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水稻秸稈-豬糞混合發(fā)酵研究

2019-12-30 01:45黃強(qiáng)龔貴金黃藝瑤黃振俠
安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2019年24期
關(guān)鍵詞:豬糞

黃強(qiáng) 龔貴金 黃藝瑤 黃振俠

摘要? [目的]對水稻秸稈與豬糞進(jìn)行混合發(fā)酵研究。[方法]在不對秸稈進(jìn)行預(yù)處理的情況下,在35? ℃恒溫下進(jìn)行發(fā)酵,研究稻稈-豬糞VS比、底物-接種物VS 配比(S/I)和VS 濃度對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響。[結(jié)果]當(dāng)?shù)径?豬糞VS 配比為1∶4、底物-接種物VS 配比(S/I)為2∶1、VS 濃度為6%,產(chǎn)沼氣量及甲烷產(chǎn)量均達(dá)到最大,產(chǎn)氣效率高,其累積產(chǎn)氣量為548.90? mL/g。[結(jié)論]在水稻秸稈不進(jìn)行預(yù)處理的情況下,水稻秸稈-豬糞進(jìn)行中溫發(fā)酵工藝最佳發(fā)酵條件為VS比1∶4、S/I2∶1、VS 濃度6%。

關(guān)鍵詞? 水稻秸稈;混合發(fā)酵;豬糞

中圖分類號? S216.4??? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼? A

文章編號? 0517-6611(2019)24-0202-03

doi:10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.061

Study on Mixed Fermentation of Rice Straw and Pig Manure

HUANG Qiang,GONG Gui-jin,HUANG Yi-yao et al? (Jiangxi Zhenghe Ecological Agriculture Co., Ltd,Xinyu,Jiangxi 338000)

Abstract? [Objective]To study the mixed fermentation of rice straw and pig manure. [Method]The effects of VS ratio of rice straw to pig manure, VS ratio of substrate to inoculum (S/I) and VS concentration on the gas production of mixed anaerobic fermentation at constant temperature of 35 ℃ without pre-treatment on rice straw were studied. [Result]When VS ratio of rice straw to pig manure was 1∶4, VS ratio of substrate to inoculant (S/I) was 2∶1 and VS concentration was 6%,the biogas production and methane production reached the maximum, and the gas production efficiency was higher. Its cumulative gas production was 548.90 mL/g. [Conclusion]Without pre-treatment on rice straw, the optimum fermentation conditions for medium temperature fermentation of rice straw and pig manure were as follows:? VS ratio of 1∶4, S/I of 2∶1 and VS concentration of 6%.

Key words? Rice straw;Mixed fermentation;Pig manure

基金項目? 江西省重大研發(fā)專項(20182ABC28006)。

作者簡介? 黃強(qiáng)(1985—),男,江西南昌人,環(huán)保工程師,從事厭氧發(fā)酵工程研究。

收稿日期? 2019-06-18

隨著對環(huán)境改善和能源替代需求的不斷增加,厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣對有機(jī)廢物的處理越來越有吸引力,并在我國迅速發(fā)展起來[1]。據(jù)統(tǒng)計,我國每年產(chǎn)生8 億t秸稈和38 億t畜禽糞便。由于我國實行環(huán)境友好型發(fā)展政策,大多數(shù)沼氣站采用單一的原料,特別是動物糞便來進(jìn)行單一發(fā)酵。在厭氧發(fā)酵過程中,畜禽糞便中含有大量的氨氮,當(dāng)達(dá)到一定數(shù)量會導(dǎo)致氨的抑制[2]。水稻秸稈主要由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素組成[3],其結(jié)構(gòu)復(fù)雜,交聯(lián)結(jié)構(gòu)不能高效降解[4-6]。秸稈與豬糞進(jìn)行混合發(fā)酵被認(rèn)為是一種更有效的方法,不僅降低了單一原料發(fā)酵的碳氮比不平衡問題,而且提高了系統(tǒng)的緩沖能力,有利于發(fā)酵反應(yīng)的高效進(jìn)行[7-8]。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料? 稻稈和豬糞采自江西正合生態(tài)農(nóng)業(yè)有限公司羅坊沼氣站,收集的稻稈經(jīng)清水洗凈、自然風(fēng)干后,用粉碎機(jī)粉碎成1~3 cm長的小段,置于烘箱55 ℃下烘干;豬糞采自羅坊沼氣站勻漿池;接種物采自沼氣站1#厭氧發(fā)酵罐的底泥。其各自理化性質(zhì)如表1所示。

1.2? 檢測方法? 揮發(fā)性固體(VS)含量的測定采用烘干法;日產(chǎn)沼氣量的測定采用排水集氣法;甲烷含量使用甲烷綜合檢測儀進(jìn)行測定。

1.3? 試驗裝置? 厭氧發(fā)酵的試驗裝置由3個部分組成:①用1 000 mL 的玻璃瓶作為發(fā)酵反應(yīng)器(置于電子恒溫水浴鍋中);②用1 L 的廣口瓶作為集氣裝置,其中加入水,并用橡膠塞將瓶口密封;③用1 L 的燒杯作為集水裝置,以測量產(chǎn)氣量。3個部分用橡皮管與各個部分的玻璃管連接,形成集氣裝置,使水浴鍋溫度在恒溫35 ℃下進(jìn)行發(fā)酵,在發(fā)酵過程中每隔幾天輕輕搖動發(fā)酵裝置,防止沉淀和發(fā)酵秸稈的上浮。采用排水集氣的方法收集發(fā)酵產(chǎn)生的生物氣。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 不同S/I(底物比接種物)處理對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比1∶1 進(jìn)行添加,S/I 分別設(shè)定為1∶2.5、1∶2、1∶1、2∶1 和2.5∶1,并根據(jù)原料和接種物的含水率調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度至5%,然后置于中溫條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵。

由圖1可知,當(dāng)S/I 為1∶2.5時在第10天達(dá)到峰值(38.5 mL/g);當(dāng)S/I 為1∶2時在第9天達(dá)到峰值(41.35 mL/g);當(dāng)S/I 為1∶1時,在第6天達(dá)到峰值(33.69 mL/g);當(dāng)S/I 為2∶1時在第4天達(dá)到峰值(48.50 mL/g);當(dāng)S/I 為2.5∶1時在第3天達(dá)到峰值(40.00 mL/g),不同S/I 比的日產(chǎn)沼氣量均在產(chǎn)氣高峰后逐漸降低。當(dāng)?shù)孜锉冉臃N物為2∶1時,厭氧微生物能夠較快適應(yīng)厭氧系統(tǒng)環(huán)境,微生物代謝活躍并大量繁殖,酶活力上升,有機(jī)酸的形成速度與甲烷的形成速度相平衡,從而在較快的時間內(nèi)達(dá)到產(chǎn)氣高峰期[9]。

由圖2可知,S/I 為2∶1 處理的累積產(chǎn)氣量明顯高于其他處理,VS降解率為46.73%,且其他4 組配比下累積產(chǎn)氣量的變化趨勢相似。S/I為2∶1處理的產(chǎn)氣高峰期在前30 d,此后緩慢增加;其他處理的產(chǎn)氣高峰期在前20 d左右,此后緩慢增加,說明當(dāng)物料濃度固定時,若接種物濃度增大,微生物的生長繁殖速度將減緩。隨著時間的累積,厭氧系統(tǒng)中產(chǎn)甲烷菌的量也隨之增加,產(chǎn)甲烷菌相互競爭造成相互抑制,從而導(dǎo)致產(chǎn)氣量下降。

2.2? VS 濃度對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞按照VS 比為1∶1、S/I 為2∶1,分別添加稻稈、豬糞和接種物,并根據(jù)原料和接種物的含水率來調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度,將VS 濃度分別設(shè)置為2%、4%、5%、6%、8%,然后置于中溫條件下進(jìn)行連續(xù)厭氧發(fā)酵。

由圖3可知,VS 濃度越低,越容易達(dá)到產(chǎn)氣高峰期,隨著VS濃度的提高,體系內(nèi)的發(fā)酵反應(yīng)逐漸放緩,VS 濃度6%處理的日產(chǎn)沼氣量在第4天達(dá)到最高值(73.00 mL/g),并在第23 和25天再次達(dá)到峰值,分別為57.4和54.5 mL/g,這是由于豬糞更容易發(fā)酵,在前期以豬糞發(fā)酵為主,后期稻桿的快速分解為微生物發(fā)酵提供了新的發(fā)酵底物。

由圖4可知,6%VS處理的累積產(chǎn)氣量明顯高于其他濃度處理,VS降解率為45.38%。在整個周期呈現(xiàn)先勻速增加后變緩慢的趨勢,產(chǎn)氣狀態(tài)較為穩(wěn)定;產(chǎn)甲烷高峰在前25 d 內(nèi),且甲烷產(chǎn)量明顯高于其他濃度處理,說明此濃度下的料液環(huán)境適宜微生物的繁殖與代謝,底物利用率高,甲烷產(chǎn)量高。2%VS處理的累積產(chǎn)氣量一直處于較低狀態(tài),VS降解率為35.40%;4%VS處理的累積產(chǎn)氣量在前9 d快速增加,VS降解率為43.50%;5%VS處理的累積產(chǎn)氣量在前15 d 處于產(chǎn)氣高峰期,VS降解率為44.25%;8%VS處理的累積產(chǎn)氣量從第10天開始逐漸增加,VS降解率為36.52%。這說明較低或較高的VS 濃度不利于發(fā)酵原料中有機(jī)物的降解。這是由于較低或較高的VS 濃度影響厭氧體系中的物質(zhì)傳遞,不利于微生物的分解代謝。因此,選擇合適的VS 濃度有利于提高微生物利用有機(jī)物的能力,增加產(chǎn)氣量。

2.3? 稻稈-豬糞VS 比對混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

將稻稈和豬糞VS 比分別設(shè)置為1∶6、1∶4、1∶2、1∶1、1∶0 和0∶1,接種物S/I 為2∶1,依次添加稻稈、豬糞和接種物,并根據(jù)原料和接種物的含水率調(diào)節(jié)發(fā)酵料液VS 濃度至6%,然后置于中溫條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵。

由圖5可知,不同的稻稈-豬糞VS 配比下日產(chǎn)沼氣量均呈先增加后降低的變化趨勢,隨著稻稈和豬糞VS比例中的豬糞含量提高,達(dá)到產(chǎn)氣高峰期的時間提前[10-11],純豬糞發(fā)酵在第3天達(dá)到峰值(59.2 mL/g),這可能是由于豬糞原料取自沼氣站的勻漿池,豬糞在勻漿池中已經(jīng)處于發(fā)酵的產(chǎn)酸階段,因此在試驗中產(chǎn)甲烷菌能快速分解乙酸、二氧化碳等,生成甲烷。與單一物料(豬糞或稻稈)試驗組相比,豬糞比例越高的混合物料試驗組有更高的產(chǎn)甲烷量,這表明對于“稻稈+豬糞”組合,豬糞是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎(chǔ),稻稈對甲烷產(chǎn)量的貢獻(xiàn)相對較弱。這在純秸稈在第15天達(dá)到峰值(31.2 mL/g),也側(cè)面說明了秸稈相對于豬糞更難以發(fā)酵,且厭氧發(fā)酵周期更長。

由圖6可知,不同的稻稈-豬糞VS 配比下累積產(chǎn)氣量均呈先增加后降低的變化趨勢,且VS 比為1∶4時在第18 天后

達(dá)到較穩(wěn)定狀態(tài),此時累積產(chǎn)氣量為548.90 mL/g,且累積產(chǎn)氣量顯著高于其他處理,VS降解率達(dá)到58.51%。連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗表明,在“稻稈+豬糞”組合中,在相同進(jìn)料負(fù)荷的條件下,混合物料的產(chǎn)甲烷要高于單一的物料,豬糞是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎(chǔ);稻稈對甲烷產(chǎn)量的貢獻(xiàn)較弱,但稻稈的添加能夠有效減緩豬糞高氮含量而帶來的氨抑制作用,維持厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的穩(wěn)定,從而提高總產(chǎn)氣量,這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發(fā)酵而言,適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。

3? 結(jié)論與討論

在實驗室條件下,“稻稈+豬糞”混合厭氧發(fā)酵試驗結(jié)果表明:①豬糞在發(fā)酵組合占主要地位,是產(chǎn)甲烷的主要物質(zhì)基礎(chǔ);在2個組合中,豬糞比例高的試驗組日產(chǎn)甲烷量更高。②稻稈類高碳物料的添加可以有效緩解豬糞這類高氮類物料發(fā)酵帶來的氨氮抑制等問題,穩(wěn)定系統(tǒng)發(fā)酵狀態(tài),從而提高總產(chǎn)氣量,這對以豬糞為主要原料的高濃度厭氧發(fā)酵而言,適量添加秸稈類高碳類物料具有積極的意義。③在水稻秸稈不進(jìn)行預(yù)處理的情況下,水稻秸稈-豬糞進(jìn)行中溫發(fā)酵工藝最佳發(fā)酵條件為VS比1∶4、S/I 2∶1、VS 濃度6%。

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