多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

李金平,崔维栋,黄娟娟,王春龙,吕鹏梅



多元混合物料协同促进厌氧消化产甲烷性能试验研究

李金平1,2,3*,崔维栋1,2,3,黄娟娟1,2,3,王春龙1,2,3,吕鹏梅4

(1.兰州理工大学西部能源与环境研究中心,甘肃 兰州 730050；2.西北低碳城镇支撑技术协同创新中心,甘肃 兰州 730050；3.甘肃省生物质能与太阳能互补供能系统重点实验室,甘肃 兰州 730050；4.中国科学院广州能源研究所,中国科学院可再生能源重点实验室,广东 广州 510640)

为评估农牧废弃物多元物料混合厌氧发酵对产甲烷性能的协同促进作用,研究了中温(37±1)℃和固体质量分数为12%时,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合原料的厌氧消化产甲烷性能,最后应用修正的Gompertz方程分析甲烷生产的动力学过程.结果表明:3种物料混合厌氧发酵发生了明显的协同促进作用,协同效应作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著(<0.05);当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS混合比例为50:20:30时,甲烷产率、累计甲烷产量和VS降解率达到最大值,分别为286.0mL/g VS、20713mL和65.6%,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.修正的Gompertz方程能较好反映物料厌氧消化产甲烷过程,拟合结果的2均大于0.99,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50:20:30时具有最大产甲烷速率17.34mL/(d×g)和较短的迟滞时间2.97d.该研究结果可为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.

多元混合物料；厌氧消化；协同促进作用；产甲烷速率；累计甲烷产量；VS降解率

随着我国能源需求的不断增长和对环境保护的日益重视,清洁可再生能源的开发利用受到了全世界的关注[1].中国是农业大国,每年产生大量的农牧废弃物.根据研究调查,2012年全球秸秆总产量50.81亿t,中国的秸秆总产量为9.40亿t,为世界第一秸秆产量大国[2];2010 年全国污染源普查结果显示,我国畜禽养殖业粪便年产生量达 2.43亿t,尿液年产生量达1.63亿t[3];2015年蔬菜种植面积达2200万hm2,蔬菜总产量为7.85亿t[4],蔬菜生产过程中产生的大量废弃物已成为污染环境的重要来源.《可再生能源发展“十三五”规划》明确指出,加强废弃物综合利用,保护生态环境,推进生物燃气技术进步和工程建设现代化.

厌氧消化是农牧废弃物资源化利用的有效途径之一[5].作为一种可再生能源,沼气可用于制热、发电或提纯净化制车用燃料[6].同时利用农牧废弃物生产沼气也符合我国的发展战略,截至2015年,全国沼气理论年产量约190亿m3,折合标准煤约1320万t/a[7].近年来,国内外众多学者对粪便、秸秆以及蔬菜废弃物等单一或者两种混合物料厌氧消化产沼气性能进行了研究.李海红等[8]研究了多种单一原料的产甲烷特性,其中日产甲烷量整体为猪粪>鸡粪>秸秆>牛粪,日平均产甲烷量分别为2.67、2.24、0.99和0.49L. Molinuevosalces等[9]将猪粪和蔬菜废弃物混合后进行厌氧发酵试验,单位原料甲烷产量从111提高到244mL/gVS,挥发性固体去除率从50%提高到86%.冯亚君等[10]研究了玉米秸秆与鸡粪在不同混合比例条件下厌氧消化产气效果,结果表明鸡粪和玉米秸秆配比1:2时累计产甲烷量达到最大值为19488mL,比单一玉米秸秆厌氧消化最终甲烷产量高出32.6%.王晓娇等[11]研究了牛粪、鸡粪和麦秆单一原料、两种及3种原料混合对厌氧发酵产气性能的影响,结果表明3种原料按照一定比例混合后发酵效果好于单一原料以及牛粪与麦秆、鸡粪与麦秆两种原料混合后的发酵效果.由于混合物料协同厌氧消化能提高产甲烷速率、累计甲烷产量和VS降解率等[12-13],因此厌氧消化技术最明显的发展趋势是两种或两种以上物料混合厌氧消化[14].然而,目前研究基本上都针对1~2种发酵物料[15],对于粪便、蔬菜废弃物和秸秆等3种及3种以上物料混合厌氧发酵的研究还鲜有报道.因此,本研究以牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆为原料进行厌氧消化试验,旨在考察农牧废弃物在不同混合比例条件下协同作用对厌氧消化产甲烷性能的影响,以期为农牧废弃物多元混合物料厌氧消化产沼气工程提供参考.

1 材料与方法

1.1试验材料

牛粪和玉米秸秆取自甘肃省兰州市晏家坪奶牛养殖农户,蔬菜废弃物取自甘肃省兰州市蔬菜批发市场,主要为废弃的番茄和白菜烂叶.将3种原料取回实验室后密封,冷藏4℃冰箱中备用.试验时,用水果榨汁机将蔬菜废弃物粉碎至粒径<10mm.所用的接种污泥取自兰州市红古区奶牛场沼气工程所产生的发酵液,添加鲜牛粪经(37±1)℃密封驯化30d后所得.试验材料的理化性质如表1所示.

表1 试验材料基本性质

注: TS 为总固体,VS 为挥发性固体,TC为总碳,TN为总氮.

1.2 试验方法

1.2.1 试验装置 厌氧消化试验装置为1.5L发酵瓶,有效填料容积为1.2L.将发酵原料和接种物按一定比例混合后,装瓶,充氮气 5min 排除反应器中的空气.发酵瓶以带玻璃管的橡胶塞密封,通过乳胶管连接于3L的铝塑复合膜气体采样袋(大连海得科技有限公司),消化瓶置于恒温水浴箱中,在温度为 (37±1)℃条件下进行厌氧发酵.

1.2.2 试验设计 采用批式厌氧发酵方式,将牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆按照挥发性固体比例混合(表2),发酵混合物料含固率为12%,设计接种率为发酵原料的30%.将原料与活性污泥混合均匀后添加一定量蒸馏水调至总固体质量分数为12%,并装入1.5L发酵瓶内,在(37±1)℃下进行厌氧消化.每个试验组3个重复,试验期间,发酵瓶每天手动摇晃3次以起到搅拌作用.每天晚上8点测量产气量及甲烷和二氧化碳的含量等指标.所有的试验组都是在日甲烷产量低于累积甲烷量的5%时完成的[16].

表2 牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例

1.3 测定与分析方法

1.3.1 测定指标及方法 试验原料TS 采用恒定质量法,105℃干燥至恒定质量;VS 采用灼烧法,在550℃马弗炉灼烧4~6h,冷却至恒重称质量;总氮采用凯氏定氮法测定;总碳采用重铬酸钾氧化法测定;厌氧消化过程中的每日产气量采用排水集气法测量,气体中甲烷和二氧化碳含量采用便携式沼气分析仪(Biogas 5000,英国Geotech公司)测定.根据日产气量及气体成分含量即可计算日产甲烷量和二氧化碳量.

1.3.2 产甲烷动力学特性分析方法 协同效应可以看作是混合厌氧消化所产生出的超过加权的单独消化所产生出的额外甲烷产量.根据原料单独厌氧消化时的甲烷产量和在混合物料中所占的比例计算理论甲烷产量,其计算公式如下:

式中:theoretical为物料混合厌氧消化理论甲烷产量,mL/gVS;CM、VW和CS分别代表了单一牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆厌氧消化甲烷产量,mL/gVS;和分别代表了牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆在混合发酵中VS所占的比例.

1.3.3 产甲烷动力学特性分析方法 由于厌氧消化过程中存在一定的延滞期,因此对于确定物料厌氧消化速率,延滞期是重要的影响因素[17]. Kafle等[18]指出固体有机废弃物厌氧消化过程中的延滞期可通过修正的Gompertz方程(如公式(2)所示)计算,并且大量研究表明修正的Gompertz方程可以很好的模拟物料厌氧消化累计产气过程.本试验采用修正的Gompertz方程对各处理产甲烷过程进行拟[18].

式中:为第天的物料累计甲烷产量,mL/g;为最终甲烷产量,mL/g;m为最大产甲烷速率,mL/(g·d);为迟滞时间,d;为发酵时间,d;e为自然常数,2.718282.m和均可通过批式厌氧发酵实验数据拟合获得.

产甲烷速率的动态动力学则可通过对修正的Gompertz方程微分得到式(3)

1.3.4 数据处理方法 原始数据用Excel 2013软件标准化处理后,采用Origin 8.5软件制图并进行修正的 Gompertz方程拟合累计产甲烷曲线,采用SPSS 18.0软件进行各试验组间显著性方差分析.

2 结果与分析

2.1 混合比例对厌氧消化产甲烷性能影响

2.1.1 日产甲烷量 单一物料厌氧发酵日产甲烷量变化情况如图l所示.牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆日产甲烷量变化趋势有明显的区别.牛粪单独厌氧消化日甲烷产量在厌氧消化初期迅速升高,并分别于第4和10d达到产甲烷峰值,分别为1105和725mL,随后甲烷产量逐渐下降.蔬菜废弃物在厌氧发酵初期产甲烷速率较慢,在第3d达到产气小高峰,为236mL,然后产甲烷量下降并在第5d达到谷值,之后产甲烷速率逐渐上升在第14d达到最大产甲烷峰值,为776mL.玉米秸秆在厌氧消化前期产甲烷量较少,经一定停滞时间后进入产甲烷高峰期,并在第17和25d甲烷产量达到峰值,分别为897和536mL.经过43d的厌氧消化,单一牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆厌氧消化最终甲烷产量分别为14051、7332和12443mL.

图1 单一原料厌氧消化日产甲烷量

3种原料日甲烷产量及产甲烷峰值出现时间不一,主要是由于有机质生物降解性差异所引起的.3种原料中粪便生物可降解性最好;与玉米秸秆相比,果蔬废弃物中碳水化合物等易降解成分含量更高,但容易使厌氧消化体系发生挥发性脂肪酸(VFAs)积累,抑制产甲烷菌生理活性;玉米秸秆富含纤维素、半纤维素和木质素等,难以被厌氧微生物利用,水解缓慢,发酵效率低[19].

在牛粪或玉米秸秆比例(50%)相同条件下,多元物料在不同混合比例条件下厌氧消化日产甲烷量如图2所示.由图2可见,不同试验组的日产甲烷量变化趋势基本相同,在整个厌氧消化过程中均出现2个明显的产甲烷峰值,但产甲烷峰值出现的时间和大小不一致,这主要是由于复杂有机物降解难易程度不同,导致物料混合厌氧消化是多阶段降解过程.其中不同的峰值可以表现出厌氧消化过程中的差异,第1个峰值主要是可溶性有机物的甲烷转化,第2个峰值是可生物降解的物质,甚至难生物降解的化合物进一步的溶解和甲烷化,之后微生物进入饥饿阶段[20].

如图2a所示,试验组 G1、G2、G3和G4在厌氧发酵启动后日产甲烷量迅速上升,分别在试验第10、8、5和6d日产甲烷量达到第1个峰值,分别为1395、1442、1262和1153mL,维持短暂的高日产甲烷量后迅速降低,达到谷值后产甲烷速率又显著升高,分别在试验第16、14、10和13d日产甲烷量达到第2个峰值,分别为1213、1489、1485和1459mL,之后各组日产甲烷量均逐渐降低.从最高日产甲烷量及产甲烷速率上看,试验组G2的产甲烷性能明显优于其他试验组.如图2b所示,试验组G5~G8在厌氧消化第2~5d日产甲烷量呈下降趋势,且随着蔬菜废弃物所占比例增加,谷值出现的越明显,所持续的时间也越长,产甲烷峰值出现的时间也越晚.这可能是由于蔬菜废弃物厌氧消化时发生VFAs积累导致系统酸化,降低了甲烷生产速率进而推迟了产甲烷高峰的出现[21].试验组G5、G6、G7、G8分别在试验第10、12、13和16d出现第1个产甲烷高峰,产甲烷量分别为1628、1567、1337和1436mL,第2个产甲烷高峰分别出现在第16、19、24和27d,产甲烷量分别为1106、974、970和676mL.通过比较试验组G5~G8可以得出,试验组G5产甲烷峰值出现的时间较早,而且峰值的强度、2个产甲烷峰值出现的时间间隔明显优于其他试验组.与3种原料单独厌氧消化相比,试验组G1~G8的两个产甲烷峰值强度明显增强,这是因为混合厌氧消化平衡原料C/N比,优化了物料的营养结构,改善了微生物的生长环境,从而提高了厌氧消化产甲烷速率[22].

图2 物料不同混合比例日产甲烷量

G1～G8处理见表2

2.1.2 累计甲烷产量 不同混合比例的牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆厌氧消化累计甲烷产量如图3所示.各试验组G1~G8的累计产甲烷量变化趋势基本相同,均表现为迅速增加后逐渐趋于稳定.如图3a所示,试验组G1、G2、G3和G4的累计产甲烷量分别为19258、20713、16209和15776mL,比牛粪单独厌氧发酵提高了12.28%~ 47.41%.试验组G2,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例为50:20:30时产甲烷性能明显优于其他试验组,其最终甲烷产量比其他试验组高出了7.56%~31.29%.

图3 不同混合比例累计甲烷产量

如图3b所示,试验组G5、G6、G7和G8的累计产甲烷量分别为19922、18818、19464和16812mL,比牛粪单独厌氧发酵提高了19.65%~ 38.52%.与试验组G6~G8相比,试验组G5,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例为40:10:50时表现出最高甲烷产量,比其他试验组高出了2.35%~18.50%.试验组G2与G5相比,累计甲烷产量十分相近,但试验组G2明显具有较快的启动时间和产甲烷速率.许多研究[23]表明不同物料之间的混合可以使C/N比调整到最佳水平(20~30),平衡缓冲能力或提供微生物所需的营养元素和微量元素.因此,混合比例是影响厌氧消化产甲烷性能的重要因素,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例为50:20:30是最合理的状态,有助于形成最佳C/N比(22.86)和提高产甲烷速率.由图3b可以看出,在玉米秸秆比例(50%)相同条件下,随着蔬菜废弃物所占比例从10%到40%逐渐增加,厌氧消化启动时间逐渐增长,但在牛粪比例相同条件下,无此现象发生.这可能与不同牛粪比例发酵体系的缓冲能力有关,高生物降解性的蔬菜废弃物导致VFAs的快速产生,牛粪所占比例较高,系统缓冲能力较强,可以有效减缓因迅速产生的VFAs造成的抑制作用,提高厌氧消化效率;牛粪所占比例越低,系统缓冲能力越弱,导致VFAs累积对pH值的影响效果超过了粪便自身对pH值的缓冲效果,在一定程度上产甲烷速率受到抑制,然后经过大约5~10d 的系统自我恢复,各试验组产甲烷速率逐渐上升.

2.2 混合比例对厌氧消化协同作用影响

混合物料的协同作用是物料混合厌氧消化可以提高产气量的重要因素之一,这些积极的协同效应可以归因于多种因素,包括平衡营养成分、微生物的刺激协同效应、增大系统的缓冲能力和降低有毒化合物对厌氧消化过程影响等[24].为了评估混合消化的协同作用对厌氧消化产甲烷性能的影响,对各试验组G1~G8实际甲烷产量与理论甲烷产量进行分析.假设牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合后单独进行厌氧消化,未发生任何作用,则混合物料的理论甲烷产量应为3种物料甲烷产量的加权叠加.参照Li等[25]的计算方法,以牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆单一原料厌氧消化时实际甲烷产量(215.2、86.7和157.1mL/g VS)以及混合消化中3种原料混合比例,计算混合消化理论甲烷产量,结果如表3所示.

由表3可以看出,各试验组G1~G8理论甲烷产量均低于甲烷产量实际值,表明物料不同比例混合发生了积极的协同促进作用,显著提高了厌氧消化甲烷产量,但试验组G1~G8在不同混合比例条件下的协同作用有较大差异.与理论VS 产甲烷量相比,试验组 G1、G2、G3和G4的实际VS 产甲烷量分别显著(<0.05)提高了49.30%、66.18%、34.85%和36.27%,其中,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆比例为50:20:30时对VS产甲烷量的提升效果66.18%优于其他试验组,且与试验组G3和G4呈显著水平(<0.05).与理论VS产甲烷量相比,试验组 G5、G6、G7和G8的VS产甲烷量分别显著(<0.05)提高了56.55%、55.67%、70.39 %和56.94 %,其中,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆比例为20:30:50时对VS产甲烷量的提升效果70.39%优于其他试验组,但差异不显著(>0.05).因此,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合比例是实现厌氧消化协同效应最大值的一个重要参数.牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合厌氧消化协同作用的贡献率为34.85%~70.39%,明显高于冯亚君等[10]以玉米秸秆与鸡粪协同作用的结果7.1%~17.7%.这与Pagés-Díaz 等[26]研究结论一致,多原料混合调整了原料C/N比,营养成分更加均衡,增强厌氧消化过程中的协同效应,与单一物料厌氧消化相比,甲烷产量更高.

表3 物料混合发酵甲烷产量实际值与理论值比较

2.3 混合比例对厌氧消化生物降解性影响

生物降解性可以反映厌氧消化过程中有机物被降解转化为甲烷的能力.混合物料的VS降解率,VS产甲烷量和厌氧消化时间是评价生物降解性的重要指标[27].单一原料牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS去除率分别为55.04%、52.94%和46.02%.试验组G1~G4的VS降解率分别为63.71%、65.63%、58.79%和57.83%,试验组G5~G8的VS降解率分别为64.88%、60.86%、60.10%和57.67%.与单一原料相比,多元混合物料厌氧消化VS去除率增加了4.78%~40.98%,这说明混合厌氧消化协同效应提高了原料的生物降解性,促进有机物水解和转化为甲烷,而生物降解性的改善不仅意味着更多底物被使用,而且消化相同的底物量能够产生更多的沼气[28].在厌氧发酵过程中可供微生物利用的有机质几乎都来源于VS[29],因此VS降解率越高反映了更多的有机物在厌氧消化过程中被降解.在所有试验组中,三元混合物中50%牛粪、20%蔬菜废弃物和30%玉米秸秆经过43d厌氧消化VS降解率最高为65.63%,同时对应最高甲烷产量为286.0mL/g VS.通过线性回归分析,VS降解率与其甲烷产量呈正相关(2=0.9286),这说明物料甲烷产量与VS去除率是高度相关的,有机物的有效利用促进甲烷产量的增加.这与Brown等[21]研究结果是一致的,较高的VS去除率具有较高的甲烷产量.

消化时间是反映原料厌氧消化性能的一个重要参数,本研究中将各试验组产生甲烷总量的90%所用的时间定义为90[18],厌氧消化时间越短说明生产效率越高,进而可以获得更好的经济效益.牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆单独厌氧消化时间分别为27、34和34d.试验组G1、G2、G3和G4所需的厌氧消化时间分别为29、26、25和25d.试验组 G5、G6、G7和G8所需的厌氧消化时间分别为28、29、32和34d.厌氧消化时间的长短与物料成分有关,也反映了物料降解的难易程度[30].与蔬菜废弃物和玉米秸秆单独厌氧消化相比,各试验组均不同程度上缩短了产甲烷周期,这是由于多种原料混合后进行厌氧消化平衡了发酵底物的营养结构,提供了有利于微生物生长的生存环境,从而提高了原料生物降解性能,缩短厌氧消化产甲烷时间.

2.4 产甲烷动力学分析

修正的Gompertz方程拟合物料不同混合比例厌氧消化累计甲烷产量的结果如表4所示.通过分析动力学参数可应用评估实际厌氧消化甲烷产量和产甲烷效率.物料不同混合比例厌氧消化整个产甲烷过程的相关系数2均大于0.99,说明具有较好的相关性,且修正的Gompertz方程的最终甲烷产量预测值与试验值之间的差异性介于0.75%~6.73%,数值十分接近.这说明修正的Gompertz方程能够较好的反映牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆混合厌氧消化产甲烷过程.厌氧消化期间日产甲烷量整体上决定了发酵全过程的最大产甲烷速率,与物料单独厌氧消化相比,除试验组G8外,各试验组最大产甲烷速率m明显提高,这表明混合厌氧消化协同作用提高了物能转化速率和产甲烷效率.与各试验组相比,试验组G2具有最大产甲烷速率17.34mL/(d·g),达到m时间为8.87d.

表4 修正Gompertz方程拟合累计甲烷产量动力学参数

注:表中为最终甲烷产量,m为最大产甲烷速率,为延滞期,ef为有效产甲烷时间,max为达到max的时间,2为可决系数.有效产甲烷时间(ef)是由90减去计算[16].

除了最大产甲烷速率m,迟滞时间和有效产甲烷时间ef也是评价底物生物降解性和利用率的重要指标[31].由表4可以看出,各试验组厌氧消化时间90差异显著,但有效产甲烷时间ef相差不大,因此,缩短迟滞时间在实际沼气生产中具有重要经济意义.在本试验中,与玉米秸秆单独厌氧消化相比,所有不同混合比例的牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆总体表现出更短的迟滞时间,这主要归因于多元物料混合厌氧消化的协同作用,提高了甲烷生产效率,从而缩短了迟滞时间.试验组G8的产气延迟期为9.98d,主要是因为玉米秸杆所占比重大,在厌氧消化初期木质素与纤维素、半纤维素相互交联,难以被厌氧微生物利用,造成水解缓慢,发酵效率低,导致产甲烷延滞期过长.在试验组G5~G8中,迟滞时间、有效产甲烷时间和达到最大产甲烷速率的时间逐渐增长,这是由于高比例的蔬菜废弃物,产生大量的VFAs对产甲烷菌的抑制,导致了较慢的厌氧消化速率.通过产甲烷参数分析与协同影响评估,混合厌氧消化的协同效应提高了原料生物降解性是产甲烷速率和累计甲烷产量提高的主要原因.与各试验组相比,试验组G2具有最大产甲烷速率和累计甲烷产量,较短的迟滞时间和有效产甲烷时间.因此,牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆最佳混合比例为50:20:30时,可显著提高厌氧消化产甲烷速率,缩短厌氧消化产甲烷时间,并且增加发酵物料的最终甲烷产量.

3 结论

3.1 当牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50:20:30时,甲烷产率、累计甲烷产量达到最大值,分别为286.0mL/g VS和20713mL,比单一牛粪、蔬菜废弃物以及玉米秸秆厌氧消化甲烷产量分别提高了32.9%、229.9%和82.0%.

3.2 多元物料混合厌氧消化协同作用值为34.85%~70.39%,贡献效果显著(<0.05). 3种物料VS比例为50:20:30时, VS降解率最高为65.63%.

3.3 修正的Gompertz方程能够较好的反映物料不同混合比例的产甲烷过程,拟合结果的2均大于0.99.牛粪、蔬菜废弃物和玉米秸秆VS比例为50:20:30时具有最大产甲烷速率17.34mL/(d·g)和较短的迟滞时间2.97d.

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Synergistic effect of multiple raw materials anaerobic digestion on methane production performances.

LI Jin-ping1,2,3*, CUI Wei-dong1,2,3, HUANG Juan-juan1,2,3, WANG Chun-long1,2,3, LÜ Peng-mei4

(1.Western China Energy＆Environment Research Center, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, China；2.China Northwestern Collaborative Innovation Center of Low-carbon Urbanization Technologies, Lanzhou 730050, China；3.Key Laboratory of Energy Supply System Drived by Biomass Energy and Solar Energy of Gansu Province, Gansu Lanzhou 730050, China；4.Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China)., 2018,38(3)：1024~1032

In order to evaluate the synergistic effects of multiple raw materials anaerobic co-digestion of agricultural and livestock wastes on methane production performance, the tests were conducted under the condition of solid­-state (12% total solids) and mesophilic (37±1)℃ to investigate multiple raw materials on methane production performances of anaerobic digestion, and then the dynamic characteristics of producing methane process were analyzed by the modified Gompertz equation. The results showed that synergistic effects obviously occured during the anaerobic co-digestion of three substrates, the synergistic effect of co-digestion contributed to methane yield was significantly (<0.05) increased by 34.85%~70.39%. A 50:20:30VS ratio of cow manure, vegetable waste and corn straw produced the highest methane yield of 286.0mL/g VS, the highest cumulative methane of 20713mL and the highest VS removal efficiency of 65.6% due to the synergistic effect, increased by 32.9%、229.9% and 82.0% comparing with the cow manure, vegetable waste and corn straw mono-digestion of methane production rate respectively. The analysis results of modified Gompertz equation indicated that the model had feasibility to describe the dynamic process of anaerobic digestion, the2values of the fitting curves were larger than 0.99. The maximum methane production rate and the shorter lag phase (17.34mL/(d×g)and 2.97d) were achieved from co-digestion of cow manure, vegetable waste and corn straw at mixing ratio of 50:20:30. The experimental study can provide a reference for biogas projects of multiple raw materials anaerobic co-digestion of agricultural and animal husbandry wastes.

multiple raw materials；anaerobic digestion；synergistic effect；methane production rate；cumulative methane production；VS degradation rat

X705

A

1000-6923(2018)03-1024-09

李金平(1977-),男,宁夏中宁人,教授,博士,主要从事先进可再生能源系统方面的研究.发表论文40余篇.

2017-08-04

国家科技支撑计划课题(2015BAD21B03);甘肃省国际科技合作专项(1604WKCA009);甘肃省自然科学基金项目(1508RJYA097)

* 责任作者, 教授, lijinping77@163.com