奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中氨和硫化氫抑制原位解除工藝研究

常譽尹， 馬詩淳， 孫照勇， 湯岳琴， 木田建次

(1.四川大學 建筑與環(huán)境學院， 成都 610065； 2.農(nóng)業(yè)部可再生能源開發(fā)與利用重點實驗室， 成都 610041 )

隨著集約化養(yǎng)殖業(yè)在我國的快速發(fā)展，每年畜禽糞污排放量已經(jīng)超過40億t，然而70%以上的畜禽糞污未被有效處理就被排放到環(huán)境中。大量的畜禽糞污排放已經(jīng)引起了嚴重的環(huán)境問題如地下水污染、臭氣、病原菌及過量的土地占用等[1]。因此，有必要尋找一種合適的管理及利用途徑以降低畜禽糞污引起的環(huán)境污染。

近年來，畜禽糞污先進行固液分離(采用螺桿壓榨機壓榨等方式)，將得到的固體殘渣和液體壓榨液分別進行處理在集約化養(yǎng)殖場受到越來越多的重視[2-3]。固體殘渣可進行無輔料添加的好氧堆肥，而針對液體部分可進行厭氧消化以回收能量。這種處理方式對集約化養(yǎng)殖廠非常重要，因為養(yǎng)殖廠周圍可以消納畜禽糞污的土地有限，固體殘渣直接進行好氧堆肥以生產(chǎn)有機肥，同其他處理方式(例如不進行固液分離直接添加輔料堆肥)相比顯著降低了待處理廢物量；而壓榨液由于固體的大量去除將加速其厭氧消化過程處理效率。我們前期的工作驗證了奶牛糞固液分離后獲得的固體殘渣無輔料添加進行好氧堆肥的可行性[4-6]，且發(fā)現(xiàn)固體殘渣堆肥在有或無輔料添加時，對堆肥過程中微生物群落成分的影響不大[6]。但前期工作對奶牛糞壓榨液的厭氧消化性能尚未做評價。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

1.1.1 原料和接種污泥

實驗接種污泥來自用大學校園食堂餐廚垃圾長期馴化的高溫厭氧消化體系，總固體(TS) 和揮發(fā)性固體VTS為污泥質(zhì)量的3.1%和2.6%。

表1 奶牛糞固液分離后固體殘渣和壓榨液的基本理化性質(zhì)

注：DM: 干重。

1.1.2 厭氧消化裝置

1.2 分析方法

樣品在干燥箱105 ℃下烘干至恒重測定水分和總固體(TS)，然后利用馬弗爐將樣品在600 ℃下灼燒2 h測定揮發(fā)性固體(VTS)。C，N，H，O 元素使用采用元素分析儀(Vario EL cube，Elementar，德國)測定。蛋白質(zhì)含量通過測定總N含量乘以6.25計算得出。揮發(fā)性有機酸(Volatile fatty acids，

圖1 高溫厭氧消化系統(tǒng)示意圖

2 結(jié)果和討論

2.1 奶牛糞壓榨液厭氧消化的產(chǎn)氣情況

在厭氧消化過程中，奶牛糞壓榨液中的有機物在微生物的作用下降解轉(zhuǎn)化為沼氣。因此，沼氣的產(chǎn)量可以直接反映系統(tǒng)的運行狀態(tài)。圖2顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中沼氣生產(chǎn)效率、甲烷含量及沼氣中H2S含量的變化情況。反應器共運行了95天，前37天厭氧消化系統(tǒng)未進行沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣，有機物負荷從2逐漸增加至6 g·L-1d-1?？梢钥闯觯斢袡C物負荷為2 g·L-1d-1開始進料，反應器產(chǎn)氣效果穩(wěn)定，沼氣生產(chǎn)率約為400 mL·L-1d-1，其中沼氣中甲烷含量約59.5%，H2S含量為600 ppm；提高有機物負荷至4 g·L-1d-1時，沼氣生產(chǎn)率增加至約為637.2 mL·L-1d-1(甲烷含量約62.7%)，但沼氣中H2S含量增加到1200 ppm；繼續(xù)提高有機物負荷至6 g·L-1d-1，沼氣生產(chǎn)率同有機物負荷4 g·L-1d-1相比并沒有明顯增加，與此同時沼氣中H2S含量增加到約2000 ppm。

為降低沼氣中H2S含量從而提高沼氣質(zhì)量[11]，從第38天開始，反應器進行沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣，通氣量為沼氣產(chǎn)生速度的3%。從圖1可以看出，沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣并未影響沼氣產(chǎn)量，但沼氣中H2S含量迅速降低至50 ppm以下，同時由于沼氣內(nèi)循環(huán)過程中有部分CO2溶解于水槽中，沼氣中甲烷含量從62.3%增加至64.2%，這和我們之前的研究結(jié)果一致[12]。提高有機物負荷至8 g·L-1d-1和10 g·L-1d-1時，反應器產(chǎn)氣狀況穩(wěn)定；然而繼續(xù)提高有機物負荷為12 g·L-1d-1時，可以看出，反應器產(chǎn)氣量迅速下降，反應了其運行不穩(wěn)定，這從后續(xù)反應器內(nèi)消化液的理化性質(zhì)分析結(jié)果也可以表明(2.2部分)。因此，可以推斷，在此條件下奶牛糞壓榨液厭氧消化最大有機物負荷為10 g·L-1d-1，此時沼氣生產(chǎn)率約為920.5 mL·L-1d-1(甲烷含量約63.7%)，同時沼氣中H2S含量維持在50 ppm以下。從此結(jié)果也可以看出，單獨奶牛糞壓榨液厭氧消化產(chǎn)氣效率較低，將來的研究可以通過補加餐廚垃圾等進行共發(fā)酵以促進產(chǎn)氣，進而提高經(jīng)濟效益。

2.2 奶牛糞壓榨液厭氧消化反應器內(nèi)的理化性質(zhì)變化

圖2 奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中沼氣生產(chǎn)效率、甲烷含量及沼氣中硫化氫含量的變化情況

圖3 高溫厭氧消化過程中消化液的理化性質(zhì)的變化情況

3 結(jié)論