固體物濃度溫度對(duì)農(nóng)業(yè)廢棄物厭氧發(fā)酵影響研究

邢向欣 張蕾蕾 張重

(吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院，吉林 長春 130022)

中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量每年大約40億t，其中農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量約占25%，畜禽糞便產(chǎn)生量約占65%，其它林業(yè)廢棄物、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾及農(nóng)作物加工廢棄物等約占10%[1,2]。從資源經(jīng)濟(jì)學(xué)上講，農(nóng)業(yè)廢棄物是一種特殊形態(tài)的農(nóng)業(yè)資源[3]，高效合理利用這部分資源，對(duì)減少污染、改善生態(tài)環(huán)境、提高能源利用率等具有重要影響。本文對(duì)牛糞、雞糞、玉米秸稈、稻草等4種常見的農(nóng)業(yè)廢棄物不同固體物濃度、不同溫度條件下的厭氧發(fā)酵情況進(jìn)行了研究，以期為沼氣工程提供理論依據(jù)，促進(jìn)農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)基本情況

試驗(yàn)地點(diǎn)：吉林省農(nóng)業(yè)機(jī)械研究院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試驗(yàn)室。

試驗(yàn)原料：牛糞、稻草。牛糞來源于富家屯養(yǎng)殖戶，稻草來源于吉林農(nóng)大農(nóng)場。

試驗(yàn)裝置：自行設(shè)計(jì)的沼氣發(fā)酵裝置，主要由恒溫水浴鍋、發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶等組成。

1.2 試驗(yàn)處理

試驗(yàn)1：溫度為35℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，糞草比為2∶1，試驗(yàn)周期30d。固體物濃度(TS)分別為8%、12%、14%條件下設(shè)2個(gè)處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù)。

試驗(yàn)2：溫度為25℃、30℃、35℃、40℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，固體物濃度8%，糞草比為2∶1。試驗(yàn)周期為30d。試驗(yàn)設(shè)2個(gè)處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個(gè)處理設(shè)2個(gè)重復(fù)。

1.3 觀測項(xiàng)目及測定方法

測定每日產(chǎn)氣量，采用水壓式集氣法，用量筒測量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同固體物濃度對(duì)沼氣發(fā)酵的影響

圖1為不同固體物濃度牛糞處理沼氣的日產(chǎn)氣量。從圖1可以看出，不同固體物濃度的牛糞處理產(chǎn)氣規(guī)律大體相似，第6天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，從第7天開始下降，從第8天開始至試驗(yàn)周期結(jié)束產(chǎn)氣量大體平穩(wěn)，只有小幅波動(dòng)。平均日產(chǎn)氣量從高到低為牛糞(TS=14%)處理>牛糞(TS=12%)處理>牛糞(TS=8%)處理。

圖1 不同固體物濃度牛糞處理的日產(chǎn)氣量

圖2為不同固體物濃度牛糞加稻草處理沼氣日產(chǎn)氣量。從圖2可以看出，牛糞加稻草處理在不同的固體物濃度條件下日產(chǎn)氣規(guī)律大體相似，前10d有較大波動(dòng)，正式產(chǎn)氣后持續(xù)下降，從第11天開始處在平穩(wěn)產(chǎn)氣期，直到試驗(yàn)結(jié)束。不同固體物濃度牛糞加稻草處理發(fā)酵的平均日產(chǎn)氣量從高到低順序?yàn)榕＜S加稻草(TS=14%)>牛糞加稻草(TS=12%)>牛糞加稻草(TS=8%)。

圖2 不同固體物濃度牛糞加稻草處理的日產(chǎn)氣量

從圖3可以看出，不同固體物濃度的牛糞發(fā)酵總產(chǎn)氣量從高到低順序?yàn)榕＜S(TS=14%)>牛糞(TS=12%)>牛糞(TS=8%)，牛糞(TS=14%)處理產(chǎn)氣量最高，達(dá)4462.33mL，牛糞(TS=8%)處理最低，只有2192.50mL。不同固體物濃度的牛糞加稻草處理發(fā)酵的總產(chǎn)氣量從高到低順序?yàn)榕＜S加稻草(TS=14%)>牛糞加稻草(TS=12%)>牛糞加稻草(TS=8%)。與單純牛糞處理的產(chǎn)氣規(guī)律一致，固體物濃度越大產(chǎn)氣越多。但不同固體物濃度的牛糞加稻草處理產(chǎn)氣量比牛糞處理的高。

圖3 不同固體物濃度牛糞處理和牛糞加稻草處理的總產(chǎn)氣量

2.2 不同溫度對(duì)沼氣發(fā)酵的影響

圖4為不同溫度牛糞處理的日產(chǎn)氣量。從圖4可以看出，不同溫度條件下牛糞處理的日產(chǎn)氣量沒有明顯的規(guī)律，牛糞25℃、30℃處理發(fā)動(dòng)較慢，第4天開始有氣體產(chǎn)出，產(chǎn)氣量波動(dòng)較小。牛糞40℃處理從發(fā)動(dòng)開始平均日產(chǎn)氣量持續(xù)下降，到第6天開始進(jìn)入較平穩(wěn)階段至試驗(yàn)結(jié)束。牛糞35℃處理第1天日產(chǎn)氣量較高，接著呈下降趨勢(shì)，第6天日產(chǎn)氣量開始上升，第8天有個(gè)產(chǎn)氣小高峰，接著呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)，但整個(gè)產(chǎn)氣周期日產(chǎn)氣量都相對(duì)較高。

圖4 不同溫度牛糞處理的日產(chǎn)氣量

圖5為不同溫度牛糞加稻草處理的日產(chǎn)氣量。從圖5可以看出，各處理之間日產(chǎn)氣量沒有明顯相似規(guī)律，牛糞加稻草25℃、30℃處理啟動(dòng)較慢，第5天開始產(chǎn)氣，整個(gè)試驗(yàn)周期產(chǎn)氣平穩(wěn)，波動(dòng)不大。牛糞加稻草40℃處理日產(chǎn)氣量波動(dòng)較大，發(fā)動(dòng)開始產(chǎn)氣量較高，前10d呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢(shì)，從第11天開始進(jìn)入平穩(wěn)期，只有小幅波動(dòng)。牛糞加稻草35℃處理第1天日產(chǎn)氣量較高，接著呈下降趨勢(shì)，第4天日產(chǎn)氣量開始上升，第9天有個(gè)產(chǎn)氣小高峰，接著產(chǎn)氣相對(duì)較平穩(wěn)，整體呈下降趨勢(shì)，但整個(gè)產(chǎn)氣周期多數(shù)天數(shù)日產(chǎn)氣量都相對(duì)較高。

圖5 不同溫度牛糞加稻草處理的日產(chǎn)氣量

從圖6可以看出，不同溫度牛糞處理總產(chǎn)氣量從高到低順序?yàn)榕＜S35℃處理>牛糞40℃處理>牛糞30℃處理>牛糞25℃處理，其中牛糞35℃處理總產(chǎn)氣量明顯高于牛糞40℃處理、牛糞30℃處理和牛糞25℃處理。說明牛糞在25～40℃間，不是溫度越高產(chǎn)氣量越高，而是存在一個(gè)適宜的溫度35℃。不同溫度牛糞加稻草處理總產(chǎn)氣量從高到低順序?yàn)榕＜S加稻草35℃處理>牛糞加稻草40℃處理>牛糞加稻草30℃處理>牛糞加稻草25℃處理，其中牛糞加稻草35℃處理總產(chǎn)氣量明顯高于牛糞加稻草40℃處理、牛糞加稻草30℃處理和牛糞加稻草25℃處理。說明牛糞加稻草在25～40℃，不是溫度越高產(chǎn)氣量越高，而是存在一個(gè)適宜的溫度35℃。

圖6 不同溫度牛糞處理和牛糞加稻草處理的總產(chǎn)氣量

3 討論與結(jié)論

在沼氣發(fā)酵過程中，原料固體物濃度(TS)不僅影響厭氧微生物的生長、繁殖及其活性，而且適當(dāng)?shù)墓腆w物濃度，更能提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。對(duì)于牛糞發(fā)酵而言，固體物濃度在8%～14%之間，固體物濃度越高產(chǎn)氣量越高。加入稻草的處理，產(chǎn)氣規(guī)律和純牛糞處理相似，隨著固體物濃度增加產(chǎn)氣量上升，說明稻草增加了牛糞的透氣性。因此，在牛糞的厭氧發(fā)酵中可以適當(dāng)提高發(fā)酵固體物濃度，加入適量的秸稈增加透氣性。

溫度是影響產(chǎn)氣量的重要因素之一，沼氣微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進(jìn)行正常的代謝活動(dòng)。合理的發(fā)酵溫度可以使微生物代謝加快，分解原料的速度也相應(yīng)提高，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都相應(yīng)增高。綜上分析，2個(gè)處理產(chǎn)氣總量規(guī)律相似，存在一個(gè)適宜的溫度35℃。但在25℃時(shí)，加入稻草的牛糞處理總產(chǎn)氣量低于純牛糞處理，說明不是在任何情況下加入稻草都能增加牛糞發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量。