李樅林, 徐曉晨， 靳文堯， 陳 濤， 楊鳳林， 柴 麗， 張慧娟

(1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.大連市農(nóng)村能源工作促進(jìn)中心， 遼寧 大連 116013)

瘤胃菌劑在戶(hù)用沼氣池中的應(yīng)用研究

李樅林1, 徐曉晨1， 靳文堯1， 陳 濤2， 楊鳳林1， 柴 麗2， 張慧娟2

(1.大連理工大學(xué) 環(huán)境學(xué)院， 遼寧 大連 116024； 2.大連市農(nóng)村能源工作促進(jìn)中心， 遼寧 大連 116013)

針對(duì)北方農(nóng)村地區(qū)戶(hù)用沼氣池產(chǎn)氣效率低、原料短缺、保溫效果差等問(wèn)題，文章選取兩座戶(hù)用沼氣池進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，以秸稈、雞糞作為發(fā)酵底物，試驗(yàn)池接種瘤胃菌劑，考察低溫條件下沼氣池運(yùn)行效果。結(jié)果表明，未接種瘤胃菌劑的對(duì)照池的日均產(chǎn)氣量為0.42 m3·d-1，產(chǎn)生的沼氣中甲烷含量為61.56%；接種瘤胃菌劑的試驗(yàn)池的日均產(chǎn)氣量達(dá)到0.8 m3·d-1，產(chǎn)氣中甲烷含量達(dá)到65.41%。接種瘤胃菌劑的沼氣池發(fā)酵過(guò)程中還原糖與揮發(fā)性脂肪酸產(chǎn)量均有顯著提高，并對(duì)溫度變化的緩沖能力優(yōu)于未接種瘤胃菌劑的沼氣池。

戶(hù)用沼氣池； 瘤胃菌劑； 產(chǎn)氣量

沼氣是一種清潔能源[1]，自20世紀(jì)90年代起，我國(guó)開(kāi)始大范圍在農(nóng)村地區(qū)推廣沼氣池，截至2009年底，我國(guó)農(nóng)村戶(hù)用沼氣池?cái)?shù)量達(dá)3500萬(wàn)余戶(hù)[2]。農(nóng)村戶(hù)用沼氣池的大規(guī)模與應(yīng)用，不僅有效地解決了農(nóng)村對(duì)能源需求的壓力，而且極大地改善了農(nóng)村環(huán)境[3]。

目前，農(nóng)村地區(qū)普遍采用的小型簡(jiǎn)易沼氣池發(fā)酵技術(shù)具有成本低，易于操作等優(yōu)點(diǎn)。但我國(guó)北方地區(qū)冬季寒冷，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，小型簡(jiǎn)易沼氣池保溫性能差，無(wú)法常年運(yùn)行。且隨著規(guī)?；菪箴B(yǎng)殖業(yè)發(fā)展，庭院式養(yǎng)殖逐漸萎縮，在一定程度上造成了沼氣池糞便原料短缺問(wèn)題。傳統(tǒng)沼氣池對(duì)秸稈等纖維素類(lèi)生物質(zhì)降解性能較差，導(dǎo)致產(chǎn)氣效率低、易節(jié)殼等問(wèn)題。

針對(duì)戶(hù)用沼氣池產(chǎn)氣效率低、原料短缺等問(wèn)題，尋找適當(dāng)?shù)姆椒ň妥兊煤苡幸饬x。楊鵬可[4]等利用由微生物混合菌劑輔以酒糟浸出液和微量無(wú)機(jī)鹽制取的偏低溫沼氣發(fā)酵促成劑，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室模擬發(fā)酵實(shí)驗(yàn)，總產(chǎn)氣量提升37.4%。王艷芹[5]等制取的耐低溫和分解秸稈的復(fù)合菌劑，添加入池容為10 m3的沼氣池，保持料液溫度在10℃以上，日均產(chǎn)氣量較對(duì)照池增產(chǎn)0.44 m3，沼氣中CH4含量也得到了一定程度的提高。

隨著近年大連市新農(nóng)村建設(shè)“六化”工程的推進(jìn)，筆者研究以?xún)勺? m3水壓式沼氣池為基礎(chǔ)，輔以簡(jiǎn)便的保溫措施，采用實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的秸稈等生物質(zhì)廢物高效快速降解技術(shù)，以秸稈和禽畜養(yǎng)殖糞污為發(fā)酵底物，在進(jìn)料前對(duì)秸稈預(yù)先進(jìn)行沼液氨化預(yù)處理，物料混合后接種微生物功能菌種—瘤胃菌劑，探索冬季低溫條件下瘤胃菌劑在戶(hù)用沼氣池中的應(yīng)用效果。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

玉米秸稈：取自大連市金州新區(qū)某農(nóng)場(chǎng)，自然風(fēng)干后粉碎至1～2 cm；雞糞：取自大連市金州新區(qū)某養(yǎng)殖場(chǎng)；接種瘤胃菌劑：取自大連理工大學(xué)IMFZ技術(shù)中試基地。試驗(yàn)地點(diǎn)為大連市金州新區(qū)某農(nóng)場(chǎng)，試驗(yàn)材料參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)材料的理化特征 (%)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)為兩座8 m3有效容積的厭氧沼氣池，配套有效容積3 m3的秸稈氨化槽、粉碎機(jī)、防腐濕式流量計(jì)(LMF-1型)、潛水式溫度探頭、沼氣脫硫盒、沼氣儲(chǔ)氣囊(2 m3)、沼氣增壓泵和沼氣燃?xì)庠畹取?/p>

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)系統(tǒng)分為秸稈預(yù)處理單元、厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣、沼氣池產(chǎn)氣輸送管路及溫控和綜合系統(tǒng)四個(gè)部分，工藝流程圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)流程示意圖

選取風(fēng)干后的玉米秸稈，利用粉碎機(jī)粉碎至1～2 cm左右堆置于秸稈氨化預(yù)處理槽中，利用沼液進(jìn)行氨化，氨化預(yù)處理參考Jin[6]等的研究方法，沼液取自大連理工大學(xué)IMFZ技術(shù)中試基地。每粉碎15 cm高的原料，均勻噴灑一層沼液，噴灑沼液后的秸稈用塑料薄膜密封直待處理完成。

圖2所示，選用兩座有效容積為8 m3戶(hù)用沼氣池，選用厚度為0.3 mm左右的塑料薄膜對(duì)沼氣池進(jìn)行加溫、保溫覆蓋處理(有條件可覆蓋草簾或棉被)，然后將預(yù)處理后的秸稈與雞糞混合加入?yún)捬跽託獬兀芊夂筮B接沼氣輸送軟管至沼氣脫硫盒，之后連接沼氣流量計(jì)送入沼氣儲(chǔ)氣囊，利用沼氣增壓泵加壓沼氣輸送入沼氣燃?xì)庠钍褂?。該工藝可以有效避免傳統(tǒng)的沼氣池以沼氣池上方空間作為儲(chǔ)氣空間，出現(xiàn)由于壓力過(guò)大沼氣進(jìn)料口崩開(kāi)和沼氣灶火力較弱等問(wèn)題。

圖2 沼氣池與塑料暖棚

為了解決沼氣池冬季保溫問(wèn)題，如圖2所示在池體之上搭建溫室暖棚[7]。兩座池體分別標(biāo)記為：試驗(yàn)池和對(duì)照池。對(duì)照池加入150 kg氨化秸稈、1000 kg新鮮雞糞和水，試驗(yàn)池接種50 kg瘤胃菌劑，攪拌混合后進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。沼氣池蓋頂密封采用硅酮密封膠、甘油、聚氨酯發(fā)泡劑三層密封，密封后蓋頂水封檢測(cè)池體是否漏氣。

采用專(zhuān)用的沼氣管路并監(jiān)測(cè)氣體產(chǎn)量，對(duì)比兩座池體的產(chǎn)氣效果。沼氣池內(nèi)同時(shí)接入潛水式溫度探頭，監(jiān)測(cè)池體溫度。

1.4 分析方法

1.4.1 試驗(yàn)材料分析方法

總固體含量(Total Solid，TS)采用烘干恒重法測(cè)定，在105℃條件下烘干至恒重；揮發(fā)性固體含量(Volatile Solid，VS)的測(cè)定通過(guò)將烘干后的樣品置于馬弗爐在550℃條件下灼燒4 h；總氮(Total Nitrogen，TN)利用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定。

1.4.2 沼氣池及發(fā)酵料液分析方法

日產(chǎn)氣量利用LMF-1型防腐濕式流量計(jì)進(jìn)行測(cè)量記錄；發(fā)酵液日平均溫度利用溫度探頭讀數(shù)進(jìn)行記錄；暖棚、室外日平均溫度利用溫度計(jì)讀數(shù)進(jìn)行記錄；還原糖利用美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)ACS二硝基水楊酸測(cè)定方法[8]；揮發(fā)性脂肪酸(Volatile Fatty Acid，VFA)利用島津GC-2010氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，色譜柱采用石英毛細(xì)管柱(30 m×0.53 mm，0.50 μm)，游離脂肪酸分析柱，柱溫為70℃。檢測(cè)器采用氫火焰檢測(cè)器(FID)，檢測(cè)器溫度為300℃。載氣為氮?dú)?，流速?5 mL·min-1；CH4含量利用島津GC-14C氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)分析，色譜柱采用中匯達(dá)GDX401不銹鋼填充柱(2 m×3 mm)，柱溫為40℃。采用熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)，檢測(cè)器溫度為100℃。載氣采用高純氬氣。

2 分析與討論

2.1 產(chǎn)氣量及溫度

沼氣池日產(chǎn)氣量隨時(shí)間的變化如圖3所示，試驗(yàn)池的產(chǎn)氣量明顯高于對(duì)照池，試驗(yàn)池60 d累計(jì)產(chǎn)氣48.09 m3，該池在第5天達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，當(dāng)日產(chǎn)氣2.02 m3，在第28天達(dá)到第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，當(dāng)日產(chǎn)氣1.25 m3。對(duì)照池60 d累計(jì)產(chǎn)氣25.41 m3。該池在第6天達(dá)到第一個(gè)產(chǎn)氣高峰，當(dāng)日產(chǎn)氣0.92 m3，在第32天達(dá)到第二個(gè)產(chǎn)氣高峰，當(dāng)日產(chǎn)氣0.66 m3。在第38天后試驗(yàn)池產(chǎn)氣量略低于對(duì)照池，原因分析認(rèn)為試驗(yàn)池在前35 d干物質(zhì)物料已降解大部分，試驗(yàn)池發(fā)酵底物遠(yuǎn)少于對(duì)照池，底物因素成為試驗(yàn)池發(fā)酵效果的限制性因素，導(dǎo)致試驗(yàn)池產(chǎn)氣效率低于對(duì)照池。

圖3 試驗(yàn)池和對(duì)照池日產(chǎn)氣量變化

從圖4中可以看出，暖棚內(nèi)溫度比室外溫度高4℃～5℃，保溫效果明顯。試驗(yàn)池發(fā)酵料液溫度始終高出對(duì)照池3℃～4℃，分析認(rèn)為試驗(yàn)池厭氧料液微生物活性較好，產(chǎn)生的熱量較高，應(yīng)對(duì)了試驗(yàn)池產(chǎn)氣量高的結(jié)果。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)酵至35 d，室外溫度低于0 ℃，大棚夜間溫度在-5 ℃左右，但此時(shí)試驗(yàn)沼氣池溫度在10 ℃以上，產(chǎn)氣量為0.87 m3·d-1，而對(duì)照池溫度在5 ℃左右，產(chǎn)氣量為0.37 m3·d-1，試驗(yàn)池有一定的溫度緩沖能力，在低溫條件下依舊保持良好的產(chǎn)氣效率。

圖4 試驗(yàn)池、對(duì)照池、棚內(nèi)、室外溫度變化

2.2 還原糖及揮發(fā)性脂肪酸

厭氧發(fā)酵過(guò)程中，底物中的纖維素等難降解物質(zhì)以及易降解的淀粉、多糖等物質(zhì)在微生物的作用下，水解轉(zhuǎn)化為小分子還原糖類(lèi)。因此，還原糖產(chǎn)量以及變化趨勢(shì)是分析厭氧發(fā)酵效果的最要參考指標(biāo)。從圖5中可以看出，試驗(yàn)池還原糖的產(chǎn)量明顯高于對(duì)照池。原因經(jīng)分析認(rèn)為，秸稈中因其特有的木質(zhì)纖維素結(jié)構(gòu)而難以被降解利用，瘤胃微生物可以分泌高活性的纖維素酶對(duì)纖維素進(jìn)行消化利用，試驗(yàn)池中纖維素等難降解物質(zhì)在瘤胃微生物的作用下得到了高效降解[9, 10]，因此，試驗(yàn)池中還原糖產(chǎn)生量高于對(duì)照池，接種瘤胃功能菌劑的試驗(yàn)池厭氧發(fā)酵微生物有更好的活性。另外，還原糖在第5天左右達(dá)到峰值，試驗(yàn)池還原糖含量達(dá)到329.4 mg·L-1，對(duì)照池達(dá)到274.2 mg·L-1。隨后還原糖隨著被酸化菌的利用逐漸降低。

圖5 試驗(yàn)池和對(duì)照池還原糖變化

圖6 試驗(yàn)池和對(duì)照池總揮發(fā)性脂肪酸(TVFA)變化

圖7 試驗(yàn)池和對(duì)照池乙酸變化

揮發(fā)性脂肪酸是反應(yīng)厭氧發(fā)酵過(guò)程中酸化階段的重要指標(biāo)，在酸化階段，酸化菌將水解階段產(chǎn)生的還原糖等小分子有機(jī)物轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸。從圖6，圖7中可以看出，試驗(yàn)池的揮發(fā)性脂肪酸的含量高于對(duì)照池。另外，產(chǎn)酸階段產(chǎn)生最多的是乙酸，屬于乙酸型發(fā)酵。在沼氣池發(fā)酵初期，乙酸的產(chǎn)量占總揮發(fā)性脂肪酸的80%～85%，隨著厭氧發(fā)酵反應(yīng)的進(jìn)行，丙酸、丁酸及異丁酸產(chǎn)生的比例增加，乙酸的產(chǎn)量比例略有減少。

圖8 試驗(yàn)池和對(duì)照池甲烷含量對(duì)比

2.3 沼氣CH4含量

每個(gè)沼氣池選取了3個(gè)監(jiān)測(cè)時(shí)間點(diǎn)對(duì)沼氣中CH4含量進(jìn)行了測(cè)定：第9天，第18天，第36天。第9天，第18天，第36天試驗(yàn)池沼氣中CH4含量分別為65.41%，57.67%，53.13%，對(duì)照池沼氣中CH4含量分別為61.56%，55.31%，51.4%。從圖8中可以看出，試驗(yàn)池產(chǎn)生的沼氣中的甲烷含量明顯高于對(duì)照池。接種的瘤胃菌劑有很強(qiáng)的水解能力，秸稈中難降解的木質(zhì)纖維素在瘤胃微生物的作用下被高效利用，促進(jìn)了整個(gè)厭氧發(fā)酵的代謝過(guò)程，產(chǎn)甲烷菌也獲得了充足的底物，促進(jìn)了甲烷的形成。另外，第9天，第18天，第36天沼氣中甲烷含量依次降低，經(jīng)分析認(rèn)為隨著厭氧發(fā)酵過(guò)程的進(jìn)行，產(chǎn)生的揮發(fā)性脂肪酸中乙酸的比例略有下降，丙酸等其他揮發(fā)性脂肪酸的比例增加，丙酸向甲烷轉(zhuǎn)化的速率是最慢的，丙酸的增加會(huì)限制系統(tǒng)產(chǎn)甲烷的效率[11, 12]。

3 結(jié)論

(1)接種瘤胃菌劑的試驗(yàn)池日均產(chǎn)氣量為0.8 m3·d-1，對(duì)照池為0.42 m3·d-1，接種瘤胃菌劑的試驗(yàn)池總產(chǎn)氣量比對(duì)照池提高了89.3%。試驗(yàn)池產(chǎn)生的沼氣中CH4含量達(dá)到65.41%，優(yōu)于對(duì)照池的61.56%。接種瘤胃菌劑的沼氣池產(chǎn)氣效率較傳統(tǒng)沼氣池得到了很大提高，沼氣質(zhì)量也優(yōu)于傳統(tǒng)沼氣池，在低溫條件下仍能保持較好的產(chǎn)氣效率，縮短了運(yùn)行周期。

(2)接種瘤胃菌劑的沼氣池發(fā)酵液微生物活性較好，還原糖和揮發(fā)性脂肪酸生成效率較高，甲烷轉(zhuǎn)化率高。試驗(yàn)池溫度較對(duì)照池高3℃～4℃，池體對(duì)溫度變化的緩沖能力也比傳統(tǒng)沼氣池要好，保證了沼氣池在低溫條件下的運(yùn)行。

綜上所述，通過(guò)瘤胃菌劑的使用和對(duì)沼氣池工藝及設(shè)施的改進(jìn)，可以有效改善低溫條件下沼氣池產(chǎn)氣效率低等缺點(diǎn)。

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Application of Rumen Microbial Inoculum to Household Biogas Digester /

LI Cong-lin1, XU Xiao-chen1, JIN Wen-yao1, CHEN Tao2, YANG Feng-lin1, CHAI Li2, ZHANG Hui-juan2/

(1.School of Environment Science and Technology, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 2.Dalian Rural Energy Work Promotion Center, Dalian 116013,China)

Targeted to solve problems including poor biogas production, raw material shortages, poor heat preservation of household biogas digester in the north rural areas of China, two household digester were selected for comparison experiment, one inoculated with rumen bacteria, and another as a control without rumen microbial inoculum. Straw and chicken manure were taken as the main fermentation substrates. The results showed that, the average daily biogas production rate of the control digester was 0.42 m3·d-1, and the methane content of biogas was 61.56%, while the rumen inoculated digester had a daily biogas production rate of 0.8 m3·d-1, and the methane content was 65.41%. The rumen inoculated digester also had higher buffer ability to the temperature fluctuation, and its production of reducing sugars and volatile fatty acids during the fermentation process were significantly improved.

household biogas digester; rumen microbial inoculum; biogas production rate

2016-03-04

項(xiàng)目來(lái)源： 大連市科學(xué)技術(shù)局科技惠民項(xiàng)目(2013E14SF122)

李樅林(1991-)，男，山東濟(jì)寧人，在讀碩士，主要從事有機(jī)固體廢棄物污染控制及能源化利用的研究工作，E-mail：conglin5143@163.com

徐曉晨，E-mail：xxcep@dlut.edu.cn

S216.4

A

1000-1166(2017)02-0047-04