接種量對(duì)牛糞分離液厭氧發(fā)酵特性影響

關(guān)正軍，李文哲，鄭國(guó)香，畢蘭平

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030）

利用畜禽糞便厭氧發(fā)酵生產(chǎn)沼氣，利用發(fā)酵后的沼液、沼渣生產(chǎn)有機(jī)肥是集養(yǎng)殖環(huán)境治理、生產(chǎn)可再生能源和改善土壤生態(tài)條件于一體的重要手段，在多種畜禽糞便當(dāng)中，牛糞粗纖維含量高，在中溫（35℃）條件下與豬糞和雞糞相比，TS（Total solid）產(chǎn)氣率低[1-2]，影響規(guī)?；B(yǎng)牛場(chǎng)沼氣工程的經(jīng)濟(jì)性，在厭氧發(fā)酵之前將牛糞中的纖維部分分離，可以降低發(fā)酵液的黏度，提高發(fā)酵液中可發(fā)酵成分的比例，在各種固液分離工藝及設(shè)備中，對(duì)于高含固率原料（TS≥10%），螺旋壓榨分離是一種適宜的分離方法[3]，與其他固液分離方法相比更簡(jiǎn)單、高效。Castrillon等研究了利用0.5 mm篩網(wǎng)的螺旋擠壓固液分離機(jī)對(duì)牛糞進(jìn)行固液分離后對(duì)分離液厭氧發(fā)酵和好氧發(fā)酵相結(jié)合的消化處理工藝[4]，該工藝是以COD去為目的，要綜合利用牛糞中的各種成分，既要回收可再生能源又要生產(chǎn)有機(jī)肥，試驗(yàn)就是利用牛糞2∶1加水稀釋經(jīng)過(guò)螺旋擠壓固液分離的分離液進(jìn)行厭氧發(fā)酵。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，接種物濃度對(duì)發(fā)酵過(guò)程的啟動(dòng)和運(yùn)行有重要影響，F(xiàn)orster-Carneiro等人研究了進(jìn)料負(fù)荷和接種濃度對(duì)處理食品廢棄物的厭氧發(fā)酵反應(yīng)器性能影響，得出進(jìn)料負(fù)荷TS為20%、接種量為30%時(shí)甲烷得率可以達(dá)到0.49 LCH4·g-1VS的結(jié)論[5]。國(guó)內(nèi)研究接種量對(duì)沼氣發(fā)酵影響方面的文獻(xiàn)很多，劉榮厚等人研究了接種條件對(duì)豬糞以及蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵沼氣產(chǎn)量的影響[6-8]。南艷艷等人研究接種條件對(duì)秸稈發(fā)酵的影響，得出了適宜的接種量范圍[9-11]。陳智遠(yuǎn)等分別研究了接種量對(duì)醋渣、菜籽粕和聚合草厭氧發(fā)酵的影響[12-14]。馬傳杰等研究了接種量對(duì)牛糞高溫厭氧發(fā)酵的影響[15]。從文獻(xiàn)可以看出，接種量是厭氧發(fā)酵的重要工藝參數(shù)之一，試驗(yàn)研究接種量對(duì)牛糞分離液厭氧發(fā)酵的影響規(guī)律，為發(fā)酵工藝提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料與設(shè)備

1.1.1 試驗(yàn)材料

發(fā)酵原料是用采自哈爾濱香坊奶牛場(chǎng)的新鮮牛糞經(jīng)過(guò)螺旋擠壓固液分離機(jī)分離后的分離液，接種物來(lái)源于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)生物質(zhì)能源實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的發(fā)酵后料液，試驗(yàn)材料參數(shù)如表1所示。

表1 沼氣發(fā)酵原料參數(shù)Table1 Parameters table of methane for mational materials

1.1.2 試驗(yàn)裝置與設(shè)備

裝置與設(shè)備見(jiàn)圖1，表2。試驗(yàn)設(shè)5組同步進(jìn)行，每組試驗(yàn)裝置由發(fā)酵罐和儲(chǔ)氣罐組成，發(fā)酵罐用水浴槽加熱，自動(dòng)控制發(fā)酵溫度，集氣罐與發(fā)酵罐采用乳膠管連接，在集氣罐上設(shè)有刻度，標(biāo)識(shí)產(chǎn)氣量。

圖1 沼氣發(fā)酵試驗(yàn)裝置Fig.1 Tester of methane fermentation

表2 發(fā)酵試驗(yàn)儀器設(shè)備Table2 Apparatus equipment of fermentation experiment

1.2 試驗(yàn)方法

選擇5種接種濃度即占有效發(fā)酵容積的體積百分?jǐn)?shù)分別為10%、20%、30%、40%和50%進(jìn)行接種發(fā)酵試驗(yàn)，合計(jì)有效發(fā)酵容積5 L，發(fā)酵溫度（35±2）℃，周期為20 d，每天振蕩攪拌1次，每天讀取產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)pH，發(fā)酵結(jié)束后測(cè)量出水TS、VS、COD和纖維含量，產(chǎn)生的沼氣中甲烷氣體的體積百分含量，計(jì)算甲烷得率進(jìn)行對(duì)比。COD測(cè)定采用快速密閉催化消解法（國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局，2002），使用的主要儀器是Anke TGL-16G高速離心機(jī)和Spectrum 722可見(jiàn)分光光度計(jì)，黏度用NDJ-8S數(shù)顯粘度計(jì)測(cè)量，碳氮比（C/N）的測(cè)定是用德國(guó)Elementar liquiTOC分析儀測(cè)得，總碳與用丹麥FOSS公司的Kjeltec2300氮分析儀測(cè)得總氮的比值得到?？偺嫉臋z測(cè)原理是:高溫燃燒氧化樣品，使含碳樣品轉(zhuǎn)化為二氧化碳，通過(guò)紅外檢測(cè)器檢測(cè)二氧化碳含量，從而對(duì)樣品含碳量進(jìn)行定量?？偟臋z測(cè)是:樣品經(jīng)過(guò)高溫消化后，蒸餾由Kjeltec2300氮分析儀自動(dòng)完成。

甲烷的測(cè)定條件:采用INNOWAX（19091N-133）毛細(xì)管柱，氫火焰離子化檢測(cè)器（FID），柱溫為80℃，氣化室溫度為100℃，檢測(cè)室溫度為120℃，載氣使用高純氮?dú)?，總壓?30 kPa，總流量30.2mL·min-1，柱流量1.7mL·min-1，分流比15∶1，H2流量40mL·min-1，空氣流量400mL·min-1。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同接種量沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣特性分析

按照上述試驗(yàn)方法，經(jīng)過(guò)20 d發(fā)酵周期，pH在6.9～7.7之間，記錄每天各組試驗(yàn)產(chǎn)氣結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同接種量產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時(shí)間的變化Fig.2 Curve of biogas production with fermentation time under different inoculation proportion

從各接種量條件下每天產(chǎn)氣情況可以看出，10%到50%接種量，產(chǎn)氣高峰持續(xù)時(shí)間由長(zhǎng)變短，10%接種量產(chǎn)氣高峰不明顯，持續(xù)到第19天，與其他接種量相比仍有一定的產(chǎn)氣量，20%接種量產(chǎn)氣高峰在第15天結(jié)束，30%接種量產(chǎn)氣高峰在第13天結(jié)束，40%和50%接種量，產(chǎn)氣高峰在第11天結(jié)束。

2.2 VS產(chǎn)氣率比較

不同接種條件下，進(jìn)料VS產(chǎn)氣率如圖3所示。

從圖中可以看出，在開(kāi)始階段，隨著接種量的增加進(jìn)料VS產(chǎn)氣率增大，在30%～40%之間達(dá)到最大值，接種量再增大，進(jìn)料VS產(chǎn)氣率減小。產(chǎn)生其變化規(guī)律的原因是在底物可利用營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)較豐富時(shí)，微生物對(duì)底物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的利用程度由微生物的數(shù)目和活性決定，當(dāng)?shù)孜镏袪I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)不足時(shí)，接種量大，微生物數(shù)目多，活性較低，影響底物中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的降解效果。

圖3 VS產(chǎn)氣率隨接種量的變化Fig.3 Change of VS gas production rate with inoculation proportion

2.3 甲烷得率評(píng)價(jià)

利用美國(guó)Agilent公司GC6890氣相色譜儀測(cè)得各接種條件下沼氣中甲烷含量平均在68%～74%之間，說(shuō)明厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣甲烷純度較好，圖4和圖5分別是接種量為30%和40%的氣相色譜圖，接種量為30%時(shí)產(chǎn)生沼氣中甲烷含量為73.7%，接種量為40%時(shí)產(chǎn)生沼氣中的甲烷含量為68.6%。

圖4 30%接種量甲烷得率的氣相色譜Fig.4 Methane percent of fermentation methane with 30%inoculums

圖5 40%接種量甲烷得率的氣相色譜Fig.5 Methane percent of fermentation methane with 40%inoculums

2.4 對(duì)出料指標(biāo)考察

在發(fā)酵20 d后，對(duì)不同接種量條件下發(fā)酵料液各指標(biāo)進(jìn)行考察，結(jié)果如表3所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，接種量為40%的發(fā)酵料液COD去除率最高，達(dá)到59.87%，接種量為50%時(shí)的COD去除率最低。分析其原因，接種量過(guò)多導(dǎo)致發(fā)酵料液中可以被微生物所利用的營(yíng)養(yǎng)成分減少，微生物生長(zhǎng)代謝緩慢，對(duì)底物利用不充分；接種量少，微生物絕對(duì)數(shù)目少，營(yíng)養(yǎng)成分過(guò)剩，在一定的發(fā)酵周期內(nèi)，營(yíng)養(yǎng)成分沒(méi)有發(fā)酵完全，也會(huì)導(dǎo)致COD去除率低。

表3 沼氣發(fā)酵20 d出料參數(shù)Table3 Parameters table of methane formational liquid effluent after 20 d

3 討論

對(duì)于經(jīng)過(guò)固液分離后的牛糞分離液，從不同接種量的產(chǎn)氣特性可以看出，隨著接種量的增加，發(fā)酵速度加快，產(chǎn)氣高峰縮短，但當(dāng)接種量達(dá)到一定比例后，由于進(jìn)料負(fù)荷降低，底物中可利用的營(yíng)養(yǎng)成分不足，限制了微生物的活性，導(dǎo)致VS產(chǎn)氣率降低。接種量為30%、40%時(shí)，對(duì)應(yīng)的VS產(chǎn)氣率是168.16和172.96 L·kg-1，對(duì)比其他研究結(jié)果，取得了較滿意的效果。

從甲烷產(chǎn)率的角度來(lái)看，牛糞分離液在各接種量條件下都可得到較好結(jié)果；從COD去除率來(lái)看，30%和40%兩個(gè)接種量獲得較高的去除率值，分別達(dá)到55.47%和59.87%。這一結(jié)果與VS產(chǎn)氣率隨接種條件的變化規(guī)律相一致。

下一步將圍繞牛糞分離液厭氧發(fā)酵工藝展開(kāi)研究，對(duì)規(guī)模化養(yǎng)牛場(chǎng)沼氣工程建設(shè)提供技術(shù)支持。

4 結(jié)論

文章研究了不同接種量對(duì)牛糞固液分離液厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響規(guī)律，得出結(jié)論:在中溫（35±2）℃條件下，接種量為40%時(shí)，VS產(chǎn)氣率為172.96 L·kg-1，40%接種量可獲得較高的COD去除率值，達(dá)到59.87%，研究結(jié)果為進(jìn)一步探討牛糞分離液厭氧發(fā)酵工藝、提高發(fā)酵效率具有參考價(jià)值。

[1]Itodo I N,Awulu J O.Effects of total solids concentrations of poultry,cattle,and piggery waste slurries on biogas yield[J].American Society of Agricultural Engineers,1999,42(6):1853-1855.

[2]陳智遠(yuǎn),蔡昌達(dá),石東偉.不同溫度對(duì)畜禽糞便厭氧發(fā)酵的影響[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(12):148-151.

[3]Zhang R H,Wester man P W.Solid-liquid separation of animal manure for odor control and nutrient managent[J].American Society of Agricultural Engineers,1997,13(5):657-664.

[4]Castrillon L,Fernandez-Nava Y,maranon E,et al.Anoxicaerobic treatment of the liquid fraction of cattle manure[J].Waste management,2009,29(4):761-766.

[5]Forster-Carneiro T,Pe-rez M,Romero L I.Inぼuence of total solid and inoculum contents on performance of anaerobic reactors treating food waste[J].Bioresource Technology,2008,99(17):7928-7940.

[6]劉榮厚,郝元元,葉子良,等.沼氣發(fā)酵工藝參數(shù)對(duì)沼氣及沼液成分影響的實(shí)驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2006,22(S1):85-88.

[7]劉榮厚,王遠(yuǎn)遠(yuǎn),孫辰,等.蔬菜廢棄物厭氧發(fā)酵制取沼氣的試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2008,24(4):209-213.

[8]趙洪,鄧功成,高禮安,等.接種物數(shù)量對(duì)沼氣產(chǎn)氣量的影響[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(13):6278-6280.

[9]南艷艷,鄒華,嚴(yán)群,等.秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的初步研究[J].食品與生物技術(shù)學(xué)報(bào),2007,26(6):64-68.

[10]楊雪霞,陳洪章,李佐虎.秸稈好氧厭氧耦合發(fā)酵生產(chǎn)生物飼料[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2001,27(9):26-29.

[11]陳智遠(yuǎn),姚建剛.不同接種量對(duì)玉米秸稈發(fā)酵的影響[J].農(nóng)業(yè)工程技術(shù):新能源產(chǎn)業(yè),2009(12):20-22.

[12]陳智遠(yuǎn),田碩,譚婧,等.接種量對(duì)醋渣干發(fā)酵的影響[J].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2010,26(16):76-79.

[13]高冬余,李呂木,許發(fā)芝,等.微生物固態(tài)厭氧發(fā)酵菜籽粕的研究[J].食品與發(fā)酵工業(yè),2010,3(3):75-79.

[14]鄭敏,邱凌,王曉曼,等.聚合草厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣潛力的試驗(yàn)[J].西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào),2009,18(6):365-368.

[15]馬傳杰,花日茂,司友斌,等.高溫厭氧發(fā)酵處理牛糞的正交試驗(yàn)研究[J].安徽科技學(xué)院學(xué)報(bào),2009,23(2):17-20.