棉花秸稈厭氧發酵產沼氣工藝條件的研究

王永澤　楊　立　邵明勝　張　婷　李冬生　王金華

摘要以棉花秸稈為原料，在嚴格控制厭氧發酵溫度的條件下(37±1℃)，研究不同接種物在不同接種量下的發酵產氣效果。結果發現：以污泥或豬糞作接種物，60g/L的接種量效果較好，累積產氣量分別為10.252L、10.518L，COD的去除率分別為53.1％、48.5％；混合物做接種物時，接種量以45g/L產氣較好，累積產氣量為14.228L，COD的去除率為55.9％。接種量相同時，混合接種物的產氣效果最好，累積產氣量比單一接種物豬糞和魚塘污泥高7.3％～98.4％，平均日產氣量高3.1％～67.3％，表明適量的豬糞和魚塘污泥組成的混合接種物在棉花秸稈厭氧發酵產氣中起著重要作用。

關鍵詞棉花秸稈；厭氧發酵；接種物；接種量

中圖分類號S216.2文獻標識碼A文章編號 1007-5739(2009)01-0251-02

我國是農業大國，農作物秸稈產量7億噸以上，其中2007年棉花總產量達672.5萬噸，棉花秸稈量為224.1萬噸[1]。這些秸稈如不進行合理的處理，便會影響農村的生態環境。目前通過產沼氣途徑利用農作物秸稈來解決農村生態環境已有很多成功報道[2]。

在秸稈類物質厭氧發酵產沼氣的工藝條件中，接種物和接種量是2個重要的工藝參數。一方面，不同接種物因含有不同的菌群，直接影響厭氧發酵產沼氣的效果，因此不同接種物及其組合厭氧發酵產沼氣的效果對比一直是人們關注的內容[3]。另一方面，適宜的接種物量有利于縮短發酵周期，增加沼氣產量，同時減少接種物的成本，保障經濟效益[4]。為此，筆者利用小型厭氧發酵裝置，以好氧處理的棉花秸稈為原料，在嚴格控制發酵溫度(37±1℃)的條件下，研究了不同接種物在不同接種量下的厭氧發酵產氣效果，并通過COD去除率、TS和VS降解率等反映原料利用程度的重要指標對產氣效果進行分析驗證。

1材料與方法

1.1試驗材料

1.1.1發酵原料。棉花秸稈，采自湖北省江夏區田間，剪短至5cm以下，再用藥物粉碎機粉碎成20～40目的粉末，65℃烘干至恒重。

1.1.2接種物。接種物豬糞采自武漢市市郊養豬場，魚塘污泥采自武漢市市郊魚塘，兩者除去其中的雜物后在實驗室進行馴化及菌種的富集。豬糞的總固形物(TS)為13.86％，揮發性固形物(VS)為73.32％，pH值為7.15。魚塘污泥的總干物質(TS)為11.74％，揮發性固形物(VS)為68.56％，pH值為7.13。豬糞和魚塘污泥的混合物的總干物質(TS)為12.84％，揮發性固形物(VS)為72.16％，pH值為7.13。

1.1.3試驗裝置。每套裝置由2個1L三角燒瓶(分別作為反應器和集氣瓶)和1個量筒組成。三角燒瓶用橡皮塞封口，裝置之間用硅膠管連接，接口處用石蠟和凡士林密封。

1.2試驗方法

1.2.1發酵液配制。魚塘污泥的接種量分別為30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補水至1L。豬糞的接種量分別為30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補水至1L?；旌辖臃N物的接種量分別為30 g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸稈的負荷率均為90g/L，各組加入3mL濃氨水后補水至1L。發酵液配制好后在37℃，75％ RH的恒溫恒濕環境中好氧培養1周。

1.2.2分析檢測方法。①發酵液成分分析。發酵前后料液中的TS、VS含量及pH值參照文獻[6]方法測定。COD的含量參照GB11914-89的方法進行。②產氣量的測量。采用水壓式法收集發酵產生的氣體，根據量筒中收集飽和食鹽水的體積計量每日產生氣體的體積。從進行厭氧發酵的第1天開始，每天定時記錄各套裝置的產氣量。每組試驗3次重復，測得的各試驗指標都是3次試驗的平均值。

2結果與分析

2.1魚塘污泥不同接種量下產沼氣效果的比較

由表1可知，隨著魚塘污泥接種量的增大，反應體系的產氣效果明顯提高。魚塘污泥接種量為60g/L的累積產氣量比30g/L和45g/L分別提高102.1％和42.4％，平均日產氣量比30g/L和45g/L分別提高75.8％和27.5％。利用COD去除率、TS和VS降解率等指標對產氣效果進行驗證，結果顯示：接種量為60g/L時的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，與產氣效果相符。

2.2豬糞不同接種量下產沼氣效果的比較

由表2可知，隨著豬糞接種量的增大，反應體系的產氣效果明顯提高。豬糞接種量為60g/L的累積產氣量比30g/L和45g/L分別提高19.1％和5.9％，平均日產氣量比30g/L和45g/L分別提高61.6％和23.9％。接種量為60g/L時的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，與產氣效果相符。

2.3混合接種物不同接種量下產沼氣效果的比較

由表3可知，隨著混合接種物接種量的增大，反應體系的產氣效果表現為先增加，之后減少?；旌辖臃N物45g/L接種量的產氣效果明顯好于30g/L和60g/L。45g/L接種量的累積產氣量比30g/L和60g/L分別提高50.7％和19.2％；平均日產氣量比30g/L和60g/L分別提高66.3％和24.3％?；旌辖臃N在不同接種量條件下產氣量呈現先升后降的趨勢，這可能是由于混合接種物含有的菌群很多，而發酵體系的營養物質有限，當接種物濃度由45g/L增加到60g/L時，菌群數量的進一步增加引起菌本身的生存競爭而造成相互抑制，從而在一定程度上影響了原料的利用及產氣效果。COD去除率和TS、VS降解率等反映原料利用的指標也進一步證實這種產氣特點。

2.4不同接種物之間產沼氣效果的比較

由圖1、圖2可知，接種量為30g/L時，混合接種物的累積產氣量和平均日產氣量(9.481L，172mL)比豬糞(8.834L，138mL)和魚塘污泥(5.072L，124mL)分別提高7.3％、24.6％和86.9％、38.7％；接種量為45g/L時，混合接種物的累積產氣量和平均日產氣量(14.288L，286mL)比豬糞(9.929L，180 mL)和魚塘污泥(7.200L，171mL)分別提高43.9％、58.9％和98.4％、67.3％；接種量為60g/L時，混合接種物的累積產氣量和平均日產氣量(11.988L，230mL)比豬糞(10.518L，223mL)和魚塘污泥(10.252L，218mL)分別提高14.0％、3.1％和16.9％、5.5％。

從結果中可看出，不管在什么水平的接種量下，混合接種物產氣效果都較好。這可能是因為魚塘污泥富含水解發酵菌、產氫產酸菌及產甲烷菌，而豬糞自身富積水解菌、細胞外酶和產甲烷菌等，兩者的混合物因能提供比單一接種物更為豐富的菌群，使原料的分解利用更充分，產氣效果更好。

3結論與討論

本試驗在物料濃度(9％)一定，發酵液經好氧培養1周的條件下，研究了不同接種物(豬糞、魚塘污泥、豬糞和魚塘污泥的混合物)在不同接種量(30g/L、45g/L、60g/L)下的發酵產氣效果。

以污泥、豬糞作接種物時，在60g/L接種量時產氣效果最好，累積產氣量分別為10.252L、10.518L，平均日產氣量分別為218mL、223mL，COD的去除率分別為53.1％、48.5％，TS降解率分別為18.8％、21.6％，VS降解率分別為23.2％、24.3％，混合物做接種物時接種量以45g/L產氣效果最好，累積產氣量為14.228L，平均日產氣量為286mL，COD去除率為55.9％，TS、VS降解率分別為24.4％、28.9％。

接種量相同時，混合接種物的產氣效果最好，累積產氣量比單一接種物豬糞和魚塘污泥高7.3％～98.4％，平均日產氣量高3.1％～67.3％，表明適量的豬糞和魚塘污泥組成的混合接種物，對提高棉花秸稈厭氧發酵產沼氣起著重要作用。

4參考文獻

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