棉花秸秆厌氧发酵产沼气工艺条件的研究

王永泽　杨　立　邵明胜　张　婷　李冬生　王金华

摘要以棉花秸秆为原料，在严格控制厌氧发酵温度的条件下(37±1℃)，研究不同接种物在不同接种量下的发酵产气效果。结果发现：以污泥或猪粪作接种物，60g/L的接种量效果较好，累积产气量分别为10.252L、10.518L，COD的去除率分别为53.1％、48.5％；混合物做接种物时，接种量以45g/L产气较好，累积产气量为14.228L，COD的去除率为55.9％。接种量相同时，混合接种物的产气效果最好，累积产气量比单一接种物猪粪和鱼塘污泥高7.3％～98.4％，平均日产气量高3.1％～67.3％，表明适量的猪粪和鱼塘污泥组成的混合接种物在棉花秸秆厌氧发酵产气中起着重要作用。

关键词棉花秸秆；厌氧发酵；接种物；接种量

中图分类号S216.2文献标识码A文章编号 1007-5739(2009)01-0251-02

我国是农业大国，农作物秸秆产量7亿吨以上，其中2007年棉花总产量达672.5万吨，棉花秸秆量为224.1万吨[1]。这些秸秆如不进行合理的处理，便会影响农村的生态环境。目前通过产沼气途径利用农作物秸秆来解决农村生态环境已有很多成功报道[2]。

在秸秆类物质厌氧发酵产沼气的工艺条件中，接种物和接种量是2个重要的工艺参数。一方面，不同接种物因含有不同的菌群，直接影响厌氧发酵产沼气的效果，因此不同接种物及其组合厌氧发酵产沼气的效果对比一直是人们关注的内容[3]。另一方面，适宜的接种物量有利于缩短发酵周期，增加沼气产量，同时减少接种物的成本，保障经济效益[4]。为此，笔者利用小型厌氧发酵装置，以好氧处理的棉花秸秆为原料，在严格控制发酵温度(37±1℃)的条件下，研究了不同接种物在不同接种量下的厌氧发酵产气效果，并通过COD去除率、TS和VS降解率等反映原料利用程度的重要指标对产气效果进行分析验证。

1材料与方法

1.1试验材料

1.1.1发酵原料。棉花秸秆，采自湖北省江夏区田间，剪短至5cm以下，再用药物粉碎机粉碎成20～40目的粉末，65℃烘干至恒重。

1.1.2接种物。接种物猪粪采自武汉市市郊养猪场，鱼塘污泥采自武汉市市郊鱼塘，两者除去其中的杂物后在实验室进行驯化及菌种的富集。猪粪的总固形物(TS)为13.86％，挥发性固形物(VS)为73.32％，pH值为7.15。鱼塘污泥的总干物质(TS)为11.74％，挥发性固形物(VS)为68.56％，pH值为7.13。猪粪和鱼塘污泥的混合物的总干物质(TS)为12.84％，挥发性固形物(VS)为72.16％，pH值为7.13。

1.1.3试验装置。每套装置由2个1L三角烧瓶(分别作为反应器和集气瓶)和1个量筒组成。三角烧瓶用橡皮塞封口，装置之间用硅胶管连接，接口处用石蜡和凡士林密封。

1.2试验方法

1.2.1发酵液配制。鱼塘污泥的接种量分别为30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸秆的负荷率均为90g/L，各组加入3mL浓氨水后补水至1L。猪粪的接种量分别为30g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸秆的负荷率均为90g/L，各组加入3mL浓氨水后补水至1L。混合接种物的接种量分别为30 g/L、45g/L和60g/L，原料棉花秸秆的负荷率均为90g/L，各组加入3mL浓氨水后补水至1L。发酵液配制好后在37℃，75％ RH的恒温恒湿环境中好氧培养1周。

1.2.2分析检测方法。①发酵液成分分析。发酵前后料液中的TS、VS含量及pH值参照文献[6]方法测定。COD的含量参照GB11914-89的方法进行。②产气量的测量。采用水压式法收集发酵产生的气体，根据量筒中收集饱和食盐水的体积计量每日产生气体的体积。从进行厌氧发酵的第1天开始，每天定时记录各套装置的产气量。每组试验3次重复，测得的各试验指标都是3次试验的平均值。

2结果与分析

2.1鱼塘污泥不同接种量下产沼气效果的比较

由表1可知，随着鱼塘污泥接种量的增大，反应体系的产气效果明显提高。鱼塘污泥接种量为60g/L的累积产气量比30g/L和45g/L分别提高102.1％和42.4％，平均日产气量比30g/L和45g/L分别提高75.8％和27.5％。利用COD去除率、TS和VS降解率等指标对产气效果进行验证，结果显示：接种量为60g/L时的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，与产气效果相符。

2.2猪粪不同接种量下产沼气效果的比较

由表2可知，随着猪粪接种量的增大，反应体系的产气效果明显提高。猪粪接种量为60g/L的累积产气量比30g/L和45g/L分别提高19.1％和5.9％，平均日产气量比30g/L和45g/L分别提高61.6％和23.9％。接种量为60g/L时的COD去除率和TS、VS降解率最大，45g/L次之，30g/L最少，与产气效果相符。

2.3混合接种物不同接种量下产沼气效果的比较

由表3可知，随着混合接种物接种量的增大，反应体系的产气效果表现为先增加，之后减少。混合接种物45g/L接种量的产气效果明显好于30g/L和60g/L。45g/L接种量的累积产气量比30g/L和60g/L分别提高50.7％和19.2％；平均日产气量比30g/L和60g/L分别提高66.3％和24.3％。混合接种在不同接种量条件下产气量呈现先升后降的趋势，这可能是由于混合接种物含有的菌群很多，而发酵体系的营养物质有限，当接种物浓度由45g/L增加到60g/L时，菌群数量的进一步增加引起菌本身的生存竞争而造成相互抑制，从而在一定程度上影响了原料的利用及产气效果。COD去除率和TS、VS降解率等反映原料利用的指标也进一步证实这种产气特点。

2.4不同接种物之间产沼气效果的比较

由图1、图2可知，接种量为30g/L时，混合接种物的累积产气量和平均日产气量(9.481L，172mL)比猪粪(8.834L，138mL)和鱼塘污泥(5.072L，124mL)分别提高7.3％、24.6％和86.9％、38.7％；接种量为45g/L时，混合接种物的累积产气量和平均日产气量(14.288L，286mL)比猪粪(9.929L，180 mL)和鱼塘污泥(7.200L，171mL)分别提高43.9％、58.9％和98.4％、67.3％；接种量为60g/L时，混合接种物的累积产气量和平均日产气量(11.988L，230mL)比猪粪(10.518L，223mL)和鱼塘污泥(10.252L，218mL)分别提高14.0％、3.1％和16.9％、5.5％。

从结果中可看出，不管在什么水平的接种量下，混合接种物产气效果都较好。这可能是因为鱼塘污泥富含水解发酵菌、产氢产酸菌及产甲烷菌，而猪粪自身富积水解菌、细胞外酶和产甲烷菌等，两者的混合物因能提供比单一接种物更为丰富的菌群，使原料的分解利用更充分，产气效果更好。

3结论与讨论

本试验在物料浓度(9％)一定，发酵液经好氧培养1周的条件下，研究了不同接种物(猪粪、鱼塘污泥、猪粪和鱼塘污泥的混合物)在不同接种量(30g/L、45g/L、60g/L)下的发酵产气效果。

以污泥、猪粪作接种物时，在60g/L接种量时产气效果最好，累积产气量分别为10.252L、10.518L，平均日产气量分别为218mL、223mL，COD的去除率分别为53.1％、48.5％，TS降解率分别为18.8％、21.6％，VS降解率分别为23.2％、24.3％，混合物做接种物时接种量以45g/L产气效果最好，累积产气量为14.228L，平均日产气量为286mL，COD去除率为55.9％，TS、VS降解率分别为24.4％、28.9％。

接种量相同时，混合接种物的产气效果最好，累积产气量比单一接种物猪粪和鱼塘污泥高7.3％～98.4％，平均日产气量高3.1％～67.3％，表明适量的猪粪和鱼塘污泥组成的混合接种物，对提高棉花秸秆厌氧发酵产沼气起着重要作用。

4参考文献

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[3] 刘莉莉，王敦球，关占良.3种添加剂对牛粪厌氧发酵的影响[J].江西农业学报，2007，19(5)：119-120.

[4] 李想.农业废弃物干法厌氧发酵关键参数优化研究[D].北京：中国农业科学院，2007.

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