劉紅艷， 美化， 王昌梅,， 鐘順和， 趙興玲,，吳凱,， 趙紹斌， 樸明國， 尹芳,， 張無敵,

(1.云南師范大學(xué)，云南 昆明 650500；2.吉林東晟生物質(zhì)能工程研究院，吉林 通化134118；3.云南順豐生物肥業(yè)環(huán)保科技股份公司，云南 大理 671005)

據(jù)統(tǒng)計(jì)2017年中國秸稈理論資源總量已達(dá)10.2億t，較20世紀(jì)90年代初增加了近4億t[1].由于木質(zhì)纖維素資源化利用技術(shù)不成熟且轉(zhuǎn)化成本較高，秸稈收割以后除了部分用于牲畜飼料、粉碎還田、造紙和食用菌基料外，直接丟棄或堆集焚燒是主要去向，既浪費(fèi)了資源又破壞了環(huán)境[2].另外，我國每年畜禽糞便產(chǎn)生約30億t[3]，這些糞便未經(jīng)處理直接排放，不僅污染環(huán)境，也會(huì)成為影響土壤和水體的污染源.利用農(nóng)作物秸稈和畜禽糞便等有機(jī)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，不僅減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染，而且能解決農(nóng)村燃料短缺問題[4-5].目前農(nóng)村的沼氣發(fā)酵多采用單一的發(fā)酵原料，但農(nóng)作物秸稈屬于富碳原料，碳氮比偏高，同時(shí)秸稈中木質(zhì)纖維素含量多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于微生物分解利用，影響厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的正常運(yùn)行.將糞便和秸稈混合厭氧消化可以調(diào)節(jié)原料的碳氮比，提高發(fā)酵效率.

混合厭氧消化是近年來厭氧消化領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一，國內(nèi)外相繼開展了糞便與秸稈混合厭氧消化的研究.Weiland[6]認(rèn)為，糞便與秸稈混合原料的協(xié)同作用可以優(yōu)化秸稈的降解量，提高厭氧消化能力.白潔瑞等[7]研究發(fā)現(xiàn)，在35 ℃下雞糞與玉米秸稈2∶1的處理產(chǎn)氣效果最好.陳廣銀等[8]研究了在35 ℃下，稻草和豬糞VS比為3∶1時(shí)日產(chǎn)氣量比較穩(wěn)定，累積產(chǎn)氣量較其他糞稈配比提高.王曉嬌等[9]研究表明，糞便與秸稈兩兩混合及3種混合發(fā)酵均能顯著提高沼氣產(chǎn)量.Dar等[10]研究發(fā)現(xiàn)，將秸稈、落葉等與糞便混合發(fā)酵可有效提高沼氣產(chǎn)量和甲烷含量.

試驗(yàn)以雞糞和蘆葦秸稈為發(fā)酵原料，采用全混合批量式厭氧發(fā)酵方式，探討不同配比的雞糞和蘆葦秸稈混合厭氧消化的產(chǎn)氣特性，以期為提高畜禽糞便和農(nóng)作物秸稈的資源化利用率以及實(shí)現(xiàn)沼氣發(fā)酵的可控化提供參考依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

雞糞取自云南師范大學(xué)附近的菜市場；新鮮蘆葦秸稈取自云南師范大學(xué)校園內(nèi)，收集后將其切碎(長為1～2 cm)備用；接種物取自實(shí)驗(yàn)室正常產(chǎn)沼氣后的底泥.試驗(yàn)材料的各項(xiàng)基本參數(shù)如表1所示.

表1 原料及接種物的基本性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置采用實(shí)驗(yàn)室批量式發(fā)酵裝置

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以雞糞和蘆葦秸稈混合物為原料進(jìn)行發(fā)酵，將雞糞與蘆葦秸稈按干物質(zhì)質(zhì)量比1∶0(單一雞糞)、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1(單一秸稈)混合，設(shè)置5個(gè)發(fā)酵試驗(yàn)組進(jìn)行對(duì)比研究，同時(shí)設(shè)置1個(gè)對(duì)照試驗(yàn)，每組設(shè)置3個(gè)平行.所有組的發(fā)酵料液體積為400 mL，接種物濃度為30%，在溫度(30±1)℃下進(jìn)行厭氧消化直至產(chǎn)氣結(jié)束.發(fā)酵料液的具體配比如表2所示.

表2 發(fā)酵原料的配比

1.4 測(cè)量項(xiàng)目及方法

⑴總固體(TS)及揮發(fā)性固體(VS)含量：采用烘干法測(cè)定[11].

⑵產(chǎn)氣量：采用向上排水集氣法測(cè)定[12]，每天19∶00定時(shí)記錄產(chǎn)氣量.

⑶甲烷含量：采用氣相色譜儀(福立GC9700Ⅱ型，TCD)進(jìn)行測(cè)定，由于試驗(yàn)發(fā)酵周期較長，故每5 d測(cè)量一次甲烷含量.

2 結(jié)果與討論

2.1 日產(chǎn)氣量的對(duì)比分析

實(shí)驗(yàn)一共進(jìn)行46 d，在發(fā)酵過程中對(duì)照組沒有產(chǎn)氣，不同配比的雞糞和蘆葦秸稈混合厭氧消化的日產(chǎn)氣量變化曲線(已減去對(duì)照組的產(chǎn)氣量)如圖1所示.

圖1 日產(chǎn)氣量變化曲線

圖1顯示，各組的日產(chǎn)氣量基本上均有3～4個(gè)產(chǎn)氣峰，雞糞和蘆葦秸稈單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組的日產(chǎn)氣量曲線均出現(xiàn)大幅度波動(dòng)，其中雞糞單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組在第3、9和15天有3個(gè)產(chǎn)氣峰，在第9天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量為250 mL；蘆葦秸稈單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組在第1、3、6和14天出現(xiàn)產(chǎn)氣峰，在第14天達(dá)到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量為270 mL，主要產(chǎn)氣集中在第1-15天之間.雞糞與蘆葦秸稈配比為1∶1的試驗(yàn)組較先出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，發(fā)酵時(shí)間為第5天，產(chǎn)氣量為260 mL；以1∶2配比時(shí)，在發(fā)酵第6天時(shí)達(dá)到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量為280 mL；以2∶1配比時(shí)，在發(fā)酵第7天時(shí)達(dá)到產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣量為300 mL.當(dāng)發(fā)酵到第16-20天時(shí)，單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組處于產(chǎn)氣低谷，混合厭氧消化試驗(yàn)組卻呈現(xiàn)明顯的峰.此后各實(shí)驗(yàn)組均下降并逐漸穩(wěn)定，但由于配比2∶1中雞糞的含量大，該配比的平均產(chǎn)氣量要高.在反應(yīng)后期，各組的日產(chǎn)氣量逐漸下降直至停止產(chǎn)氣.

上述試驗(yàn)結(jié)果表明，雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化可提高產(chǎn)氣速率.混合厭氧消化試驗(yàn)組與兩種原料單獨(dú)發(fā)酵的試驗(yàn)組相比，產(chǎn)氣峰值出現(xiàn)的時(shí)間提前了2～9 d，且能夠均衡日產(chǎn)氣量，減少單一原料日產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)，這是因?yàn)殡u糞豐富的氮源和蘆葦秸稈較高的碳量正好平衡了發(fā)酵原料的碳氮比，為微生物生存提供了良好的條件.這一結(jié)果與李東等[13]稻草與雞糞配比對(duì)混合厭氧消化產(chǎn)氣率的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致.

2.2 甲烷含量的對(duì)比分析

各實(shí)驗(yàn)組甲烷含量隨時(shí)間變化曲線如圖2所示.

圖2 沼氣中甲烷含量的變化曲線

厭氧消化啟動(dòng)初期，各試驗(yàn)組的甲烷含量均較低.隨著反應(yīng)的進(jìn)行，除雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1的試驗(yàn)組外，其他各試驗(yàn)組甲烷含量增長較慢.而配比為2∶1的試驗(yàn)組在第5天甲烷含量就高于50%，第10天時(shí)，甲烷含量達(dá)到最大值，而后呈現(xiàn)增長平穩(wěn)的趨勢(shì).其他各試驗(yàn)組的甲烷含量直到第10天才達(dá)到50%以上，然后甲烷含量先趨于平穩(wěn)后降低，在厭氧消化反應(yīng)后期又緩慢提高.各試驗(yàn)組間日產(chǎn)沼氣的甲烷含量差異較小，各試驗(yàn)組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)甲烷含量平均值分別為51.95%、52.65%、53.94%、55.49%和52.37%.

2.3 累積產(chǎn)氣量和反應(yīng)速率的對(duì)比分析

根據(jù)日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，得到各試驗(yàn)組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)累積產(chǎn)氣量分別為2 273、3 438、3 709、3 815 mL和2 685 mL.雞糞與蘆葦秸稈單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組的累積產(chǎn)氣量明顯低于混合試驗(yàn)組.其中配比為2∶1的試驗(yàn)組累積產(chǎn)氣量值最高，為3 815 mL；配比為1∶1的試驗(yàn)組次之，且與配比2∶1試驗(yàn)組的累積產(chǎn)氣量數(shù)值接近；配比為1∶2試驗(yàn)組的累積產(chǎn)氣量最低，為3 438 mL.由此可知，在該實(shí)驗(yàn)條件下，雞糞與蘆葦秸稈的配比為2∶1時(shí)，產(chǎn)氣效果最佳.

根據(jù)日產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)計(jì)算，可以得到5個(gè)實(shí)驗(yàn)組每隔2 d的累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比隨時(shí)間的變化，結(jié)果見圖3.各個(gè)實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣速率的變化曲線趨勢(shì)相似，原料厭氧消化的水力滯留時(shí)間為日累積產(chǎn)氣量占總產(chǎn)氣量的百分比達(dá)到80%的時(shí)間，各試驗(yàn)組(1∶0、1∶2、1∶1、2∶1、0∶1)水力滯留時(shí)間分別為22、19、20、19 d和26 d，雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化能縮短水力滯留時(shí)間，較單獨(dú)厭氧消化試驗(yàn)組提前了2～7 d，相應(yīng)地縮短了產(chǎn)氣周期.

圖3 產(chǎn)氣速率圖

2.4 各組實(shí)驗(yàn)產(chǎn)氣潛力對(duì)比分析

通過累積產(chǎn)氣量、TS和VS含量計(jì)算得到各樣品的產(chǎn)氣潛力及甲烷含量如表3所示.從表3可以看出，雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1的實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣潛力最佳.

表3 不同配比原料的產(chǎn)氣潛力及甲烷含量

3 結(jié) 語

探究了雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化的產(chǎn)氣特性，得到的結(jié)論如下：

(1)選用雞糞與蘆葦秸稈配比為1∶2、1∶1、2∶1，試驗(yàn)結(jié)果表明，配比為2∶1的試驗(yàn)組較配比為1∶1和1∶2實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時(shí)間較長，但其累積產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣潛力卻高出其余兩個(gè)試驗(yàn)組，更有利于工程運(yùn)用.

(2)雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化有利于減少單一原料發(fā)酵日產(chǎn)氣量的大幅度波動(dòng)，并且混合厭氧消化可以有效利用糞便本身含有的微生物，加快秸稈有機(jī)質(zhì)的水解，從而提高產(chǎn)氣效率.雞糞與蘆葦秸稈混合厭氧消化的實(shí)際干物質(zhì)產(chǎn)氣率均高于通過單一物料發(fā)酵產(chǎn)氣率.

(3)將雞糞與蘆葦秸稈按不同配比混合發(fā)酵不僅可以縮短水力滯留時(shí)間，并且可以提升原料的產(chǎn)氣潛力，雞糞與蘆葦秸稈配比為2∶1時(shí)水力滯留時(shí)間最短，為19 d.