劉雙，孔維祎

(中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)煙臺(tái)研究院，山東煙臺(tái)，264670)

摘要：利用沼氣濕發(fā)酵技術(shù)，以青儲(chǔ)玉米秸稈為發(fā)酵原料，采用連續(xù)厭氧發(fā)酵方式，研究以容積產(chǎn)氣率、沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)、累積產(chǎn)氣量和VFA為特征指標(biāo)，研究不同物料濃度對(duì)青儲(chǔ)玉米秸稈連續(xù)發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響，為秸稈沼氣技術(shù)的應(yīng)用提供技術(shù)支持。發(fā)酵濃度不同，容積產(chǎn)氣率和累積產(chǎn)氣量不同，以TS8%最高10%次之，6%較低，在第15d累積產(chǎn)氣量分別為125.996L、109.176L和88.763L，最高容積產(chǎn)氣率分別為2.572L·L-1d-1、2.172L·L-1d-1和1.512L·L-1d-1?！　‖F(xiàn)階段秸稈處理利用方法中，采用厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣是一條清潔高效的秸稈利用途徑，其反應(yīng)過(guò)程最為平和穩(wěn)定、能耗最低、無(wú)污染、生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益最佳[1]。厭氧發(fā)酵按進(jìn)料方式可分為批量(批式)發(fā)酵、半連續(xù)發(fā)酵和連續(xù)發(fā)酵[2]。連續(xù)發(fā)酵是指沼氣池加滿料正常產(chǎn)氣后，每天分幾次連續(xù)不斷地加入預(yù)先設(shè)計(jì)的原料，同時(shí)也排走相同體積的發(fā)酵原料，使發(fā)酵過(guò)程連續(xù)進(jìn)行下去[2]。實(shí)際運(yùn)行良好的沼氣工程中，多采用半連續(xù)式進(jìn)料或連續(xù)式進(jìn)料，厭氧過(guò)程處于穩(wěn)定狀態(tài)，水解產(chǎn)酸與產(chǎn)甲烷過(guò)程同時(shí)進(jìn)行，有效避免過(guò)程中的產(chǎn)物抑制，提高了基質(zhì)轉(zhuǎn)化率[3]?！　≡撛囼?yàn)設(shè)發(fā)酵濃度(TS)設(shè)6%、8%、和10%在保持35℃恒溫和厭氧的條件，水利停留時(shí)間為15d下，每天測(cè)沼氣產(chǎn)量及沼氣中的甲烷含量，每隔3天測(cè)定出料的TS濃度、揮發(fā)性脂肪酸等，通過(guò)不同發(fā)酵濃度的對(duì)比,探索不同發(fā)酵濃度對(duì)所產(chǎn)沼氣總量和甲烷含量的關(guān)系。

01

材料與方法

1.1試驗(yàn)材料　　發(fā)酵秸稈為青儲(chǔ)玉米秸稈TS為35%，經(jīng)破碎處理成粉末后冷藏保存待用。接種物為經(jīng)紗布過(guò)濾的豬糞水TS為0%，4℃冷藏保存待用?！　?.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)　　發(fā)酵裝置試驗(yàn)采用小型厭氧發(fā)酵裝置，有效容積為4L。外圍包有隔熱保溫材料并可進(jìn)行電恒溫加熱。試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理，無(wú)重復(fù)，發(fā)酵TS分別為6%、8%和10%，溫度設(shè)為35℃，水力停留時(shí)間設(shè)為15天，進(jìn)料液(TS分別為6%、8%和10%)用豬糞水或過(guò)濾后的出料液和青儲(chǔ)玉米秸稈配制?！　?.3測(cè)試指標(biāo)及方法　　1)流量計(jì)記錄每天的產(chǎn)氣量。2)TS測(cè)定:將待測(cè)物料放入(105±5)℃的恒溫箱中烘至恒重，稱量烘干前后的質(zhì)量，烘干后的質(zhì)量除以烘干前的質(zhì)量即得TS的百分含量。VS測(cè)定:將測(cè)完TS后的固體全部轉(zhuǎn)移至坩堝，放入馬弗爐中，550℃灼燒2h。稱量灼燒前后的質(zhì)量，灼燒前后的質(zhì)量之差除以測(cè)TS時(shí)烘干前的質(zhì)量即得VS的百分含量[4]。3)揮發(fā)性脂肪酸(VFA)采用比色測(cè)定法。4)采用PTM-600手提式復(fù)合型氣體分析儀分析沼氣的中甲烷含量。

02

結(jié)果與分析

2.1容積產(chǎn)氣率變化　　TS對(duì)容積產(chǎn)氣率的影響較為明顯。由圖1可知,TS濃度分別為6%、8%和10%，接種后第3～4d，各處理出現(xiàn)第一個(gè)高峰，容積產(chǎn)氣率分別為1.512L·L-1d-1、2.572L·L-1d-1和2.172L·L-1d-1，隨后降低，總體變化趨勢(shì)為波動(dòng)型。TS濃度為8%的處理容積產(chǎn)氣率最高，10%處理次之，6%處理最低?！　?.2沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)　　青儲(chǔ)玉米厭氧發(fā)酵中累積產(chǎn)氣量變化，各處理累積產(chǎn)氣量變化趨勢(shì)基本相同，隨著時(shí)間的增加，累積沼氣產(chǎn)量逐漸增多且產(chǎn)氣速率變化不大，試驗(yàn)結(jié)束時(shí)(15d)，3種TS濃度(6%、8%和10%)條件下的累積沼氣產(chǎn)量分別為88.763L、125.996L和109.176L。TS濃度為8%累積產(chǎn)氣量最多，其次為TS濃度為10%，TS濃度為6%最低。TS濃度大小對(duì)容積產(chǎn)氣率和累積產(chǎn)氣量的影響，是因?yàn)門S濃度大，則接種的混合微生物菌群的數(shù)量就多，混合微生物菌群可分解利用的底物則也多，因此表現(xiàn)出在一定范圍內(nèi)，表現(xiàn)出容積產(chǎn)氣率和累積產(chǎn)氣量隨TS濃度的增加而增大的趨勢(shì)。但沼氣的產(chǎn)量是由多種微生物菌群協(xié)同作用的結(jié)果，不會(huì)隨著TS濃度的增加而增大，因此當(dāng)TS濃度大于8%時(shí)，容積產(chǎn)氣率和累積產(chǎn)氣量會(huì)下降，這也可能與TS濃度較高，雖然產(chǎn)酸菌活性也高，但產(chǎn)甲烷菌群與產(chǎn)酸菌群沒(méi)有達(dá)到一個(gè)平衡有關(guān)?！　?.3累積產(chǎn)氣量變化　　青儲(chǔ)玉米厭氧發(fā)酵沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)，由圖3可知，各處理甲烷含量在6d之前含量不穩(wěn)定，沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定，均為先增加，維持短暫的高甲烷含量后降低，之后又逐漸升高，在10d左右升至一定值，在該值波動(dòng)，甲烷含量基本穩(wěn)定在40%～60%，比甲烷含量最大值略低。在整個(gè)發(fā)酵周期內(nèi)各處理的穩(wěn)定時(shí)的甲烷含量隨著TS濃度的增加而增加，TS為10%的處理可達(dá)到55%以上，TS為8%的處理可達(dá)到50%，而TS為6%則達(dá)到42%。TS為8%的累積產(chǎn)氣量多于10%但沼氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)卻相反。這可能由于產(chǎn)酸菌較多，產(chǎn)生的酸類也多，甲烷菌利用小分子酸作為底物,所產(chǎn)生的甲烷純度較高，但是所產(chǎn)生的沼氣總量較少，因?yàn)楫a(chǎn)酸菌過(guò)多抑制了產(chǎn)甲烷菌群的活性[5]。　　2.4 VFA變化　　發(fā)酵過(guò)程中發(fā)酵液中VFA變化，由圖可見(jiàn)，各處理變化趨勢(shì)基本相同，VFA含量不斷增加，在發(fā)酵過(guò)程中TS濃度8%的VFA最高，其次為TS濃度為10%，最低為TS濃度為6%，在第15天達(dá)到最大值，分別為18.24g/L、5.67g/L和14.27g/L。

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