Thread Content
Как эффективно использовать сельскохозяйственные отходы для производства биогаза, является серьезной проблемой, стоящей перед современным сельским хозяйством. Научные учреждения и вузы как внутри страны, так и за рубежом провели множество исследований в этой области. Исследования Лю Дэцзяна показали, что по сравнению с производством биогаза из одного вида сырья для ферментации, смешивание кормовых отходов животных или их сочетание с соломой позволяет значительно повысить объем производимого биогаза. При увеличении доли коровьего навоза в сырье содержание CH4 в газе резко возрастает. В то же время свиной навоз при анаэробной ферментации легко подвергается закислению, что приводит к снижению или даже прекращению выработки газа. Однако овечий и коровий навоз не так легко подвергаются закислению, поэтому это практически не влияет на объем производимого газа. Исследования Ли Вэньчжэ показали, что при высоких температурах и концентрации раствора, а также при длительном времени пребывания жидкости, уровень пропионовой кислоты в ферментативном растворе повышается, что негативно сказывается на последующем этапе метанообразования. Оптимальное соотношение углерода и азота для производства биогаза из микроорганизмов составляет 25:1. Одного вида сырья для ферментации недостаточно для достижения этого соотношения; поэтому имеет большое значение исследование различных пропорций смеси сырьев для ферментации. В данном эксперименте исследовалось влияние ферментации свиного и овечьего навоза в качестве единственного сырья, а также их смеси в различных пропорциях при одинаковой температуре на объем производимого биогаза и содержание CH4. Целью было получение теоретических основ для повышения объема и качества биогаза. 1 Материалы и методы 1.1 Материалы Исходным материалом для эксперимента послужил свежий коровий и овечий навоз с фермы, расположенной за городом Сыньянского сельскохозяйственного университета ； Испытательный вакцинат взят из ила с дна биогазовых установок, используемых фермерами в районе Дунлин города Шэньян. Содержание углерода и азота в сырье для ферментации приведено в таблице 1. 1.2 Методы 1.2.1 Эксперименты по ферментации Используется самостоятельно спроектированное устройство для анаэробной ферментации с постоянной температурой. Это устройство состоит из трех компонентов: бутылки для ферментации, бутылки для сбора газа и бутылки для сбора воды. В качестве ферментационных и сборных бутылок используются стаканы из пластика объемом 1500 мл. В ферментационной и сборной бутылках делаются отверстия для взятия проб и выхода жидкости; отверстия для взятия проб закрываются зажимами. Между ферментационной бутылкой и бутылкой для сбора газа используется силиконовая трубка размером 10 мм × 8 мм. Для сбора жидкости используется ёмкость объёмом 100 мл; происходит сброс жидкости вниз для сбора газа. Все соединения герметизированы. Структура показана на рисунке 1. В ходе этого эксперимента использовалась концентрация ферментата с содержанием инокулята 20% и общего количества твердых веществ 8%. Формула ферментированной среды делится на следующие 4 группы: Группа I: ферментация чистого свиного навоза ； Группа II: ферментация чистого овечьего навоза ； Группа III: смесь свиного навоза и овечьего навоза (соотношение сухих веществ) = 1:1 для ферментации ； Группа IV: Компост из свиного навоза и овечьего навоза (соотношение сухих веществ) = 1:2, подвергнутый ферментации. Для каждой формулы бралось 2 параллельных эксперимента с ферментированным раствором. Четыре экспериментальные группы I, II, III и IV помещались в ферментационные бутыли объемом 1500 мл; они находились в таком состоянии в течение 9 дней. Затем бутыли были закрыты, к ним подключались трубки для отвода газов, а само устройство для ферментации помещалось в камеру с постоянной температурой. Ферментация происходила при температуре (28±1)°C в течение 30 дней. 1.2.2 Методы анализа и измерения: суточный объем выделяемого газа и общий объем накопленного газа определяются с помощью метода отвода жидкости вниз. Значение pH ферментативной среды измеряется с помощью интеллектуального pH-метра модели PHS225. Содержание CH4 в газе определяется с помощью анализатора биогаза модели ZS22. 2 Результаты и анализ 2.1 Динамические изменения значения pH в различных группах культур в процессе предварительной обработки После смешивания компонентов для ферментации в соответствии с заложенной формулой смесь помещается в ферментационные бутылки объемом 1500 мл, где происходит аэробное брожение при комнатной температуре (20°C) в течение 9 дней. В процессе брожения pH-уровень среды измерялся ежедневно; изменения pH у ферментата показаны на рисунке 2. Как видно из рисунка 2, на протяжении всего процесса предварительной обработки у группы I уровень pH оставался на низком уровне, что свидетельствует о кислой среде. Показатель pH в группе II оставался в щелочной области до завершения предварительной обработки ； В группе экспериментов с ферментацией смешанных сырьевых материалов: у группы III на начальном этапе процесса брожения значение pH составляло 7,50; на 3-й день оно снизилось до 6,95, что свидетельствует о кислой среде. Затем значение pH снова начало расти, и среда стала щелочной. В момент завершения предварительной обработки значение pH в группе III снова составило 7,50 ； В течение всего процесса предварительной обработки у группы IV динамика значения pH была схожа с динамикой у группы III: значение pH сначала снижалось, затем повышалось, а в конце стабилизировалось. Однако по сравнению с группой III амплитуда изменений значения pH у группы IV была меньше, причем на протяжении всего процесса предварительной обработки значение pH оставалось в щелочной области. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uTKVJ37bGDJGMdhFsiblTs3FUZOY2Z3XGDJicaTiaGM01Yskwj81BRqpaA/640?wx_fmt=jpeg 2.2 Динамика изменения значения pH в различных группах субстратов в процессе анаэробного ферментирования В ходе экспериментов по анаэробному ферментированию значение pH ферментационной смеси измерялось каждые 3 дня. Изменения значения pH ферментативной суспензии в процессе экспериментов по биогазообразованию показаны на рисунке 3. Как видно из рисунка 3, на 9-й день ферментации у группы I значение pH снизилось до 6,20; путем добавления щелочи его удалось довести до уровня 7,00. В течение последующей ферментации значение pH оставалось выше 6,50. По окончании ферментации значение pH составило 7,10 ； У группы II уровень pH оставался на высоком уровне на протяжении всего процесса ферментации; на 15-й день ферментации он снизился до 6,70, а в конце ферментации составил 7,20. В группе с ферментацией смешанного сырья: в группе III в начале процесса ферментации значение pH быстро снижалось; на 12-й день оно достигло уровня 6,45, после чего снова начало повышаться и оставалось выше 6,50. К концу ферментации значение pH в группе III составило 7,30 ； Диапазон изменений pH в группе IV был наименьшим: на 6-й день ферментации значение pH снизилось до 6,90, затем начало расти и к 15-му дню достигло 7,31. В момент завершения ферментации значение pH составило 7,20. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ubK0aNS4JzGgol1y8cq2fD3AjciaQlmokVHuf9JWnt0509byUYm4vGnQ/640?wx_fmt=jpeg 2.3 Изменения количества газа, образующегося при использовании различных смесей сырья для ферментации. Изменения суточного объема газа, выделяющегося в процессе ферментации при использовании различных смесей сырья, показаны на рисунке 4. Как видно из рисунка 4, группа I начинает вырабатывать газ наиболее быстро: уже через 1 день после начала анаэробного ферментирования образуется небольшое количество газа. Ежедневное производство газа достигает 100 мл на 4-й день, после чего резко снижается. На 8-й день ферментации производство газа в группе I полностью прекращается. После добавления щелочи для регулирования значения pH в системе производство газа восстанавливается, и на 11-й день достигает своего максимума — 246 мл в сутки ； В группе II процесс генерации газа начинался медленнее, чем в группе I: газообразование началось на 9-й день ферментации, а на 16-й день был достигнут пик суточной продукции газа — 325 мл/сутки. После этого уровень суточной продукции газа постепенно снижался, но он всё равно оставался выше, чем в группе I. В группе с смешанными исходными материалами группа III начала вырабатывать газ на 6-й день. Ежедневное производство газа достигло максимума в 375 мл/д на 10-й день; затем оно начало постепенно снижаться. На 24-й день показатель снизился до 175 мл/д. К 30-му дню ферментации ежедневное производство газа в группе III составляло всего 47 мл/д ； Группа IV начала вырабатывать газ на 4-й день ферментации; затем ежедневное количество выделяемого газа начало увеличиваться по мере продолжения процесса ферментации, достигнув пика в 350 мл/сутки на 9-й день ферментации. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3ujrmByvKlibcgnFstzdHrjgjvgxTVmuBJnz91XhlZo8PRGChyBl5zP6w/640?wx_fmt=jpeg На рисунке 5 показано изменение содержания CH4 в ферментативном растворе в зависимости от соотношения различных исходных материалов для ферментации. В группе I уровень содержания CH4 оставался низким; на 11-й день ферментации он достиг 60%, после чего начал быстро снижаться. К 25-му дню ферментации в образующемся газе уже не было CH4. У группы II уровень CH4 в момент начала выработки газа на 9-й день ферментации составлял 21%; на 15-й день он достиг пика в 79%, после чего постепенно снижался. К моменту окончания ферментации уровень CH4 составил 30%. В группе III содержание CH4 достигло 35% на 5-й день ферментации, когда началось образование газа; затем оно продолжало расти и достигло максимума в 82% на 9-й день ферментации. На высоком уровне оно оставалось до 14-го дня ферментации, после чего начало постепенно снижаться. К моменту окончания ферментации содержание CH4 все еще составляло 30% ； В группе IV уровень содержания CH4 достигал максимума в 70% на 8-й день ферментации, после чего начал постепенно снижаться; к моменту окончания ферментации уровень CH4 составлял всего 10%. В группе с ферментацией смешанных сырьевых материалов у группы III наблюдалась более высокая пиковая концентрация CH4 и более длительный период её сохранения по сравнению с группой IV. Значения общего объема газа, выделяемого в процессе ферментации, и коэффициента образования газа из сухих веществ при различных пропорциях исходных материалов для ферментации приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, в ходе анаэробного ферментационного эксперимента при постоянной температуре 28°C в течение 30 дней объем газа, выделившегося при переработке различных исходных материалов, составил: группа III > группа IV > группа II > группа I. Общий объем выделившегося газа в группе I был наименьшим (2749 мл), что составляет лишь половину от показателя группы III (общий объем газа — 6258 мл). Общий объем газа, выделяемого при использовании смеси сырьев, всегда превышает показатель при использовании одного вида сырья; общий объем газа в группе III также превышает показатель для группы IV. Если говорить только о суммарном объеме выделяемого газа, то группа III значительно превосходит группу IV — на 922 мл. Показатель образования газа из сухого вещества от самого высокого к самому низкому: группа III > группа IV > группа II > группа I. http://img5.wtoutiao.com/?url=http://mmbiz.qpic.cn/mmbiz/I3BFZqfWrdOyQcVicpIWn1RNbjHpbPt3uDNYwUV7CwaJcpV0y9VDc7ZJzRkfdO5yuHt5jBJ2P7XqESH5LarsdibA/640?wx_fmt=jpeg 3 Обсуждения Перед проведением анаэробного ферментирования смесь сырья для ферментации и инокулята подвергаются 9-дневной аэробной предобработке. Это способствует разложению сложных органических веществ в сырье с образованием кислот. Скорость образования кислоты наибольшая при использовании свиного навоза, а наименьшая — при использовании овечьего навоза. У значения pH ферментативных суспензий, полученных из 4 групп различных исходных материалов, наблюдалась тенденция к снижению, за которой следовало повышение. Причиной этого стало то, что бактерии, вырабатывающие кислоты, разлагали сложные органические вещества, содержащиеся в исходных материалах, с образованием летучих жирных кислот и органических кислот, в результате чего значение pH снижалось. Затем, по мере разложения кислот бактериями, вырабатывающими газы, значение pH начинало повышаться и приходило в стабильное состояние. В процессе анаэробного ферментирования свиной навоз легко подвергается закислению, что приводит к снижению или даже прекращению выработки газа. Для поддержания процесса выработки газа необходимо искусственно регулировать уровень pH в системе ； В то время как в группе с ферментацией овечьего навоза и смешанных материалов процесс закисления не наблюдается. Поскольку свиный навоз содержит высокое количество жирных и белковых веществ, на начальном этапе анаэробного ферментирования микроорганизмы разлагают эти вещества, образуя кислоты. Это приводит к быстрому снижению уровня pH в системе, что подавляет активность метаногенных бактерий. У группы с ферментацией овечьего навоза начало газообразования происходит с опозданием; это связано с медленной скоростью разложения целлюлозы и полицеллюлозы микроорганизмами, в результате чего метаногенные бактерии не получают достаточного количества метаболических субстратов. В группе с смешанными исходными материалами кислота, образующаяся в результате закисления свиного навоза, может нарушить химическую структуру лignоцеллюлозных материалов. Это способствует гидролизу лигнинцеллюлозы, повышает её биоразлагаемость, ускоряет разложение материалов, богатых целлюлозой, с последующим увеличением количества выделяемой кислоты и содержания CH4. Таким образом достигается лучший эффект ферментации. Данное исследование показывает, что при одинаковой концентрации сухих веществ и температуре общий объем газа, выделяемого в процессе ферментации, и скорость выделения газа на единицу массы сухих веществ увеличиваются в следующем порядке: группа III > группа IV > группа II > группа I. Оптимальным соотношением компонентов для ферментации является соотношение свиного навоза к овечьему навозу (по содержанию сухих веществ) 1:1. (Ли Музы, Сунь Цзюньдэ, Институт земельных и экологических наук, Сельскохозяйственный университет г. Шэньян)