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近幾年來,雖然我國城鎮化速率加快,但農村人口比例依舊很大,隨著農村經濟的發展,農民生活水平的提高,農村生活垃圾的總量也在逐步增加。根據相關報道,截至目前,我國農村生活垃圾的年產量已達到了2億噸口。目前我國農村生活垃圾并沒有得到有效的處置,許多生活垃圾仍舊是隨處堆放、丟棄,或者直接焚燒,對農田、水源以及大氣造成了很大的污染,在很多地方出現了垃圾圍村的現  象2。同時,隨意堆放的生活垃圾同時是病原菌的  傳播體,對人們的健康有很大威脅。因此,農村生活  垃圾如何處理是當代農村發展遇到的難題。農村生  活垃圾的主要成分包括灰渣(42.38%)、廚余  35.97%)和其他成分3。目前對生活垃圾的處理

主要是有焚燒、填埋、沼氣池厭氧發酵、好氧堆肥等處置辦法。其中將生活垃圾中的有機質成分通過沼氣池厭氧發酵的處置方法不僅可以得到清潔能源,發酵過后的沼渣沼液還可以作為肥料進行還田。因此本文研究的目的就是探究接種率對農村有機生活垃圾沼氣池厭氧發酵的影響,并通過所得到的數據進行下一步中試實驗。

1材料與方法

1.1實驗材料

選用的農村有機生活垃圾是依據先期調研的數據,采集周邊菜市場及飯店剩余物配置而成,其中菜  葉、果皮、餐廚垃圾、廢紙分別占原料總重量的

50%,25%,20%,5%。接種物采集自農業部沼氣科學研究所實驗基地。原料及接種物特性見表1。

1.2實驗方法 

 采用批式實驗,設置了兩個不同發酵濃度(原料TS含量為4.32%,5.18%)和5個不同接種率(接種物TS含量為4.55%,6.26%,6,.88%,8%,9.13%)共10個實驗組,每組設置兩個平行,通過添加蒸餾水將發酵瓶凈重控制在800g。在中溫(35℃±1℃)條件下沼氣池厭氧發酵,發酵總時間為39d,采用1000mL發酵瓶作為反應容器,有效發酵體積為800mL,每天將發酵瓶搖動兩次,每次搖動5min,發酵裝置見圖1。實驗所用原料及接種物配比見表2。

每瓶補水至800g,每瓶添加氯化鈷0.00234g,

硫酸亞鐵2.4g,氯化鎳0.1904g,并且用氧化鈣調  節初始pH值至85  每天記錄甲烷產量,每5天取樣1次,測量  值、有機酸含量和電導率,2個平行組取平均數得到  結果  1.3分析方法

甲烷和二氧化碳含量測定通過氣相色譜法,僅  器型號為:島津公司生產的GC2010型氣相色譜  色譜條件為:60 m Parapak-QX色譜柱,柱箱溫度  50℃,進樣器溫度150℃,檢測器溫度20

揮發性脂肪酸(VFA)含量測定采用氣相色德  法,儀器型號為:安捷倫公司生產的GC7820A型氣  相色譜,色譜條件為:1.5mGDX103+5%磷酸色語  柱,柱溫160℃,進樣器溫度210℃,檢測器溫度

pH值和電導率采用便攜式pH計進行測量

2結果與討論

2.1累積產甲烷量及原料產甲烷率

圖2為各處理組在39天內的累積產甲烷量  其中,產甲烷最多的是處理組H為7485mL,產甲烷最少的是處理組A為4043mL。處理組B及F發  失敗,根據kawi4等人的研究知道,當接種率較低  時,整個反應體系有酸化的風險,最終導致發酵失  敗,因此可以推測處理組B及F發酵失敗的原因是  接種率低和初始pH值調節沒有到位。由圖2可以  看到,在相同接種比的條件下,原料率高的體系產甲  烷也多。在相同的原料率條件下,隨著接種率的提  高,累積產甲烷量也在升高,但不是一直在增加,當產甲烷量達到最大值時,不再隨著接種率的升高面  增加。本實驗得到的最高產甲燒的實驗條件為接種  率為135%。每個處理組的產甲烷延滯期差別也很  大,處理組C,D,E的產甲烷延滯期僅為7天:處理  組A,L,G的產甲烷延滯期為10天;處理組G的產  甲烷延滯期為11天;處理組H的產甲烷延滯期最  長,為13天。這表明,接種率高及原料率低利于厭  氧反應的啟動。因此,若想快速啟動沼氣池厭氧發酵  可選用處理組D

從原料產甲烷率(見表3)也可以看出,處理組H的效果是最好的,達到了0.18L·gVs·d-,與王艷芹等人所得結果相近。

2.2pH值  

由圖3可以看到,除去反應失敗的兩個處理組  的pH值在一直下降外,其余的處理組的pH值都經  歷了先降后升的過程,并且最終pH值都穩定在了  沼氣池厭氧發酵的適宜pH范圍(6.5~7.8)。結合圖2  與圖3可以看到,pH值的變化趨勢與產甲烷延滯期  相一致,處理組C、D、E的pH值回升到沼氣池厭氧發酵適  宜范圍用了7天;處理組A,I,G為10天;處理組G  的產甲烷延滯期為11天;處理組H最長為13天。2.3揮發性脂肪酸  根據目前認可的沼氣池厭氧發酵3階段理論,沼氣池厭氧發  酵經歷了水解、酸化、甲烷化3個階段(7。大分子  物質在酶水解作用下分解為小分子的糖、肽及長鏈  脂肪酸;然后在發酵細菌的作用下將這些小分子物  質進一步分解為乙酸、丙酸、丁酸等可溶揮發性脂肪  酸;最后在產甲烷古菌的作用下生成甲烷。因此,揮  發性脂肪酸是沼氣池厭氧反應的重要檢測指標,根據其降解  速率的快慢可以一定程度上了解甲烷古菌的活性。

圖4為各處理在沼氣池厭氧發酵過程中乙酸含量的變化趨勢。處理組B,F的乙酸含量呈一直增高的趨勢,并且超過了10000mg·L。結合2.1節中累計產甲烷量的實驗結果表明,處理組B、F發生了酸化現象,且該現象不可逆轉,最終導致發酵失敗。其余處理組均呈現先增高后下降的趨勢。處理組A,C,D,E乙酸降解速率E>D>C>A,說明接種率越大,沼氣池厭氧發酵微生物菌群越豐富,乙酸降解速率越快。但是結合圖2的實驗結果表明,隨著接種率增大,甲烷產總量呈下降趨勢。因此選擇合理的接種率與原料率對沼氣池厭氧發酵體系的高效、穩定運行十分關鍵

圖5為各處理在沼氣池厭氧發酵過程中丙酸含量的變化趨勢。處理組B、F、G丙酸含量均隨時間的增加而增加,在第35天的時候達到了1659.729mg·L',1627.1mg·L-1,1452.217mg·L-1,出現了不同程度的丙酸累積,其余處理組隨時間的增加均呈現先增加后下降的趨勢。結合圖4,處理組B,F乙酸含量出現累積的現象表明,丙酸抑制沼氣池厭氧發酵是導致這兩個處理組乙酸出現累積的主要原因。因為根據相關文獻表明,丙酸累積會對沼氣池厭氧發酵體系中微生

物菌群產生影響,且抑制部分微生物的活性(文獻),且目前認為該類發酵原料的丙酸抑制濃度為1000ngL1),2.2節和2.3節實驗現象相符合。

圖6為各處理在沼氣池厭氧發酵過程中丁酸含量的變化趨勢。可以看出各處理組在第5天左右的時間丁酸含量達到最大值,隨后開始下降,處理組B,F分別達到4212.087mg·L和5475.498mg·L,表明它們受到丁酸抑制。綜合圖4和圖6可以表明,生活垃圾有機成分經降解后主要以乙酸和丁酸為主,這與前人研究一致-0

2.4電導率

電導率可以間接表明發酵體系的好壞程度,從圖7可以看出,本沼氣池厭氧發酵的適宜電導率范圍在810mS·cm之間。

3結論

(1)農村有機生活垃圾沼氣池厭氧發酵最佳條件為原料TS含量為5.18%,接種物TS含量為6.88%(即接種率為135%),此時原料產甲烷率達到0.18L·gVs·d

(2)先用氧化鈣調堿,可以縮減沼氣池厭氧批次發酵產甲烷延滯期。  

(3)接種率對原料產甲烷率的提升作用是有限  制的,超過這個限值后,原料產甲烷率隨接種率提高而降低。

(4)本沼氣池厭氧發酵的適宜電導率范圍在8mS·cm之間。

摘自《中國沼氣》第2期 羅臣乾 張國治 魏珞宇 施國中 申祿坤 甄月月 張敏

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