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養(yǎng)鴨場廢棄墊料厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力的實驗研究*

劉健峰1，劉麗春2，張無敵1，尹芳1，王昌梅1，

趙興玲1，柳靜1，楊紅1，劉士清1

(1.云南師范大學，云南 昆明 650092；2.麗江市農(nóng)村能源管理站，云南 麗江 674100)

摘要：為了研究養(yǎng)鴨場廢棄墊料厭氧消化產(chǎn)沼氣潛力，采用全混合批量發(fā)酵模式，在中溫30 ℃下，對其進行厭氧消化實驗.實驗設1個實驗組和1個對照組，均設3個平行實驗，發(fā)酵料液總固體含量為5%，接種物為30%，實驗運行50 d.實驗結果表明，凈產(chǎn)氣量為2 250 mL，養(yǎng)鴨場廢棄墊料的TS產(chǎn)氣率為242 mL/g，VS產(chǎn)氣率為375 mL/g，原料產(chǎn)氣率為150 mL/g.

關鍵詞：養(yǎng)鴨場廢棄墊料；中溫發(fā)酵；厭氧消化；產(chǎn)氣潛力

1引言

近年來，政府大力扶持養(yǎng)殖業(yè)，在提高農(nóng)民經(jīng)濟收入和生活水平的同時，也導致了大量養(yǎng)殖場廢棄物的產(chǎn)生，對當?shù)鼐用竦慕】岛宛B(yǎng)殖場的可持續(xù)發(fā)展帶來了巨大壓力[1-3].利用沼氣工程對養(yǎng)殖場廢棄物進行資源化、能源化、環(huán)?；o害化處理，不僅能產(chǎn)生清潔能源——沼氣，還可將發(fā)酵殘留物施入農(nóng)田系統(tǒng)，促進生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[4].

廢棄墊料是養(yǎng)鴨場的主要廢棄物，主要成分為墊料和鴨糞.養(yǎng)鴨場墊料的選擇范圍很廣泛，主要有鋸末、秸稈、稻殼等農(nóng)副產(chǎn)品.稻殼富含纖維素、木質(zhì)素和二氧化硅，腐爛比較緩慢，難以被動植物直接吸收利用，廣大的農(nóng)村地區(qū)將其視為廢棄物扔掉或者焚燒，不但污染環(huán)境而且造成資源和能源的浪費.合理有效利用稻殼不僅能降低污染、凈化環(huán)境，還能創(chuàng)造經(jīng)濟效益、節(jié)約資源[5].此外鴨糞也是一種非常好的沼氣發(fā)酵原料[6-14].鴨糞中有機物和氮、磷的含量比其他家畜高，但是鴨糞中的氮素以尿酸態(tài)為主，作物不能直接吸收，且施用新鮮禽糞常招來地下害蟲，所以將其用沼氣工程處理，不但可以實現(xiàn)能源效益、環(huán)境效益、經(jīng)濟效益，而且發(fā)酵過后的殘留物是非常好的肥料.

本實驗在厭氧消化理論和農(nóng)村沼氣發(fā)酵實踐的基礎上，在30℃條件下，對養(yǎng)鴨場廢棄墊料進行厭氧消化實驗的研究，為養(yǎng)鴨場廢棄墊料的處理提供基礎參數(shù).

2材料與方法

2.1材料

2.1.1發(fā)酵原料

發(fā)酵原料取自青島某養(yǎng)鴨場堆放半年的廢棄墊料——含鴨糞的稻殼，經(jīng)測定其TS為62.04%，VS為64.59%.

2.1.2接種物

接種物為本實驗室以豬糞為原料長期馴化的活性污泥，經(jīng)測定其TS為8.64%，VS為58.73%.

2.1.3實驗裝置

實驗裝置為自行設計的厭氧發(fā)酵裝置[15].

2.2方法

2.2.1實驗設計

實驗自2014年12月1日開始至2015年1月19日結束，運行50 d.實驗是在中溫30 ℃條件下進行全混合批量式發(fā)酵，設1個實驗組和1個對照組，均設3個平行實驗，發(fā)酵料液總固體含量為5%，接種物為30%，每天晚上9∶30對實驗的相關數(shù)據(jù)進行記錄.

2.2.2原料預處理

將廢棄墊料粉碎，使其中的稻殼與鴨糞混合均勻.

2.2.3料液配比

發(fā)酵料液的具體配方如下：

實驗組：15 g原料，接種物120 g，加水至400 mL.

對照組：接種物120 g，加水至400 mL.

2.2.4測試項目及方法

⑴總固體含量(TS)、揮發(fā)性固體含量(VS)采用常規(guī)分析法，測定原料接種物以及發(fā)酵前后料液的TS、VS.

TS：在(105±5)℃的電熱恒溫干燥箱(GM-101型)中烘干至恒重，利用TS計算公式[9]求出TS；

VS：在(550±20)℃箱形電阻爐(SX2-2.5-12型)中灼燒至恒重，利用VS計算公式[9]求出VS.

⑵pH值：采用PHS-2C型酸度計測定原料、接種物以及發(fā)酵前后料液的pH值.

⑶產(chǎn)氣量：采用排水集氣法測定，實驗啟動后，每天定時記錄各組的產(chǎn)氣量，以各組3個平行實驗的平均產(chǎn)氣量表征該組產(chǎn)氣量.

⑷采用GC-6890A型氣相色譜儀測定甲烷含量.

3結果與分析

3.1發(fā)酵料液發(fā)酵前后相關指標的測定

發(fā)酵料液發(fā)酵前后的TS、VS和pH變化結果見表1.

表1　發(fā)酵前后料液TS、VS、pH值

沼氣發(fā)酵微生物最適宜的pH值為6.5～7.5[16].由表1可知，對照組的pH值在發(fā)酵前后均在正常范圍之內(nèi)，而實驗組的pH值在發(fā)酵前偏高，而在發(fā)酵后pH值變?yōu)?.0，說明沼氣發(fā)酵微生物菌群具有自我調(diào)節(jié)pH值的能力，無需人為調(diào)節(jié)發(fā)酵料液的pH值.

沼氣發(fā)酵是厭氧微生物利用有機物產(chǎn)生沼氣的過程.由表1可知，對照組的TS、VS降解率非常低，分別為6.9%和8.8%，因為對照組是本實驗室長期馴化的接種物，已經(jīng)基本發(fā)酵完全，所以有機物含量基本沒有變化；實驗組的TS、VS降解率相對要高很多，分別為26.1%和16.3%，說明養(yǎng)鴨場廢棄墊料能夠被厭氧微生物菌群有效利用.

3.2產(chǎn)氣情況及分析

3.2.1日產(chǎn)氣量

通過每天對發(fā)酵實驗的產(chǎn)氣量進行統(tǒng)計，得到了日產(chǎn)氣規(guī)律圖(如圖1).在發(fā)酵前期產(chǎn)氣量極少，隨著實驗的進行，產(chǎn)氣量逐漸增多，說明厭氧微生物慢慢地適應了發(fā)酵環(huán)境，在第10天時，日產(chǎn)氣量稍有下降，可能是由于產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌代謝較產(chǎn)甲烷菌活躍，將第一階段水解得到的小分子水溶性化合物分解，使得產(chǎn)生有機酸的速度比產(chǎn)甲烷菌分解有機酸產(chǎn)生沼氣的速度快，導致有機酸的積累，造成整個反應體系的pH值下降，出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，抑制了產(chǎn)甲烷菌體，導致產(chǎn)氣量下降.經(jīng)過兩三天的酸化期后，產(chǎn)氣量又開始上升，說明產(chǎn)甲烷菌群已經(jīng)通過自我調(diào)節(jié)將pH值恢復到正常的發(fā)酵范圍.在第18天時，產(chǎn)氣量達到最大，說明厭氧微生物已經(jīng)完全適應了發(fā)酵環(huán)境.隨后，產(chǎn)氣量逐漸減少，說明發(fā)酵罐內(nèi)的有機質(zhì)含量在逐漸減少，到第50天時，產(chǎn)氣量幾乎為零.

圖1　產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化曲線

3.2.2甲烷含量

發(fā)酵過程中所產(chǎn)沼氣的甲烷含量結果見表2.

表2　甲烷含量

由表2可以看出，隨著發(fā)酵時間的增加，甲烷含量呈先上升后下降的趨勢.厭氧消化剛開始時，沼氣中的甲烷含量為38%，隨著產(chǎn)甲烷菌落不斷的生長繁殖，發(fā)酵罐中的產(chǎn)甲烷菌群活性不斷增強，沼氣中的甲烷含量不斷提高，發(fā)酵到第25天時，甲烷含量達到最大值62%，在第20-30天，甲烷含量基本保持在57%～62%范圍內(nèi)，說明已經(jīng)進入了產(chǎn)甲烷的活性期.之后，甲烷含量逐步降低，到第45天時，甲烷含量降至46%，這是由于原料中的有機物含量不斷減少，產(chǎn)甲烷菌群的活性也不斷降低而造成的.

3.2.3累積產(chǎn)氣量

實驗組的累積產(chǎn)氣量變化曲線見圖2.反應初期產(chǎn)氣較慢，第5天后產(chǎn)氣量快速增長，第25天后產(chǎn)氣速率逐漸降低，第45天后基本趨于穩(wěn)定，達到最大累計產(chǎn)氣量，表明發(fā)酵料液已被完全分解.綜上可知，原料的TS產(chǎn)氣量為242 mL/g，VS產(chǎn)氣量為375 mL/g，原料產(chǎn)氣率為150 mL/g，池容產(chǎn)氣量為0.1 mL/(mL·d).

3.2.4產(chǎn)氣速率

實驗組的產(chǎn)氣速率變化曲線見圖3.從圖3可以看出，發(fā)酵前期產(chǎn)氣速率降低，隨著發(fā)酵時間的延長，產(chǎn)氣速率越來越大，最后趨于100%.在前30 d產(chǎn)氣速率達到了80%，可以得出養(yǎng)鴨場廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣主要集中在前30 d，因此在實際的沼氣工程中水力滯留時間(HRT)可設計為30 d.

圖2　累計產(chǎn)氣量隨發(fā)酵時間的變化曲線

圖3　產(chǎn)氣速率發(fā)酵時間的變化曲線

3.3各種沼氣發(fā)酵原料產(chǎn)氣潛力的比較

為了評價養(yǎng)鴨場廢棄墊料的產(chǎn)沼氣潛力，對發(fā)酵溫度為30 ℃，以各類糞便和秸稈為發(fā)酵原料的TS產(chǎn)氣情況進行比較，結果如表3所示.從表3可以看出，與純糞便類發(fā)酵原料相比，養(yǎng)鴨場廢棄墊料的TS產(chǎn)氣量比豬糞、馬糞、人糞、雞糞、牛糞、鴨糞、兔糞、象糞、斑馬糞、獺兔糞、黑熊糞的稍低，但是比狗糞、野豬糞、熊貓糞的要高.與秸稈類的相比，養(yǎng)鴨場廢棄墊料的TS產(chǎn)氣量比玉米、麥秸、干稻草的稍低，但是比白三葉、三角楓、紫葉李、法國梧桐的高.雖然堆放了半年，損失了一部分有機質(zhì)，就本實驗的數(shù)據(jù)來看，養(yǎng)鴨場廢棄墊料仍是一種比較好的厭氧消化原料.利用沼氣工程處理養(yǎng)鴨場廢棄墊料是非?？尚械?，而且有利于實現(xiàn)養(yǎng)鴨場廢棄墊料能源化、環(huán)?；①Y源化的可持續(xù)利用.

表3　各種原料的產(chǎn)沼氣潛力

4總結與結論

⑴實驗表明，養(yǎng)鴨場廢棄墊料是一種非常好的厭氧消化產(chǎn)沼氣的原料，雖然被堆放了半年，但是產(chǎn)氣效果仍然非常好，利用沼氣工程處理養(yǎng)鴨場廢棄墊料，有利于實現(xiàn)廢棄物的能源化、資源化、環(huán)?；?，符合可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略思路，是一條高效能的途徑.

⑵通過實驗得出的養(yǎng)鴨場廢棄墊料產(chǎn)沼氣潛力為TS產(chǎn)氣率242 mL/g，VS產(chǎn)氣率375 mL/g，發(fā)酵到第30天時,產(chǎn)氣累積量約為總產(chǎn)氣量的80%，所以在沼氣工程上可設計發(fā)酵罐的水力滯留時間(HRT)為30 d，為實際應用沼氣工程處理養(yǎng)鴨場廢棄墊料提供相關參數(shù)和依據(jù).

⑶實驗對堆放了半年的養(yǎng)鴨場廢棄墊料的產(chǎn)沼氣潛力做了研究，為以后進行合理化利用提供了基礎理論依據(jù)，但對其進行沼氣發(fā)酵的最佳工藝參數(shù)以及實現(xiàn)更有效的能源利用方式都有待進一步探究.

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Study on Biogas Production by Anaerobic Digestion with

the Waste of Duck Farm

LIU Jian-feng1, LIU Li-chun2, ZHANG Wu-di1, YIN Fang1, WANG Chang-mei1,

ZHAO Xing-ling1, LIU Jing1, YANG Hong1, Liu Shi-qing1

(1.Yunnan Normal University,Kunming 650092,China;

2.Rural Energy Management Station of Lijiang,Lijiang 650224,China)

Abstract:In order to study on Biogas Production by Anaerobic digestion with the waste of duck farm, the anaerobic batch fermentation experiments were performed at 30 ℃.The experiment set up an experimental group and a control group,each group sets up three parallel experiment repeatedly.The total solid content of the fermentation liquid was 5%,the inoculum density is 30%,the experiment runs 50 days normally.The results indicated that the net biogas production of the experimental group during total fermentation time was 2 250 mL.Furthermore,it was calculated that the biogas yield of the waste of duck farm was 242 mL/g·TS or 375 mL/g·VS,and the biogas yield of raw materials was 150 mL/g.

Keywords:The waste of duck farm; Mesophilic fermentation; Anaerobic digestion; Biogas production potential

中圖分類號：S216.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-9793(2015)06-0018-05

通信作者：張無敵(1965-)，男，云南石屏人，研究員，博士生導師，主要從事生物質(zhì)能開發(fā)及利用方面研究;尹芳(1967-)，女，云南石屏人，副教授，碩士生導師，主要從事生物質(zhì)能開發(fā)及利用方面研究.

作者簡介：劉健峰(1990-)，男，河北張家口人，碩士研究生，主要從事生物質(zhì)能與環(huán)境工程方面研究.

基金項目：高等學校博士學科點專項科研基金(20135303110001)、國家自然科學基金(51366015)、云南省應用基礎研究基金(2014FA030)和云南省科技創(chuàng)新提升計劃(2013DH041)聯(lián)合資助項目.

收稿日期：*2015-10-08