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稻殼類酒糟與不同接種物厭氧消化的實(shí)驗(yàn)研究*

楊益瓊1，劉麗春2，張無(wú)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：為研究稻殼類酒糟的產(chǎn)沼氣潛力及特性，以其為原料，在恒溫30 ℃條件下，分別用實(shí)驗(yàn)室正常沼氣發(fā)酵后的混合厭氧活性污泥和秸稈半連續(xù)干發(fā)酵后的發(fā)酵殘留物作為接種物進(jìn)行厭氧消化.結(jié)果表明：以混合厭氧活性污泥為接種物的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別是369 mL/g·TS和424 mL/g·VS，以秸稈發(fā)酵殘留物為接種物的TS產(chǎn)氣率和VS產(chǎn)氣率分別是468 mL/g·TS和538 mL/g·VS.

關(guān)鍵詞：稻殼酒糟；不同接種物；厭氧消化

釀酒后留下的酒糟，品質(zhì)較好的能進(jìn)行二次利用，即與秸稈飼料摻在一起喂養(yǎng)畜禽；或是經(jīng)過(guò)發(fā)酵后生產(chǎn)出營(yíng)養(yǎng)價(jià)值更高的飼料[1].而一些稻殼類的酒糟，往往會(huì)因?yàn)槔脙r(jià)值低而被丟棄，不僅浪費(fèi)了資源，而且會(huì)對(duì)環(huán)境造成一定的負(fù)面影響.因此，探討稻殼類酒糟厭氧發(fā)酵是實(shí)現(xiàn)資源利用最大化及可再生能源技術(shù)推廣的重要途徑.

本文采用兩種不同的接種物對(duì)酒糟進(jìn)行發(fā)酵潛力研究，以尋找產(chǎn)氣潛力較好的接種物，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究提供基礎(chǔ).

1材料與方法

1.1材料

1.1.1發(fā)酵原料

厭氧發(fā)酵的原料來(lái)源于湖南長(zhǎng)沙某酒廠的稻殼類酒糟，各參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　原料參數(shù)

1.1.2接種物

設(shè)計(jì)兩種接種物：

A：實(shí)驗(yàn)室正常沼氣發(fā)酵后的混合厭氧活性污泥；

B：實(shí)驗(yàn)室秸稈半連續(xù)干發(fā)酵后的發(fā)酵殘留物.

1.1.3實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)室自制的容積為500 mL的批量式發(fā)酵裝置[2].

1.2方法

1.2.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及料液配比

A：混合類接種物，配料如下(實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均設(shè)3個(gè)平行)：

實(shí)驗(yàn)組：47 g酒糟，120 mL接種物，加水至400 mL；

對(duì)照組：120 mL接種物，加水至400 mL；

B：秸稈類接種物，配料如下(實(shí)驗(yàn)組與對(duì)照組均設(shè)3個(gè)平行)：

實(shí)驗(yàn)組：28 g酒糟，120 mL接種物，加水至400 mL；

對(duì)照組：120 mL接種物,加水至400 mL.

1.2.2測(cè)試項(xiàng)目及方法

(1)TS測(cè)定：將樣品置于烘箱在(105±5)℃下烘至恒重，計(jì)算樣品除去水分后所剩干物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[3]；

⑵VS測(cè)定：將測(cè)定TS后的樣品置于馬弗爐在(550±20)℃燃燒之恒重，計(jì)算除去有機(jī)質(zhì)后所剩物質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)[3]；

⑶pH測(cè)定：采用5.7～8.5精密pH試紙測(cè)定；

⑷產(chǎn)氣量測(cè)定：采用排水集氣法來(lái)測(cè)量每天的產(chǎn)氣量.實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)后，每天同一時(shí)間記錄產(chǎn)氣量；

⑸甲烷含量測(cè)定：采用福立GC9790Ⅱ型氣相色譜儀來(lái)測(cè)定甲烷含量[4].

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

發(fā)酵實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了30 d，對(duì)發(fā)酵前后發(fā)酵料液的TS、VS及pH變化進(jìn)行了分析，對(duì)產(chǎn)氣量及甲烷含量進(jìn)行了測(cè)定，比較兩種接種物最終的TS產(chǎn)氣速率，得到相對(duì)適合稻殼酒糟厭氧發(fā)酵的接種物.

2.1產(chǎn)氣情況分析

兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組(已除去對(duì)照組的產(chǎn)氣量)的日產(chǎn)氣量變化曲線如圖1所示.該實(shí)驗(yàn)在啟動(dòng)30 d后每天產(chǎn)氣量已少于30 mL，可認(rèn)為發(fā)酵過(guò)程完成.兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組在啟動(dòng)后迅速產(chǎn)氣，且第1天所產(chǎn)氣體就能點(diǎn)燃.以混合厭氧活性污泥為接種物的實(shí)驗(yàn)組(實(shí)驗(yàn)組A)第1天產(chǎn)氣非常高，有780 mL，但其中前12 h產(chǎn)生的氣體(430 mL)為廢氣，不能點(diǎn)燃，后12 h恢復(fù)正常產(chǎn)氣.以秸稈發(fā)酵殘留物為接種物的實(shí)驗(yàn)組(實(shí)驗(yàn)組B)的整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程相對(duì)平穩(wěn)，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)高或過(guò)低的產(chǎn)氣現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)組A剛開(kāi)始產(chǎn)氣十分理想，但產(chǎn)氣高峰持續(xù)不長(zhǎng)，15 d以后產(chǎn)氣明顯降低.

圖1　產(chǎn)氣曲線圖

所產(chǎn)氣體的甲烷含量如圖2所示.

最初所產(chǎn)氣體的甲烷含量相對(duì)要低一些，其后甲烷含量都相對(duì)比較穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)組A：甲烷含量平均值65.88%，范圍49.85%～77.05%；實(shí)驗(yàn)組B：甲烷含量平均值65.83%，范圍57.85%～70.43%.可以看出，兩種接種物發(fā)酵所得氣體的甲烷含量都比較高且穩(wěn)定.

圖2　甲烷含量

類別 實(shí)驗(yàn)組A 實(shí)驗(yàn)組B 對(duì)照組A 對(duì)照組B 發(fā)酵前發(fā)酵后發(fā)酵前發(fā)酵后發(fā)酵前發(fā)酵后發(fā)酵前發(fā)酵后TS/%6.725.027.315.583.913.614.454.05VS/%82.5577.5083.3879.8379.7272.5681.1477.93TS降解率/%VS降解率/%25.296.1123.664.267.678.988.9883.95pH7.57.57.57.27.07.07.07.0

2.2發(fā)酵前后發(fā)酵液的TS、VS值及pH變化

發(fā)酵前后發(fā)酵液的TS、VS及pH變化情況見(jiàn)表2.

從表2可知，在經(jīng)過(guò)30 d的發(fā)酵后，各組發(fā)酵液的TS、VS都發(fā)生了一定程度的降解，實(shí)驗(yàn)組的降解率均高于對(duì)照組.但從實(shí)驗(yàn)組A的TS降解率25.29%和實(shí)驗(yàn)組B的TS降解率23.66%可看出，其降解率都不高，說(shuō)明產(chǎn)氣潛力還有待進(jìn)一步提高.就pH情況來(lái)說(shuō)，幾乎沒(méi)有變化，維持在發(fā)酵的最佳pH范圍內(nèi).

2.3產(chǎn)氣潛力分析

2.3.1產(chǎn)氣速率

實(shí)驗(yàn)組A與實(shí)驗(yàn)組B的產(chǎn)氣速率見(jiàn)表3.

表3　酒糟的產(chǎn)氣速率

由表3可知，在第5天，實(shí)驗(yàn)組A的產(chǎn)氣速率就超過(guò)了50%，說(shuō)明原料對(duì)混合厭氧活性污泥接種物的適應(yīng)情況非常好，第20天的時(shí)候產(chǎn)氣速率就達(dá)到94.54%，其后，產(chǎn)氣速率明顯減緩，第21-30天的產(chǎn)氣量?jī)H占總產(chǎn)氣量的5.46%，產(chǎn)氣主要集中在前20 d[5]，即水力滯留時(shí)間為20 d.

秸稈類接種物實(shí)驗(yàn)組的產(chǎn)氣速率在剛開(kāi)始沒(méi)有混合厭氧活性污泥接種物實(shí)驗(yàn)組的高，整個(gè)產(chǎn)氣過(guò)程很平穩(wěn)，在25 d后，產(chǎn)氣速率到達(dá)90.94%.主要產(chǎn)氣集中在前25 d,即水力滯留時(shí)間為25 d.

2.3.2產(chǎn)氣潛力分析及比較

綜合圖2和表3，對(duì)酒糟與不同接種物的厭氧發(fā)酵進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)[6]，結(jié)果見(jiàn)表4.

表4　產(chǎn)氣潛力

通過(guò)前面的產(chǎn)氣速率分析可知，混合厭氧活性污泥接種物實(shí)驗(yàn)組的總產(chǎn)氣量6 410 mL高于秸稈類接種物實(shí)驗(yàn)組的總產(chǎn)氣量4 855 mL.但經(jīng)過(guò)計(jì)算后可得出，混合厭氧活性污泥接種物的實(shí)驗(yàn)組TS產(chǎn)氣率369 mL/g·TS要小于秸稈類接種物實(shí)驗(yàn)組的TS產(chǎn)氣率468 mL/g·TS.從產(chǎn)氣潛力來(lái)看，秸稈類接種物更適合于酒糟的厭氧發(fā)酵.

為了進(jìn)一步說(shuō)明稻殼類酒糟的產(chǎn)氣潛力，將其與其他農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物產(chǎn)沼氣潛力進(jìn)行比較，結(jié)果如見(jiàn)表5.

表5　各種原料的產(chǎn)沼氣潛力

從表5可知，各類農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物的產(chǎn)氣潛力都比較高，因此，將農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧沼氣發(fā)酵是可行的.從發(fā)酵周期及綜合利用率來(lái)看，以稻殼類酒糟為原料的水力滯留時(shí)間短，投資回收期短，有更高的經(jīng)濟(jì)效益.

3結(jié)論

以稻殼酒糟為發(fā)酵原料，在30 ℃下，用實(shí)驗(yàn)室正常沼氣發(fā)酵后混合厭氧活性污泥為接種物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，產(chǎn)氣主要集中在前20 d，TS產(chǎn)氣率369 mL/g·TS.

以稻殼酒糟為發(fā)酵原料，在30 ℃條件下，用實(shí)驗(yàn)室秸稈半連續(xù)干發(fā)酵完后的發(fā)酵殘留物為接種物進(jìn)行厭氧消化，產(chǎn)氣主要集中在前25 d，TS產(chǎn)氣率468 mL/g·TS.

從產(chǎn)氣潛力來(lái)看，秸稈類接種物更適合于稻殼類酒糟厭氧發(fā)酵.

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Experimental Study on Biogas Production by Anaerobic Digestion of

Vinasse of Rice Husk Category with Different Inoculum

YANG Yi-qiong1, 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 study the biogas production potential about vinasse of rice husk category, design vinasse mixed with different inoculum at 30 ℃.The results shows the TS gas production potential of mixed inoculum was 369 mL/g·TS,and the TS gas production potential of straw inoculum was 468 mL/g·TS.

Keywords:Vinasse of rice husk category; Different inoculum; Anaerobic digestion

中圖分類號(hào)：S216.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-9793(2015)06-0013-05

通信作者：劉士清(1964-)，男，云南江川人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事生物質(zhì)能開(kāi)發(fā)及利用方面研究.

作者簡(jiǎn)介：楊益瓊(1990-)，女，云南劍川人，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(guó)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(jì)劃(2013DH041)聯(lián)合資助項(xiàng)目.

收稿日期：*2015-10-06