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接种率对农村有机生活垃圾沼气池厌氧发酵的影响
时间 : 2019-03-27 浏览量 : 49

近几年来,虽然我国城镇化速率加快,但农村人口比例依旧很大,随着农村经济的发展,农民生活水平的提高,农村生活垃圾的总量也在逐步增加。根据相关报道,截至目前,我国农村生活垃圾的年产量已达到了2亿吨口。目前我国农村生活垃圾并没有得到有效的处置,许多生活垃圾仍旧是随处堆放、丢弃,或者直接焚烧,对农田、水源以及大气造成了很大的污染,在很多地方出现了垃圾围村的现  象2。同时,随意堆放的生活垃圾同时是病原菌的  传播体,对人们的健康有很大威胁。因此,农村生活  垃圾如何处理是当代农村发展遇到的难题。农村生  活垃圾的主要成分包括灰渣(42.38%)、厨余  35.97%)和其他成分3。目前对生活垃圾的处理


主要是有焚烧、填埋、沼气池厌氧发酵、好氧堆肥等处置办法。其中将生活垃圾中的有机质成分通过沼气池厌氧发酵的处置方法不仅可以得到清洁能源,发酵过后的沼渣沼液还可以作为肥料进行还田。因此本文研究的目的就是探究接种率对农村有机生活垃圾沼气池厌氧发酵的影响,并通过所得到的数据进行下一步中试实验。


1材料与方法


1.1实验材料


选用的农村有机生活垃圾是依据先期调研的数据,采集周边菜市场及饭店剩余物配置而成,其中菜  叶、果皮、餐厨垃圾、废纸分别占原料总重量的


50%,25%,20%,5%。接种物采集自农业部沼气科学研究所实验基地。原料及接种物特性见表1。


1.2实验方法 

 采用批式实验,设置了两个不同发酵浓度(原料TS含量为4.32%,5.18%)和5个不同接种率(接种物TS含量为4.55%,6.26%,6,.88%,8%,9.13%)共10个实验组,每组设置两个平行,通过添加蒸馏水将发酵瓶净重控制在800g。在中温(35℃±1℃)条件下沼气池厌氧发酵,发酵总时间为39d,采用1000mL发酵瓶作为反应容器,有效发酵体积为800mL,每天将发酵瓶摇动两次,每次摇动5min,发酵装置见图1。实验所用原料及接种物配比见表2。


每瓶补水至800g,每瓶添加氯化钴0.00234g,


硫酸亚铁2.4g,氯化镍0.1904g,并且用氧化钙调  节初始pH值至85  每天记录甲烷产量,每5天取样1次,测量  值、有机酸含量和电导率,2个平行组取平均数得到  结果  1.3分析方法

甲烷和二氧化碳含量测定通过气相色谱法,仅  器型号为:岛津公司生产的GC2010型气相色谱  色谱条件为:60 m Parapak-QX色谱柱,柱箱温度  50℃,进样器温度150℃,检测器温度20

挥发性脂肪酸(VFA)含量测定采用气相色德  法,仪器型号为:安捷伦公司生产的GC7820A型气  相色谱,色谱条件为:1.5mGDX103+5%磷酸色语  柱,柱温160℃,进样器温度210℃,检测器温度

pH值和电导率采用便携式pH计进行测量


2结果与讨论


2.1累积产甲烷量及原料产甲烷率


图2为各处理组在39天内的累积产甲烷量  其中,产甲烷最多的是处理组H为7485mL,产甲烷最少的是处理组A为4043mL。处理组B及F发  失败,根据kawi4等人的研究知道,当接种率较低  时,整个反应体系有酸化的风险,最终导致发酵失  败,因此可以推测处理组B及F发酵失败的原因是  接种率低和初始pH值调节没有到位。由图2可以  看到,在相同接种比的条件下,原料率高的体系产甲  烷也多。在相同的原料率条件下,随着接种率的提  高,累积产甲烷量也在升高,但不是一直在增加,当产甲烷量达到最大值时,不再随着接种率的升高面  增加。本实验得到的最高产甲烧的实验条件为接种  率为135%。每个处理组的产甲烷延滞期差别也很  大,处理组C,D,E的产甲烷延滞期仅为7天:处理  组A,L,G的产甲烷延滞期为10天;处理组G的产  甲烷延滞期为11天;处理组H的产甲烷延滞期最  长,为13天。这表明,接种率高及原料率低利于厌  氧反应的启动。因此,若想快速启动沼气池厌氧发酵  可选用处理组D


从原料产甲烷率(见表3)也可以看出,处理组H的效果是最好的,达到了0.18L·gVs·d-,与王艳芹等人所得结果相近。


2.2pH值  


由图3可以看到,除去反应失败的两个处理组  的pH值在一直下降外,其余的处理组的pH值都经  历了先降后升的过程,并且最终pH值都稳定在了  沼气池厌氧发酵的适宜pH范围(6.5~7.8)。结合图2  与图3可以看到,pH值的变化趋势与产甲烷延滞期  相一致,处理组C、D、E的pH值回升到沼气池厌氧发酵适  宜范围用了7天;处理组A,I,G为10天;处理组G  的产甲烷延滞期为11天;处理组H最长为13天。2.3挥发性脂肪酸  根据目前认可的沼气池厌氧发酵3阶段理论,沼气池厌氧发  酵经历了水解、酸化、甲烷化3个阶段(7。大分子  物质在酶水解作用下分解为小分子的糖、肽及长链  脂肪酸;然后在发酵细菌的作用下将这些小分子物  质进一步分解为乙酸、丙酸、丁酸等可溶挥发性脂肪  酸;最后在产甲烷古菌的作用下生成甲烷。因此,挥  发性脂肪酸是沼气池厌氧反应的重要检测指标,根据其降解  速率的快慢可以一定程度上了解甲烷古菌的活性。


图4为各处理在沼气池厌氧发酵过程中乙酸含量的变化趋势。处理组B,F的乙酸含量呈一直增高的趋势,并且超过了10000mg·L。结合2.1节中累计产甲烷量的实验结果表明,处理组B、F发生了酸化现象,且该现象不可逆转,最终导致发酵失败。其余处理组均呈现先增高后下降的趋势。处理组A,C,D,E乙酸降解速率E>D>C>A,说明接种率越大,沼气池厌氧发酵微生物菌群越丰富,乙酸降解速率越快。但是结合图2的实验结果表明,随着接种率增大,甲烷产总量呈下降趋势。因此选择合理的接种率与原料率对沼气池厌氧发酵体系的高效、稳定运行十分关键


图5为各处理在沼气池厌氧发酵过程中丙酸含量的变化趋势。处理组B、F、G丙酸含量均随时间的增加而增加,在第35天的时候达到了1659.729mg·L',1627.1mg·L-1,1452.217mg·L-1,出现了不同程度的丙酸累积,其余处理组随时间的增加均呈现先增加后下降的趋势。结合图4,处理组B,F乙酸含量出现累积的现象表明,丙酸抑制沼气池厌氧发酵是导致这两个处理组乙酸出现累积的主要原因。因为根据相关文献表明,丙酸累积会对沼气池厌氧发酵体系中微生


物菌群产生影响,且抑制部分微生物的活性(文献),且目前认为该类发酵原料的丙酸抑制浓度为1000ngL1),2.2节和2.3节实验现象相符合。

图6为各处理在沼气池厌氧发酵过程中丁酸含量的变化趋势。可以看出各处理组在第5天左右的时间丁酸含量达到最大值,随后开始下降,处理组B,F分别达到4212.087mg·L和5475.498mg·L,表明它们受到丁酸抑制。综合图4和图6可以表明,生活垃圾有机成分经降解后主要以乙酸和丁酸为主,这与前人研究一致-0


2.4电导率


电导率可以间接表明发酵体系的好坏程度,从图7可以看出,本沼气池厌氧发酵的适宜电导率范围在810mS·cm之间。


3结论

(1)农村有机生活垃圾沼气池厌氧发酵最佳条件为原料TS含量为5.18%,接种物TS含量为6.88%(即接种率为135%),此时原料产甲烷率达到0.18L·gVs·d

(2)先用氧化钙调碱,可以缩减沼气池厌氧批次发酵产甲烷延滞期。  

(3)接种率对原料产甲烷率的提升作用是有限  制的,超过这个限值后,原料产甲烷率随接种率提高而降低。

(4)本沼气池厌氧发酵的适宜电导率范围在8mS·cm之间。


摘自《中国沼气》第2期 罗臣乾 张国治 魏珞宇 施国中 申禄坤 甄月月 张敏


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