消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵影響的實(shí)驗(yàn)研究

張京景，蘇有勇，李 昊，陳 飛，呂朋翔

(昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，云南 昆明 650224)

沼氣是微生物在厭氧環(huán)境下將農(nóng)作物秸稈或禽畜糞便等可降解的生物質(zhì)經(jīng)過厭氧消化生成的可燃?xì)怏w。此發(fā)酵過程是在無氧的條件下，由兼性厭氧菌和專性厭氧菌聯(lián)合降解有機(jī)物[1]，最終生成甲烷和二氧化碳等，不污染空氣，不危害農(nóng)作物和人體健康[2，3]。沼氣是具有很高熱值的清潔燃料，在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓狀態(tài)下，甲烷燃燒的熱值達(dá)到了38 038 kJ·m-3[4]。沼氣發(fā)酵原料主要包括以秸稈類物質(zhì)為代表的農(nóng)業(yè)廢棄物、禽畜糞便和污水處理廠的厭氧活性污泥以及生活垃圾等[5，6]。沼氣發(fā)酵在農(nóng)業(yè)和生態(tài)方面的綜合利用具有很大的社會(huì)價(jià)值，實(shí)現(xiàn)了能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)三方面的綜合效益[7]。

養(yǎng)殖場畜禽糞便混雜，有機(jī)質(zhì)濃度高，含有大量的有機(jī)物、氮、磷、懸浮物及致病的有害病菌、有害氣體，如果得不到及時(shí)處理或處理不徹底，將對(duì)周圍環(huán)境和人類造成嚴(yán)重危害[8]。實(shí)現(xiàn)糞便的沼氣發(fā)酵能回收農(nóng)村有機(jī)廢棄物的能源，是節(jié)能高效的清潔生產(chǎn)項(xiàng)目，對(duì)于改善農(nóng)村環(huán)境衛(wèi)生和面貌有積極作用，可有效解決能源與環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展問題。而采用發(fā)酵技術(shù)處理養(yǎng)殖場糞污時(shí)，由于養(yǎng)殖場使用多種消毒劑，造成沼氣發(fā)酵過程中大量厭氧菌的活性受到抑制，產(chǎn)氣量下降，甚至導(dǎo)致沼氣池最終不能使用，糞污得不到有效的處理。因此，研究消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵的影響，實(shí)現(xiàn)沼氣池的正常使用，是實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖場的糞污處理和能源利用的關(guān)鍵。作者選擇養(yǎng)殖場常用的消毒劑，考察其對(duì)沼氣發(fā)酵過程的影響，為養(yǎng)殖場糞污的沼氣發(fā)酵處理提供一定的理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

1.1.1 沼氣發(fā)酵原料

取自昆明市盤龍區(qū)屠宰場的鮮豬糞(不含消毒劑)，經(jīng)測定總固體(TS)含量為24.71%，揮發(fā)性固體(VS)含量為73.78%，pH值為6.3。

1.1.2 接種物

取自本實(shí)驗(yàn)室豬糞正常沼氣發(fā)酵后的活性污泥，經(jīng)測定TS為9.86%，VS為61.28%，pH值為7.5。

1.1.3 消毒劑

氧化鈣，優(yōu)氯凈(三氯異氰尿酸為主要有效成分，有效氯含量55%～65%)，甲醛溶液。

1.2 方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用自制的實(shí)驗(yàn)型沼氣發(fā)酵裝置，發(fā)酵瓶總?cè)莘e為1000 mL，如圖1所示。

圖1 沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置

1.2.2 發(fā)酵料液配制

實(shí)驗(yàn)組(A組，B組，C組)：以干物質(zhì)含量為5%計(jì)算加入量，即加入鮮豬糞70 mL+接種物240 mL，產(chǎn)氣正常后按表1加入三種消毒劑，補(bǔ)加沼液至800 mL。

對(duì)照組(D組)：鮮豬糞70 mL+接種物240 mL，補(bǔ)加沼液至800 mL。

空白組(E組)：接種物240 mL，補(bǔ)加沼液至800 mL。

采用自制排水集氣法裝置測定產(chǎn)氣量。

1.2.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

分別考察氧化鈣、優(yōu)氯凈和甲醛三種消毒劑在添加量(以總發(fā)酵料液質(zhì)量計(jì))為0.05%時(shí)對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響，測定加入消毒劑前后沼液的pH值、揮發(fā)性總脂肪酸含量以及纖維素水解酶、脂肪水解酶、淀粉水解酶的活性變化，每種消毒劑實(shí)驗(yàn)組設(shè)3個(gè)重復(fù)，取平均值。具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.4 分析測試

(1)TS、VS：采用沼氣烘干法[9]。TS：105℃的烘箱中烘至恒重。VS：550℃的馬弗爐中灼燒至恒重。

(2)pH值：采用精密pH試紙(測試范圍5.5～9.0)測定原料、接種物以及發(fā)酵前后料液的pH值。

(3)發(fā)酵環(huán)境溫度：每天記錄發(fā)酵室室溫，時(shí)間定為10：00和23：00，即時(shí)記錄。以其平均溫度作為發(fā)酵的環(huán)境溫度。

(4)產(chǎn)氣量：采用排水集氣法收集沼氣。從啟動(dòng)后每日固定時(shí)刻記錄各套裝置產(chǎn)氣外壓水體積量，以壓出水的體積量(mL)表示產(chǎn)氣體積量(mL)。

(5)揮發(fā)性總脂肪酸含量：參照文獻(xiàn)[9]中的蒸餾法測定。

(6)纖維素水解酶：參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行測定。

(7)脂肪水解酶：參照國標(biāo)GB/T 5523-85進(jìn)行測定。

(8)淀粉水解酶：參照國標(biāo)GB/T 5521-89進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

3種消毒劑在添加量為0.05%時(shí)對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響見圖2。

圖2 3種消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響

從圖2可以看出，實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)前期產(chǎn)氣量較多且趨于穩(wěn)定，在第10 d時(shí)加入消毒劑發(fā)現(xiàn)：加入甲醛溶液的C組產(chǎn)氣幾乎完全被抑制，整個(gè)發(fā)酵過程已不產(chǎn)氣；加入氧化鈣的A組和優(yōu)氯凈的B組也有一定的抑制作用，但抑制程度較小。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，各組的總產(chǎn)氣量見表2。

表2 總產(chǎn)氣量數(shù)據(jù)記錄對(duì)照表

從表2可以看出，加入氧化鈣、優(yōu)氯凈和甲醛后總產(chǎn)氣量分別比對(duì)照組降低了13.56%、4.00%和56.68%，說明消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵存在抑制作用。

2.2 消毒劑對(duì)揮發(fā)性總脂肪酸含量及各種酶活性的影響

在添加消毒劑前后分別對(duì)各組沼氣發(fā)酵液取樣，檢測相應(yīng)指標(biāo)，見表3。

表3 3種消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵影響指標(biāo)的測定

從表3可以看出，加入氧化鈣的A組pH值略有上升，加入優(yōu)氯凈的B組和甲醛溶液的C組pH值略有下降；加入消毒劑后，揮發(fā)性總脂肪酸出現(xiàn)積累現(xiàn)象，相應(yīng)的脂肪酶活性升高；而CMC酶和淀粉酶活性均降低。這進(jìn)一步說明了消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵有抑制作用，同時(shí)也解釋了加入消毒劑后產(chǎn)氣量下降的原因。從3種消毒劑來看，甲醛的抑制作用最強(qiáng)。

3 結(jié)論

(1)消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵的產(chǎn)氣量均有影響，氧化鈣、優(yōu)氯凈、甲醛分別使產(chǎn)氣量下降13.56%、4.00%和56.68%。

(2)消毒劑使沼氣發(fā)酵體系的揮發(fā)性總脂肪酸含量和脂肪酶活性升高，使CMC酶和淀粉酶活性降低，說明消毒劑對(duì)沼氣發(fā)酵存在抑制作用。

本實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為養(yǎng)殖場糞污沼氣發(fā)酵處理提供一定的理論參考，以保證沼氣發(fā)酵的正常進(jìn)行。

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