不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响

朱教宁，李永平，张晓晨

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

不同进料量对农业废弃物半连续厌氧发酵产气性能的影响

朱教宁，李永平，张晓晨

（山西省农业科学院现代农业研究中心，山西太原030031）

以牛粪与番茄秸秆混合物为发酵原料，7 d为一个进出料周期，进行不同进料量100，120，140，160 g/L混合物料的中温（35±1）℃厌氧发酵产气试验，以考察进料量对农业废弃物半连续式厌氧发酵产气情况及消化稳定性的影响。结果表明，进料量为140 g/L时，甲烷平均含量相对较高，达49.06%，且其波动幅度较小；容积甲烷产率较高，达0.141 L/（L·d），较进料量为100，120，160 g/L处理分别高出131.15%，13.71%，2.17%。从料液pH值、VFA、碱度等系列指标可以得出，进料量为100，120，140 g/L时，系统均能稳定运行；当进料量提高到160 g/L时，系统酸累积现象明显，开始趋于不稳定。因此，从甲烷产量和系统的稳定性综合考虑，140 g/L为适宜的推荐进料量。

农业废弃物；进料量；半连续式厌氧发酵；产气性能

厌氧发酵技术已成为农业废弃物无害化处理和资源化利用的重要途径[1-3]。从进料方式上，一般将厌氧消化工艺分为批式、半连续式和连续式[4]。目前，农村中小型沼气工程多采用半连续式发酵工艺，然而，通常都是根据原料的来源不定期、不定量地进料，出料也往往是根据农田用肥需要不定量出料[5]。其中，进料量是影响半连续式厌氧发酵过程的重要参数[6]，进料量过小，反应系统中新鲜物料补充不充分，厌氧微生物繁殖较缓，产气效率低；进料量过高，反应系统内酸大量积累，pH值下降，产甲烷菌代谢活动受到抑制，系统产气缓慢甚至停滞。

目前，许多学者对农业废弃物半连续式进料发酵效果进行了大量研究，罗立娜等[7]研究了投配率对牛粪连续两相厌氧发酵酸化效果的影响；王光远等[8]就进出料频率对牛粪两相厌氧发酵特性的影响进行了分析；邱艳君等[9]对不同配比猪粪与奶牛粪混合半连续厌氧发酵特性进行了研究；杜静等[10]分析了物料浓度对秸秆批式和半连续式厌氧发酵产气效率的影响。然而，针对畜禽粪便与蔬菜废弃物混合物料半连续式进料发酵效果的研究鲜见报道。

本试验通过改变进出料量，观察中温（（35± 1）℃）条件下，研究不同进出料量对牛粪与番茄秸秆联合厌氧发酵产气情况及系统稳定性的影响，旨在为农村废弃物厌氧发酵沼气工程运行提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验原料

试验选取的农业废弃物为番茄秸秆与牛粪。其中，番茄秸秆取自山西省农业科学院东阳基地温室，在自然条件下风干后，粉碎成5 mm左右的颗粒粉末，总固体含量（TS）为74.39%；牛粪为东阳镇养牛专业户的新鲜牛粪，总固体含量（TS）为41.20%，除去杂质后保存于4℃的冰箱中备用。接种污泥为东阳基地牛粪中温发酵池中的沼液，总固体含量（TS）为8.24%。

1.2 试验装置

本研究采用的试验装置为安徽省滁州蓝宇环保设备制造有限公司生产的厌氧消化反应器。其主体为带保温夹层的圆柱形有机玻璃发酵罐，总容积10 L，有效容积8 L。顶部安装自动搅拌装置，进料口位于罐体上部，出料口安装在罐体底部，出料时通过阀门控制。试验用35℃的水浴在罐体保温夹层中循环流动，维持罐体内温度恒定。

1.3 试验设计

按照每个进料周期（7 d）单位池容进料100，120，140，160 g，试验设置4个处理，分别计为T1. 100 g/L；T2.120 g/L；T3.140 g/L；T4.160 g/L。各处理重复3次，取平均值用于分析。

试验包括2个阶段，即启动阶段和进出料阶段，详细情况如图1所示。启动阶段为批式发酵反应，各处理均添加相同的反应物料，按照牛粪与番茄秸秆质量（TS）比1∶3进行配比，料液浓度为8%，接种物含量30%，料液总质量8 kg，静态发酵至几乎不产气为止，以消除启动原料自身产气对进出料发酵反应的影响。启动的目的是为了调试反应装置，驯化厌氧消化污泥，保证进出料阶段反应底物的一致稳定性，本研究未对此阶段进行指标测定与结果分析。

进出料阶段为半连续式发酵反应，各处理按照各自进料量每7 d进行一次进出料，共进行7次进出料。进料料液牛粪与番茄秸秆的配比及料液浓度同启动料液一致，进料的同时排出相同质量的旧料液，每天定时进行一次搅拌，搅拌时间为5 min，搅拌强度为100～120 r/min。

1.4 测定项目及方法

原料干物质量（TS）含量：105℃烘24 h，采用差重法测定；原料挥发性固体（VS）含量：550℃灼烧4 h，采用差重法测定；料液pH值：雷磁PHS-3C型酸度计，每日测定；料液挥发性有机酸（VFA）：采用比色法，取每次出料液进行测定[11]；料液碱度：采用电位滴定法，取每次出料液进行测定[11]；产气量：采用长春汽车滤清器有限责任公司生产的LMF-1型湿式防腐气体流量计，2 d测定一次；气体组分：采用武汉四方光电科技有限公司生产的Gasboard-3200L型便携式红外沼气分析仪，每2 d收集测定一次。

2 结果与分析

2.1 产气情况分析

2.1.1 容积产气率容积产气率即单位池容产气量，是厌氧发酵反应的重要性能指标，容积产气率越高，相同容积产气量就越多。

从图2可以看出，各处理容积产气率的整体变化情况基本一致，前2个进料周期较高，第3，4个进料周期有所降低，第5～7个进料周期又逐渐上升；各处理每个进料周期池容产气率的变化趋势也基本相似，即先增加后减少，峰值通常出现在进料后第3～4天。除T2容积产气率的最大值出现在第6进料周期外，其余处理均出现在第7个进料周期中，峰值分别为T1 0.67 L/（L·d），T2 0.74 L/（L·d），T3 0.98 L/（L·d）和T4 1.00 L/（L·d）；各处理平均容积产气率分别为T1 0.271 L/（L·d），T2 0.284 L/（L· d），T3 0.291 L/（L·d），T4 0.328 L/（L·d），说明适当增加进料量可提高容积产气率。

2.1.2 甲烷含量甲烷是沼气中的有效成分，是衡量厌氧发酵产气品质的指标，甲烷含量越高，稳定性越好，产气品质越佳[12-13]。由图3可知，整个发酵过程中，T1甲烷含量一直处于较低水平，平均含量仅为21.53%，产气品质较差；T2，T3，T4甲烷含量整体变化趋势相同，前2个进料周期较高，第3，4个进料周期有所降低，第5～7个进料周期又逐渐上升；每个进料周期中，甲烷含量都会出现波动，大致呈先降低后升高的趋势。各处理间差异较为明显，其中，T3处理甲烷含量虽有波动，但波动幅度较小，只有在第4个进料周期个别值出现了低于40%的情况，其余均稳定在40%以上，平均含量相对较高（49.06%），分别比T1，T2，T4高出127.87%， 10.17%，18.76%；T2，T4处理甲烷含量在第3，4进料周期中降低幅度较大，较多值落在20%以下，且在每个进料周期中，波动都比较剧烈。

各处理平均容积产甲烷率分别为T1 0.061 L/（L·d），T2 0.124 L/（L·d），T3 0.141 L/（L·d）和T4 0.138 L/（L·d），即T3＞T4＞T2＞T1。尽管T4容积产气率高于T3，但由于其甲烷含量低、波动幅度大，最终容积产甲烷率低于T3。从甲烷含量及容积产甲烷率的分析结果来看，并非进料量越大产气效果越好，进料量过高反而使产甲烷过程受到一定程度的抑制，且在进出料过程中出现了较大波动，这在实际工程应用中会对用户用气产生较大的不利影响[14]。

2.2 系统过程参数变化情况分析

2.2.1 pH值变化情况pH是厌氧发酵过程中的重要参数。一般发酵系统中，pH值应控制在6.5～7.8，此时产甲烷菌可保持较强的活性[15-16]。由图4可知，整个发酵过程中，各处理pH值均保持在可控（6.5～7.8）范围内，但进料量大的处理与其他处理相比，出料pH值略低；反应初期，各处理pH值位于6.5～7.8，随后逐渐降低，且进料量越大，pH值下降幅度越大。在第5个进出料周期均达到最低，各处理pH值在6.9～7.2，可能是由于进料量多，挥发性脂肪酸降解不彻底所造成[9]；随着挥发性脂肪酸的不断降解，pH值在第6进出料周期后又逐渐升高。

2.2.2 挥发性脂肪酸（VFA）和碱度的变化挥发性脂肪酸（VFA）不仅是产甲烷菌不可缺少的营养成分，同时也是沼气发酵研究中评价有机物降解工艺条件优劣的重要参数，在甲烷形成的研究和生产中，它的含量也是重要的参数[17]。由图5可知，由于T1的进料量较小，新生成的VFA能够迅速被甲烷菌分解利用，因此VFA值一直处于较低水平。其余处理前3次出料的VFA含量也较低，且变化不大，其中，T2出现了先升高后降低的趋势，峰值出现在第6次出料中；T3，T4的VFA含量先迅速升高，后缓慢升高，最后迅速降低，在第5～7次出料中VFA值均维持在较高的水平，表明反应系统中已出现了酸累积现象，且进料量越大，VFA含量越高，酸累积现象越严重。

碱度是指沼气发酵液结合氢离子的能力，对发酵液产生出一定量的过酸过碱物质能起到缓冲作用，是衡量发酵体系缓冲能力的尺度[11]。有研究表明，VFA与碱度之比＜0.4，厌氧发酵系统处于稳定状态；位于0.4～0.8，系统存在非稳定因素；＞0.8，表明系统极不稳定，不适合厌氧发酵[18]。

从图6可以看出，各处理前4次出料液的碱度迅速升高，但随着进料次数的增加，碱度的增加速度放缓，直至第6次或第7次出料后降低。

图7显示，碱度的存在对VFA的升高起到了一定的平衡作用，各处理VFA/碱度值呈现先降低后升高最后降低的趋势。整个发酵周期内，T1，T2处理的VFA/碱度值均小于0.4，系统始终处于稳定状态；T3处理只有第5次出料料液的VFA/碱度值为0.42，略大于0.4，但随着碱度的增加，VFA/碱度值很快下降到0.4以下，系统恢复至稳定状态；T4处理第5～7次出料料液的VFA/碱度值均处于0.4～0.8，系统出现长时间的非稳定状态，这是由于投入过多的新鲜物料，会加速有机物的水解酸化速率，VFA含量增加过快，而系统的碱度有限，对过多的VFA无法起到平衡作用，严重制约了甲烷菌的活性[19-20]。

3 结论与讨论

及时补充发酵物料，且适当增加进料量，可提高农业废弃物厌氧发酵的容积产气率。本研究结果表明，从产甲烷的效果来看，并非进料量越大越有利于甲烷的产生，当进料量为140 g/L时，甲烷含量一直处于较高的水平，平均含量相对较高，容积产甲烷率较大。

当进料量为100，120，140 g/L时，厌氧消化系统能保持稳定运行；当进料量增加到160 g/L时，系统酸累积现象明显，而碱度的缓冲能力有限，其VFA/碱度值在较长时间内处于0.4～0.8，反应趋于不稳定。

本试验结果还表明，各处理pH值的较低水平及挥发性脂肪酸的较高水平均出现在第5，6次进出料周期中，而容积产气率和甲烷含量的低谷则出现在第3，4次进出料周期内。分析原因可能是由于第3，4次进出料周期产酸相中丙酸、丁酸含量较高，而丙酸、丁酸只有转化为乙酸才能被产甲烷菌利用[7，21]；随着丙酸、丁酸不断转化为乙酸，到第6，7次进出料周期中尽管挥发性总酸含量较高，但其乙酸含量高，能够被产甲烷菌迅速分解，因此，产气速率和产甲烷速率均较高。今后需对挥发性脂肪酸各成分的含量做进一步的测定与研究。

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Effects of Different Feeding Rate on Biogas Production by Semi-continues Anaerobic Fermentation of Agriculture Waste

ZHUJiaoning，LI Yongping，ZHANGXiaochen
（Research Center ofModern Agriculture，Shanxi AcademyofAgricultural Sciences，Taiyuan 030031，China）

To investigate effects of feeding rate on biogas production and digestion stability of agriculture waste anaerobic fermentation,experiments with different feedingrate（100,120,140,160 g/Leveryseven days）bysemi-continues anaerobic fermentation at mesophilie temperature（35±1）℃of cowmanure and watermelon strawwere carried for seven times of digestion materials feeding. The results showed that higher and smaller fluctuant methane content（49.06%）was achieved when feedingrate was 140 g/L,and it had a higher volume methane production（0.141 L/（L·d））which was 131.15%,13.71%,2.17%,higher than other treatment groups with feeding rate of100,120,160 g/L,respectively.The results ofpH,volatile fatty acid and alkalinity analysis demonstrated that the reactor operated stably when feeding rate was 100,120,140 g/L,but it tended unstable due to the accumulation of acid when feeding rate reached 160 g/L.Based on comprehensive consideration ofmethane production and digestion stability,the optimumfeedingrate was 140 g/L.

agriculture waste;feedingrate;semi-continues anaerobic fermentation;gas production characteristic

S216.4

A

1002-2481（2016）12-1822-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.12.21

2016-09-19

山西省重点研发计划（重点）项目（2016-MN-10-05）；山西省科技攻关项目（20150313003-5）；山西省农业科学院攻关项目（YGG1420）；山西省农业科学院科技自主创新能力提升工程项目（2016zzcx-27）

朱教宁（1986-），女，山西孝义人，助理研究员，硕士，主要从事农业废弃物综合利用研究工作。李永平为通信作者。