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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(xiàn)有設(shè)施栽培面積6160萬畝,設(shè)施蔬菜面積約占到5700多萬畝。產(chǎn)業(yè)面積的大規(guī)模發(fā)展造成以設(shè)施種植廢棄物為主的固體廢棄物產(chǎn)生量日益增多,它們大部分得不到妥善處理2,造成農(nóng)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(gòu)成,含有大量有機(jī)物。近年來,國內(nèi)外學(xué)者開始關(guān)注種植廢棄物黑膜沼氣池厭氧消化處理技術(shù)的研究3-7。但主要是以采集于農(nóng)貿(mào)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(shè)施種植廢棄物為原料,對其理化特性和產(chǎn)氣潛力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(jù)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(qū)某設(shè)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(yàn)采用的試驗(yàn)裝置一可控溫式產(chǎn)氣潛力檢測裝置,為某研究院的研究成果,已獲得了國家發(fā)明  專利。目前,檢測產(chǎn)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(shí)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(yīng)器,以產(chǎn)生氣體引起的活塞讀數(shù)變化為計(jì)量指標(biāo),計(jì)算產(chǎn)氣  量,操作簡單,減少人為因素產(chǎn)生的誤差。同時(shí),裝  置配有恒溫裝置,可將裝置內(nèi)溫度均勻控制在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。  檢測裝置如圖1~圖3所示8,主要由動力機(jī)  構(gòu)、轉(zhuǎn)動圓盤、溫控裝置、針筒反應(yīng)器等幾部分組成  其中動力機(jī)構(gòu)根據(jù)轉(zhuǎn)速要求帶動圓盤發(fā)生間歇轉(zhuǎn)  動;圓盤為雙層結(jié)構(gòu),相互之間用螺栓固定以保證同  步轉(zhuǎn)動;反應(yīng)器為圓柱形帶刻度的玻璃針筒,量程為  150mL,針筒反應(yīng)器出口處用帶有夾子的橡膠管密  閉。反應(yīng)溫度由溫控儀控制在38℃±1℃范圍內(nèi)。

試驗(yàn)方案

由于針筒反應(yīng)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(zhì)的不穩(wěn)定,影響試驗(yàn)結(jié)果。為保證測試過程中原料的均勻穩(wěn)定,具備較高的可重復(fù)性,分別從大棚內(nèi)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?jǐn)嚢杈鶆騻溆谩?/p>

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(fā)性固體含量(VS)、蛋白質(zhì)、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(yīng)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(chǎn)氣潛力檢測裝置進(jìn)行中溫發(fā)酵。每天根據(jù)產(chǎn)氣情況分時(shí)段讀取活塞刻度,并放出氣體保證反應(yīng)足夠體積,每天活塞刻度變化的累計(jì)量即為每日的產(chǎn)氣量。當(dāng)連續(xù)3天未有產(chǎn)氣量時(shí),認(rèn)為物料發(fā)揮了全部的黑膜沼氣池厭氧消化能力,結(jié)束試驗(yàn)。為避免污泥對原料產(chǎn)氣量的影響,實(shí)驗(yàn)設(shè)一對照組,針筒反應(yīng)器中加入50mL污泥。

實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次

1.4檢測方法

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

2結(jié)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(shè)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(jié)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(zhì)含量最  高,小白菜的蛋白質(zhì)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(zhì)、總糖、纖維素含量等參數(shù)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(yīng)該更易于進(jìn)行黑膜沼氣池厭氧消化。而西瓜蔓具有較高的蛋白質(zhì)、纖維素含量,因此它應(yīng)該具有更高的產(chǎn)氣潛力。

黑膜沼氣池厭氧消化原料的性質(zhì)中,碳氮比對黑膜沼氣池厭氧消化反應(yīng)穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)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(wěn)定進(jìn)行的較佳碳氮比范圍為25~30。根據(jù)含碳、含氮量計(jì)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(nèi)。根據(jù)碳氮比分析,西紅柿莖稈的黑膜沼氣池厭氧消化進(jìn)程應(yīng)該更穩(wěn)定,其余幾種原料似乎采用單種原料都不能很好地發(fā)揮物料的黑膜沼氣池厭氧消化性能。

2.2產(chǎn)氣潛力

本研究進(jìn)行到42d后幾乎沒有氣體產(chǎn)生,因此

停止試驗(yàn)。黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、紅柿莖稈和青  草的產(chǎn)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(xiàn)了第1個(gè)產(chǎn)氣高峰,之后迅速下降,于第6-12天出現(xiàn)了第2個(gè)產(chǎn)氣高峰,22d后產(chǎn)氣較平穩(wěn),42d后幾乎沒有氣體產(chǎn)生。不同原料中,西紅柿莖稈和西紅柿莖稈的產(chǎn)氣速率較快,西瓜蔓的產(chǎn)氣較其它平穩(wěn)。

各原料42d內(nèi)的累計(jì)產(chǎn)氣量見圖5。從圖5可以直觀看到,各原料在反應(yīng)進(jìn)行5~10d即可完成總產(chǎn)氣量的50%,20~25d后產(chǎn)氣基本平穩(wěn),42d后產(chǎn)氣量不再增加。42d中,西瓜蔓在初始時(shí)的產(chǎn)氣速度較慢,42d后達(dá)到累計(jì)產(chǎn)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(shí)間為20d計(jì)算,20d內(nèi)黃瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西紅柿莖稈和小青菜的產(chǎn)氣量分別占其總產(chǎn)氣量的89.7%,80.1%,88.7%,88.0%和82.6%,即20d內(nèi)都可發(fā)揮80%以上的產(chǎn)氣潛力,產(chǎn)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(yīng)的物體物質(zhì)質(zhì)量為0.08g,總產(chǎn)氣量為12.5mL。去除污泥本身的產(chǎn)氣量后,各原料的總產(chǎn)氣量和單位干物質(zhì)原料的產(chǎn)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(chǎn)氣潛力分別為0.45,0.51,0.530.44和0.38m3kg1Ts,小白菜的產(chǎn)氣潛力最高,西瓜蔓次之。這與物料性狀的結(jié)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(zhì)、纖維素含量,具有更高的產(chǎn)氣潛力。

試驗(yàn)結(jié)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(yù)處理?xiàng)l件下都D  具有較高的產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)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(shè)施種植廢棄物原料保障

植株殘株和廢棄果實(shí)等設(shè)施種植物廢棄物是在生長管理、收獲、儲存、銷售等過程中產(chǎn)生的”,它們主要產(chǎn)生在種植田地和加工交易場所。若將設(shè)施種植廢棄物用于黑膜沼氣池沼氣工程進(jìn)行集中處理,原料的可靠供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)收集和輸送儲存是工程正常生產(chǎn)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(shù)量穩(wěn)定,容易實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一收集和集中處理。但  在種植田地產(chǎn)生的原料生產(chǎn)具有季節(jié)性、分布分散堆積密度低、收集半徑有限、運(yùn)輸費(fèi)用相對較高等特  點(diǎn),致使其收集費(fèi)用高、原料不穩(wěn)定,限制了利用規(guī)  模。為保證黑膜沼氣池沼氣工程的穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效

考慮原料的穩(wěn)定供應(yīng)和收集半徑。  針對規(guī)?；r(nóng)貿(mào)市場等加工交易場所產(chǎn)生的種  植廢棄物,由于數(shù)量和種類比較穩(wěn)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(jìn)行  集中處理,黑膜沼氣池沼氣工程規(guī)模按照加工交易場所產(chǎn)生的  廢棄物數(shù)量確定,工程工藝以干法發(fā)酵為宜,以減少  沼液排放量,沼氣產(chǎn)品以發(fā)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(yùn)輸費(fèi)用最小化考慮,  原料收集區(qū)域應(yīng)趨向于圓形,在圓心位置建造沼氣  工程;為解決原料季節(jié)性問題,可依據(jù)周邊實(shí)際情  況,收集多種可用原料,如秸稈、糞便等進(jìn)行混合發(fā)  酵。黑膜沼氣池沼氣工程規(guī)模不宜過大,工藝以液體混合發(fā)酵  為宜,產(chǎn)生的沼液可供周邊設(shè)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(jié)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(shè)施種植廢棄物理化特性和產(chǎn)氣潛力,分析了設(shè)施種植廢棄物用于黑膜沼氣池沼氣工程的可行性,主要結(jié)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(chǎn)氣潛力分別為0.45,0.51,0.53,0.44和0.38m3kgTs,從產(chǎn)氣潛力和產(chǎn)氣速率看,是黑膜沼氣池沼氣工程的理想原料。  (2)設(shè)施種植廢棄物的可靠供應(yīng)、經(jīng)濟(jì)收集和  輸送儲存是黑膜沼氣池沼氣工程正常生產(chǎn)的前提條件,為保障以設(shè)施種植廢棄物為原料的黑膜沼氣池沼氣工程的可持續(xù)化運(yùn)行,建議在規(guī)?；庸そ灰讏鏊浇⒑谀ふ託獬卣託夤こ?  對于田間地頭的廢棄物,可確定圓形原料收集區(qū)域,  建立黑膜沼氣池沼氣工程,在原料供應(yīng)不足的季節(jié)采用畜禽糞便、秸稈等原料補(bǔ)給混合發(fā)酵。