生物強(qiáng)化技術(shù)在車庫式干發(fā)酵中的應(yīng)用效果中試

曹 杰， 曲浩麗， 王鵬軍， 李瑞容， 李 強(qiáng)， 賀 靜 ， 陳永生， 尹小波

(1. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

項(xiàng)目來源： 農(nóng)業(yè)部可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放研究課題基金資助項(xiàng)目(2015001)； 江蘇省基礎(chǔ)研究計(jì)劃(自然科學(xué)基金)項(xiàng)目(BK20151073)； 中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)(1610012016025)

生物強(qiáng)化技術(shù)在車庫式干發(fā)酵中的應(yīng)用效果中試

曹 杰1,2， 曲浩麗1， 王鵬軍1， 李瑞容1， 李 強(qiáng)2， 賀 靜2， 陳永生1， 尹小波2

(1. 農(nóng)業(yè)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所， 南京 210014； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 成都 610041)

為闡釋微生物強(qiáng)化菌劑對厭氧干發(fā)酵的影響，該文以水稻秸稈和豬糞為發(fā)酵原料，采用新型柔性頂膜車庫式干發(fā)酵裝置，在環(huán)境溫度為26℃～35℃及發(fā)酵底物TS為20%的條件下，研究微生物強(qiáng)化作用下水稻秸稈和豬糞混合厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣特性。結(jié)果表明：微生物強(qiáng)化菌劑可以明顯縮短厭氧干發(fā)酵的啟動時(shí)間，產(chǎn)氣中甲烷含量達(dá)到30%和50%的時(shí)間比對照組分別提前了7 d和8 d。發(fā)酵周期內(nèi)，試驗(yàn)庫累積產(chǎn)氣量達(dá)1340 m3，比對照組提高了20.5%，累積甲烷產(chǎn)量亦比對照組提高了45%，增產(chǎn)效益顯著，適合推廣使用。

生物強(qiáng)化； 微生物菌劑； 干發(fā)酵； 沼氣

根據(jù)發(fā)酵底物狀態(tài)的不同，可以將生物質(zhì)厭氧發(fā)酵技術(shù)分為厭氧濕發(fā)酵技術(shù)和厭氧干發(fā)酵技術(shù)。厭氧干發(fā)酵又稱為固體厭氧發(fā)酵，反應(yīng)體系中的TS含量可以達(dá)到20%～40%[1-3]，并產(chǎn)生清潔能源和優(yōu)質(zhì)的有機(jī)肥。

不同于厭氧濕發(fā)酵，干發(fā)酵具有其特有的優(yōu)勢：1)適應(yīng)能力強(qiáng)，可以適應(yīng)各種來源的固體有機(jī)廢棄物； 2)運(yùn)行費(fèi)用低，并提高了容積處理能力； 3)節(jié)約水資源，需水量低； 4)幾乎無沼液產(chǎn)生， 沼渣含水量低， 后續(xù)處理費(fèi)用低； 5)運(yùn)行穩(wěn)定，無濕法工藝中的浮渣、沉淀等問題； 6)減少了臭氣排放，二次污染小等[4]，正逐漸成為世界各國處理有機(jī)固體廢棄物的重要選擇[5-6]。目前，歐洲每年用于處理城市垃圾的厭氧干發(fā)酵裝置的總處理能力已達(dá)57×106t，超過濕法發(fā)酵工藝處理能力48×106t。2001年至2005年期間新建沼氣發(fā)酵工程中，干發(fā)酵處理能力占總規(guī)模的41%，而2006年～2010年新建項(xiàng)目中，干發(fā)酵工藝則占據(jù)了總規(guī)模的71%。國內(nèi)從20世紀(jì)80年代對干發(fā)酵工藝進(jìn)行了大量的研究[7-10]，取得了較多的成果，但目前依然還存在啟動時(shí)間長、底物發(fā)酵不徹底、產(chǎn)氣效率低等一系列問題尚待進(jìn)一步解決。隨著生物強(qiáng)化技術(shù)在污水處理[11-14]及土壤修復(fù)[15-16]的廣泛應(yīng)用，人們考慮將此技術(shù)應(yīng)用在厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣上，嘗試能否從微觀上更好地解決厭氧發(fā)酵存在的問題。生物強(qiáng)化(Bioaugmentation)是指為提高系統(tǒng)某種能力或活性，向系統(tǒng)中投加特定功能微生物的方法[17]。目前，針對沼氣發(fā)酵存在問題的生物強(qiáng)化已進(jìn)行了一些研究，包括加快發(fā)酵系統(tǒng)啟動時(shí)間[18]；增加原料利用率；縮短酸敗系統(tǒng)的恢復(fù)時(shí)間；降低毒性物質(zhì)的抑制作用[19]等。但研究多拘于實(shí)驗(yàn)室層面和常規(guī)濕發(fā)酵中，筆者以工程運(yùn)用為目標(biāo)，考察在中試規(guī)模上微生物強(qiáng)化技術(shù)對車庫式厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

微生物強(qiáng)化菌劑由農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所研制，不僅含有沼氣發(fā)酵過程中的3大功能菌群，并且微生物數(shù)量高、活性強(qiáng)，菌劑中產(chǎn)甲烷古菌1.5×108個(gè)·g-1，纖維素分解菌4.5×108個(gè)·g-1，發(fā)酵性細(xì)菌5.5×109個(gè)·g-1。水稻秸稈來源于江蘇省蘇州常熟市田娘農(nóng)場，自然風(fēng)干后經(jīng)粉碎機(jī)粉碎搓揉后(長度約為20～25 cm)備用。秸稈干物質(zhì)(Total solid，TS)含量為90.02%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)，揮發(fā)性固體(Volatile solid，VS)含量為75.29%，總有機(jī)碳含量為40.12%，總氮為0.69%，C/N為58.14；新鮮豬糞來源于江蘇省蘇州常熟市田娘農(nóng)場附近某養(yǎng)豬場，TS為21.9%，VS為18.76%，總有機(jī)碳含量為40.31%，總氮為2.23%，C/N為18.07；接種污泥來源于農(nóng)場附近CSRT反應(yīng)器發(fā)酵沼液，pH值7.26，TS為1.23%，化學(xué)需氧量(Chemical oxygen demand，COD)為1960 mg·L-1。

1.2 試驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用新型柔性頂膜車庫式厭氧干發(fā)酵裝置(由農(nóng)部南京農(nóng)業(yè)機(jī)械化研究所開發(fā)研制)，通過將紅泥塑料覆膜技術(shù)與常規(guī)車庫式干發(fā)酵裝置相結(jié)合，有效解決了車庫式發(fā)酵工藝池容利用率不高的問題。裝置位于江蘇省蘇州常熟市田娘有機(jī)肥廠，共兩個(gè)庫，單庫容積為75 m3，庫內(nèi)采用盤管加熱，頂部有鋼架大棚、棉被等保溫措施。試驗(yàn)裝置實(shí)物圖及內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1和圖2所示。

圖1 柔性頂膜車庫式干發(fā)酵裝置

1.加熱盤管； 2.沼液噴淋管； 3.柔性頂膜； 4.保溫被圖2 庫內(nèi)布局圖

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2016年5月1號～6月19號進(jìn)行，共計(jì)50 d。試驗(yàn)設(shè)計(jì)為2個(gè)處理，分別為對照庫和試驗(yàn)庫。打捆稻秸稈分層擺放于庫內(nèi)，共6層，總計(jì)3 t，每層秸稈捆中間鋪放新鮮豬糞，總計(jì)6 t。其中試驗(yàn)庫在第一層秸稈捆上再鋪放1.8 t微生物菌劑，其他處理兩組皆保持相同。用沼液將發(fā)酵底物(稻秸+豬糞)初始TS濃度調(diào)節(jié)至20%，覆蓋紅泥塑料頂膜，參考前期試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)定每天噴淋兩次，每次30 min[20]。由于試驗(yàn)為中試試驗(yàn)，因此無法設(shè)置平行處理，但試驗(yàn)單庫達(dá)75 m3，體積大，裝載物料多，相對誤差較小。

試驗(yàn)開始后每天采集1次氣體樣品，并在回流操作完成之后采集滲濾液樣品。氣體樣品采用大連德霖氣體包裝有限公司生產(chǎn)的鋁箔采樣袋收集，滲濾液樣品在采集后于4℃下保存?zhèn)溆?，適時(shí)帶回實(shí)驗(yàn)室分析。發(fā)酵完畢后打開裝置上部柔性頂膜，對兩個(gè)處理分層采集沼渣，采用少量多次的方式進(jìn)行采集，層次劃分為0～50 cm，150～200 cm，每層6個(gè)點(diǎn)，每層采樣點(diǎn)位置示意圖見圖3，采集完成后再利用4分法縮分至大約1 kg，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行三素的測定。

圖3 沼渣取樣點(diǎn)示意圖(黑點(diǎn)為取樣點(diǎn))

1.4 測定指標(biāo)及方法

日產(chǎn)氣量的測定采用BF-30008-160超聲波沼氣流量計(jì)(武漢四方)；產(chǎn)氣中甲烷含量的測定采用GC-9890A氣相色譜儀 (TCD檢測器)；TS的測定采用105℃烘24 h，差重法測定；VS的測定采用550℃灼燒4 h，差重法測定；pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計(jì)測定；有機(jī)碳的測定含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[21]；全氮的測定采用H2SO4-H2O2消煮，蒸餾定氮法[22]；COD的測定參照GB1194-89；采用范氏法(Van Soest)測定麥秸纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(FIWE-6，Velp Scientifica)[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 厭氧干發(fā)酵前后稻秸各組分含量的變化

發(fā)酵底物厭氧干發(fā)酵前后的主要化學(xué)組分分析結(jié)果見表1。可以看出，底物中主要成分為纖維素，占比為34.8%;其次是半纖維素，占比為28.5%;木質(zhì)素含量最少，為10.1%。由表1和圖4可以發(fā)現(xiàn)，纖維素和半纖維素是厭氧干發(fā)酵過程的主要降解物，對照庫纖維素、半纖維素降解率分別為19.8%和44.9%，其中半纖維素為主要降解成分。通過添加微生物菌劑，發(fā)酵底物纖維素、半纖維素降解率可達(dá)29%和51.6%，比對照分別提高了46.4%和14.9%。可以發(fā)現(xiàn)，該菌劑可以有效提高稻秸纖維素和半纖維素的降解率，其中對稻秸纖維素的降解效果更加顯著。

表1 不同處理下稻秸各組分含量變化 (%)

圖4 不同處理后稻秸各組分降解率

2.2 對水解液pH值的影響

試驗(yàn)過程產(chǎn)氣中水解液pH值的變化見圖5。可以看出，試驗(yàn)庫與對照庫變化趨勢相似，均為先下降然后緩慢上升并逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于試驗(yàn)開始后，水解產(chǎn)酸菌大量產(chǎn)酸，而甲烷菌的活性和數(shù)量還不足以利用足量的酸，導(dǎo)致系統(tǒng)VFAs積累，pH值下降。之后隨著產(chǎn)甲烷菌的大量繁殖，對VFAs轉(zhuǎn)化利用能力增強(qiáng)，水解液pH值逐漸上升并趨于穩(wěn)定。對比試驗(yàn)庫和對照庫水解液pH值可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)庫水解液pH值明顯高于對照庫，且都在7.0左右波動，最小值出現(xiàn)在試驗(yàn)開始后第9天，為6.78。對照庫水解液pH值在試驗(yàn)開始后第8 天達(dá)到最小值，為6.21，一段小幅上漲之后在6.35左右波動。直至試驗(yàn)開始后第27 天才慢慢回升至7.0左右。可以發(fā)現(xiàn)，該菌劑可以有效穩(wěn)定水解液pH值，為產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌提供良好的酸堿環(huán)境。

圖5 發(fā)酵過程中各處理水解液pH值的變化

2.3 對干發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響

試驗(yàn)過程中日產(chǎn)氣量的變化見圖6。可以看出，試驗(yàn)庫與對照庫日產(chǎn)氣量變化趨勢相似，均為先迅速增加然后緩慢減少趨于穩(wěn)定。試驗(yàn)庫在試驗(yàn)開始后2天就有大量產(chǎn)氣，其日產(chǎn)氣量在試驗(yàn)第14天達(dá)到最大值，為49 m3，對應(yīng)的容積產(chǎn)氣率為0.65 m3·m-3d-1，而對照庫直至試驗(yàn)開始后第5 天才開始產(chǎn)氣，其日產(chǎn)氣量在試驗(yàn)第18天達(dá)到最大值，為43.9 m3，對應(yīng)容積產(chǎn)氣率為0.59 m3·m-3d-1；相比較而言，試驗(yàn)庫日產(chǎn)氣量上升趨勢明顯高于對照庫，產(chǎn)氣高峰比對照庫提前4天，最大容積產(chǎn)氣率比對照提高了9.2%。試驗(yàn)周期內(nèi)，試驗(yàn)庫累積產(chǎn)氣量達(dá)1340 m3，比對照庫提高了20.5%。可以發(fā)現(xiàn)，該菌劑可以有效縮短厭氧干發(fā)酵的啟動時(shí)間，并較大幅度地提高物料產(chǎn)氣量。

沼氣是一種混合氣體，主要成分為CH4和CO2，還含有少量的N2，O2，H2，NH3和H2S等氣體。其中CH4體積分?jǐn)?shù)的高低直接影響到生物氣的品位，CH4體積分?jǐn)?shù)越高，沼氣品位越高，因此產(chǎn)氣中甲烷濃度是沼氣工程中很重要的指標(biāo)。在試驗(yàn)中，每天測1次2個(gè)庫內(nèi)氣體中的甲烷體積分?jǐn)?shù)。

圖6 厭氧干發(fā)酵過程中各處理日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣量的變化

試驗(yàn)過程產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的變化見圖7?？梢钥闯?，試驗(yàn)庫與對照庫變化趨勢相似，均為逐步升高后達(dá)到穩(wěn)定。其中試驗(yàn)庫產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在試驗(yàn)第6 天即達(dá)30%，第11天達(dá)到50%以上；而對照庫產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)在試驗(yàn)前3天均沒有檢測到甲烷，直至試驗(yàn)開始后第13天才達(dá)到30%以上，第19天達(dá)到50%以上，分別比試驗(yàn)庫晚了7 d和8 d。由于在工程運(yùn)行中，只有當(dāng)產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到30%以上才開始收集產(chǎn)氣，因此試驗(yàn)庫收集有效產(chǎn)氣時(shí)間比對照庫提前7天。在厭氧干發(fā)酵啟動階段，試驗(yàn)庫產(chǎn)氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)的起點(diǎn)及上升幅度明顯比對照庫高，且試驗(yàn)庫累積產(chǎn)氣中平均甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)52.8%，比對照庫的43.7%提高了20.8%?？梢园l(fā)現(xiàn)，該菌劑可以有效縮短厭氧干發(fā)酵的啟動時(shí)間，提高產(chǎn)氣中甲烷含量，提升沼氣品質(zhì)。

圖7 厭氧干發(fā)酵過程中各處理產(chǎn)氣中甲烷含量的變化

3 結(jié)論

(1)該微生物菌劑可以有效提高稻秸纖維素和半纖維素的降解率，其中纖維素降解率可提高46.4%，半纖維素降解率可提高14.9%。

圖8 各處理產(chǎn)氣中平均甲烷含量

(2)該微生物菌劑可以明顯縮短厭氧干發(fā)酵的啟動時(shí)間，產(chǎn)氣中甲烷含量達(dá)到30%和50%的時(shí)間比對照分別提前了7 d和8 d。發(fā)酵周期內(nèi)，試驗(yàn)庫累積產(chǎn)氣量達(dá)1340 m3，比對照提高了20.5%，累積甲烷產(chǎn)量亦比對照提高了45%，增產(chǎn)效益顯著，適合推廣使用。

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EffectofMicroorganismAgentonBiogasProductioninGarage-typeDigesterDryFermentation

/CAOJie1,2，QUHao-li1，WANGPeng-jun1，LIRui-rong1，LIQiang2，HEJing2，CHENYong-sheng1,YINXiao-bo2

/ (1.NanjingResearchInstituteforAgriculturalMechanizationMinistryofAgriculture,Nanjing210014，China; 2.BiogasInstituteofMinistryofAgriculture,chengdu610041，China)

The effect of microorganism agent on biogas production under dry fermentation was investigated taking mixture of rice straw and pig manure as raw materials and using garage-type dry fermentation system. The ambient temperature varying between 26℃～35℃ during the experiment, and the total solid concentration for the fermentation was 20%. The results indicated that using of microorganism agents could significantly shorten the starting time. Comparing with the control group, the microorganism added system was 7day in advance reaching the methane content of 30%, and 8 day in advance reaching the methane content of 50%. The cumulative gas production was 1340 m3, increased by 20.5% comparing with the control, and that of methane production increased by 45%.

bioaugmentation; microorganism agent; dry fermentation; biogas

2017-05-18

2017-05-31

曹 杰(1988- )，男，江蘇句容人，助理研究員，主要從事厭氧發(fā)酵工藝技術(shù)研究等工作，E-mail: hello_caojie@sina.com

賀 靜, E-mail: hejing_lily@yahoo.com.cn

S216.4; X71

A

1000-1166(2017)05-0015-05