豬糞沼液預處理對麥秸厭氧消化性能的影響

楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學 資源與環境研究中心， 北京 100029)

項目來源： 大學生創新創業訓練項目(zd2016002)； 十二五支撐計劃項目(2015BAD21B03，2014BAC24B01-02)

豬糞沼液預處理對麥秸厭氧消化性能的影響

楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學 資源與環境研究中心， 北京 100029)

文章研究了沼液預處理麥秸對厭氧消化產氣性能的影響，以麥秸為原料，豬糞沼液做預處理劑，預處理含水率分別為30%，50%，70%和90%。結果表明：在中溫預處理3 d的條件下，含水率為70%時產氣性能最佳。單位VS產甲烷量為243.90 mL·g-1，較未預處理麥秸提高了38.89%；VS去除率為61.84%，較未預處理組提高了24.01%。由此可見，沼液可以作為一種很好的預處理劑用于厭氧消化工程實踐。

麥秸； 沼液； 預處理； 厭氧消化

我國是一個農業大國，每到收獲季節，大部分秸稈都被丟棄在田間或被焚燒，環保部2015年衛星秸稈焚燒火點的監測報告[1]顯示：2015年共監測到4454處秸稈焚燒火點，產生了大量的污染性氣體，危害環境并容易引發火災，因此，急需一種更為環保有效的秸稈利用方式。

秸稈是由纖維素、半纖維素和木質素等難降解的物質和碳水化合物組成，半纖維素、木質素和纖維素相互纏繞，形成復雜的空間結構，成為秸稈厭氧消化過程的一大阻礙[2]。因此，對秸稈進行預處理是必需的。預處理方法包括物理法、化學法和生物法，目前化學預處理是最有效的處理方式[3]。最新研究表明沼液預處理可以達到與NaOH和氨水等化學預處理等同的效果[4]，沼液預處理已經被研究者關注，主要集中在沼液預處理的可行性初步研究中。李建[5]等人研究發現沼液預處理后的玉米秸稈結構被破壞，可以加快纖維素的水解；楚莉莉[6]等人研究發現經沼液預處理后的秸稈產氣速率和產氣量顯著增大，產氣高峰提前，并有較好的緩沖能力；魏域芳[4,7]等人研究發現沼液預處理玉米秸稈5天后與牛糞混合厭氧消化產氣，單位VS產甲烷量為217.48 mL·g-1，較未預處理組提高了25.40%；胡赟[8]等人研究發現，在中溫條件(35℃)下用沼液預處理玉米秸稈3 d時的產氣效果最佳(有機負荷率75 g·L-1)，甲烷產量較未預處理組增加了66.3%。

預處理含水率等預處理參數對預處理有顯著影響[9-11]，在沼液預處理的相關研究中，尚未發現預處理參數方面的詳細報道。因此，筆者提出用豬糞沼液對秸稈進行預處理，以麥秸為原料，旨在選出適合厭氧消化的沼液預處理參數，為實際工程提供設計依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用麥秸取自北京郊區農田，取回后先將秸稈切至3～4 cm，自然風干后用帶篩網20目粉碎機(YSW-180，北京燕山正德機械設備有限公司)粉碎，放在通風干燥處備用；實驗所用沼液為豬糞產沼氣發酵液，放置陰涼干燥處備用；實驗所用污泥取自北京小紅門污水處理廠。原料與接種物的性質如表1所示。

表1 實驗材料理化性質 (%)

1.2 實驗裝置

厭氧消化實驗裝置由1 L藍蓋瓶，1 L集氣瓶，燒杯和橡膠管等，連接方式如圖1所示。

1.恒溫水箱； 2.1 L藍蓋瓶(工作體積0.8 L)； 3.平臺； 4.集氣瓶(有刻度)； 5.燒杯； 6.三通玻璃管和止水夾圖1 厭氧消化實驗裝置圖

1.3 實驗方法

將麥秸自然風干后粉碎至20～30目，加入至250 mL容量瓶中，加入不同量的豬糞沼液調節含水率為30%，50%，70%和90%，用橡膠塞及封口膜密封后放置在35℃的恒溫水箱中預處理3 d[8]，測其pH值和失重，分析性質變化，然后進行厭氧消化實驗, 實驗進料負荷為65 gTS·L-1，污泥接種量為15 g·L-1MLSS，接種后加自來水定容至0.8 L，密封后置于恒溫水箱中進行厭氧消化，每天定時記錄產氣量、測定氣體成分，卸料時測定氨氮，堿度，TS，VS和pH值。并與未預處理組進行對比，每組設置3個平行，取平均值。

1.4 分析方法

日產氣量采用排水法測定；氣體成分用氣相色譜(SP2100(A)，北京中科慧杰分析科技有限公司)進行測定，進樣器溫度150℃，TCD檢測器溫度150℃，柱箱溫度為140℃，載氣為高純氬氣，0.3～0.4 MPa；TS與VS采用重量法測定；pH值采用玻璃電極法測定；氨氮濃度采用凱氏定氮儀(蒸餾滴定法)測定；堿度采用滴定法測定。

2 結果與討論

2.1 預處理階段性質變化

預處理階段pH值變化如圖2所示，整體呈下降趨勢，其中含水率為30%和90%的下降趨勢不明顯，含水率為30%的pH值由7.57降至7.21；含水率為90%的pH值由8.2降至7.89；含水率為50%的在第2天降至最低值6.57；含水率為70%的由8.35逐漸降低至6.81。

預處理階段失重變化如圖3所示，含水率為30%和50%的變化較小，含水率為30%的減少了0.097 g，含水率為50%的減少0.223 g，含水率為70%的減少0.535 g，含水率為90%的減少1.73 g，損耗較大。

圖2 不同含水率下pH值變化圖

圖3 不同含水率下失重變化圖

2.2 日甲烷產量

厭氧消化過程中的日產甲烷量如圖4所示。從圖中可以看出：在整個厭氧消化過程中，會出現2～3個產甲烷高峰。第1個峰值在前4 d出現，40 d后甲烷產量逐漸接近于0。麥秸經過預處理后產甲烷高峰出現時間提前，且峰值隨含水率的增加而增加。但含水率為90%時日甲烷量呈下降趨勢；含水率為70%的日產甲烷峰值最先出現，且峰值最高，第2個峰值出現在第5 天，較其他組提前了2～10 d，峰值為632.23 mL，較未預處理組的峰值提高了25.59%；第3個峰值出現在11 d，峰值為687.01 mL，較未預處理組的提高了34.32%。相比魏域芳[4]等人用沼液預處理玉米秸稈5 d時的第3個日產甲烷高峰提前了9～19 d。

圖4 日產甲烷量

2.3 累積產甲烷量

不同含水率下豬糞沼液預處理麥秸厭氧消化的累積產甲烷量如圖5所示。從圖中可以看出：不同含水率下累積產甲烷量隨時間的變化趨勢基本一致，在前22±1 d內累計甲烷量顯著上升，后期增加緩慢，40 d后甲烷產量接近0。含水率為70%的累積產甲烷量最高，為11353.74 mL，比含水率為30%，50%，90%和未預處理組分別提高了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。比魏域芳[4]等人經沼液預處理玉米秸稈后與牛糞混合發酵的甲烷產量(相比對照組提高了25.40%)增加了13.49%。

圖5 累積甲烷產量

與袁海榮[12]等人氨預處理玉米秸稈含水率為70%的產氣效果最好的研究結果一致。

2.4 厭氧消化時間

T80是累計產甲烷量達到甲烷總量80%時所需的時間，是評價秸稈厭氧消化性能的一個重要指標。從表2可以看出，經過預處理的麥秸甲烷產量明顯提高，T80為17～23 d，與未處理組相比，T80縮短了8～14 d (25.80%～45.16%)。含水率為70%的累積產甲烷量最高，相比未處理組提高了45.16%，消化時間的提前能縮短厭氧消化周期，有效節約成本，并帶來較高的工作效率，增加經濟效益。

表2 消化時間(T80) (d)

2.5 單位VS甲烷產量

不同含水率下豬糞沼液預處理麥秸厭氧消化單位VS產氣量如圖6所示。從圖中可以看出：與未處理組相比，用豬糞沼液預處理后的麥秸單位VS甲烷產量明顯提高，增加了19.26%～38.89%。其中含水率為70%的單位VS甲烷產量最高，為243.90 mL·g-1，相對于含水率為30%，50%，90%和未預處理組分別增加了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。

圖6 單位VS產甲烷量

2.6 TS和VS去除率

厭氧消化過程中的TS和VS去除率如圖7所示。從圖中可以看出預處理組的TS和VS去除率均有顯著性提高，且去除率隨含水率的增加而增加，預處理組的TS和VS去除率為50.90%～59.73%和58.90%～67.68%，較未預處理組提高19.06%～39.73%和18.11%～35.73%。高于馮磊[13]等人用NaOH固態預處理秸稈時的TS和VS去除率(41.7%和52.4%)，進一步證實了沼液預處理的可行性。

圖7 TS和VS去除率

2.7 系統穩定性分析(氨氮、堿度)

適度的氨氮對微生物的生長有刺激作用，氨氮與堿度如圖8所示。從圖中可以看出：經過50 d的厭氧消化各組氨氮值在294.00～1397.20 mg·L-1之間，堿度在3167～7652 mg·L-1之間，預處理組的氨氮和堿度均顯著提高。氨氮和堿度均為甲烷菌活性范圍內[14-15]。由此可知本厭氧消化系統緩沖能力較強，有利于厭氧過程的穩定進行。

圖8 氨氮和堿度

3 結論

通過對沼液預處理麥秸厭氧消化性的研究發現，預處理含水率可以影響麥秸厭氧消化的產氣性能。在35℃條件下，預處理時間為3 d，含水率為70%時麥秸厭氧消化性能最好，總甲烷產量為11353.74 mL，單位VS產甲烷量為243.90 mL·g-1，均較未預處理組提高了38.89%。VS去除率為61.84%，較未預處理組提高了24.01%。

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PretreatingWheatStalkwithPigManureBiogasSlurryforItsAnaerobicDigestion/

YANGChun,LIUYan-ru,GUORui-jie,LISi-yuan,YANGPeng,LANYan-yan,YUANHai-rong/

(BeijingUniversityofChemicalTechnology,CenterforResourcesandEnvironmentalResearch,Beijing100029,China)

The article studied the effect of wheat straw pretreatment with pig manure biogas slurry on the performance of wheat straw anaerobic digestion. The different amount of biogas slurry were added to wheat straw to make the pretreatment moisture content at 30%, 50%, 70% and 90%, respectively. The result showed that, with the moisture content of 70%, at the mesophilic condition and pretreated for 3days, the pretreated wheat straw obtained the best biogas production, reaching the VS methane production rate of 243.90 mL·g-1, increasing 38.89% comparing with non-pretreated wheat stalk; the VS removal rate was 61.84%, increasing 24.01% comparing with non-pretreated wheat straw. It demonstrated that pretreating wheat straw with pig manure biogas slurry was a good way for improving its anaerobic digestion.

wheat straw; biogas; pretreatment; anaerobic digestion

2016-07-24

2016-09-22

楊 春(1995-)，女，黑龍江省齊齊哈爾人，本科，研究方向為化學污染控制，E-mail：1528486626@qq.com

袁海榮，E-mail：yuanhairong75@163.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)04-0010-04