不同進料量對農業廢棄物半連續厭氧發酵產氣性能的影響

朱教寧，李永平，張曉晨

（山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

不同進料量對農業廢棄物半連續厭氧發酵產氣性能的影響

朱教寧，李永平，張曉晨

（山西省農業科學院現代農業研究中心，山西太原030031）

以牛糞與番茄秸稈混合物為發酵原料，7 d為一個進出料周期，進行不同進料量100，120，140，160 g/L混合物料的中溫（35±1）℃厭氧發酵產氣試驗，以考察進料量對農業廢棄物半連續式厭氧發酵產氣情況及消化穩定性的影響。結果表明，進料量為140 g/L時，甲烷平均含量相對較高，達49.06%，且其波動幅度較小；容積甲烷產率較高，達0.141 L/（L·d），較進料量為100，120，160 g/L處理分別高出131.15%，13.71%，2.17%。從料液pH值、VFA、堿度等系列指標可以得出，進料量為100，120，140 g/L時，系統均能穩定運行；當進料量提高到160 g/L時，系統酸累積現象明顯，開始趨于不穩定。因此，從甲烷產量和系統的穩定性綜合考慮，140 g/L為適宜的推薦進料量。

農業廢棄物；進料量；半連續式厭氧發酵；產氣性能

厭氧發酵技術已成為農業廢棄物無害化處理和資源化利用的重要途徑[1-3]。從進料方式上，一般將厭氧消化工藝分為批式、半連續式和連續式[4]。目前，農村中小型沼氣工程多采用半連續式發酵工藝，然而，通常都是根據原料的來源不定期、不定量地進料，出料也往往是根據農田用肥需要不定量出料[5]。其中，進料量是影響半連續式厭氧發酵過程的重要參數[6]，進料量過小，反應系統中新鮮物料補充不充分，厭氧微生物繁殖較緩，產氣效率低；進料量過高，反應系統內酸大量積累，pH值下降，產甲烷菌代謝活動受到抑制，系統產氣緩慢甚至停滯。

目前，許多學者對農業廢棄物半連續式進料發酵效果進行了大量研究，羅立娜等[7]研究了投配率對牛糞連續兩相厭氧發酵酸化效果的影響；王光遠等[8]就進出料頻率對牛糞兩相厭氧發酵特性的影響進行了分析；邱艷君等[9]對不同配比豬糞與奶牛糞混合半連續厭氧發酵特性進行了研究；杜靜等[10]分析了物料濃度對秸稈批式和半連續式厭氧發酵產氣效率的影響。然而，針對畜禽糞便與蔬菜廢棄物混合物料半連續式進料發酵效果的研究鮮見報道。

本試驗通過改變進出料量，觀察中溫（（35± 1）℃）條件下，研究不同進出料量對牛糞與番茄秸稈聯合厭氧發酵產氣情況及系統穩定性的影響，旨在為農村廢棄物厭氧發酵沼氣工程運行提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗原料

試驗選取的農業廢棄物為番茄秸稈與牛糞。其中，番茄秸稈取自山西省農業科學院東陽基地溫室，在自然條件下風干后，粉碎成5 mm左右的顆粒粉末，總固體含量（TS）為74.39%；牛糞為東陽鎮養牛專業戶的新鮮牛糞，總固體含量（TS）為41.20%，除去雜質后保存于4℃的冰箱中備用。接種污泥為東陽基地牛糞中溫發酵池中的沼液，總固體含量（TS）為8.24%。

1.2 試驗裝置

本研究采用的試驗裝置為安徽省滁州藍宇環保設備制造有限公司生產的厭氧消化反應器。其主體為帶保溫夾層的圓柱形有機玻璃發酵罐，總容積10 L，有效容積8 L。頂部安裝自動攪拌裝置，進料口位于罐體上部，出料口安裝在罐體底部，出料時通過閥門控制。試驗用35℃的水浴在罐體保溫夾層中循環流動，維持罐體內溫度恒定。

1.3 試驗設計

按照每個進料周期（7 d）單位池容進料100，120，140，160 g，試驗設置4個處理，分別計為T1. 100 g/L；T2.120 g/L；T3.140 g/L；T4.160 g/L。各處理重復3次，取平均值用于分析。

試驗包括2個階段，即啟動階段和進出料階段，詳細情況如圖1所示。啟動階段為批式發酵反應，各處理均添加相同的反應物料，按照牛糞與番茄秸稈質量（TS）比1∶3進行配比，料液濃度為8%，接種物含量30%，料液總質量8 kg，靜態發酵至幾乎不產氣為止，以消除啟動原料自身產氣對進出料發酵反應的影響。啟動的目的是為了調試反應裝置，馴化厭氧消化污泥，保證進出料階段反應底物的一致穩定性，本研究未對此階段進行指標測定與結果分析。

進出料階段為半連續式發酵反應，各處理按照各自進料量每7 d進行一次進出料，共進行7次進出料。進料料液牛糞與番茄秸稈的配比及料液濃度同啟動料液一致，進料的同時排出相同質量的舊料液，每天定時進行一次攪拌，攪拌時間為5 min，攪拌強度為100～120 r/min。

1.4 測定項目及方法

原料干物質量（TS）含量：105℃烘24 h，采用差重法測定；原料揮發性固體（VS）含量：550℃灼燒4 h，采用差重法測定；料液pH值：雷磁PHS-3C型酸度計，每日測定；料液揮發性有機酸（VFA）：采用比色法，取每次出料液進行測定[11]；料液堿度：采用電位滴定法，取每次出料液進行測定[11]；產氣量：采用長春汽車濾清器有限責任公司生產的LMF-1型濕式防腐氣體流量計，2 d測定一次；氣體組分：采用武漢四方光電科技有限公司生產的Gasboard-3200L型便攜式紅外沼氣分析儀，每2 d收集測定一次。

2 結果與分析

2.1 產氣情況分析

2.1.1 容積產氣率容積產氣率即單位池容產氣量，是厭氧發酵反應的重要性能指標，容積產氣率越高，相同容積產氣量就越多。

從圖2可以看出，各處理容積產氣率的整體變化情況基本一致，前2個進料周期較高，第3，4個進料周期有所降低，第5～7個進料周期又逐漸上升；各處理每個進料周期池容產氣率的變化趨勢也基本相似，即先增加后減少，峰值通常出現在進料后第3～4天。除T2容積產氣率的最大值出現在第6進料周期外，其余處理均出現在第7個進料周期中，峰值分別為T1 0.67 L/（L·d），T2 0.74 L/（L·d），T3 0.98 L/（L·d）和T4 1.00 L/（L·d）；各處理平均容積產氣率分別為T1 0.271 L/（L·d），T2 0.284 L/（L· d），T3 0.291 L/（L·d），T4 0.328 L/（L·d），說明適當增加進料量可提高容積產氣率。

2.1.2 甲烷含量甲烷是沼氣中的有效成分，是衡量厭氧發酵產氣品質的指標，甲烷含量越高，穩定性越好，產氣品質越佳[12-13]。由圖3可知，整個發酵過程中，T1甲烷含量一直處于較低水平，平均含量僅為21.53%，產氣品質較差；T2，T3，T4甲烷含量整體變化趨勢相同，前2個進料周期較高，第3，4個進料周期有所降低，第5～7個進料周期又逐漸上升；每個進料周期中，甲烷含量都會出現波動，大致呈先降低后升高的趨勢。各處理間差異較為明顯，其中，T3處理甲烷含量雖有波動，但波動幅度較小，只有在第4個進料周期個別值出現了低于40%的情況，其余均穩定在40%以上，平均含量相對較高（49.06%），分別比T1，T2，T4高出127.87%， 10.17%，18.76%；T2，T4處理甲烷含量在第3，4進料周期中降低幅度較大，較多值落在20%以下，且在每個進料周期中，波動都比較劇烈。

各處理平均容積產甲烷率分別為T1 0.061 L/（L·d），T2 0.124 L/（L·d），T3 0.141 L/（L·d）和T4 0.138 L/（L·d），即T3＞T4＞T2＞T1。盡管T4容積產氣率高于T3，但由于其甲烷含量低、波動幅度大，最終容積產甲烷率低于T3。從甲烷含量及容積產甲烷率的分析結果來看，并非進料量越大產氣效果越好，進料量過高反而使產甲烷過程受到一定程度的抑制，且在進出料過程中出現了較大波動，這在實際工程應用中會對用戶用氣產生較大的不利影響[14]。

2.2 系統過程參數變化情況分析

2.2.1 pH值變化情況pH是厭氧發酵過程中的重要參數。一般發酵系統中，pH值應控制在6.5～7.8，此時產甲烷菌可保持較強的活性[15-16]。由圖4可知，整個發酵過程中，各處理pH值均保持在可控（6.5～7.8）范圍內，但進料量大的處理與其他處理相比，出料pH值略低；反應初期，各處理pH值位于6.5～7.8，隨后逐漸降低，且進料量越大，pH值下降幅度越大。在第5個進出料周期均達到最低，各處理pH值在6.9～7.2，可能是由于進料量多，揮發性脂肪酸降解不徹底所造成[9]；隨著揮發性脂肪酸的不斷降解，pH值在第6進出料周期后又逐漸升高。

2.2.2 揮發性脂肪酸（VFA）和堿度的變化揮發性脂肪酸（VFA）不僅是產甲烷菌不可缺少的營養成分，同時也是沼氣發酵研究中評價有機物降解工藝條件優劣的重要參數，在甲烷形成的研究和生產中，它的含量也是重要的參數[17]。由圖5可知，由于T1的進料量較小，新生成的VFA能夠迅速被甲烷菌分解利用，因此VFA值一直處于較低水平。其余處理前3次出料的VFA含量也較低，且變化不大，其中，T2出現了先升高后降低的趨勢，峰值出現在第6次出料中；T3，T4的VFA含量先迅速升高，后緩慢升高，最后迅速降低，在第5～7次出料中VFA值均維持在較高的水平，表明反應系統中已出現了酸累積現象，且進料量越大，VFA含量越高，酸累積現象越嚴重。

堿度是指沼氣發酵液結合氫離子的能力，對發酵液產生出一定量的過酸過堿物質能起到緩沖作用，是衡量發酵體系緩沖能力的尺度[11]。有研究表明，VFA與堿度之比＜0.4，厭氧發酵系統處于穩定狀態；位于0.4～0.8，系統存在非穩定因素；＞0.8，表明系統極不穩定，不適合厭氧發酵[18]。

從圖6可以看出，各處理前4次出料液的堿度迅速升高，但隨著進料次數的增加，堿度的增加速度放緩，直至第6次或第7次出料后降低。

圖7顯示，堿度的存在對VFA的升高起到了一定的平衡作用，各處理VFA/堿度值呈現先降低后升高最后降低的趨勢。整個發酵周期內，T1，T2處理的VFA/堿度值均小于0.4，系統始終處于穩定狀態；T3處理只有第5次出料料液的VFA/堿度值為0.42，略大于0.4，但隨著堿度的增加，VFA/堿度值很快下降到0.4以下，系統恢復至穩定狀態；T4處理第5～7次出料料液的VFA/堿度值均處于0.4～0.8，系統出現長時間的非穩定狀態，這是由于投入過多的新鮮物料，會加速有機物的水解酸化速率，VFA含量增加過快，而系統的堿度有限，對過多的VFA無法起到平衡作用，嚴重制約了甲烷菌的活性[19-20]。

3 結論與討論

及時補充發酵物料，且適當增加進料量，可提高農業廢棄物厭氧發酵的容積產氣率。本研究結果表明，從產甲烷的效果來看，并非進料量越大越有利于甲烷的產生，當進料量為140 g/L時，甲烷含量一直處于較高的水平，平均含量相對較高，容積產甲烷率較大。

當進料量為100，120，140 g/L時，厭氧消化系統能保持穩定運行；當進料量增加到160 g/L時，系統酸累積現象明顯，而堿度的緩沖能力有限，其VFA/堿度值在較長時間內處于0.4～0.8，反應趨于不穩定。

本試驗結果還表明，各處理pH值的較低水平及揮發性脂肪酸的較高水平均出現在第5，6次進出料周期中，而容積產氣率和甲烷含量的低谷則出現在第3，4次進出料周期內。分析原因可能是由于第3，4次進出料周期產酸相中丙酸、丁酸含量較高，而丙酸、丁酸只有轉化為乙酸才能被產甲烷菌利用[7，21]；隨著丙酸、丁酸不斷轉化為乙酸，到第6，7次進出料周期中盡管揮發性總酸含量較高，但其乙酸含量高，能夠被產甲烷菌迅速分解，因此，產氣速率和產甲烷速率均較高。今后需對揮發性脂肪酸各成分的含量做進一步的測定與研究。

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Effects of Different Feeding Rate on Biogas Production by Semi-continues Anaerobic Fermentation of Agriculture Waste

ZHUJiaoning，LI Yongping，ZHANGXiaochen
（Research Center ofModern Agriculture，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

To investigate effects of feeding rate on biogas production and digestion stability of agriculture waste anaerobic fermentation,experiments with different feedingrate（100,120,140,160 g/Leveryseven days）bysemi-continues anaerobic fermentation at mesophilie temperature（35±1）℃of cowmanure and watermelon strawwere carried for seven times of digestion materials feeding. The results showed that higher and smaller fluctuant methane content（49.06%）was achieved when feedingrate was 140 g/L,and it had a higher volume methane production（0.141 L/（L·d））which was 131.15%,13.71%,2.17%,higher than other treatment groups with feeding rate of100,120,160 g/L,respectively.The results ofpH,volatile fatty acid and alkalinity analysis demonstrated that the reactor operated stably when feeding rate was 100,120,140 g/L,but it tended unstable due to the accumulation of acid when feeding rate reached 160 g/L.Based on comprehensive consideration ofmethane production and digestion stability,the optimumfeedingrate was 140 g/L.

agriculture waste;feedingrate;semi-continues anaerobic fermentation;gas production characteristic

S216.4

A

1002-2481（2016）12-1822-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.21

2016-09-19

山西省重點研發計劃（重點）項目（2016-MN-10-05）；山西省科技攻關項目（20150313003-5）；山西省農業科學院攻關項目（YGG1420）；山西省農業科學院科技自主創新能力提升工程項目（2016zzcx-27）

朱教寧（1986-），女，山西孝義人，助理研究員，碩士，主要從事農業廢棄物綜合利用研究工作。李永平為通信作者。