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油菜秸秆和鸡粪比例及含固率对其发酵产甲烷特性的影响.docx


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】的内容,可以使用淘豆网的站内搜索功能,选择自己适合的文档,以下文字是截取该文章内的部分文字,如需要获得完整电子版,请下载此文档到您的设备,方便您编辑和打印。油菜秸秆和鸡粪比例及含固率对其发酵产甲烷特性的影响??马旭光,江滔,唐琼,常佳丽,罗涛,梅自力※(,乐山614000;,成都610041)0引言中国作为世界上油菜作物最大种植国,油菜秸秆年产量约3000万t(按谷草比1∶),其中四川省的年产量达500万t[1]。由于油菜秸秆木质纤维素含量高且结构致密[2],难以高效化利用。露天焚烧油菜秸秆的现象在中国仍普遍存在,尤其在四川省更为严重,是导致区域性和季节性雾霾空气污染的主要因素[3-4]。厌氧发酵技术(anaerobicdigestion,AD)因能将天然的木质纤维素物质转化为清洁能源——甲烷,相对于物理、化学等方法具有能耗低、环境污染小、条件温和等优点,近年来利用该技术处理秸秆备受各国关注[5-6]。目前农作物秸秆厌氧发酵研究多集中于玉米秸秆、水稻秸秆和小麦秸秆[7-10],而针对油菜秸秆的相关研究还较少。油菜秸秆较其他农作物秸秆硫元素含量更低[11],有利于降低生物天然气脱硫提纯成本,是理想的产甲烷原料,因此研究油菜秸秆产甲烷特性十分必要。然而,传统的低含固率(totalsolidcontent,TS尽管目前已有含固率对不同混合比粪秸产甲烷性能影响的研究,但由于原料的种类和性质以及发酵工艺的不同,结果有很大差异。有研究认为,在批次发酵工艺中,玉米秸秆和鸡粪按挥发性固体质量(volatilesolidcontent,VS)1∶1混合、TS=20%时容积产甲烷效率最高,按VS3∶1混合、TS=5%时物料产甲烷效率最高[7];油菜秸秆和牛粪按VS1∶4混合、TS=15%时容积产甲烷效率最高[16]。还有研究表明,在连续发酵工艺中,玉米秸秆和牛粪按VS1∶1混合、TS=15%时容积产甲烷效率最高[9]。由此可知,含固率和原料混合比对粪秸甲烷产量有很大影响,但目前还未见有不同含固率和混合比条件下的油菜秸秆和鸡粪共发酵产甲烷特性的报道。鉴于此,以油菜秸秆和鸡粪为原料,首先通过生化甲烷潜力试验确定不同混合比的油菜秸秆和鸡粪甲烷潜力产量及其协同效应,然后研究含固率(TS=5%~20%)对二者不同混合比的原料甲烷产率、容积甲烷产率以及发酵过程稳定性的影响,并对各处理产甲烷过程动力学特性进行模型分析,以期为油菜秸秆和禽畜粪便高含固率厌氧连续发酵工艺的快速启动和稳定产甲烷提供优化参数。(rapestalk,RS)来源于乐山市井研县某秸秆机械加工厂,无霉变,粒径15%。(biochemicalmethanepotential,BMP)试验是评估某一种原料或多种原料在一定厌氧发酵条件下可能产生最大甲烷产量的手段,被许多学者广泛应用[7,17]。发酵装置为500mL自制厌氧反应器,乳胶塞密封,上部带有出气口,下部带有出料口,以便发酵过程中取样分析。有效反应容积为(400±5)mL,油菜秸秆和鸡粪(以下简称“秸粪”)的混合比例按VS质量分数分别为100∶0,95∶5,90∶10,85∶15,80∶20和0∶100,物料和接种物的VS质量分数比均为1∶2,含固率的质量分数比均为5%。各处理的原料和接种物按上述比例充分混匀装瓶后,充氮气5min以排除反应器内顶空的空气,密封反应器后,(大连海德科技有限公司),置于立式恒温培养箱(SPX-100,中新医疗仪器有限公司)在(37±1)℃中温条件下发酵。每个处理设3个重复,对照组仅加接种物和水,含固率和体积均与对照组相同。每天手动摇各反应器2~3次,测定气体体积及其成分。在发酵过程,根据实际产气情况,取样分析发酵物料的pH值和VFAs质量浓度。,硅胶塞密封,上部带有出气口,下部带有出料口(内径约2cm),以便发酵过程中取样分析。反应器总容积为1000mL,有效反应容积为(600±5)mL,含固率按质量分数分别设为5%,10%,15%和20%,油菜秸秆和鸡粪的VS质量分数比分别为95∶5,90∶10,85∶15和80∶20,物料和接种物的VS质量分数比均为1∶1。集气袋的体积为2L,每个处理设2个重复,对照组只添加与处理组等体积的活性污泥。。、VS、总碱度(totalalkalinity,TA)分别用恒重法、灼烧法和溴甲酚绿-***红指示剂滴定法(以CaCO3含量计),灰分含量为TS与VS的差值[18]。物料中的C,H,O,N元素组成用有机元素分析仪(PerkinElmer2400,美国)测定。可溶性物质、纤维素、半纤维素、木质素成分采用酸碱洗涤法(ANKOM2000,美国ANKOM公司)测定。pH值采用便携式pH计测定(SX-610,上海三信仪表厂),固态物料先按质量比用蒸馏水将其稀释5倍,充分震荡浸泡5min后再进行测定。挥发性脂肪酸(volatilefattyacids,VFAs)的含量采用高效液相色谱仪(LC-20A,日本岛津公司)测定[19]。铵态氮(NH3-N)的测定采用分光光度计法(723S,上海奥析科学仪器有限公司)测定[20]。上述各指标的测定值均取3次重复的平均值。,并在标准状况下(0℃,×105Pa)对气体体积进行矫正[21]。气体中甲烷和二氧化碳含量采用气相色谱法(GC-2014,日本岛津公司)测定[16]。根据日产气量和气体成分即可分别计算出甲烷和二氧化碳的日产量。、协同效应和甲烷产率的评价方法发酵物料的理论甲烷产量(theoreticalmethaneyield,TMY)、试验甲烷产量(experimentalmethaneyield,EMP)、物料的生物降解性(anaerobicbiodegradability,Bd)、混料甲烷产量协同效应评价、容积甲烷产量(volumetricmethaneproduction,VMP)分别用如下公式计算[7,22-24]:式中n,a,b,c分别表示C,H,O,N元素的原子数。式中TMY由公式(1)可计算出,用最初发酵物料添加的VS质量产生的甲烷体积来表示,mL/g。式中Bd表示生物降解率,按实际甲烷产率与理论甲烷产率比值计算,%;EMY用整个发酵周期内累计甲烷产量(mL)除以最初发酵物料添加的VS质量,mL/g。式中EMY’表示混料加权甲烷产量,mL/g;EMYRS表示油菜秸秆的试验甲烷产量,mL/g;α和β分别表示混料共发酵中油菜秸秆和鸡粪的VS质量,g;EMYCM表示鸡粪的试验甲烷产量,mL/g;最后根据EMY和EMY’的差值评价各处理之间产甲烷协同效应的显著性[7]。式中V1为整个发酵周期累计甲烷产量的80%,mL;V2为厌氧反应器总容积,mL;T80(theshortesttechnicaldigestiontime)表示最短工艺发酵时间,用达到整个发酵周期累计甲烷产量80%时所需发酵天数来表示,d。,有一部分物质难以被微生物降解,之前被广泛应用的一级动力学模型难以准确模拟秸粪的整个发酵过程[25]。对于批式厌氧发酵产甲烷过程而言,甲烷产量可表示为微生物生长的一个函数[26]。因此,采用目前被认为最适于描述S型曲线产甲烷潜力的动力学模型ModifiedGompertz方程对各处理产甲烷进行拟合[27]:式中M为t时刻的累计甲烷产量,mL/g;P为最终甲烷产量,mL/g;Rm为最大产甲烷速率,mL/(g·d);λ为延滞期,d。P,Rm和λ均可通过批式发酵试验数据拟合获得。,(Systat国际软件公司,美国)制图和ModifiedGompertz方程拟合产甲烷动力学,(IBM,美国)软件在α=1%和α=5%水平上进行各处理间显著性方差分析。。由表1可知,油菜秸秆中的TS和VS含量均极显著高于鸡粪(。纯接种物的对照组几乎不产气(图中未显示),忽略对各处理的影响。由图1a可知,各处理的日甲烷产量变化趋势基本一致:甲烷产量主要集中在发酵前期,从第1天开始产气,之后产气量逐渐上升,到达产气高峰后逐渐下降,之前批式秸粪产甲烷研究也发现类似规律[7,16]。但是,油菜秸秆混合量较高的处理(RS∶CM=100∶0和95∶5)产气高峰时间明显晚于鸡粪混合量高的处理,其高峰产气量也较低,这可能与秸秆中可溶性有机物质含量低于鸡粪有关。由图1b可知,各处理甲烷含量从第2天开始逐渐上升,之后维持稳定,说明各发酵体系接种物活性良好[23],可能与发酵前采取驯化措施有关。但各处理在整个发酵周期的平均甲烷产量随油菜秸秆混合比增加有降低的趋势,纯鸡粪平均甲烷体积分数(%)显著高于纯油菜秸秆(%)(P=),尤其是在发酵前期油菜秸秆(高C/N)添加量多的物料的甲烷含量明显低于鸡粪(低C/N)添加量多的物料,Li等也有类似研究结果[29]。这可能与原料C/N有关,过高C/N物料在发酵前期会产生的大量VFAs,由于水解酸化细菌繁殖快于产甲烷古菌,VFAs在甲烷菌未能及时利用的情况下会分解产生CO2,进而降低甲烷转化效率[30-31]。表1原料和接种物的理化性质Table1Characteristicsofsubstratesandinoculum不同混合比秸粪的甲烷产量、生物降解性及协同效应分析结果见表2。由表2可知,混料物料的甲烷产量均高于2种单料,其中RS∶CM=90∶10的混料产甲烷效率最高(),%、%。究其原因,高含氮量的鸡粪(%)为高含碳量纯油菜秸秆(%)提供了厌氧发酵过程中的微生物生长代谢所需的氮素,避免了营养物质的失衡,进而增强了产甲烷菌活性并提高甲烷产量[7]。同时,油菜秸秆和鸡粪混合物料的生物降解率(%~%)均高于纯油菜秸秆(%),这可能与禽畜粪便的生物可降解性普遍高于农作物秸秆有关[28]。与此相应,RS∶CM=90∶10、85∶15和80∶20时的甲烷产量均有显著协同效应((RS)andchickenmanures(CM)inbiochemicalmethanepotential(BMP)test表2不同混合比秸粪的试验甲烷产量、理论甲烷产量、生物可降解性及协同效应评估Table2Experimentalmethaneyield,theoreticalmethaneyield,。由图2可知,含固率对不同混合比秸粪日甲烷产量会产生明显影响。首先,各处理日甲烷产量峰值和日平均甲烷产量随含固率的增加呈降低的趋势。当TS=5%时,RS∶CM=90∶,而当TS=20%时,,说明物料的分解效率随含固率的增加而降低,这与Amel等[13]的研究结果一致,原因在于高含固率发酵物料会限制中间代谢产物(包括液态的VFAs和气态的H2和CO2等物质)的传质效率。(AD)tests其次,秸秆混合比高的物料的产气周期随含固率的增加而延长。当TS=5%时,RS∶CM=80∶20和100∶0的产气天数分别为32和35d;而当TS=20%时,2种混合比物料的产气天数分别延长至40和50d。上述现象与Li等的研究不同[7],可能是由于油菜秸秆较玉米秸秆更难被微生物分解所致[11]。再次,随着含固率增加,混合物料的产甲烷过程稳定性的优势愈加明显。当含固率为10%~20%时,纯油菜秸秆均出现先停止之后又恢复产气的现象,且停止产气的时间随含固率的增加而延长,可能在于较高C/N的发酵物料缓冲性能较差,大量积累的VFAs抑制了甲烷菌活性[7,16]。另外,纯鸡粪在TS=15%和20%条件下的甲烷产量较TS=5%和10%明显低(P含固率对不同混合比秸粪日甲烷含量的影响见图3。,不同混合比的秸粪物料甲烷含量随含固率增加呈下降趋势。当TS=5%和10%时,RS∶CM=85∶15,80∶20的甲烷含量显著高于其他各处理();当TS=15%和20%时,各混料的甲烷含量均极显著高于(P10%)条件下甲烷含量高于单一物料,纯鸡粪可能更适合在低含固率(TS≤10%)下产甲烷。。由图4a可知,各处理的物料甲烷产率均随含固率的增加呈下降趋势,这说明增加含固率会降低物料的分解转化效率[13,33]。当TS=5%和10%时,纯油菜秸秆的物料甲烷产率均极显著低于其他各处理(

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