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氨水預(yù)處理蓖麻秸稈的沼氣干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)*

張加穩(wěn)1，劉麗春2，張無敵1，尹芳1，王昌梅1，

趙興玲1，柳靜1，楊紅1，劉士清1

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650092；2.麗江市農(nóng)村能源管理站，云南 麗江 674100)

摘要：為有效利用農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源，以蓖麻秸稈為發(fā)酵原料，在恒溫30 ℃條件下，探究直接用原料進(jìn)行干發(fā)酵與用2%的氨水對原料進(jìn)行預(yù)處理后再干發(fā)酵兩種情況下的產(chǎn)氣差異.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，前者與后者的發(fā)酵周期分別為77 d和67 d，TS產(chǎn)氣潛力分別為205 mL/g和281 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力分別為213 mL/g和292 mL/g，且直接發(fā)酵過程易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象.可見，以蓖麻秸稈為原料進(jìn)行干發(fā)酵產(chǎn)沼氣是可行的，啟動前用一定量的稀氨水預(yù)處理不僅可以提高產(chǎn)氣潛力，還可避免酸化現(xiàn)象.

關(guān)鍵詞：蓖麻秸稈；氨水預(yù)處理；沼氣干發(fā)酵；產(chǎn)沼氣潛力

1引言

隨著工業(yè)化進(jìn)程的加快和石油的短缺，蓖麻油的需求也隨之增加，這使得蓖麻種植面積擴(kuò)大，蓖麻稈的產(chǎn)量也隨之大幅度增加，如何利用秸稈資源成為新課題[1-3].

近年來，人們對蓖麻的研究仍然集中在蓖麻油的開發(fā)利用，而對蓖麻秸稈的應(yīng)用研究甚少[4-10].本文探究了將蓖麻秸稈用2%的氨水預(yù)處理后進(jìn)行沼氣干發(fā)酵的產(chǎn)沼氣特性，旨在為干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中所產(chǎn)生的蓖麻秸稈的高效利用提供一種新方法.

2材料與方法

2.1材料

2.1.1發(fā)酵原料

發(fā)酵原料取自云南省昆明市呈貢區(qū)種植的蓖麻秸稈，經(jīng)測定，原料的TS為92.57%，VS為96.24%.

2.1.2接種物

接種物是以呈貢區(qū)污水處理廠底泥為原料長期馴化得到，經(jīng)測定其TS為9.51%，VS為52.01%.

2.1.3實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用本實(shí)驗(yàn)室自制的批量式發(fā)酵裝置[11].

2.2方法

2.2.1原料預(yù)處理

將蓖麻秸稈用粉碎機(jī)研成碎末，一部分直接用于發(fā)酵，一部分取2%的氨水50 mL浸泡24 h.

2.2.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計

在30 ℃恒溫條件下進(jìn)行批量式厭氧干發(fā)酵，設(shè)計對照組和實(shí)驗(yàn)組，相同條件下各組設(shè)置3個平行，具體如下：

⑴對照組：200 g接種物+水=400 g混合液；

⑵實(shí)驗(yàn)組一：120 g接種物+65.98 g蓖麻秸稈+水=400 g發(fā)酵原料；

⑶實(shí)驗(yàn)組二：120 g接種物+65.98 g蓖麻秸稈+2%的氨水50 mL+水=400 g發(fā)酵原料.

2.2.3測試參數(shù)及方法

⑴TS測定：將預(yù)處理后的蓖麻秸稈放在(105±5)℃的電熱恒溫烘箱中烘干至恒重，并計算出TS[12].

⑵VS測定：將上述烘干水分的樣品放入(550±20)℃的箱形電阻爐中灼燒至恒重，并計算出VS[12].

⑶pH：采用精密pH試紙測定.

⑷產(chǎn)氣量：采用排水集氣法測量日產(chǎn)氣量.

⑸甲烷含量：采用GC-6890A型氣相色譜儀測定沼氣甲烷含量.

3結(jié)果與討論

3.1發(fā)酵料液降解分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，兩種發(fā)酵情況下料液的TS、VS及pH指標(biāo)的測定結(jié)果如表1所示.

表1　蓖麻秸稈發(fā)酵前后的TS、VS及pH變化

從表1可以看出，發(fā)酵后，未處理組料液的TS和VS降解率分別為21.39%和12.26%，處理組料液的TS和VS降解率分別為26.68%和17.2%，表明2%的氨水能顯著提高蓖麻秸稈在厭氧干發(fā)酵中的降解率，其TS和VS降解率分別提高了24.73%和40.29%.表中顯示未處理組的料液在發(fā)酵前后pH變化較大，而處理組料液在發(fā)酵前后pH始終保持弱堿性，綜合分析表明沼氣干發(fā)酵中的微生物群落在弱堿性條件下代謝更旺盛[11].

3.2產(chǎn)氣情況及分析

3.2.1日產(chǎn)氣量分析

圖1中兩條曲線分別表示蓖麻秸稈在不作任何處理和用2%的氨水處理兩種條件下進(jìn)行厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣的日產(chǎn)氣量變化，從圖中可以看出，未處理組第1天即開始產(chǎn)氣，且達(dá)到850 mL，但不能燃燒，經(jīng)測定其甲烷含量僅為14%，主要以CO2為主，后面連續(xù)9 d幾乎停止產(chǎn)氣，這是沼氣發(fā)酵酸化的典型標(biāo)志；第11-27天產(chǎn)氣恢復(fù)正常，在第25天出現(xiàn)了一次產(chǎn)氣高峰為400 mL；隨后第28-36天又停止產(chǎn)氣，出現(xiàn)二次酸化現(xiàn)象；第37天至發(fā)酵結(jié)束產(chǎn)氣再次正常，第38天達(dá)二次產(chǎn)氣高峰490 mL.處理組的整個發(fā)酵過程未出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，且總體符合沼氣發(fā)酵中間高兩邊低的產(chǎn)氣規(guī)律，甲烷含量也較高，在第34天達(dá)產(chǎn)氣高峰980 mL.通過對比可得出2%的氨水處理后可使蓖麻秸稈的發(fā)酵體系更穩(wěn)定，不易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，這主要是因?yàn)閰捬醺砂l(fā)酵初期接種物中的水解菌與產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌的數(shù)量遠(yuǎn)多于產(chǎn)甲烷菌，導(dǎo)致有機(jī)酸的積累，氨水起到酸堿緩沖的效果，最終促使發(fā)酵體系中的微生物快速趨于平衡.

圖1　日產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化曲線

3.2.2累積產(chǎn)氣量分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，分別對兩個實(shí)驗(yàn)組發(fā)酵周期內(nèi)每一天的累計產(chǎn)氣量作圖分析，其變化曲線見如圖2.

圖2　累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化曲線

圖2中兩條曲線分別表示發(fā)酵周期內(nèi)每一天的累積產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化，處理組在第1-10天產(chǎn)氣量趨于平緩，而未處理組保持不變且高于處理組的累計產(chǎn)氣量，原因是處理組在啟動初期，其發(fā)酵體系中的微生物處于適應(yīng)階段，產(chǎn)氣速率較慢，而未處理組第1天產(chǎn)氣就達(dá)850 mL，但氣體成分主要是CO2，不能燃燒，第2天后體系酸化停止產(chǎn)氣.隨后，處理組產(chǎn)氣呈快速增長趨勢，至第39天趨于平緩，未處理組從第11天又開始緩慢產(chǎn)氣，但整個過程的產(chǎn)氣速率及最終累計產(chǎn)氣量明顯弱于處理組，原因可能是氨水為微生物提供氮素，提高碳氮比，使其維持在發(fā)酵的正常范圍(20∶1～30∶1)；維持發(fā)酵體系的酸堿平衡；能有效促進(jìn)纖維素內(nèi)部酯鍵的水解，進(jìn)而提高原料的降解率.

3.2.3產(chǎn)氣速率分析

為了有效衡量兩個實(shí)驗(yàn)組在整個發(fā)酵周期內(nèi)產(chǎn)氣速率隨發(fā)酵時間變化的規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對每天的累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比作圖分析，其結(jié)果見圖3.

圖3　產(chǎn)氣速率隨發(fā)酵時間的變化

圖3顯示，在整個發(fā)酵過程中，處理組變化曲線明顯比未處理組陡峭，兩者的發(fā)酵周期分別為為67 d、77 d，且后者在兩個時間段出現(xiàn)了停止產(chǎn)氣現(xiàn)象，說明前者的產(chǎn)氣速率更快且發(fā)酵體系更穩(wěn)定，蓖麻秸稈在實(shí)際厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝中應(yīng)選擇用稀氨水進(jìn)行預(yù)處理.處理組發(fā)酵至第36天時，累計產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的80%，說明原料發(fā)酵產(chǎn)氣主要集中在前36 d，在實(shí)際沼氣發(fā)酵工藝中，為了有效縮短成本的回收期，發(fā)酵罐的水力滯留時間(HRT)應(yīng)設(shè)計為36 d.

3.3產(chǎn)氣潛力分析

根據(jù)蓖麻秸稈的TS和VS及相關(guān)數(shù)據(jù)，計算其厭氧干發(fā)酵產(chǎn)氣潛力，結(jié)果見表2.

表2　蓖麻秸稈的產(chǎn)氣潛力

3.4產(chǎn)氣潛力的對比

為了綜合分析評價蓖麻秸稈厭氧干發(fā)酵的產(chǎn)沼氣潛力，將其與常見發(fā)酵原料進(jìn)行對比，統(tǒng)計結(jié)果表見表3.

表3　常規(guī)發(fā)酵原料的產(chǎn)沼氣潛力

表3顯示，在厭氧干發(fā)酵實(shí)驗(yàn)中，蓖麻秸稈的產(chǎn)沼氣潛力比牛糞和玉米秸稈、奶牛糞和浮萍兩組混合原料的低，原因可能是糞便與其他原料混合后更適合厭氧干發(fā)酵體系中微生物的生長和繁殖，進(jìn)而能促進(jìn)原料的消化降解.然而，蓖麻秸稈的干發(fā)酵產(chǎn)氣潛力與其他單種發(fā)酵原料相比明顯偏高，與產(chǎn)氣潛力較低的水葫蘆渣相比，TS產(chǎn)氣潛力為其3.7倍，VS產(chǎn)氣潛力為其3.4倍，甚至還高于大多數(shù)原料的濕發(fā)酵產(chǎn)氣潛力.綜合對比，蓖麻秸稈作為厭氧干發(fā)酵的原料是可行的，但有必要進(jìn)一步探究糞便與其混合后發(fā)酵的產(chǎn)氣潛力.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：蓖麻秸稈在恒溫30 ℃條件下進(jìn)行干發(fā)酵產(chǎn)沼氣是可行的，但用原料直接進(jìn)行干發(fā)酵和用2%的氨水預(yù)處理后進(jìn)行干發(fā)酵的產(chǎn)氣情況存在差異：前者與后者的發(fā)酵周期分別為77 d和67 d，TS產(chǎn)氣潛力分別為205 mL/g和281 mL/g，VS產(chǎn)氣潛力分別為213 mL/g和292 mL/g，且前者易出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，后者產(chǎn)氣正常，甲烷含量也較高.可見，2%的氨水對蓖麻秸稈預(yù)處理后既可維持干發(fā)酵工藝的正常進(jìn)行，避免酸化現(xiàn)象，還能加速原料中有機(jī)物的降解，明顯提高其產(chǎn)氣潛力.

蓖麻秸稈用2%的氨水預(yù)處理后產(chǎn)氣情況較好的原因也可能是氨水為微生物提供了氮素，提高碳氮比，使其維持在發(fā)酵的正常范圍(20∶1～30∶1)；維持發(fā)酵體系的酸堿平衡，能有效促進(jìn)纖維素內(nèi)部酯鍵的水解，進(jìn)而提高原料的降解率.

在實(shí)際沼氣干發(fā)酵工藝中，若以蓖麻秸稈作為發(fā)酵原料，建議用稀氨水預(yù)處理，由實(shí)驗(yàn)得出此發(fā)酵過程的產(chǎn)沼氣時間主要集中在前36 d，此過程的累計產(chǎn)氣量約為總產(chǎn)氣量的80%，故在設(shè)計沼氣工程時，為了有效縮短投資成本的回收期，發(fā)酵罐的水力滯留時間(HRT)應(yīng)設(shè)計為36 d.

文章探究了蓖麻秸稈用稀氨水預(yù)處理后進(jìn)行干發(fā)酵的產(chǎn)沼氣情況，目的是為蓖麻種植業(yè)所產(chǎn)生的秸稈進(jìn)行合理高效利用提供一種新的方法，但其沼氣發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)還有待進(jìn)一步探究.

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The Experiment of Biogas Dry Fermentation

with Ammonia Pretreatment of Castor Stalk

ZHANG Jia-wen1, LIU Li-chun2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1,

WANG Chang-mei1, ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1, Liu Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650092,China;

2.Rural Energy Management Station of Lijiang,Lijiang 674100,China)

Abstract:In order to avoid the waste of agricultural biomass resources, this study explored the methane-producing differences of dry fermentation in both cases that directly ferment and ferment after pretreatment of 2% ammonia,which used castor stalk fermentation as raw material under the condition of constant temperature 30 ℃.The results showed that fermentation period were 77 d,67 d respectively and biogas potential were 205 mL/g(TS),281 mL/g(VS) and 213 mL/g(TS),292 mL/g(VS) respectively.Moreover,the former was prone to acidize.Obviously,it is feasible to use castor straw as raw material of dry fermentation to produce biogas.The pretreatment with a certain amount of dilute aqua ammonia for castor straw can not only improve the gas potential, but also avoid the phenomenon of acidification.

Keywords:Castor stalk; Ammonia pretreatment; Biogas dry fermentation; Anaerobic fermentation potential

中圖分類號：S216.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1007-9793(2015)06-0008-05

通信作者：張無敵(1965-)，男，云南石屏人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能開發(fā)及利用方面研究；尹芳(1967-)，女，云南石屏人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能研究與開發(fā)利用方面研究.

作者簡介：張加穩(wěn)(1989-)，男，云南富源人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面研究.

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20135303110001)、國家自然科學(xué)基金(51366015)、云南省應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金(2014FA030)和云南省科技創(chuàng)新提升計劃(2013DH041)聯(lián)合資助項(xiàng)目.

收稿日期：*2015-10-08