厭氧發(fā)酵論文：牛糞厭氧發(fā)酵效果思考

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本文作者：吳麗麗、劉天舒、黃希國、李道義、卜明、馬嬌 單位：中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院

溫度對厭氧消化過程的影響不僅限制產(chǎn)氣的速率，而且影響厭氧消化程度［3］。在其他反應(yīng)條件相同的條件下(反應(yīng)條件見表1所示)，比較不同溫度對牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響。根據(jù)厭氧發(fā)酵優(yōu)勢微生物菌群不同，此次選擇微生物的最適溫度區(qū)，分別選定高溫區(qū)(55℃)和中溫區(qū)(35℃)，發(fā)酵時(shí)間為28d。試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。從圖2和圖3可以看出:二者總產(chǎn)氣量相差不大，高溫累計(jì)產(chǎn)氣量相對中溫發(fā)酵略高;高溫高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度較快，第2d就到達(dá)產(chǎn)氣高峰，且高峰日產(chǎn)氣量較中溫高峰日產(chǎn)氣量2倍還多;第7d產(chǎn)氣量相對較低，產(chǎn)氣速度變慢，而此時(shí)累計(jì)產(chǎn)氣量已經(jīng)到達(dá)總產(chǎn)氣量的84．9%;發(fā)酵第10d累計(jì)產(chǎn)氣基本到達(dá)了總產(chǎn)氣量的90%以上;第15d累積產(chǎn)氣量基本都達(dá)到了總產(chǎn)氣量的95．3%;建議高溫牛糞高濃度厭氧發(fā)酵停留時(shí)間設(shè)計(jì)為15d之內(nèi)，在以下試驗(yàn)中高溫發(fā)酵時(shí)間設(shè)計(jì)為15d。中溫35℃發(fā)酵產(chǎn)氣速度雖然相對較慢，但產(chǎn)氣速度平穩(wěn)，第18d累積產(chǎn)氣量已經(jīng)達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上。通過以上分析可知，高溫高濃度厭氧發(fā)酵速度較快，這可能是因?yàn)楦邷貤l件下優(yōu)勢菌種為高溫菌種，其分解原料的能力較強(qiáng)，分解率高，產(chǎn)氣速率快，但氣量不穩(wěn)定，且能耗高。工程中，溫度的選擇應(yīng)從可利用余熱、發(fā)酵物料滅菌要求以及能耗方面考慮。

在其他反應(yīng)條件相同的條件下(反應(yīng)條件見表3所示)，比較不同干物質(zhì)含量(TS)對牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出:中溫35℃發(fā)酵條件下，TS為20%和TS為12%均實(shí)現(xiàn)正常啟動(dòng)，二者干物質(zhì)日產(chǎn)氣速度基本相當(dāng);發(fā)酵結(jié)束后，TS20%累計(jì)干物質(zhì)產(chǎn)氣率為160mL/g•TS，TS12%累計(jì)干物質(zhì)產(chǎn)氣率為153mL/g•TS。高溫發(fā)酵干物質(zhì)含量對牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效果的影響如圖6和圖7所示。從圖6和圖7可以看出:高溫55℃發(fā)酵條件下，TS為20%和TS為7%均實(shí)現(xiàn)正常啟動(dòng)，均在第2d達(dá)到產(chǎn)氣高峰。TS為7%時(shí)，厭氧發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)速度較快，這可能是因?yàn)門S7%時(shí)物料較TS20%水分含量多，物料流動(dòng)性好，傳質(zhì)與傳熱均勻，啟動(dòng)效果好;反應(yīng)進(jìn)行到第6d后，TS20%累計(jì)干物質(zhì)產(chǎn)氣率較TS7%稍高;發(fā)酵結(jié)束后，TS20%累計(jì)干物質(zhì)產(chǎn)氣率為198．21mL/g•TS，TS7%累計(jì)干物質(zhì)產(chǎn)氣率為184．22mL/g•TS。現(xiàn)行濕法厭氧發(fā)酵技術(shù)干物質(zhì)含量一般在10%以下，傳質(zhì)與傳熱效果好，啟動(dòng)快，但一般需添加大量的新鮮水，不僅浪費(fèi)清潔水源，而且存在沼液消納問題，反應(yīng)器體積一般較大，效率低。高濃度厭氧發(fā)酵干物質(zhì)產(chǎn)氣率與低濃度厭氧發(fā)酵干物質(zhì)產(chǎn)氣率基本相當(dāng)，建議通過攪拌等方式使微生物與發(fā)酵原料充分接觸，強(qiáng)化發(fā)酵過程傳質(zhì)與傳熱，擴(kuò)大活性層［4］，使得所產(chǎn)沼氣容易分離而逸出，從而提高產(chǎn)氣率。高濃度厭氧發(fā)酵可以有效提高反應(yīng)器效率，節(jié)水且節(jié)能，反應(yīng)器占地面積小。

試驗(yàn)以150g新鮮牛糞為原料，高溫55℃條件下，發(fā)酵時(shí)間28d比較不同接種率對牛糞高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的效果，結(jié)果如圖8和圖9所示。優(yōu)質(zhì)足量的接種物是沼氣發(fā)酵順利啟動(dòng)的重要保證，從日產(chǎn)氣量可以看出，厭氧發(fā)酵均實(shí)現(xiàn)順利啟動(dòng)，沒有出現(xiàn)酸敗。從變化曲線可以看出:高溫厭氧發(fā)酵第3d，均達(dá)到了產(chǎn)氣高峰，而且隨著接種率的加大，高溫厭氧發(fā)酵啟動(dòng)越迅速，平均日產(chǎn)氣量越高，產(chǎn)氣速度越快，總產(chǎn)氣量越大，有效發(fā)酵時(shí)間越短;接種率為100%時(shí)，第6d累計(jì)產(chǎn)氣量為4527mL，占總產(chǎn)氣量的80%以上;第7d以后產(chǎn)氣量相對較小，第10d累計(jì)產(chǎn)氣量已經(jīng)達(dá)到總產(chǎn)氣量的90%以上，但是發(fā)酵所需反應(yīng)器容積大，反應(yīng)器處理效率低;接種率為20%和10%時(shí)，產(chǎn)氣速度相對較慢，產(chǎn)氣高峰值也相對較低，分別在第8d和第9d才達(dá)到累計(jì)產(chǎn)氣量的80%。

孫國朝［5］等指出，加大接種率是防止干發(fā)酵前期偏酸和縮短干發(fā)酵啟動(dòng)時(shí)間的關(guān)鍵措施，但是干發(fā)酵接種率達(dá)到一定時(shí)，分解率就達(dá)到了一定極限。接種量不足會(huì)引起有機(jī)酸容易聚集，發(fā)酵受阻，可能是導(dǎo)致20%發(fā)酵料液干物質(zhì)產(chǎn)氣率下降的原因［6］?？紤]到反應(yīng)器及物料的處理效率及發(fā)酵順利啟動(dòng)，建議工程應(yīng)用中接種率在30%左右為宜。對所產(chǎn)氣體進(jìn)行抽樣分析，5組試驗(yàn)中甲烷含量均在55%以上。

通過研究牛糞高濃度批次厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，探討溫度、干物質(zhì)TS含量和接種率對牛糞高濃度厭氧發(fā)酵效果的影響，并對其發(fā)酵過程中的日產(chǎn)氣量、累計(jì)產(chǎn)氣量、干物質(zhì)日產(chǎn)氣量和干物質(zhì)累計(jì)產(chǎn)氣量的變化進(jìn)行了分析。

1)高溫高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度較快，發(fā)酵周期短，但能耗高;中溫高濃度厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣速度慢，產(chǎn)氣平穩(wěn)，發(fā)酵周期長;工程設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮有滅菌要求和能量平衡。

2)牛糞高濃度畜禽糞便厭氧發(fā)酵反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率高，節(jié)水與節(jié)能，建議通過攪拌等方式強(qiáng)化發(fā)酵過程的傳質(zhì)和傳熱，提高沼氣產(chǎn)率。

3)綜合考慮厭氧順利啟動(dòng)和反應(yīng)器處理效率，建議接種劑量在30%左右為宜。

本研究以新鮮牛糞為原料，考察干物質(zhì)含量TS對厭氧發(fā)酵效果影響有一定的局限性，原料自身特性和接種物料特性也會(huì)對結(jié)論有一定的影響。本研究為高濃度農(nóng)畜廢棄厭氧發(fā)酵工程應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。