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不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响

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山西农业科学2016,44(12):1822—1826 doi:10.3969 ̄.issn.1002-2481.2016.12.21 Journal of Shanxi Agricultural Sciences 不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响 朱教宁,李永平,张晓晨 (山西省农业科学院现代农业研究中心,山西太原030031) 摘 要:以牛粪与番茄秸秆混合物为发酵原料,7 d为一个进出料周期,进行不同进料量100,120,140,160 g/L混 合物料的中温(35±1)℃厌氧发酵产气试验,以考察进料量对农业废弃物半连续式厌氧发酵产气情况及消化稳定 性的影响。结果表明,进料量为140 g/IJ时,甲烷平均含量相对较高,达49.06%,且其波动幅度较小;容积甲烷产率 较高,达0.141 U(L・d),较进料量为100,120,160g几处理分别高出131.15%,13.71%,2.17%。从料液pH值、VFA、碱 度等系列指标可以得出,进料量为100,120,140 g『L时,系统均能稳定运行;当进料量提高到160 关键词:农业废弃物;进料量;半连续式厌氧发酵;产气性能 中图分类号:¥216.4 文献标识码:A 文章编号:1002—2481(2016)12—1822—05 时,系统酸累 积现象明显,开始趋于不稳定。因此,从甲烷产量和系统的稳定性综合考虑,140 g/L为适宜的推荐进料量。 Effects of Diferent Feeding Rate on Biogas Production by Semi-continues Anaerobic Fermentation of Agriculture Waste ZHU Jiaoning,LI Yongping,ZHANG Xiaochen (Research Center of Modem Agriculture,Shanxi Academy of Agricultural Sciences,Taiyuan 03003 1,China) Abs tract:To investigate effects of feeding rate Oil biogas production and digestion stability of agriculture waste anaerobic fermentation,experiments with diferent feeding rate(100,120,140,160 g/L every seven days)by semi-continues anaerobic fermentation at mesophilie temperature(35±1) of COW manure and watermelon straw were carried for seven times of digestion materials feeding. The results showed that higher and smaller lfuetuant methane content(49.06%)was achieved when feeding rate was l 40玑,and it had a highervolumemethaneproduetion(O.141 IJ(L。d))whichwas 131.15%,13.71%,2.17%,higherthan othertreatmentgroupswithfeeding rate of 100,120,160 g几,respectively.The results of pH,volatile fatty acid and alkalinity analysis demonstrated that the reactor operated stably when feeding rate was 100,120,140 g/L,but it tended unstable due to the accumulation of acid when feeding rate reached 1 60 g/L.Based on comprehensive consideration of methane produetion and digestion stability,the optimum feeding rate was 1 40 g/L. Key words:aga-iculture waste;feeding rate;semi-continues anaerobic fermentation;gas production characteristic 厌氧发酵技术已成为农业废弃物无害化处理 和资源化利用的重要途径Il_3]。从进料方式上,一般 将厌氧消化工艺分为批式、半连续式和连续式 。目 前,农村中小型沼气工程多采用半连续式发酵工 艺,然而,通常都是根据原料的来源不定期、不定量 地进料,出料也往往是根据农田用肥需要不定量出 目前,许多学者对农业废弃物半连续式进料发 酵效果进行了大量研究,罗立娜等[71研究了投配率 对牛粪连续两相厌氧发酵酸化效果的影响;王光远 等is]就进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特性的影响 进行了分析;邱艳君等 对不同配比猪粪与奶牛粪 混合半连续厌氧发酵特性进行了研究;杜静等 分 析了物料浓度对秸秆批式和半连续式厌氧发酵产 气效率的影响。然而,针对畜禽粪便与蔬菜废弃物 料[51。其中,进料量是影响半连续式厌氧发酵过程的 重要参数 ,进料量过小,反应系统中新鲜物料补充 不充分,厌氧微生物繁殖较缓,产气效率低;进料量 过高,反应系统内酸大量积累,pH值下降,产甲烷 菌代谢活动受到抑制,系统产气缓慢甚至停滞。 混合物料半连续式进料发酵效果的研究鲜见报道。 本试验通过改变进出料量,观察中温((35± 1)℃)条件下,研究不同进出料量对牛粪与番茄秸 收稿13期:2016—09—19 基金项目:山西省重点研发计划(重点)项目(2016一MN一10—05);山西省科技攻关项目(20150313003—5);山西省农业科学院攻关项目 (YGGI420);山西省农业科学院科技自主创新能力提升工程项目(2016zzcx一27) 作者简介:朱教宁(1986一),女,山西孝义人,助理研究员,硕士,主要从事农业废弃物综合利用研究工作。李永平为通信作者。 ・l822・ 朱教宁等:不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响 秆联合厌氧发酵产气情况及系统稳定性的影响,旨 口位于罐体上部,出料口安装在罐体底部,出料时 通过阀门控制。试验用35℃的水浴在罐体保温夹 层中循环流动,维持罐体内温度恒定。 1.3试验设计 在为农村废弃物厌氧发酵沼气工程运行提供理论 依据。 1 材料和方法 1.1试验原料 按照每个进料周期(7 d)单位池容进料100, 120,140,160 g,试验设置4个处理,分别计为T1. 100 g/L:T2.120 g/L;T3.140 g/L;T4.160 g/L。各处理 试验选取的农业废弃物为番茄秸秆与牛粪。其 中,番茄秸秆取自山西省农业科学院东阳基地温 室,在自然条件下风干后,粉碎成5 mm左右的颗粒 粉末,总固体含量(TS)为74.39%;牛粪为东阳镇养 牛专业户的新鲜牛粪,总固体含量(TS)为41.20%, 除去杂质后保存于4℃的冰箱中备用。接种污泥为 重复3次,取平均值用于分析。 试验包括2个阶段,即启动阶段和进出料阶 段,详细情况如图1所示。启动阶段为批式发酵反 应,各处理均添加相同的反应物料,按照牛粪与番 茄秸秆质量(,I’S)比1:3进行配比,料液浓度为 东阳基地牛粪中温发酵池中的沼液,总固体含量 (TS)为8.24%。 1.2试验装置 8%,接种物含量30%,料液总质量8 kg,静态发酵 至几乎不产气为止,以消除启动原料自身产气对进 出料发酵反应的影响。启动的目的是为了调试反应 装置,驯化厌氧消化污泥,保证进出料阶段反应底 物的一致稳定性,本研究未对此阶段进行指标测定 与结果分析。 本研究采用的试验装置为安徽省滁州蓝宇环 保设备制造有限公司生产的厌氧消化反应器。其主 体为带保温夹层的圆柱形有机玻璃发酵罐,总容积 l0 L,有效容积8 L。顶部安装自动搅拌装置,进料 50 57 64 71 78 85 92 99 发酵时间/d 图1厌氧发酵试验阶段 进出料阶段为半连续式发酵反应,各处理按照 各自进料量每7 d进行一次进出料,共进行7次进 出料。进料料液牛粪与番茄秸秆的配比及料液浓度 同启动料液一致,进料的同时排出相同质量的旧料 2结果与分析 2.1产气情况分析 2.1.1容积产气率容积产气率即单位池容产气 液,每天定时进行一次搅拌,搅拌时间为5 min,搅 拌强度为100~120 r/min。 1.4测定项目及方法 量,是厌氧发酵反应的重要性能指标,容积产气率 原料干物质量(rI’S)含量:105℃烘24 h,采用 越高,相同容积产气量就越多。 从图2可以看出,各处理容积产气率的整体变 化情况基本一致,前2个进料周期较高,第3,4个 进料周期有所降低,第5~7个进料周期又逐渐上 升;各处理每个进料周期池容产气率的变化趋势也 基本相似,即先增加后减少,峰值通常出现在进料 后第3~4天。除T2容积产气率的最大值出现在第 6进料周期外,其余处理均出现在第7个进料周期 中,峰值分别为T1 0.67 L,(L・d),T2 0.74 L/(L・d), T3 0.98 L/(L・d)和T4 1.00 L/(L・d);各处理平均容 积产气率分别为T1 0.271 L/(L・d),T2 0.284 L/(L・ d),T3 0.291 L/(L・d),T4 0.328 L/(L・d),说明适当 差重法测定;原料挥发性固体(vs)含量:550℃灼 烧4 h,采用差重法测定;料液pH值:雷磁PHS一3C 型酸度计,每日测定;料液挥发性有机酸(VFA):采 用比色法,取每次出料液进行测定【” ;料液碱度:采 用电位滴定法,取每次出料液进行测定【Il1;产气量: 采用长春汽车滤清器有限责任公司生产的LMF一1 型湿式防腐气体流量计,2 d测定一次;气体组分: 采用武汉四方光电科技有限公司生产的Gasboard一 3200L型便携式红外沼气分析仪,每2 d收集测定 一次。 增加进料量可提高容积产气率。 .1 823・ 山西农业科学2016年第44卷第12期 1.2 1.o 一、0.8 薄0.6 0A 0.2 O 92 99 发酵天数,d 图2不同进料量对容积产气率的影响 2.1-2甲烷含量甲烷是沼气中的有效成分,是衡 10.17%,18.76%;T2,T4处理甲烷含量在第3,4进 量厌氧发酵产气品质的指标,甲烷含量越高,稳定 性越好,产气品质越佳[1 ̄13]。由图3可知,整个发酵 过程中,Tl甲烷含量一直处于较低水平,平均含量 料周期中降低幅度较大,较多值落在20%以下,且 在每个进料周期中,波动都比较剧烈。 各处理平均容积产甲烷率分别为T1 0.061 L/ (L・d),T2 0.124 L/(L・d),T3 0.141 L/(L・d)和T4 仅为21.53%,产气品质较差;T2,T3,T4甲烷含量整 体变化趋势相同,前2个进料周期较高,第3,4个 进料周期有所降低,第5~7个进料周期又逐渐上 升;每个进料周期中,甲烷含量都会出现波动,大致 呈先降低后升高的趋势。各处理间差异较为明显, 其中,T3处理甲烷含量虽有波动,但波动幅度较 小,只有在第4个进料周期个别值出现了低于40% 的情况,其余均稳定在40%以上,平均含量相对较 高(49.06%),分别比T1,T2,T4高出127.87%, 0.138 L/(L・d),即T3>T4>T2>T1。尽管T4容积 产气率高于T3,但由于其甲烷含量低、波动幅度 大,最终容积产甲烷率低于T3。从甲烷含量及容积 产甲烷率的分析结果来看,并非进料量越大产气效 果越好,进料量过高反而使产甲烷过程受到一定程 度的抑制,且在进出料过程中出现了较大波动,这 在实际工程应用中会对用户用气产生较大的不利 影响『 1。 2.2 系统过程参数变化情况分析 升高。 2.2.1 pH值变化情况pH是厌氧发酵过程中的 2.2.2挥发性脂肪酸(VFA)和碱度的变化挥发 重要参数。一般发酵系统中,pH值应控制在6.5~ 7.8,此时产甲烷菌可保持较强的活性 6]。由图4 性脂肪酸(VFA)不仅是产甲烷菌不可缺少的营养 可知,整个发酵过程中,各处理pH值均保持在可控 (6.5~7.8)范围内,但进料量大的处理与其他处理 相比,出料pH值略低;反应初期,各处理pH值位 成分,同时也是沼气发酵研究中评价有机物降解工 艺条件优劣的重要参数,在甲烷形成的研究和生产 中,它的含量也是重要的参数ll 7】。由图5可知,由于 Tl的进料量较小,新生成的VFA能够迅速被甲烷 于6.5—7.8,随后逐渐降低,且进料量越大,pH值下 降幅度越大。在第5个进出料周期均达到最低,各 处理pH值在6.9—7.2,可能是由于进料量多,挥发 性脂肪酸降解不彻底所造成 ;随着挥发性脂肪 酸的不断降解,pH值在第6进出料周期后又逐渐 .菌分解利用,因此VFA值一直处于较低水平。其余 处理前3次出料的VFA含量也较低,且变化不大, 其中,T2出现了先升高后降低的趋势,峰值出现在 第6次出料中;T3,T4的VFA含量先迅速升高,后 缓慢升高,最后迅速降低,在第5~7次出料中VFA 1824. 朱教宁等:不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响 值均维持在较高的水平,表明反应系统中已出现了 酸累积现象,且进料量越大,VFA含量越高,酸累积 现象越严重。 为0.42,略大于0.4,但随着碱度的增加,VFA/碱度 值很快下降到0.4以下,系统恢复至稳定状态;T4 处理第5~7次出料料液的VFA/碱度值均处于 0.4 0.8,系统出现长时间的非稳定状态,这是由于 投入过多的新鲜物料,会加速有机物的水解酸化速 率,VFA含量增加过快,而系统的碱度有限,对过多 的VFA无法起到平衡作用,严重制约了甲烷菌的 发酵天数/d 活 1 ̄[19-20]。 魁 图5不同进料量对料液VFA的影响 碱度是指沼气发酵液结合氢离子的能力,对发 酵液产生出一定量的过酸过碱物质能起到缓冲作 用,是衡量发酵体系缓冲能力的尺度…】。有研究表 明,VFA与碱度之比<0.4,厌氧发酵系统处于稳定 状态;位于0.4~0.8,系统存在非稳定因素;>0.8, 表明系统极不稳定,不适合厌氧发酵_l81。 从图6可以看出,各处理前4次出料液的碱度 髻 》 5O 57 64 7】 78 85 92 99 发酵天数/d 迅速升高,但随着进料次数的增加,碱度的增加速 度放缓,直至第6次或第7次出料后降低。 1 l 1 图7 不同进料量对VFA/碱度的影响 3 结论与讨论 及时补充发酵物料,且适当增加进料量,可提 越 捶 高农业废弃物厌氧发酵的容积产气率。本研究结果 表明,从产甲烷的效果来看,并非进料量越大越有 利于甲烷的产生,当进料量为140 g/L时,甲烷含量 一直处于较高的水平,平均含量相对较高,容积产 甲烷率较大。 U / 64 /l 78 92 99 发酵天数/d 当进料量为100,120,140 g/L时,厌氧消化系 统能保持稳定运行;当进料量增加到160 g/L时,系 统酸累积现象明显,而碱度的缓冲能力有限,其 VFA/碱度值在较长时间内处于0.4~0.8,反应趋于 不稳定。 图6不同进料量对料液碱度的影响 图7显示,碱度的存在对VFA的升高起到了 一定的平衡作用,各处理VFA/碱度值呈现先降低 后升高最后降低的趋势。整个发酵周期内,T1,T2 处理的VFA/碱度值均小于0.4,系统始终处于稳定 状态;T3处理只有第5次出料料液的VFA/碱度值 本试验结果还表明,各处理pH值的较低水平 及挥发性脂肪酸的较高水平均出现在第5,6次进 .1 825. 山西农业科学2016年第44卷第12期 出料周期中,而容积产气率和甲烷含量的低谷则出 沼气研究【J].绿色化工,2016(1):59—6O. 现在第3,4次进出料周期内。分析原因可能是由于 [1O]杜静,陈广银,黄红英,等.秸秆批式和半连续式发酵物料浓度 第3,4次进出料周期产酸相中丙酸、丁酸含量较 对沼气产率的影响[J1.农业工程学报,2015,31(15):201—207. [11]苏有勇.沼气发酵检测技术[M].北京:冶金工业出版社,2011: 高,而丙酸、丁酸只有转化为乙酸才能被产甲烷菌 60—66. 利用[7,21 ;随着丙酸、丁酸不断转化为乙酸,到第6, [12]李金平,柏建华,李珍.不同恒温条件厌氧发酵的沼气成分研 7次进出料周期中尽管挥发性总酸含量较高,但其 究 中国沼气,2010,28(6):20—23. 乙酸含量高,能够被产甲烷菌迅速分解,因此,产气 [13]王明.生物质组成成分对厌氧发酵产甲烷的影响[D】.哈尔滨: 速率和产甲烷速率均较高。今后需对挥发性脂肪酸 东北农业大学,2015. 各成分的含量做进一步的测定与研究。 114j ZhaiNN,ZhangT,YinDX,eta1.Efleet ofinitial pH on anaerobic co-digestion of kitchen waste nad COW manureⅡ1.Waste Manage- ment,2015,38(1):126—131. 参考文献: [15]吴燕.半连续餐厨垃圾与猪粪混合厌氧消化性能及动力学研 [1]郭琚,庞会梅.畜禽养殖废弃物污染防治与资源化循环利用『JI. 究【D].成都:西南交通大学,2008. 山西农业科学,2011,39(2):149—151. [16]王远远.蔬菜废弃物沼气发酵工艺条件及沼气发酵残余物综 [2]孙永明,李国学,张夫道,等.中国农业废弃物资源化现状与发 合利用技术的研究【D].上海:上海交通大学,2008. 展战略『JJ_农业工程学报,2005,21(8):169—173. [17]Madsen M,Holm—Nielsen J B,Esbensen K H.Monitoring of [3]邱凌,卢旭珍,王玉英,等.日光温室生产废弃物厌氧发酵特性 anaerobic digestion processes:A review perspective[J].Renewable 初探fJ].巾国沼气,2005,23(2):3O一32. SustainableEnergyRev,2011,15(6):3141-3155. [4]边炳鑫,赵由才.农业固体废物的处理与综合利用[M】.北京:化 [18]Callaghan F,Wase D,Thayanithy K,et a1.Continuous CO—digestion 学工业出版社,2005:188—191. of cattle slurry with fruit and vegetable wastes and chicken manure [5]林聪.沼气技术理论与工程【M】.北京:化学工业出版社,2008: [J].Biomass Bioenergy,2002,22(1):71-77. 40-43. [19]刘荣厚,王远远,孙辰,等.蔬菜废弃物厌氧发酵制取沼气的试 [6]席江,王超,冉毅,等.发酵温度、进料浓度和水力停留时间对连 验研究『J】.农业工程学报,2008,24(4):209—213. 续式厌氧发酵效果的影响 中国沼气,2014,32(4):43—47. [20]Zhang T,Yang Y H,Liu L L,et a1.Improved biogas production [7]罗立娜,李文哲,王忠江,等.投配率对连续两相厌氧发酵酸化 from chicken manure anaerobic digestion using cereal residues as 效果的影响【J】.东北农业大学学报,2010,41(1O):1l6一l19. co—substrates[J].Energy&Fuels,2014,28(4):2490-2495. [8]王光远,李文哲,李鬻,等.进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特 [21]李红丽,曹霏霏,王岩.挥发性脂肪酸对厌氧干式发酵产甲烷 性的影响【J1_环境工程学报,2016,io(1):306—310. 的影响【J1.环境工程学报,2014,8(6):2572—2578. [9]邱艳君,张欣,梁贤军.猪粪与奶牛粪混合半连续厌氧共发酵产 (上接第1801页) 中镉生物有效性的影响研究[J】.农业环境科学学报,2012,31 [7]朱奇宏,黄道友,刘国盛,等.改良剂对镉污染酸性水稻土的修 (2):312—317. 复效应与机理研究叨.中国生态农业学报,2010,18(4):847—851. [15]中华人民共和国农业部.NY,I’8913---2004土壤有效态锌、 [8]李明德,童潜明,汤海涛,等.海泡石对镉污染土壤改良效果的 锰、铁、铜含量的测定二乙三胺五乙酸(DrrPA)浸提法[s】.北 研究lJ1.土壤肥料,2005(1):42—44. 京:中国标准出版社,2005. [9]曹心德,魏晓欣,代革联,等.土壤重金属复合污染及其化学钝 [16]王林,徐应明,孙国红,等.海泡石和磷酸盐对镉铅污染稻田土 化修复技术研究进展fJ1_环境工程学报,201 1,5(7):1441—1453. 壤的钝化修复效应与机理研究【J】.生态环境学报,2012,21 [10]赵兴杰,侯鹏程,韩旭平,等.膨润土和沸石对污染土壤有效镉 (2):314—320. 的动态影响『J1_山西农业科学,2014,42(9):981—983. 1I7]岳敏杰,史嫒嫒,蒋瑞瑞.腐熟剂对鸡粪堆肥过程中物质变化 [11]何冰,陈莉,李磊,等.石灰和泥炭处理对超积累植物东南景天 的影响『J].西北农林科技大学:自然科学版,2014,42(3): 清除土壤重金属的影响【J].安徽农业科学,2012,40(5): l52一l56. 2948-2951. [18]Shirvani M,Kalbasi M.Sorptiondesorption of cadmium in aqueous [12]Kumpiene J,Lagerkvist A,Maurice C.Stabilization of As,Cr,Cu, palygorskite,sepiolite,and calcite suspensions:Isotherm hystere— Ph and Zn in soil using amendments-A review【J】.Wast Manage, sis[J].Chemosphere,2006,65(11):2178—2184. 2008,28(1):215—225. [19]王立群,罗磊,马义兵,等.重金属污染土壤原位钝化修复研究 [13]杨继飞,郭卓杰,李涛,等.不同肥料不同作物对铅污染土壤修 进展『J1.应用生态学报,2009,20(5):1214—1222. 复及酶活性的影响【J].山两农业科学,2013,41(12): [2O]宁皎莹,和苗苗,周根娣.农田土壤固碳及其影响因子研究进 1347—1349. 展IJ】.杭州师范大学学报:自然科学版,2014,13(2):63—65. [14]丁琼,杨俊兴,华珞,等.不同钝化剂配施硫酸锌对石灰性土壤 ・1826・ 

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