沼液全量回流的秸稈半連續(xù)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣研究

王曉英， 陳廣銀， 周守標(biāo),， 李敬宜， 趙 昕

(1.安徽師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽師范大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241003；3.安徽省水土污染治理與修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241003)

截止2013年底，我國(guó)已建有各種規(guī)模型沼氣工程約9萬(wàn)處，其中大型沼氣工程5246處、中型沼氣工程9767處、小型沼氣工程7.6萬(wàn)處[1]。隨著大規(guī)模沼氣工程建設(shè)的發(fā)展，沼液作為沼氣工程的副產(chǎn)品，其處置利用問題就顯得越來越重要。雖然厭氧消化后的沼液含有氮磷鉀等營(yíng)養(yǎng)元素，可以用于農(nóng)田的滴灌和漫灌[2]，但由于農(nóng)作物季節(jié)性耕作制度、農(nóng)田分布范圍廣、運(yùn)輸過程易發(fā)生泄漏污染土地等限制因素，每天從沼氣工程中排出大量的沼液還田困難重重[3]。解決沼液處置難題應(yīng)從沼液源頭減量，可以采用高效低廉的沼液回流處理技術(shù)。

在沼液回流過程中，過高的沼液回流比會(huì)產(chǎn)生難降解物質(zhì)的累積、傳質(zhì)效果降低[4]、沼液粘度增加[5]、乙酸和乳酸累積產(chǎn)生酸抑制[6]、腐殖酸類物質(zhì)積累[7]、厭氧反應(yīng)氨氮濃度提升[8]、化學(xué)需氧量COD(chemical oxygen demand)去除率降低[9]，上述情況均對(duì)厭氧產(chǎn)氣過程產(chǎn)生了抑制。但減少回流比僅能解決少部分沼液處置。由此可見，最佳的沼液回流比是沼氣工程穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)。鄧玉營(yíng)等[7]對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵沼液回流的研究表明，腐殖酸類物質(zhì)累積是導(dǎo)致產(chǎn)甲烷作用受到抑制、造成揮發(fā)性脂肪酸VFA(volatile fatty acid)積累的主要原因，因此降低腐殖酸類物質(zhì)積累，可以提高秸稈產(chǎn)甲烷的效率。張應(yīng)鵬[10]等對(duì)沼液全量回流的研究表明，氨氮含量下降及鹽濃度增加會(huì)對(duì)厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)生抑制，但未對(duì)腐殖酸類物質(zhì)積累的抑制機(jī)理和緩解抑制措施進(jìn)行研究。為優(yōu)化沼液回流工藝，本研究以水稻秸稈為原料，采用CSTR(continuous stirred tank reactor)裝置進(jìn)行半連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)，分析沼液全量回流對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵過程的影響。針對(duì)沼液回流過程中可能抑制產(chǎn)氣的影響因子氮素和腐殖酸進(jìn)行研究，找出緩解其抑制產(chǎn)氣的方法。為突破沼液回流工藝的瓶頸、實(shí)現(xiàn)沼液“零”排放、保證秸稈沼氣工程長(zhǎng)效運(yùn)行提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

水稻秸稈取自蕪湖市近郊農(nóng)田，自然晾曬后，機(jī)械粉碎至1mm左右，于干燥陰涼處備用。秸稈總固體(total solid,TS)為91.87%，揮發(fā)性固體(volatile solid,VS)為83.07%。接種物為豬糞水與蕪湖市某城市污水處理廠二沉池污泥經(jīng)馴化后的混合物，豬糞取自蕪湖市近郊養(yǎng)殖戶。接種物TS為2.8%，VS為48.22%。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

半連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)裝置采用有機(jī)玻璃制作的完全混合攪拌反應(yīng)器(CSTR)，內(nèi)徑20cm，高40cm，總?cè)莘e為12.5L，有效容積為10L。反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)有垂直攪拌器，攪拌軸上方高頻電機(jī)連接定時(shí)器開關(guān)，上部設(shè)有進(jìn)料口，下部有出料口。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

半連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)采用3套規(guī)格相同的CSTR做平行實(shí)驗(yàn)，在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中秸稈初始TS為5%，接種比30%，水力停留時(shí)間HRT(hydraulic retention time)為18d。在中溫條件(37±1)℃下水浴加熱，采用間歇式攪拌，發(fā)酵罐每隔3h以40r/min的速度攪拌15min。

半連續(xù)厭氧發(fā)酵試驗(yàn)共分三個(gè)階段：第一階段為啟動(dòng)階段，時(shí)間為0～28天；第二階段為沼液回流半連續(xù)發(fā)酵階段，時(shí)間為29～132天，每天進(jìn)出料一次，每日出料550mL，過0.85mm孔徑篩網(wǎng)后所得的全部沼液加入29g稻秸(干重)，混勻后投入發(fā)酵罐內(nèi)進(jìn)行發(fā)酵，若過篩所得沼液體積不足550mL，用清水補(bǔ)足后進(jìn)料；第三階段為緩解措施驗(yàn)證階段，時(shí)間為133～165天，為減緩因氮素缺失及腐殖酸累積產(chǎn)生的抑制，分別以尿素和氯化鈣為外添加源，每日測(cè)定產(chǎn)氣量，每隔5天測(cè)量一次沼液中總氮、總磷、COD、pH值及揮發(fā)性脂肪酸、腐殖酸含量。

1.4 測(cè)定指標(biāo)及方法

TS采用105℃烘24h，差重法測(cè)定；VS采用550℃馬弗爐灼燒4h，差重法測(cè)定；產(chǎn)氣量采用排水法測(cè)定；pH值使用便攜式測(cè)定儀(上海三信，SX751)；COD采用快速消解分光光度法測(cè)定(HJ/T 399—2007)；總氮測(cè)定采用堿性過硫酸鉀紫外分光光度法(HJ 636—2012)；總磷采用鉬酸銨分光光度法[11]；揮發(fā)性脂肪酸總量VFA用比色法測(cè)定[12]；腐殖酸按照NYT 1971—2010水溶肥料腐殖酸含量的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 沼液回流對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程的影響

圖1 日產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化Fig.1 Changes of daily biogas yield over time

2.1.1 沼液回流對(duì)秸稈產(chǎn)氣的影響 沼液回流對(duì)秸稈產(chǎn)氣的影響如圖1所示。0～28天為啟動(dòng)階段，由于接種物活性低，導(dǎo)致啟動(dòng)階段前期酸化，用4mol/L NaOH溶液調(diào)pH至7左右，產(chǎn)氣量逐漸恢復(fù)，在第18天時(shí)，日產(chǎn)氣量達(dá)到最大11000mL左右，后呈下降趨勢(shì)。28～132天進(jìn)行半連續(xù)進(jìn)料階段，隨著每日稻秸的進(jìn)料，日產(chǎn)氣量逐漸恢復(fù)，在第31天時(shí)日產(chǎn)氣量達(dá)到峰值8600mL。45～100天日產(chǎn)氣量處于穩(wěn)定階段，產(chǎn)氣量在6500mL上下波動(dòng)，100天以后日產(chǎn)氣量逐漸下降，到第132天半連續(xù)發(fā)酵試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，日產(chǎn)氣量為3400mL，降至峰值的一半以下。以上結(jié)果說明：短時(shí)間內(nèi)沼液回流對(duì)厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣過程有促進(jìn)作用，沼液長(zhǎng)時(shí)間回流會(huì)對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)氣產(chǎn)生明顯抑制作用。

2.1.2 沼液回流對(duì)pH值、發(fā)酵液COD及VFA濃度的影響 沼液回流對(duì)pH值的影響如圖2所示。從圖2可以看出，從28到132天，發(fā)酵液的pH值從7.36增加到7.72，這可能是由于沼液回流時(shí)回流了濃度較高沼液的原因。沼液回流對(duì)發(fā)酵液COD、VFA濃度的影響如圖3所示。從圖3可以看出，沼液回流后，在28～100天期間，發(fā)酵液COD從2200mg/L增加到10662mg/L；發(fā)酵液VFA的濃度隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行一直維持在1700mg/L左右，這是由于在此期間，產(chǎn)酸菌產(chǎn)VFA的速率與產(chǎn)甲烷菌利用VFA的速率相當(dāng)，所以出現(xiàn)了VFA濃度穩(wěn)定的現(xiàn)象。在100～132天期間，COD下降。對(duì)比產(chǎn)氣變化可以發(fā)現(xiàn)，回流后期產(chǎn)氣受抑制，說明沼液長(zhǎng)期回流時(shí)，厭氧微生物生長(zhǎng)繁殖受到不利影響；而VFA濃度有一個(gè)小幅度的上升，出現(xiàn)VFA累積現(xiàn)象，這與傅國(guó)志[13]在論文中提到的高回流比條件下會(huì)產(chǎn)生揮發(fā)性脂肪酸累積抑制產(chǎn)氣的結(jié)果一致。

圖2 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)酵液pH的變化Fig.2 Changes of pH during the experiments

圖3 實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)酵液COD及VFA濃度的變化Fig.3 Changes of COD and VFA concentration during the experiments

2.1.3 沼液回流對(duì)發(fā)酵液中總磷及總氮濃度的影響 沼液回流對(duì)發(fā)酵液中總磷及總氮濃度的影響如圖4所示。由圖4可以看出，在沼液回流期間厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的總氮和總磷呈緩慢下降趨勢(shì)。在28～132天期間，沼液中總氮的濃度從263mg/L下降到93mg/L；沼液中總磷的濃度從208mg/L下降到20mg/L。這與張應(yīng)鵬[10]等的研究結(jié)論相一致。這可能是由于秸稈本身氮磷含量并不高，是富含碳素的原料，而厭氧發(fā)酵體系中微生物的生長(zhǎng)繁殖需要大量的氮磷元素的供給，因此出現(xiàn)了體系內(nèi)氮磷含量呈下降的趨勢(shì)。

2.1.4 沼液回流對(duì)發(fā)酵液中腐殖酸濃度的影響 沼液回流對(duì)發(fā)酵液中腐殖酸濃度的影響如圖5所示。由圖5可知，在實(shí)驗(yàn)28～132天期間，腐殖酸濃度(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))總體上呈上升趨勢(shì)，從0.0094%上升至0.234%。在100～132天期間，腐殖酸濃度升高的階段正好與產(chǎn)氣量下降階段相吻合，說明腐殖酸濃度對(duì)厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣效率有一定的抑制作用。這與郝曉地[14]及任冰倩[15]的研究結(jié)論相一致：腐殖酸本身含有的含氧官能團(tuán)會(huì)對(duì)水解、發(fā)酵細(xì)菌分泌的胞外水解酶產(chǎn)生吸附、絡(luò)合作用，導(dǎo)致水解酶與其它有機(jī)物接觸并使其水解的機(jī)會(huì)大為減少，從而抑制厭氧消化過程產(chǎn)甲烷。

圖4 總磷及總氮濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Changes of total phosphorus and total nitrogen concentration over time

圖5 腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化Fig.5 Changes of humic acid content over time

2.2 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)沼液全量回流產(chǎn)氣性能的影響

2.2.1 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)日產(chǎn)氣量的影響 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)日產(chǎn)氣量的影響如圖6所示。由圖6可知，在133～165天，未進(jìn)行處理的對(duì)照組產(chǎn)氣量仍在下降，165天時(shí)，日產(chǎn)氣量穩(wěn)定在3000mL；進(jìn)行補(bǔ)氮及補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理的試驗(yàn)組經(jīng)過處理后日產(chǎn)氣量迅速恢復(fù)，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣組比補(bǔ)氮組日產(chǎn)氣量恢復(fù)的更高，在165天時(shí)，補(bǔ)氮組日產(chǎn)氣量為7500mL，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣組日產(chǎn)氣量8650mL。補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理后，日產(chǎn)氣量有兩個(gè)明顯的峰值，這是由于試驗(yàn)過程中，間歇補(bǔ)充尿素和氯化鈣的原因，在補(bǔ)充尿素和氯化鈣后，日產(chǎn)氣量會(huì)有小幅度的增加。

2.2.2 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)pH的影響 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)pH的影響如圖7所示。從圖7可以看出，對(duì)照組與處理組pH最開始為8.00左右，165天時(shí)，補(bǔ)氮處理后的pH值維持在8.24，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理后的pH為8.16，對(duì)照組pH為8.86。pH變化對(duì)厭氧消化過程中微生物的影響非常顯著，與厭氧發(fā)酵體系內(nèi)的微生物生命活動(dòng)、物質(zhì)代謝有著密不可分的聯(lián)系，是影響氫化酶活性、代謝途徑、產(chǎn)氫細(xì)菌活性和發(fā)酵產(chǎn)氫的重要因素。當(dāng)pH值為6.8～7.2時(shí)，產(chǎn)甲烷菌活性最高，當(dāng)pH值超出最適范圍產(chǎn)甲烷菌活性隨之下降[16]。對(duì)照組的pH超出了產(chǎn)甲烷菌的最適范圍，經(jīng)過補(bǔ)氮、補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理后的試驗(yàn)組pH有所下降，結(jié)合產(chǎn)氣情況說明補(bǔ)氮、補(bǔ)氮補(bǔ)鈣確實(shí)能在一定程度上緩解厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣抑制情況。

圖6 日產(chǎn)氣量隨時(shí)間變化Fig.6 Changes of daily biogas yield over time

圖7 沼液中pH隨時(shí)間的變化Fig.7 Changes of pH during the experiments

2.2.3 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)發(fā)酵液中COD的影響 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)發(fā)酵液中COD的影響如圖8所示。從圖8可以發(fā)現(xiàn)，在133～165天期間，對(duì)照組的COD從8850mg/L減少到6064mg/L，補(bǔ)氮處理組COD從8900mg/L上升到11000mg/L，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理組COD從8855mg/L上升到12394mg/L。對(duì)照組COD降低，這是因?yàn)檎右洪L(zhǎng)期全量回流使得厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中的微生物活性降低，對(duì)水稻秸稈的水解作用減弱，使得COD減少，這也說明了對(duì)照組產(chǎn)氣抑制仍在繼續(xù)。而補(bǔ)氮、補(bǔ)氮補(bǔ)氯化鈣則促進(jìn)了厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的水解酸化作用，從而使COD增多，增加了厭氧消化微生物可以利用的底物，使得產(chǎn)氣得以恢復(fù)。

2.2.4 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸的影響 補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理對(duì)發(fā)酵液中揮發(fā)性脂肪酸的影響如圖9所示。由圖9可以發(fā)現(xiàn)，在133～165天期間，對(duì)照組的揮發(fā)性脂肪酸濃度從2106mg/L增加到2980mg/L，補(bǔ)氮處理組揮發(fā)性脂肪酸濃度從2026mg/L增加到2600mg/L，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理組從2151mg/L增加到2543mg/L。Siegert等[17]研究表明，甲烷菌比水解菌對(duì)VFA質(zhì)量濃度變化更敏感，總VFA質(zhì)量濃度超過6000mg/L會(huì)抑制產(chǎn)氣并降低甲烷含量。結(jié)合產(chǎn)氣量可以發(fā)現(xiàn)，與對(duì)照組相比，補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理后的厭氧發(fā)酵系統(tǒng)內(nèi)揮發(fā)性脂肪酸含量增加緩慢，產(chǎn)甲烷能力仍然維持在一個(gè)較高的程度。

圖8 沼液中COD隨時(shí)間的變化Fig.8 Changes of COD during the experiments

圖9 沼液中VFA濃度隨時(shí)間的變化Fig.9 Changes of VFA concentration over time

3 結(jié) 論

(1)沼液全量回流對(duì)秸稈厭氧發(fā)酵過程產(chǎn)氣形成一定的抑制，在沼液回流100天后產(chǎn)氣抑制明顯，在第132天試驗(yàn)結(jié)束時(shí)日產(chǎn)氣量維持在3400mL；對(duì)pH、COD、VFA濃度影響較小；對(duì)總氮、總磷濃度、腐殖酸濃度影響較大，在28～132天期間，氮素濃度從263mg/L下降到93mg/L，腐殖酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.0094%上升至0.234%。

(2)經(jīng)過補(bǔ)氮補(bǔ)鈣處理，在133～165天期間，補(bǔ)充尿素后日產(chǎn)氣量由3400mL上升到7500mL；補(bǔ)充尿素和氯化鈣以后日產(chǎn)氣量由3400mL迅速上升到8650mL，在試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，與對(duì)照組相比產(chǎn)氣量分別提高了1.5倍和1.8倍。說明補(bǔ)充尿素、氯化鈣能緩解氮素缺乏、腐殖酸累積產(chǎn)生的抑制作用，對(duì)恢復(fù)日產(chǎn)氣量有很強(qiáng)的促進(jìn)作用。