发酵浓度对奶牛粪厌氧干发酵的影响

云南师范大学学报(自然科学版)2019年11月39卷6期(Vol.39No.6)JournalofYunnanNormalUniversityDOI:10.7699/j.ynnu.ns-2019-072发酵浓度对奶牛粪厌氧干发酵的影响*张振,尹芳,张无敌,吴凯,赵兴玲,王昌梅,柳静,杨红(云南师范大学能源与环境科学学院,云南昆明650500)摘要:在不同发酵浓度下对奶牛粪进行厌氧干发酵实验,并将发酵过程中的数据运用动力学方程进行拟合分析.结果表明:实验运行良好,其中发酵综合效果最好的为TS=22%组,最大产甲烷速率达到154.70mL/d、VS产甲烷量达到189.70mL/g.运用ModifiedGompertz方程也很好的拟合了各组的产甲烷情况,相关系数皆达到了0.99以上.关键词:奶牛粪;高浓度发酵;ModifiedGompertz模型中图分类号:S216.1文献标志码:A文章编号:1007-9793(2019)06-0014-04随着我国畜牧业的迅速发展,在扩大养殖数量及规模的同时也产生了更多的有机固体废弃物和高浓度有机废水[1],如果不对这些废弃物进行无害化处理[2],将会对环境造成严重的破坏,厌氧消化工艺是处理此类农业废弃物的一种行之有效的方法.厌氧消化又称沼气发酵,根据原料固体含量(TS)的不同,沼气发酵可以分为湿发酵(TS<15%)和干发酵(TS>20%).与湿发酵相比,干发酵具有耗水量小、沼渣沼液量少且营养物浓度高、运输成本低以及发酵设备利用率高等多重优点,在消纳沼渣沼液土地有限和水资源缺乏的地区,其优势更为突出[3];但厌氧干发酵在启动和运行时面临一些难题,如易酸化(VFA产生过快)、启动慢、需要搅拌、产气不稳定等[4].我国奶牛养殖场当下普遍采用的清粪方式是人工清粪和铲车清粪,采用此类干清粪的方式清理的粪污总固形物(TS)含量高,约为15%~22%[1],适宜直接进行厌氧干发酵,从而节省大量水资源并且解决沼液排放量大等问题;而在奶牛粪的厌氧干发酵中,合适的干发酵浓度(TS)可以带来较高的甲烷产出及能源转换效率.1材料与方法1.1奶牛粪和接种物奶牛粪来自昆明市石林县新希望牧场,模拟养殖场自然堆放晾晒2d后备用,其总固体含量(TS)为35.38%±0.4%,挥发性固体含量(VS)为75.33%±0.05%.接种物由活性污泥和新鲜奶牛粪在37℃条件下长时间驯化而得,其总固体含量(TS)为9.80%±0.11%,挥发性固体含量(VS)为54.77%±0.15%.1.2实验设计实验装置为实验室设计的厌氧消化装置[5],设计工作体积为200mL.实验设置实验组和对照组;其中对照组配料为接种物和水;为探究不同发酵浓度对厌氧干发酵的影响,设计各实验组TS分别为20%、22%、24%和26%,每组设3个平行;发酵瓶放置于(37±1)℃水箱中水浴保温.具体设计如表1所示.*收稿日期:2019-10-09基金项目:国家自然科学基金(51366015)和云南省沼气工程技术研究中心联合资助项目.作者简介:张振(1996-),男,云南禄劝人,硕士研究生,主要从事生物质能与环境工程方面研究.通信作者:尹芳.E-mail:yf6709@sina.com.张无敌.E-mail:wootichang@163.com表1实验设计Table1Experimentaldesign发酵温度/℃发酵浓度/%接种量/%奶牛粪/g接种物/g水/g37±1203097.506042.502230108.916031.092430120.346019.662630131.77608.231.3测定方法(1)总固体含量(TS)和挥发性固体含量(VS)采用标准方法测定[6];(2)产气量测定采用排水集气法,取各实验组3个平行的平均值;(3)CH4含量利用气相色谱仪(福立GC9700Ⅱ型)测定;(4)厌氧消化性能评价采用ModifiedGomp-ertz方程拟合各组奶牛粪发酵的累积产气量[7].2结果与分析根据各实验组的日产气量和日甲烷含量绘制出甲烷含量变化曲线(图1)、日产甲烷量曲线(图2)和累计产甲烷量曲线(图3).2.1不同发酵浓度对厌氧干发酵甲烷含量的影响由图1可知,发酵前6天,各组甲烷含量均未达到40%,处于厌氧发酵三阶段中的水解酸化阶段.从第7天开始,各组甲烷含量皆上升至45%以上,此时各组产出的沼气可以点燃且持续燃烧,火焰呈现淡蓝色[8].随后各实验组所产沼气中甲烷含量皆快速上升,发酵浓度为24%和26%组的甲烷含量上升至60%左右,但是发酵浓度20%和22%组的甲烷含量仅上升至55%左右.在第15-20天,各组的甲烷含量达到第一个高峰期,其中甲烷含量最高的仍然是24%组,为64%左右,在此时间段后,各组的甲烷含量在第25-30天达到第二个高峰,到了第