉健峰，王昌梅， 趙興玲， 劉士清， 尹芳， 張無敵

(云南師范大學(xué) 云南省沼氣工程技術(shù)研究中心，云南省農(nóng)村能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明 650500)

蔬菜種植業(yè)為了提高產(chǎn)品質(zhì)量,滿足消費(fèi)者的選購需求，在田間采摘、分選、物流及販?zhǔn)鄣拳h(huán)節(jié)產(chǎn)生了大量的蔬菜廢棄物(如菜葉、菜根和菜莖等).蔬菜廢棄物有機(jī)質(zhì)和水分含量高，適用于生物技術(shù)處理，但若采用好氧發(fā)酵，需要消耗大量的能源動力，且在發(fā)酵過程中會產(chǎn)生大量滲濾液，嚴(yán)重污染環(huán)境；采用厭氧消化不僅能避免好氧發(fā)酵的上述缺點(diǎn)，而且收集發(fā)酵過程中產(chǎn)生的沼氣能產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，此外發(fā)酵結(jié)束后產(chǎn)生的沼渣還可以再次用于種植業(yè)，提升蔬菜品質(zhì)，降低植物發(fā)病率等[1].

厭氧消化過程中，溫度、揮發(fā)性有機(jī)酸、pH和氨氮濃度等都會直接影響微生物的活性和豐度，進(jìn)而影響發(fā)酵結(jié)果和發(fā)酵效率.試驗(yàn)中接種物量與原料的添加量會引起發(fā)酵液酸堿度的變化，若原料過多，則會引起發(fā)酵液酸化，不適宜產(chǎn)甲烷菌定殖擴(kuò)增，最終引起反應(yīng)體系失衡，導(dǎo)致反應(yīng)原料不能獲得有效處理，甚至產(chǎn)甲烷失敗，從而影響能源回收效率.芥菜是十字花科蕓苔屬一年生草本植物[2]，其葉片和葉柄是我國較為常見的蔬菜.試驗(yàn)探究了不同接種物量對芥菜渣厭氧消化產(chǎn)氣產(chǎn)甲烷的影響，為芥菜廢棄物的資源化利用和能源化回收提供科學(xué)依據(jù).

1 材料與方法

1.1 發(fā)酵原料與接種物

發(fā)酵原料購于昆明市吳家營菜市場，將原料切碎榨汁濾渣，留濾渣備用.經(jīng)測定，濾渣總固體含量(TS)為(6.26±0.17)%，揮發(fā)性固體含量(VS)為(52.44±1.99)%.

接種物為課題組馴化處理廢棄蔬菜2 a的厭氧活性污泥.經(jīng)測定，接種物總固體含量(TS)為(12.90±0.20)%，揮發(fā)性固體含量(VS)為(90.53±0.12)%.

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)發(fā)酵裝置為批量式厭氧消化反應(yīng)裝置.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計

設(shè)計接種物體積占總發(fā)酵液20%、35%和50%的三個實(shí)驗(yàn)組試驗(yàn)，并設(shè)計一組空白對照(只加入接種物)，每組設(shè)三個重復(fù)，發(fā)酵體積為400 mL，發(fā)酵溫度為(35±1)℃，發(fā)酵液總固體含量(TS)為4%.各組發(fā)酵液中原料量和接種物量見表1.

表1 不同處理發(fā)酵液中原料量和接種物量

發(fā)酵產(chǎn)生的氣體通過排水集氣法收集，記錄數(shù)據(jù)時通過記錄集水瓶中水的體積得到產(chǎn)氣量，在取氣口處每5 d取一次氣樣，用于分析氣體成分.試驗(yàn)結(jié)束后，測定發(fā)酵液的pH值、揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)和氨態(tài)氮濃度.

1.4 測定項(xiàng)目與數(shù)據(jù)分析

甲烷含量：氣相色譜儀(GC9790ll)；

發(fā)酵液的酸堿度(pH)：精密pH計(PHS-3C)；

揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)分析：氣相色譜儀(GC9790ll)FID；

氨態(tài)氮含量：6B-100型COD速測儀；

試驗(yàn)結(jié)束后，根據(jù)試驗(yàn)前后綜合數(shù)據(jù)來計算TS產(chǎn)氣率，反應(yīng)原料的產(chǎn)氣潛力.計算公式如下：

式中：W—原料質(zhì)量，g ；TS—原料總固體含量，%；

2 結(jié)果與分析

2.1 不同接種物量對產(chǎn)氣量的影響

2.1.1 不同接種物量對日產(chǎn)氣量的影響

試驗(yàn)總計運(yùn)行21 d，各組每日產(chǎn)氣情況如圖1所示.在整個實(shí)驗(yàn)過程中，第1天三個試驗(yàn)組都有不同量的產(chǎn)氣，但在第2天M20和M35的產(chǎn)氣量驟降為0，第2天之后，M50產(chǎn)氣量下降，在第4天達(dá)到產(chǎn)氣小高峰，然后產(chǎn)氣量逐漸下降，在第11天再次出現(xiàn)小高峰，之后產(chǎn)氣量逐漸穩(wěn)定.

M50產(chǎn)氣情況明顯優(yōu)于M20和M35；在試驗(yàn)運(yùn)行的21 d內(nèi)，M50持續(xù)產(chǎn)氣，在前11天產(chǎn)氣量都較高；說明在一定范圍內(nèi)，接種物量越高，原料的日產(chǎn)氣量越多，發(fā)酵情況越好[4].

圖1 不同接種物量的每日產(chǎn)氣量

Fig.1 Daily biogas production with different concentration of inoculants

2.1.2 不同接種物量對累積產(chǎn)氣量的影響

圖2給出了各組的累積產(chǎn)氣量.可以明顯看出，M50前6天產(chǎn)氣速率最高，之后產(chǎn)氣速率降低，在第11天出現(xiàn)拐點(diǎn)后產(chǎn)氣速率進(jìn)一步降低；原因可能是芥菜渣有機(jī)質(zhì)與水分含量高，有機(jī)質(zhì)的量在前期比較充分，所以產(chǎn)氣速率較高；而在第6-11天間產(chǎn)氣量速率降低，可能是有機(jī)質(zhì)含量高，短時間水解反應(yīng)產(chǎn)生抑制；第11天之后，由于原料與中間產(chǎn)物的消耗，產(chǎn)氣速率慢慢降低.試驗(yàn)結(jié)束后，通過減去對照組產(chǎn)氣量，得出M20累積產(chǎn)氣量為9.67 mL，M35累積產(chǎn)氣量為232.33 mL，M50累積產(chǎn)氣量為1 668.33 mL.以上表明，在一定范圍內(nèi)提高接種物量，可以增加原料的產(chǎn)氣量與產(chǎn)氣速率[5].

圖2 不同接種物量的累積產(chǎn)氣量

Fig.2 Cumulative biogas production with different concentration of inoculants

2.1.3 不同接種物量對產(chǎn)氣甲烷產(chǎn)量的影響

試驗(yàn)每5 d對每組所產(chǎn)氣體進(jìn)行測定，記錄產(chǎn)氣的甲烷含量(如圖3).由圖3可以看出，M20整個過程幾乎不產(chǎn)甲烷，M35和M50從試驗(yàn)開始，甲烷含量逐漸上升.M35可能由于前期酸化和后期原料不足，所以甲烷含量較低，而M50大約在第7天甲烷含量就達(dá)到了氣體能夠點(diǎn)燃的最低濃度50%，且在剩下的試驗(yàn)階段一直穩(wěn)定維持在50%以上，是三個試驗(yàn)組中唯一能點(diǎn)燃、可投入實(shí)際工程應(yīng)用的一組.因此，一定范圍內(nèi)，增加接種物接種量，可以促進(jìn)厭氧消化的進(jìn)程和提升反應(yīng)體系的穩(wěn)定性，增加產(chǎn)氣產(chǎn)甲烷量[6-7].

圖3 不同接種物量的甲烷含量變化情況

Fig.3 Change of methane content in different treatments with different concentration of inoculants

2.2 不同接種物量對芥菜渣TS產(chǎn)氣率的影響

計算得到M20、M35和M50的TS產(chǎn)氣論分別為1.82、65.89 mL/g和987.06 mL/g，接種物量為50%時芥菜廢棄物的發(fā)酵利用率最高，是三組中最適宜用來處理芥菜廢棄物的濃度.與葉小梅等人[8]在溫度、接種量及微量元素對水葫蘆產(chǎn)甲烷的影響研究中得出的結(jié)論一致，即在一定接種物量范圍內(nèi)，隨著接種物量的增加，有機(jī)質(zhì)的降解率也隨之上升.

2.3 試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)酵液中pH、揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)和氨態(tài)氮含量

試驗(yàn)結(jié)束后，對不同接種物量的發(fā)酵液進(jìn)行了揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)、氨態(tài)氮含量以及酸堿度進(jìn)行了測定，結(jié)果見表2.

表2 試驗(yàn)結(jié)束后發(fā)酵液的pH、VFA和氨態(tài)氮含量

由表2可看出M20和M35的VFA含量較高，它們的pH表明兩組發(fā)酵液酸化，原因可能是M20和M35原料較多，接種物量不足，導(dǎo)致VFA累積無法消耗.M50接種量多，原料少，VFA僅為339.3 mg/L.根據(jù)熊向峰等人[9]報道，pH低于6.1或高于8.3時，產(chǎn)甲烷菌可能會停止活動.M20、M35和M50試驗(yàn)結(jié)束時測定的pH分別為5.01、5.41和7.70， M50的pH值處在正常范圍，所以發(fā)酵液環(huán)境適宜產(chǎn)甲烷菌正常產(chǎn)氣.相關(guān)資料研究表明[10]，氨態(tài)氮濃度超過1 600 mg/L時，會對產(chǎn)甲烷菌產(chǎn)生抑制作用，但各試驗(yàn)組氨態(tài)氮含量最高不超過650 mg/L，所以在此試驗(yàn)中氨態(tài)氮含量對各組產(chǎn)氣不造成影響.

3 結(jié) 語

接種物量對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣有著較大的影響，從一定程度上決定了原料的產(chǎn)氣量與產(chǎn)甲烷量.若接種量不足，原料相對過多，容易使揮發(fā)性有機(jī)酸(VFA)積累，導(dǎo)致發(fā)酵液酸化，影響原料產(chǎn)氣甚至停止產(chǎn)氣.試驗(yàn)中接種物量為50%的試驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量為1 998.33 mL，最高甲烷含量為57.77%，明顯好于其他試驗(yàn)組，是試驗(yàn)中最適宜芥菜渣發(fā)酵的濃度.試驗(yàn)為芥菜渣厭氧消化提供了最佳接種物量，也為蔬菜廢棄物的資源化利用和能源化回收提供了科學(xué)依據(jù).