西藏地区沼气发酵反应器的快速启动研究

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　　摘要    快速启动沼气发酵反应器对于沼气在西藏地区的推广应用具有非常重要的意义。本文通过改变环境温度、底物成分配比、底物含水率等操作条件研究了不借助菌种快速启动沼气反应器的方法。结果表明，以新鲜猪粪为原料，控制温度为25 ℃以上可以在1 d内产气，并且底物中新鲜猪粪与剩菜叶的干物质比为2∶1时有利于产气，而猪粪与泔水及猪粪与秸秆的混合物则不利于产气。对沼气反应器最佳启动条件下的产气监测分析表明，所产沼气量以及沼气中的甲烷浓度都可达到沼气生产要求。
　　关键词    沼气发酵反应器;快速启动;西藏地区
　　中图分类号    S216.4        文献标识码    A
　　Abstract    The quick start of biogas fermentation reactor is of great significance for the popularization and application of biogas in Tibet.By changing the operating conditions such as ambient temperature，substrate distribution ratio and substrate moisture content，this paper studied the quick start method of a biogas reactor without resorting to bacteria.The results showed that using fresh pig manure as a raw materials and controlling the temperature above 25 ℃ could produce gas within 1 d，and the dry matter ratio of fresh pig manure and leftover leaves in the substrate was 2∶1，which was favorable for gas production，and mixtures of pig manure and swill，pig manure and straw were not conducive to gas production.The monitoring and analysis of the gas production under the optimal start-up conditions of the biogas reactor showed that the amount of biogas and the concentration of methane in the biogas could meet the requirements for biogas production.
　　Key words    biogas fermentation reactor;quick start;Tibet area
　　目前，世界各地广泛应用厌氧消化技术处理有机废弃物[1]，不仅可以减少人们对化石能源如煤炭、石油、天然气的依赖，还可以解决生活垃圾、牲畜粪便等有机废弃物的环境污染以及农村地区因燃烧薪柴而导致的大气污染问题[2]。此外，有机固体废弃物经厌氧产沼气后的残渣还是一种高质量的有机肥料和土壤改良剂，这对解决农业化肥污染以及土壤退化十分有效。
　　西藏地区生活用能短缺，农村生活用能基本依靠薪柴、畜粪、秸秆、草皮等传统生物质能源，燃料—饲料—肥料矛盾的突出也加剧了脆弱的高原自然生态环境的恶化[3]。因此，在西藏农牧区发展沼气生产建设对保护生态环境、解决农牧民炊事用能、改善农牧民生产生活条件、促进农业可持续发展和农村经济繁荣等方面具有非常重要的意义[4-6]。在沼气发酵过程中，菌种和温度通常是影响沼气启动和产量的2个重要参数[7]。对于西藏某些偏远地区，在缺乏沼气发酵菌种以及环境温度较低的情况下如何快速启动沼气发酵反应器对于沼气的推广应用具有非常重要的意义。为此，本文研究了在低温条件下如何不借助菌種快速启动沼气反应器。
　　1    材料与方法
　　1.1    试验材料
　　新鲜猪粪及青稞秸秆，均采自西藏农牧学院农场，将收割后的秸秆在室温下晾干并粉碎，过筛后备用。厨余垃圾采自西藏农牧学院学生食堂。
　　1.2    试验方法
　　1.2.1    环境温度对反应器启动的影响。将新鲜猪粪置于沼气发酵反应器中，排尽空气后进行沼气发酵，分别设置室温12～17、15、25 ℃，每个温度处理设置3组平行，每天手动摇晃反应器并记录产气情况，待稳定产气1周后结束发酵反应。
　　1.2.2    发酵原料对反应器启动的影响。将新鲜猪粪与不同有机废弃物按照一定比例混合并进行沼气发酵，记录开始产气时间以及之后1周内的产气状况。
　　1.2.3    底物含水率对反应器启动的影响。在最佳底物配比条件下向沼气发酵反应器中加入水，使底物含水率分别达到80%、85%、90%和95%，进行沼气发酵，记录开始产气时间以及之后1周内的产气状况。
　　1.2.4    沼气反应器的启动及沼气的测定。在最佳条件下启动反应器，监测整个反应器产气周期的产气量、气体中甲烷含量，并计算沼气产率。
　　1.3    分析方法 　　樣品含水率采用烘干法测定，即将样品在105 ℃条件下烘干至质量不再变化时测其质量减少量;沼气产量采用排水法测量;沼气中甲烷浓度使用气相色谱仪进行测量[8]。
　　2    结果与分析
　　2.1    操作条件对沼气发酵反应器启动的影响
　　新鲜猪粪在不同温度条件下的沼气发酵试验表明，温度对沼气反应器的启动具有非常重要的影响。当温度高于25 ℃时，沼气反应器几乎可以在当天便启动，而当温度降低至15 ℃以下时，沼气反应器至少需要3 d才能启动。本次试验中温度为12～17、15、25 ℃时，初始产气时间分别大于4、3、1 d。当不控制温度时，即沼气反应器在温度变化条件下运行时，沼气反应器的启动会更慢。因此，在西藏地区为使沼气反应器快速启动，采取适当的保温措施十分有必要。
　　沼气发酵反应器的启动过程也是各类沼气发酵菌群的生长繁殖过程，因而反应器中的底物成分、配比会显著影响微生物生长繁殖速度。为使沼气反应器快速启动，反应器中的底物成分配比必须适宜沼气发酵菌群的生长。如表1所示，将猪粪与剩菜叶混合可以明显缩短沼气反应器的启动时间，而猪粪与泔水、秸秆的混合物对沼气反应器的启动无促进作用。此外，在猪粪与剩菜叶的比例为2∶1时（干物质比），不仅可以明显促进沼气反应器的快速启动，同时也可以获得较好的沼气产量。
　　微生物的生长繁殖离不开水，为使沼气发酵反应器快速启动，需在反应器中添加一定量的水。当反应器中的含水率为85%时，可在1 d内使沼气发酵反应器启动，相比之下，较低或较高的含水率都不利于反应器的快速启动;当含水率为95%时，沼气反应器的启动需要10 d以上（表2）。
　　2.2    最佳条件下的沼气发酵情况
　　在最佳温度（25 ℃）、最佳底物配比（猪粪∶剩菜叶=2∶1）以及最佳底物含水率（85%）条件下启动沼气发酵反应器，记录整个发酵过程中沼气产量以及沼气中甲烷浓度，结果如图1所示。可知，在反应器运行后的1 d内便有沼气产生，之后沼气产量逐渐增加，整个发酵过程持续了将近25 d，反应器中的累积沼气产量达到118 mL/g TS，见图1（a），略低于本课题组之前的研究[8]，这可能是由于本课题组之前的研究所采用的沼气菌种是已经过反复驯化后的沼气生产菌，而本研究中没有采用任何沼气生产菌。此外，对反应器顶空甲烷浓度的监测数据表明，随着发酵的进行，反应器顶空中甲烷浓度呈现逐渐增加趋势，这主要是由于反应器顶空中含有一定量的氮气所致。随着顶空中氮气逐渐被排出反应器之外，反应器顶空中的甲烷浓度值也逐渐接近沼气中的甲烷浓度值。发酵结束后，反应器中的甲烷浓度值达到56%，试验结果与文献[9]报道的沼气中甲烷浓度值基本一致。试验结果表明，在未采用沼气发酵菌种的条件下，通过改变沼气发酵反应器的操作条件，完全可以达到发酵产气的目的。
　　3    结论与讨论
　　在西藏地区发展沼气建设不仅可以解决农牧民生活用能短缺以及环境污染问题，而且所获得的发酵残余物也是优质的土壤改良剂。由于西藏地区特殊的地理环境，在西藏地区发展沼气建设存在困难，其中沼气池启动缓慢便是困扰沼气发展建设的一大难题。本文研究结果表明，以新鲜猪粪为主要原料，通过给沼气池采取适当的保温措施、调节底物成分配比以及底物含水率可以在当天启动沼气发酵反应器，并使累积产沼气量和甲烷浓度可达到沼气生产要求。
　　4    参考文献
　　[1] LEE E.Biogas production from high solids anaerobic co-digestion of food waste，yard waste and waste activated sludge[J].Waste Manag，2019，95：432-439.
　　[2] Li Y Y，MANANDHAR A，LI G X，et al.Life cycle assessment of integrated solid state anaerobic digestion and composting for on-farm organic resid-ues treatment[J].Waste Manag，2018，76：294-305.
　　[3] 孙全平.以沼气为纽带的西藏农牧业清洁生产模式研究[J].农机化研究，2015（7）：244-247.
　　[4] 范建容.西藏自治区水土保持监测的任务与策略[J].中国水土保持，2017（3）：62-65.
　　[5] 次仁措姆.西藏地区水土流失现状及防治策略[J].乡村科技，2016（26）：58.
　　[6] 唐学军，陈晓霞.西藏农牧区户用沼气发展的思考[J].西南石油大学学报（社会科学版），2018，20（5）：12-17.
　　[7] 魏素珍，黄青松.低温条件下户用沼气发酵技术研究进展[J].南方农业学报，2012，43（6）：792-796.
　　[8] WEI S，ZHANG H F，GAI X B，et al.Psychrophilic anaerobic co-digestion of highland barley straw with two animal manures at high altitude for enhancing biogas production[J].Energy Conversion and Management，2014，88：40-48.
　　[9] LI Y，ZHANG R H，HE Y F，et al.Anaerobic co-digestion of chicken manure and corn stover in batch and continuously stirred tank reactor（CSTR）[J].Bioresour Technol，2014，156：342-347.
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