黃瓜藤厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)及結(jié)果和分析

劉金財(cái)　顧平道

【摘 要】對(duì)已有研究的沼氣工程技術(shù)、相關(guān)的基本工藝，包括厭氧降解的過程、影響反應(yīng)進(jìn)行的因素進(jìn)行總結(jié)并加以分析；選取黃瓜藤的污泥負(fù)荷率作為厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的原料，在可行性和適用性上進(jìn)行分析。

【關(guān)鍵詞】厭氧降解；污泥負(fù)荷率；厭氧發(fā)酵

0 概述

農(nóng)作物制備沼氣的工藝中，通過對(duì)發(fā)酵原料的預(yù)處理，可以增加發(fā)酵過程中的生化反應(yīng)表面積，提高產(chǎn)氣率和縮短產(chǎn)氣時(shí)間，從而提高發(fā)酵反應(yīng)器的容積利用率。對(duì)于發(fā)酵原料的預(yù)處理，通常通過物理，化學(xué)以及生物等方式，提高纖維素以及木質(zhì)素的降解程度以加速厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣率。這方面的研究主要有：

楊立[1]等人使用NaOH強(qiáng)堿性的溶液來預(yù)處理稻桿，通過研究使用不同濃度的氫氧化鈉以及氫氧化鈉水溶液加熱預(yù)處理和水浴溫度對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響。

覃國(guó)棟[2]等人對(duì)水稻桿稈化學(xué)酸預(yù)處理，研究其對(duì)沼氣發(fā)酵的影響。實(shí)驗(yàn)所需的水稻桿用切割機(jī)切成2cm～3cm大小，分別采用2%、4%、6%、8%的酸對(duì)水稻稻稈預(yù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以表明，酸預(yù)處理可明顯改善水稻稈產(chǎn)沼氣量，提升產(chǎn)氣率。

楚莉莉[3]等人利用沼渣液對(duì)小麥稻稈進(jìn)行預(yù)處理，研究其對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響，實(shí)驗(yàn)在25℃左右的條件下進(jìn)行。相對(duì)于未通過沼渣液處理的小麥稻稈，預(yù)處理后的小麥稻稈的碳氮比下降至20～30：1，甲烷的平均含量為64%～71%。

Kouichi Izuin[4]等人研究不同粒徑的食品廢棄物對(duì)厭氧消化的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于用普通破碎機(jī)進(jìn)行的破碎，用玻珠研磨機(jī)在l5OOrpni速度下進(jìn)行的破碎，可使沼氣產(chǎn)量增加28%。若食物廢棄物的粒徑過小，將導(dǎo)致?lián)]發(fā)性脂肪酸的積累，沼氣的產(chǎn)量和粒徑的增溶性也會(huì)相應(yīng)降低。

S.Menardo[5]等人研究小麥，大麥，水稻和玉米四種不同的秸稈，研究其粒徑大小和熱處理后對(duì)沼氣總產(chǎn)量的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，粒徑的大小改變，可使沼氣產(chǎn)量增加80%以上，小麥和大麥稻稈的沼氣產(chǎn)量明顯高于預(yù)處理前，并隨著粒徑的降低而增加。

從上述文獻(xiàn)中可以看出，厭氧發(fā)酵原料的預(yù)處理主要是通過釆用酸、堿等化學(xué)方法預(yù)處理、渣液預(yù)處理、加溫法預(yù)處理等不同的預(yù)處理方法，提升產(chǎn)氣率和產(chǎn)氣量。

影響農(nóng)作物蔬菜類的厭氧發(fā)酵的因素很多，主要影響的因素有溫度、酸堿度、氧化還原電位、基質(zhì)微生物比、原料的預(yù)處理方式、供料方式和攪拌方式等[1]。本文主要從黃瓜藤的鮮活度（表現(xiàn)為青枯比）和不同投配率對(duì)發(fā)酵產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率等因素的影響。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

發(fā)酵罐的容積V1=10L，有效容積V2=8L，裝置的加熱源是水浴加熱，罐體內(nèi)的始終保持在 （35±0.5）℃，反應(yīng)器是CSTR型，內(nèi)部是機(jī)械攪拌（可控制調(diào)速）。

1.2 厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用的是CSTR厭氧反應(yīng)器，污泥經(jīng)過預(yù)處理后配成TS=25%左右的基質(zhì)，取上述基質(zhì)6L放于反應(yīng)器中進(jìn)行馴化。根據(jù)實(shí)驗(yàn)具體的要求，將破碎處理后原料，按有機(jī)負(fù)荷每天定時(shí)向反應(yīng)器中加入相應(yīng)負(fù)荷質(zhì)量的原料，穩(wěn)定運(yùn)行20天。產(chǎn)氣量、pH每天測(cè)定一次，二氧化碳分析儀，甲烷分析儀每天自動(dòng)記錄甲烷氣體量數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)材料：材料為黃瓜藤，破碎后的黃瓜藤放入紅色的塑料桶并且密封封存，同時(shí)放置于陰涼處。厭氧污泥取自泰州某正在運(yùn)行的沼氣池內(nèi)，其污泥性質(zhì)為PH=7.1，TS=28%，含水率=53%。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程說明

發(fā)酵罐系統(tǒng)內(nèi)主要的工作流程：

（1）熱水：加熱器→循環(huán)泵→夾套進(jìn)水口（下）→夾套→夾套出水口（上）→加熱器

（2）沼氣：沼氣→減壓閥→干燥除濕劑→二氧化碳檢測(cè)儀→甲烷檢測(cè)儀→集氣袋

2 污泥投配率對(duì)厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)的影響

2.1 投配率實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

污泥投配率對(duì)日均產(chǎn)體氣量和微生物的活性都有較大的影響，污泥投配率如果小的話，則污泥COD小，那就不能為厭氧菌種提供充分的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，進(jìn)而影響生化反應(yīng)的進(jìn)行，即有機(jī)物的分解也就不能進(jìn)行了；同樣的，投配率過大的話，污泥COD增大，污泥內(nèi)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)大大浪費(fèi)，而且積累，這可能阻礙厭氧反應(yīng)的正常進(jìn)行。

準(zhǔn)備用投配率為5%，7%和10%進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，通過數(shù)據(jù)來驗(yàn)證投配率對(duì)厭氧反應(yīng)的影響。

在實(shí)驗(yàn)安排中，污泥投配率是按照青枯比為2：1的實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行的，投配率則是按照5%，7%和10%，發(fā)酵時(shí)間也是20d。開始每天按污泥投配率5%、7%、10%加。罐體內(nèi)的轉(zhuǎn)速恒定在20 r/min。初始反應(yīng)污泥和投配的污泥性質(zhì)是 pH=7.2，TS=27.4%，含水率為53%。

2.2 不同投配率對(duì)產(chǎn)甲烷氣體量的影響

圖1可以直觀的反映出投配率為7%時(shí)，日均產(chǎn)甲烷量所占日均氣體總量比重最高，為72%，通過查找資料[52]，原因是因?yàn)閾]發(fā)性脂肪酸的緣故。

在運(yùn)行良好的厭氧反應(yīng)器中，產(chǎn)甲烷菌分解VFA的速度和VFA的產(chǎn)速相等。所以需要控制好VFA的濃度。Vieitez[6]等指出，總VFA濃度超過13000mg/L時(shí)厭氧消化就會(huì)停止，產(chǎn)甲院菌對(duì)其耐受濃度在10000mg/L以下。

因此，投配率為7%時(shí)，對(duì)提升日均產(chǎn)氣量有比較顯著的效果，而繼續(xù)提高投配率時(shí)，效果不很很明顯，但在后續(xù)的反應(yīng)中，能持續(xù)保持較高的日均產(chǎn)氣量；同時(shí)，當(dāng)投配率為7%時(shí)，日均產(chǎn)甲烷量所占日均氣體總量是三個(gè)實(shí)驗(yàn)組中最高的，這對(duì)后續(xù)的沼氣提純是有幫助。

3 結(jié)語

本文黃瓜藤鮮活度實(shí)驗(yàn)和污泥投配率實(shí)驗(yàn)中，由于時(shí)間和本人水平有限，沒能從更微觀的角度對(duì)它進(jìn)行分析，比如可以運(yùn)用厭氧發(fā)酵動(dòng)力學(xué)中的知識(shí)對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行解釋建議運(yùn)用國(guó)外最主流的ADME[7]技術(shù)嘗試著分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊立，張婷，龔乃超.稀堿法預(yù)處理對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的（下轉(zhuǎn)第282頁）（上接第278頁）影響研究[J].安徽農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2011，39（15）：9165-9166.

[2]覃國(guó)棟，劉榮厚，孫辰.酸預(yù)處理對(duì)水稻秸稈沼氣發(fā)酵的影響[J].上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)：農(nóng)業(yè)科學(xué)版，2011，29（1）：58-61.

[3]楚莉莉，李軼冰，馮永忠.沼液預(yù)處理對(duì)小麥秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究，2011，29（1）：247-251.

[4]Kouichi Izumi， Yu-ki Okishio，Norio Nagao. Effects of particle size onanaerobic digestion of food waste [J]. International Biodeterioration &Biodegration，2010，64：601-608.

[5]S. Menardo， G. Airoldi， P. Balsari. The effect of particle size and thermal pre-treatment on the methane yield of four agricultural by-products [J].Bioresource technology，2011，104：708-714.

[6]Vieitez E R. Ghosh S. Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic fermentation[J]. Biomass and Bioenergy，1999，16（5）：299-309.

[7]馬春燕，陳晶晶，浦紹瑞，王俊，劉暢.基于ASPEN PLUS軟件的厭氧發(fā)酵過程模擬與分析[A].勤哲文化傳播（上海）有限公司.

[責(zé)任編輯：湯靜]