不同農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力研究

陸鳳成 霍明志 陳立東 王學(xué)武 馬艷明 王增偉

摘要：農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物通過厭氧技術(shù)生產(chǎn)沼氣是我國新能源開發(fā)與環(huán)境治理的重要方向之一。為評估農(nóng)業(yè)有機(jī)物料直接作為沼氣發(fā)酵原料的可行性，選取其中產(chǎn)量大、分布廣的陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤、玉米芯及谷子秸稈6種原料，在中溫（37℃）條件下進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)甲烷潛力（BMP）試驗(yàn)。結(jié)果表明：6種農(nóng)業(yè)有機(jī)物料單位VS累積產(chǎn)甲烷量（mL/gVS）從高到低的排序?yàn)椋宏惢衩住悼ūP〉玉米秸稈〉玉米芯〉葵花秸稈〉谷子秸稈，分別為280.9、244.6、225.5、176.6、167.7、128.6mLCH4/gVS。各個試驗(yàn)組甲烷平均含量在55%～65%，其中陳化玉米的甲烷含量最高。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物;厭氧發(fā)酵;甲烷;潛力

中圖分類號 X524 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-7731（2020）16-0174-04

在當(dāng)前環(huán)境惡化、能源匱乏的背景下，利用農(nóng)業(yè)廢棄物進(jìn)行厭氧發(fā)酵產(chǎn)生清潔能源沼氣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-2]。中國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源豐富，年產(chǎn)量超過10.4億t，規(guī)模化養(yǎng)殖場年糞便的產(chǎn)生量超過20.5億t，可用于沼氣生產(chǎn)的農(nóng)業(yè)廢棄物14.04億t，可生產(chǎn)生物天然氣736億m3[3]。再加上城市污泥、餐廚垃圾和工業(yè)有機(jī)廢棄物等，可被利用并生產(chǎn)為沼氣或生物天然氣的資源量是巨大的。但目前國大部分有機(jī)廢棄物都未被合理利用，特別是農(nóng)業(yè)秸稈類廢棄物，存在胡亂堆放、焚燒等現(xiàn)象，從而增加了溫室氣體的排放量，并造成了嚴(yán)重的空氣污染[4]。

農(nóng)業(yè)廢棄物中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量直接影響到秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的效果，不同種類秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果差別較大[5]。常見的木質(zhì)纖維素原料包括木材纖維和非木材纖維原料，玉米秸稈、稻草、麥草、甘蔗渣等屬于非木材禾草類纖維原料，這類原料尤為豐富且價格低廉，是生產(chǎn)沼氣和生物天然氣的主要原料[6]。

本試驗(yàn)選取內(nèi)蒙古東部具有代表性的農(nóng)業(yè)廢棄物，包括陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤（收割完籽實(shí)的葵花盤）、玉米芯（收割完籽實(shí)的玉米芯）、谷子秸稈為材料，采用元素分析法對農(nóng)業(yè)有機(jī)廢棄物進(jìn)行理論甲烷產(chǎn)量計(jì)算，預(yù)測其產(chǎn)氣性能。通過批式厭氧發(fā)酵，研究其產(chǎn)氣規(guī)律和特性、測定其實(shí)際產(chǎn)甲烷潛力，得出其生物降解性，以期為厭氧發(fā)酵工程運(yùn)行時原料的選擇提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料和接種物 試驗(yàn)所采用材料均取自于內(nèi)蒙古赤峰市阿魯科爾沁旗雙勝鎮(zhèn)，自然風(fēng)干，使用實(shí)驗(yàn)室粉碎機(jī)粉碎后過20目篩，封存干燥放置備用。試驗(yàn)接種物取自阿魯科爾沁旗規(guī)?；锾烊粴馀c有機(jī)肥循環(huán)化綜合利用項(xiàng)目一期厭氧發(fā)酵出料，密封放入?yún)捬醢l(fā)酵裝置中直至幾乎不產(chǎn)氣，然后置于冰箱內(nèi)封存?zhèn)溆茫錅囟仍O(shè)置為0℃。試驗(yàn)材料和接種物理化性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 試驗(yàn)裝置 試驗(yàn)采用批式厭氧發(fā)酵裝置，如圖1所示。反應(yīng)器（藍(lán)蓋瓶），集氣瓶（廣口瓶），集水瓶（燒杯）容積都為1L，它們之間通過玻璃管、乳膠管連接組合。反應(yīng)器在試驗(yàn)過程中的有效工作容積為0.8L。用恒溫水浴箱（37±1）℃給反應(yīng)器加熱保溫，保證試驗(yàn)為中溫厭氧消化。集氣瓶上標(biāo)有體積刻度，相當(dāng)于氣體計(jì)量器，通過氣體進(jìn)入集氣瓶將水排入集水瓶的排水法記錄每天沼氣的產(chǎn)量。

1.2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)設(shè)置6組，同時設(shè)置空白對照組。試驗(yàn)組原料分別為陳化玉米、玉米秸稈、葵花秸稈、葵花盤、玉米芯及谷子秸稈，空白對照組為接種污泥的空白對照。試驗(yàn)組發(fā)酵濃度為10%，F(xiàn)/M （物料VS：接種物VS）為0.5，對照組為接種物+去離子水組成。試驗(yàn)前，將分別計(jì)量原料和接種物重量，按比例加入1L厭氧發(fā)酵反應(yīng)器內(nèi)，用水定容至有效容積800mL，然后放人37℃恒溫水槽內(nèi)，連接好試驗(yàn)裝置，開始實(shí)驗(yàn)。每個試驗(yàn)設(shè)置3個平行實(shí)驗(yàn)，所有反應(yīng)器每日手動搖晃3次，每次約1min，以保證物料和接種微生物充分接觸，厭氧消化時間定為40d。

1.3 原料的理論甲烷產(chǎn)量 本試驗(yàn)中原料的單位VS理論甲烷產(chǎn)量（Theoretical methane yield TMY）可以根據(jù)Buswell和Muellerl提供的公式進(jìn)行計(jì)算[7]，公式包含CH0N4種元素：CnHaObNe+ （n-a/4 -b/2 +3c/4）H2O→（n/2+a/8-b/4-3c/4）ch4+（n/2-a/8+b/4+3c/8）CO2+cNH3

（1）TMY（mL4g-1vs）=22.4×1000×（n/2+a/8-b/4-3c/8）/12n+a+16b+14c （2）

1.4 生物降解性 根據(jù)試驗(yàn)獲得的甲烷產(chǎn)量（Experi-mental methane yield，EMY）和通過理論計(jì)算獲得的理論甲烷產(chǎn)量（Theoretical methane yield，TMY），有機(jī)物料的厭氧消化性（Biodegradability，BD）可以通過公式（3）進(jìn)行計(jì)算[7]。BD（%）=EMY/TMY100 （3）

1.5 數(shù)據(jù)分析 各項(xiàng)指標(biāo)的分析方法和主要儀器如表2所示。

2結(jié)果與分析

2.1 日產(chǎn)氣量 試驗(yàn)組的日產(chǎn)沼氣量變化情況如圖2所示。由圖2可知，在厭氧消化時間內(nèi)，日產(chǎn)氣量整體上都經(jīng)過了 2個高峰后逐漸趨于0，主要都是第1個峰值都達(dá)到日產(chǎn)氣最大值，主要出現(xiàn)在前1～3d。陳化玉米在第1天產(chǎn)氣量最大，為720mL，隨后產(chǎn)氣量急劇下降，在第4～?10天，幾乎不產(chǎn)生沼氣。其主要原因是陳化玉米含有大量淀粉類糖，比較容易降解，在試驗(yàn)第1～2天，即會產(chǎn)生大量揮發(fā)酸，產(chǎn)甲烷菌無法隨即將其降解消化，導(dǎo)致消化體系pH下降，從而抑制部分產(chǎn)甲烷菌的活性。隨著時間進(jìn)行體系內(nèi)揮發(fā)酸被慢慢降解，體系pH上升，產(chǎn)甲烷菌恢復(fù)活性，在第15天產(chǎn)氣上升。相關(guān)資料表明，pH低值通常出現(xiàn)在日產(chǎn)氣量增加的前期，這是因?yàn)閂FA積累造成pH下降，但VFA積累為產(chǎn)甲烷菌提供了充足的底物，促進(jìn)產(chǎn)甲烷菌生長，增加產(chǎn)氣量[9]。葵花盤與陳化玉米類似，第1天產(chǎn)氣量即升為最大值，為575mL，隨后產(chǎn)氣量降低，在第3～8天產(chǎn)氣量又逐漸回升，在第8天產(chǎn)氣量達(dá)到第2個高峰為290mL。其他4個試驗(yàn)組（玉米秸稈、玉米芯、葵花秸稈、谷子秸稈）日產(chǎn)氣情況波形相似，在前3d產(chǎn)氣量達(dá)到最大值，隨后產(chǎn)氣量逐漸降低。以上結(jié)果表明，陳化玉米較秸稈類廢棄物較容易降解，在秸稈類廢棄物中葵花盤厭氧消化速度比較快，產(chǎn)氣速度快，這與馮茵菲[10]研究的葵盤厭氧發(fā)酵特性與產(chǎn)氣潛力的試驗(yàn)相符。

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（責(zé)編：張宏民）

作者簡介：陸鳳成（1966-），男，北京人，碩士，高級工程師，從事招標(biāo)代理、工程項(xiàng)目管理、項(xiàng)目投資管理和戰(zhàn)略研究等工作。 *通訊作者收稿日期：2020-06-28