农业设施种植废弃物厌氧集中处理适用性研究

2018-03-18邹永杰董保成

中国沼气 2018年6期

陈羚，邹永杰，董保成

(1．浙江农林大学暨阳学院，浙江诸暨 311800; 2.浙江省诸暨市动物疫病预防控制中心，浙江诸暨 311800; 3.农业部农业生态与资源保护总站，北京 100125)

目前我国现有设施栽培面积6160万亩，设施蔬菜面积约占到5700多万亩[1]。产业面积的大规模发展造成以设施种植废弃物为主的固体废弃物产生量日益增多，它们大部分得不到妥善处理[2]，造成农村脏乱差。这些废弃物主要是由蔬菜茎叶和果蔬残余物等种植废弃物构成，含有大量有机物。近年来，国内外学者开始关注种植废弃物厌氧消化处理技术的研究[3-7]。但主要是以采集于农贸市场或果蔬加工厂的果蔬残余物为研究对象，对于分布于种植场所的茎秆类种植废弃物鲜少有研究。因此，本文以黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草5种常见的设施种植废弃物为原料，对其理化特性和产气潜力进行实验分析，旨在确定种植废弃物厌氧消化处理的可行性，并探讨种植废弃物集中厌氧处理的原料保障问题，为茎秆类种植废弃物的回收利用提供理论依据和新出路。

1 材料与方法

1.1 原料

黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草均取自北京市顺义区某设施大棚。接种菌取自北京某沼气工程的污泥。

1.2 装置

本试验采用的试验装置—可控温式产气潜力检测装置，为某研究院的研究成果，已获得了国家发明专利。目前，检测产气潜力大都采用排水集气法，由于排水瓶会受到水压不同，需时常换水等因素影响，会造成较大的误差。本装置采用针筒反应器，以产生气体引起的活塞读数变化为计量指标，计算产气量，操作简单，减少人为因素产生的误差。同时，装置配有恒温装置，可将装置内温度均匀控制在设定的温度范围内。

检测装置如图1～图3所示[8]，主要由动力机构、转动圆盘、温控装置、针筒反应器等几部分组成。其中动力机构根据转速要求带动圆盘发生间歇转动；圆盘为双层结构，相互之间用螺栓固定以保证同步转动；反应器为圆柱形带刻度的玻璃针筒，量程为150 mL，针筒反应器出口处用带有夹子的橡胶管密闭。反应温度由温控仪控制在38℃±1℃范围内。

1.3 试验方案

1.温控仪表; 2.发酵装置外壳; 3.观察门; 4.保温层; 5.圆盘; 6.加热装置图1 可控温式产气潜力检测装置正面透视图

3.观察门; 4.保温层; 6.加热装置; 7.反应器； 8.变频电机; 9.传动机构图2 可控温式产气潜力检测装置右面透视图

图3 可控温式产气潜力检测装置针筒反应器

由于针筒反应器只有150 mL，空间较小，可加入的原料较少，由于种植废弃物有茎有叶，原料过少容易引起物料性质的不稳定，影响试验结果。为保证测试过程中原料的均匀稳定，具备较高的可重复性，分别从大棚内取黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草5种原料各1 kg，切成5 mm左右长度，充分搅拌均匀备用。

分别取切碎后的黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草适量原料检测密度、总固体含量(TS)、挥发性固体含量(VS)、蛋白质、纤维素、总糖、总碳、总氮等基本特性。

分别取切碎后的黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草各10 g加入针筒反应器，并接种50 g污泥，搅拌均匀后读取针筒活塞刻度，放入可控温式产气潜力检测装置进行中温发酵。每天根据产气情况分时段读取活塞刻度，并放出气体保证反应足够体积，每天活塞刻度变化的累计量即为每日的产气量。当连续3天未有产气量时，认为物料发挥了全部的厌氧消化能力，结束试验。为避免污泥对原料产气量的影响，实验设一对照组，针筒反应器中加入50 mL污泥。

实验重复3次。

1.4 检测方法

原料的密度，TS，VS按照GB/T5009.7-2008进行检测，蛋白质、纤维素、总糖含量分别按照GB 5009.5-2010、GBT6434-2006和GBT 5009.7-2008进行检测，原料中的N，P，K含量按照NY 525-2002进行检测。

2 结果与分析

2.1 原料特性

黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草5种设施种植废弃物的密度分别为0.33，0.34，0.28，0.37和0.29 kg·L-1，小白菜的密度最小，西红柿茎秆的密度最大，这是由于西红柿的茎秆比较多，而小白菜的叶比较多。

黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草5种设施种植废弃物的成分性状检测结果见表1。

表1 原料主要成分含量表 (%)

从表中TS含量结果可以看到，由于小白菜的含叶量较多，且茎部含水较多，因此它的TS含量最低，西瓜蔓和西红柿茎秆由于茎秆部含量较多，所以TS含量较高，含水率最低；西瓜蔓的蛋白质含量最高，小白菜的蛋白质含量最低；黄瓜藤的纤维素含量最高，小白菜的纤维素含量最低；小白菜的总糖含量最高，西红柿茎秆的总糖含量最低；各类物料的总钾含量大致相同。从蛋白质、总糖、纤维素含量等参数分析，由于小白菜具有较高的总糖含量、较低的纤维素含量，它应该更易于进行厌氧消化。而西瓜蔓具有较高的蛋白质、纤维素含量，因此它应该具有更高的产气潜力。

厌氧消化原料的性质中，碳氮比对厌氧消化反应稳定运行至关重要，碳氮比过高会引起过程氮源不足，过低容易引起氨积累抑制消化过程，适于厌氧消化稳定进行的较佳碳氮比范围为25～30。根据含碳、含氮量计算可得，黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和青草的碳氮比分别为46.68，14.53，58.79，28.34和47.33，除西红柿茎秆外其余4种原料都不在最佳碳氮比范围内。根据碳氮比分析，西红柿茎秆的厌氧消化进程应该更稳定，其余几种原料似乎采用单种原料都不能很好地发挥物料的厌氧消化性能。

2.2 产气潜力

本研究进行到42 d后几乎没有气体产生，因此停止试验。黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、红柿茎秆和青草的产气量见图4所示。从图4中可以看到，各原料在第2～3天出现了第1个产气高峰，之后迅速下降，于第6～12天出现了第2个产气高峰，22 d后产气较平稳，42 d后几乎没有气体产生。不同原料中，西红柿茎秆和西红柿茎秆的产气速率较快，西瓜蔓的产气较其它平稳。

图4 原料日产气量图

图5 不同原料的累计产气量

各原料42 d内的累计产气量见图5。从图5可以直观看到，各原料在反应进行5～10 d即可完成总产气量的50%，20～25 d后产气基本平稳，42 d后产气量不再增加。42 d中，西瓜蔓在初始时的产气速度较慢，42 d后达到累计产气量最大，青草和西红柿茎秆次之，黄瓜藤最低。如果按照沼气工程的水力停留时间为20 d计算，20 d内黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和小青菜的产气量分别占其总产气量的89.7%，80.1%，88.7%，88.0%和82.6%，即20 d内都可发挥80%以上的产气潜力，产气速率可满足一般沼气工程的要求。

污泥的TS为0.84%，参与反应的物体物质质量为0.08 g，总产气量为12.5 mL。去除污泥本身的产气量后，各原料的总产气量和单位干物质原料的产气潜力见表2，黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和小青菜的产气潜力分别为0.45，0.51，0.53，0.44和0.38 m3·kg-1TS，小白菜的产气潜力最高，西瓜蔓次之。这与物料性状的结果分析一致：小白菜由于具有较高的总糖含量和较低的纤维素含量，更容易降解，而西瓜蔓由于具有较高的蛋白质、纤维素含量，具有更高的产气潜力。

表2 物料的产气潜力

试验结果表明，黄瓜藤、西瓜蔓、小白菜、西红柿茎秆和小青菜5种原料仅在切碎的预处理条件下都具有较高的产气潜力和产气速率，可以作为厌氧消化沼气工程的原料。

3 设施种植废弃物原料保障

植株残株和废弃果实等设施种植物废弃物是在生长管理、收获、储存、销售等过程中产生的[9]，它们主要产生在种植田地和加工交易场所。若将设施种植废弃物用于沼气工程进行集中处理，原料的可靠供应、经济收集和输送储存是工程正常生产的前提条件。然而，加工交易场所的种植废弃物比较集中且数量稳定，容易实现统一收集和集中处理。但在种植田地产生的原料生产具有季节性、分布分散、堆积密度低、收集半径有限、运输费用相对较高等特点，致使其收集费用高、原料不稳定，限制了利用规模。为保证沼气工程的稳定运行和经济效益，必须考虑原料的稳定供应和收集半径。

针对规模化农贸市场等加工交易场所产生的种植废弃物，由于数量和种类比较稳定，且容易集中收集，可直接在加工交易场所附近建立沼气工程进行集中处理，沼气工程规模按照加工交易场所产生的废弃物数量确定，工程工艺以干法发酵为宜，以减少沼液排放量，沼气产品以发电供加工交易场所使用为主。针对田间地头废弃物收集成本高的问题，在平均收集量一定的情况下，从运输费用最小化考虑，原料收集区域应趋向于圆形，在圆心位置建造沼气工程；为解决原料季节性问题，可依据周边实际情况，收集多种可用原料，如秸秆、粪便等进行混合发酵。沼气工程规模不宜过大，工艺以液体混合发酵为宜，产生的沼液可供周边设施种植地使用，沼气可用于温室加温、二氧化碳施肥和蔬菜瓜果保鲜等。