驗證嗜熱厭氧消化中食材廢物固體含量對沼氣發(fā)生性能的影響

王顥頔 陸健剛

摘 ? ? ?要： 厭氧消化是將廢物再利用的主要途徑，也是制得沼氣的主要途徑之一。以番茄莖葉和土豆為原材料探究了該兩者混合時厭氧產(chǎn)氣量及累計產(chǎn)甲烷量，先按2∶1、1∶1、1∶2及1∶3共進行了4組試驗，隨后為探究不同pH下食物發(fā)酵的性能，繼續(xù)設(shè)計了4組試驗，分別用泵導入調(diào)節(jié)好pH的純凈水（pH分別為3、5、7、9）。結(jié)果表明：當番茄莖葉∶土豆為1∶3時日產(chǎn)氣量及累計產(chǎn)甲烷量均好于其他配合比;在4組pH試驗中，當pH為7時，裝置內(nèi)日產(chǎn)氣量最多;pH為5時，累計產(chǎn)甲烷量最大。

關(guān) ?鍵 ?詞：厭氧發(fā)酵;pH;產(chǎn)氣量;甲烷

中圖分類號：S216.4 ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2020）04-0537-04

Abstract： Anaerobic digestion is the main way to recycle waste， and it is also one of the main ways to produce biogas. In this paper， tomato stems and leaves and potatoes were used as raw materials to explore the anaerobic gas production and cumulative methanogenesis of the two foods. Four groups of experiments were carried out according to 2∶1， 1∶1， 1∶2 and 1∶3. When the tomato stems and leaves∶potatoes was 1∶3， the daily gas production and cumulative methanogenesis were better than other mixture ratios. Subsequently， in order to explore the performance of food fermentation under different pH， four sets of experiments were designed by using pumps to introduce pH-adjusting purified water （pH=3， 5， 7， 9 respectively）. The results showed that，when the pH was 7， the daily gas production in the device was the most; when the pH was 5， the cumulative total methane production was the most.

Key words： Anaerobic fermentation; pH; Gas production; Methane

隨著世界全球化以及我國人口數(shù)量的快速增長，能源問題一直是制約我國經(jīng)濟快速增長的主要因素之一。我國目前主要能源有煤炭、石油、天然氣等，據(jù)報道，70%以上的能源供應(yīng)主要來自煤炭，然而煤炭是不可再生能源，隨著煤炭的逐步開采，其總量也在逐步減小，而石油亦是如此。且燃煤以及石油均會排放大量煙氣造成空氣污染，開采過程中也會污染地下水造成水環(huán)境的污染，因此尋求更高效清潔的能源顯得尤為迫切。可再生能源具有易得、清潔、污染小、種類豐富多樣等特點而具有較大的挖掘潛力及價值，隨著我國新農(nóng)村建設(shè)的逐步推進，很多地方陸續(xù)使用上了沼氣，沼氣是可再生能源中的一種，沼氣是生物轉(zhuǎn)化過程中最容易得的氣體之一，并且自然界中所有可發(fā)酵的物質(zhì)均可作為原料生產(chǎn)沼氣，一方面實現(xiàn)了資源的再利用減小了環(huán)境污染，另一方面又制得了清潔的能源，因此沼氣的制作一直是研究的熱點。

沼氣是利用厭氧發(fā)酵原理，通過微生物對原料進行分解從而轉(zhuǎn)化為甲烷等可燃氣體。沼氣的發(fā)酵中水解產(chǎn)酸是本質(zhì)，而水解產(chǎn)酸階段的反應(yīng)狀況又關(guān)系到產(chǎn)生的沼氣量的多少，因此該階段對反應(yīng)條件要求較多，如pH、溫度、原料種類等。目前有關(guān)水解產(chǎn)酸機理方面研究較多，且很多學者研究了各種原材料制作沼氣時的影響因素及產(chǎn)氣量。如陳廣銀等[1]采用秸稈為原材料，分析了厭氧發(fā)酵階段pH值對沼氣量的影響，并認為當調(diào)節(jié)pH為8時對厭氧水解反應(yīng)具有促進作用;李桃等[2]以香蕉秸稈為研究對象，分析了在厭氧發(fā)酵階段添加NaOH與未添加對產(chǎn)生的沼氣量的影響，并認為添加NaOH能明顯加速厭氧反應(yīng)的進程，能有利于沼氣產(chǎn)量的提高;趙振興等[3]通過自制序批式反應(yīng)器研究了波斯菊發(fā)酵沼氣所需的時間、單位產(chǎn)氣量、波斯菊總固體含量以及揮發(fā)性固體含量的產(chǎn)氣性能;邢向欣等[4]分析了不同長度稻草秸稈對沼氣發(fā)酵量的影響，并認為長度在1～3cm時長度越長發(fā)酵性能越好;郁達偉等[5]分析了三種厭氧反應(yīng)器（厭氧膜生物反應(yīng)器、內(nèi)循環(huán)生物反應(yīng)器及升流式反應(yīng)器）裝置內(nèi)酸堿緩沖體系對沼氣量的影響;曾錦等[6]認為獼猴桃皮是沼氣發(fā)酵的好原料，并認為以獼猴桃皮為原材料的發(fā)酵速度遠高于稻草秸稈;劉繼紅等[7]詳細的分析了四季青作為沼氣發(fā)酵原料時的發(fā)酵周期、總固體含量及揮發(fā)性固體含量的產(chǎn)氣率;崔維棟[8]從產(chǎn)氣量、發(fā)酵速率等方面對比分析了多種食物廢料混合和單個食物作為原理時發(fā)酵差別;賀江[9]從厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的機理、pH對沼氣量產(chǎn)生的影響等方面進行了分析。

本文擬以食堂廚余垃圾為原材料，通過自制得厭氧發(fā)酵工藝，每天調(diào)節(jié)水解產(chǎn)酸反應(yīng)器中液體pH，分析不同反應(yīng)條件下水解發(fā)酵以及沼氣發(fā)生器裝置中的產(chǎn)氣量，水解發(fā)酵裝置內(nèi)pH變化及COD濃度變化對食物發(fā)酵的影響，研究最適宜的反應(yīng)條件，研究結(jié)論以期為進一步了解沼氣發(fā)酵機理提供理論參考。

1 ?實驗部分

1.1 ?試驗材料

選取番茄莖葉和土豆兩種原材料，為防止原材料被快速分解，食材垃圾收集后馬上送至試驗室并置于溫度為4 ℃冰箱中冷藏，為利用食物廢料的發(fā)酵，在添加發(fā)酵原料時引入污泥接種，接種污泥取自中國農(nóng)業(yè)大學附近村莊一居民家的沼氣裝置內(nèi)產(chǎn)生的發(fā)酵液，并添加少許牛糞馴化密封，食物投入沼氣裝置前先對這些原料中的化學成分進行檢測，檢測結(jié)果見表1。

1.2 ?試驗裝置

采用自制的水解發(fā)酵裝置，試驗裝置見圖1。

該裝置主要由厭氧發(fā)酵裝置以及產(chǎn)沼氣收集器組成，厭氧發(fā)酵裝置及沼氣收集器均為體積為10 L的有機玻璃容器，該玻璃容器有效體積為8 L，高50 cm，內(nèi)徑20 cm，外徑24 cm，通過水浴鍋進行加熱隨時控制裝置內(nèi)溫度。試驗時先將預先調(diào)節(jié)好pH的純凈水用泵輸入到水解發(fā)酵裝置中，繼而將水解發(fā)酵裝置中產(chǎn)生的液體用泵導入到沼氣發(fā)生器中。

1.3 ?試驗設(shè)計

1.3.1 ?各種物料混合比產(chǎn)沼氣性能

分別將番茄莖葉和土豆按2∶1、1∶1、1∶2、1∶3四種配合比分別投入水解發(fā)酵裝置中，分別標記序號對應(yīng)為S1、S2、S3、S4，四組分別接種污泥（污泥質(zhì)量為混合原理的20%），隨后添加純凈水，使混合料濃度為20%。隨后啟動試驗，試驗啟動后每隔5 d從水解發(fā)酵裝置內(nèi)排出水解液約2 L，排出的水解液分10 d每隔2 d往產(chǎn)沼氣裝置內(nèi)用泵導入400 mL，每天測量四個裝置內(nèi)產(chǎn)沼氣的氣體量及里面的甲烷比重。

1.3.2 ?不同pH下食物廢料產(chǎn)沼氣性能研究

根據(jù)上步求得最適宜的原料配合比，按照最佳的一組進行試驗，為判別最佳的pH，筆者共設(shè)計了4組試驗，試驗中導入純凈水時先加酸或堿條件pH分別至3、5、7、9，試驗步驟同上。

1.4 ?測試指標及方法

采用排氣法每天測定產(chǎn)生氣體含量，采用氣相色譜法測定甲烷含量，采用H2SO4-H2O2預處理蒸餾消毒測定全氮含量。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?不同配合比原料沼氣產(chǎn)生變化

2.1.1 ?日產(chǎn)沼氣量的變化

為判別不同配合比原料沼氣產(chǎn)生量，按上文中配合比進行了四組試驗，每隔5 d測定一次裝置中氣體含量，45 d為一個周期，結(jié)果如圖2所示。

由圖2分析可知：當番茄莖葉與土豆混合比為2∶1時，當天產(chǎn)生的沼氣量在第5 d達到最大值4 857 mL、隨后至第30 d產(chǎn)生的沼氣量逐漸減小，第10、15、20、25、30d產(chǎn)生的沼氣量分別為3 721、2 986、1 964和184、483 mL，然后至第40 d增加至926 mL，最后減小至541 mL;當番茄莖葉與土豆混合比為1∶1時，前15 d日產(chǎn)氣量相差不大，穩(wěn)定在3 300～3 700 mL范圍內(nèi)，隨后逐漸減小直至第45 d的319 mL;當番茄莖葉與土豆混合比為1∶2時，日產(chǎn)氣量從第1 d至第15 d逐漸增大、16 d至第30 d逐漸減小、第35 d略有增大趨勢、隨后減小至第45 d的439 mL，第15 d時日產(chǎn)氣量達到最大值4 387 mL;當番茄莖葉與土豆混合比為1∶3時，日產(chǎn)氣量變化幅度與前三者不太一致，日產(chǎn)氣量從第1 d至第25 d逐漸增大，第25 d達到最大值3 527 mL、再逐漸減小至第45 d的512 mL。

從45 d的累計產(chǎn)氣量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，S1、S2、S3、S4裝置45 d的累計產(chǎn)氣量分別為17 571、17 592、12 319及20 137 mL，說明S4裝置產(chǎn)沼氣效果最好，即番茄莖葉與土豆的混合比為3∶1。

2.1.2 ?甲烷含量累計變化情況

實驗過程中S1、S2、S3、S4裝置內(nèi)產(chǎn)甲烷氣體累計含量變化見圖3，分析可知：S1裝置內(nèi)甲烷累計含量先上升后下降最后保持平緩，先由第5 d的5%上升至第35 d的61%，后逐漸下降至第40 d的52%，第40和第45 d裝置內(nèi)甲烷含量變化不大;S2裝置內(nèi)甲烷含量由第5 d的20%逐漸上升至第45d的73%，在第5 d至第30 d幾乎呈線性增長，第30d后甲烷含量保持穩(wěn)定;S3裝置內(nèi)甲烷含量是先增大后減小，由第5d的36%增大至第30 d的69%，隨后降低至第45 d的51%，第40 d及45 d甲烷含量變化不大;第5、10、15、20、25、30、35、40、45 d甲烷含量分別為36%、39%、47%、58%、59%、69%、68%、53%、51%，進一步分析可知，S3裝置內(nèi)甲烷含量在第20 d及25 d保持穩(wěn)定，第30 d及35d甲烷含量也保持穩(wěn)定，說明在第25 d及第30d裝置內(nèi)廢物發(fā)酵達到最佳;S4裝置內(nèi)甲烷含量逐步上升，由第5 d的48%逐步上升至第45 d的89%，進一步分析可知第5 d甲烷含量在所有裝置內(nèi)最大，第45 d的也是最大，說明該裝置內(nèi)原料的配合比（番茄莖葉∶土豆=1∶3）發(fā)酵性能最好，產(chǎn)生的甲烷含量也最多。

2.2 ?不同pH下沼氣產(chǎn)生變化

2.2.1 ?日產(chǎn)氣量的變化

經(jīng)上文分析，當番茄莖葉與土豆混合比為1∶3時食物發(fā)酵產(chǎn)氣效果較好，筆者選取該配合比進行了4組試驗（分別調(diào)節(jié)水解發(fā)酵裝置內(nèi)pH為3、5、7、9），測定出了裝置內(nèi)日產(chǎn)氣量，結(jié)果如圖4所示。

分析可知：當pH為3時，產(chǎn)氣量在第5d達到最大為4 857 mL、隨后逐漸降低至第30 d的438 mL，從第30 d至第40 d產(chǎn)氣量略有增加，但增加幅度不大，最后減小至第45 d的541 mL;當pH為5時日產(chǎn)氣量變化規(guī)律與pH為3時類似，只是累計產(chǎn)氣量較pH為3時多;當pH為7時產(chǎn)氣量由最初的

3 984 mL逐漸增大至第20 d的6 912 mL，隨后降低至第45 d的1 379 mL;當pH為9時，產(chǎn)氣量為所有試驗裝置內(nèi)最少，產(chǎn)氣最多的一天僅為3 527 mL。

綜上所述，酸性條件下食物發(fā)酵性能優(yōu)于堿性條件，當pH為7時食物發(fā)酵性能最好，日產(chǎn)氣量最大。

2.2.2 ?甲烷含量累計變化情況

四個裝置內(nèi)甲烷累計含量變化情況如圖5所示。

分析可知：pH=3時，甲烷含量由第5d的26%逐步上升至第30 d的61%，隨后15 d保持在60%～70%范圍內(nèi);當pH=5時，甲烷含量由第5 d的36%逐步上升至最后的89%;當pH=7時，甲烷含量先上升后保持平緩，由第5的21%上升至第30 d的50%，隨后一直保持在50%左右，;當pH=9時，甲烷累計含量也是逐漸上升，第35 d甲烷含量達到最大值，為51.7%。綜上分析說明當pH為5時甲烷產(chǎn)生量所占比重最大。

3 ?結(jié)論

為探討番茄莖葉和土豆混合作為沼氣發(fā)酵的最佳配合比及pH對氣體量的影響，本文先將番茄莖葉及土豆按2∶1、1∶1、1∶2及1∶3共進行了4組試驗，隨后為探究不同pH下食物發(fā)酵的性能，本文繼續(xù)設(shè)計了4組試驗，分別用泵導入調(diào)節(jié)好pH的純凈水（pH分別為3、5、7、9），結(jié)果表明：（1）當番茄莖葉∶土豆為1∶3時日產(chǎn)沼氣量及累計產(chǎn)甲烷量均好于其他配合比;（2）在4組pH試驗中，當pH為7時，裝置內(nèi)日產(chǎn)沼氣量最多;（3）pH為5時，累計產(chǎn)甲烷量最大。

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