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近幾年來,雖然我國城鎮(zhèn)化速率加快,但農(nóng)村人口比例依舊很大,隨著農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展,農(nóng)民生活水平的提高,農(nóng)村生活垃圾的總量也在逐步增加。根據(jù)相關(guān)報道,截至目前,我國農(nóng)村生活垃圾的年產(chǎn)量已達到了2億噸口。目前我國農(nóng)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(nóng)田、水源以及大氣造成了很大的污染,在很多地方出現(xiàn)了垃圾圍村的現(xiàn)  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(nóng)村生活  垃圾如何處理是當(dāng)代農(nóng)村發(fā)展遇到的難題。農(nóng)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(fā)酵、好氧堆肥等處置辦法。其中將生活垃圾中的有機質(zhì)成分通過沼氣池厭氧發(fā)酵的處置方法不僅可以得到清潔能源,發(fā)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(nóng)村有機生活垃圾沼氣池厭氧發(fā)酵的影響,并通過所得到的數(shù)據(jù)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(nóng)村有機生活垃圾是依據(jù)先期調(diào)研的數(shù)據(jù),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(nóng)業(yè)部沼氣科學(xué)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(shè)置了兩個不同發(fā)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(shè)置兩個平行,通過添加蒸餾水將發(fā)酵瓶凈重控制在800g。在中溫(35℃±1℃)條件下沼氣池厭氧發(fā)酵,發(fā)酵總時間為39d,采用1000mL發(fā)酵瓶作為反應(yīng)容器,有效發(fā)酵體積為800mL,每天將發(fā)酵瓶搖動兩次,每次搖動5min,發(fā)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(diào)  節(jié)初始pH值至85  每天記錄甲烷產(chǎn)量,每5天取樣1次,測量  值、有機酸含量和電導(dǎo)率,2個平行組取平均數(shù)得到  結(jié)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(chǎn)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(fā)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(chǎn)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(dǎo)率采用便攜式pH計進行測量

2結(jié)果與討論

2.1累積產(chǎn)甲烷量及原料產(chǎn)甲烷率

圖2為各處理組在39天內(nèi)的累積產(chǎn)甲烷量  其中,產(chǎn)甲烷最多的是處理組H為7485mL,產(chǎn)甲烷最少的是處理組A為4043mL。處理組B及F發(fā)  失敗,根據(jù)kawi4等人的研究知道,當(dāng)接種率較低  時,整個反應(yīng)體系有酸化的風(fēng)險,最終導(dǎo)致發(fā)酵失  敗,因此可以推測處理組B及F發(fā)酵失敗的原因是  接種率低和初始pH值調(diào)節(jié)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(chǎn)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(chǎn)甲烷量也在升高,但不是一直在增加,當(dāng)產(chǎn)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(chǎn)甲燒的實驗條件為接種  率為135%。每個處理組的產(chǎn)甲烷延滯期差別也很  大,處理組C,D,E的產(chǎn)甲烷延滯期僅為7天:處理  組A,L,G的產(chǎn)甲烷延滯期為10天;處理組G的產(chǎn)  甲烷延滯期為11天;處理組H的產(chǎn)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(yīng)的啟動。因此,若想快速啟動沼氣池厭氧發(fā)酵  可選用處理組D

從原料產(chǎn)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(jié)果相近。

2.2pH值  

由圖3可以看到,除去反應(yīng)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(jīng)  歷了先降后升的過程,并且最終pH值都穩(wěn)定在了  沼氣池厭氧發(fā)酵的適宜pH范圍(6.5~7.8)。結(jié)合圖2  與圖3可以看到,pH值的變化趨勢與產(chǎn)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(fā)酵適  宜范圍用了7天;處理組A,I,G為10天;處理組G  的產(chǎn)甲烷延滯期為11天;處理組H最長為13天。2.3揮發(fā)性脂肪酸  根據(jù)目前認(rèn)可的沼氣池厭氧發(fā)酵3階段理論,沼氣池厭氧發(fā)  酵經(jīng)歷了水解、酸化、甲烷化3個階段(7。大分子  物質(zhì)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(fā)酵細菌的作用下將這些小分子物  質(zhì)進一步分解為乙酸、丙酸、丁酸等可溶揮發(fā)性脂肪  酸;最后在產(chǎn)甲烷古菌的作用下生成甲烷。因此,揮  發(fā)性脂肪酸是沼氣池厭氧反應(yīng)的重要檢測指標(biāo),根據(jù)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(fā)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(jié)合2.1節(jié)中累計產(chǎn)甲烷量的實驗結(jié)果表明,處理組B、F發(fā)生了酸化現(xiàn)象,且該現(xiàn)象不可逆轉(zhuǎn),最終導(dǎo)致發(fā)酵失敗。其余處理組均呈現(xiàn)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(fā)酵微生物菌群越豐富,乙酸降解速率越快。但是結(jié)合圖2的實驗結(jié)果表明,隨著接種率增大,甲烷產(chǎn)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(fā)酵體系的高效、穩(wěn)定運行十分關(guān)鍵

圖5為各處理在沼氣池厭氧發(fā)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(xiàn)了不同程度的丙酸累積,其余處理組隨時間的增加均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢。結(jié)合圖4,處理組B,F乙酸含量出現(xiàn)累積的現(xiàn)象表明,丙酸抑制沼氣池厭氧發(fā)酵是導(dǎo)致這兩個處理組乙酸出現(xiàn)累積的主要原因。因為根據(jù)相關(guān)文獻表明,丙酸累積會對沼氣池厭氧發(fā)酵體系中微生

物菌群產(chǎn)生影響,且抑制部分微生物的活性(文獻),且目前認(rèn)為該類發(fā)酵原料的丙酸抑制濃度為1000ngL1),2.2節(jié)和2.3節(jié)實驗現(xiàn)象相符合。

圖6為各處理在沼氣池厭氧發(fā)酵過程中丁酸含量的變化趨勢?？梢钥闯龈魈幚斫M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(jīng)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(dǎo)率

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

3結(jié)論

(1)農(nóng)村有機生活垃圾沼氣池厭氧發(fā)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(chǎn)甲烷率達到0.18L·gVs·d

(2)先用氧化鈣調(diào)堿,可以縮減沼氣池厭氧批次發(fā)酵產(chǎn)甲烷延滯期。  

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

(4)本沼氣池厭氧發(fā)酵的適宜電導(dǎo)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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