牛糞水稻秸稈厭氧共發(fā)酵產(chǎn)沼氣操作參數(shù)優(yōu)化

張鈞，王月，黃培操，管賢賢，盧赫宇，孫洋洋，石利軍

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牛糞水稻秸稈厭氧共發(fā)酵產(chǎn)沼氣操作參數(shù)優(yōu)化

張鈞，王月，黃培操，管賢賢，盧赫宇，孫洋洋，石利軍通信作者

（天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384）

在牛糞中添加水稻秸稈進行厭氧共發(fā)酵產(chǎn)沼氣，考察接種量、發(fā)酵溫度、原料固體含量對發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果的影響。結(jié)果表明：厭氧發(fā)酵接種是必需的，隨著接種量增多產(chǎn)氣量增大，適宜的接種比例為10%（質(zhì)量比）；常溫、中溫（36 ℃）和高溫（55 ℃）3種溫度條件下，中高溫發(fā)酵產(chǎn)氣效果較好，中溫更適合發(fā)酵；在20%、10%、5%（質(zhì)量比）3種固體含量條件下，固體含量越大產(chǎn)氣量波動越大，10%固體含量產(chǎn)氣效果最好，發(fā)酵前30天累積產(chǎn)氣量可達4 710 mL，容積產(chǎn)氣率為0.313 m3/（m3·d）。本試驗所得的結(jié)果可為牛糞水稻秸稈厭氧共發(fā)酵的實際應(yīng)用提供參考。

牛糞；水稻秸稈；厭氧共發(fā)酵；接種量；溫度；固體含量

隨著我國種植業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的持續(xù)發(fā)展，在產(chǎn)出糧食產(chǎn)品和畜禽產(chǎn)品的同時，也會產(chǎn)生大量的作物秸稈和畜禽糞便[1]。由于生產(chǎn)和生活方式的轉(zhuǎn)變，農(nóng)村地區(qū)大量秸稈和畜禽糞便廢棄在田間地頭、溝渠河畔，造成了嚴重的環(huán)境污染。將作物秸稈和畜禽糞便進行厭氧共發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，不但可以解決環(huán)境污染問題，也可以回收利用生物質(zhì)資源[2-3]。

接種量對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果有明顯影響。一般來說接種量越大，發(fā)酵產(chǎn)沼氣效果越好；但接種量增大會提高接種成本，同時也會占據(jù)較多反應(yīng)器容積使發(fā)酵裝置容積產(chǎn)氣率降低。溫度是影響發(fā)酵性能的主要因素之一，通常發(fā)酵可以分為常溫、中溫（36 ℃）和高溫（55 ℃）發(fā)酵。在一定的溫度范圍內(nèi)，溫度越高生化反應(yīng)速度也越快，但高溫發(fā)酵能耗也較高[4]。根據(jù)固體含量的不同，發(fā)酵分為濕式發(fā)酵和干式發(fā)酵。濕式發(fā)酵固體含量一般小于10%（質(zhì)量比），原料易水解被微生物利用，因此濕式發(fā)酵啟動較快且產(chǎn)氣穩(wěn)定；干式發(fā)酵則有機負荷率相對較高，因此裝置容積較小，投資費用也較低[5]。

本研究選擇牛糞和水稻秸稈作為發(fā)酵原料，對二者厭氧共發(fā)酵的操作參數(shù)進行優(yōu)化，考察接種量、發(fā)酵溫度、原料固體含量對發(fā)酵性能和產(chǎn)沼氣效果的影響，以期找到合適的發(fā)酵工藝參數(shù)條件，為實際工業(yè)應(yīng)用提供參考資料。

1 材料和方法

1.1 發(fā)酵原料

牛糞和水稻秸稈作為發(fā)酵原料。牛糞取自天津市西青區(qū)某大型奶牛養(yǎng)殖場，已經(jīng)過風(fēng)干處理，顏色為棕褐色，試驗前將其粉碎過篩備用（粒徑小于1 mm）。水稻秸稈來源于天津農(nóng)學(xué)院寶坻區(qū)水稻試驗田，秸稈風(fēng)干后，剪為3 cm左右的小段，放入FW80型秸稈粉碎機中粉碎備用。接種污泥取自上述奶牛場污水處理裝置，經(jīng)過實驗室自行培養(yǎng)馴化，顏色為黑褐色，含水量為97.5%。牛糞、水稻秸稈和接種污泥的相關(guān)性質(zhì)如表1所示。

表1 發(fā)酵原料和接種污泥性質(zhì)

注：TS：總固體；VS：總揮發(fā)性固體；TC總炭；TN：總氮

1.2 發(fā)酵裝置

試驗裝置如圖1所示，主要由發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶、集氣管和排水管組成。發(fā)酵瓶體積為500 mL，頂部通過橡膠塞密封，橡膠塞上鉆孔插入集氣管收集產(chǎn)生的沼氣，發(fā)酵瓶上部側(cè)面設(shè)有取樣口以收集發(fā)酵滲濾液，發(fā)酵瓶通過橡膠塞密封以保證厭氧條件。產(chǎn)生的沼氣在集氣瓶中收集，同時將集氣瓶中的飽和食鹽水壓入集水瓶，沼氣的體積通過排出飽和水的體積計量。

圖1 試驗裝置圖

（注：1. 發(fā)酵瓶；2. 集氣瓶；3. 集水瓶；4. 集氣管；5. 排水管；6. 液體取樣口；7. 橡膠密封塞）

1.3 試驗方法

1.3.1 接種量對產(chǎn)氣效果的影響

發(fā)酵瓶分別加入75.0 g牛糞和25.0 g水稻秸稈，然后分別加入接種液0、50、100、150 mL，再分別加入自來水400、350、300、250 mL，混合作為發(fā)酵原料，對應(yīng)的接種比例分別為0%、10%、20%、30%（質(zhì)量比），其中0 mL作為對照組。

總而言之，在新課改的實施過程中，教師更應(yīng)注重教學(xué)方式，創(chuàng)新設(shè)計實驗，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，強化他們對所學(xué)知識的理解，提升學(xué)生的物理綜合能力，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展.

1.3.2 溫度對產(chǎn)氣效果的影響

發(fā)酵瓶中分別加入牛糞和水稻秸稈75.0 g和25.0 g，同時分別加入50 mL接種液和350.0 mL自來水。將發(fā)酵瓶置于室溫、（36±1）℃水浴和（55±1）℃水浴，形成室溫、中溫和高溫3個溫度條件。

1.3.3 固體含量對產(chǎn)氣效果的影響

將牛糞、水稻秸稈、接種污泥分別裝入發(fā)酵瓶中，牛糞和水稻秸稈的裝填比例為3:1（質(zhì)量比），使原料的C/N值在25～30之間；每個發(fā)酵瓶添加接種污泥50 mL，然后加入自來水使發(fā)酵原料的固體含量分別為20%、10%、5%（質(zhì)量比），具體物料裝填數(shù)量見表2。發(fā)酵瓶置于（36±1）℃的恒溫水浴條件下進行發(fā)酵。

表2 發(fā)酵原料裝填數(shù)量

1.4 分析指標和方法

分析指標包括沼氣產(chǎn)生量，發(fā)酵原料TC、TN、TS、VS。沼氣產(chǎn)生量采用排水法進行測定，通過每天計量排出飽和食鹽水的數(shù)量確定沼氣體積，同時記錄水浴溫度和室溫。TC采用重鉻酸鉀-稀釋熱法測定，TN采用凱式定氮法，TS、VS分別采用烘干法、灼燒法[6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同接種量對產(chǎn)氣效果的影響

不同接種量對每日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響如圖2所示。最初各組產(chǎn)氣量都較高，隨后產(chǎn)氣量逐漸下降。接種的3組第1天產(chǎn)氣量均超過900 mL，對照組產(chǎn)氣量最小，為542mL；第5天時，對照組產(chǎn)氣量下降到44 mL，后趨于穩(wěn)定，第14天時完全停止產(chǎn)氣；而接種量50、100、150 mL各組從第6天開始產(chǎn)氣量分別下降為98、67和127 mL，之后趨于平穩(wěn)。

從累積產(chǎn)氣量看，前4天對照組累積沼氣產(chǎn)量為2 046 mL，此后增幅變緩到第14天停止產(chǎn)氣。而接種量50、100、150 mL各組前6天累積產(chǎn)氣量分別為2 437、2 462、2 736 mL，此后增幅同樣變緩；接種量較大時，累積產(chǎn)氣量也相對較多。

圖2 不同接種量對日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響

厭氧發(fā)酵進行接種是必需的，原料固體含量越高，需要的接種量越大[7-8]。本試驗中，對照組14天后停止產(chǎn)氣，也說明這一點。有研究表明，隨著接種量增多，沼氣產(chǎn)量也增大[9]，這和本試驗結(jié)果一致。本試驗中接種量分別為10%、20%、30%時，沼氣累積產(chǎn)量相差不大，因此選擇10%為合適的接種比例。

2.2 不同溫度條件對產(chǎn)氣效果的影響

不同溫度下每日和累積產(chǎn)氣量如圖3所示。圖3表明，中溫和高溫組最初9 天產(chǎn)氣量較大，二者平均日產(chǎn)沼氣量分別達到319 mL和279 mL，最高日產(chǎn)氣量則為805 mL和1 491 mL；和中溫組相比，高溫組產(chǎn)氣量波動更大，9 d后二者產(chǎn)氣量下降并保持穩(wěn)定。室溫組最初幾乎不產(chǎn)氣，第14天才開始產(chǎn)氣但產(chǎn)氣量較低，此后15天平均日產(chǎn)氣量只有36 mL。這說明室溫組啟動較慢，日產(chǎn)氣量也較少。

從圖3還可以看出，室溫組累積產(chǎn)氣量較少，發(fā)酵29 d后的累積產(chǎn)氣量只有762.5 mL；中溫組、高溫組累積產(chǎn)氣量相差不多，同一時間二者沼氣累積產(chǎn)量分別為3 946.5 mL、4 030.0 mL。

根據(jù)溫度的不同，發(fā)酵分為中溫發(fā)酵和高溫發(fā)酵。通常高溫時微生物活性更高[10]，但高溫條件下牛糞中的有機氮更容易轉(zhuǎn)化為銨態(tài)氮，高濃度氨氮會對發(fā)酵微生物產(chǎn)生抑制作用[11]，這也解釋了本試驗兩種溫度下累積產(chǎn)氣量為何相差不多。由于高溫發(fā)酵需要能耗較多，因此中溫是合適的發(fā)酵溫度。

圖3 溫度對日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響

2.3 不同固體含量對產(chǎn)氣效果的影響

3種固體含量下日產(chǎn)氣量變化如圖4所示。前30天時，3種條件下日產(chǎn)氣量均較高，其中20%固體含量在第14天時達到最高日產(chǎn)氣量840 mL，10%固體含量多次出現(xiàn)日產(chǎn)氣量高于400 mL的情況；第30天日產(chǎn)氣量明顯降低，一般小于50 mL。由圖4還可以看出，20%和10%固體含量條件下日產(chǎn)氣量波動高于固體含量5%條件。其中20%固體含量日產(chǎn)沼氣量在0～840 mL之間，5%固體含量的變化范圍是0～178 mL。和相關(guān)文獻相似[12]，固體含量增大時，產(chǎn)氣量不穩(wěn)定，日產(chǎn)氣量波動范圍大。

圖4 不同固體含量對日產(chǎn)氣量和累積產(chǎn)氣量的影響

和日產(chǎn)氣量相對應(yīng)，隨著時間的增加，累積產(chǎn)氣量也增多。試驗結(jié)束時（30 d），20%、10%和5% 固體含量條件下的累積產(chǎn)氣量分別為2 625、4 710、2 402 mL，10%固體含量累積產(chǎn)氣量最多，其次為20%固體含量，5%固體含量最低。戶用沼氣池的池容產(chǎn)氣率為0.132 m3/（m3·d）[13]，本試驗20%、10%和5%固體含量的池容產(chǎn)氣率（以30 d累積產(chǎn)氣量計算）分別為0.173、0.313和0.160 m3/（m3·d），都高于戶用沼氣池。本試驗得出，發(fā)酵前30天為產(chǎn)氣高峰期，因此厭氧發(fā)酵的時間不宜超過1個月。

3 結(jié)論

（1）對于厭氧發(fā)酵進行接種是必需的，隨著接種液數(shù)量增多，產(chǎn)氣量也增大，本試驗得出適宜的接種比例為10%。

（2）溫度對干式發(fā)酵產(chǎn)氣效果影響較大，室溫幾乎不產(chǎn)氣，中、高溫產(chǎn)氣量相差不多。由于高溫氣量波動較大且能耗較高，建議實際工程中選擇中溫進行發(fā)酵。

（3）3種固體含量條件下，發(fā)酵前30天為產(chǎn)氣高峰期，固體含量增大產(chǎn)氣量波動也增大；10%的固體含量產(chǎn)氣效果最好，30 d后的累積產(chǎn)氣量達到4 710 mL，對應(yīng)的容積產(chǎn)氣率為0.313 m3/（m3·d）。

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責(zé)任編輯：宗淑萍

Operation Parameters Optimization of Anaerobic Co-digestion from Dairy Manure and Straw

ZHANG Jun, WANG Yue, HUANG Pei-cao, GUAN Xian-xian, LU He-yu, SUN Yang-yang, SHI Li-junCorresponding Author

（College of Agronomy and Resource Environment, Tianjin Agricultural University, Tianjin 300384, China）

In this article, anaerobic co-digestion of dairy manure and straw was conducted to produce biogas. Influence of several operation parameters including inoculum amount, temperature and solid content on biogas production were investigated. The result showed that incubation was necessary during anaerobic co-digestion of dairy manure and straw and appropriate inoculation proportion was about 10%（mass percent）. Mesophilic condition （36 ℃） and thermophilic condition （55 ℃） appeared higher biogas production than room temperature, and it was suggested that mesophilic condition was more appropriate. Under three solid contents of 20%, 10% and 5%（mass percent）, biogas production amount appeared larger fluctuation when solid content increased. 10% was more suitable for anaerobic digestion to produce biogas with total biogas production amount of 4 710 mL after 30 days and volumetric biogas production ratesof 0.313 m3/（m3·d）. These results could provide reference to engineering application of anaerobic co-digestion from dairy manure and straw.

dairy manure; straw; anaerobic co-digestion; inoculum amount; temperature; solid content

1008-5394（2017）01-0058-04

S216.4；X712

A

2016-09-06

天津市科技支撐計劃重點項目“規(guī)模化種養(yǎng)殖廢棄物生態(tài)循環(huán)利用技術(shù)集成與示范”（13ZCZDNC09700）；天津市大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“農(nóng)業(yè)固體廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝優(yōu)化研究”（201610061141）

張鈞（1995-），男，天津市人，本科在讀，研究方向為農(nóng)業(yè)環(huán)境保護。E-mail：958594762@qq.com。

石利軍（1970-），男，山西大同人，教授，博士，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護方面的研究。E-mail：shilj898@126.com。