不同接種量對(duì)玉米桔稈發(fā)酵的影響

陳智遠(yuǎn) 姚建剛

摘要：本試驗(yàn)以玉米秸稈作為原料，改變接種比例，在溫度38℃條件下采用批量發(fā)酵工藝進(jìn)行高濃度厭氧發(fā)酵，研究不同接種量條件下的產(chǎn)氣效果。試驗(yàn)表明：接種物與玉米秸稈TS的比例為1.10，VS的比例為0.7g時(shí)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果最佳，TS產(chǎn)氣率為412ml/g，VS產(chǎn)氣率為470ml/g。

關(guān)鍵詞：玉米秸；干發(fā)酵；接種量；產(chǎn)氣率

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物播種面積居世界第一位，每年秸稈產(chǎn)量大約有7億t，居世界前列。但大量秸稈的隨地堆棄和任意焚燒。造成了大氣污染、土壤污染、火災(zāi)事故、堵塞交通等大量社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和生態(tài)問題；而利用秸稈進(jìn)行發(fā)酵產(chǎn)沼氣，不僅從源頭上減少隨地堆棄和任意焚燒帶來的一系列問題，而且可以產(chǎn)生大量的有機(jī)生態(tài)肥——沼渣。沼渣中含有豐富的有機(jī)物和多種營(yíng)養(yǎng)元素，是良好的土壤改良劑。

干發(fā)酵是指以固體有機(jī)廢棄物為原料(總固體含量在20％～50％)，利用厭氧菌將其分解為CH₄、CO₂、H₂S等氣體的發(fā)酵工藝。與傳統(tǒng)的濕發(fā)酵相比，主要優(yōu)點(diǎn)是自身耗能低、節(jié)省成本、處理費(fèi)用低、提高容積產(chǎn)氣量，污染物排放少等。而優(yōu)質(zhì)足量的接種物是沼氣干發(fā)酵順利啟動(dòng)的重要保證，孫國(guó)朝等指出，加大接種量，是防止前期偏酸、縮短干發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)鍵措施。本文針對(duì)厭氧污泥與玉米秸的不同配比厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效果進(jìn)行了研究。

1.材料與方法

1.1材料與試驗(yàn)裝置

玉米秸取自杭州郊區(qū)某農(nóng)場(chǎng)，經(jīng)切碎后(2～3cm左右)待用。厭氧污泥則取自杭州市種豬試驗(yàn)場(chǎng)的沼氣站。原料的TS與VS見表1。厭氧裝置采用自制的1.5L發(fā)酵裝置，厭氧消化瓶產(chǎn)生氣體使排水集氣瓶中的水壓入集水計(jì)量瓶中，記錄集水計(jì)量瓶中的排水體積即產(chǎn)沼氣體積，試驗(yàn)裝置見圖1。

1.2試驗(yàn)發(fā)酵物料的配制

1.3分析項(xiàng)目及方法

TS和VS采用常規(guī)方法。pH值采用精密試紙法。每天定時(shí)測(cè)定發(fā)酵產(chǎn)氣量，即測(cè)定集水瓶中水的體積量為日產(chǎn)氣量。利用沼氣分析儀及根據(jù)沼氣燃燒的火焰顏色參照OH4含量標(biāo)準(zhǔn)卡聯(lián)合檢測(cè)CH₄濃度。

2.結(jié)果與討論

2.1發(fā)酵前后的相關(guān)測(cè)定及分析

發(fā)酵前后的TS、VS及pH值變化結(jié)果見表3。發(fā)酵前后C組的TS、VS含量下降最多(分別為26.53％，30.99％)，B組次之(分別為24.69％，28 53％)，A最小(分別為18.05％，25.19％)。發(fā)酵后的pH值較發(fā)酵前都有略微提高，各試驗(yàn)組的pH值都在微生物適應(yīng)的范圍內(nèi)波動(dòng)，厭氧發(fā)酵正常，沒有出現(xiàn)酸抑制現(xiàn)象。

2.2產(chǎn)氣量的統(tǒng)計(jì)及分析

試驗(yàn)持續(xù)90天，各組的甲烷含量逐漸升高.都在啟動(dòng)發(fā)酵的第1天迅速產(chǎn)氣，并且A、B和C組從第2天所產(chǎn)的沼氣能夠連續(xù)燃燒，火焰呈晴藍(lán)或云水藍(lán)色，參照比色卡，甲烷含量較高(55％～70％)，而空白組第1天就能連續(xù)點(diǎn)燃。

圖2是玉米秸稈厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量及累計(jì)產(chǎn)氣量的變化曲線。從中可以看出，A、B和C組都為兩波峰(一大一小)，都處于發(fā)酵前15天；第一個(gè)產(chǎn)氣高峰都在發(fā)酵的第4-6天，其中C組啟動(dòng)最快；第二個(gè)產(chǎn)氣高峰都在發(fā)酵第10-15天，并小于第一個(gè)產(chǎn)期高峰，也是C組最快達(dá)到第二個(gè)高峰。而從表3產(chǎn)氣情況可知，A、B、C和空白組發(fā)酵15天的累計(jì)產(chǎn)氣量占各組總產(chǎn)氣量的43.37％、60.94％、61.49％、59.58％，則前15天為快速產(chǎn)氣階段；A、B、C和空白組發(fā)酵30天的累計(jì)產(chǎn)氣量占各組總產(chǎn)氣量的64.53％、78.06％、76 52％、72.56％，則前30天為主要產(chǎn)氣階段；A、B、C和空白組發(fā)酵60天的累計(jì)產(chǎn)氣量占各組總產(chǎn)氣量的88 32％、92.61％、92.01％、92.27％。因此在38℃恒溫環(huán)境中，物料經(jīng)過60天的發(fā)酵，秸稈中能厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的大部分物質(zhì)得到分解消化。這表明增大厭氧污泥和玉米秸的混合比例縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間、加快產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)。

A組的總產(chǎn)氣量和凈產(chǎn)氣量最少(分別為35860ml和30476ml)，TS、VS產(chǎn)氣率也是最小的(分別為362ml/g和412ml/g)，但甲烷含量最高，可達(dá)到72.77％；B組的凈產(chǎn)氣量和TS、VS產(chǎn)氣率次之(分別為34782ml、412ml/g、470ml/g)，甲烷含量為67.38％；C組的凈產(chǎn)氣量和TS、VS產(chǎn)氣率最大(分別為35124ml、416 ml/g、475ml/g)，但甲烷含量為64.27％；這表明增大厭氧污泥和玉米秸的混合比例可以提高產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率，但甲烷含量有所降低。綜合考慮，厭氧污泥和玉米秸質(zhì)量比8:1(TS比1.10、VS比0.69)時(shí)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果最佳。

3.結(jié)論

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)定，在溫度38℃、未經(jīng)預(yù)處理批次進(jìn)料高濃度發(fā)酵的條件下，加大接種量能夠縮短厭氧發(fā)酵時(shí)間、加快產(chǎn)氣高峰的出現(xiàn)、提高產(chǎn)氣率，但接種量達(dá)到一定程度時(shí)，原料產(chǎn)氣率會(huì)到達(dá)一定極限。以厭氧污泥為接種物，玉米秸為底物，兩者TS比1.10、VS比0.69(發(fā)酵TS濃度為18.26％)時(shí)，厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果最佳，玉米秸的TS產(chǎn)氣率為41 2ml/g，VS產(chǎn)氣率為470ml/g，沼氣中甲烷平均含量為67.38％。