王興宏， 宗漢崢， 梅自力， 羅 濤， 馬旭光

(1.樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院， 四川 樂山 614000； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 四川 成都 610041)

項目來源： 國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(201510649015)； 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室開放課題基金資助項目(2015012)； 四川省教育廳重點項目(15ZA0276)； 國家自然基金項目(51508258)； 樂山師范學(xué)院一般培育項目(Z1410)

攪拌頻率對糞秸高含固率連續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器啟動性能的影響

王興宏1， 宗漢崢1， 梅自力2， 羅 濤2， 馬旭光1

(1.樂山師范學(xué)院 化學(xué)學(xué)院， 四川 樂山 614000； 2. 農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用重點實驗室， 四川 成都 610041)

為實現(xiàn)糞秸清潔化、高效化厭氧產(chǎn)甲烷，試驗在自制的纖維質(zhì)物料高含固率連續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中，以油菜秸稈和牛糞為原料，在中溫條件(37℃±1℃)下研究了2個攪拌頻率(8 r·min-1和35 r·min-1)對該反應(yīng)器啟動階段產(chǎn)甲烷效率的影響。結(jié)果表明，在僅添加牛糞和出料回填的條件下，低頻率攪拌反應(yīng)器(R1)和高頻率攪拌反應(yīng)器(R2)均能在5 d后穩(wěn)定產(chǎn)氣，產(chǎn)甲烷效率沒有顯著差異。在牛糞和秸稈混合進料、含固率分別為10%和15%的條件下，低攪拌頻率會提高反應(yīng)器甲烷產(chǎn)率，且會使物料在反應(yīng)器內(nèi)產(chǎn)生更加明顯的空間異質(zhì)性，反應(yīng)器上部VFAs濃度顯著高于下部。當(dāng)TS=10%，進料VS為0.46 kg·d-1時，R1的平均比甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)分別為123.54 L·kg-1VSadded和1.13 L·d-1，比R2 高11.08%和10.78%；當(dāng)TS=15%，進料VS為0.69 kg·d-1時，R1的平均特殊甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率分別為94.84 L·kg-1VSadded和1.31 L·d-1，比R2高11.68%和11.82%。上述研究結(jié)果為該反應(yīng)器利用糞秸在高含固率條件下實現(xiàn)快速啟動和高效產(chǎn)甲烷提供了理論依據(jù)和工藝參數(shù)。

攪拌頻率； 糞秸； 高含固率； 連續(xù)厭氧反應(yīng)器； 啟動； 產(chǎn)甲烷效率

在利用禽畜糞便和農(nóng)作物秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的工程中，傳統(tǒng)的低含固率(total sold, TS)工藝普遍存在結(jié)渣嚴重、木質(zhì)纖維素分解轉(zhuǎn)化效率低、有機負荷和容積產(chǎn)氣率低、需水量和沼液排放量大以及能耗高等問題[1-3]，這些問題已嚴重限制了目前我國糞秸沼氣工程規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的瓶頸。近年來，高含固率發(fā)酵工藝(半干式工藝，10%≤TS<20%；干式工藝，TS≥20%)因能可克服上述濕式發(fā)酵工藝(TS<10%)缺點而備受關(guān)注[4]，且含水率較低的沼渣可直接作為生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)有機肥的原料使用，基本上達到“零排放”，能滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對友好環(huán)境、清潔能源和優(yōu)質(zhì)肥料的需求[5]。

但是，纖維質(zhì)物料高含固率發(fā)酵工藝仍存在啟動時間長、發(fā)酵性能不穩(wěn)定、難以解決連續(xù)進出料等問題[6-8]。在高含固率物料連續(xù)厭氧發(fā)酵體系中，由于物料均質(zhì)性差，攪拌是非常有必要的。大量研究表明，攪拌具有促進物料均質(zhì)化、防結(jié)渣、加速熱傳遞、分解小顆粒物質(zhì)、有效傳遞中間代謝及釋放氣體的作用[9-10]；同時也有研究表明，不同攪拌強度對反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效率有顯著影響。Kaparaju[11]等認為低強度攪拌能提高產(chǎn)氣效率[10]，馬旭光等也得出了相似結(jié)果，而高強度攪拌不僅會增加能量消耗、電機損耗，而且也不利于提高產(chǎn)氣量[12-13]。因此，針對不同的發(fā)酵工藝，尋求合理有效的攪拌系統(tǒng)對于提高反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效率和降低成本是十分重要的。

啟動時間是評價一個厭氧反應(yīng)器產(chǎn)甲烷性能的重要指標(biāo)，高含固率物料發(fā)酵工藝往往因啟動時間過長會增加生產(chǎn)成本[14]。為此，試驗采用一套自制高含固率纖維質(zhì)物料連續(xù)厭氧反應(yīng)器，以油菜秸稈和牛糞為原料，研究了攪拌頻率對其在啟動階段的產(chǎn)氣量、甲烷含量以及物料空間異質(zhì)性的影響，以期為該反應(yīng)器利用不同纖維質(zhì)原料高效產(chǎn)甲烷提供重要的工藝參數(shù)。

1 材料與方法

1.1 試驗原料

油菜秸稈：取自于樂山市井研縣土主鎮(zhèn)某秸稈加工廠，將無霉變的秸稈自然風(fēng)干后，粉碎至粒徑1 cm以下，保存?zhèn)溆谩?/p>

牛糞：取自于樂山市市中區(qū)蘇稽鎮(zhèn)某奶牛養(yǎng)殖場，除雜后貯藏于4℃儲物柜，以防發(fā)霉變質(zhì)。

接種物：取自于樂山市夾江縣某穩(wěn)定運行的以豬糞為原料的厭氧發(fā)酵池。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗裝置

自行研制的纖維質(zhì)物料高含固率連續(xù)厭氧反應(yīng)器，見圖1。該反應(yīng)器在以玉米秸稈和牛糞為原料厭氧發(fā)酵時，能實現(xiàn)物料含固率為10%～20%的連續(xù)進出料，甲烷容積產(chǎn)率可達1.63～1.69 L·L-1d-1[11]，但存在啟動時間長、操作較繁瑣、可控性較差等問題。為此，本試驗根據(jù)已取得的實驗結(jié)果對該反應(yīng)器在原有基礎(chǔ)上進行了改進： 1)將原來螺旋式進料改為頂部直接投料，簡化進料程序； 2)在罐體外部增設(shè)透視窗，以便于根據(jù)罐內(nèi)發(fā)酵物料在空間上的分布狀態(tài)調(diào)控發(fā)酵參數(shù)； 3)攪拌頻率的控制裝置由原來的時間繼電器改為變頻器； 4)對攪拌器結(jié)構(gòu)進行了改進。本試驗采用的反應(yīng)器主要參數(shù)如下：不銹鋼材料，圓柱形立體式結(jié)構(gòu)，高徑比為2∶1，有效容積為50 L；罐體外圍為加水的保溫套層，由加熱器和溫控儀(REX-C100型數(shù)顯調(diào)節(jié)儀，江蘇佳明儀表公司)控制發(fā)酵溫度恒定；罐體外部設(shè)有透視窗；攪拌系統(tǒng)由置于反應(yīng)器頂部的三相異步電機(GS7124/0.37KW，臺州市姜堰德力電機有限公司)、微型擺線針輪減速機(JCWB100-LD/0.37KW，北京杰成宇傳動機械設(shè)備有限公司)、變頻器(SN100G-0004-4/0.4KW，上海數(shù)恩電氣科技有限公司)和螺旋式攪拌器(見圖2)組成。

1.罐體； 2.保溫層； 3.透視窗； 4.取樣口； 5.進料口； 6.攪拌電機； 7.出氣口； 8.氣體流量計； 9.溫度計； 10.保溫水注入口； 11.螺旋式出料輸送管； 12.出料口； 13.加熱器； 14.污泥排放口圖1 反應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 攪拌器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 試驗設(shè)計

物料配比和發(fā)酵溫度：根據(jù)前期批次發(fā)酵物料優(yōu)化試驗結(jié)果，起初裝料時僅將牛糞和和厭氧活性污泥按揮發(fā)性固體(VS)質(zhì)量1∶1混合，待甲烷含量穩(wěn)定且達到預(yù)設(shè)的含固率后，將油菜秸稈和牛糞按VS質(zhì)量1∶4混合進料，初始進料TS=5%，中溫發(fā)酵37℃±1℃。

啟動方法：共設(shè)2個結(jié)構(gòu)、容積完全相同反應(yīng)器，進料方案見表1。本研究在第1階段采用出料(沼液和沼渣)回填的措施，其目的是增加發(fā)酵體系中的微生物量，縮短啟動時間。待發(fā)酵體系中物料含固率達到15%且產(chǎn)氣量、甲烷含量等指標(biāo)穩(wěn)定時，可視為啟動完成。為了保證反應(yīng)器運行的穩(wěn)定性和可靠性，每個固體滯留時間(SRT)運行2個周期。

攪拌頻率：2個反應(yīng)器均為全天不間斷連續(xù)攪拌，其中一個反應(yīng)器的攪拌頻率為8 r·min-1(5Hz)，記為R1；另一個反應(yīng)器的攪拌頻率為35 r·min-1(20Hz)，記為R2。其余條件均相同。

表1 反應(yīng)器啟動設(shè)計方案

1.3 測定與分析方法

1.3.1 理化性質(zhì)的測定方法

TS采用恒重法，105℃干燥至恒重；VS采用灼燒法，在550℃馬弗爐灼燒4～6 h，冷卻稱重[15]?？扇苄晕镔|(zhì)、纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量采用酸堿洗滌法，測定儀器為全自動纖維素分析儀(ANKOM 2000，美國ANKOM公司)[16]。全氮含量采用滴定法，測定儀器為自動凱氏定氮儀(C20，美國 METTLER TOLEDO公司)；全氮含量采用重鉻酸鉀氧化法；固體物料的pH值用便攜式pH計測定(B-211，日本Horiba公司)，先按質(zhì)量比用蒸餾水將固體物料稀釋5倍，充分震蕩浸泡5min后進行測定；發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)用離子色譜儀(LCS 900，美國Dionex公司)測定[17]。

1.3.2 產(chǎn)甲烷效率的評價方法

每天對2個反應(yīng)器產(chǎn)氣量和甲烷含量進行測定。產(chǎn)氣量用濕式氣體流量計(LML-1，北京金志業(yè)儀器設(shè)備有限責(zé)任公司)測定，并在標(biāo)準狀況下(0℃，1.01×105Pa)對氣體體積進行矯正[18]。甲烷含量采用便攜式沼氣分析儀(Biogas 5000, 英國Geotech公司)測定。本試驗用2個指標(biāo)評價反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效率：容積產(chǎn)甲烷效率(VMPR)和特殊產(chǎn)甲烷效率(SMPR)。計算公式如下：

VMPR=V1×C/V2

(1)

式中：MVPR為容積產(chǎn)甲烷效率，L·L-1d-1；V1為日產(chǎn)沼氣體積，L；C為甲烷含量，%；V2為反應(yīng)器容積(筆者按50 L計)，L。

SMPR=V1×C/M

(2)

1.3.3 發(fā)酵物料空間分布的分析方法

每天對2個反應(yīng)器內(nèi)上下部發(fā)酵物料的pH值進行測定，并選取每一階段發(fā)酵狀態(tài)穩(wěn)定時的上下部發(fā)酵物料VFAs各組分(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸和乳酸)的含量。R1反應(yīng)器中取樣的具體位置可根據(jù)透視窗觀察結(jié)果確定，即在停止攪拌的靜止?fàn)顟B(tài)下，上部樣品取自反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料的上浮層，下部樣品取自反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵物料的沉降層；R2反應(yīng)器的上部樣品取自反應(yīng)器內(nèi)上層(距料面5～10 cm處)，下部樣品取自反應(yīng)器下部(距反應(yīng)器底物10～20 cm處)。取樣時將自制的長柄取樣器(末端盛樣器帶有可開合的蓋子)從反應(yīng)器頂部取樣口伸入指定位置完成取樣。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理方法

原始數(shù)據(jù)用Excel軟件標(biāo)準化處理后，采用Sigmaplot 10.0軟件制圖，采用SPSS17.0軟件進行處理間顯著性方差分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 發(fā)酵物料和接種物的理化性質(zhì)

油菜秸稈、牛糞和接種物的基本理化性質(zhì)見表2。油菜秸稈的C/N明顯高于牛糞(P=0.002)。一般認為，適宜厭氧發(fā)酵的物料C/N為25～35[19]。由此推測，單一的油菜秸稈可能并不適宜作為厭氧發(fā)酵原料，需要通過添加適量C/N較高的牛糞滿足厭氧微生物生長代謝的營養(yǎng)需求。另外，油菜秸稈中可溶性物質(zhì)含量顯著低于牛糞(P=0.007)，而纖維素、半纖維素和木質(zhì)素含量均顯著高于牛糞(P<0.05)。研究表明，農(nóng)作物秸稈中纖維素、半纖維素和木質(zhì)素三者相互緊密結(jié)合，木質(zhì)素包裹在纖維素和半纖維素外圍形成一層牢固屏障，導(dǎo)致纖維素和半纖維素在厭氧發(fā)酵過程中水解速度緩慢，而木質(zhì)素幾乎不能被利用[20]；可溶性物質(zhì)主要包括單糖、二糖、小分子脂肪酸和氨基酸等，在厭氧發(fā)酵過程中可作發(fā)酵性細菌的碳源和能源[21]。因此，在反應(yīng)器啟動時期，為了盡快使接種物中微生物具有較高活性，僅供給更易被微生物分解轉(zhuǎn)化的牛糞是必要的。

表2 原料和接種物的理化性質(zhì) (%)

注：表中數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值；除總固體含量外，其他各指標(biāo)的含量均是基于干物質(zhì)；ND表示未檢測。

2.2 產(chǎn)氣量和甲烷含量

攪拌頻率對反應(yīng)器日產(chǎn)量和甲烷含量的影響見圖3和圖4。由圖可知，2個反應(yīng)器在第5 天就已有較高的產(chǎn)氣量(100 L左右)和甲烷含量(50%左右)，并逐漸趨于穩(wěn)定，這可能與本實驗在第1階段采用只添加牛糞和出料回填的啟動策略有關(guān)，有研究表明適量的沼液回流有利于提高物料產(chǎn)甲烷效率[22]。攪拌頻率對反應(yīng)器在不同階段日產(chǎn)氣量的影響程度有差異(見圖3)，但在整個啟動階段對反應(yīng)器甲烷含量似乎影響不大(見圖4)。在第1階段，攪拌頻率對2個反應(yīng)器的產(chǎn)氣量沒有明顯影響(P=0.12)，這可能是由于出料回填會引起發(fā)酵液粘度增加而削弱了攪拌強度的作用[23]。在第2階段和第3階段，低頻率攪拌反應(yīng)器(R1)的產(chǎn)氣量分別為115.35±4.49 L和127.30±1.72 L，比高頻率攪拌反應(yīng)器(R2)分別高10.43%和11.91%，說明低攪拌強度能提高物料產(chǎn)氣量，這與Kaparaju[10]等人的研究結(jié)果是一致的。究其原因，低攪拌頻率可能更有利于為水解酸化細菌群和產(chǎn)甲烷古菌群提供穩(wěn)定的生長代謝環(huán)境，從而促進木質(zhì)纖維素物料的分解和轉(zhuǎn)化。另外，在階段1和階段2，雖然進料的組分不同(見表1)，但揮發(fā)性固體質(zhì)量差別不大(分別為0.44 kg·d-1和0.46 kg·d-1)，在高頻率攪拌下2個階段產(chǎn)氣量沒有顯著差異(P=0.07)，而在低頻率攪拌下，階段2產(chǎn)氣量顯著高于階段1(P=0.03)。由此可推測，低攪拌頻率會促進木質(zhì)纖維素含量較高的油菜秸稈的分解。

圖3 日產(chǎn)氣量

圖4 甲烷含量

2.3 產(chǎn)甲烷效率

攪拌頻率對反應(yīng)器產(chǎn)甲烷效率影響見圖5和圖6。由圖5可知，攪拌頻率對反應(yīng)器容積產(chǎn)甲烷效率的影響趨勢與其對日產(chǎn)氣量的一致。在階段1，攪拌頻率對2個反應(yīng)器的容積產(chǎn)甲烷效率影響不大(P=0.13)；在階段2和階段3，R1容積產(chǎn)甲烷效率分別為1.13±0.05 L·d-1和1.31±0.03 L·d-1，分別比R2高11.08%和11.82%。由圖6可知，攪拌頻率對反應(yīng)器特殊產(chǎn)甲烷效率的影響在不同階段有區(qū)別。在階段1，攪拌頻率對二者特殊產(chǎn)甲烷效率沒有顯著影響(P=0.10)；在階段2和階段3，R1特殊產(chǎn)甲烷效率分別為123.54±5.08 L·kg-1VSadded和94.84±2.31 L·kg-1VSadded，比R2分別高11.23%和11.68%。另外，階段3特殊產(chǎn)甲烷效率較階段2呈下降趨勢，這可能與階段3有較高的含固率(TS=15%)有關(guān)。有研究認為，木質(zhì)纖維素物料在厭氧環(huán)境中的水解效率隨發(fā)酵體系含固率的增加而降低[24-25]。由此可見，階段3容積產(chǎn)甲烷效率較階段2提高的主要原因在于增加了進料量。

圖5 容積產(chǎn)甲烷效率

圖6 特殊產(chǎn)甲烷效率

2.4 發(fā)酵物料空間異質(zhì)性

攪拌頻率對發(fā)酵物料在反應(yīng)器內(nèi)空間異質(zhì)性的影響見圖7和圖8。由圖可知，在反應(yīng)器達到穩(wěn)定產(chǎn)氣(5 d后)時，發(fā)酵物料在空間上始終具有異質(zhì)性，這與密度較小的纖維質(zhì)物料在發(fā)酵液中有上浮特性密切相關(guān)；而低頻率攪拌更有利于形成物料在空間上的異質(zhì)性，在實驗過程中通過透視窗觀察到的物料空間分布狀態(tài)也說明了這一點。從圖7可以看出，在階段1，兩個反應(yīng)器之間在上下部的pH值差異均不顯著(P>0.05)，二者上下部的pH值分別穩(wěn)定保持在7.6±0.1和7.8±0.1，這可能是由于回填的pH值較高的出料增加了反應(yīng)器上部pH值，進而減弱了攪拌頻率對物料空間異質(zhì)性的影響程度。隨著油菜秸稈和牛糞混合進料(階段2，TS=10%)和含固率的增加(階段3，TS=15%)，攪拌頻率對物料在空間上異質(zhì)性的影響顯現(xiàn)：反應(yīng)器下部物料pH值受攪拌頻率影響不大，均穩(wěn)定保持在7.7左右；上部物料pH值受攪拌頻率影響較大，在階段2，R1和R2上部pH值分別為7.2±0.1和7.5±0.1；在階段3，R1和R2上部pH值分別為6.8±0.1和7.3±0.1。由此可知，隨著含固率和進料量的增加，攪拌頻率對纖維質(zhì)物料空間異質(zhì)性的影響愈加明顯。反應(yīng)器上、下部物料在各階段的VFAs濃度與pH值變化趨勢相吻合。兩個反應(yīng)器上部的VFAs濃度均顯著高于下部(P<0.05)，而R1上部VFAs積累量顯著高于R2(P<0.05)，結(jié)合2.2節(jié)中的結(jié)果，說明反應(yīng)器具有較高甲烷產(chǎn)量得益于上部較高積累量的VFAs[26]。由此可推測，低頻率攪拌更有利于使反應(yīng)內(nèi)形成上部 “水解酸化區(qū)”和下部“產(chǎn)甲烷區(qū)”。另外，攪拌頻率對VFAs成分沒有明顯影響(見圖8)，主要以乙酸為主，乙酸作為嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌的底物在產(chǎn)甲烷代謝途徑中發(fā)揮著重要作用[27]。

3 結(jié)論

(1)在自行研制的纖維質(zhì)高含固率連續(xù)產(chǎn)甲烷反應(yīng)器中，當(dāng)只添加牛糞和出料回填時，攪拌頻率對反應(yīng)器的產(chǎn)氣性能沒有明顯影響，但在5 d后均能穩(wěn)定產(chǎn)氣。

圖7 反應(yīng)器上下部pH值

圖8 反應(yīng)器在不同發(fā)酵階段的上下部VFAs濃度

(2)在油菜秸稈和牛糞混合進料的情況下，低頻率攪拌(8 r·min-1)更有利于提高反應(yīng)器甲烷產(chǎn)率。當(dāng)TS=10%，進料VS為0.46 kg·d-1時，低頻率攪拌反應(yīng)器R1的平均特殊甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率的分別為123.54 L·kg-1VSadded和1.13 L·d-1，分別比高頻率攪拌(35 r·min-1)的R2 高11.08%和10.78%；當(dāng)TS=15%，進料VS為0.69 kg·d-1時，R1的平均特殊甲烷產(chǎn)率和容積甲烷產(chǎn)率分別為94.84 L·kg-1VSadded和1.31 L·d-1，分別比R2高11.68%和11.82%。

(3)低頻率攪拌由于使糞秸在反應(yīng)器中能產(chǎn)生明顯的空間異質(zhì)性而提高了甲烷產(chǎn)量，主要表現(xiàn)為上部較低pH值和較高濃度的VFAs，下部與此相反。

(4)在纖維質(zhì)高含固率連續(xù)產(chǎn)甲烷工藝啟動階段，建議在不影響排氣的情況下盡量降低攪拌頻率，使發(fā)酵物料在反應(yīng)器內(nèi)能快速形成上部“水解酸化區(qū)”和下部“產(chǎn)甲烷區(qū)”，進而提高物料的產(chǎn)甲烷效率。

[1] Nizami A S, Murphy J D. What type of digester configurations should be employed to produce biomethane from grass silage? [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2010,14(6):1558-1568.

[2] Weiland P. Results and bottle necks of energy crop digestion plant-Required process technology innovations[R].Workshop “ENERGY CROPS & BIOGAS” Report, Utrecht, 2005.

[3] 王 飛,蔡亞慶,仇煥廣.中國沼氣發(fā)展的現(xiàn)狀、驅(qū)動及制約因素分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012,28(1):184-189.

[4] Amel A G, Doris B, Eric T, et al. Total solids content drives high solid anaerobic digestion via mass transfer limitation[J].Bioresource technology, 2012, 111(2): 55-61.

[5] 武少菁,劉圣勇,王曉東,等.秸稈干發(fā)酵產(chǎn)沼氣技術(shù)的概述和展望[J].中國沼氣, 2011,26(4): 20-23.

[6] Mumme J, Linke B, T?lle R. Novel upflow anaerobic solid-state (UASS) reactor[J].Bioresource technology, 2010, 101(2):592-599.

[7] 朱德文,曹成茂, 陳永生,等.秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)及問題探討[J].中國農(nóng)機化,2011,4:56-59.

[8] 韓 捷,向 欣,程紅勝,等.好氧預(yù)處理對干法沼氣發(fā)酵產(chǎn)氣量的影響及能量損失[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2012, 27(12): 246-249.

[9] Pandey P K, Ndegwa P M, Soupir M L, et al. Efficacies of inocula on the startup of anaerobic reactors treating dairy manure under stirred and unstirred conditions[J].Biomass Bioenergy, 2011, 35(7):2705-2720.

[10] Kaparaju P, Buendia I, Ellegaard L, et al. Effects of mixing on methane production during thermophilic anaerobic digestion of manure: Lab-scale and pilot-scale studies[J].Bioresource Technology,2008, 99(11): 4919-4928.

[11] 馬旭光, 李傳友, 袁旭峰,等. 高含固率秸稈和牛糞混合物料發(fā)酵產(chǎn)甲烷工藝[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2014,30(14):227-235.

[12] 石惠嫻,榮 凌,朱洪光,等. 攪拌頻率對全混式沼氣池加溫過程及加溫能耗的影響[J].可再生能源,2011,29(01):62-65.

[13] 陳 巖.超聲波預(yù)處理與攪拌頻率對秸稈發(fā)酵產(chǎn)沼氣的影響[D].沈陽：沈陽航空航天大學(xué), 2013.

[14] 趙洪顏, 于海茹, 陳 迪,等. 有機負荷沖擊對固定床厭氧反應(yīng)器啟動及古菌群落動態(tài)影響[J].環(huán)境工程學(xué)報,2015, 9(10):4655-4663.

[15] APHA.Standard methods for the examination of water & wastewater [M].Washington DC：20st ed American Public Health Association, 2005.

[16] Wen B, Yuan X, Cao Y, et al. Optimization of liquid fermentation of microbial consortium WSD-5 followed by saccharification and acidification of wheat straw[J].Bioresource technology, 2012, 118(4): 141-149.

[17] 法 蕓, 張 聰, 楊海燕,等. 離子色譜法同時測定嗜熱厭氧菌發(fā)酵液中的有機酸與無機陰離子[J].海洋科學(xué), 2010, 34(11):23-26.

[18] Herrmann C, Heiermann M, Idler C. Effects of ensiling, silage additives and storage period on methane formation of biogas crops[J].Bioresource Technology, 2011, 102(8): 5153-5161.

[19] Zhang T, Liu L, Song Z, et al. Biogas production by co-digestion of goat manure with three crop residues[J].Plos One, 2013, 8(6):e66845.

[20] Chandra R, Takeuchi H, Hasegawa T. Methane production from lignocellulosic agricultural crop wastes: A review in context to second generation of biofuel production [J].Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(3): 1462-1476.

[21] El-Shinnawi M M, El Tahawy B S, El Shimi S A, et al. Fractionation of organic substances during anaerobic digestion of farm wastes for biogas generation[J].Mircen Journal of Applied Microbiology Biotechnology, 1989, 5(1):27-42.

[22] 吳樹彪, 黎佳茜, 李 偉,等. 沼液回流對牛糞厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性及其動力學(xué)的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2015, 46(10):241-246.

[23] 蘇小紅, 劉 偉, 王 欣,等.沼液回流對牛糞高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣性能的影響[J].黑龍江科學(xué), 2015(1):1-3.

[24] Vavilin V A, Fernandez B, Palatsi J, et al. Hydrolysis kinetics in anaerobic degradation of particulate organic material: An overview[J].Waste Management, 2008, 28(6):939-951.

[25] Qu X, Vavilin V A, Mazéas L, et al. Anaerobic biodegradation of cellulosic material: Batch experiments and modelling based on isotopic data and focusing on aceticlastic and non-aceticlastic methanogenesis[J].Waste Management,2009,29(6):1828-1837.

[26] Amani T, Nosrati M, Sreekrishnan T R. Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects-a review[J].Environmental Reviews, 2010, 18(1): 255-278.

[27] 崔宗均. 生物質(zhì)能源與廢棄物資源利用[M].北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社, 2011.

EffectofStirringFrequencyonStartupPerformanceofContinuousReactorwithHighSolidContentofRapeStrawandDairyManure/

WANGXing-hong1,ZONGHan-zheng1,MEIZi-li2,LUOTao2,MAXu-guang1/

(1.SchoolofChemistry,LeshanNormalUniversity,Leshan614000,China; 2.KeyLaboratoryofDevelopmentandApplicationofRuralRenewableEnergy,MinistryofAgriculture,Chengdu610041,China)

In order to obtain clean and efficient methane production from straw and manures, the home-made reactor was fitting to continuous anaerobic digestion for high solid content of lignocellulosic feedstock and was adopted to carry out the startup experiment. Effect of the two different stirring frequency ( 8 r·min-1and 35 r·min-1) on the methane production rate at the startup phase with rape straw and diary manure as substrate were investigated under the temperature of 37℃±1℃. The results showed that both the R1 with the low frequency stirring and R2 with the high frequency stirring could produce biogas stably after 5 days’ startup with sole dairy manure as feedstock and backfilling of discharges, and the methane production rate had no significant difference between them. With the mixture of rape straw and diary manure as substrate at TS concentration of 10% and 15%, the low stirring frequency could improve methane production rate, and the obvious spatial heterogeneity of feedstock in the reactor was formed. Meanwhile, the VFAs concentration of up-layer in the reactor was significant higher than that of bottom. Under the TS concentration of 10% and VS loading of 0.46 kg·d-1, the average specific methane production rate (SMPR) and volumetric methane production rate (VMPR) of R1 were 123.54 L·kg-1VSaddedand 1.13 L·d-1respectively, which were 11.08% and 10.78% higher than that of R2 respectively. Under the TS concentration of 15% and VS loading of 0.69 kg·d-1, the average SMPR and VMPR of R1 were 94.84 L·kg-1VSaddedand 1.31 L·d-1respectively, which were 11.68% and 11.82% higher than that of R2 respectively.

stirring frequency; straw and manure; high total solid content; continuous anaerobic digestion reactor; startup; methane production rate

2016-08-01

2017-05-02

王興宏(1994-)，男，四川眉山人，本科，主要從事環(huán)境科學(xué)專業(yè)學(xué)習(xí)和研究，E-mail:375597066@qq.com

羅 濤，E-mail:18782012718@163.com； 馬旭光，E-mail：maxg196@163.com

S216.4; TK6

A

1000-1166(2017)04-0014-07