接種率對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾厭氧發(fā)酵的影響

羅臣乾 , 張國治 , 魏珞宇, 施國中, 申祿坤, 甄月月 , 張 敏

(1．農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所， 四川 成都 610041； 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， 四川 成都 610041)

近幾年來，雖然我國城鎮(zhèn)化速率加快，但農(nóng)村人口比例依舊很大，隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，農(nóng)民生活水平的提高，農(nóng)村生活垃圾的總量也在逐步增加。根據(jù)相關(guān)報(bào)道，截至目前，我國農(nóng)村生活垃圾的年產(chǎn)量已達(dá)到了2億噸[1]。目前我國農(nóng)村生活垃圾并沒有得到有效的處置，許多生活垃圾仍舊是隨處堆放、丟棄，或者直接焚燒，對(duì)農(nóng)田、水源以及大氣造成了很大的污染，在很多地方出現(xiàn)了垃圾圍村的現(xiàn)象[2]。同時(shí)，隨意堆放的生活垃圾同時(shí)是病原菌的傳播體，對(duì)人們的健康有很大威脅。因此，農(nóng)村生活垃圾如何處理是當(dāng)代農(nóng)村發(fā)展遇到的難題。農(nóng)村生活垃圾的主要成分包括灰渣(42.38%)、廚余(35.97%)和其他成分[3]。目前對(duì)生活垃圾的處理主要是有焚燒、填埋、厭氧發(fā)酵、好氧堆肥等處置辦法。其中將生活垃圾中的有機(jī)質(zhì)成分通過厭氧發(fā)酵的處置方法不僅可以得到清潔能源，發(fā)酵過后的沼渣沼液還可以作為肥料進(jìn)行還田[3]。因此本文研究的目的就是探究接種率對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾厭氧發(fā)酵的影響，并通過所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步中試實(shí)驗(yàn)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

選用的農(nóng)村有機(jī)生活垃圾是依據(jù)先期調(diào)研的數(shù)據(jù)，采集周邊菜市場(chǎng)及飯店剩余物配置而成，其中菜葉、果皮、餐廚垃圾、廢紙分別占原料總重量的50%，25%，20%，5%。接種物采集自農(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地。原料及接種物特性見表1。

表1 原料及接種物性質(zhì) (%)

注：TS為總固體含量，VS為揮發(fā)性固體含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用批式實(shí)驗(yàn)，設(shè)置了兩個(gè)不同發(fā)酵濃度(原料TS含量為4.32%，5.18%)和5個(gè)不同接種率(接種物TS含量為4.55%，6.26%，6.88%，8%，9.13%)共10個(gè)實(shí)驗(yàn)組，每組設(shè)置兩個(gè)平行，通過添加蒸餾水將發(fā)酵瓶?jī)糁乜刂圃?00 g。在中溫(35℃±1℃)條件下厭氧發(fā)酵，發(fā)酵總時(shí)間為39 d，采用1000 mL發(fā)酵瓶作為反應(yīng)容器，有效發(fā)酵體積為800 mL，每天將發(fā)酵瓶搖動(dòng)兩次，每次搖動(dòng)5 min，發(fā)酵裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)所用原料及接種物配比見表2。

1.恒溫培養(yǎng)箱； 2.發(fā)酵瓶; 3.集氣瓶; 4.量筒； 5.氣體采樣口; 6.液體采樣口圖1 發(fā)酵裝置圖

表2 實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置 (%)

每瓶補(bǔ)水至800 g，每瓶添加氯化鈷 0.00234 g，硫酸亞鐵2.4 g，氯化鎳0.1904 g，并且用氧化鈣調(diào)節(jié)初始pH值至8.5。

每天記錄甲烷產(chǎn)量，每5天取樣1次，測(cè)量pH值、有機(jī)酸含量和電導(dǎo)率，2個(gè)平行組取平均數(shù)得到結(jié)果。

1.3 分析方法

日產(chǎn)氣量采用排水集氣法每日收集并記錄體積。

甲烷和二氧化碳含量測(cè)定通過氣相色譜法，儀器型號(hào)為：島津公司生產(chǎn)的GC-2010型氣相色譜，色譜條件為：60 m Parapak-QX色譜柱，柱箱溫度：50℃，進(jìn)樣器溫度150℃，檢測(cè)器溫度200℃。

揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量測(cè)定采用氣相色譜法，儀器型號(hào)為：安捷倫公司生產(chǎn)的GC7820A型氣相色譜，色譜條件為：1.5 m GDX103+5%磷酸色譜柱，柱溫160℃，進(jìn)樣器溫度210℃，檢測(cè)器溫度230℃。

pH值和電導(dǎo)率采用便攜式pH計(jì)進(jìn)行測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 累積產(chǎn)甲烷量及原料產(chǎn)甲烷率

圖2為各處理組在39天內(nèi)的累積產(chǎn)甲烷量。其中，產(chǎn)甲烷最多的是處理組H為7485 mL，產(chǎn)甲烷最少的是處理組A為4043 mL。處理組B及F發(fā)酵失敗，根據(jù)kawi[4]等人的研究知道，當(dāng)接種率較低時(shí)，整個(gè)反應(yīng)體系有酸化的風(fēng)險(xiǎn)，最終導(dǎo)致發(fā)酵失敗，因此可以推測(cè)處理組B及F發(fā)酵失敗的原因是接種率低和初始pH值調(diào)節(jié)沒有到位。由圖2可以看到，在相同接種比的條件下，原料率高的體系產(chǎn)甲烷也多。在相同的原料率條件下，隨著接種率的提高，累積產(chǎn)甲烷量也在升高，但不是一直在增加，當(dāng)產(chǎn)甲烷量達(dá)到最大值時(shí)，不再隨著接種率的升高而增加。本實(shí)驗(yàn)得到的最高產(chǎn)甲烷的實(shí)驗(yàn)條件為接種率為135%。每個(gè)處理組的產(chǎn)甲烷延滯期差別也很大，處理組C，D，E的產(chǎn)甲烷延滯期僅為7天；處理組A，I，G的產(chǎn)甲烷延滯期為10天；處理組G的產(chǎn)甲烷延滯期為11天；處理組H的產(chǎn)甲烷延滯期最長(zhǎng)，為13天。這表明，接種率高及原料率低利于厭氧反應(yīng)的啟動(dòng)[5]。因此，若想快速啟動(dòng)厭氧發(fā)酵，可選用處理組D，E。

表3 各處理組原料產(chǎn)甲烷率 (L·g-1TS·d-1)

圖2 各處理累積甲烷產(chǎn)量

從原料產(chǎn)甲烷率(見表3)也可以看出，處理組H的效果是最好的，達(dá)到了0.18 L·g-1VS·d-1，與王艷芹[11]等人所得結(jié)果相近。

圖3 各處理厭氧發(fā)酵過程中pH值的變化

2.2 pH值

由圖3可以看到，除去反應(yīng)失敗的兩個(gè)處理組的pH值在一直下降外，其余的處理組的pH值都經(jīng)歷了先降后升的過程，并且最終pH值都穩(wěn)定在了厭氧發(fā)酵的適宜pH范圍(6.5～7.8)[6]。結(jié)合圖2與圖3可以看到，pH值的變化趨勢(shì)與產(chǎn)甲烷延滯期相一致，處理組C、D、E的pH值回升到厭氧發(fā)酵適宜范圍用了7天；處理組A，I，G為10天；處理組G的產(chǎn)甲烷延滯期為11天；處理組H最長(zhǎng)為13天。

2.3 揮發(fā)性脂肪酸

根據(jù)目前認(rèn)可的厭氧發(fā)酵3階段理論，厭氧發(fā)酵經(jīng)歷了水解、酸化、甲烷化3個(gè)階段[7]。大分子物質(zhì)在酶水解作用下分解為小分子的糖、肽及長(zhǎng)鏈脂肪酸；然后在發(fā)酵細(xì)菌的作用下將這些小分子物質(zhì)進(jìn)一步分解為乙酸、丙酸、丁酸等可溶揮發(fā)性脂肪酸；最后在產(chǎn)甲烷古菌的作用下生成甲烷。因此，揮發(fā)性脂肪酸是厭氧反應(yīng)的重要檢測(cè)指標(biāo)，根據(jù)其降解速率的快慢可以一定程度上了解甲烷古菌的活性。

圖4為各處理在厭氧發(fā)酵過程中乙酸含量的變化趨勢(shì)。處理組B，F(xiàn)的乙酸含量呈一直增高的趨勢(shì)，并且超過了10000 mg·L-1。結(jié)合2.1節(jié)中累計(jì)產(chǎn)甲烷量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，處理組B、F發(fā)生了酸化現(xiàn)象，且該現(xiàn)象不可逆轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致發(fā)酵失敗。其余處理組均呈現(xiàn)先增高后下降的趨勢(shì)。處理組A，C，D，E乙酸降解速率E>D>C>A，說明接種率越大，厭氧發(fā)酵微生物菌群越豐富，乙酸降解速率越快。但是結(jié)合圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著接種率增大，甲烷產(chǎn)總量呈下降趨勢(shì)。因此選擇合理的接種率與原料率對(duì)厭氧發(fā)酵體系的高效、穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵。

圖4 各處理厭氧發(fā)酵過程中乙酸含量的變化

圖5為各處理在厭氧發(fā)酵過程中丙酸含量的變化趨勢(shì)。處理組B、F、G丙酸含量均隨時(shí)間的增加而增加，在第35天的時(shí)候達(dá)到了1659.729 mg·L-1，1627.1 mg·L-1，1452.217 mg·L-1，出現(xiàn)了不同程度的丙酸累積，其余處理組隨時(shí)間的增加均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。結(jié)合圖4，處理組B，F(xiàn)乙酸含量出現(xiàn)累積的現(xiàn)象表明，丙酸抑制厭氧發(fā)酵是導(dǎo)致這兩個(gè)處理組乙酸出現(xiàn)累積的主要原因。因?yàn)楦鶕?jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明，丙酸累積會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵體系中微生

圖5 各處理厭氧發(fā)酵過程中丙酸含量的變化

物菌群產(chǎn)生影響，且抑制部分微生物的活性(文獻(xiàn))，且目前認(rèn)為該類發(fā)酵原料的丙酸抑制濃度為1000 mg·L-1[11]，與2.2節(jié)和2.3節(jié)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合。

圖6為各處理在厭氧發(fā)酵過程中丁酸含量的變化趨勢(shì)?？梢钥闯龈魈幚斫M在第5天左右的時(shí)間丁酸含量達(dá)到最大值，隨后開始下降，處理組B，F(xiàn)分別達(dá)到4212.087 mg·L-1和5475.498 mg·L-1，表明它們受到丁酸抑制。綜合圖4和圖6可以表明，生活垃圾有機(jī)成分經(jīng)降解后主要以乙酸和丁酸為主，這與前人研究一致[8-10]。

圖6 各處理厭氧發(fā)酵過程中丁酸含量的變化

2.4 電導(dǎo)率

電導(dǎo)率可以間接表明發(fā)酵體系的好壞程度，從圖7可以看出，本厭氧發(fā)酵的適宜電導(dǎo)率范圍在8～10 mS·cm-1之間。

圖7 各處理厭氧發(fā)酵過程電導(dǎo)率的變化

3 結(jié)論

(1)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾厭氧發(fā)酵最佳條件為原料TS含量為5.18%，接種物TS含量為6.88%(即接種率為135%)，此時(shí)原料產(chǎn)甲烷率達(dá)到0.18 L·g-1VS·d-1。

(2)先用氧化鈣調(diào)堿，可以縮減厭氧批次發(fā)酵產(chǎn)甲烷延滯期。

(3)接種率對(duì)原料產(chǎn)甲烷率的提升作用是有限制的，超過這個(gè)限值后，原料產(chǎn)甲烷率隨接種率提高而降低。

(4)本厭氧發(fā)酵的適宜電導(dǎo)率范圍在8～10 mS·cm-1之間。

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