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不同碳氮比對沼氣池厭氧發酵產氣特性的影響
時間 : 2019-09-30 瀏覽量 : 79

山東達禹環境工程有限公司已在沼氣工程領域深耕十年,有著豐富的行業經驗,生產各種沼氣設備,承接大中小各種規模的沼氣工程,承建黑膜沼氣池、紅泥膜沼氣池等各種軟體沼氣池及雙膜氣柜、集雨窯等,同時生產加工各類液袋、水囊、橋梁預壓水袋、森林消防水袋、可拆卸游泳池等,歡迎新老客戶洽談合作,共謀發展!


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摘自《中國沼氣》第5期  李淑蘭 劉萍 梅自力


隨著規?;u業的發展,雞糞帶來的環境污染  已成為制約我國雞生產的重要因素之一。雞糞無害  化處理和資源化利用的主要途徑有沼氣池發酵生產有機肥  以及厭氧沼氣池發酵制取沼氣-21。厭氧消化不受雞糞含  水率影響,并且可再生清潔能源。與其它畜禽糞便  相比,雞糞碳氮比(C/N)較低,屬于高有機氮廢棄  物。高有機氮廢棄物在厭氧消化過程中,過多的氮將導致厭氧消化系統銨鹽的積累,從而抑制產甲烷菌的活動,最終導致厭氧系統處于“抑制的穩定狀態”,造成產氣量低或不產氣3-4),即氨氮抑制效應。高濃度氨氮是高有機氮廢棄物厭氧消化處理的難題之一,采取有效的技術措施克服氨氮對厭氧消化過


程的抑制顯得十分必要。研究表明,調節消化原料C/N對厭氧消化系統的運行效果和穩定性非常重要5,然而對中高溫條件下調節原料(C/N)后的厭氧沼氣池發酵產氣特性影響的報道則很少。本研究以玉米秸稈為碳源,通過調控消化原料C/N,探討中高溫條件下不同C/N對雞糞厭氧消化過程產甲烷性  能的影響,以期為厭氧沼氣池發酵效率的提高及沼氣沼氣池發酵的可控化研究提供參考依據。

1材料與方法

1.1材料  厭氧污泥,取自四川簡陽市某沼氣工程;鮮雞


糞,取自山西晉中某養雞場;風干的玉米秸稈,取自  山西晉中某農田,原料的C/N和干物質含量見表1。


1.2試驗裝置

本試驗所用裝置為農業部沼氣科學研究所沼氣工程研究中心自行設計的可控性恒溫厭氧沼氣池發酵裝置。為了便于實際操作和節約成本,選用2.5L的兩孔塞玻璃瓶做沼氣池發酵罐,1L的兩孔塞玻璃瓶做集氣裝置,1L的玻璃瓶做集水裝置,通過橡膠管與發膠裝置相連。水浴加熱,由恒溫水浴鍋控制沼氣池發酵溫度(溫度波動范圍為±1℃)。試驗裝置按圖1方式連接。


1.3試驗方案

試驗組1:向沼氣池發酵罐中裝入雞糞49.6g,玉米秸桿56.5g,接種物403.4g,水1090.5g,使得沼氣池發酵原料C/N為20:1,總固體物濃度為8%,接種物和沼氣池發酵原料T比為1:1。在溫度分別為35℃,42℃和50℃條件下進行試驗。

試驗組2:向沼氣池發酵罐中裝入雞糞247.6g,接種物403.4g,水949g,使得沼氣池發酵原料CN為12:1,總固體物濃度為8%,接種物和沼氣池發酵原料TS比為1:1。在溫度分別為35℃,42℃和50℃條件下進行試驗。

對照組:向沼氣池發酵罐中裝入接種物403.4g,水1196.6g。在溫度分別為35℃,42℃和50℃條件下進行試驗。

每組試驗設3個重復(見表2)。采用排水集氣法每日定時測量產氣量、氣體成分及沼氣池發酵溶液pH值

1.4測定項目及方法

(1)干物質含量:用烘干法測定。

(2)碳氮比(CN):C用干燒法測定;N以凱氏


定氮法測定。


(3)產氣量:采用排水法測定

(4)CH4含量:采用沼氣成分分析儀測量。

2結果與分析

2.1試驗進行20d和39d產氣總量和產沼氣潛力

分析

試驗總共進行了39d,產氣結束。結果表明,在35℃,42℃和50℃這3個不同溫度下,純雞糞原料沼氣池發酵,溫度越高,產氣越多,依次為11051mL,13636mL和14176mL;且產氣潛力越大,依次為172

Lkg"TS,212.6 Lkg TS,221.1 Lkg TS.雞糞  和玉米秸稈混合沼氣池發酵,溫度越高,產氣越多,依次為12165mL,16572mL,17684mL;且產氣潛力越大,依次為189.6L·kgTs,258.3L·kgTs,275.7Lkg-Ts(見表3)  從表3可以看出,試驗進行到20d時,35℃的混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力提高了  38.6%;42℃的混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛  力提高了25.0%;50℃的混合原料沼氣池發酵比單雞糞發  酵產氣潛力提高了20.9%。說明試驗進行到20d  時,沼氣池發酵溫度越高,混合原料沼氣池發酵比單雞糞的沼氣池發酵潛力提升的越慢。  結果還表明,試驗進行到39d時,35℃的混合  原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力提高了10.0%;  42℃的混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力提高了  21.5%;50°℃的混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛  力提高了24.7%。說明試驗進行到39d時,沼氣池發酵溫  度越高,混合原料沼氣池發酵比單雞糞的沼氣池發酵潛力提升的越快。  也就是說,相比沼氣池發酵20d和39d,隨著沼氣池發酵天


數增加,在35℃和42℃時混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力少提升了28.6%和3.5%,可能是由于  隨著沼氣池發酵時間延長,沼氣池發酵原料減少,導致產氣速度降


表3還可以看出,在試驗進行到20d的純雞糞  沼氣池發酵,35℃,42℃,50℃條件下產氣量可達到總產氣  量的71.8%,87.6%和95.3%;添加玉米秸稈后,同  樣35℃,42℃,50℃條件下產氣量可達到總產氣量  的90.5%,90.1%,92.4%。說明試驗20d時,35℃  和42℃時混合原料比純雞糞沼氣池發酵產氣量提高了  20%和2.85%,而50℃時混合原料比純雞糞沼氣池發酵  產氣量卻下降了3.0%。同樣也說明了試驗進行到  20天時,沼氣池發酵溫度越高,混合原料沼氣池發酵比單雞糞的  沼氣池發酵潛力提升的越慢。  綜上分析,1噸新鮮雞糞35℃可產沼氣約44  m3,42℃可產沼氣約54m3,50℃可產沼氣約57m。  添加玉米秸稈調整C/N后1噸新鮮雞糞35℃可產  沼氣約14m2,42℃可產沼氣約156m,0℃可產沼氣約166m

2.2甲烷最大含量分析

本沼氣池發酵試驗過程中,對每天所產沼氣的甲烷含量做了檢測。試驗結果表明,不同CN的沼氣池發酵原料在不同溫度下甲烷含量達最大值的時間不同,且最大值也有區別。由圖2可以看出,在同一溫度下,添加玉米秸稈的雞糞比不添加的產甲烷含量最先到達  最大,即35℃時添加玉米秸稈的雞糞在厭氧沼氣池發酵第  10天甲烷含量達最大,而純雞糞在厭氧沼氣池發酵第14  天甲烷含量才達最大;42℃時添加玉米秸稈的雞糞  在厭氧沼氣池發酵第6天甲烷含量達最大,而純雞糞在厭  氧沼氣池發酵第14天甲烷含量才達最大;50℃時添加玉米  秸稈的雞糞在厭氧沼氣池發酵第5天甲烷含量達最大,而  純雞糞在厭氧沼氣池發酵第10天甲烷含量才達最大;說明  改善C/N的沼氣池發酵原料對雞糞沼氣池發酵過程有促進作用。


同時圖2也說明,隨著溫度的升高,對純雞糞沼氣池發酵而言,35℃和42℃條件下沼氣池發酵甲烷含量達到最大值沒有差別,都是沼氣池發酵第14天,說明35℃和42℃的溫度對純雞糞沼氣池發酵反應影響不明顯,但是在50℃沼氣池發酵溫度下純雞糞沼氣池發酵甲烷含量達到最大值明顯提前,是在反應的第10天。以上分析說明,沼氣池發酵溫度越高,反應過程越快。但是甲烷最大含量并沒有因為溫度的升高而增大,也沒有因為改善原料C/N而增加。從圖2不難看出這一點,純雞糞在35℃,42℃,50℃條件下沼氣池發酵產生的最大甲烷含量分別是74.85%,68.32%和69.16%;添加玉米秸稈改善C/N的雞糞在35℃,42℃,50℃條件下沼氣池發酵產生的最大甲烷含  量分別是69.32%,71.04%和66.76%。綜合分析  42℃時的沼氣池發酵溫度和20:1的C/N更加適合雞糞的穩定沼氣池發酵。


2.3溫度和C/N對雞糞厭氧消化pH值的影響  由圖3可見,所有試驗組消化前期(0-10d)  pH值變幅在1.8之內,消化后期(10d)則趨于穩


定。按C/N大小排列pH值,可以看出:C/N越高,消化液pH值越低,這是由于C/N越高,消化體系中水解酸化的產物越高,氨化作用產生的氨只能中和很少一部分酸,導致消化液酸化。


產甲烷菌的最佳生長pH值范圍在6.8~7.2  之間,pH值越低對厭氧消化系統產甲烷的抑制效應  越大,當pH值低于6.0時,產甲烷菌無法存活  本試驗所有試驗組pH值在整個厭氧消化期間均保持在6.00~7.85之間,為雞糞沼氣沼氣池發酵提供了適宜的反應環境。

結論

(1)在35℃,42℃和50℃這3個不同溫度下,無  論是純雞糞原料還是雞糞和玉米秸稈混合原料,溫  度越高,產氣越多,產氣潛力也越大,而且混合原料整體都比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力高。  (2)試驗20d時,35℃和42℃時混合原料比純雞糞沼氣池發酵產氣潛力提高了26.0%和2.85%,而50  度時混合原料比純雞糞沼氣池發酵產氣潛力卻下降了3.0%。


(3)相比沼氣池發酵20d和39d,隨著沼氣池發酵天數增加,  在35℃和42℃時混合原料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣  潛力少提升了28.6%和3.5%,而在50℃時混合原  料沼氣池發酵比單雞糞沼氣池發酵產氣潛力則多提升了3.8%。  (4)雞糞的最佳沼氣池發酵條件:沼氣池發酵溫度為42℃,原料最佳C/N為20:1。  (5)所有試驗組沼氣池發酵過程pH值始終保持在  5.8~7.85之間,為厭氧沼氣池發酵提供了適宜的反應環境。


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