近幾年來(lái),雖然我國(guó)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(jì)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(bào)道,截至目前,我國(guó)農(nóng)村生活垃圾的年產(chǎn)量已達(dá)到了2億噸口。目前我國(guó)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(duì)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(shí),隨意堆放的生活垃圾同時(shí)是病原菌的  傳播體,對(duì)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(duì)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(jī)質(zhì)成分通過(guò)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(guò)后的沼渣沼液還可以作為肥料進(jìn)行還田。因此本文研究的目的就是探究接種率對(duì)農(nóng)村有機(jī)生活垃圾沼氣池厭氧發(fā)酵的影響,并通過(guò)所得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行下一步中試實(shí)驗(yàn)。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

選用的農(nóng)村有機(jī)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(chǎng)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(shí)驗(yàn)基地。原料及接種物特性見表1。

1.2實(shí)驗(yàn)方法 

 采用批式實(shí)驗(yàn),設(shè)置了兩個(gè)不同發(fā)酵濃度(原料TS含量為4.32%,5.18%)和5個(gè)不同接種率(接種物TS含量為4.55%,6.26%,6,.88%,8%,9.13%)共10個(gè)實(shí)驗(yàn)組,每組設(shè)置兩個(gè)平行,通過(guò)添加蒸餾水將發(fā)酵瓶?jī)糁乜刂圃?00g。在中溫(35℃±1℃)條件下沼氣池厭氧發(fā)酵,發(fā)酵總時(shí)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(dòng)兩次,每次搖動(dòng)5min,發(fā)酵裝置見圖1。實(shí)驗(yàn)所用原料及接種物配比見表2。

每瓶補(bǔ)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(cè)量  值、有機(jī)酸含量和電導(dǎo)率,2個(gè)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(cè)定通過(guò)氣相色譜法,僅  器型號(hào)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(jìn)樣器溫度150℃,檢測(cè)器溫度20

揮發(fā)性脂肪酸(VFA)含量測(cè)定采用氣相色德  法,儀器型號(hào)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(yǔ)  柱,柱溫160℃,進(jìn)樣器溫度210℃,檢測(cè)器溫度

pH值和電導(dǎo)率采用便攜式pH計(jì)進(jìn)行測(cè)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(shí),整個(gè)反應(yīng)體系有酸化的風(fēng)險(xiǎn),最終導(dǎo)致發(fā)酵失  敗,因此可以推測(cè)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(dá)到最大值時(shí),不再隨著接種率的升高面  增加。本實(shí)驗(yàn)得到的最高產(chǎn)甲燒的實(shí)驗(yàn)條件為接種  率為135%。每個(gè)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(zhǎng),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(dòng)。因此,若想快速啟動(dòng)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(dá)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(gè)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(guò)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(shì)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(zhǎng)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(gè)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(zhǎng)鏈  脂肪酸;然后在發(fā)酵細(xì)菌的作用下將這些小分子物  質(zhì)進(jìn)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(cè)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(guò)程中乙酸含量的變化趨勢(shì)。處理組B,F的乙酸含量呈一直增高的趨勢(shì),并且超過(guò)了10000mg·L。結(jié)合2.1節(jié)中累計(jì)產(chǎn)甲烷量的實(shí)驗(yàn)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(shì)。處理組A,C,D,E乙酸降解速率E>D>C>A,說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著接種率增大,甲烷產(chǎn)總量呈下降趨勢(shì)。因此選擇合理的接種率與原料率對(duì)沼氣池厭氧發(fā)酵體系的高效、穩(wěn)定運(yùn)行十分關(guān)鍵

圖5為各處理在沼氣池厭氧發(fā)酵過(guò)程中丙酸含量的變化趨勢(shì)。處理組B、F、G丙酸含量均隨時(shí)間的增加而增加,在第35天的時(shí)候達(dá)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(shí)間的增加均呈現(xiàn)先增加后下降的趨勢(shì)。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(gè)處理組乙酸出現(xiàn)累積的主要原因。因?yàn)楦鶕?jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明,丙酸累積會(huì)對(duì)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(xiàn)),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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象相符合。

圖6為各處理在沼氣池厭氧發(fā)酵過(guò)程中丁酸含量的變化趨勢(shì)。可以看出各處理組在第5天左右的時(shí)間丁酸含量達(dá)到最大值,隨后開始下降,處理組B,F分別達(dá)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(jī)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(jī)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(shí)原料產(chǎn)甲烷率達(dá)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(duì)原料產(chǎn)甲烷率的提升作用是有限  制的,超過(guò)這個(gè)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(guó)沼氣》第2期 羅臣乾 張國(guó)治 魏珞宇 施國(guó)中 申祿坤 甄月月 張敏

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