牛糞與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝優(yōu)化分析

摘 要：牛糞與水稻秸稈混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，不僅能夠產(chǎn)出生物質(zhì)能源、改進(jìn)能源結(jié)構(gòu)，還能降低農(nóng)業(yè)廢棄物對生態(tài)環(huán)境造成的危害，促進(jìn)生態(tài)、經(jīng)濟(jì)同步發(fā)展。在牛糞與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵過程中，原料配比、預(yù)處理劑差異、外部溫度等因素都會影響厭氧發(fā)酵效果。為了促進(jìn)生物質(zhì)能源生產(chǎn)效率與質(zhì)量的進(jìn)一步提升，本文開展試驗優(yōu)化牛糞與水稻秸稈混合物厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝。結(jié)果表明，水稻秸稈和牛糞按照1∶1比例獲取混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并將濃度為2%的H2O2作為預(yù)處理劑，厭氧效果最佳。

關(guān)鍵詞：牛糞;水稻秸稈;厭氧發(fā)酵;沼氣

牛糞和水稻秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常見的廢棄物，對兩者實現(xiàn)混合發(fā)酵，會比單一發(fā)酵效果更好。在對牛糞和水稻秸稈混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵的過程中，預(yù)處理劑類型、濃度及混合物配比等因素都會影響沼氣生產(chǎn)效率和質(zhì)量。為了獲得最佳發(fā)酵成效，該文結(jié)合厭氧發(fā)酵技術(shù)，通過試驗對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工藝進(jìn)行優(yōu)化，為提升發(fā)酵效果提供一定的理論基礎(chǔ)。

一、厭氧發(fā)酵技術(shù)概述

所謂厭氧發(fā)酵技術(shù)，指的是在無氧氣環(huán)境下，通過厭氧菌自身生化作用，分解轉(zhuǎn)化畜禽糞便、人類糞便、污水及秸稈等復(fù)雜有機(jī)物，并殺死寄生卵、病菌，產(chǎn)生沼氣的過程，也被稱為厭氧消化或者沼氣發(fā)酵技術(shù)[1]。微生物是整個過程中最活躍的因子，其分解、轉(zhuǎn)化各種復(fù)雜有機(jī)物，產(chǎn)生沼氣。

二、材料和方法

（一）試驗裝置

在優(yōu)化牛糞與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝試驗過程中，首先結(jié)合試驗?zāi)康暮驮囼灷碚摷夹g(shù)，設(shè)計單項厭氧發(fā)酵系統(tǒng)。試驗裝置主要包括3個部分，分別是集氣裝置、水浴恒溫裝置、發(fā)酵裝置（見圖1）。在集氣裝置中，包含一個容量為1 L的燒杯和容量為2 L的錐形瓶，為了防止出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，用橡膠塞對錐形瓶口進(jìn)行密封，該橡膠塞設(shè)有導(dǎo)氣孔;水浴恒溫裝置中設(shè)置一個溫度控制儀，結(jié)合不同試驗階段具體的溫度要求，對發(fā)酵溫度進(jìn)行動態(tài)調(diào)整;發(fā)酵裝置為5 L的下口瓶，并用具有導(dǎo)氣孔的橡膠塞對瓶口進(jìn)行密封處理，使瓶內(nèi)形成厭氧環(huán)境。裝置之間通過橡膠管和玻璃管來連接導(dǎo)液管和導(dǎo)氣管。

（二）試驗材料

在試驗材料的準(zhǔn)備過程中，發(fā)酵材料最重要，直接影響著厭氧發(fā)酵中微生物的生長和繁育。所選鮮牛糞、秸稈需要滿足碳氮元素配比要求，碳氮比最好控制在（20∶1）～（30∶1）。活性污泥富含微生物群落，生物活性較強(qiáng)，在厭氧發(fā)酵中充當(dāng)接種物。在某標(biāo)準(zhǔn)化養(yǎng)殖場取牛糞，當(dāng)作菌種來富集厭氧，同時在實驗室對鮮牛糞進(jìn)行一定時間的漚制，以此作為備用材料。在當(dāng)?shù)啬乘咎锶∷窘斩挘诟浇奈鬯幚韽S取活性污泥當(dāng)作接種物。發(fā)酵原料碳氮含量見表1。為了從污泥中富集厭氧菌，對取來的污泥進(jìn)行厭氧馴化，馴化時間為14 d，并在馴化期間定期將適量營養(yǎng)液加入其中，以有效提高污泥濃度。

（三）試驗設(shè)計

此次試驗通過批式進(jìn)料，并按照設(shè)計好的試驗條件與參數(shù)，根據(jù)一定比例混合經(jīng)過馴化的活性污泥、經(jīng)過預(yù)處理的水稻秸稈和牛糞，裝入自制發(fā)酵裝置中，實現(xiàn)持續(xù)性發(fā)酵。試驗分為2個環(huán)節(jié)，第一環(huán)節(jié)是針對預(yù)處理劑展開的優(yōu)化試驗，第二環(huán)節(jié)是針對預(yù)處理劑濃度展開的優(yōu)化試驗，第三環(huán)節(jié)是針對物料配比展開的優(yōu)化試驗。在第一環(huán)節(jié)和第二環(huán)節(jié)試驗中，分別設(shè)置1個對照組和3個試驗組，在第三環(huán)節(jié)試驗中，設(shè)置2個對照組和3個試驗組。在整體試驗過程中，發(fā)酵溫度始終保持在34～36 ℃，發(fā)酵料液最初的固體含量總量保持在8%，投入活性污泥量（干質(zhì)量）保持在0.79 g，每天按照固定的時間攪拌一次。

在試驗之前，需要對水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理，具體處理方法為把水稻秸稈鍘成細(xì)條狀，每個細(xì)條長度保持在1～2 cm，

在預(yù)處理溶液中浸泡24 h。預(yù)處理溶液和秸稈的混合物中，固液比例需要保持在1∶10，并按照不同試驗環(huán)節(jié)具體要求差異化配置預(yù)處理溶液。浸泡結(jié)束后，用蒸餾水將秸稈沖洗干凈，之后將其浸泡在蒸餾水中，經(jīng)過一定時間的浸泡獲得中性秸稈，同時風(fēng)干處理中性秸稈，備用。

（四）試驗測定項目及方法

為了獲得比例合適的發(fā)酵料液，需要在實際配置過程中利用烘干法進(jìn)行固體總含量的測定。同時，定期通過PHS-3C酸度計對pH值進(jìn)行科學(xué)測定，一般間隔時間為3 h。總氮和化學(xué)需氧量都是在發(fā)酵之前和發(fā)酵之后，分別利用硫酸鉀消解紫外分光光度法和重鉻酸鉀法進(jìn)行測定。另外，還要定期測定產(chǎn)氣量，主要的測定方法為排水法，按照規(guī)定時間每天測定一次[2]。

三、結(jié)果與分析

（一）不同類型的預(yù)處理劑對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的影響

使用不同類型的預(yù)處理劑，對牛糞和水稻秸稈對應(yīng)混合物實現(xiàn)厭氧發(fā)酵，其產(chǎn)氣趨勢見圖2。因為在實際發(fā)酵之前，已經(jīng)對牛糞進(jìn)行了一定時間的漚制，所以對照組和試驗組在剛開始發(fā)酵的時候都出現(xiàn)了一個小的產(chǎn)氣高峰。隨著發(fā)酵時間的推移，產(chǎn)酸速率逐漸上升，且遠(yuǎn)高于產(chǎn)甲烷的速率，所以發(fā)酵過程中開始積累大量的酸物質(zhì)，促使pH值顯著下降，進(jìn)而降低了富集甲烷菌的速率，產(chǎn)氣量呈現(xiàn)緩慢上升趨勢，或者出現(xiàn)一定下降。隨著發(fā)酵的持續(xù)進(jìn)行，開始加大酸物質(zhì)消耗量，進(jìn)而促使pH值上升，加快富集產(chǎn)甲烷菌，并使產(chǎn)氣量呈現(xiàn)上升趨勢[3]。對照組和預(yù)處理劑為NaOH、H2SO4、H2O2的試驗組，分別在第33、22、20、23天呈現(xiàn)出最高產(chǎn)氣值，最大產(chǎn)氣速率分別為976、1 098、992、

1 145 mL/d。在發(fā)酵物料逐漸減少的過程中，產(chǎn)氣量仍呈下降趨勢。對照組和3組試驗組對應(yīng)積累產(chǎn)氣量從小到大分別是對照組H2O2>H2SO4>NaOH，周期天數(shù)分別為61、59、57、54 d，綜合來看沒有明顯差異。因此，對水稻秸稈實現(xiàn)一定預(yù)處理，能夠更快地出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，進(jìn)而有效提升產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量。通過H2O2實現(xiàn)預(yù)處理，產(chǎn)氣速率最大值和產(chǎn)氣量都要高于NaOH和H2SO4。

（二）預(yù)處理劑差異化濃度對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的影響

結(jié)合上述試驗，在對預(yù)處理劑濃度展開優(yōu)化試驗的過程中，使用的預(yù)處理劑為H2O2，對應(yīng)試驗結(jié)果見圖3。對照組和濃度分別為6%、4%和2%的H2O2試驗組，其產(chǎn)氣趨勢都呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，整個趨勢中均出現(xiàn)了多個顯著產(chǎn)氣峰值[4]。4組產(chǎn)氣最大峰值分別是第49、23、19、17天，對應(yīng)的產(chǎn)氣速率最大值分別是1 237、1 613、1 574、1 673 mL/d。

相比試驗組，對照組產(chǎn)氣過程比較滯后，并且產(chǎn)氣速率較低，證明秸稈在實現(xiàn)預(yù)處理之后，能夠明顯縮減發(fā)酵周期，促使產(chǎn)氣效率得到有效提升。預(yù)處理劑為H2O2，濃度分別是6%、4%和2%的試驗組，在實際發(fā)酵過程中，日產(chǎn)氣量都高于1 000 mL的維持天數(shù)分別是11、6、18 d，可見濃度為2%的H2O2試驗組能夠保持最長的高產(chǎn)時間。對比累積產(chǎn)氣量，對照組與3組試驗組按照從小到大的順序，分別是對照組<6%H2O2<4%H2O2<2%H2O2，產(chǎn)氣量分別是34.6、40.1、42.1、50.5 L。濃度為6%、4%的H2O2試驗組由于預(yù)處理濃度相對較高，會對秸稈造成較為嚴(yán)重的破壞，所以這兩組累計產(chǎn)氣量相對較低。將產(chǎn)氣累積量達(dá)到產(chǎn)氣總量的90%設(shè)為一個發(fā)酵周期，4組發(fā)酵周期從大到小分別是對照組>2%H2O2>4%H2O2=6%H2O2，試驗組相比對照組有所提前，在試驗組之間沒有明顯差異。相比6%H2O2和4%H2O2，2%H2O2出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰期時間更靠前，并在提高產(chǎn)氣量、產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣天數(shù)等方面效果更好。

（三）差異化物料配比對厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的影響

根據(jù)上述試驗，確定對水稻秸稈進(jìn)行預(yù)處理的時候，H2O2為最佳預(yù)處理劑，且最佳濃度為2%，以此對不同配比的物料進(jìn)行試驗對比，試驗結(jié)果見圖4。單一秸稈和單一牛糞為兩對照組，牛糞和秸稈混合配比4∶1、2∶1、1∶1為3組試驗組，5組均有幾個較為顯著的產(chǎn)氣高峰，產(chǎn)氣速率最高值分別是450、

1 673、1 587、1 672 mL/d和2 297 mL/d，

可見混合比例為1∶1的試驗組具有最高產(chǎn)氣速率[5]。同時，相比其他小組，1∶1試驗組在整體發(fā)酵期間pH值下降幅度相對較小，并且pH值較快回升至穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)酵產(chǎn)沼氣系統(tǒng)比較穩(wěn)定。對照組和試驗組積累產(chǎn)氣量從小到大分別是單一秸稈<單一牛糞<4∶1<2∶1<1∶1，對應(yīng)產(chǎn)氣量為5.2、38.3、46.9、50.8 L和53.7 L，同時3組試驗組的發(fā)酵周期沒有明顯差異。因此，混合厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣高峰出現(xiàn)時間、產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣速率均高于單一發(fā)酵，且原料配比在1∶1時各項參數(shù)最佳。

綜上所述，利用水稻秸稈和牛糞1∶1的混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并將濃度為2%的H2O2作為預(yù)處理劑，能夠獲得最佳的厭氧發(fā)酵效果。

四、結(jié)語

水稻秸稈和牛糞作為常見的農(nóng)業(yè)廢棄物，利用兩者進(jìn)行厭氧發(fā)酵，對促進(jìn)清潔能源生產(chǎn)和維護(hù)生態(tài)平衡具有重要作用。該文通過試驗對牛糞與水稻秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣工藝進(jìn)行優(yōu)化，得出水稻秸稈和牛糞按照1∶1比例獲取混合物進(jìn)行厭氧發(fā)酵，并將濃度為2%的H2O2作為預(yù)處理劑，厭氧效果最佳。

參考文獻(xiàn)：

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