棉花秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝條件的研究

王永澤　楊　立　邵明勝　張　婷　李冬生　王金華

摘要以棉花秸稈為原料，在嚴(yán)格控制厭氧發(fā)酵溫度的條件下(37±1℃)，研究不同接種物在不同接種量下的發(fā)酵產(chǎn)氣效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：以污泥或豬糞作接種物，60g/L的接種量效果較好，累積產(chǎn)氣量分別為10.252L、10.518L，COD的去除率分別為53.1％、48.5％；混合物做接種物時(shí)，接種量以45g/L產(chǎn)氣較好，累積產(chǎn)氣量為14.228L，COD的去除率為55.9％。接種量相同時(shí)，混合接種物的產(chǎn)氣效果最好，累積產(chǎn)氣量比單一接種物豬糞和魚塘污泥高7.3％～98.4％，平均日產(chǎn)氣量高3.1％～67.3％，表明適量的豬糞和魚塘污泥組成的混合接種物在棉花秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣中起著重要作用。

關(guān)鍵詞棉花秸稈；厭氧發(fā)酵；接種物；接種量

中圖分類號(hào)S216.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A文章編號(hào) 1007-5739(2009)01-0251-02

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物秸稈產(chǎn)量7億噸以上，其中2007年棉花總產(chǎn)量達(dá)672.5萬(wàn)噸，棉花秸稈量為224.1萬(wàn)噸[1]。這些秸稈如不進(jìn)行合理的處理，便會(huì)影響農(nóng)村的生態(tài)環(huán)境。目前通過產(chǎn)沼氣途徑利用農(nóng)作物秸稈來解決農(nóng)村生態(tài)環(huán)境已有很多成功報(bào)道[2]。

在秸稈類物質(zhì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝條件中，接種物和接種量是2個(gè)重要的工藝參數(shù)。一方面，不同接種物因含有不同的菌群，直接影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果，因此不同接種物及其組合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果對(duì)比一直是人們關(guān)注的內(nèi)容[3]。另一方面，適宜的接種物量有利于縮短發(fā)酵周期，增加沼氣產(chǎn)量，同時(shí)減少接種物的成本，保障經(jīng)濟(jì)效益[4]。為此，筆者利用小型厭氧發(fā)酵裝置，以好氧處理的棉花秸稈為原料，在嚴(yán)格控制發(fā)酵溫度(37±1℃)的條件下，研究了不同接種物在不同接種量下的厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果，并通過COD去除率、TS和VS降解率等反映原料利用程度的重要指標(biāo)對(duì)產(chǎn)氣效果進(jìn)行分析驗(yàn)證。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

1.1.1發(fā)酵原料。棉花秸稈，采自湖北省江夏區(qū)田間，剪短至5cm以下，再用藥物粉碎機(jī)粉碎成20～40目的粉末，65℃烘干至恒重。

1.1.2接種物。接種物豬糞采自武漢市市郊養(yǎng)豬場(chǎng)，魚塘污泥采自武漢市市郊魚塘，兩者除去其中的雜物后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行馴化及菌種的富集。豬糞的總固形物(TS)為13.86％，揮發(fā)性固形物(VS)為73.32％，pH值為7.15。魚塘污泥的總干物質(zhì)(TS)為11.74％，揮發(fā)性固形物(VS)為68.56％，pH值為7.13。豬糞和魚塘污泥的混合物的總干物質(zhì)(TS)為12.84％，揮發(fā)性固形物(VS)為72.16％，pH值為7.13。

1.1.3試驗(yàn)裝置。每套裝置由2個(gè)1L三角燒瓶(分別作為反應(yīng)器和集氣瓶)和1個(gè)量筒組成。三角燒瓶用橡皮塞封口，裝置之間用硅膠管連接，接口處用石蠟和凡士林密封。

1.2試驗(yàn)方法

1.2.1發(fā)酵液配制。魚塘污泥的接種量分別為30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負(fù)荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補(bǔ)水至1L。豬糞的接種量分別為30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負(fù)荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補(bǔ)水至1L?；旌辖臃N物的接種量分別為30 g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負(fù)荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補(bǔ)水至1L。發(fā)酵液配制好后在37℃，75％ RH的恒溫恒濕環(huán)境中好氧培養(yǎng)1周。

1.2.2分析檢測(cè)方法。①發(fā)酵液成分分析。發(fā)酵前后料液中的TS、VS含量及pH值參照文獻(xiàn)[6]方法測(cè)定。COD的含量參照GB11914-89的方法進(jìn)行。②產(chǎn)氣量的測(cè)量。采用水壓式法收集發(fā)酵產(chǎn)生的氣體，根據(jù)量筒中收集飽和食鹽水的體積計(jì)量每日產(chǎn)生氣體的體積。從進(jìn)行厭氧發(fā)酵的第1天開始，每天定時(shí)記錄各套裝置的產(chǎn)氣量。每組試驗(yàn)3次重復(fù)，測(cè)得的各試驗(yàn)指標(biāo)都是3次試驗(yàn)的平均值。

2結(jié)果與分析

2.1魚塘污泥不同接種量下產(chǎn)沼氣效果的比較

由表1可知，隨著魚塘污泥接種量的增大，反應(yīng)體系的產(chǎn)氣效果明顯提高。魚塘污泥接種量為60g/L的累積產(chǎn)氣量比30g/L和45g/L分別提高102.1％和42.4％，平均日產(chǎn)氣量比30g/L和45g/L分別提高75.8％和27.5％。利用COD去除率、TS和VS降解率等指標(biāo)對(duì)產(chǎn)氣效果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：接種量為60g/L時(shí)的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，與產(chǎn)氣效果相符。

2.2豬糞不同接種量下產(chǎn)沼氣效果的比較

由表2可知，隨著豬糞接種量的增大，反應(yīng)體系的產(chǎn)氣效果明顯提高。豬糞接種量為60g/L的累積產(chǎn)氣量比30g/L和45g/L分別提高19.1％和5.9％，平均日產(chǎn)氣量比30g/L和45g/L分別提高61.6％和23.9％。接種量為60g/L時(shí)的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，與產(chǎn)氣效果相符。

2.3混合接種物不同接種量下產(chǎn)沼氣效果的比較

由表3可知，隨著混合接種物接種量的增大，反應(yīng)體系的產(chǎn)氣效果表現(xiàn)為先增加，之后減少。混合接種物45g/L接種量的產(chǎn)氣效果明顯好于30g/L和60g/L。45g/L接種量的累積產(chǎn)氣量比30g/L和60g/L分別提高50.7％和19.2％；平均日產(chǎn)氣量比30g/L和60g/L分別提高66.3％和24.3％?；旌辖臃N在不同接種量條件下產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，這可能是由于混合接種物含有的菌群很多，而發(fā)酵體系的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)有限，當(dāng)接種物濃度由45g/L增加到60g/L時(shí)，菌群數(shù)量的進(jìn)一步增加引起菌本身的生存競(jìng)爭(zhēng)而造成相互抑制，從而在一定程度上影響了原料的利用及產(chǎn)氣效果。COD去除率和TS、VS降解率等反映原料利用的指標(biāo)也進(jìn)一步證實(shí)這種產(chǎn)氣特點(diǎn)。

2.4不同接種物之間產(chǎn)沼氣效果的比較

由圖1、圖2可知，接種量為30g/L時(shí)，混合接種物的累積產(chǎn)氣量和平均日產(chǎn)氣量(9.481L，172mL)比豬糞(8.834L，138mL)和魚塘污泥(5.072L，124mL)分別提高7.3％、24.6％和86.9％、38.7％；接種量為45g/L時(shí)，混合接種物的累積產(chǎn)氣量和平均日產(chǎn)氣量(14.288L，286mL)比豬糞(9.929L，180 mL)和魚塘污泥(7.200L，171mL)分別提高43.9％、58.9％和98.4％、67.3％；接種量為60g/L時(shí)，混合接種物的累積產(chǎn)氣量和平均日產(chǎn)氣量(11.988L，230mL)比豬糞(10.518L，223mL)和魚塘污泥(10.252L，218mL)分別提高14.0％、3.1％和16.9％、5.5％。

從結(jié)果中可看出，不管在什么水平的接種量下，混合接種物產(chǎn)氣效果都較好。這可能是因?yàn)轸~塘污泥富含水解發(fā)酵菌、產(chǎn)氫產(chǎn)酸菌及產(chǎn)甲烷菌，而豬糞自身富積水解菌、細(xì)胞外酶和產(chǎn)甲烷菌等，兩者的混合物因能提供比單一接種物更為豐富的菌群，使原料的分解利用更充分，產(chǎn)氣效果更好。

3結(jié)論與討論

本試驗(yàn)在物料濃度(9％)一定，發(fā)酵液經(jīng)好氧培養(yǎng)1周的條件下，研究了不同接種物(豬糞、魚塘污泥、豬糞和魚塘污泥的混合物)在不同接種量(30g/L、45g/L、60g/L)下的發(fā)酵產(chǎn)氣效果。

以污泥、豬糞作接種物時(shí)，在60g/L接種量時(shí)產(chǎn)氣效果最好，累積產(chǎn)氣量分別為10.252L、10.518L，平均日產(chǎn)氣量分別為218mL、223mL，COD的去除率分別為53.1％、48.5％，TS降解率分別為18.8％、21.6％，VS降解率分別為23.2％、24.3％，混合物做接種物時(shí)接種量以45g/L產(chǎn)氣效果最好，累積產(chǎn)氣量為14.228L，平均日產(chǎn)氣量為286mL，COD去除率為55.9％，TS、VS降解率分別為24.4％、28.9％。

接種量相同時(shí)，混合接種物的產(chǎn)氣效果最好，累積產(chǎn)氣量比單一接種物豬糞和魚塘污泥高7.3％～98.4％，平均日產(chǎn)氣量高3.1％～67.3％，表明適量的豬糞和魚塘污泥組成的混合接種物，對(duì)提高棉花秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣起著重要作用。

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