不同秸秆厌氧发酵产沼气潜力研究.doc
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1、不同秸秆厌氧发酵产沼气潜力研究收稿日期:2015-12-19 基金项目:国家科技支撑计划(编号:2015BAD21B04);吉林省教育厅项目(编号:201508013);延边大学项目(编号:952013012)。 通信作者:赵洪颜,博士,讲师,从事生物质能源与废弃物资源利用。Tel:(0433)2435568;E-mail:。农作物秸秆是生物质能的重要组成部分,占生物质能的50%以上1。我国每年产生大量的农业废弃物(秸秆等),大部分都没有被合理利用,农作物废弃秸秆通常可以还田、作为饲料、工业原料、薪柴等,但我国的秸秆数量过大,无法提高秸秆的整体利用率,出现秸秆胡乱堆放、焚烧等现象,增加了温室气
2、体的排放并造成严重的空气污染2。随着后来国家颁布有关政策,胡乱焚烧秸秆得到了很大程度的遏制,所以对生物质的回收利用,不但可以减少秸秆的堆放空间,净化并改善居住的环境条件,而且能更利于生物质能源的储存和合理利用;因此,如何高效地利用秸秆已经成为了一个重要的热点问题。 厌氧发酵技术是将农业废弃物转化为清洁能源(沼气)的有效手段之一3。秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的含量直接影响到秸秆厌氧发酵产气的效果,不同种类秸秆厌氧发酵产沼气的效果差别较大。Wang等采用响应面曲线法对牛粪、鸡粪和玉米秸秆混合发酵参数优化,结果表明,当牛粪、鸡粪和秸秆在1 2 1的配比下,其甲烷产气量达到最大值4;Angeli
3、daki等证明了利用秸秆和牛粪混合发酵产沼气可提高产气效率5;陈广银等分析了不同粪秆干物质质量比对中温厌氧发酵的影响,研究结果表明,玉米秆与鸡粪干物质质量比为1 2时,沼气产量最高,而稻草和猪粪质量比为 3 1 时,产气量达到最大值,较其他原料增加了 12%16%6;Cuetos 等研究发现,将农作物秸秆与猪粪按照不同干物质比例混合后,其产气效果明显优于秸秆与粪便单独的发酵效果7。但是不同作物秸秆之间的产沼气潜力如何鲜有报道。 本研究主要针对不同作物秸秆产沼气潜力进行探讨。通过对产气量、甲烷含量、pH值、VFA(挥发性有机酸)、COD(化学需氧量)等指标的研究秸秆的产气特性,通过修正 Gomp
4、ertz 模型分析了不同秸秆的产沼气潜力,以期为秸秆资源的合理利用提供理论依据。 1材料与方法 1.1发酵装置 厌氧发酵装置为500 mL蓝口试剂瓶,发酵液有效体积为400 mL,瓶口用硅胶塞密封,集气袋收集气体,排水法测定产气量(图1)。 1.2样品前处理 水稻秸杆、干黄玉米秸杆、青贮玉米秸杆和烟草秸杆取自延边大学实验基地,将4种秸秆切成段(5 cm),烘干后粉碎成粉末(100目筛)装袋待用。反应器启动的活性污泥为笔者所在实验室长期在100 L厌氧反应器内以牛粪、玉米秸秆为原料驯化获得,污泥的pH值为8.0,总固体(TS)为2.87%,发挥性固体(VS)为2.09%。发酵时间为50 d。缓冲
5、溶液的配制:0.1 g MgCl2?6H2O、 0.075 g CaCl2?2 H2O、0.53 g NH4Cl、0.35 g K2HPO4、0.27 g KH2PO4定容至2 000 mL,调节pH值至7.0。 1.3发酵条件及试验方法 采用批式发酵试验,底物添加量为6%,各组添加200 mL活性污泥,通入5 min氮气,以去除空气,并连接500 mL的集气袋,在恒温(350.5) 培养,每天定时测定产气量和气体成分,每种秸秆5次重复。 1.4测定方法 1.4.1产气量及甲烷含量测定本试验采用排水法测定产气量;采用英国Geotech公司的气体分析仪(Biogas-5000)进行气体成分的测量
6、。 1.4.2测定化学需氧量(COD)采用重铬酸钾法8来分析COD。取适当稀释的出水2 mL,加入3 mL消解液(5 g Ag2SO4溶于500 mL浓H2SO4后,与 0.25 mol/L 的重铬酸钾溶液按3 1比例混合),用COD快速消解仪(雷磁COD-571-1消解装置进行消解)进行消解,待样品完全冷却后,使用雷磁COD-571化学需氧量测定仪测量COD。 1.4.3测定挥发性有机酸(VFA)所用器材:高效液相色谱仪(HPLC),色谱柱HITACHI LaChrom C18-AQ(5 m),柱温25 ,流动相1 mmol/L H2SO4和8 mmol/L Na2 SO4,流速 0.6 m
7、L/min,进样量10 L,采集时间45 min;抽取待测样品于2 mL离心管中,以12 000 r/min的转速离心10 min,取离心后的上清液,过有机系滤膜,用于测定有机酸。首先配制5种标准酸液(甲酸、乙酸、丙酸、丁酸、乳酸)并绘制出标准曲线,然后对待测样品进行定量分析9。 1.4.5秸秆厌氧消化性能评价采用Modified Gompertz方程拟合各处理样品的沼气及甲烷累积产气曲线10。 B=B0?exp-expRm?eB0(-t)+1。 式中:B代表累积产气量(mL/g),B0为原料产气潜力(mL/g),Rm指最大日产气速率mL/(g?d),指原料厌氧反应的滞后期(d)。参数B0、R
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