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摘自《中國沼氣》2018第6期 陳羚 鄒永杰 董保成

目前我國現有設施栽培面積6160萬畝,設施蔬菜面積約占到5700多萬畝。產業面積的大規模發展造成以設施種植廢棄物為主的固體廢棄物產生量日益增多,它們大部分得不到妥善處理2,造成農村臟亂差。這些廢棄物主要是由蔬菜莖葉和果蔬殘余物等種植廢棄物構成,含有大量有機物。近年來,國內外學者開始關注種植廢棄物黑膜沼氣池厭氧消化處理技術的研究3-7。但主要是以采集于農貿市場或果蔬加工廠的果蔬殘余物為研究對象,對于分布于種植場所的莖稈類種植廢棄物鮮少有研究。因此,本

文以黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種常見的設施種植廢棄物為原料,對其理化特性和產氣潛力進行實驗分析,旨在確定種植廢棄物黑膜沼氣池厭氧消化處理的可行性,并探討種植廢棄物集中黑膜沼氣池厭氧處理的原料保障問題,為莖稈類種植廢棄物的回收利用提供理論依據和新出路。

1材料與方法

1.1原料

黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草均

取自北京市順義區某設施大棚。接種菌取自北京某  黑膜沼氣池沼氣工程的污泥。

1.2裝置

本試驗采用的試驗裝置一可控溫式產氣潛力檢測裝置,為某研究院的研究成果,已獲得了國家發明  專利。目前,檢測產氣潛力大都采用排水集氣法,由于排水瓶會受到水壓不同,需時常換水等因素影響,  會造成較大的誤差。本裝置采用針筒反應器,以產生氣體引起的活塞讀數變化為計量指標,計算產氣  量,操作簡單,減少人為因素產生的誤差。同時,裝  置配有恒溫裝置,可將裝置內溫度均勻控制在設定的溫度范圍內。  檢測裝置如圖1~圖3所示8,主要由動力機  構、轉動圓盤、溫控裝置、針筒反應器等幾部分組成  其中動力機構根據轉速要求帶動圓盤發生間歇轉  動;圓盤為雙層結構,相互之間用螺栓固定以保證同  步轉動;反應器為圓柱形帶刻度的玻璃針筒,量程為  150mL,針筒反應器出口處用帶有夾子的橡膠管密  閉。反應溫度由溫控儀控制在38℃±1℃范圍內。

試驗方案

由于針筒反應器只有150mL,空間較小,可加入的原料較少,由于種植廢棄物有莖有葉,原料過少容易引起物料性質的不穩定,影響試驗結果。為保證測試過程中原料的均勻穩定,具備較高的可重復性,分別從大棚內取黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種原料各1kg,切成5mm左右長度充分攪拌均勻備用。

分別取切碎后的黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草適量原料檢測密度、總固體含量(TS)、揮發性固體含量(VS)、蛋白質、纖維素、總糖、總碳、總氮等基本特性

分別取切碎后的黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草各10g加入針筒反應器,并接種50g污泥,攪拌均勻后讀取針筒活塞刻度,放入可控溫式產氣潛力檢測裝置進行中溫發酵。每天根據產氣情況分時段讀取活塞刻度,并放出氣體保證反應足夠體積,每天活塞刻度變化的累計量即為每日的產氣量。當連續3天未有產氣量時,認為物料發揮了全部的黑膜沼氣池厭氧消化能力,結束試驗。為避免污泥對原料產氣量的影響,實驗設一對照組,針筒反應器中加入50mL污泥。

實驗重復3次

1.4檢測方法

原料的密度,TS,VS按照GB/T5009.7-2008進行檢測,蛋白質、纖維素、總糖含量分別按照GB5009.52010、GB164342006和GBT5009.07-2008進行檢測,原料中的N,P,K含量按照NY5252002進行檢測。

2結果與分析

2.1原料特性

黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種設施種植廢棄物的密度分別為0.33,0.34,0.28,0.37和0.29kg·L1,小白菜的密度最小,西紅柿莖稈的密度最大,這是由于西紅柿的莖稈比較多,而小白菜的葉比較多。

從表中TS含量結果可以看到,由于小白菜的  含葉量較多,且莖部含水較多,因此它的TS含量最  低,西瓜蔓和西紅柿莖稈由于莖稈部含量較多,所以  TS含量較高,含水率最低;西瓜蔓的蛋白質含量最  高,小白菜的蛋白質含量最低;黃瓜藤的纖維素含量最高,小白菜的纖維素含量最低;小白菜的總糖含量最高,西紅柿莖稈的總糖含量最低;各類物料的總鉀含量大致相同。從蛋白質、總糖、纖維素含量等參數分析,由于小白菜具有較高的總糖含量、較低的纖維素含量,它應該更易于進行黑膜沼氣池厭氧消化。而西瓜蔓具有較高的蛋白質、纖維素含量,因此它應該具有更高的產氣潛力。

黑膜沼氣池厭氧消化原料的性質中,碳氮比對黑膜沼氣池厭氧消化反應穩定運行至關重要,碳氮比過高會引起過程氮源不足,過低容易引起氨積累抑制消化過程,適于黑膜沼氣池厭氧消化穩定進行的較佳碳氮比范圍為25~30。根據含碳、含氮量計算可得,黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草的碳氮比分別為46.68,14.53,58.79,28.34和47.33,除西紅柿莖稈外其余4種原料都不在最佳碳氮比范圍內。根據碳氮比分析,西紅柿莖稈的黑膜沼氣池厭氧消化進程應該更穩定,其余幾種原料似乎采用單種原料都不能很好地發揮物料的黑膜沼氣池厭氧消化性能。

2.2產氣潛力

本研究進行到42d后幾乎沒有氣體產生,因此

停止試驗。黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、紅柿莖稈和青  草的產氣量見圖4所示。從圖4中可以看到,各原料在第2~3天出現了第1個產氣高峰,之后迅速下降,于第6-12天出現了第2個產氣高峰,22d后產氣較平穩,42d后幾乎沒有氣體產生。不同原料中,西紅柿莖稈和西紅柿莖稈的產氣速率較快,西瓜蔓的產氣較其它平穩。

各原料42d內的累計產氣量見圖5。從圖5可以直觀看到,各原料在反應進行5~10d即可完成總產氣量的50%,20~25d后產氣基本平穩,42d后產氣量不再增加。42d中,西瓜蔓在初始時的產氣速度較慢,42d后達到累計產氣量最大,青草和西紅柿莖稈次之,黃瓜藤最低。如果按照黑膜沼氣池沼氣工程的水力停留時間為20d計算,20d內黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜的產氣量分別占其總產氣量的89.7%,80.1%,88.7%,88.0%和82.6%,即20d內都可發揮80%以上的產氣潛力,產氣速率可滿足一般黑膜沼氣池沼氣工程的要求。

污泥的TS為0.84%,參與反應的物體物質質量為0.08g,總產氣量為12.5mL。去除污泥本身的產氣量后,各原料的總產氣量和單位干物質原料的產氣潛力見表2,黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜的產氣潛力分別為0.45,0.51,0.530.44和0.38m3kg1Ts,小白菜的產氣潛力最高,西瓜蔓次之。這與物料性狀的結果分析一致:小白

菜由于具有較高的總糖含量和較低的纖維素含量,更容易降解,而西瓜蔓由于具有較高的蛋白質、纖維素含量,具有更高的產氣潛力。

試驗結果表明,黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿  莖桿和小青菜5種原料僅在切碎的預處理條件下都D  具有較高的產氣潛力和產氣速率,可以作為黑膜沼氣池厭氧消化黑膜沼氣池沼氣工程的原料。

3設施種植廢棄物原料保障

植株殘株和廢棄果實等設施種植物廢棄物是在生長管理、收獲、儲存、銷售等過程中產生的”,它們主要產生在種植田地和加工交易場所。若將設施種植廢棄物用于黑膜沼氣池沼氣工程進行集中處理,原料的可靠供應、經濟收集和輸送儲存是工程正常生產的前提條件。然而,加工交易場所的種植廢棄物比較集中且數量穩定,容易實現統一收集和集中處理。但  在種植田地產生的原料生產具有季節性、分布分散堆積密度低、收集半徑有限、運輸費用相對較高等特  點,致使其收集費用高、原料不穩定,限制了利用規  模。為保證黑膜沼氣池沼氣工程的穩定運行和經濟效

考慮原料的穩定供應和收集半徑。  針對規模化農貿市場等加工交易場所產生的種  植廢棄物,由于數量和種類比較穩定,且容易集中收  集,可直接在加工交易場所附近建立黑膜沼氣池沼氣工程進行  集中處理,黑膜沼氣池沼氣工程規模按照加工交易場所產生的  廢棄物數量確定,工程工藝以干法發酵為宜,以減少  沼液排放量,沼氣產品以發電供加工交易場所使用  為主。針對田間地頭廢棄物收集成本高的問題,在  平均收集量一定的情況下,從運輸費用最小化考慮,  原料收集區域應趨向于圓形,在圓心位置建造沼氣  工程;為解決原料季節性問題,可依據周邊實際情  況,收集多種可用原料,如秸稈、糞便等進行混合發  酵。黑膜沼氣池沼氣工程規模不宜過大,工藝以液體混合發酵  為宜,產生的沼液可供周邊設施種植地使用,沼氣可  用于溫室加溫、二氧化碳施肥和蔬菜瓜果保鮮等。

4結論與建議

本文研究了黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和青草5種常見的設施種植廢棄物理化特性和產氣潛力,分析了設施種植廢棄物用于黑膜沼氣池沼氣工程的可行性,主要結論如下

(1)黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和的碳氮比分別為46.68,14.53,58.79,14.53和14.53,產氣潛力分別為0.45,0.51,0.53,0.44和0.38m3kgTs,從產氣潛力和產氣速率看,是黑膜沼氣池沼氣工程的理想原料。  (2)設施種植廢棄物的可靠供應、經濟收集和  輸送儲存是黑膜沼氣池沼氣工程正常生產的前提條件,為保障以設施種植廢棄物為原料的黑膜沼氣池沼氣工程的可持續化運行,建議在規模化加工交易場所附近建立黑膜沼氣池沼氣工程,  對于田間地頭的廢棄物,可確定圓形原料收集區域,  建立黑膜沼氣池沼氣工程,在原料供應不足的季節采用畜禽糞便、秸稈等原料補給混合發酵。