王 悅,張志強,張 潤
(衡水學院 生命科學學院,河北 衡水 053000)
目前大部分農村通過直接燃燒畜糞來提供生活用能,由于科技的崛起,起補充和替代作用的能源有很多種類,包括商品能源、新能源及可再生能源[1]。這種不正確的用能結構造成了一些不好的影響,如鄉(xiāng)村養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展被制約,又浪費了本該回到生態(tài)系統(tǒng)中的原料,這些原料參與系統(tǒng)中的能量和物質循環(huán),并且降低了土壤的肥力,使生態(tài)環(huán)境進一步惡化,提高了生產本錢,降低了農民的收益[2]。使用牛糞、雞糞和餐廚垃圾等高氮高碳[3]有機廢料進行厭氧發(fā)酵,一方面可減少有機廢物,解決了由于糞便的不合理排放的任意焚燒帶來的環(huán)境問題,另一方面從有機碳中回收可利用能源并加工成沼氣,用于我國人民生活燃料[4]等,緩解我國農村能源缺乏的壓力。
1.2.1 國內產沼液技術現(xiàn)狀研究
溫度是影響厭氧發(fā)酵的重要因素之一,與有機物的厭氧反應過程密切相關,溫度對厭氧發(fā)酵進程的影響主要表現(xiàn)在以下3個方面:(1)對微生物宏觀活性的影響;(2)對厭氧反應動力學參數(shù)的影響;(3)溫度突變對厭氧反應器運行情況的影響[5]。理論上講,溫度在11~59℃范圍內,沼氣池均能正常發(fā)酵產氣[6-7]。劉榮厚等[8-9]研究了在不同溫度條件下豬糞的厭氧發(fā)酵過程,發(fā)現(xiàn)高溫試驗組日產氣量高于室溫和中溫試驗組;楚麗麗等[10]研究了不同溫度下農作物秸稈的產氣效率,得出了秸稈的發(fā)酵效果在30~40℃最好結論;吳滿昌等[11]研究了不同溫度對城市生活垃圾厭氧消化的過程的影響,發(fā)現(xiàn)不同溫度對消化開始的時間有一定的影響。
1.2.2 國外產沼液技術現(xiàn)狀研究
在國外,厭氧發(fā)酵技術已經發(fā)展了大約240年[12],并且國外很多國家也已經取得了令人矚目的發(fā)展成果。H.Bmoller等探究了秸稈與糞便的厭氧發(fā)酵反應對產甲烷能力的影響,試驗結果表明:秸稈的揮發(fā)性干物質含量(VS)產氣量比糞便的揮發(fā)性干物質含量產氣量要高[13]。El-Shinnawi等研究了玉米秸稈、水稻秸稈和棉花秸稈的厭氧發(fā)酵產氣情況,試驗結果表明:玉米秸稈的累積產氣量最大其次是水稻秸稈的累積產氣量,再次是棉花秸稈的累積產氣量[14]。此外,他們還對經過預處理的玉米秸稈、水稻秸稈和棉花秸稈分別與雞糞的混合物進行了厭氧發(fā)酵試驗研究,試驗結果表明:經過7d預處理的玉米秸稈混合物的產沼氣的潛在能力最大[15]。
1.2.3 厭氧發(fā)酵工藝條件
1.2.3.1 高溫發(fā)酵工藝
指發(fā)酵溫度在44~59℃之間的沼氣發(fā)酵。其特點是微生物代謝特別活躍,有機物分解轉化快,滯留期短,產氣率高[16]。高溫發(fā)酵工藝的優(yōu)點是可以提高發(fā)酵速度,縮小反應器體積,提高滅活病原微生物的能力,但其也存在一些缺點,如在高溫運行時,增加了能量的消耗[1],提高了對溫度變化的敏感性,另外揮發(fā)性有機酸濃度的增加使得工藝也存在許多不足[17-18]。
1.2.3.2 中溫發(fā)酵工藝
指發(fā)酵溫度維持在26~39℃的沼氣發(fā)酵。有機物消化轉化速度較快,產氣率較高[1]。與高溫發(fā)酵工藝相比較,中溫發(fā)酵工藝所需的熱量要少得多[16]。中溫發(fā)酵工藝在能量回收方面被認為是一種較理想的發(fā)酵工藝類型[16],目前大部分世界各國將中溫發(fā)酵工藝應用到大、中型沼氣工程中,在農村也存在中溫發(fā)酵工藝比如沼氣發(fā)酵[20-22]。
1.2.3.3 常溫發(fā)酵工藝
指沼氣發(fā)酵在自然溫度條件下進行的發(fā)酵工藝類型。常溫發(fā)酵工藝的發(fā)酵溫度,主要隨天氣溫度變化而變化,經過科研人員研究發(fā)現(xiàn)通常產氣率在夏季較高,產氣率在冬季較低[19]。這種工藝的特點是沼氣池構造較簡單,造價較低,因此農村產沼氣池常采用此工藝[20-22]。
將牛糞按照干物質的質量比進行試驗;分別在常溫、中溫、高溫三個溫度梯度下分三組,每組四個;將牛糞、接種污泥和水加入100 mL錐形瓶中,塞好橡膠塞,將瓶口密封好,至于恒溫水浴鍋中(溫度分別為20℃、35℃、55℃)進行發(fā)酵;量筒倒置于飽和食鹽水水槽中,試驗周期為43d;實驗每日測產氣量,在發(fā)酵的第1、2、3、5、10、16、32、43日使用橡膠塞上配備的取樣管取出沼液約3mL,測定pH值和甲烷體積分數(shù);COD和TN在發(fā)酵初期和后期進行測定。
圖1 技術路線圖
取自衡水市養(yǎng)殖場的新鮮牛糞,取回后放置于環(huán)境生態(tài)工程專業(yè)404實驗室冰箱中備用[20];
接種物取自衡水市污水處理廠厭氧污泥。試驗物料的理化性質見表1。試驗原料見圖2。
表1 試驗物料理化指標(%)
注: TS表示總固體;VS表示揮發(fā)性固體;SV表示污泥沉降比。
圖2 試驗原料
1-恒溫水浴裝置;2-發(fā)酵裝置;3-乳膠管;4-沼液取樣管;5-集氣量筒;6-微量進樣器;7-100mL取樣器;8-“L”形玻璃彎管;9-飽和NaCl水槽 圖3 發(fā)酵試驗裝置示意圖
試驗所用裝置是用100 mL錐形瓶、橡膠管、250 mL量筒、水浴鍋和鐵架臺自行組裝設計的(如圖3)。
圖4 發(fā)酵試驗裝置實際圖
(1)用烘干法[21]測定總固體的質量(TS)和揮發(fā)性固體的質量(VS):先將坩堝和濾紙放入烘箱中于100℃烘干1 h,冷卻后稱重,記為m0,再取鮮牛糞m1放入盛有濾紙的坩堝中,放入烘箱中于100℃烘干2 h,冷卻后稱重,記為m2,然后放入馬弗爐中在550℃條件下灼燒2h后取出放在干燥器中冷卻至室溫并稱重,記為m3,則TS=m2-m0,VS=TS-灰分=m2-m3;
(2)用快速消解法測COD;
(3)用PHS-3E精密pH測pH值;
(4)用氣相色譜儀測CH4濃度;
(5)日產氣量用向下排飽和食鹽水的方法在每天晚上8:00左右定時測定,并記錄試驗數(shù)據(jù)。
(6)用過硫酸鉀消解紫外分光光度法[22]測總氮(TN):標準曲線的繪制:分別取0、0.5、1.0、2.0、3.0、5.0、7.0、8.0mLKNO3,最后,用10 mm石英比色皿分別在220 nm、275 nm處測其吸光度,并結合標準曲線計算其濃度。
①標準曲線的繪制;②水樣測定。
在20℃、35℃和55℃溫度下,牛糞物厭氧發(fā)酵反應觀察進行了43d,探究溫度對混合厭氧發(fā)酵過程中日產氣量的影響(見圖5~8)。
圖5 20℃日產氣量
圖6 35℃日產氣量
圖7 55℃日產氣量
圖8 三個溫度下的日產氣量
由圖5可以看出,在反應過程中,20℃時日產氣量在第7d達到產氣高峰,為41 mL/d,發(fā)酵反應進行了43d或更長時間,由圖6可以看出,35℃時日產氣量在第6d達到產氣高峰,為77.5mL/d,發(fā)酵反應進行了43d或更長時間,在20℃、35℃、55℃3個恒定溫度組下,20℃時發(fā)酵1~11d的總產氣量占總累積產氣量的23.36%,發(fā)酵反應基本完成。由圖8總體綜合來看:試驗組中,20℃時產氣波動頻率較少,出現(xiàn)4個峰值;35℃時產氣波動頻率較多,出現(xiàn)多個峰值;55℃時產氣波動頻率最少,只有一個產氣最大值。而空白試驗組中55℃時產氣最多,35℃時產氣居中,20℃時產氣最少。
圖9 20℃的累積產氣量
圖10 35℃的累積產氣量
圖11 55℃的累積產氣量
圖12 三個溫度下的累積產氣量
由圖9可以看出,在反應過程中,20℃時發(fā)酵裝置在第4d開始啟動,在第43d累積產氣量達到最大,為239.7mL;而空白試驗裝置在該溫度下幾乎不產氣。由圖10可以看出,在反應過程中,35℃時發(fā)酵裝置在第1d就開始啟動,且產氣量為4.7mL,隨著反應的進行,在第43d累積產氣量達到最大,為1029mL;而空白試驗裝置在該溫度下幾乎不產氣。由圖11可以看出,在反應過程中,55℃時發(fā)酵裝置在第1d就開始啟動,且產氣量為37.0mL,隨著反應的進行,在第43d累積產氣量達到最大,為878.4mL;而空白試驗裝置在該溫度下幾乎不產氣。
在20℃、35℃和55℃溫度下,牛糞與玉米秸稈混合物厭氧發(fā)酵反應觀察進行了43d,探究溫度對混合發(fā)酵反應過程中pH值的變化(如圖13所示)。
圖13 三個溫度下的pH值的變化情況
由圖13可以看出,在20℃、35℃和55℃溫度下,發(fā)酵液pH值變化趨勢大體一致,先下降后上升。總體來看,三個溫度下pH值的變化情況相似,波動范圍都比較小。
在20℃、35℃和55℃溫度下,牛糞厭氧發(fā)酵反應觀察進行了43d,探究溫度對混合發(fā)酵原料中COD的影響(如表2所示)。
由表2可以看出,在20℃、35℃和55℃溫度下,混合發(fā)酵原料中COD的量的變化很明顯:一定時間內,在55℃時COD消耗量最大,為1727.8mg/L;在35℃時COD的消耗量次之,為1546.7 mg/L;而在20℃時COD的消耗量最少,為1280mg/L??傮w來看,溫度對混合發(fā)酵原料中COD的影響較大。
表2 混合發(fā)酵原料中COD的量
在20℃、35℃和55℃溫度下,牛糞厭氧發(fā)酵反應觀察進行了43d,探究溫度對混合發(fā)酵原料中TN的影響(如表3所示)。
表3 混合發(fā)酵原料中TN的含量
由表3可知,一定溫度下,隨著厭氧發(fā)酵混合物溫度的升高,試驗發(fā)酵原料中TN的降解率也逐漸增加,溫度從20℃上升到35℃,從35℃上升到55℃時,降解率分別增加13.3%及9.5%。
(1)本試驗并且該溫度下出現(xiàn)多個較明顯的產氣高峰,在第7d左右達到產氣最高峰。而在35℃和55℃的溫度下,分別在第6d和第3d左右達到產氣高峰。混合原料需要經過約三天左右才能正常產氣,并且該溫度下出現(xiàn)多個較明顯的產氣高峰,在第7d左右達到產氣最高峰。而在35℃和55℃的溫度下,分別在第6 d和第3 d左右達到產氣高峰。
(2)在20℃、35℃和55℃3個恒定溫度組下,20℃時發(fā)酵前11d和前24d累積產氣量分別到達總累積產氣量的23.36%和71.34%;
(3)在3個恒定溫度組下,發(fā)酵反應消耗的COD的量分別約占發(fā)酵反應前混合原料的COD的量的66.7%、80.6%和90.0%。
(4)在20℃、35℃和55℃3個恒定溫度組下,以牛糞作為發(fā)酵原料,總體來看三個溫度下pH值的變化情況相似,波動范圍都比較小。
(5)一定溫度下,隨著厭氧發(fā)酵混合物溫度的升高,試驗發(fā)酵原料中TN的降解率也逐漸增加,溫度從20℃上升到35℃,從35℃上升到55℃時,降解率分別增加13.3%及9.5%。