發(fā)酵原料混合比例對(duì)高固含量厭氧發(fā)酵的影響

李晶宇，李文哲*，張影微，呂金慶，劉冰峰

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090）

發(fā)酵原料混合比例對(duì)高固含量厭氧發(fā)酵的影響

李晶宇1，李文哲1*，張影微1，呂金慶1，劉冰峰2

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院，哈爾濱 150030；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱 150090）

分別按餐廚廢棄物、牛糞和秸稈揮發(fā)性固體（VS）比例為0∶2∶1、0.4∶1.6∶1、0.8∶1.2∶1、1.2∶0.8∶1、1.6∶0.4∶1、2∶0∶1混合形成6個(gè)試驗(yàn)組，各組總固體濃度（TS）均為17%，在中溫（35±1）℃條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，試驗(yàn)進(jìn)行48 d。結(jié)果表明，物料混合比例對(duì)消化效果有顯著影響，VS比例為0.4∶1.6∶1時(shí)產(chǎn)氣效果最佳，最高容積產(chǎn)氣率為989 mL·L-1·d-1，產(chǎn)氣穩(wěn)定后甲烷平均含量為55.6%。隨著餐廚比例增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，當(dāng)VS比例為1.2∶0.8∶1時(shí)，反應(yīng)器中有丙酸抑制現(xiàn)象。當(dāng)VS比例為1.6∶0.4∶1和2∶0∶1時(shí)發(fā)生酸敗。

混合比例；餐廚廢棄物；玉米秸稈；高固體濃度

在可持續(xù)能源系統(tǒng)中生物質(zhì)能來(lái)源豐富。通過(guò)沼氣發(fā)酵獲取生物能源是有機(jī)廢棄物資源化利用途徑[1-2]，推廣沼氣應(yīng)用，避免有機(jī)廢棄物不恰當(dāng)利用造成的環(huán)境污染和能源浪費(fèi)，對(duì)于環(huán)境建設(shè)和節(jié)能減排具有重要意義[3-4]。混合原料厭氧發(fā)酵是近年來(lái)厭氧發(fā)酵領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，與單一原料厭氧發(fā)酵相比，混合原料厭氧發(fā)酵受原料地域性和季節(jié)性影響較小，可彌補(bǔ)單一原料養(yǎng)分不全缺陷[5-6]。影響混合原料厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷因素有溫度、原料混合比例、pH和底物濃度等[7]。其中，原料混合比例和底物濃度是影響發(fā)酵及產(chǎn)甲烷的重要因素[8-10]。國(guó)內(nèi)外關(guān)于混合原料研究大多是濕法厭氧發(fā)酵，多種物料高固含量發(fā)酵研究較少。牛糞微生物種群豐富適合厭氧發(fā)酵，缺點(diǎn)是粗纖維含量大，易降解物質(zhì)少；餐廚廢棄物營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)豐富，自身基本不攜帶產(chǎn)甲烷菌，碳氮較低；在自然狀態(tài)下玉米秸稈含水量較低，碳氮較高[11-12]。三者混合后的發(fā)酵物料，不但攜帶產(chǎn)甲烷菌，且可獲得適合碳氮比，有利于提高沼氣生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)農(nóng)村3種主要廢棄物資源化。本文對(duì)上述3種原料按照不同比例混合，進(jìn)行高固含量厭氧發(fā)酵試驗(yàn)，從產(chǎn)氣率、氣體成分和厭氧發(fā)酵過(guò)程中各物質(zhì)變化情況對(duì)厭氧發(fā)酵中混合比例的影響進(jìn)行研究。

1 材料與方法

1.1 材料

餐廚廢棄物取自餐后垃圾，成分包括米飯、蔬菜、肉類(lèi)、骨頭、菜湯等。餐廚廢棄物容重為1.0 kg·L-1。新收集的餐廚廢棄物經(jīng)過(guò)機(jī)械打漿，保存于-4℃冰箱內(nèi)待用。牛糞取自東北農(nóng)業(yè)大學(xué)香坊實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)基地奶牛場(chǎng)，取回后于塑料瓶?jī)?nèi)密封，置于-4℃冰箱中保存。玉米秸稈取自哈爾濱郊區(qū)農(nóng)村，自然晾干后粉碎至3～5 cm后待用。接種物為以牛糞為原料處于穩(wěn)定發(fā)酵狀態(tài)的沼液。餐廚廢棄物、牛糞、秸稈及接種物主要性質(zhì)見(jiàn)表1。

表1 餐廚廢棄物及牛糞特性Table 1 Characteristics of kitchen wastes and cattle manure

1.2 試驗(yàn)裝置與方法

試驗(yàn)裝置圖如圖1所示，本試驗(yàn)所用試驗(yàn)裝置為自制的小型水解酸化反應(yīng)系統(tǒng)，水浴加熱，發(fā)酵罐為容積5 L的帶下口玻璃瓶。氣體采用排水法計(jì)量，恒溫水浴35℃。

餐廚廢棄物、牛糞和粉碎后的玉米秸稈按比例混合放在5 L廣口瓶?jī)?nèi)，有效容積為4 L。按原料總質(zhì)量的30%加入接種物，發(fā)酵液按總固體含量（TS）為17%配制，厭氧發(fā)酵周期為46 d。試驗(yàn)設(shè)6個(gè)反應(yīng)器，分別編號(hào)為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ。加入酸化餐廚垃圾、牛糞和秸稈VS比例為0∶2∶1、0.4∶1.6∶1、0.8∶1.2∶1、1.2∶0.8∶1、1.6∶0.4∶1、2∶0∶1。試驗(yàn)期間，每天取樣1次檢測(cè)，搖晃反應(yīng)器2次，每次約4 min。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Test apparatus

1.3 分析方法

試驗(yàn)中TS、VS和灰分等應(yīng)用烘干法，儀器有：電子天平、干燥箱、茂福爐和干燥皿；pH用HI9224便攜式酸度計(jì)測(cè)定；產(chǎn)氣量應(yīng)用排水集氣法測(cè)定；氣體組分和各氣體成分含量采用氣相色譜法，使用氣相色譜儀測(cè)量；氨氮和總氮使用凱氏定氮法；揮發(fā)酸含量使用美國(guó)Agilent公司GC6890氣相色譜儀進(jìn)行檢測(cè)。

1.3.1 TS、VS測(cè)定

TS、VS測(cè)定采用烘干法[13]，具體測(cè)定步驟為：首先將瓷坩堝洗凈后，于約600℃茂福爐內(nèi)灼燒1 h，待爐溫降至100℃后，用坩堝鉗取出，置于干燥皿中冷卻，稱(chēng)重，直到前后2次差值不超過(guò)1.0 mg（即為恒重），此時(shí)坩堝重量記為a；取一定量充分混合的待測(cè)樣品，置于已稱(chēng)重的坩堝內(nèi)，記為b；將含有樣品的坩堝放入干燥箱內(nèi)，于（105±2）℃干燥至恒重，質(zhì)量記為c；將含干燥后樣品的坩堝置于茂福爐內(nèi)，在550～600℃灼燒2 h，待爐溫降至100℃以下取出，在干燥皿內(nèi)冷卻后稱(chēng)重，此時(shí)重量記為d。相應(yīng)計(jì)算公式為∶

式中，a-坩堝重量（g）；b-樣品加坩堝的重量（g）；c-105℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）；d-600℃干燥后樣品加坩堝的重量（g）。

1.3.2 pH測(cè)定

本試驗(yàn)pH測(cè)定采用便攜式酸度計(jì)（精度0.01）。測(cè)定時(shí)，需要將儀器預(yù)熱30 min，然后將pH電極和平衡電極直接放入待測(cè)料液中測(cè)定，待示數(shù)穩(wěn)定時(shí)記錄。

1.3.3 產(chǎn)氣量測(cè)定

產(chǎn)氣量是指厭氧發(fā)酵過(guò)程中原料產(chǎn)生氣體多少，是衡量厭氧發(fā)酵工藝優(yōu)劣、反映發(fā)酵系統(tǒng)運(yùn)行效率的重要參數(shù)[14]。產(chǎn)氣量測(cè)定采用懸浮式排水法，每天記錄集氣罐的上浮高度H，測(cè)量出集氣罐的直徑D，按照下述氣體體積計(jì)算公式即可確定當(dāng)天產(chǎn)氣量。氣體體積計(jì)算公式為（4）：

1.3.4 氣體成分測(cè)定

沼氣是有機(jī)物質(zhì)在厭氧條件下，經(jīng)微生物發(fā)酵而生成的一種可燃性混合氣體，主要成分是甲烷，約占總體積的50%～70%，其余是二氧化碳、氮?dú)?、硫化氫、氨氣等[15]。本試驗(yàn)中氣體成分測(cè)定采用的是安捷倫GC-6890型氣相色譜儀。所用檢測(cè)器為熱導(dǎo)檢測(cè)器（TCD）；色譜柱為蘭州所TDX-01型填充柱，承受最高溫度為260℃。相應(yīng)色譜條件為：

色譜柱：采用的是恒定流量模式、前進(jìn)樣口、后檢測(cè)器、出口為大氣壓，載氣為氬氣，氬氣甲烷流量為39.2 mL·min-1。

柱箱：設(shè)定值170℃，柱箱配置：最高溫度260℃，平衡時(shí)間3 min。

TCD檢測(cè)器：加熱器220℃；參比流量55.2 mL·min-1；尾吹氣（N2）流量2.5 mL·min-1。

進(jìn)樣口：前進(jìn)樣口，隔墊吹掃填充進(jìn)樣口，總流量為40.1 mL·min-1。

采用外標(biāo)法測(cè)定氣體的成分及含量。

利用色譜儀可以進(jìn)行定性分析和定量分析。所謂定性分析就是用已知純物質(zhì)的混合物和未知樣品進(jìn)行對(duì)照分析，比較在相同條件下獲得的色譜圖。本試驗(yàn)所用的已知純物質(zhì)為甲烷和二氧化碳。

1.3.5 揮發(fā)酸濃度測(cè)定

揮發(fā)酸含量采用安捷倫GC-6890型氣相色譜儀測(cè)定，發(fā)酵液中的揮發(fā)性脂肪酸（VFAs），包括乙酸、丙酸、丁酸）。色譜安裝毛細(xì)管柱（Agilent 1909/N-133HP-INNOWAX Polyethylene Glycol）。分析檢測(cè)器為氫火焰檢測(cè)器。氣相色譜條件如下：載氣為氮?dú)?，進(jìn)樣口溫度220℃，檢測(cè)器溫度為250℃。氮?dú)庾鳛檩d氣和尾吹氣，載氣采用187 kPa恒壓模式，尾吹氣流量為30 mL·min-1；進(jìn)樣口溫度為220℃，初始爐溫為60℃，開(kāi)始運(yùn)行后以15℃·min-1的速度升至140℃并維持2 min，檢測(cè)器溫度為250℃。整個(gè)測(cè)定時(shí)間為7.33 min。

標(biāo)定方法：采用外標(biāo)法測(cè)定氣體成分及含量。

3.1 危害特點(diǎn)：幼蟲(chóng)以蛀食葉片上下表皮間的葉肉細(xì)胞為主，常在葉片上形成曲曲彎彎的蛇形隧道。隧道前端較細(xì)，隨幼蟲(chóng)長(zhǎng)大，后端隧道較粗。

1.3.6 發(fā)酵料液濃度的計(jì)算方法

發(fā)酵料液濃度的計(jì)算公式[16-17]：

式中，M0-料液濃度（%）；Xi-物料重量（g）；Mi-總固體含量（%）；W-所需增加水量（g）。

2 結(jié)果與分析

2.1 產(chǎn)氣狀況分析

圖2和圖3分別是6組消化過(guò)程中日產(chǎn)氣率和累計(jì)產(chǎn)氣量變化曲線。

由圖2可知，物料比例對(duì)產(chǎn)氣的影響規(guī)律，反應(yīng)微生物利用原料的效率。Ⅰ、Ⅱ最早出現(xiàn)產(chǎn)氣高峰（正常產(chǎn)氣后第4天），峰值分別為5 000和2 200 mL·d-1。Ⅲ、Ⅳ均在第10天達(dá)到各自的產(chǎn)氣高峰，峰值分別為4 900、4 100 mL·d-1。Ⅴ、Ⅵ由于餐廚垃圾比例較多，分別在第10、9天停止產(chǎn)氣。由圖3可知，在30 d內(nèi)，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)反應(yīng)器累積產(chǎn)氣量分別達(dá)到22.90、87.14、46.94、49.29 mL，分別占總產(chǎn)氣量的98.7%、98.4%、99.1%和99.1%。

圖2 不同混合比例的日產(chǎn)氣量Fig.2 Daily biogas production of different proportions

圖3 不同混合比例的累計(jì)產(chǎn)氣量Fig.3 Cumulative biogas of different proportions

各組在50 d的發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣期主要集中在第1～20天，前20 d累積產(chǎn)氣量占總累積產(chǎn)氣量的80%。Ⅱ反應(yīng)器前30 d產(chǎn)氣率較高，累計(jì)產(chǎn)氣量明顯高于其他各組。當(dāng)餐廚廢棄物比例增加時(shí)，產(chǎn)氣量呈現(xiàn)先增長(zhǎng)后下降趨勢(shì)。當(dāng)餐廚垃圾、牛糞和秸稈VS比例為1.2∶0.8∶1時(shí)，產(chǎn)氣率明顯降低，預(yù)示此時(shí)底物濃度可能已達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行上限。在餐廚垃圾、牛糞和秸稈VS比例為1.6∶0.4∶1時(shí)，底物濃度完全抑制厭氧發(fā)酵。當(dāng)餐廚垃圾、牛糞和秸稈VS比例為0.8∶1.2∶1時(shí)，其累計(jì)產(chǎn)氣量最高。

pH是厭氧發(fā)酵的一個(gè)重要生態(tài)因子。產(chǎn)酸細(xì)菌生存的pH范圍很廣，但是pH影響產(chǎn)酸發(fā)酵的代謝速率、生長(zhǎng)速率和產(chǎn)酸發(fā)酵類(lèi)型[18-19]。而產(chǎn)甲烷菌生長(zhǎng)的pH為6.8～7.4，pH＜6.4或pH＞7.6，產(chǎn)氣過(guò)程都會(huì)受到抑制；當(dāng)pH＜5.5時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活動(dòng)會(huì)完全抑制。圖4為6組消化過(guò)程中pH變化情況，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)反應(yīng)器分別在第7、7、7、13天達(dá)到最低值，pH分別為6.27、6.09、5.80和4.93，混合物料中餐廚比重越大，消化液酸化程度越大。

由圖4可知，Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ號(hào)反應(yīng)器pH基本穩(wěn)定在產(chǎn)甲烷微生物適宜的pH[20]，說(shuō)明有機(jī)酸產(chǎn)生后無(wú)積累，被產(chǎn)甲烷菌所利用，而Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ號(hào)反應(yīng)器在厭氧發(fā)酵過(guò)程中很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)pH都在6.5以下，出現(xiàn)酸中毒現(xiàn)象，產(chǎn)甲烷菌活性受到抑制，影響整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中氣體產(chǎn)率[21]，餐廚廢棄物比例增加時(shí)很容易發(fā)生水解酸化現(xiàn)象，這是由于餐廚廢棄物中有機(jī)物大分子成分很容易被微生物利用分解產(chǎn)生有機(jī)酸。

圖4 不同混合比例的pHFig.4 pH of different proportions

2.3 不同混合比例對(duì)揮發(fā)性脂肪酸的影響

揮發(fā)性脂肪酸是厭氧消化過(guò)程的重要中間產(chǎn)物，甲烷菌主要利用VFA形成甲烷，只有少部分甲烷由CO2和H2生成[22]。但CO2和H2生成也經(jīng)過(guò)高分子有機(jī)物形成揮發(fā)性脂肪酸的中間過(guò)程。形成甲烷過(guò)程離不開(kāi)揮發(fā)性脂肪酸的形成，但揮發(fā)性脂肪酸在厭氧反應(yīng)器中的積累能反映出甲烷菌不活躍狀態(tài)或反應(yīng)器操作條件的惡化，較高的揮發(fā)性脂肪酸濃度對(duì)甲烷菌有抑制作用。在厭氧發(fā)酵過(guò)程中，揮發(fā)性脂肪酸可為產(chǎn)甲烷相中的產(chǎn)甲烷菌提供新陳代謝的影響物質(zhì)，其組分不同對(duì)產(chǎn)甲烷發(fā)酵的效率有很大影響。因此，對(duì)揮發(fā)性脂肪酸進(jìn)行考查能夠反映物料的能源化潛力，是厭氧發(fā)酵過(guò)程中重要指標(biāo)[23]。本試驗(yàn)主要檢測(cè)的揮發(fā)性脂肪酸為乙酸、丙酸、丁酸。隨著餐廚廢棄物含量增加，Ⅴ、Ⅵ反應(yīng)器揮發(fā)酸總含量在第4天就分別達(dá)5 451和5 985 mg·L-1，由于嚴(yán)重的VFAs抑制，Ⅴ、Ⅵ的厭氧消化未能形成穩(wěn)定的產(chǎn)甲烷過(guò)程，在第10天停止產(chǎn)氣。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ消化過(guò)程中揮發(fā)酸總量的變化如圖5所示。

圖5 不同混合比例的揮發(fā)酸含量Fig.5 Volatile acid content of different proportions

前3個(gè)反應(yīng)器乙酸在混合厭氧發(fā)酵過(guò)程中緩慢降低，Ⅳ號(hào)反應(yīng)器乙酸含量較前3個(gè)反應(yīng)器高，分別在第13天和第25天出現(xiàn)兩個(gè)峰值，分別為711.67和598.71 mg·L-1，隨后又迅速降低。不同比例混合厭氧發(fā)酵過(guò)程丙酸含量均呈先增加后降低趨勢(shì)，并在第7天達(dá)到峰值，分別為110.35、132.9和195.56 mg·L-1，Ⅳ號(hào)反應(yīng)器丙酸含量明顯高于其他反應(yīng)器。丁酸含量變化與乙酸和丙酸變化趨勢(shì)明顯不同，4個(gè)不同比例的混合厭氧發(fā)酵反應(yīng)器在發(fā)酵前5 d基本不產(chǎn)生丁酸，5 d后各反應(yīng)器丁酸含量迅速增加，Ⅳ號(hào)反應(yīng)器丙酸含量明顯高于其他反應(yīng)器。從總揮發(fā)性脂肪酸濃度變化趨勢(shì)可以看出隨著餐廚廢棄物比例增加時(shí)，液相代謝產(chǎn)物有機(jī)酸總濃度明顯升高。

2.4 底物混合比例對(duì)底物降解的影響

底物揮發(fā)性固體去除率如圖6所示，隨餐廚廢棄物比例增加，VS去除率呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)，在適當(dāng)碳氮比范圍內(nèi)，隨著底物中餐廚廢棄物升高，微生物活性增強(qiáng)，從而提高揮發(fā)性物質(zhì)去除率。在餐廚廢棄物、牛糞和秸稈揮發(fā)性固體（VS）比例為0.4∶1.6∶1時(shí)，VS降解率達(dá)到最大值28.95%；但餐廚廢棄物繼續(xù)增加時(shí)VS降解率隨底物濃度增加快速下降，當(dāng)餐廚廢棄物、牛糞和秸稈VS比例為2∶0∶1時(shí)，VS降解率僅為7%；餐廚廢棄物比例過(guò)高，會(huì)增大傳質(zhì)阻力不利于微生物與原料接觸，影響厭氧微生物活性[24]。所以，合適的物料混合濃度有助于細(xì)菌活動(dòng)。上述結(jié)果表明，隨著餐廚廢棄物比例的適當(dāng)增加，可顯著提高底物降解率。

圖6 不同混合比例下?lián)]發(fā)性固體去除率Fig.6 VS degradation rate at different proportions

3 討論

①Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)反應(yīng)器在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中能正常產(chǎn)氣。Ⅰ號(hào)反應(yīng)器在整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)氣率低于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)反應(yīng)器，出現(xiàn)此現(xiàn)象原因是適當(dāng)加入餐廚廢棄物可提高反應(yīng)產(chǎn)氣率，而Ⅲ、Ⅳ號(hào)反應(yīng)器在反應(yīng)初期餐廚廢棄物中大量有機(jī)物被微生物分解產(chǎn)生大量酸，對(duì)產(chǎn)甲烷菌有毒害作用，產(chǎn)氣量較低。隨著厭氧發(fā)酵反應(yīng)進(jìn)行，反應(yīng)物料中大量含氮物質(zhì)溶出，中和反應(yīng)器中的酸，使pH逐漸上升，產(chǎn)甲烷菌的活性也逐漸恢復(fù)，產(chǎn)氣量上升。

②在整個(gè)厭氧發(fā)酵過(guò)程中，隨著餐廚垃圾在3種物料中所占比例的增加，氣體產(chǎn)率先增加后降低，其中Ⅱ反應(yīng)器產(chǎn)氣率較其他比例的高。由圖3可知，Ⅱ號(hào)反應(yīng)器（餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈VS比例為0.4∶1.6∶1）的累積產(chǎn)氣量明顯高于其他反應(yīng)器，氣體中甲烷含量也較高，表明餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈VS比例為0.4∶1.6∶1時(shí)有利于厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣。

③Ⅴ、Ⅵ號(hào)反應(yīng)器在第2天均出現(xiàn)過(guò)度酸化情況，pH 3～4，pH條件遠(yuǎn)低于正常水平，使得試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。在此后1周之內(nèi)，試驗(yàn)均沒(méi)有啟動(dòng)，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)度酸化，使得甲烷菌等微生物受到影響，試驗(yàn)停止。從上述試驗(yàn)中可知，餐廚廢棄物為易產(chǎn)酸物質(zhì)，加入比例過(guò)高會(huì)加快酸化進(jìn)程，使有機(jī)酸含量超過(guò)甲烷菌負(fù)荷量，沼氣發(fā)酵無(wú)法進(jìn)行。

④本試驗(yàn)中餐廚廢棄物比例較低時(shí)，厭氧發(fā)酵過(guò)程可獲得較高底物降解效率。在餐廚廢棄物較少情況下，微生物可在有效時(shí)間內(nèi)對(duì)其分解利用。而餐廚廢棄物比例較高時(shí)，底物降解率明顯降低，說(shuō)明餐廚廢棄物過(guò)高時(shí)，微生物不能對(duì)其充分利用，原料利用率下降。

4 結(jié)論

餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈混合厭氧發(fā)酵，各成分比例可影響沼氣日產(chǎn)率在整個(gè)發(fā)酵期間的變化。當(dāng)餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈VS比例為0.4∶1.6∶1時(shí)，產(chǎn)氣量較多，累積產(chǎn)氣量為63.87mL，最高容積產(chǎn)氣率為989 mL·L-1·d-1，平均甲烷含量為55.6%。發(fā)酵前5 d為產(chǎn)氣高峰階段，甲烷含量在整個(gè)發(fā)酵期間低于65%。當(dāng)混合底物中以餐廚廢棄物為主時(shí)，厭氧發(fā)酵過(guò)程易導(dǎo)致VFAs累積，pH降低3～4，產(chǎn)甲烷過(guò)程受到顯著抑制，牛糞所占比例上升可明顯緩解這種抑制作用。綜合體系產(chǎn)氣量和液相中有機(jī)酸組分比例兩方面因素，在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)將餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈VS比例設(shè)為0.4∶1.6∶1為宜，該比例下可實(shí)現(xiàn)有機(jī)底物最大化開(kāi)發(fā)利用。以餐廚廢棄物、牛糞和玉米秸稈為原料進(jìn)行干式發(fā)酵具有可操作性，可延長(zhǎng)產(chǎn)氣周期、增加產(chǎn)氣量、減少沼液帶來(lái)的二次污染,是處理畜禽糞便與作物秸稈等高碳高氮有機(jī)固體廢物的有效途徑之一。

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Effect of mixing ratios with different materials on high-concentration anaerobic fermentation

LI Jingyu1,LI Wenzhe1,ZHANG Yingwei1,LV Jinqing1,LIU Bingfeng2
（1.School of Engineering,NortheastAgricultural University,Harbin 150030,China；2.School of Municipal and Environmental Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150090,China)

The mixing ratioes of kitchen waste,cattle manure and maize straw VS ratio were 0∶2∶1, 0.4∶1.6∶1,0.8∶1.2∶1,1.2∶0.8∶1,1.6∶0.4∶1 and 2∶0∶1.The test lasted 48 d which TS was 17%in(35±1)℃. The largest volumetric gas production rate was 989 mL·L-1·d-1,and the average content of methane was 55.6%.According to the stability of the system,gas production rate and the methane production rate,the optimal ratio of kitchen waste,cattle manure and maize straw which was 0.4∶1.6∶1 was determined.The greater the proportion of kitchenware,the worse the stability of the system.When the kitchen waste,cattle manure and maize straw VS ratio was 1.2∶0.8∶1,the phenomenon of proponic acid inhibition was found. when the kitchen waste,cattle manure and maize straw VS ratio was 1.6∶0.4∶1 and 2∶0∶1.rancidity phenomenon was found.

mixing ratios;kitchen wastes;maize straw;high-concentration anaerobic fermentation

TQ920.6

A

1005-9369（2014）11-0101-07

2013-03-13

黑龍江省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（12511047）；哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目（2013RFQXJ094）

李晶宇（1982-），女，工程師，碩士研究生，研究方向?yàn)樯镔|(zhì)轉(zhuǎn)化與利用工程。E-mail:jyli080615@163.com

*通訊作者：李文哲，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)檎託馍a(chǎn)和沼氣商品化。E-mail:liwenzhe9@163.com

時(shí)間2014-11-21 16:35:00[URL]http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1391.S.20141121.1635.006.html

李晶宇,李文哲,張影微,等.發(fā)酵原料混合比例對(duì)高固含量厭氧發(fā)酵的影響[J].東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2014,45(11):101-107.

Li Jingyu,Li Wenzhe,Zhang Yingwei,et al.Effect of mixing ratios with different materials on high-concentration anaerobic fermentation[J].Journal of Northeast Agricultural University,2014,45(11):101-107.(in Chinese with English abstract)