芦苇秸秆中温发酵产沼气的实验研究.doc
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1、芦苇秸秆中温发酵产沼气的实验研究摘要:文章以新鲜芦苇秸秆为发酵原料,分别对其进行打碎和切碎预处理,在恒温30条件下进行全混合批量式沼气发酵实验。实验结果表明,两种预处理方法的发酵时间均为62d,芦苇秸秆打碎处理的TS产气率和VS产气率分别为467mLg-1和570mLg-1,芦苇秸秆切碎处理的TS产气率和VS产气率分别为560mLg-1和685mLg-1,芦苇秸秆切碎处理的产气潜力明显大于芦苇秸秆打碎处理,且芦苇秸秆切碎处理的甲烷含量也较前者高。说明将进行芦苇秸秆切碎处理有利于它发酵产沼气,发酵产出的沼气品质较好。芦苇俗称芦草,是多年水生或湿生的高大禾草,分布广泛适应性强生长快产量高,不需要施
2、肥,全世界约有1000万hm2,而我国现有14个芦苇主产区,面积达130万hm2以上1-2。芦苇是湿地草型湖泊生态系统的重要组成部分,其生长过程能吸收降解水中氮磷等营养物质,但芦苇生长末期除部分用作饲料燃料造纸原料外,大部分植物残体在水中腐解,对水环境系统造成了严重的二次污染3-4。芦苇秸秆与作物秸秆的理化性质类似,利用途径上可借鉴秸秆,作为一种有潜力的生物质资源,可以生产生物丁醇乙醇5-6,也可发酵生产沼气7-8,在处理芦苇废弃物的同时获得沼气能源,提高其能源化和资源化的水平。有效利用芦苇等湿地植物,加快沼气工程建设,不但可以解决湿地草型湖泊生态系统的可持续问题,而且也是解决城镇农村用能的重
3、要途径之一9。芦苇秸秆纤维素含量40%以上,半纤维素含量30%左右,木质纤维素含量较高,导致厌氧发酵产沼气效率低10。纤维素分解的速率决定整个沼气发酵的速率和原料的利用率,是秸秆能源化转化过程中的限速性步骤,利用物理预处理方法可使纤维素的结构松散和微纤间晶区中存在的分子间氢键断裂,从而提高芦苇秸秆纤维素的水解速率和厌氧产沼气效率11。本实验通过对芦苇秸秆采取打碎和切碎预处理,测定发酵过程中的产气量和甲烷含量,研究对芦苇秸秆中温发酵效果的影响,以期为芦苇秸秆资源的合理开发利用提供理论依据。1材料与方法1.1材料1.1.1发酵原料实验的发酵原料采自云南省昆明市云南师范大学呈贡校区校园内,经测定,原
4、料芦苇秸秆的TS含量为19.03%,VS含量为81.84%。1.1.2接种物以实验室长期驯化的猪粪厌氧发酵活性污泥作为厌氧发酵的接种物,经过测定,其TS质量分数为10.82%,VS质量分数为70.04%。1.1.3实验装置采用实验室自制的容积为500mL的批量式发酵装置12。1.2方法1.2.1原料预处理本实验对比两种切碎方法的产沼气指标,第1种方法是把芦苇秸秆用捣碎机打成浆;第2种方法是将采集来的新鲜芦苇秸秆切碎粒径均匀在12cm。1.2.2料液配比本实验设计2个实验组和1个对照组,每组各设3个平行。为保证实验一致,进行单瓶配料。实验组1:将芦苇秸秆打碎处理后加入36.24g,接种物120m
5、L,加水至400mL;实验组2:将芦苇秸秆切碎处理后加入36.24g,接种物120mL,加水至400mL;对照组:接种物120mL,加水至400mL。实验中,运用智能数字显示温控仪监测,确保温度控制在301,以此保证厌氧发酵的正常进行,实验周期中,每日定点记录厌氧发酵的沼气产量(以mL计)和点燃的火焰颜色。1.2.3测定项目及方法(1)产气量测定:采用排水集气法测定,实验启动之后,定时记录每组每天的产气量,以各组3个平行的平均产气量来表征发酵过程每天的产气量。(2)气体成分分析:采用福立GC9790型气相色谱仪测定,每积累5d的沼气测定1次气体成分。(3)pH值:采用5.78.5的精密pH值试
6、纸测定接种物以及发酵前后料液的pH值。(4)TS含量的测定:将样品置于烘箱,调节至105,烘干至恒重,用电子天平精确称量后,计算样品除去水分后干物质的质量分数13。(5)VS含量的测定:将TS测定完毕后的恒重总固体置于马弗炉中,调节温度至550,烧至恒重,用电子天平精确称量。计算挥发性物质的质量分数13。(6)热值:实验中采用氧弹热量计对芦苇秸秆的热值进行测量。2实验结果与分析本实验进行62d,对实验前后发酵料液的TS和VS含量以及pH值进行了测定,对该过程中的产气量和所产沼气中的甲烷含量进行了统计和分析,最终得出芦苇秸秆打碎和切碎两种处理在中温厌氧发酵过程中的TS和VS降解规律。2.1发酵前
7、后料液的TS,VS及pH值发酵前后反应料液的TS,VS及pH值结果见表1。从表1可以看出,发酵前后,发酵原料TS和VS均有一定程度的降低,这说明在产甲烷菌的作用下,发酵体系中的有机质被不同程度地消化并产生了甲烷和二氧化碳等气体。其中原料的TS和VS去除率明显高于接种物,对照组的TS和VS去除率较低,这是因为接种物在实验室经过长期的驯化,其发酵细菌生长代谢较稳定,在驯化过程中有机质几乎被降解,因此对照组在厌氧发酵过程中几乎不产气。两个实验组料液的TS和VS降解率都较高,表明了芦苇秸秆中的有机质在发酵过程中被微生物菌群有效利用。从表中还可以看出,实验组1的各项参数都低于实验组2,这说明实验组2发酵
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