王鑫宇， 龐少靜， 朱 琦， 宋海農(nóng)， 夏興良， 羅春鳳， 朱紅祥,3

(1.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 廣西 南寧 530007； 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530022； 3.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 4.廣西師范學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院， 廣西 南寧 530001)

添加豬糞對(duì)稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響

王鑫宇1,4， 龐少靜2， 朱 琦1， 宋海農(nóng)1， 夏興良1， 羅春鳳1， 朱紅祥1,3

(1.廣西博世科環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 廣西 南寧 530007； 2.廣西壯族自治區(qū)環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院， 廣西 南寧 530022； 3.廣西大學(xué) 輕工與食品工程學(xué)院， 廣西 南寧 530004； 4.廣西師范學(xué)院 環(huán)境與生命科學(xué)學(xué)院， 廣西 南寧 530001)

文章以稻草為發(fā)酵主原料，考察添加不同豬糞量對(duì)稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響。結(jié)果表明，添加適量的豬糞能改善稻草厭氧消化的產(chǎn)氣性能，均衡日產(chǎn)氣量，避免單一稻草厭氧消化日產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)；添加大量豬糞不利于混合物料被充分利用產(chǎn)氣，而且會(huì)造成消化液中氨氮的積累和SCOD值的增加；當(dāng)添加的豬糞量達(dá)到稻草與豬糞的VS比為3∶1時(shí)，物料厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)氣量值為310 mL·g-1TS，比單獨(dú)稻草厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量高4%。

厭氧消化； 稻草； 豬糞； 產(chǎn)氣量

我國(guó)是發(fā)展中國(guó)家的農(nóng)業(yè)大國(guó)之一，根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，我國(guó)每年產(chǎn)生的各類農(nóng)作物秸稈約7億多噸，其中稻草秸稈、小麥秸稈和玉米秸稈這3種秸稈占到了75%以上[1-2]。近年來(lái)，隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平和農(nóng)民生活水平的提高，對(duì)原來(lái)用作肥料和燃料的農(nóng)業(yè)廢棄物利用越來(lái)越少，大量剩余秸稈被隨意丟棄田間甚至直接焚燒，不僅造成資源浪費(fèi)，而且已經(jīng)成為我國(guó)農(nóng)業(yè)面源污染以及大氣污染的嚴(yán)重污染源[3]。因此，研究開(kāi)發(fā)秸稈資源化利用是目前迫切解決的問(wèn)題。

秸稈資源化利用中的厭氧消化技術(shù)還不成熟，而且缺乏專用配套設(shè)施，目前對(duì)于秸稈厭氧消化的研究主要集中在反應(yīng)器及發(fā)酵工藝改進(jìn)、原料預(yù)處理以及營(yíng)養(yǎng)調(diào)控等[4-5]。對(duì)于營(yíng)養(yǎng)調(diào)控，除了添加碳酸氫氨和尿素等化學(xué)試劑外，還可以利用不同物料混合進(jìn)行調(diào)控。文章通過(guò)添加豬糞與稻草混合厭氧消化，考察添加豬糞量對(duì)日產(chǎn)氣性能的影響、單位TS總產(chǎn)氣量的影響以及消化后沼液成分分析，以期為稻草厭氧消化提供設(shè)計(jì)和運(yùn)行依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 原料和接種污泥

試驗(yàn)原料稻草取自廣西玉林市陸川縣某農(nóng)家的干稻草，經(jīng)磨碎機(jī)磨碎至粒徑約20目后，裝入密封袋保存待用；新鮮豬糞取自廣西玉林市陸川縣某豬場(chǎng)，呈現(xiàn)半固態(tài)，經(jīng)簡(jiǎn)單手工除雜后置于4℃冰箱內(nèi)待用；接種污泥取自廣西貴港市某污水處理廠沼氣工程發(fā)酵罐內(nèi)，取回后常溫密封保存待用。原料和接種污泥的基本性質(zhì)如表1所示。

表1 原料和接種污泥的基本性質(zhì) (%)

注：TS為總固體，VS為揮發(fā)性固體，C/N為碳氮比。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)采用批式厭氧消化，試驗(yàn)裝置由3個(gè)醫(yī)用500 mL玻璃鹽水瓶組成，采用中溫(35℃±1℃)厭氧消化，各鹽水瓶由醫(yī)用輸液管連接，其中一個(gè)作為厭氧反應(yīng)器，工作體積300 mL及以上，另外兩個(gè)分別作為排水瓶和收集瓶。采用排水集氣法收集沼氣，每天用量筒量取排出液體積并記錄。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按原料稻草量為4 g，分別添加豬糞量為0 g，6 g，9 g，12 g，15 g和18 g，編號(hào)分別記為R1，R2，R3，R4，R5和R6，相應(yīng)的TS和VS比如表2所示。試驗(yàn)用去離子水調(diào)配進(jìn)料負(fù)荷為5%(以TS計(jì))，接種污泥量均為200 mL。接種后密封置于恒溫振蕩箱中，消化溫度控制在35℃±1℃，轉(zhuǎn)速為90 r·min-1。試驗(yàn)過(guò)程中，每日手動(dòng)搖勻一次，同時(shí)記錄產(chǎn)氣量；試驗(yàn)結(jié)束后分析消化液的SCOD，pH值,氨氮等指標(biāo)，并通過(guò)分析日產(chǎn)氣量、單位TS總產(chǎn)氣量，研究添加豬糞對(duì)稻草厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響。其中SCOD測(cè)定采用重鉻酸鹽法；pH值測(cè)定采用玻璃電極法測(cè)定；氨氮濃度采用水楊酸-次氯酸鹽分光光度法測(cè)定。

表2 稻草與豬糞混合比例

2 結(jié)果與討論

2.1 厭氧消化

2.1.1 日產(chǎn)氣量

添加豬糞對(duì)稻草厭氧消化日產(chǎn)氣量影響曲線如圖1所示。由圖可知，稻草厭氧消化隨著豬糞添加量的增加，日產(chǎn)氣量曲線整體向上移動(dòng)。未添加豬糞的R1在第2天出現(xiàn)一個(gè)產(chǎn)氣高峰后，便迅速下降。R2和R3在第3天出現(xiàn)第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，日產(chǎn)氣量為162 mL和167 mL，隨后日產(chǎn)氣量下降趨勢(shì)較R1緩慢，其中R2還在第6天出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，峰值為152 mL。R4，R5和R6則在第1天就出現(xiàn)了產(chǎn)氣高峰，峰值為170 mL、206 mL和225 mL；第2天小幅下降后，R4在第3天出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，峰值為188 mL；R5和R6則在第4天才出現(xiàn)第2個(gè)產(chǎn)氣高峰，峰值為200 mL和215 mL；R4、R5和R6均在第6天出現(xiàn)第3個(gè)產(chǎn)氣高峰，峰值為177 mL,187 mL和209 mL，隨后產(chǎn)氣量呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。由此可見(jiàn)，添加適量的豬糞能改善稻草厭氧消化的產(chǎn)氣性能，均衡日產(chǎn)氣量，避免單一稻草原料發(fā)酵日產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)；另外由R4,R5和R6在第2天產(chǎn)氣量出現(xiàn)小幅下降，這是由于添加了較多的豬糞，豬糞中含有大量的銨態(tài)氮，對(duì)稻草厭氧條件下水解酸化產(chǎn)生的酸起到了緩沖作用，促進(jìn)稻草水解加快酸化，同時(shí)也對(duì)甲烷菌的生理活動(dòng)產(chǎn)生了一定的抑制影響，所以添加適量的豬糞，才有利于稻草原料的充分利用產(chǎn)氣。

圖1 R1～R6日產(chǎn)氣量特性曲線

2.1.2 單位TS總產(chǎn)氣量

厭氧消化單位TS總產(chǎn)氣量如圖2所示。從圖中可以看出，添加不同豬糞量的稻草厭氧消化單位TS總產(chǎn)氣量隨著添加量的增加先上升后下降的趨勢(shì)，其中R3的單位TS總產(chǎn)氣量為302 mL·g-1，比單獨(dú)稻草(R1)厭氧消化單位TS總產(chǎn)氣量298 mL·g-1高1.3%；R4、R5和R6的單位TS總產(chǎn)氣量為291 mL·g-1,289 mL·g-1和289 mL·g-1，較R1的單位TS總產(chǎn)氣量小2.3%，3%和3%。由此可見(jiàn)，當(dāng)豬糞的添加量超過(guò)一定量時(shí)，稻草混合物料厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量就會(huì)下降，消化物料的利用效率反而下降。這是由于豬糞中含有大量易分解的有機(jī)物，使反應(yīng)前期產(chǎn)氣量增加，當(dāng)添加量超過(guò)一定量時(shí)，消化液中的銨態(tài)氮就會(huì)累積增加，致使厭氧消化產(chǎn)氣效率下降。在筆者試驗(yàn)中，當(dāng)添加的豬糞量與稻草的質(zhì)量比為6∶4(R2)時(shí)，即稻草與豬糞的VS比為3∶1時(shí)，物料厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量最大為310 mL·g-1，比單獨(dú)稻草厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量高4%，最有利于物料厭氧消化產(chǎn)氣。

圖2 R1～R6單位TS總產(chǎn)氣量

2.2 沼液成分分析

2.2.1 pH值和SCOD值

R1～R6消化液的pH值分別為7.2,7.3,7.2,7.3,7.3,7.2，SCOD值分別為836 mg·L-1,1122 mg·L-1,930 mg·L-1,843 mg·L-1,850 mg·L-1,998 mg·L-1。從pH值可以知道，添加豬糞量對(duì)消化后消化液酸堿影響不大；消化液中SCOD值隨著豬糞添加量的增加呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)，但均比未添加豬糞的高，說(shuō)明添加豬糞會(huì)使得消化后的消化液SCOD增加，增加量在0.8%～35%之間，這是由于豬糞中含有某些有機(jī)物不能水解被厭氧微生物利用，而造成了消化液中SCOD的增加。

2.2.2 氨氮含量

消化液中氨氮的含量如圖3所示。從圖中可以看出，隨著豬糞添加量的增加，氨氮含量相應(yīng)增加。R1的氨氮量(227 mL·g-1)較R2的氨氮量(131 mL·g-1)高，是因?yàn)閱为?dú)稻草厭氧消化時(shí)，根據(jù)厭氧消化C/N的需求添加了尿素。R2～R6則是不添加尿素來(lái)補(bǔ)充氮源的厭氧消化，而是由豬糞中含的氮來(lái)提供，最終消化液的氨氮含量分別為131 mL·g-1，225 mL·g-1，244 mL·g-1，287 mL·g-1，326 mL·g-1。

由R1和R3的氨氮含量相當(dāng)，說(shuō)明當(dāng)豬糞添加量為9 g時(shí)，即稻草與豬糞的VS比為3∶1.5，與添加尿素來(lái)補(bǔ)充氮源的效果相當(dāng)，所以添加適量的豬糞可以有效補(bǔ)充稻草厭氧消化所需的氮源，并能有效緩沖物料酸化過(guò)程，但過(guò)量的添加豬糞會(huì)造成消化液中氨氮的積累。

圖3 消化液中氨氮含量

3 結(jié)論

添加適量的豬糞能改善稻草厭氧消化的產(chǎn)氣性能，均衡日產(chǎn)氣量，避免單一稻草原料發(fā)酵日產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)；但大量添加豬糞不利于混合物料被充分利用產(chǎn)氣，而且會(huì)造成消化液中氨氮的積累和SCOD值的增加，SCOD值的增加量在0.8%～35%之間。試驗(yàn)研究表明，當(dāng)豬糞的添加量達(dá)到稻草與豬糞的VS比為3∶1時(shí)，物料厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量最大，產(chǎn)氣量值為310 mL·g-1TS，比單獨(dú)稻草厭氧消化的單位TS總產(chǎn)氣量高4%，最有利于混合物料厭氧消化產(chǎn)氣。

[1] 鄒星星,鄭 正,陳廣銀,等.稻草中溫厭氧消化產(chǎn)氣初步研究[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(5):275-278.

[2] 劉秀娟,李 暉,薛金紅,等.稻草秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2012,40(2):957-929.

[3] 何榮玉,袁月祥,閆志英,等.提高沼氣產(chǎn)量的外源添加物篩選研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011(1):194-199.

[4] Nizami A S, Korres N E, Murphy J D. Review of the integrated process for the production of grass biomethane[J].Environ Sci Technol,2009,43(22): 496-508.

[5] 陳廣銀,鄭 正,鄒星星,等.稻草與豬糞混合厭氧消化特性研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,28(1):185-18.

Effects of Adding Pig Manure on Anaerobic Digestion of Rice Straw /

WANG Xin-yu1，4， PANG Shao-jing2， ZHU Qi1， SONG Hai-nong1， XIA Xing-liang1， LUO Chun-feng1， ZHU Hong-xiang1，3/

(1.Guangxi Bossco Environment Protecting Technology Co LTD, Nanning 530007,China； 2.Scientific Research Academy of Guangxi Environmental Protection, Nanning 530022, China； 3.College of Light Industry and Food Engineering, Guangxi University, Nanning 530004,China； 4.School of Environment and Life Sciences, Guangxi Teachers Education University, Nanning 530001, China)

With rice straw as main fermentation raw material,the effect of different amount of pig manure addition on anaerobic fermentation of rice straw was investigated. The results showed that adding proper amount of pig manure could improve the gas production of rice straw, balance the daily gas production avoiding the large fluctuations caused by sole rice straw fermentation.But excessive addition of pig manure was not appreciated,which may cause accumulation of ammonia nitrogen and increase of SCOD.TheVS mixing ratio of rice straw and pig manure of 3∶1 obtained the best gas production of 310 mL·g-1TS, which was 4% of increasing comparing with the sole rice straw fermentation.

anaerobic digestion; ricestraw; pigmanure; gas production

2016-02-14

2016-05-03

項(xiàng)目來(lái)源： 國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD24B03-04)

王鑫宇(1983-)，男，博士，主要從事固體廢棄物資源化利用研究工作，E-mail：215871201@qq.com 通信作者： 朱紅祥，E-mail：zhuhx@bossco.cc

S216.4; X712; X713

A

1000-1166(2017)01-0040-03