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                沼氣工程
                達禹環(huán)境工程 十年行業(yè)經(jīng)驗

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                農業(yè)設施種植廢棄物厭氧集中處理適用性研究
                時(shí)間 : 2019-12-03 瀏覽量 : 169

                山東達禹環(huán)境工程有限公司已在沼氣工程領(lǐng)域深耕十年,有著(zhù)豐富的行業(yè)經(jīng)驗,生產(chǎn)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(shí)生產(chǎn)加工各類(lèi)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(hù)洽談合作,共謀發(fā)展!


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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(wàn)畝,設施蔬菜面積約占到5700多萬(wàn)畝。產(chǎn)業(yè)面積的大規模發(fā)展造成以設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(lái),國內外學(xué)者開(kāi)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貿市場(chǎng)或果蔬加工廠(chǎng)的果蔬殘余物為研究對象,對于分布于種植場(chǎng)所的莖稈類(lèi)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(jiàn)的設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(wèn)題,為莖稈類(lèi)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(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(zhuān)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(huì )受到水壓不同,需時(shí)常換水等因素影響,  會(huì )造成較大的誤差。本裝置采用針筒反應器,以產(chǎn)生氣體引起的活塞讀數變化為計量指標,計算產(chǎn)氣  量,操作簡(jiǎn)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(dòng)力機  構、轉動(dòng)圓盤(pán)、溫控裝置、針筒反應器等幾部分組成  其中動(dòng)力機構根據轉速要求帶動(dòng)圓盤(pán)發(fā)生間歇轉  動(dòng);圓盤(pán)為雙層結構,相互之間用螺栓固定以保證同  步轉動(dòng);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(guò)少容易引起物料性質(zhì)的不穩定,影響試驗結果。為保證測試過(guò)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(cháng)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(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。每天根據產(chǎn)氣情況分時(shí)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(chǎn)氣量。當連續3天未有產(chǎn)氣量時(shí),認為物料發(fā)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(chǎn)氣量的影響,實(shí)驗設一對照組,針筒反應器中加入50mL污泥。

                實(shí)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(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(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(lèi)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(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穩定運行至關(guān)重要,碳氮比過(guò)高會(huì )引起過(guò)程氮源不足,過(guò)低容易引起氨積累抑制消化過(guò)程,適于黑膜沼氣池厭氧消化穩定進(jìn)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(jìn)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(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(méi)有氣體產(chǎn)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(chǎn)氣量見(jiàn)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(gè)產(chǎn)氣高峰,之后迅速下降,于第6-12天出現了第2個(gè)產(chǎn)氣高峰,22d后產(chǎn)氣較平穩,42d后幾乎沒(méi)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。

                各原料42d內的累計產(chǎn)氣量見(jiàn)圖5。從圖5可以直觀(guān)看到,各原料在反應進(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,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后達到累計產(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計算,20d內黃瓜藤、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內都可發(fā)揮80%以上的產(chǎn)氣潛力,產(chǎn)氣速率可滿(mǎn)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(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(jiàn)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(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設施種植廢棄物原料保障

                植株殘株和廢棄果實(shí)等設施種植物廢棄物是在生長(cháng)管理、收獲、儲存、銷(xiāo)售等過(guò)程中產(chǎn)生的”,它們主要產(chǎn)生在種植田地和加工交易場(chǎng)所。若將設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、經(jīng)濟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(chǎng)所的種植廢棄物比較集中且數量穩定,容易實(shí)現統一收集和集中處理。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(diǎn),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(jīng)濟效

                考慮原料的穩定供應和收集半徑。  針對規?;r貿市場(chǎng)等加工交易場(chǎng)所產(chǎn)生的種  植廢棄物,由于數量和種類(lèi)比較穩定,且容易集中收  集,可直接在加工交易場(chǎng)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模按照加工交易場(chǎng)所產(chǎn)生的  廢棄物數量確定,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(chǎng)所使用  為主。針對田間地頭廢棄物收集成本高的問(wèn)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(wèn)題,可依據周邊實(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模不宜過(guò)大,工藝以液體混合發(fā)酵  為宜,產(chǎn)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(jiàn)的設施種植廢棄物理化特性和產(chǎn)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(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)設施種植廢棄物的可靠供應、經(jīng)濟收集和  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?;庸そ灰讏?chǎng)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(fā)酵。


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