西藏地區(qū)沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的快速啟動研究

張延蕾 金曉麗 魏素珍

摘要? ? 快速啟動沼氣發(fā)酵反應(yīng)器對于沼氣在西藏地區(qū)的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。本文通過改變環(huán)境溫度、底物成分配比、底物含水率等操作條件研究了不借助菌種快速啟動沼氣反應(yīng)器的方法。結(jié)果表明，以新鮮豬糞為原料，控制溫度為25 ℃以上可以在1 d內(nèi)產(chǎn)氣，并且底物中新鮮豬糞與剩菜葉的干物質(zhì)比為2∶1時有利于產(chǎn)氣，而豬糞與泔水及豬糞與秸稈的混合物則不利于產(chǎn)氣。對沼氣反應(yīng)器最佳啟動條件下的產(chǎn)氣監(jiān)測分析表明，所產(chǎn)沼氣量以及沼氣中的甲烷濃度都可達(dá)到沼氣生產(chǎn)要求。

關(guān)鍵詞? ? 沼氣發(fā)酵反應(yīng)器;快速啟動;西藏地區(qū)

中圖分類號? ? S216.4? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? ? A

Abstract? ? The quick start of biogas fermentation reactor is of great significance for the popularization and application of biogas in Tibet.By changing the operating conditions such as ambient temperature，substrate distribution ratio and substrate moisture content，this paper studied the quick start method of a biogas reactor without resorting to bacteria.The results showed that using fresh pig manure as a raw materials and controlling the temperature above 25 ℃ could produce gas within 1 d，and the dry matter ratio of fresh pig manure and leftover leaves in the substrate was 2∶1，which was favorable for gas production，and mixtures of pig manure and swill，pig manure and straw were not conducive to gas production.The monitoring and analysis of the gas production under the optimal start-up conditions of the biogas reactor showed that the amount of biogas and the concentration of methane in the biogas could meet the requirements for biogas production.

Key words? ? biogas fermentation reactor;quick start;Tibet area

目前，世界各地廣泛應(yīng)用厭氧消化技術(shù)處理有機廢棄物[1]，不僅可以減少人們對化石能源如煤炭、石油、天然氣的依賴，還可以解決生活垃圾、牲畜糞便等有機廢棄物的環(huán)境污染以及農(nóng)村地區(qū)因燃燒薪柴而導(dǎo)致的大氣污染問題[2]。此外，有機固體廢棄物經(jīng)厭氧產(chǎn)沼氣后的殘渣還是一種高質(zhì)量的有機肥料和土壤改良劑，這對解決農(nóng)業(yè)化肥污染以及土壤退化十分有效。

西藏地區(qū)生活用能短缺，農(nóng)村生活用能基本依靠薪柴、畜糞、秸稈、草皮等傳統(tǒng)生物質(zhì)能源，燃料—飼料—肥料矛盾的突出也加劇了脆弱的高原自然生態(tài)環(huán)境的惡化[3]。因此，在西藏農(nóng)牧區(qū)發(fā)展沼氣生產(chǎn)建設(shè)對保護生態(tài)環(huán)境、解決農(nóng)牧民炊事用能、改善農(nóng)牧民生產(chǎn)生活條件、促進農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和農(nóng)村經(jīng)濟繁榮等方面具有非常重要的意義[4-6]。在沼氣發(fā)酵過程中，菌種和溫度通常是影響沼氣啟動和產(chǎn)量的2個重要參數(shù)[7]。對于西藏某些偏遠(yuǎn)地區(qū)，在缺乏沼氣發(fā)酵菌種以及環(huán)境溫度較低的情況下如何快速啟動沼氣發(fā)酵反應(yīng)器對于沼氣的推廣應(yīng)用具有非常重要的意義。為此，本文研究了在低溫條件下如何不借助菌種快速啟動沼氣反應(yīng)器。

1? ? 材料與方法

1.1? ? 試驗材料

新鮮豬糞及青稞秸稈，均采自西藏農(nóng)牧學(xué)院農(nóng)場，將收割后的秸稈在室溫下晾干并粉碎，過篩后備用。廚余垃圾采自西藏農(nóng)牧學(xué)院學(xué)生食堂。

1.2? ? 試驗方法

1.2.1? ? 環(huán)境溫度對反應(yīng)器啟動的影響。將新鮮豬糞置于沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中，排盡空氣后進行沼氣發(fā)酵，分別設(shè)置室溫12～17、15、25 ℃，每個溫度處理設(shè)置3組平行，每天手動搖晃反應(yīng)器并記錄產(chǎn)氣情況，待穩(wěn)定產(chǎn)氣1周后結(jié)束發(fā)酵反應(yīng)。

1.2.2? ? 發(fā)酵原料對反應(yīng)器啟動的影響。將新鮮豬糞與不同有機廢棄物按照一定比例混合并進行沼氣發(fā)酵，記錄開始產(chǎn)氣時間以及之后1周內(nèi)的產(chǎn)氣狀況。

1.2.3? ? 底物含水率對反應(yīng)器啟動的影響。在最佳底物配比條件下向沼氣發(fā)酵反應(yīng)器中加入水，使底物含水率分別達(dá)到80%、85%、90%和95%，進行沼氣發(fā)酵，記錄開始產(chǎn)氣時間以及之后1周內(nèi)的產(chǎn)氣狀況。

1.2.4? ? 沼氣反應(yīng)器的啟動及沼氣的測定。在最佳條件下啟動反應(yīng)器，監(jiān)測整個反應(yīng)器產(chǎn)氣周期的產(chǎn)氣量、氣體中甲烷含量，并計算沼氣產(chǎn)率。

1.3? ? 分析方法

樣品含水率采用烘干法測定，即將樣品在105 ℃條件下烘干至質(zhì)量不再變化時測其質(zhì)量減少量;沼氣產(chǎn)量采用排水法測量;沼氣中甲烷濃度使用氣相色譜儀進行測量[8]。

2? ? 結(jié)果與分析

2.1? ? 操作條件對沼氣發(fā)酵反應(yīng)器啟動的影響

新鮮豬糞在不同溫度條件下的沼氣發(fā)酵試驗表明，溫度對沼氣反應(yīng)器的啟動具有非常重要的影響。當(dāng)溫度高于25 ℃時，沼氣反應(yīng)器幾乎可以在當(dāng)天便啟動，而當(dāng)溫度降低至15 ℃以下時，沼氣反應(yīng)器至少需要3 d才能啟動。本次試驗中溫度為12～17、15、25 ℃時，初始產(chǎn)氣時間分別大于4、3、1 d。當(dāng)不控制溫度時，即沼氣反應(yīng)器在溫度變化條件下運行時，沼氣反應(yīng)器的啟動會更慢。因此，在西藏地區(qū)為使沼氣反應(yīng)器快速啟動，采取適當(dāng)?shù)谋卮胧┦钟斜匾?/p>

沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的啟動過程也是各類沼氣發(fā)酵菌群的生長繁殖過程，因而反應(yīng)器中的底物成分、配比會顯著影響微生物生長繁殖速度。為使沼氣反應(yīng)器快速啟動，反應(yīng)器中的底物成分配比必須適宜沼氣發(fā)酵菌群的生長。如表1所示，將豬糞與剩菜葉混合可以明顯縮短沼氣反應(yīng)器的啟動時間，而豬糞與泔水、秸稈的混合物對沼氣反應(yīng)器的啟動無促進作用。此外，在豬糞與剩菜葉的比例為2∶1時（干物質(zhì)比），不僅可以明顯促進沼氣反應(yīng)器的快速啟動，同時也可以獲得較好的沼氣產(chǎn)量。

微生物的生長繁殖離不開水，為使沼氣發(fā)酵反應(yīng)器快速啟動，需在反應(yīng)器中添加一定量的水。當(dāng)反應(yīng)器中的含水率為85%時，可在1 d內(nèi)使沼氣發(fā)酵反應(yīng)器啟動，相比之下，較低或較高的含水率都不利于反應(yīng)器的快速啟動;當(dāng)含水率為95%時，沼氣反應(yīng)器的啟動需要10 d以上（表2）。

2.2? ? 最佳條件下的沼氣發(fā)酵情況

在最佳溫度（25 ℃）、最佳底物配比（豬糞∶剩菜葉=2∶1）以及最佳底物含水率（85%）條件下啟動沼氣發(fā)酵反應(yīng)器，記錄整個發(fā)酵過程中沼氣產(chǎn)量以及沼氣中甲烷濃度，結(jié)果如圖1所示?？芍诜磻?yīng)器運行后的1 d內(nèi)便有沼氣產(chǎn)生，之后沼氣產(chǎn)量逐漸增加，整個發(fā)酵過程持續(xù)了將近25 d，反應(yīng)器中的累積沼氣產(chǎn)量達(dá)到118 mL/g TS，見圖1（a），略低于本課題組之前的研究[8]，這可能是由于本課題組之前的研究所采用的沼氣菌種是已經(jīng)過反復(fù)馴化后的沼氣生產(chǎn)菌，而本研究中沒有采用任何沼氣生產(chǎn)菌。此外，對反應(yīng)器頂空甲烷濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，隨著發(fā)酵的進行，反應(yīng)器頂空中甲烷濃度呈現(xiàn)逐漸增加趨勢，這主要是由于反應(yīng)器頂空中含有一定量的氮氣所致。隨著頂空中氮氣逐漸被排出反應(yīng)器之外，反應(yīng)器頂空中的甲烷濃度值也逐漸接近沼氣中的甲烷濃度值。發(fā)酵結(jié)束后，反應(yīng)器中的甲烷濃度值達(dá)到56%，試驗結(jié)果與文獻(xiàn)[9]報道的沼氣中甲烷濃度值基本一致。試驗結(jié)果表明，在未采用沼氣發(fā)酵菌種的條件下，通過改變沼氣發(fā)酵反應(yīng)器的操作條件，完全可以達(dá)到發(fā)酵產(chǎn)氣的目的。

3? ? 結(jié)論與討論

在西藏地區(qū)發(fā)展沼氣建設(shè)不僅可以解決農(nóng)牧民生活用能短缺以及環(huán)境污染問題，而且所獲得的發(fā)酵殘余物也是優(yōu)質(zhì)的土壤改良劑。由于西藏地區(qū)特殊的地理環(huán)境，在西藏地區(qū)發(fā)展沼氣建設(shè)存在困難，其中沼氣池啟動緩慢便是困擾沼氣發(fā)展建設(shè)的一大難題。本文研究結(jié)果表明，以新鮮豬糞為主要原料，通過給沼氣池采取適當(dāng)?shù)谋卮胧?、調(diào)節(jié)底物成分配比以及底物含水率可以在當(dāng)天啟動沼氣發(fā)酵反應(yīng)器，并使累積產(chǎn)沼氣量和甲烷濃度可達(dá)到沼氣生產(chǎn)要求。

4? ? 參考文獻(xiàn)

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