稻草与畜禽粪便混合物厌氧消化快速启动研究

收稿日期:２０１８￣１０￣２２修回日期:２０１８￣１１￣２７项目来源:国家“十三五”重点研发计划项目(２０１６ＹＦＤ０５０１４０２)作者简介:矫云阳(１９９５－)ꎬ女ꎬ硕士ꎬ研究方向为固废与生物燃气ꎬＥ￣ｍａｉｌ:１２２８７８７６０１＠ｑｑ.ｃｏｍ通信作者:袁海荣ꎬＥ￣ｍａｉｌ:ｙｕａｎｈａｉｒｏｎｇ７５＠１６３.ｃｏｍ稻草与畜禽粪便混合物厌氧消化快速启动研究矫云阳１ꎬＡｋｉｂｅｒＣｈｕｆｏＷａｃｈｅｍｏ１ꎬ２ꎬ李秀金１ꎬ左晓宇１ꎬ袁海荣１(１.北京化工大学环境与科学工程系ꎬ北京１０００２９ꎻ２.ＦａｃｕｌｔｙｏｆＷａｔｅｒＳｕｐｐｌｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＡｒ￣ｂａＭｉｎｃｈＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＡｒｂａＭｉｎｃｈＰＯＢｏｘ２１ꎬＥｔｈｉｏｐｉａ)摘要:大型沼气工程的启动需要有大量的外源接种物ꎬ这使得启动成本增高ꎮ为了实现沼气工程低成本快速启动ꎬ文章以稻草与粪便(牛粪、猪粪)按０∶１ꎬ１∶２ꎬ１∶１ꎬ２∶１和４∶１(ＶＳ比)混合后ꎬ在不外加接种物的情况下直接启动ꎮ结果表明:除稻草与猪粪４∶１混合外ꎬ不同比例的稻草与粪便混合后均能启动成功ꎮ添加不同比例牛粪的启动效果优于添加猪粪的启动效果ꎬ同时在不外加接种物的情况下ꎬ少量稻草与粪便混合的启动效果优于单独粪便的启动效果ꎮ稻草与牛粪和猪粪的混合比例均为１∶２时效果最佳ꎬ单位ＶＳ产气量分别为２５８ｍＬｍ３接种物ꎬ外购接种物和运输费用就使得启动成本大大增加ꎬ投资成本的加大在一定程度上影响了沼气技术的推广使用ꎮ如何快速低成本启动对大型沼气工程至关重要ꎮ目前的启动方法基本分为两种:连续膨胀法和浓度递增法[７]ꎮ连续膨胀法即在接种物不足的情况下ꎬ将收到的接种物和首批原料按一定比例(２∶１ꎬ视接种物活性和原料浓度而定)投入消化器后停止进料若干天ꎬ在静止条件下ꎬ对消化器内的接种物进行富集扩大培养ꎬ而后即可陆续投入接种物原料混合物ꎬ消化器内的料液连续膨胀ꎬ直至消化器被充满ꎬ以后即可进行半连续或连续投料启动运行ꎮ浓度递增法即边投入接种物ꎬ边投入原料进行启动ꎬ使消化器内的料液浓度不断增长ꎮ因为在大中型沼气启动时ꎬ每天采集到的接种物数量有限ꎬ将池水升温后即可将接种物与原料按比例投入沼气发酵装置ꎮ由这两种启动方式可见沼气工程的启动速度受到接种物不足的制约ꎬ工程前期耗时久、成本高ꎮ因此ꎬ针对大型或特大型沼气工程启动时菌种不足的问题ꎬ尽可能地使用少量粪便快速启动厌氧反应ꎬ即找出粪便占比低且仍可以快速启动的条件ꎬ本文以稻草与牛粪和猪粪按０∶１ꎬ１∶２ꎬ１∶１ꎬ２∶１和４∶１(ＶＳ比)混合后ꎬ在不外加接种物的情况下直接启动ꎬ通过实验优化启动时的投料比ꎬ同时测定厌氧消化过程中物料性质使秸秆厌氧消化高效运行ꎬ目的是节约沼气工程启动成本并缩短启动时间ꎬ为沼气技术的推广使用提供理论基础ꎮ１材料与方法１.１实验材料实验原料为稻草ꎬ取自天津市ꎬ经过自然风干切成３~４ｃｍ后用配备２０目筛网的粉碎机粉碎ꎬ放置在通风处备用ꎻ猪粪和猪粪沼液均取自北京市顺义区某养殖场ꎬ牛粪取自北京市顺义区养牛场ꎬ取回后放在４℃冰箱中备用ꎮ各种物料的基本性质如表１所示ꎮ表１实验原料的基本性质(％)参数总固体(ＴＳ)挥发性固体(ＶＳ)总碳(ＴＣ)总氮(ＴＮ)碳氮比(Ｃ/Ｎ)稻草９４.７３±０.００８２.０７±０.００４０.８３±０.２１０.８０±０.０２５０.８３±０.８８猪粪２６.５４±０.０１２０.４３±０.００１３.８７±０.００３.１３±０.９２１２.６８±１.９９牛粪１８.６４±０.００１３.８７±０.００３９.２１±１.００２.３２±０.０９１６.９６±１.１０猪粪沼液１４.７４±０.００８.９２±０.００２８.３６±０.７９２.３８±０.０８１１.９０±１.５９１.２实验装置实验装置主要包括:两个１Ｌ蓝盖瓶(其中一个作为批式厌氧消化的反应罐体ꎬ１个作为集气瓶)和集水槽ꎮ其中作为反应罐体的蓝盖瓶放置于３５℃±２℃的恒温水箱中ꎬ集气瓶标有刻度密闭后充满水放于较高地势处ꎬ三者之间由乳胶管和三通等连接ꎮ１.３实验方法进料负荷５０ｇＴＳ粪混合ꎬ当稻草比例较低时(０∶１ꎬ１∶２和１∶１)只有１个产气高峰ꎬ分别出现在第２６天ꎬ第１７天和第２２天ꎬ峰值为４５０ｍＬꎬ６３０ｍＬ和９５０ｍＬꎻ稻草比例较高(２∶１ꎬ４∶１)时出现了两个时间接近的产气高峰ꎬ第１个峰分别在第２５天和第３５天出现ꎬ之后产气量有所下降ꎬ１天后又迎来第２个产气高峰ꎬ产气高峰结束之后产气量立刻降低到１００ｍＬ以下并不再恢复直到产气周期结束ꎮ使用稻草与猪粪混合比例为０∶１ꎬ１∶２ꎬ１∶１和２∶１时都有两个连续的产气高峰ꎬ第１个分别出现在第２１天ꎬ第３０天ꎬ第４２天和第４２天ꎻ比例为４∶１时始终在酸化阶段ꎬ产气量低ꎮ由此可见ꎬ稻草与牛粪和猪粪混合时都可以产气ꎬ