秸稈高固厭氧發(fā)酵回流液剖面滲濾特性

黑昆侖，常志州，陳廣銀，葉小梅※，張應(yīng)鵬

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站，南京 210014）

秸稈高固厭氧發(fā)酵回流液剖面滲濾特性

黑昆侖1,2，常志州2，陳廣銀2，葉小梅1,2※，張應(yīng)鵬1,2

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站，南京 210014）

探明秸稈高固厭氧發(fā)酵回流液剖面滲濾特征，對提高秸稈高固厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣效率十分重要。該研究以搓揉麥秸為底物，在(37±1) ℃、TS為14%的發(fā)酵條件下，通過隔板將發(fā)酵罐中物料均分成3層（T1）、2層（T2）與不分層（T3）3個處理，以氯化鋰為示蹤劑，分析了剖面上物料殘留鋰離子、物料胞外多聚物（extracellular polymeric substances, EPS）含量、各處理產(chǎn)氣以及發(fā)酵前后物料濕容重的變化。結(jié)果表明：各處理總產(chǎn)氣量、累積總固體產(chǎn)氣量與甲烷含量差異不顯著；不同處理縱剖面各層物料濕容重，呈現(xiàn)上低下高的趨勢，其中T3處理物料濕容重隨高度的降低先增加后基本穩(wěn)定，穩(wěn)定在0.6 g/cm3左右，大于初始發(fā)酵物料濕容重0.58 g/cm3；T1、T2、T3剖面殘留鋰離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于2 mg/kg的區(qū)域面積占比為2.32%、12.69%、20.66%，表明3個處理回流液淋濾存在著“回流液死區(qū)”，EPS等值線圖與物料殘留鋰離子等值線圖相互印證，表明秸稈高固厭氧發(fā)酵中，回流液的淋濾在剖面上表現(xiàn)出非均態(tài)性特性。該研究為改善秸稈高固厭氧發(fā)酵回流液回流技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。

秸稈；發(fā)酵；沼氣；滲濾；高固體厭氧發(fā)酵；離子示蹤

黑昆侖，常志州，陳廣銀，葉小梅，張應(yīng)鵬. 秸稈高固厭氧發(fā)酵回流液剖面滲濾特性[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2017，33(7)：220－226.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.029 http://www.tcsae.org

Hei Kunlun, Chang Zhizhou, Chen Guangyin, Ye Xiaomei, Zhang Yingpeng. Characteristic of leachate distribution at profile in straw anaerobic digestion with high solid content[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(7): 220－ 226. (in Chinese with English abstract)doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.029 http://www.tcsae.org

0 引 言

厭氧發(fā)酵是一種常見的有機固體廢棄物處理處置技術(shù)途徑，具有能耗低、條件溫和、可回收能源等優(yōu)點，根據(jù)初始發(fā)酵物料中總固體（total solid, TS）的含量，分為濕發(fā)酵（TS≤10%）、干發(fā)酵（TS≥20%）、高固體發(fā)酵（10%＜TS＜20%）[1-5]。相比于濕發(fā)酵，高固體發(fā)酵具有處理負(fù)荷大、過程需水少、發(fā)酵裝置體積小、固定投資低、運行成本低等優(yōu)點，逐漸成為研究熱點[6-7]。然而高固體發(fā)酵物料濃度高、自由水少、傳質(zhì)傳熱困難、物料發(fā)酵不均勻等問題制約高固體發(fā)酵技術(shù)廣泛應(yīng)用[8-9]。

回流發(fā)酵罐底部的液體既可促進微生物、物料、水分相互作用又能增強發(fā)酵罐內(nèi)部傳質(zhì)，營造適宜微生物生存的環(huán)境，是一種常用的提高厭氧發(fā)酵效率的手段[10-12]。徐霄等[13]研究指出：在中溫、TS=18%的條件下，實驗室裝置中不同回流量處理間差異不顯著，同時指出在中溫、TS=20%條件下，每天回流、產(chǎn)氣趨勢下降后回流以及兩相回流 3種方法產(chǎn)氣量相比對照均有提高，且以產(chǎn)氣趨勢下降后回流法效果最好。杜靜等[14]研究表明：在厭氧干發(fā)酵中試驗中，鋪設(shè)導(dǎo)氣管以及采取回流液回流措施可以明顯提高原料產(chǎn)氣率，且回流液每天回流比產(chǎn)氣量下降后回流效果好。國外研究者常采用數(shù)學(xué)建模的方法來模擬回流液在發(fā)酵底物中的淋濾過程，其結(jié)果艱深晦澀，較少有實際應(yīng)用價值[15-17]。

本試驗借鑒離子示蹤法[18]，以氯化鋰為示蹤劑，采用等值線圖分析了剖面上物料殘留鋰離子和物料胞外多聚物含量的變化，以表征回流液在物料中的滲濾情況；同時分析了各處理產(chǎn)氣和發(fā)酵前后物料濕容重的變化。以期為闡明秸稈高固厭氧發(fā)酵條件下回流液滲濾特征，為改善回流液回流技術(shù)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用的小麥秸稈來自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥試驗田，自然風(fēng)干后搓揉成2～3 cm放于陰涼處備用。秸稈TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為87.50%±0.01%，揮發(fā)性固體（volatile solid, VS）質(zhì)量分?jǐn)?shù)為90.50%±0.12%，碳氮比（C/N）為69.22。試驗所用的接種污泥來自宜興某養(yǎng)豬場沼氣池出料，實驗室馴化后使用，污泥 TS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 5.63%± 0.02%，VS質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.78%±0.23%。

1.2 試驗裝置

試驗裝置為直徑16 cm、高55 cm 有效容積10 L的圓柱形有機玻璃發(fā)酵罐，底部有直徑16 cm、高5 cm的支架，外有水浴套，其后接排水瓶和集氣瓶，如圖1所示。

圖1 發(fā)酵罐示意圖Fig.1 Schematic diagram of anaerobic fermentation device

發(fā)酵罐內(nèi)包含發(fā)酵內(nèi)膽，是由2個直徑14 cm、高40 cm的半圓柱狀有機玻璃管左右拼接而成，底部嵌套多孔板，內(nèi)壁不同高度處設(shè)有凸起點，用于固定分隔板。發(fā)酵內(nèi)膽恰好可以放于發(fā)酵罐底部的支架上，支架下的空間用于收集回流液，如圖2所示。

圖2 發(fā)酵內(nèi)膽示意圖Fig.2 Schematic diagram of inner fermentation tank

此發(fā)酵罐一共 3套，其中一套的發(fā)酵內(nèi)膽在縱向高度13、26 cm處固定2個分隔板，將發(fā)酵物料等分3層，記為處理1（T1），第2套的發(fā)酵內(nèi)膽在縱向高度20 cm處固定分隔板，將發(fā)酵物料等分2層，記為處理2（T2），分隔板上有大量小孔，可使回流液順利流下，分隔板卡在內(nèi)壁凸起點上，支撐其上的物料。第 3套的發(fā)酵內(nèi)膽不放分隔板，記為處理3（T3）。

1.3 試驗方案

以搓揉后小麥秸稈為底物，每個發(fā)酵罐裝料總干物質(zhì)為600 g，總濕質(zhì)量為4.2 kg，接種質(zhì)量比為32%，折總固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%（TS=14%），T1、T2處理各層干物質(zhì)質(zhì)量分別為200、300 g。將發(fā)酵裝置放入發(fā)酵罐內(nèi)，密封發(fā)酵罐，開始試驗，計算得此時物料濕容重為0.58 g/cm3。試驗期間每天回流，以排水法測定發(fā)酵罐每日產(chǎn)氣量，每日取氣體樣品測定甲烷含量，發(fā)酵溫度為(37±1) ℃。

發(fā)酵30 d后，處理T1、T2、T3分別用400 mL含100 mg/L的氯化鋰溶液（由前期預(yù)試驗確定）代替回流液回流 1次，當(dāng)物料底部不再有水滴下時，認(rèn)為回流液下滲過程完成。取出發(fā)酵裝置，立即放入冰柜冷凍，冷凍后取出物料柱，并將物料柱沿高度方向切分兩半，得到物料剖面，T1、T2、T3處理所得到的物料剖面分別記為T1、T2、T3剖面。以物料柱底面直徑為X軸，剖面高度為Y軸，物料底面直徑的端點為原點（O），建立坐標(biāo)系（X-O-Y），在X=0、7、10.5 cm與Y=2.5、7.5、12.5、17.5、22.5、27.5、32.5、37.5 cm的交點處（共24個）取樣，同時沿Y軸每5 cm一層將物料柱分層，從下到上依次記為第1層（0～5 cm）、第2層（5～10 cm）、第3層（10～15 cm）、第4層（15～20 cm）、第5層（20～25 cm）、第6層（25～30 cm）、第7層（30～35 cm）、第8層（35～40 cm）。物料剖面、物料分層及取樣點如圖3所示。

圖3 物料柱剖面及取樣位置示意圖Fig.3 Schematic diagram of fermentation substrate profile and sampling position

物料柱分層完成后，以排水法測得該層物料體積，電子天平稱量質(zhì)量，計算出該層濕容重。同時測定物料樣品殘留鋰離子含量以及物料胞外多聚物（extracellular polymeric substances, EPS）含量。

1.4 分析方法

1.4.1 物料中殘留鋰離子待測液的制備、測定

以1∶5固水比、180 r/min 振蕩30 min得到樣品浸提液，取2 mL浸提液于三角瓶中加入10 mL硝酸（優(yōu)級純）放于電熱板消煮，待消解至澄清透明后，再消解30 min。取下冷卻，超純水定容至100 mL，得到樣品殘留鋰離子待測液，發(fā)酵液鋰離子背景值待測液制備方法同上。待測液鋰離子的測定采用美國熱電iCAPQ電感耦合等離子體質(zhì)譜儀測定，工作條件：功率1 548 W；冷卻氣流量13.80 L/min；輔助氣流速0.79 L/min；等離子體氣流速 0.98 L/min；氦氣流量 5.0 mL/min；樣品提升量0.1 mL/min；重復(fù)采樣3次。

1.4.2 物料中胞外多聚物（EPS）的提取、測定

樣品胞外多聚物采用8%的硫酸提取[19-20]，多糖采用硫酸—苯酚法測定，蛋白質(zhì)、核酸含量采用紫外—可見分光光度計（Lambda35 UV/VIS PerkinElmer）測定[19]，EPS含量為三者含量之和。

1.4.3 甲烷含量的測定

采用氣相色譜儀（GC-7890A）TCD檢測器；檢測器溫度120 ℃；平面流通閥進樣；分析柱為TDC-01Φ 4 mm× 1 m；分析柱溫度100 ℃，載氣：高純氫（≥99.999%）；載氣流量為50 mL/min；1 mL定量管；外標(biāo)法定量，標(biāo)準(zhǔn)氣體組分：25.8% N2+43.6% CH4+30.6% CO2。

1.5 數(shù)據(jù)處理

1.5.1 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化

樣品殘留鋰離子濃度和樣品EPS提取液中EPS的含量測定后均換算為該樣點單位質(zhì)量樣品殘留鋰離子含量和EPS的含量，mg/kg，轉(zhuǎn)化公式為表示浸提液（提取液）水溶性鋰離子或EPS含量，mg/L；V表示浸提液（提取液）體積，mL；m表示測定該項目時樣品質(zhì)量，g。

1.5.2 數(shù)據(jù)作圖

為更加直觀清晰的描述物料殘留鋰離子和物料 EPS含量在剖面上的分布情況，以24個樣點為基礎(chǔ)，采用改進謝別德插值法在物料剖面上對其進行插值，并用Surfer 8.0 作出各自在物料剖面上的等值線圖。SPSS 17.0軟件進行顯著性分析，置信水平95%（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理產(chǎn)氣特征

不同處理日產(chǎn)氣量及累積TS產(chǎn)氣量、甲烷含量見圖4。

圖4 不同處理發(fā)酵罐累積產(chǎn)氣量與甲烷含量的變化Fig.4 Changes of total bio-gas production and methane content for T1, T2, T3 fermentation tank

由圖4可知：T1、T2、T3處理日產(chǎn)氣量變化趨勢相似，均為先迅速增加，同時在第3天時取得第1個日產(chǎn)氣量峰值，分別為10 800、10 900、11 160 mL，其后不斷下降，在第6天后波動上升，第13天時取得第2個日產(chǎn)氣量峰值，分別為7 700、8 620、7 540 mL，此后日產(chǎn)氣量不斷下降直到發(fā)酵結(jié)束。T1、T2、T3處理總產(chǎn)氣量分別為161 930、168 020、165 620 mL，累積TS產(chǎn)氣量分別為270、280、276 mL/g，均沒有顯著差異。不同處理甲烷含量隨著發(fā)酵進程的逐漸提高，T1、T2、T3處理分別在第7天、第6天、第6天甲烷體積分?jǐn)?shù)超過50%，在第12天、第9天、第10天達(dá)到最大值，為52.99%、52.51%、53.19%，此后穩(wěn)定在50%左右。綜合T1、T2、T3處理日產(chǎn)氣量與甲烷含量的變化趨勢，結(jié)合本實驗室先前的報道[21-23]，說明3處理的厭氧發(fā)酵過程是順暢的，沒有受到抑制。

2.2 不同處理物料濕容重變化

物料濕容重是高固體厭氧發(fā)酵系統(tǒng)的重要參數(shù)，可間接反映物料的孔隙狀況，它與沼氣的逸出以及回流液淋濾的效果密切相關(guān)。此次試驗所測物料層濕容重，是物料層處于冰凍狀態(tài)下的，而此時物料層中已經(jīng)沒有自由水只剩結(jié)合態(tài)或吸附態(tài)水，雖然這部分水分在冰凍后會因膨脹占據(jù)一定孔隙影響物料層濕容重，但這部分因測試產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差，不會影響結(jié)果間的相互比較。由各處理不同層次物料濕容重數(shù)據(jù)（表1）可知：T1、T2、T3處理第8層物料濕容重最小，分別為0.54、0.46和0.40 g/cm3，均低于物料初始發(fā)酵濕容重0.58 g/cm3；且T3處理第8層與其他層次間差異顯著（P＜0.05），T1、T2、T3處理物料濕容重最大值分別在第4層、第5層、第4層處取得，分別為0.65、0.63和0.63 g/cm3，濕容重最大值雖出現(xiàn)不同層次，但都位于中間部位。T1發(fā)酵罐除第3層、第8層物料，T2發(fā)酵罐除第4、第8層物料，T3發(fā)酵罐除第7、第8層物料，其他層次物料濕容重均大于物料初始發(fā)酵濕容重0.58 g/cm3。T1發(fā)酵罐物料被分隔板分成3段，從下到上依次為第1段（包括第1～3層）、第2段（包括第4、5層）、第3段（包括第6～8層），T2發(fā)酵罐物料被分隔板分為兩段，從下到上依次為第 1段（包括第1～4層）、第2段（包括第5～8層），除T1第3段第6、7層和T2第1段第1、2層，T1、T2其他層次的物料濕容重均隨高度的降低而增大。T3發(fā)酵罐物料濕容重呈現(xiàn)出隨高度的降低呈現(xiàn)出先增加后基本穩(wěn)定的變化趨勢。T1、T2、T3發(fā)酵罐物料濕容重的全距（range）與變異系數(shù)（coefficient of variation, CV）依次增大，分別為0.11、0.17、0.23，5.99%、10.17%、13.00%，表明T1、T2、T3發(fā)酵罐各層物料濕容重均一性降低。

表1 不同處理發(fā)酵罐不同層次物料濕容重變化情況Table1 Change of layer wet bulk density for T1, T2, T3 fermentation device g·cm-3

2.3 不同處理回流液滲濾特征

以氯化鋰溶液代替回流液回流時，氯化鋰溶液淋濾的區(qū)域，物料鋰離子殘留較高，反之，物料鋰離子殘留較低，因此，通過剖面物料殘留鋰離子等值線圖，可以反映回流液在發(fā)酵物料中的滲濾情況。不同處理物料剖面殘留鋰離子等值線圖見圖5，由圖5可知，T1、T2、T3等處理剖面物料殘留鋰離子均呈現(xiàn)“上部高，下部低”的特征，表明回流液在物料中的分布不均勻。3個處理剖面均為物料上部（Y方向35～40 cm）殘留鋰離子含量最高，T1剖面殘留鋰離子最大值約為20 mg/kg，T2剖面約為40 mg/kg，T3剖面約為34 mg/kg。其中T1處理剖面在X方向9～14 cm、Y方向0～30 cm，T2處理剖面在X方向8～14 cm、Y方向0～23 cm，T3處理剖面在X方向10～14 cm、Y方向0～25 cm區(qū)域內(nèi)物料殘留鋰離子等值線呈現(xiàn)相似變化，等值線幾乎平行于剖面Y軸并沿X軸方向增大。表明回流液出現(xiàn)明顯的沿著發(fā)酵裝置內(nèi)壁下滲現(xiàn)象。發(fā)酵液鋰離子背景值為0.59 mg/kg，考慮鋰離子擴散等因素，假定物料殘留鋰離子等值線圖中物料鋰離子含量低于2 mg/kg的區(qū)域為“回流液死區(qū)”，即：回流液沒有或較少滲濾區(qū)域，在T1剖面X方向5～7 cm、Y方向20～25 cm；T2剖面X方向1.5～2.5 cm、Y方向0～22 cm；T3剖面X方向2～8 cm、Y方向0～24 cm處均存在回流液死區(qū)，其面積約占剖面總面積的2.32%、12.69%、20.66%，表明分層可以減少“回流液死區(qū)”。

圖5 不同處理剖面物料殘留鋰離子等值線圖Fig.5 Li+-residue contour map of T1, T2, T3 profile

2.4 不同處理剖面物料EPS含量等值線圖

胞外多聚物（EPS）主要由微生物產(chǎn)生的蛋白質(zhì)、多糖以及核酸等不同類型的大分子物質(zhì)組成，是細(xì)胞周圍黏性物質(zhì)的主要成分，微生物受到環(huán)境脅迫時，EPS被大量分泌到細(xì)胞外，有助于抵抗環(huán)境脅迫[24-26]?；亓饕撼浞至苋艿膮^(qū)域微生物與物料間傳質(zhì)充分，厭氧微生物較少受到抑制，物料EPS含量較低。而回流液死區(qū)中物料微生物間傳質(zhì)差，厭氧微生物受到抑制，EPS分泌增加，分泌的EPS會因填充發(fā)酵底物之間的孔隙，會加重回流液滲濾阻力，使傳質(zhì)進一步惡化。不同處理剖面物料EPS含量等值線圖如下圖6所示，為表述清楚，將EPS含量等值線圖中由閉合等值線所圍成的、EPS含量明顯高于周圍的區(qū)域為“微生物抑制區(qū)”，由圖6可知，3處理物料剖面EPS含量基本呈現(xiàn)“上部低，下部高”的特征，與物料殘留鋰離子等值線圖相似，其中T1處理，剖面物料EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低處在X方向3～6 cm，Y方向35～40 cm區(qū)域，EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為2 400 mg/kg，T2剖面EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低處在X方向4～8 cm，Y方向31～34 cm區(qū)域，約為2 200 mg/kg，T3剖面EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值約為2 000 mg/kg，在X方向5～10 cm，Y方向37～40 cm區(qū)域。3個處理剖面EPS質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低值均在Y方向35～40 cm內(nèi)區(qū)域，而該區(qū)域物料殘留鋰離子含量也很高（圖5），說明這一區(qū)域回流液淋洗充分，適宜厭氧微生物生存，故物料EPS含量較低。T1剖面中沒有出現(xiàn)微生物抑制區(qū)，T2剖面在X方向3～9 cm，Y方向5～15 cm處存在微生物抑制區(qū)，其面積占整個剖面的8.17%，這一位置恰好與圖5 b中鋰離子最低區(qū)域幾乎重疊，表明回流液未充分淋洗該區(qū)域，厭氧微生物受到抑制，EPS分泌增加。T3剖面存在A、B 2個微生物抑制區(qū)，A為X方向0～8 cm，Y方向4～9 cm，B為X方向4～10.5 cm，Y方向25～32 cm，并向Y方向凸起，兩個區(qū)域面積之和約占剖面總面積的17.96%。結(jié)合圖5 c分析可知，A區(qū)域位于剖面鋰離子最低區(qū)域內(nèi)，物料淋濾不充分，EPS含量高；B區(qū)域位于圖5 c中鋰離子等值線急劇變化的位置，在B區(qū)域以上，鋰離子等值線密集且遞次降低，最小值約8 mg/kg，在B區(qū)域以下，鋰離子等值線稀疏，最大值為4 mg/kg，B區(qū)域的凸起與圖5 c中Y方向32～40 cm處等值線的凹陷相吻合，表明可能厭氧微生物產(chǎn)生的EPS填充了物料間的孔隙造成物料淋濾能力進一步的下降。T1剖面中不存在微生物抑制區(qū)，T2、T3剖面均存在微生物抑制區(qū)，且占比依次增大，同樣表明分層減少了“微生物抑制區(qū)”。

圖6 不同處理剖面物料EPS含量（mg/kg）等值線圖Fig.6 EPS content contour map of T1, T2, T3 profile

3 討 論

在本試驗中回流液滲濾均勻性在不同處理間存在著差異，但不同處理物料產(chǎn)氣特征、產(chǎn)氣量與甲烷含量沒有明顯變化，可能因為在本試驗中發(fā)酵裝置高度較低，且回流液死區(qū)面積最大時僅占剖面面積的20.66%，還未表現(xiàn)出對物料發(fā)酵產(chǎn)生顯著影響。在實際工程中發(fā)酵裝置高度遠(yuǎn)大于本試驗裝置，“回流液死區(qū)”的存在是否影響物料產(chǎn)氣，還有待進一步研究。

鑒于前人對秸稈高固厭氧發(fā)酵時物料容重的變化關(guān)注較少，缺乏相關(guān)報道，因此我們選擇堆肥過程中物料容重的變化作為參考。Chen等[27-28]在研究靜態(tài)堆肥不同深度堆體容重變化時發(fā)現(xiàn)：堆體容重與深度呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系，稱之為壓實作用，它會影響堆體內(nèi)溫度、氧分壓等的分布，進而影響堆肥的腐熟度。史殿龍等[29-30]的研究結(jié)果也證明了這一現(xiàn)象。靜態(tài)堆肥的料堆結(jié)構(gòu)與以秸稈為底物高固體厭氧發(fā)酵物料具有結(jié)構(gòu)上的相似性，堆肥過程與厭氧發(fā)酵過程均為在微生物作用下降解有機物的過程，因此在堆肥料堆中出現(xiàn)的壓實作用也應(yīng)在以秸稈為底物的高固厭氧發(fā)酵中出現(xiàn)，試驗中發(fā)現(xiàn)T1、T2、T3處理中物料濕容重差異性依次增大，T3發(fā)酵罐物料濕容重隨高度的降低呈現(xiàn)出先增加后基本穩(wěn)定的變化趨勢，最終穩(wěn)定在0.6 g/cm3左右，大于物料初始發(fā)酵時的物料濕容重，表明在以秸稈為原料的高固體厭氧發(fā)酵中物料也應(yīng)存在自壓實作用。

在剖面中物料EPS含量高的區(qū)域其殘留鋰離子含量較低，而EPS含量較低的區(qū)域其殘留鋰離子含量較高，表明回流液的淋濾可以改善高固體發(fā)酵中厭氧微生物微生態(tài)環(huán)境，減緩因傳質(zhì)降低或代謝物累積等所產(chǎn)生抑制作用。T1、T2、T3處理剖面中“回流液死區(qū)面積”與“微生物抑制區(qū)面積”依次增加，說明回流液對物料的滲濾呈非均態(tài)分布，物料分層有利于回流液的均勻分布。

4 結(jié) 論

1）秸稈高固厭氧發(fā)酵后，物料濕容重發(fā)生改變，主要表現(xiàn)在：T1、T2、T3處理（發(fā)酵料分別為3，2，0層）同時在第 8層取得物料濕容重最小值且均小于初始物料濕容重0.58 g/cm3，T3處理物料層濕容重隨高度的降低先增加后基本保持不變，穩(wěn)定在0.6 g/cm3左右。T1、T2、T3處理物料濕容重的全距與變異系數(shù)依次增加，分別為0.11、0.17、0.23，5.99%、10.17%、13.00%，表明物料分層有助于物料濕容重的均一化。

2）在本試驗條件下，T1、T2、T3處理“回流液死區(qū)”與“微生物抑制區(qū)”面積占比分別為2.32%、12.69%、20.66%，0、8.17%、17.96%，說明發(fā)酵物料中存在回流液淋濾不充分的區(qū)域且從T1到T3回流液淋濾不充分區(qū)域的面積依次增加，但這沒有對物料產(chǎn)氣效率產(chǎn)生顯著影響。

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Characteristic of leachate distribution at profile in straw anaerobic digestion with high solid content

Hei Kunlun1,2, Chang Zhizhou2, Chen Guangyin2, Ye Xiaomei1,2※, Zhang Yingpeng1,2
(1. College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China; 2. Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences/East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Nanjing 210014, China)

High solid content anaerobic digestion is an environment friendly and cost efficient way to dispose the organic wastes because of little water added and renewable energy produced. In high solid digestion system, substrate has little free water so that the mass transfer is inhibited frequently, leading to volatile fatty acids (VFAs) accumulation and fermentation system failed easily. Many researchers report that leachate recirculation in reactors is an efficient way to enhance mass transfer leading the increase of anaerobic digestion efficiency. Most of the investigators are keen on making mathematics model to indicate the movement of leachate in substrates, these mathematical models require skillful person to play a key role in practices. Therefore, it is important to have better and easier understanding of leachate distribution characteristics in substrates. The trial was designed to determine such distribution. Lithium-Ion tracing method and contour map were used to achieve these goals. A batch wheat straw anaerobic digestion experiment was conducted at 14% total solid content and mesophilic conditions in special designed batch fermentation device, three treatments (T1, T2 & T3) were set to investigate the leachate distribution characteristics, and anaerobic digestion substrates for T1, T2 & T3 were all same. For T1, we divided the substrates into three equal parts by two separator plates. T2 was divided into two equal parts by one separator plate. T3 was not divided but as a whole. A certain amount of lithium chloride solution instead of leachate was circulated in T1, T2 & T3 at the end of fermentation. When the circulation process was over (no water dropped from the fermentation device bottom), we took the inner part of fermentation device out and froze them. The substrate profile was obtained by sawing off the substrate. Samples for measuring residue-lithium-Ion and Extracellular Polymeric Substances (EPS) were taken from profile substrate regularly. The distribution characters of leachate in substrates were expressed by the contour map obtained by SUFER 8.0 based on residue-Lithium-Ion and EPS data. At the same time, the daily biogas production, methane content, layer wet bulk density before and after digestion were analyzed. The results showed that there were no significant differences among total biogas production, accumulation of TS biogas production, and methane content in T1, T2 & T3 treatments. At the end of fermentation, the layer wet bulk density of T1, T2 and T3 was high at the top layer and decreased generally. The wet bulk density of T3 decreased in substrate depth before reaching a constant of 0.6 g/cm3, but it was larger than the initial substrate wet bulk density of 0.58 g/cm3. From the Li+-residue contour map, the area of residue Li+content below 2 mg/kg in T1, T2 and T3 profile took up 2.32%, 12.69% and 20.66% of total profile area respectively, indicating that the “l(fā)eachate dead zone” existed in three treatments. The conclusions drawn from profile EPS contour map were the same as these conducted from Li+-residual contour map, they both showed leachate recirculation was not homogeneous substrates high in straw solid content anaerobic digestion. These results provided scientific evidences on improvement of leachate recirculation technologies in high straw solid anaerobic digestion.

straw; fermentation; biogas; infiltration; high solid content anaerobic digestion; particle tracing

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.07.029

X705

A

1002-6819(2017)-07-0220-07

2016-08-27

2017-03-10

農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)專項（201503135-17）

黑昆侖，男，河南平頂山人，主要從事固體廢物處理與資源化方面的研究。南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，210095。

Emial：hnheikunlun@163.com.

※通信作者：葉小梅，女，博士，研究員，研究方向為農(nóng)業(yè)廢棄物資源化。南京 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，210095。

Email：yexiaomei610@126.com