黄瓜藤厌氧发酵实验及结果和分析

刘金财　顾平道

【摘 要】对已有研究的沼气工程技术、相关的基本工艺，包括厌氧降解的过程、影响反应进行的因素进行总结并加以分析；选取黄瓜藤的污泥负荷率作为厌氧发酵产沼气的原料，在可行性和适用性上进行分析。

【关键词】厌氧降解；污泥负荷率；厌氧发酵

0 概述

农作物制备沼气的工艺中，通过对发酵原料的预处理，可以增加发酵过程中的生化反应表面积，提高产气率和缩短产气时间，从而提高发酵反应器的容积利用率。对于发酵原料的预处理，通常通过物理，化学以及生物等方式，提高纤维素以及木质素的降解程度以加速厌氧发酵的产气率。这方面的研究主要有：

杨立[1]等人使用NaOH强碱性的溶液来预处理稻杆，通过研究使用不同浓度的氢氧化钠以及氢氧化钠水溶液加热预处理和水浴温度对厌氧发酵产沼气的影响。

覃国栋[2]等人对水稻杆秆化学酸预处理，研究其对沼气发酵的影响。实验所需的水稻杆用切割机切成2cm～3cm大小，分别采用2%、4%、6%、8%的酸对水稻稻秆预处理。实验结果可以表明，酸预处理可明显改善水稻秆产沼气量，提升产气率。

楚莉莉[3]等人利用沼渣液对小麦稻秆进行预处理，研究其对厌氧发酵产气特性的影响，实验在25℃左右的条件下进行。相对于未通过沼渣液处理的小麦稻秆，预处理后的小麦稻秆的碳氮比下降至20～30：1，甲烷的平均含量为64%～71%。

Kouichi Izuin[4]等人研究不同粒径的食品废弃物对厌氧消化的影响。实验结果表明，相比于用普通破碎机进行的破碎，用玻珠研磨机在l5OOrpni速度下进行的破碎，可使沼气产量增加28%。若食物废弃物的粒径过小，将导致挥发性脂肪酸的积累，沼气的产量和粒径的增溶性也会相应降低。

S.Menardo[5]等人研究小麦，大麦，水稻和玉米四种不同的秸秆，研究其粒径大小和热处理后对沼气总产量的影响。实验结果表明，粒径的大小改变，可使沼气产量增加80%以上，小麦和大麦稻秆的沼气产量明显高于预处理前，并随着粒径的降低而增加。

从上述文献中可以看出，厌氧发酵原料的预处理主要是通过釆用酸、碱等化学方法预处理、渣液预处理、加温法预处理等不同的预处理方法，提升产气率和产气量。

影响农作物蔬菜类的厌氧发酵的因素很多，主要影响的因素有温度、酸碱度、氧化还原电位、基质微生物比、原料的预处理方式、供料方式和搅拌方式等[1]。本文主要从黄瓜藤的鲜活度（表现为青枯比）和不同投配率对发酵产气量和产气速率等因素的影响。

1 实验装置及实验方案

1.1 实验装置

发酵罐的容积V1=10L，有效容积V2=8L，装置的加热源是水浴加热，罐体内的始终保持在 （35±0.5）℃，反应器是CSTR型，内部是机械搅拌（可控制调速）。

1.2 厌氧发酵实验方案

实验采用的是CSTR厌氧反应器，污泥经过预处理后配成TS=25%左右的基质，取上述基质6L放于反应器中进行驯化。根据实验具体的要求，将破碎处理后原料，按有机负荷每天定时向反应器中加入相应负荷质量的原料，稳定运行20天。产气量、pH每天测定一次，二氧化碳分析仪，甲烷分析仪每天自动记录甲烷气体量数据。

实验材料：材料为黄瓜藤，破碎后的黄瓜藤放入红色的塑料桶并且密封封存，同时放置于阴凉处。厌氧污泥取自泰州某正在运行的沼气池内，其污泥性质为PH=7.1，TS=28%，含水率=53%。

1.3 实验流程说明

发酵罐系统内主要的工作流程：

（1）热水：加热器→循环泵→夹套进水口（下）→夹套→夹套出水口（上）→加热器

（2）沼气：沼气→减压阀→干燥除湿剂→二氧化碳检测仪→甲烷检测仪→集气袋

2 污泥投配率对厌氧发酵实验的影响

2.1 投配率实验准备

污泥投配率对日均产体气量和微生物的活性都有较大的影响，污泥投配率如果小的话，则污泥COD小，那就不能为厌氧菌种提供充分的营养物质，进而影响生化反应的进行，即有机物的分解也就不能进行了；同样的，投配率过大的话，污泥COD增大，污泥内的营养物质大大浪费，而且积累，这可能阻碍厌氧反应的正常进行。

准备用投配率为5%，7%和10%进行对比试验，通过数据来验证投配率对厌氧反应的影响。

在实验安排中，污泥投配率是按照青枯比为2：1的实验组进行的，投配率则是按照5%，7%和10%，发酵时间也是20d。开始每天按污泥投配率5%、7%、10%加。罐体内的转速恒定在20 r/min。初始反应污泥和投配的污泥性质是 pH=7.2，TS=27.4%，含水率为53%。

2.2 不同投配率对产甲烷气体量的影响

图1可以直观的反映出投配率为7%时，日均产甲烷量所占日均气体总量比重最高，为72%，通过查找资料[52]，原因是因为挥发性脂肪酸的缘故。

在运行良好的厌氧反应器中，产甲烷菌分解VFA的速度和VFA的产速相等。所以需要控制好VFA的浓度。Vieitez[6]等指出，总VFA浓度超过13000mg/L时厌氧消化就会停止，产甲院菌对其耐受浓度在10000mg/L以下。

因此，投配率为7%时，对提升日均产气量有比较显著的效果，而继续提高投配率时，效果不很很明显，但在后续的反应中，能持续保持较高的日均产气量；同时，当投配率为7%时，日均产甲烷量所占日均气体总量是三个实验组中最高的，这对后续的沼气提纯是有帮助。

3 结语

本文黄瓜藤鲜活度实验和污泥投配率实验中，由于时间和本人水平有限，没能从更微观的角度对它进行分析，比如可以运用厌氧发酵动力学中的知识对实验现象进行解释建议运用国外最主流的ADME[7]技术尝试着分析实验数据。

【参考文献】

[1]杨立，张婷，龚乃超.稀碱法预处理对秸秆厌氧发酵产气的（下转第282页）（上接第278页）影响研究[J].安徽农业学报，2011，39（15）：9165-9166.

[2]覃国栋，刘荣厚，孙辰.酸预处理对水稻秸秆沼气发酵的影响[J].上海交通大学学报：农业科学版，2011，29（1）：58-61.

[3]楚莉莉，李轶冰，冯永忠.沼液预处理对小麦秸秆厌氧发酵产气特性的影响[J].干旱地区农业研究，2011，29（1）：247-251.

[4]Kouichi Izumi， Yu-ki Okishio，Norio Nagao. Effects of particle size onanaerobic digestion of food waste [J]. International Biodeterioration &Biodegration，2010，64：601-608.

[5]S. Menardo， G. Airoldi， P. Balsari. The effect of particle size and thermal pre-treatment on the methane yield of four agricultural by-products [J].Bioresource technology，2011，104：708-714.

[6]Vieitez E R. Ghosh S. Biogasification of solid wastes by two-phase anaerobic fermentation[J]. Biomass and Bioenergy，1999，16（5）：299-309.

[7]马春燕，陈晶晶，浦绍瑞，王俊，刘畅.基于ASPEN PLUS软件的厌氧发酵过程模拟与分析[A].勤哲文化传播（上海）有限公司.

[责任编辑：汤静]