滲濾液回流次數(shù)對(duì)秸稈厭氧干式發(fā)酵技術(shù)的影響研究

姜 巖，殷安全，蔡 超，夏曉芳，師曉爽

(1.青島水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266002；2中國(guó)海洋大學(xué) 醫(yī)藥學(xué)院，山東 青島 266071; 3.青島中科華通能源工程有限公司，山東 青島 266101；4.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101)

滲濾液回流次數(shù)對(duì)秸稈厭氧干式發(fā)酵技術(shù)的影響研究

姜 巖1，殷安全1，蔡 超2，夏曉芳3，師曉爽*4

(1.青島水務(wù)集團(tuán)有限公司，山東 青島 266002；2中國(guó)海洋大學(xué) 醫(yī)藥學(xué)院，山東 青島 266071; 3.青島中科華通能源工程有限公司，山東 青島 266101；4.中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所，山東 青島 266101)

通過(guò)小試規(guī)模實(shí)驗(yàn)研究了秸稈厭氧干發(fā)酵滲濾液回流次數(shù)對(duì)產(chǎn)氣量的影響，比較了發(fā)酵過(guò)程中氨氮、pH值、揮發(fā)性脂肪酸等理化性質(zhì)指標(biāo)的變化。研究結(jié)果表明，在中溫35℃、接種物與原料的揮發(fā)性固體比為0.4:1條件下，發(fā)酵57天，回流次數(shù)為1、2和4時(shí)反應(yīng)器的產(chǎn)氣量顯著提升，滲濾液各項(xiàng)理化性質(zhì)呈現(xiàn)出顯著差異。

秸稈；厭氧干發(fā)酵；滲濾液回流；產(chǎn)氣量

Effects of Recycle Times of Leachate to Straw Dry-anaerobic Fermentation

JiangYan1,YinAnquan1,CaiChao2,XiaXiaofang3,ShiXiaoshuang*4

(1. Qingdao Water Group Co.， Ltd., Qingdao 266002,China; 2. School of Medicine and Pharmacy, Ocean University

of China, Qingdao 266071,China;3.Tsingtao CASHT Energy & Engineering Co.,Ltd.,Qingdao 266101,China;

4. Qingdao Institute of BioEnenergy & Bioprocess Technology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266101,China)

秸稈厭氧干發(fā)酵是秸稈厭氧發(fā)酵工藝中的一種，具有處理量大、池容產(chǎn)氣率高、二次污染少的優(yōu)點(diǎn)[1]，但是干發(fā)酵又存在初期啟動(dòng)緩慢、過(guò)程傳質(zhì)不均、局部有機(jī)酸過(guò)量積累和滲濾液污染強(qiáng)度高等問(wèn)題[2]。研究表明，對(duì)干發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)生的滲濾液進(jìn)行回流可有效解決上述問(wèn)題[3]，我國(guó)學(xué)者對(duì)干式厭氧發(fā)酵滲濾液回流的實(shí)驗(yàn)室模擬研究多集中在垃圾填埋場(chǎng)，在秸稈厭氧消化領(lǐng)域的研究并不多[4-5]。因此，本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)室模擬了秸稈干發(fā)酵滲濾液回流次數(shù)對(duì)產(chǎn)氣的影響，評(píng)價(jià)產(chǎn)氣效果，監(jiān)測(cè)理化性質(zhì)指標(biāo)的變化，為大型發(fā)酵工程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供一定的參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

發(fā)酵原料：實(shí)驗(yàn)所用的秸稈取自青島城陽(yáng)郊區(qū)，自然風(fēng)干后，過(guò)40目篩，篩上部分儲(chǔ)存?zhèn)溆?。接種物是消化污泥與牛糞的混合物。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。此反應(yīng)器為聚乙烯樹(shù)脂材料，總?cè)莘e5L，有效容積為4L。反應(yīng)器密封保持嚴(yán)格的厭氧環(huán)境。底部鋪兩層紗布，防止濾液生成過(guò)程中的秸稈粉末堵塞旋轉(zhuǎn)布水器。通過(guò)循環(huán)水浴加熱，溫度保持在35±2℃左右。厭氧發(fā)酵產(chǎn)生的氣體從反應(yīng)器頂部的導(dǎo)氣管排出，經(jīng)過(guò)濕式氣體流量計(jì)計(jì)量產(chǎn)氣體積。外部通過(guò)泵將反應(yīng)器底部的瀝出液循環(huán)至頂部，進(jìn)行噴淋。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)分三組，對(duì)應(yīng)三個(gè)反應(yīng)器，分別為回流一次(R1)、回流兩次(R2)和回流四次(R4)，總固體(TS)含量為18.4%，接種物與原料的VS比為0.4:1。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。實(shí)驗(yàn)采用中溫35℃厭氧發(fā)酵，每日嚴(yán)格定時(shí)用泵為反應(yīng)器循環(huán)滲濾液，每次10min(泵的流速為160 mL/min)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)發(fā)酵完全。

表1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.4 分析檢測(cè)項(xiàng)目與方法

2 結(jié)果與討論

2.1 不同回流次數(shù)下的產(chǎn)氣特性比較

圖2 不同回流次數(shù)日產(chǎn)氣量和累計(jì)產(chǎn)氣量的變化

厭氧發(fā)酵持續(xù)57天，R1持續(xù)51天結(jié)束。如圖2所示，R1和R2的單位日產(chǎn)氣量先快速增長(zhǎng)后降低，R1的單位日產(chǎn)氣量在發(fā)酵第5d達(dá)到最高點(diǎn)，為5.93 mL/gVS；R2和R4均在發(fā)酵第2d達(dá)到最高點(diǎn)，分別為9.40 mL/gVS、17.60 mL/gVS。這說(shuō)明增加回流次數(shù)可以提高發(fā)酵啟動(dòng)階段的產(chǎn)氣量，縮短啟動(dòng)時(shí)間。自發(fā)酵14d后，回流次數(shù)的變化對(duì)發(fā)酵罐并沒(méi)有很大的影響；30d后，三個(gè)發(fā)酵罐均為每天回流一次，對(duì)產(chǎn)氣結(jié)果影響較小。

三個(gè)反應(yīng)器的累計(jì)產(chǎn)氣量差距比較明顯，見(jiàn)圖2。其中R4的累計(jì)產(chǎn)氣量最高，為195.83 mL/gVS，其次為R2的累計(jì)產(chǎn)氣量，為164.25 mL/gVS，最后為R1的累計(jì)產(chǎn)氣量，為79.91 mL/gVS，僅為R4和R2累計(jì)產(chǎn)氣量的40.8%和48.7%。這可能是與干發(fā)酵在傳質(zhì)傳熱方面受到了局限有關(guān)。反應(yīng)器在回流四次的條件下傳質(zhì)比較均勻，增加了微生物、底物和水分間的接觸，從而促進(jìn)了底物的降解，提高了沼氣產(chǎn)量[7]。

圖3 不同回流次數(shù)日產(chǎn)甲烷量和累計(jì)產(chǎn)甲烷量的變化

不同回流次數(shù)下三個(gè)反應(yīng)器的日產(chǎn)甲烷量和累計(jì)甲烷量變化如圖3所示。各組的日產(chǎn)甲烷量的變化趨勢(shì)同日產(chǎn)氣量的變化趨勢(shì)相同。增加回流次數(shù)同樣使得累計(jì)產(chǎn)甲烷量提高。R1、R2和R4的累計(jì)產(chǎn)甲烷量的大小順序?yàn)镽4>R2>R1，其值分別為128.72、105.64和56.62 mL/gVS。通過(guò)計(jì)算得出各組的甲烷濃度，R1、R2和R4的平均甲烷濃度分別為62.79%、60.55%和62.88%，與許多研究相差不多[8]，可以保證沼氣燃燒的品質(zhì)。

2.2 不同回流次數(shù)下滲濾液氨氮的變化

圖4 不同回流次數(shù)下氨氮的變化

2.3 不同回流次數(shù)下滲濾液pH值與VFAs的變化

如圖5所示，各組pH值在發(fā)酵過(guò)程中均處在6.0～7.3之間，但是在發(fā)酵初期的變化較為強(qiáng)烈。發(fā)酵過(guò)程中產(chǎn)酸相與產(chǎn)甲烷相的動(dòng)態(tài)平衡會(huì)導(dǎo)致pH值的變化。反應(yīng)器R1從發(fā)酵第1d開(kāi)始直到結(jié)束，pH值一直處在產(chǎn)甲烷菌最適宜的范圍內(nèi)6.6～7.2，說(shuō)明反應(yīng)器底部的滲濾液沒(méi)有酸化，可能是由于滲濾液回流量過(guò)少，沒(méi)有充足的有機(jī)質(zhì)進(jìn)行厭氧發(fā)酵，導(dǎo)致發(fā)酵不均勻，從而造成產(chǎn)氣率低；R2從發(fā)酵第1d開(kāi)始pH值迅速下降，到第4d之后又緩慢上升，此后維持正常，可以明顯看出，R2在發(fā)酵初期出現(xiàn)了微小的酸化，但是通過(guò)滲濾液的回流調(diào)節(jié)了pH值。R4的pH值在發(fā)酵前期的變化趨勢(shì)與R2相似，但是沒(méi)有出現(xiàn)酸化現(xiàn)象，而且在發(fā)酵后期一直處于相對(duì)較高水平。R4滲濾液回流量較大，有機(jī)質(zhì)溶出后又被較好的利用，即產(chǎn)酸相和產(chǎn)甲烷相得到了動(dòng)態(tài)的平衡，從而使得R4產(chǎn)氣率最高。

圖5 不同回流次數(shù)下pH值的變化

TVFAs的變化趨勢(shì)如圖6所示。從圖a中可以看出，在發(fā)酵期間TVFAs的濃度變化都是先增加后減小。R2的TVFAs濃度最高達(dá)到了3000 mg/L左右，這也與pH值顯示的酸化結(jié)果是一致的。R4的TVFAs濃度變化一直處在2000～1000 mg/L之間，R1一直維持在1000 mg/L左右，表明TVFAs的質(zhì)量濃度是影響滲濾液pH值的主要因素。

a.總揮發(fā)性脂肪酸；b.乙酸；c.丙酸；d.丁酸

圖b、c、d分別代表了乙酸、丙酸和丁酸的濃度變化。R1各酸的濃度水平均處在500 mg/L以下，說(shuō)明由于滲濾液回流量的不足，導(dǎo)致反應(yīng)器內(nèi)部水解無(wú)法進(jìn)行，從而限制了厭氧發(fā)酵過(guò)程。R2在發(fā)酵中產(chǎn)生了較高濃度的丙酸，有關(guān)研究表明，丙酸降解速度低[9]，這也可能導(dǎo)致了R2產(chǎn)氣量不高。對(duì)R4來(lái)說(shuō)，乙酸濃度從發(fā)酵開(kāi)始逐漸降低，而丙酸、丁酸的濃度開(kāi)始濃度小，之后增加大最大值后下降，且丁酸濃度比丙酸要小。

2.4 不同回流次數(shù)下秸稈TS、VS去除率和纖維素降解率

發(fā)酵結(jié)束后，三組實(shí)驗(yàn)的TS、VS降解率及秸稈的木質(zhì)纖維素降解情況如表2所示。VS是厭氧發(fā)酵過(guò)程中微生物的物質(zhì)來(lái)源，VS的降解率最能反映原料的利用程度，從而能夠判定產(chǎn)氣效果。R4的TS、VS降解率最高，其次是R2，最低為R1，這與厭氧發(fā)酵的產(chǎn)氣結(jié)果是一致的。這說(shuō)明，底物利用率越高，產(chǎn)氣效果越明顯。此外，回流次數(shù)增加，纖維素和半纖維素降解率也會(huì)有不同程度的提高。

表2 發(fā)酵前后TS、VS及纖維素降解率的變化

Table 2 TS、VS and Lignocellulose content efficiency before and after anaerobic digestion

表2(續(xù))

3 結(jié)論

在秸稈厭氧干發(fā)酵中，提高滲濾液回流次數(shù)能夠顯著增加產(chǎn)氣效果，其中回流次數(shù)為4的R4反應(yīng)器產(chǎn)氣量最高(195.83 mL/gVS)；整個(gè)發(fā)酵過(guò)程中三組的平均甲烷濃度為60%左右，可以保證沼氣燃燒的品質(zhì)，氨氮濃度均在正常水平；回流次數(shù)的增加會(huì)使發(fā)酵過(guò)程中pH保持相對(duì)穩(wěn)定，避免酸積累問(wèn)題，TS、VS、纖維素、半纖維素降解率也得到提高。

[1] Bolzonella D，Pavan P，Mace S，et al．Dry anaerobic digestion of differently sorted organic municipal solid waste：A full-scale experience[J]．Water Science Technology，2000，53(8)：23-32．

[2] 朱德文，曹成茂，陳永生，等. 秸稈厭氧干發(fā)酵產(chǎn)沼氣關(guān)鍵技術(shù)及問(wèn)題探討[J]. 中國(guó)農(nóng)機(jī)化，2011(4)：56-59.

[3] 徐 霄，葉小梅，常志州，等. 秸稈干式厭氧發(fā)酵滲濾液回流技術(shù)研究[J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，28(6)：1273-1278.

[4] 徐迪民，李國(guó)建，于曉華，等. 垃圾滲濾水填埋場(chǎng)回灌的影響因素[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，23(4)：371-375.

[5] Chana G Y S，Chu L M，Wong M H. Effects of leachate recirculation on biogas production from landfill co-disposal of municipal solid waste，sewage sludge and marine sediment[J].Environmental Pollution，2002，118：393-399.

[6] Goering H K，Van Soest P S. Forage fiber analysis USDA-ARS agric[M]. Washington：Gov Print，1971：387-598.

[7] 李啟彬，劉 丹，歐陽(yáng)峰. 城市垃圾處理的新動(dòng)向-生物反應(yīng)器填埋場(chǎng)技術(shù)[J]. 城市環(huán)境與城市生態(tài)，2001，14(1)：24-27.

[8] 陳廣銀，鄭 正，常志州，等. 不同氮源對(duì)麥稈厭氧消化過(guò)程的影響[J]. 中國(guó)環(huán)境科學(xué)，2011，31(1)：73-77．

[9] 李紅麗，曹霏霏，王 巖. 揮發(fā)性脂肪酸對(duì)厭氧干式發(fā)酵產(chǎn)甲烷的影響[J]. 環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2014，8(6)：2572-2578.

(本文文獻(xiàn)格式：姜 巖，殷安全，蔡 超.滲濾液回流次數(shù)對(duì)秸稈厭氧干式發(fā)酵技術(shù)的影響研究[J].山東化工，2016，45(16)：217-220.)

straw; dry-anaerobic fermentation; leachate recycle; biogas production

2016-06-21

"十二五"農(nóng)村領(lǐng)域國(guó)家科技計(jì)劃課題 (2015BAL04B02)

姜 巖(1972—)，山東青島人，青島水務(wù)集團(tuán)有限公司安全生產(chǎn)與服務(wù)部，工學(xué)學(xué)士；師曉爽(1982—)，女，山東濟(jì)南人，中國(guó)科學(xué)院青島生物能源與過(guò)程研究所助理研究員，博士，主要從事環(huán)境科學(xué)研究，E-mail：shixs@qibebt.ac.cn。

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1008-021X(2016)16-0217-04