序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵过程物料理化及渗滤特性

第35卷第20期农业工程学报Vol.35No.202282019年10月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringOct.2019序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵过程物料理化及渗滤特性于佳动1，赵立欣1※，冯晶1，姚宗路2，申瑞霞1，黄开明1，陈建坤1，张迎1（1.农业农村部规划设计研究院农村能源与环保研究所，农业农村部农业废弃物能源化利用重点实验室，北京100125；2.中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所，北京100081）摘要：序批式厌氧干发酵技术在规模化处理农业废弃物方面具备优势，通过工艺调控优化使产气效率得到明显改善，但对其物质转化特性的综合研究尚待深入。该文在发酵温度和秸秆粒径交互因素下，对不同干发酵环境理化特性及微生物群落进行比较，探寻提高物质转化效率机制、物料形态及渗滤液流动特性。结果表明，高温和细粒径条件显著改善生物转化效率，通过加速有机酸转化，使物料降解率和沼气产量提升了22.61%和56.17%。发酵10d，细粒径物料结构-渗滤液流动规律基本稳定，形成渗滤液由反应器中区向外区流动趋势，并与Clostridiales、Bacillales、Methanosarcina、Methanoculleus丰度呈正相关（P＜0.05），形成最佳转化状态。该研究可为评价和改善不同序批式厌氧干发酵体系运行效率提供理论依据。关键词：秸秆；粪；序批式厌氧干发酵；生物转化；物料结构；渗滤液流动doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028中图分类号：X712文献标志码：A文章编号：1002-6819(2019)-20-0228-07于佳动，赵立欣，冯晶，姚宗路，申瑞霞，黄开明，陈建坤，张迎.序批式秸秆牛粪混合厌氧干发酵过程物料理化及渗滤特性[J].农业工程学报，2019，35(20)：228－234.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028http://www.tcsae.orgYuJiadong,ZhaoLixin,FengJing,YaoZonglu,ShenRuixia,HuangKaiming,ChenJiankun,ZhangYing.Physicochemicalandpercolatingcharacteristicsofsequencingbatchdryanaerobicdigestionofstraw-cowmanuremixture[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2019,35(20):228－234.(inChinesewithEnglishabstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.20.028http://www.tcsae.org0引言序批式厌氧干发酵是多个厌氧发酵反应器并联，按时间顺序间歇式运行，初始进料含固率大于25%的厌氧发酵产沼气过程，具有原料处理量大、容积产气率高、沼液排放量少等特点，并且操作简单、故障率低，易于处理纤维质含量高、难降解的农业固体废弃物，如作物秸秆、畜禽粪便[1]。德国厌氧干发酵技术应用走在世界前列，农业序批式厌氧干发酵沼气工程占德国沼气工程总数的1%，运行能耗与湿法厌氧发酵相比可节约1/3～1/2[2-3]。在中国，集约化农业生产方式导致农业废弃物产量大且相对集中，含水率低且纤维化程度高[4]，加之近年来政策导向提高农业废弃物全量化和资源化利用水平，使序批式厌氧干发酵技术产业加速发展，市场潜力大。但是，序批式厌氧干发酵技术应用尚处于工艺小试、中试优化阶段，物质转化机制还需深入探明。在过去的研究中，以玉米秸秆-牛粪为混合原料，筛选出影响序批式厌氧干发酵甲烷产量的关键因素[5]，进一步结合中国规模化种养业分布特点，研发了基于不同物收稿日期：2019-08-11修订日期：2019-10-07基金项目：国家重点研发计划（2018YFD0800100）资助；中国博士后科学基金资助项目(2017M620717)作者简介：于佳动，工程师，博士，主要从事农业废弃物厌氧发酵技术装备研究。Email：yujiadong010@163.com※通信作者：赵立欣，研究员，主要从事农业废弃物能源化研究。Email：zhaolixin5092@163.com料配比的喷淋频率-接种物浓度高效调控方法，甲烷产量可提高12.4%～121.3%，并揭示了主要微生物群落与甲烷生产的相互作用关系[6]。Zhu等[7]采用物料与接种物分层混配方式，在定时喷淋条件下，有效防止高料泥比（ra