污泥馴化對苧麻廢棄物厭氧消化產沼氣的影響

蔣 勇， 郭清吉， 蔣小鈺， 褚衍生

(四川發展中恒能環境科技有限公司， 成都 610094)

我國苧麻常年種植面積1×105～2×105hm2，占世界的90% 以上，苧麻廢棄物是指苧麻經過纖維分離之后留下的麻葉和麻骨等，纖維只占苧麻全株生物量的5%，剩下95%則是麻葉和麻骨，如何處理大量的麻葉和麻骨，是苧麻生產工藝中急需解決的問題[1-4]。目前這類廢棄物的處理方式主要是飼料化與食用菌基質化，較少探索其厭氧消化產沼氣的潛力，而厭氧消化可使大量的廢棄麻葉和麻骨減量化，減輕后續處理的負擔，同時獲取綠色能源沼氣，為后續處理工藝提供能量。所以，苧麻廢棄物的產沼氣潛力和特性是十分值得研究的[5-10]。

本文根據預實驗中苧麻廢棄物的產氣情況，對污泥進行馴化，通過對整個厭氧消化過程中各項參數的追蹤，分析苧麻廢棄物的產氣特性，為下一步研究和利用到實際生產中做準備。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 苧麻廢棄物

苧麻廢棄物取自湖南省岳陽市洞麻廠，主要是纖維提取后剩余的麻葉和麻骨。主要性質見表1。

表1 苧麻廢棄物的主要性質 (%)

1.1.2 污泥

試驗所用污泥取自本公司豬糞厭氧消化反應器中的厭氧污泥，其主要性質見表2。

表2 接種污泥的主要性質 (%)

1.2 實驗裝置

實驗裝置由2000 mL消化瓶(有效體積1500 mL)和1000 mL的排水集氣裝置組成(見圖1)。反應瓶放入水浴中，并保證水浴液面高于反應瓶內液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

圖1 厭氧消化反應裝置圖

1.3 試驗方法

馴化實驗按照污泥∶苧麻廢棄物TS=4∶1進料，發酵罐TS=7.5%～8%，分實驗組和對照組，每組3個平行。發酵過程持續12 d，每12小時搖動1次反應瓶，保證有機質被充分利用。

表3 馴化實驗各實驗組組成 (g)

馴化后實驗按照接種物∶苧麻廢棄物TS=2∶1進料，發酵罐TS=7.5%～8%，接種物采用馴化實驗后的厭氧消化液，TS約7.5%。分實驗組和對照組，每組3個平行。發酵過程持續29 d，每12 h搖動1次反應瓶，保證有機質被充分利用。

表4 正式實驗各實驗組組成 (g)

1.4 參數測定及方法

pH值、總固體(TS)、可揮發性固體(VS)、污泥體積指數(SVI)等常規參數使用標準方法進行測定[11]。CH4和CO2百分比利用氣相色譜法進行測定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮氣為載氣，流速30 mL·min-1。柱箱、進樣器和檢測器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。產氣量采用排水集氣法測定。纖維素、半纖維素、木質素、灰分根據文獻方法[12]測定。

圖2 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化日產氣量曲線

圖3 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化累計產氣量曲線

圖4 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化CH4百分比曲線

圖5 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化CO2百分比曲線

2 結果與討論

2.1 污泥馴化前苧麻廢棄物產氣特性分析

厭氧消化過程中日產氣量變化規律如圖2 圖5所示，3組平行實驗均出現2個產氣高峰，第1個高峰出現在發酵第2天，日產氣量約500 mL左右，第2個高峰出現在發酵1周左右，日產氣量大于1300 mL。CO2百分比(見圖5)的高峰與第1個產氣高峰時間一致，說明發酵第2天底物出現強烈的水解并產生大量CO2，隨后CO2百分比下降，CH4百分比(見圖4)升高，從第2天的25%左右，到第10天CH4百分比超過60%，說明這段時間水解產物逐漸被產甲烷菌利用，并且在第7～8天達到日產氣(見圖2)最大值。隨后日產氣量逐漸下降，累計產氣量(見圖3)的增加也隨之變得緩慢。在第12天累計產氣量達到7000 mL左右。

在整個反應過程中1#，2#，3#3組平行實驗的CO2百分比變化相對一致，僅在發酵初期產生較多CO2，而CH4百分比也逐步穩定上升，同時，此過程中pH值都穩定在7.1～7.5，這說明苧麻廢棄物作為原料進行厭氧消化的過程并不易發生酸化。第9天之后CH4百分比穩定于60%，且產氣正常，表明污泥馴化成功，并初步顯示苧麻廢棄物的厭氧消化可行性，為后續的厭氧消化實驗提供了接種物。

圖6 污泥馴化后苧麻廢棄物日產氣量曲線

圖7 污泥馴化后苧麻廢棄物累計產氣量曲線

圖8 污泥馴化后苧麻廢棄物CH4百分比曲線

圖9 污泥馴化后苧麻廢棄物CO2百分比曲線

2.2 污泥馴化后苧麻廢棄物產氣特性分析

經過2.1的污泥馴化，采用其厭氧消化液作為接種物，苧麻廢棄物厭氧消化過程中日產氣量變化規律如圖6所示，3組平行實驗均出現兩個產氣高峰，第1個高峰在發酵第1天，日產氣量約1000 mL左右，第2個高峰出現在發酵一周左右，日產氣量大于1100 mL。CO2百分比(見圖9)的高峰與第1個產氣高峰時間一致，說明發酵第1天底物出現強烈的水解并產生大量CO2，隨后CO2百分比下降，CH4百分比(見圖8)升高，從第1天的10%左右，到第5天達到55%，說明這段時間水解產物逐漸被產甲烷菌利用，并且在第7～12天達到日產氣(見圖6)最大值。隨后日產氣量逐漸下降，累計產氣量(見圖7)的增加也隨之變得緩慢。在第19天累計產氣量達到14000 mL左右，后續產氣增加非常緩慢。在第27天，日產氣量接近0。因此，可計算出苧麻廢棄物原料產甲烷潛力為44 mL·g-1鮮料，即194 mL·g-1TS。

在整個反應過程中1#，2#，3#這3組平行的CO2百分比變化相對一致，僅在發酵初期產生較多CO2，到第10天降至20%左右，而CH4百分比也逐步穩定上升至60%，可見采用馴化后的污泥進一步確認了苧麻廢棄物的厭氧消化可行性。

2.3 污泥馴化對苧麻廢棄物厭氧消化的影響

相比于普通接種污泥，采用馴化后的污泥:1)可使第1個產氣高峰提前，表明馴化后的污泥更易水解底物，為后續反應加速；2)可延長第2個產氣高峰時間，從馴化前的第7～8天，延長到馴化后的第7～12天，提升產氣速率；3)采用馴化后的污泥，CH4百分比從第1天的小于10%，在5天內，迅速上升至55%，而采用普通接種污泥，需要9天才能使CH4百分比上升至55%，可見污泥馴化提升了厭氧消化過程的甲烷化速率；4)采用馴化后的污泥，累計產氣量的快速增長期可延長至第19天，而采用普通接種污泥，第12天開始累計產氣量增加得非常緩慢；5)采用馴化后的污泥，CO2百分比在第3天可下降至30%左右，而采用普通接種污泥，推后至第6天，表明馴化后的污泥使系統生化反應快速進行；6)采用馴化后的污泥，CO2百分比第10天下降至20%，而采用普通接種污泥，CO2百分比提前至第6天下降至20%，由于CO2,產生量也代表著微生物自身活性，可見馴化后的污泥使厭氧消化系統整體生物活性更加持久[13-15]。

圖10 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化日產甲烷量曲線

圖11 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化累計產甲烷量曲線

圖12 污泥馴化后苧麻廢棄物厭氧消化日產甲烷量曲線

圖13 污泥馴化后苧麻廢棄物厭氧消化累計產甲烷量曲線

從圖10～圖13可知，污泥馴化對苧麻廢棄物厭氧消化產甲烷量產生了較大影響。對比圖10和圖12可知，污泥馴化使得日產甲烷高峰期延長，從馴化前的第7～8天，延長至馴化后的第7～12天，與日產氣量變化一致，但污泥馴化后的日產甲烷量，從第1天開始迅速上升，無緩滯期，而馴化前的日產甲烷量則在第1～4天，存在一個顯著的緩滯期。累積產甲烷量方面，從圖11和圖13可知，污泥馴化使得累積產甲烷量的快速增加期延長，從未馴化的12天，延長至馴化后的19天，與累積產氣量變化一致，但污泥馴化后的累積產甲烷量，從第1天開始迅速上升，無緩滯期，而馴化前的累積產甲烷量則在第1～4天，存在一個顯著的緩滯期，與日產甲烷量變化一致。因此，采用馴化后的污泥，可顯著延長苧麻廢棄物厭氧消化產甲烷量的高峰期，縮減或消除緩滯期，提高了原料產甲烷速率，有利于快速獲取甲烷能源。

3 結論

苧麻廢棄物厭氧消化產沼氣出現兩個高峰，甲烷百分比在一周左右可快速上升至55%以上，原料產甲烷潛力為44 mL·g-1鮮料，即194 mL·g-1TS。直接采用普通接種物，苧麻廢棄物表現出厭氧消化可行性，采用馴化后的污泥，可使甲烷百分比快速上升，明顯縮減或消除產甲烷緩滯期，延長產氣高峰期，提升原料產甲烷速率。所以下一步計劃在厭氧消化過程中進行微生物群落的對比分析，以解析污泥馴化有利于苧麻廢棄物厭氧消化的機理，通過調控微生物活性，進一步增加其產甲烷量和處理效率。