NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化

第35卷第5期农业工程学报Vol.35No.52122019年3月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMar.2019NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化罗娟1,2，赵立欣1，姚宗路1，孟海波1※，李秀金2，冯晶1，袁海荣2，于佳动1，黄开明1（1.农业农村部规划设计研究院，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京100125；2.北京化工大学化学工程学院，北京100029）摘要：为探究NaOH预处理甘蔗叶与猪粪、牛粪混合厌氧消化性能，该文在研究甘蔗叶分别与猪粪、牛粪不同配比厌氧消化性能及动力学特性的基础上，采用Box-Behnken试验设计方法开展3种物料混合厌氧消化试验，并运用响应曲面法模拟和优化温度、混配比、C/N3个工艺参数。结果表明，甘蔗叶与动物粪便混合厌氧消化时产生了协同作用，累积沼气产量比假设未产生协同作用的理论计算值提高了8.13%～15.01%；修正的Gompertz模型可以较好地模拟2种物料混合厌氧消化的动力学过程，相关度系数大于0.998；甘蔗叶与猪粪/牛粪(1:1)混合（甘蔗叶与粪比为1）厌氧消化的最优工艺条件为：温度36.5℃，C/N比27∶1，该条件下混合物料的单位干物质产沼气量实测值为337.5mL/g，与预测值（331.92mL/g）非常接近。关键词：沼气；粪；甘蔗叶；猪粪；牛粪；混合厌氧消化doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026中图分类号：S216.4文献标志码：A文章编号：1002-6819(2019)-05-0212-07罗娟，赵立欣，姚宗路，孟海波，李秀金，冯晶，袁海荣，于佳动，黄开明.NaOH预处理甘蔗叶与猪粪-牛粪混合厌氧消化工艺参数优化[J].农业工程学报，2019，35(5)：212－218.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026http://www.tcsae.orgLuoJuan,ZhaoLixin,YaoZonglu,MengHaibo,LiXiujin,FengJing,YuanHairong,YuJiadong,HuangKaiming.Parameteroptimizationinanaerobicco-digestionofNaOHpretreatedsugarcaneleavesandpigmanure-dairymanure[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2019,35(5):212－218.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.05.026http://www.tcsae.org0引言甘蔗是中国种植面积最大的糖料作物，在常年糖料种植面积中占比超过85%[1]，主要集中在广东、广西、云南、贵州、海南等省区。自2000年开始，中国甘蔗种植面积和总产量一直保持世界第三的位置，仅次于巴西和印度[2]。据中国统计年鉴，2016年中国甘蔗播种面积为152.7万hm2，总产量11382.5万t。在甘蔗收获的同时，产生大量甘蔗叶等废弃物，产量高达3600万t[3]，但利用率不到20%，大量甘蔗叶被废弃、焚烧，对环境造成污染。与此同时，中国南方地区是传统畜牧养殖优势区，2016年底上述5个省份的猪存栏量8751.3万头，牛存栏量2293.3万头（中国统计年鉴），按照每头猪、牛每天分别产生粪便2和20kg来估算，年总产生量高达23129.54万t。厌氧消化技术是种植、养殖废弃物资源化和能源化利用的一种有效手段。国内外研究表明，在秸秆类原料中添加动物粪便进行混合厌氧消化具有诸多优点，可以平衡发酵原料的营养成分，避免单一物料发酵时的不足，收稿日期：2018-06-13修订日期：2018-11-20基金项目：公益性行业（农业）科研专项（201503135）作者简介：罗娟，博士，主要研究方向为生物质能源技术装备与环境保护。Email：emimi2008@126.com※通信作者：孟海波，研究员，主要研究方向为农村能源与农业废弃物资源化利用。Email：newmhb7209@163.com有利于提高沼气产量[4-5]。温度是影响厌氧微生物生命活动过程最重要的因素之一，适宜的温度有利于厌氧消化过程的进行[6]。目前不少学者对常见秸秆与畜禽粪便的混合厌氧消化开展了研究，LiJiang等[7]以牛粪与玉米秸秆、麦秆、稻草3种秸秆为原料开展了半连续厌氧消化产沼气研究，发现秸秆与牛粪质量