黃瓜藤厭氧發酵實驗及結果和分析

劉金財　顧平道

【摘 要】對已有研究的沼氣工程技術、相關的基本工藝，包括厭氧降解的過程、影響反應進行的因素進行總結并加以分析；選取黃瓜藤的污泥負荷率作為厭氧發酵產沼氣的原料，在可行性和適用性上進行分析。

【關鍵詞】厭氧降解；污泥負荷率；厭氧發酵

0 概述

農作物制備沼氣的工藝中，通過對發酵原料的預處理，可以增加發酵過程中的生化反應表面積，提高產氣率和縮短產氣時間，從而提高發酵反應器的容積利用率。對于發酵原料的預處理，通常通過物理，化學以及生物等方式，提高纖維素以及木質素的降解程度以加速厭氧發酵的產氣率。這方面的研究主要有：

楊立[1]等人使用NaOH強堿性的溶液來預處理稻桿，通過研究使用不同濃度的氫氧化鈉以及氫氧化鈉水溶液加熱預處理和水浴溫度對厭氧發酵產沼氣的影響。

覃國棟[2]等人對水稻桿稈化學酸預處理，研究其對沼氣發酵的影響。實驗所需的水稻桿用切割機切成2cm～3cm大小，分別采用2%、4%、6%、8%的酸對水稻稻稈預處理。實驗結果可以表明，酸預處理可明顯改善水稻稈產沼氣量，提升產氣率。

楚莉莉[3]等人利用沼渣液對小麥稻稈進行預處理，研究其對厭氧發酵產氣特性的影響，實驗在25℃左右的條件下進行。相對于未通過沼渣液處理的小麥稻稈，預處理后的小麥稻稈的碳氮比下降至20～30：1，甲烷的平均含量為64%～71%。

Kouichi Izuin[4]等人研究不同粒徑的食品廢棄物對厭氧消化的影響。實驗結果表明，相比于用普通破碎機進行的破碎，用玻珠研磨機在l5OOrpni速度下進行的破碎，可使沼氣產量增加28%。若食物廢棄物的粒徑過小，將導致揮發性脂肪酸的積累，沼氣的產量和粒徑的增溶性也會相應降低。

S.Menardo[5]等人研究小麥，大麥，水稻和玉米四種不同的秸稈，研究其粒徑大小和熱處理后對沼氣總產量的影響。實驗結果表明，粒徑的大小改變，可使沼氣產量增加80%以上，小麥和大麥稻稈的沼氣產量明顯高于預處理前，并隨著粒徑的降低而增加。

從上述文獻中可以看出，厭氧發酵原料的預處理主要是通過釆用酸、堿等化學方法預處理、渣液預處理、加溫法預處理等不同的預處理方法，提升產氣率和產氣量。

影響農作物蔬菜類的厭氧發酵的因素很多，主要影響的因素有溫度、酸堿度、氧化還原電位、基質微生物比、原料的預處理方式、供料方式和攪拌方式等[1]。本文主要從黃瓜藤的鮮活度（表現為青枯比）和不同投配率對發酵產氣量和產氣速率等因素的影響。

1 實驗裝置及實驗方案

1.1 實驗裝置

發酵罐的容積V1=10L，有效容積V2=8L，裝置的加熱源是水浴加熱，罐體內的始終保持在 （35±0.5）℃，反應器是CSTR型，內部是機械攪拌（可控制調速）。

1.2 厭氧發酵實驗方案

實驗采用的是CSTR厭氧反應器，污泥經過預處理后配成TS=25%左右的基質，取上述基質6L放于反應器中進行馴化。根據實驗具體的要求，將破碎處理后原料，按有機負荷每天定時向反應器中加入相應負荷質量的原料，穩定運行20天。產氣量、pH每天測定一次，二氧化碳分析儀，甲烷分析儀每天自動記錄甲烷氣體量數據。

實驗材料：材料為黃瓜藤，破碎后的黃瓜藤放入紅色的塑料桶并且密封封存，同時放置于陰涼處。厭氧污泥取自泰州某正在運行的沼氣池內，其污泥性質為PH=7.1，TS=28%，含水率=53%。

1.3 實驗流程說明

發酵罐系統內主要的工作流程：

（1）熱水：加熱器→循環泵→夾套進水口（下）→夾套→夾套出水口（上）→加熱器

（2）沼氣：沼氣→減壓閥→干燥除濕劑→二氧化碳檢測儀→甲烷檢測儀→集氣袋

2 污泥投配率對厭氧發酵實驗的影響

2.1 投配率實驗準備

污泥投配率對日均產體氣量和微生物的活性都有較大的影響，污泥投配率如果小的話，則污泥COD小，那就不能為厭氧菌種提供充分的營養物質，進而影響生化反應的進行，即有機物的分解也就不能進行了；同樣的，投配率過大的話，污泥COD增大，污泥內的營養物質大大浪費，而且積累，這可能阻礙厭氧反應的正常進行。

準備用投配率為5%，7%和10%進行對比試驗，通過數據來驗證投配率對厭氧反應的影響。

在實驗安排中，污泥投配率是按照青枯比為2：1的實驗組進行的，投配率則是按照5%，7%和10%，發酵時間也是20d。開始每天按污泥投配率5%、7%、10%加。罐體內的轉速恒定在20 r/min。初始反應污泥和投配的污泥性質是 pH=7.2，TS=27.4%，含水率為53%。

2.2 不同投配率對產甲烷氣體量的影響

圖1可以直觀的反映出投配率為7%時，日均產甲烷量所占日均氣體總量比重最高，為72%，通過查找資料[52]，原因是因為揮發性脂肪酸的緣故。

在運行良好的厭氧反應器中，產甲烷菌分解VFA的速度和VFA的產速相等。所以需要控制好VFA的濃度。Vieitez[6]等指出，總VFA濃度超過13000mg/L時厭氧消化就會停止，產甲院菌對其耐受濃度在10000mg/L以下。

因此，投配率為7%時，對提升日均產氣量有比較顯著的效果，而繼續提高投配率時，效果不很很明顯，但在后續的反應中，能持續保持較高的日均產氣量；同時，當投配率為7%時，日均產甲烷量所占日均氣體總量是三個實驗組中最高的，這對后續的沼氣提純是有幫助。

3 結語

本文黃瓜藤鮮活度實驗和污泥投配率實驗中，由于時間和本人水平有限，沒能從更微觀的角度對它進行分析，比如可以運用厭氧發酵動力學中的知識對實驗現象進行解釋建議運用國外最主流的ADME[7]技術嘗試著分析實驗數據。

【參考文獻】

[1]楊立，張婷，龔乃超.稀堿法預處理對秸稈厭氧發酵產氣的（下轉第282頁）（上接第278頁）影響研究[J].安徽農業學報，2011，39（15）：9165-9166.

[2]覃國棟，劉榮厚，孫辰.酸預處理對水稻秸稈沼氣發酵的影響[J].上海交通大學學報：農業科學版，2011，29（1）：58-61.

[3]楚莉莉，李軼冰，馮永忠.沼液預處理對小麥秸稈厭氧發酵產氣特性的影響[J].干旱地區農業研究，2011，29（1）：247-251.

[4]Kouichi Izumi， Yu-ki Okishio，Norio Nagao. Effects of particle size onanaerobic digestion of food waste [J]. International Biodeterioration &Biodegration，2010，64：601-608.

[5]S. Menardo， G. Airoldi， P. Balsari. The effect of particle size and thermal pre-treatment on the methane yield of four agricultural by-products [J].Bioresource technology，2011，104：708-714.

[6]Vieitez E R. Ghosh S. Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic fermentation[J]. Biomass and Bioenergy，1999，16（5）：299-309.

[7]馬春燕，陳晶晶，浦紹瑞，王俊，劉暢.基于ASPEN PLUS軟件的厭氧發酵過程模擬與分析[A].勤哲文化傳播（上海）有限公司.

[責任編輯：湯靜]