固體物濃度溫度對農(nóng)業(yè)廢棄物發(fā)酵影響
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摘要:本文利用自制沼氣發(fā)酵裝置，研究了不同固體物濃度、不同溫度的牛糞、稻草對沼氣厭氧發(fā)酵的影響。結(jié)果表明:TS=8%～14%，固體物濃度越高，牛糞和牛糞加稻草的產(chǎn)氣量越高，并且在不同的固體物濃度中牛糞加稻草處理的產(chǎn)氣量均高于牛糞處理。在25～40℃，35℃是牛糞、稻草沼氣厭氧發(fā)酵的適宜溫度。
關(guān)鍵詞:固體物濃度;溫度;農(nóng)業(yè)廢棄物;厭氧發(fā)酵
中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)廢棄物產(chǎn)出量每年大約40億t，其中農(nóng)作物秸稈產(chǎn)生量約占25%，畜禽糞便產(chǎn)生量約占65%，其它林業(yè)廢棄物、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活垃圾及農(nóng)作物加工廢棄物等約占10%［1，2］。從資源經(jīng)濟學上講，農(nóng)業(yè)廢棄物是一種特殊形態(tài)的農(nóng)業(yè)資源［3］，高效合理利用這部分資源，對減少污染、改善生態(tài)環(huán)境、提高能源利用率等具有重要影響。本文對牛糞、雞糞、玉米秸稈、稻草等4種常見的農(nóng)業(yè)廢棄物不同固體物濃度、不同溫度條件下的厭氧發(fā)酵情況進行了研究，以期為沼氣工程提供理論依據(jù)，促進農(nóng)業(yè)廢棄物的高效利用。
1材料與方法
1.1試驗基本情況
試驗地點:吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用試驗室。試驗原料:牛糞、稻草。牛糞來源于富家屯養(yǎng)殖戶，稻草來源于吉林農(nóng)大農(nóng)場。試驗裝置:自行設(shè)計的沼氣發(fā)酵裝置，主要由恒溫水浴鍋、發(fā)酵瓶、集氣瓶、集水瓶等組成。
1.2試驗處理
試驗1:溫度為35℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，糞草比為2∶1，試驗周期30d。固體物濃度(TS)分別為8%、12%、14%條件下設(shè)2個處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個處理設(shè)2個重復。試驗2:溫度為25℃、30℃、35℃、40℃，加料重600g，接種物(牛糞25℃密閉馴化10d，固體物濃度為14.91%)30%，固體物濃度8%，糞草比為2∶1。試驗周期為30d。試驗設(shè)2個處理，分別為牛糞處理、牛糞加稻草處理。每個處理設(shè)2個重復。
1.3觀測項目及測定方法
測定每日產(chǎn)氣量，采用水壓式集氣法，用量筒測量。
2結(jié)果與分析
2.1不同固體物濃度對沼氣發(fā)酵的影響
圖1為不同固體物濃度牛糞處理沼氣的日產(chǎn)氣量。從圖1可以看出，不同固體物濃度的牛糞處理產(chǎn)氣規(guī)律大體相似，第6天出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰，從第7天開始下降，從第8天開始至試驗周期結(jié)束產(chǎn)氣量大體平穩(wěn)，只有小幅波動。平均日產(chǎn)氣量從高到低為牛糞(TS=14%)處理＞牛糞(TS=12%)處理＞牛糞(TS=8%)處理。圖2為不同固體物濃度牛糞加稻草處理沼氣日產(chǎn)氣量。從圖2可以看出，牛糞加稻草處理在不同的固體物濃度條件下日產(chǎn)氣規(guī)律大體相似，前10d有較大波動，正式產(chǎn)氣后持續(xù)下降，從第11天開始處在平穩(wěn)產(chǎn)氣期，直到試驗結(jié)束。不同固體物濃度牛糞加稻草處理發(fā)酵的平均日產(chǎn)氣量從高到低順序為牛糞加稻草(TS=14%)＞牛糞加稻草(TS=12%)＞牛糞加稻草(TS=8%)。從圖3可以看出，不同固體物濃度的牛糞發(fā)酵總產(chǎn)氣量從高到低順序為牛糞(TS=14%)＞牛糞(TS=12%)＞牛糞(TS=8%)，牛糞(TS=14%)處理產(chǎn)氣量最高，達4462.33mL，牛糞(TS=8%)處理最低，只有2192.50mL。不同固體物濃度的牛糞加稻草處理發(fā)酵的總產(chǎn)氣量從高到低順序為牛糞加稻草(TS=14%)＞牛糞加稻草(TS=12%)＞牛糞加稻草(TS=8%)。與單純牛糞處理的產(chǎn)氣規(guī)律一致，固體物濃度越大產(chǎn)氣越多。但不同固體物濃度的牛糞加稻草處理產(chǎn)氣量比牛糞處理的高。
2.2不同溫度對沼氣發(fā)酵的影響
圖4為不同溫度牛糞處理的日產(chǎn)氣量。從圖4可以看出，不同溫度條件下牛糞處理的日產(chǎn)氣量沒有明顯的規(guī)律，牛糞25℃、30℃處理發(fā)動較慢，第4天開始有氣體產(chǎn)出，產(chǎn)氣量波動較小。牛糞40℃處理從發(fā)動開始平均日產(chǎn)氣量持續(xù)下降，到第6天開始進入較平穩(wěn)階段至試驗結(jié)束。牛糞35℃處理第1天日產(chǎn)氣量較高，接著呈下降趨勢，第6天日產(chǎn)氣量開始上升，第8天有個產(chǎn)氣小高峰，接著呈平穩(wěn)下降趨勢，但整個產(chǎn)氣周期日產(chǎn)氣量都相對較高。圖5為不同溫度牛糞加稻草處理的日產(chǎn)氣量。從圖5可以看出，各處理之間日產(chǎn)氣量沒有明顯相似規(guī)律，牛糞加稻草25℃、30℃處理啟動較慢，第5天開始產(chǎn)氣，整個試驗周期產(chǎn)氣平穩(wěn)，波動不大。牛糞加稻草40℃處理日產(chǎn)氣量波動較大，發(fā)動開始產(chǎn)氣量較高，前10d呈現(xiàn)持續(xù)下降態(tài)勢，從第11天開始進入平穩(wěn)期，只有小幅波動。牛糞加稻草35℃處理第1天日產(chǎn)氣量較高，接著呈下降趨勢，第4天日產(chǎn)氣量開始上升，第9天有個產(chǎn)氣小高峰，接著產(chǎn)氣相對較平穩(wěn)，整體呈下降趨勢，但整個產(chǎn)氣周期多數(shù)天數(shù)日產(chǎn)氣量都相對較高。從圖6可以看出，不同溫度牛糞處理總產(chǎn)氣量從高到低順序為牛糞35℃處理＞牛糞40℃處理＞牛糞30℃處理＞牛糞25℃處理，其中牛糞35℃處理總產(chǎn)氣量明顯高于牛糞40℃處理、牛糞30℃處理和牛糞25℃處理。說明牛糞在25～40℃間，不是溫度越高產(chǎn)氣量越高，而是存在一個適宜的溫度35℃。不同溫度牛糞加稻草處理總產(chǎn)氣量從高到低順序為牛糞加稻草35℃處理＞牛糞加稻草40℃處理＞牛糞加稻草30℃處理＞牛糞加稻草25℃處理，其中牛糞加稻草35℃處理總產(chǎn)氣量明顯高于牛糞加稻草40℃處理、牛糞加稻草30℃處理和牛糞加稻草25℃處理。說明牛糞加稻草在25～40℃，不是溫度越高產(chǎn)氣量越高，而是存在一個適宜的溫度35℃。
3討論與結(jié)論
在沼氣發(fā)酵過程中，原料固體物濃度(TS)不僅影響厭氧微生物的生長、繁殖及其活性，而且適當?shù)墓腆w物濃度，更能提高厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率。對于牛糞發(fā)酵而言，固體物濃度在8%～14%之間，固體物濃度越高產(chǎn)氣量越高。加入稻草的處理，產(chǎn)氣規(guī)律和純牛糞處理相似，隨著固體物濃度增加產(chǎn)氣量上升，說明稻草增加了牛糞的透氣性。因此，在牛糞的厭氧發(fā)酵中可以適當提高發(fā)酵固體物濃度，加入適量的秸稈增加透氣性。溫度是影響產(chǎn)氣量的重要因素之一，沼氣微生物只有在一定的溫度條件下才能生長繁殖，進行正常的代謝活動。合理的發(fā)酵溫度可以使微生物代謝加快，分解原料的速度也相應提高，產(chǎn)氣量和產(chǎn)氣率都相應增高。綜上分析，2個處理產(chǎn)氣總量規(guī)律相似，存在一個適宜的溫度35℃。但在25℃時，加入稻草的牛糞處理總產(chǎn)氣量低于純牛糞處理，說明不是在任何情況下加入稻草都能增加牛糞發(fā)酵的沼氣產(chǎn)量。
參考文獻
［1］陶思源．關(guān)于我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化問題的思考［J］．理論界，2013(05):28－30．
［2］孫振鈞，孫永明．我國農(nóng)業(yè)廢棄物資源化與農(nóng)村生物質(zhì)能源利用的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］．中國農(nóng)業(yè)科技導報，2006(01):6－13．
［3］陳智遠，石東偉，王恩學，等．農(nóng)業(yè)廢棄物資源化利用技術(shù)的應用進展［J］．中國人口•資源與環(huán)境，2010，20(12):112－116．
作者：邢向欣 張蕾蕾 張重 單位：吉林省農(nóng)業(yè)機械研究院
