蘆葦、牛糞、有機(jī)垃圾多物料厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能研究

高奔 姚利 韓迪 王鑫華 王艷芹 付龍?jiān)?/p>

摘要：在發(fā)酵原料TS固定的情況下，研究了有機(jī)生活垃圾與蘆葦、牛糞以0∶2∶l、l∶0.5∶1.5、l∶l∶l、l∶1.5∶0.5和1：2：0不同配比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣性能的影響。結(jié)果表明，對于蘆葦來說，與有機(jī)垃圾和牛糞三物料混合發(fā)酵優(yōu)于與有機(jī)垃圾或牛糞雙物料混合發(fā)酵，三者比例為l∶0.5∶1.5的組合產(chǎn)氣效果最好，發(fā)酵周期為37（1，最高日產(chǎn)氣量達(dá)3.2L/d，單位TS產(chǎn)氣量為361.88mL/g，單位VS產(chǎn)氣量為411.22mL/g。

關(guān)鍵詞：蘆葦；牛糞；有機(jī)垃圾；多物料厭氧發(fā)酵；產(chǎn)沼氣性能

中圖分類號：S216.4

文獻(xiàn)標(biāo)識號：A 文章編號：1001-4942（2016）02-0085-04

濕地作為三大生態(tài)系統(tǒng)之一，是地球生物化學(xué)循環(huán)中的一個重要單元。濕地植物除了一部分被濕地動物所攝食進(jìn)人生物鏈外，大部分植物枯萎死亡后，殘?bào)w仍沉積在濕地中。濕地植物枯枝敗葉腐爛后阻礙其自身新芽的萌發(fā)和新苗的生長，污染水體；同時植物體腐爛還可能產(chǎn)生化感類物質(zhì)，對周邊植物的生長、繁殖具有抑制作用。為解決濕地植物殘?bào)w問題，有的地方甚至采取焚燒的做法，造成資源浪費(fèi)和環(huán)境二次污染。濕地植物清理維護(hù)及利用逐漸成為維持濕地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)展的迫切需要，其技術(shù)研發(fā)是當(dāng)前的努力方向。

對于大部分濕地來說，濕地植物維護(hù)的重點(diǎn)主要是蘆葦。近年來，隨著國內(nèi)造紙行業(yè)的產(chǎn)業(yè)調(diào)整，各造紙廠基本淘汰了以麥草、蘆葦?shù)葹樵系牟轁{生產(chǎn)線，同時蘆葦制品市場萎縮嚴(yán)重，蘆葦收割利用量越來越少，急待進(jìn)一步開發(fā)利用途徑。

蘆葦作為一種有巨大潛力的生物質(zhì)資源，與秸稈性質(zhì)類似，可以用于堆肥，回用于農(nóng)田，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量；還可用于生產(chǎn)乙醇、丁醇等生物燃料；也可發(fā)酵生產(chǎn)沼氣。生產(chǎn)沼氣可保持環(huán)境和供應(yīng)鏈的可持續(xù)性，提高蘆葦?shù)哪茉椿唾Y源化水平。有效利用蘆葦?shù)葷竦刂参铮涌燹r(nóng)村沼氣工程建設(shè)，不但可以解決濕地運(yùn)行的可持續(xù)性問題，而且也是解決城鎮(zhèn)農(nóng)村生活用能的重要途徑之一。但蘆葦木質(zhì)纖維素降解慢、碳氮比不適宜，導(dǎo)致厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣效率低，同時沼氣工程存在進(jìn)出料困難，液態(tài)發(fā)酵易出現(xiàn)漂浮和結(jié)殼等問題，導(dǎo)致蘆葦在沼氣技術(shù)應(yīng)用上存在技術(shù)瓶頸。因此，研發(fā)適合蘆葦?shù)母咝Оl(fā)酵技術(shù)是蘆葦沼氣利用技術(shù)亟待解決的關(guān)鍵問題。

目前，通過厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣以提高農(nóng)村秸稈、糞便的利用率在一些地區(qū)已經(jīng)普遍應(yīng)用，但單一物料發(fā)酵應(yīng)用比較多。單一物料具有各自不同的理化特性，在厭氧發(fā)酵利用上也存在不同的困難。蘆葦由于木質(zhì)纖維素含量高，導(dǎo)致降解慢，發(fā)酵效率低。畜禽糞便作為較好的發(fā)酵原料，發(fā)酵充分、技術(shù)成熟，但由于性質(zhì)致密不宜提高發(fā)酵濃度。蔬果廢棄物、廚余等農(nóng)村有機(jī)生活垃圾作為一大類重要的農(nóng)村廢棄物，極易腐解酸化，單獨(dú)發(fā)酵易造成發(fā)酵惡化或終止。為了提高物料發(fā)酵效率，近幾年混合物料厭氧發(fā)酵成為國內(nèi)外大量學(xué)者研究的熱點(diǎn)之一。混合發(fā)酵可以改善原料結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)，進(jìn)而提高原料的轉(zhuǎn)化效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)原料為蘆葦、有機(jī)生活垃圾和奶牛糞便，接種物為牛糞秸稈沼氣工程沼渣。

蘆葦：取自南四湖濕地新鮮蘆葦，用粉碎機(jī)粉碎至1～2cm；有機(jī)生活垃圾：取自山東省章丘市普集鎮(zhèn)樂家村分類后的有機(jī)生活垃圾，主要包括蔬果廢棄物和極少量的剩飯剩菜等，用粉碎機(jī)打碎；奶牛糞便：新鮮牛糞，取自山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院畜牧獸醫(yī)研究所奶牛場；接種物：取自課題組長期培養(yǎng)的以牛糞為主要原料厭氧發(fā)酵的成熟沼渣。試驗(yàn)原料理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)裝置 本試驗(yàn)裝置由恒溫柜、發(fā)酵瓶、流量計(jì)、集氣袋組成，發(fā)酵瓶容積為2.5L，發(fā)酵瓶與流量計(jì)、集氣袋通過玻璃管和橡膠管鏈接，產(chǎn)生的沼氣由集氣袋收集，通過氣體流量計(jì)計(jì)量，發(fā)酵瓶置于恒溫柜中，恒溫柜溫度設(shè)置為（35+1）℃，如圖1所示。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)共設(shè)置5個處理，即有機(jī)生活垃圾、蘆葦、牛糞的干基質(zhì)量比為0：2：1、1∶0.5∶1.5、1∶1∶1、1∶1.5∶0.5、1：2：0，另設(shè)只以接種物為原料的對照組。每個處理進(jìn)行3個平行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果取其平均值。設(shè)計(jì)接種率為50%（以接種污泥TS為發(fā)酵原料總TS的百分?jǐn)?shù)計(jì)）。通過加入不同量的自來水來調(diào)節(jié)各處理發(fā)酵濃度為16%。添加物料后，向發(fā)酵瓶中吹氮?dú)?min，以保證嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。試驗(yàn)期間，每天上午9∶00測定沼氣產(chǎn)量，發(fā)酵前期每天取發(fā)酵液測定pH值，穩(wěn)定后每隔3～7d天取樣測定各指標(biāo)。厭氧發(fā)酵前后測定各處理纖維素半纖維素的值。

1.2.3 指標(biāo)測定方法測試儀器：電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱（DHG-9205A，上海），馬弗爐（SX-4-10，蘇州），沼氣流量計(jì)（Ritter，TG05-5，德國），pH計(jì)（Bante220，上海），凱氏定氮儀（BUCHI，KjeMaster k-375，瑞士），木質(zhì)纖維素測定儀（FOSSFibertec2010，丹麥），電子天平（BS110S，德國）。

測定方法：TS、VS采用烘干失重方法測定，沼氣產(chǎn)量通過沼氣流量計(jì)測定。消化液的pH值采用pH計(jì)測定，對于厭氧發(fā)酵過程中消化液的成分，采集樣品后離心（12000r/min，10min），取上清液用凱氏定氮儀測定氨氮濃度。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2007軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣情況

以有機(jī)生活垃圾、蘆葦和牛糞混合物料作為底物厭氧消化時，在總發(fā)酵物料TS一致的情況下，三種物料不同配比對沼氣日產(chǎn)氣量及累積產(chǎn)氣率的影響如圖2、圖3所示。從圖2中可以看出，各處理的日產(chǎn)氣量變化趨勢基本相似，呈波浪式趨勢。其中，三者比例為1∶0.5∶1.5、1∶1∶1的組合產(chǎn)氣規(guī)律類似，產(chǎn)氣盛期出現(xiàn)在4～34d，在此期間日產(chǎn)氣量為1.0～3.5L/d，最高日產(chǎn)氣量分別達(dá)3.2、2.8L/d，之后產(chǎn)氣速率開始降低，至37、38d發(fā)酵結(jié)束（產(chǎn)氣量達(dá)到90%即認(rèn)為發(fā)酵結(jié)束）。相比而言，1：0.5：1.5的組合在5～15d有一個明顯的產(chǎn)氣高峰，之后日產(chǎn)氣量略有下降，而1∶1∶1的組合在整個產(chǎn)氣盛期日產(chǎn)氣量比較均勻。O∶2∶1和1∶2∶0的組合體現(xiàn)了類似的趨勢，產(chǎn)氣盛期分別于第2、3d開始；第46、42d發(fā)酵結(jié)束，發(fā)酵周期相對較長，這是由于蘆葦?shù)慕到馑俾时扰＜S、垃圾慢。這兩個組合之間區(qū)別在于，含有機(jī)垃圾的組合產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)較早，但很快出現(xiàn)一個停滯期，分析原因是由于有機(jī)垃圾水解酸化速度過快，導(dǎo)致pH值下降明顯，影響了產(chǎn)甲烷化過程。1∶1.5∶0.5的組合發(fā)酵前期有較長的適應(yīng)期，至11d開始進(jìn)入產(chǎn)氣盛期，第11～30d有一個明顯的產(chǎn)氣高峰。

試驗(yàn)結(jié)果表明，對于蘆葦來說，與有機(jī)垃圾和牛糞三物料混合發(fā)酵優(yōu)于與有機(jī)垃圾或牛糞雙物料混合發(fā)酵，三者比例為1∶0.5∶1.5、1∶l∶1的組合產(chǎn)氣效果較好（圖3）。有機(jī)垃圾的加入可能影響發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，可以通過增加堿性速效降解原料的配比降低酸化的程度，混合物料中隨著蘆葦占比的增大，發(fā)酵周期也隨之加長。

2.2 pH值變化情況

多項(xiàng)研究表明，厭氧消化需要一個相對穩(wěn)定的pH值，厭氧微生物對pH值的波動十分敏感，參與厭氧消化的不同微生物類群所適應(yīng)的pH值范圍各不相同。本試驗(yàn)各處理pH值變化如圖4所示。有機(jī)生活垃圾、蘆葦和牛糞配比為1∶0.5∶1.5、1∶1∶和0∶2∶1的處理pH值變化呈現(xiàn)先降低、后升高、然后趨于穩(wěn)定的趨勢，穩(wěn)定值基本維持在7.8～8.0之間，表明三物料混合發(fā)酵能互相促進(jìn)，平衡pH值。1∶2∶0的組合在發(fā)酵3d后pH值迅速下降，最低達(dá)到4.98，并維持低pH值較長時間，至23d才恢復(fù)至6.98，這是由于有機(jī)垃圾屬于易降解原料，發(fā)酵前期易酸化，造成有機(jī)酸過量積累，此配比中不含牛糞等偏堿性速效降解原料進(jìn)行中和，而蘆葦未進(jìn)行預(yù)處理，發(fā)酵前期降解速率較慢，導(dǎo)致酸化后難以恢復(fù)。1∶1.5∶0.5的配比出現(xiàn)了先上升、后降低、再升高的過程，分析由于該配比含有的牛糞在前期對酸化有一定緩釋作用。各處理pH值的變化與產(chǎn)氣情況也有一定相關(guān)性，出現(xiàn)酸化的組合1∶2∶0也出現(xiàn)了較長時間的產(chǎn)氣遲滯，pH值穩(wěn)定的處理產(chǎn)氣高峰比較明顯。

2.3 原料降解程度

有機(jī)生活垃圾、蘆葦和牛糞不同配比混合發(fā)酵前后中性洗滌纖維、酸性洗滌纖維、纖維素和半纖維素的變化如圖5所示，中性洗滌纖維包含纖維素、木質(zhì)素、半纖維素和不溶性灰分，酸性洗滌纖維包括纖維素、木質(zhì)素和酸不溶灰分，纖維素和半纖維素是易于微生物降解的主要成分。酸性洗滌纖維的降解率相對較低，可以看出，纖維素的降解率以配比為1∶1∶1的處理最高，達(dá)到48.56%，半纖維素的降解率以配比為1∶0.5∶1.5的處理最高，達(dá)到58.39%。纖維素、半纖維素的降解率因底物配比的不同會有變化，各指標(biāo)的降解程度和總產(chǎn)氣情況呈正相關(guān)。

各組合處理的主要發(fā)酵指標(biāo)見表2，可以看出，不同原料配比對蘆葦厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響顯著，以三者比例為1∶0.5∶1.5的組合產(chǎn)氣效果最好，發(fā)酵周期為37d，最高日產(chǎn)氣量為3.2L/d，單位TS產(chǎn)氣量為361.88mL/g，單位VS產(chǎn)氣量為411.22mL/g。1∶1∶1的組合發(fā)酵效果次之，如需要提高蘆葦處理比例，也可選擇此種組合。

3 結(jié)論

3.1 蘆葦厭氧發(fā)酵的速度較慢，混合多物料發(fā)酵有助于互相促進(jìn)，平衡pH值，提高物料的產(chǎn)沼氣量，蘆葦、牛糞、有機(jī)垃圾三物料混合發(fā)酵效果優(yōu)于蘆葦與牛糞、蘆葦與有機(jī)垃圾雙物料混合，以有機(jī)生活垃圾、蘆葦和牛糞干物質(zhì)質(zhì)量比l∶0.5∶1.5的配比效果最好。

3.2 在有機(jī)垃圾含量不變的情況下，混合物料中提高蘆葦含量至1/3，也可獲得較好的發(fā)酵效果。隨著蘆葦占比的增大，發(fā)酵周期也隨之加長。有機(jī)垃圾的加入可能影響發(fā)酵過程的穩(wěn)定性，可以通過原料配比縮短酸化遲滯期。