王艷芹,付龍?jiān)?,楊 光,袁長(zhǎng)波,李明華,姚 利*
(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟(jì)南250100;2.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250100;3.華北油田供水供電中心供水運(yùn)行工區(qū),河北滄州062552)
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農(nóng)村有機(jī)生活垃圾等混合物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能
王艷芹1,2,付龍?jiān)?,楊光1,袁長(zhǎng)波1,李明華3,姚利1,2*
(1.山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,濟(jì)南250100;2.山東省農(nóng)業(yè)面源污染防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,濟(jì)南250100;3.華北油田供水供電中心供水運(yùn)行工區(qū),河北滄州062552)
摘要:為獲得有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞混合物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能,為農(nóng)村廢棄物沼氣工程高效運(yùn)行提供依據(jù),在初始總固體(TS)為12%和中溫(35±1)℃條件下,考察了有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈與牛糞三物料不同濕基質(zhì)量比(1∶0∶2、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1∶2∶0)對(duì)厭氧發(fā)酵過(guò)程的影響。結(jié)果表明:與雙物料混合厭氧發(fā)酵相比,三物料混合厭氧消化能顯著提高原料產(chǎn)氣率,有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞配比為1∶1∶1的組合單位TS累積產(chǎn)氣量高于其他處理;不同發(fā)酵物料配比能影響厭氧發(fā)酵完成時(shí)間,隨著秸稈比例的增加,完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間逐漸增長(zhǎng),有機(jī)生活垃圾和牛糞的組合與三者配比為1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5和1∶2∶0的處理相比,厭氧發(fā)酵完成時(shí)間分別縮短了12、15、19、22 d;三物料混合發(fā)酵適宜的配比能平衡發(fā)酵系統(tǒng)中酸的濃度,防止系統(tǒng)酸化,并能提高纖維素半纖維素降解率。綜上認(rèn)為三物料最佳配比為1∶1∶1。
關(guān)鍵詞:厭氧消化;沼氣;農(nóng)村有機(jī)生活垃圾;玉米秸稈;牛糞
王艷芹,付龍?jiān)?,楊光,?農(nóng)村有機(jī)生活垃圾等混合物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2016,35(6):1173-1179..
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據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)每年產(chǎn)生農(nóng)作物秸稈超過(guò)7億多t[1],其中玉米秸稈約有2.16億t,而且超過(guò)一半的玉米秸稈沒(méi)有被利用[2-3]。全國(guó)每年產(chǎn)生畜禽糞便約30億t[4-5]。玉米秸稈、糞便等不合理處理不僅造成很大的資源浪費(fèi),還會(huì)污染環(huán)境。近幾年隨著農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,農(nóng)村生活垃圾產(chǎn)生量也與日俱增。據(jù)統(tǒng)計(jì),全國(guó)農(nóng)村每年生活垃圾產(chǎn)生量約3億t[6],約為城市垃圾產(chǎn)生量的75%,但只有很少的生活垃圾得到處理,處理的方式也僅限于轉(zhuǎn)運(yùn)、填埋。當(dāng)前我國(guó)農(nóng)村能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)不合理,農(nóng)村居民生活用能仍以秸稈、薪柴為主,二者分別占到農(nóng)村居民生活用能的51.46%和28.02%[7]。秸稈不合理利用,降低了其熱值,影響了農(nóng)村空氣環(huán)境質(zhì)量。如何合理高效地處理這些廢棄物,解決農(nóng)村用能,是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
厭氧發(fā)酵因在處理廢棄物的同時(shí)能產(chǎn)生熱、電及燃料而備受人們關(guān)注[8]。目前,通過(guò)厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣以提高秸稈、糞便利用率的方法在一些地區(qū)已得到普遍應(yīng)用[9],但多為單一物料發(fā)酵。為了提高物料發(fā)酵效率,近幾年混合物料厭氧發(fā)酵成為國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一[10]。Ye等[11]研究了稻稈與雞糞、豬糞混合物料厭氧發(fā)酵,發(fā)現(xiàn)雞糞、豬糞和稻稈混合物料厭氧發(fā)酵最佳配比為0.4∶1.6∶1,沼氣產(chǎn)量達(dá)到674.4 L· kg-1VS(揮發(fā)固體),比單獨(dú)稻稈和豬糞發(fā)酵分別提高71.67%和10.41%。Zhou等[12]研究了玉米秸稈和牛糞混合物料厭氧發(fā)酵對(duì)提高沼氣產(chǎn)量的影響,發(fā)現(xiàn)玉米秸稈和牛糞混合發(fā)酵沼氣產(chǎn)量比單一牛糞或單一玉米秸稈都有很大程度提高。李東等[13]研究了稻草與雞糞配比對(duì)混合厭氧消化產(chǎn)氣率的影響,發(fā)現(xiàn)與稻草和雞糞單獨(dú)厭氧消化相比,混合厭氧消化能夠顯著提高原料產(chǎn)氣率,稻草與雞糞VS比為1∶1時(shí),揮發(fā)性固體產(chǎn)氣率能達(dá)到446 mL·g-1。
本研究開(kāi)展了農(nóng)村有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈與牛糞聯(lián)合厭氧發(fā)酵試驗(yàn),考查了混合物料厭氧消化對(duì)產(chǎn)氣效果的影響,以期為農(nóng)村多種廢棄物集中處理提供有效的技術(shù)支撐。
1.1試驗(yàn)概況
在山東省選取15個(gè)村莊和8個(gè)奶牛養(yǎng)殖場(chǎng),對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞各10個(gè)樣品的總固體(TS)含量進(jìn)行了測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1。
1.2試驗(yàn)材料
試驗(yàn)原料為農(nóng)村有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和奶牛糞便,理化性質(zhì)如表2所示。
表1 原料調(diào)研情況Tab1e 1 Genera1 characteristics of feedstocks studied
有機(jī)生活垃圾取自山東省章丘市普集鎮(zhèn)樂(lè)家村分類后的有機(jī)生活垃圾,主要包括蔬果廢棄物和極少量的剩飯剩菜等,用粉碎機(jī)打碎。奶牛新鮮糞便取自山東農(nóng)科院畜牧所奶牛場(chǎng)。玉米秸稈取自山東省章丘市普集鎮(zhèn),切碎后自然風(fēng)干,用粉碎機(jī)粉碎至3~5 mm。接種物取自山東省淄川區(qū)法家村正常運(yùn)行沼氣工程沼渣,該工程原料為秸稈和牛糞。
1.3試驗(yàn)設(shè)置
試驗(yàn)共設(shè)5個(gè)處理,有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞的濕基質(zhì)量比分別為1∶0∶2、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1∶2∶0,另設(shè)置對(duì)照組CK(只以接種物為原料)。每個(gè)處理均進(jìn)行3個(gè)平行試驗(yàn)。設(shè)計(jì)接種率為41%(以接種污泥TS占發(fā)酵原料TS的百分?jǐn)?shù)計(jì)),通過(guò)加入不同量的自來(lái)水調(diào)節(jié)各處理發(fā)酵濃度為12%。添加物料后,向發(fā)酵瓶中吹氮?dú)? min,以保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。試驗(yàn)期間,每天上午9:00測(cè)定沼氣產(chǎn)量,每2~4 d測(cè)定沼氣成分,每3~8 d取樣測(cè)定PH值和揮發(fā)性脂肪酸,測(cè)定厭氧發(fā)酵前后各處理纖維素、半纖維素的值。試驗(yàn)裝置如圖1所示。
1.4指標(biāo)測(cè)定方法
表2 厭氧消化原料的基本特性Tab1e 2 Characteristics of feedstocks used for anaerobic digestion
TS、VS采用烘干失重方法測(cè)定[14];PH值采用PH計(jì)(上海Bante220)測(cè)定;沼氣產(chǎn)量通過(guò)沼氣流量計(jì)(德國(guó)Ritter,TG05-5)測(cè)定;氣體成分采用氣相色譜法測(cè)定(普析GC1100);揮發(fā)性脂肪酸濃度采用氣相色譜法測(cè)定(島津GC-2014);纖維素、半纖維素用木質(zhì)纖維素測(cè)定儀測(cè)定(丹麥FOSS Fibertec2010);總有機(jī)碳(TOC)用TOC測(cè)定儀(德國(guó)耶拿,mu1ti N/C 3100)測(cè)定;總凱氏氮(TKN)用凱氏定氮儀(瑞士BUCHI,Kje Master k-375)測(cè)定。
圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of exPerimenta1 device
2.1產(chǎn)氣情況的變化
如圖2a所示,有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞三物料混合厭氧發(fā)酵日產(chǎn)氣量較穩(wěn)定,三者組合可以促使厭氧消化的平衡。在有機(jī)生活垃圾投加比例不變的情況下,隨著秸稈比例的增加,產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)時(shí)間推遲2~3 d,表明玉米秸稈未預(yù)處理直接進(jìn)行厭氧發(fā)酵,產(chǎn)氣較慢,玉米秸稈比例高,產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)時(shí)間晚。僅有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵,日產(chǎn)氣量較低,產(chǎn)氣持續(xù)時(shí)間較其他處理縮短近30 d,產(chǎn)氣高峰值出現(xiàn)時(shí)間比三物料混合的處理提前3~8 d。這表明僅有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵時(shí)產(chǎn)氣速率快,因?yàn)槎叨紴橐捉到馕锪?。有機(jī)生活垃圾和玉米秸稈混合發(fā)酵,產(chǎn)氣高峰期出現(xiàn)2次,日產(chǎn)氣量也較低,表明有機(jī)生活垃圾和玉米秸稈發(fā)酵過(guò)程中相互影響不大。
一般認(rèn)為,產(chǎn)氣量達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上即可認(rèn)為發(fā)酵基本完成[15-16]。有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞三者比例為1∶0∶2、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5和1∶2∶0的組合完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間分別為23、35、38、42、45 d,表明在有機(jī)生活垃圾投加量不變的情況下,隨著秸稈比例的增加,完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間逐漸增長(zhǎng)。本實(shí)驗(yàn)獲得的完成厭氧發(fā)酵時(shí)間高于任海偉等[17]研究的風(fēng)干秸稈與牛糞混合物料厭氧發(fā)酵完成時(shí)間。分析原因是本實(shí)驗(yàn)的配比為鮮重配比,若以TS計(jì),各處理玉米秸稈比例偏高,未預(yù)處理的玉米秸稈延長(zhǎng)了厭氧發(fā)酵完成時(shí)間。因其中有機(jī)生活垃圾易降解,對(duì)厭氧發(fā)酵完成時(shí)間影響較小。
從圖2b來(lái)看,各處理甲烷濃度(體積分?jǐn)?shù))變化趨勢(shì)基本一致且相差不大,在厭氧消化第6 d以后,基本穩(wěn)定在55%~65%之間。圖2c為單位TS累積產(chǎn)氣量的變化,在有機(jī)生活垃圾投機(jī)比例為1的情況下,玉米秸稈和牛糞配比為0∶2、0.5∶1.5、1∶1、1.5∶0.5和2∶0的組合單位TS累積產(chǎn)氣量分別為142.16、269.19、278.92、190.81、130.81 mL·g-1。二者配比為0.5∶1.5和1∶1的組合單位TS累積產(chǎn)氣量明顯高于其他組合,與陳廣銀等[18]獲得的牛糞所占比例太低會(huì)影響產(chǎn)氣的結(jié)果基本相符。結(jié)果表明對(duì)有機(jī)生活垃圾來(lái)說(shuō),三物料混合發(fā)酵優(yōu)于雙物料混合發(fā)酵,三物料的最佳配比為1∶1∶1,該配比單位TS累積產(chǎn)氣量比有機(jī)生活垃圾與牛糞混合發(fā)酵、有機(jī)生活垃圾與秸稈混合發(fā)酵分別提高96.2%和113.2%。
2.2液相成分的變化
多項(xiàng)研究表明,PH值在7左右時(shí)產(chǎn)甲烷菌比較活躍[19-20]。本試驗(yàn)各處理PH值變化如圖3a所示。有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞配比為1∶0.5∶1.5、1∶1∶1 和1∶1.5∶0.5的處理PH值先降低、后升高,然后趨于穩(wěn)定,穩(wěn)定值基本維持在7左右。這與Lin等[21]的研究類似,表明三物料混合發(fā)酵能互相促進(jìn),平衡PH值。有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵,從發(fā)酵開(kāi)始到第6 d,PH值一直下降至4.7左右,處于嚴(yán)重酸化狀態(tài)。這是因?yàn)橛袡C(jī)生活垃圾自然酸化速度很快,牛糞也屬于易發(fā)酵物質(zhì),二者混合發(fā)酵能延后酸化時(shí)間。有機(jī)生活垃圾和秸稈混合發(fā)酵,從發(fā)酵開(kāi)始到第6 d,PH值也一直下降,到第16 d開(kāi)始回升,第23 d以后處于7左右的穩(wěn)定狀態(tài)。表明添加玉米秸稈有助于有機(jī)生活垃圾酸化過(guò)程的恢復(fù)。
乙酸、丙酸、丁酸是厭氧發(fā)酵過(guò)程中揮發(fā)性脂肪酸的主要組成部分,各種酸的積累與消耗是厭氧反應(yīng)進(jìn)程指示性參數(shù)[22]。從圖3可以看出,五個(gè)不同處理中乙酸、丙酸和丁酸的濃度都呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。這是因?yàn)樗猱a(chǎn)酸菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)酸速率較快,而產(chǎn)甲烷菌的生長(zhǎng)和產(chǎn)甲烷速率較慢。由圖3b可以看出,有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞配比為1∶0.5∶1.5 和1∶1∶1的處理乙酸濃度在厭氧發(fā)酵的0~5 d內(nèi)逐漸升高,在第5 d分別達(dá)到峰值1245、1338 mg·L-1,然后緩慢下降,到第35 d降到60 mg·L-1以下。配比為1∶1.5∶0.5的處理,乙酸濃度在厭氧發(fā)酵的0~9 d內(nèi)逐漸升高,在第9 d達(dá)到峰值925 mg·L-1后緩慢下降,但下降速度較前兩者慢。這表明三物料混合發(fā)酵系統(tǒng)更穩(wěn)定,沒(méi)有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象。有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵,在厭氧發(fā)酵的第3 d乙酸濃度達(dá)到最大值1876 mg·L-1,然后在1200 mg·L-1左右波動(dòng),處于酸化狀態(tài)。這與劉榮厚等[23]和李秀辰等[24]的研究類似。有機(jī)生活垃圾、蔬菜廢棄物和滸苔都屬于易降解物質(zhì),本研究加入的牛糞延后了酸化時(shí)間。有機(jī)生活垃圾和秸稈混合發(fā)酵,乙酸共出現(xiàn)2個(gè)峰值,分別為第3 d的1185 mg·L-1和第12 d的1067 mg·L-1,與PH值的變化有很好的吻合性。
圖2 有機(jī)垃圾、秸稈、牛糞不同比例下厭氧消化產(chǎn)氣速率、甲烷濃度和單位TS累積產(chǎn)氣量Figure 2 Biogas Production rate,methane concentration and unit TS cumu1ative biogas Production of organic demostic wastes,corn straw and cow manure mixture
Griffin等[25]研究表明,丙酸是降解最慢且對(duì)環(huán)境變化最敏感的酸,能對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制。產(chǎn)甲烷菌對(duì)丙酸的耐受濃度為1000 mg·L-1[26]。從圖3c可以看出,各處理都沒(méi)有出現(xiàn)丙酸抑制。分析日產(chǎn)氣率發(fā)現(xiàn),除有機(jī)生活垃圾和牛糞混合發(fā)酵的處理,其他處理產(chǎn)氣高峰期出現(xiàn)較晚,因?yàn)楸峤到廨^慢,延長(zhǎng)了產(chǎn)氣時(shí)間。三物料混合發(fā)酵及有機(jī)生活垃圾與秸稈混合發(fā)酵過(guò)程中,丁酸變化趨勢(shì)基本一致,發(fā)酵30 d后丁酸濃度基本測(cè)不出。而有機(jī)生活垃圾與牛糞混合發(fā)酵時(shí),后續(xù)丁酸濃度一直很高,表明發(fā)酵后期出現(xiàn)了酸抑制,與乙酸分析結(jié)果一致。
圖3 厭氧消化過(guò)程中PH值及揮發(fā)性脂肪酸濃度變化圖Figure 3 Changes of PH and vo1ati1e fatty acid content during anaerobic digestion
2.3纖維素、半纖維素降解率的變化
有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞不同配比混合發(fā)酵前后中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、纖維素和半纖維素的變化如圖4所示。可以看出,配比為1∶1∶1的處理纖維素降解率最高,達(dá)到53.92%,然后依次是配比1∶2∶0、1∶0.5∶1.5、1∶1.5∶0.5和1∶0∶2的處理。配比為1∶2∶0的處理產(chǎn)氣量較低而纖維素降解率較高,表明牛糞的添加會(huì)提高秸稈纖維素降解率。半纖維素的降解率從大到小依次為配比1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1∶2∶0和1∶0∶2的處理,與產(chǎn)氣量規(guī)律基本一致。本文的纖維素、半纖維素降解率低于陳甲甲等[27]的研究,原因可能是本研究為混合物料,且沒(méi)有攪拌等因素影響所致。
圖4 中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、纖維素和半纖維素的降解率Figure 4 Degradation of NDF,ADF,ce11u1ose and hemice11u1oses
(1)合適的物料配比能改善底物的厭氧發(fā)酵性能,并促進(jìn)日產(chǎn)氣量及單位TS累積產(chǎn)氣量。有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞配比1∶1∶1時(shí)累積TS產(chǎn)氣率最高,達(dá)到278.92 mL·g-1。
(2)不同的發(fā)酵物料配比能影響厭氧發(fā)酵速率,改變厭氧發(fā)酵完成時(shí)間。有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞混合厭氧發(fā)酵,在有機(jī)生活垃圾投加比例不變的情況下,完成厭氧發(fā)酵的時(shí)間隨著秸稈比例的增加逐漸增長(zhǎng)。
(3)酸化會(huì)降低產(chǎn)甲烷菌的活性,進(jìn)而抑制厭氧發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行。當(dāng)有機(jī)生活垃圾和牛糞雙物料混合發(fā)酵時(shí),系統(tǒng)會(huì)發(fā)生酸化,添加秸稈會(huì)改善系統(tǒng)性能,且有助于提高纖維素、半纖維素降解率。
(4)有機(jī)生活垃圾、玉米秸稈和牛糞混合厭氧發(fā)酵,在發(fā)酵濃度為12%的情況下,三物料產(chǎn)氣性能優(yōu)于雙物料,最佳物料配比為1∶1∶1。
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Biogas production of rural organic wastes during anaerobic digestion
WANG Yan-qin1,2,F(xiàn)U Long-yun1,YANG Guang1,YUAN Chang-bo1,LI Ming-hua3,YAO Li1,2*
(1.Institute of Agricu1tura1 Resource and Environment,Shandong Academy of Agricu1tura1 Sciences,Jinan 250100;2.Shandong Provincia1 Key Laboratory of Agricu1tura1 Non-Point Source Po11ution Contro1and Prevention,Jinan 250100;3.Water SuPP1y OPeration Area of Water and Power SuPP1y Center,Huabei Oi1fie1d ComPany,Cangzhou 062552,China)
Abstract:Nowadays huge amount of organic wastes has been generated in rura1 area. Recyc1ing these organic wastes is an interesting research toPic. Here an exPeriment was conducted to Produce biogas from rura1 domestic organic wastes by anaerobic digestion. Domestic organic wastes were anaerobica11y co-digested with corn stover and cow manure at different ratios(1∶0∶2,1∶0.5∶1.5,1∶1∶1,1∶1.5∶0.5,and 1∶2∶0,by wet weight ratio)under mesoPhi1ic condition(35±1)℃and tota1 so1id(TS)content of 12%. Biogas Production was much higher from three feedstocks than from two feedstocks. The highest biogas yie1d(278.92 mL·g-1)was obtained with 1∶1∶1 mixture. The digestion time was a1so inf1uenced by the ratios of feedstocks. Increasing ProPortions of corn stover and cow manure extended the fermentation time. The fermentation time of mixture(1∶0∶2)was resPective1y 12,15,19,and 22 day shorter than that of mixtures 1∶0.5∶1.5,1∶1.5∶0.5,and 1∶2∶0. The degradation of ce11u1ose and hemice11u1ose was imProved in the mixture systems. In conc1usion,the oPtima1 mixing ratio was 1∶1∶1. Our resu1ts wou1d shed 1ight on the oPeration of rura1 organic waste biogas Project.
Keywords:anaerobic digestion;biogas;rura1 organic domestic waste;corn stover;cow manure
中圖分類號(hào):X705
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-2043(2016)06-1173-07 doi∶10.11654/jaes.2016.06.021
收稿日期:2015-11-10
基金項(xiàng)目:國(guó)家科技支撐項(xiàng)目(2013BAJ10B11-04);山東省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2014GSF117012);山東省集約蔬菜區(qū)有機(jī)廢棄物沼氣利用技術(shù)研究與示范;“海外泰山學(xué)者”建設(shè)工程專項(xiàng)
作者簡(jiǎn)介:王艷芹(1978—),女,山東濰坊人,副研究員,碩士,主要從事農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)研究。E-mai1:wangyanqin2003@126.com
*通信作者:姚利E-mai1:nkyyao1i@163.com