污泥馴化對苧麻廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣的影響

蔣 勇， 郭清吉， 蔣小鈺， 褚衍生

(四川發(fā)展中恒能環(huán)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(jīng)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(chǎn)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(zhì)化，較少探索其厭氧消化產(chǎn)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(xù)處理的負(fù)擔(dān)，同時獲取綠色能源沼氣，為后續(xù)處理工藝提供能量。所以，苧麻廢棄物的產(chǎn)沼氣潛力和特性是十分值得研究的[5-10]。

本文根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)中苧麻廢棄物的產(chǎn)氣情況，對污泥進(jìn)行馴化，通過對整個厭氧消化過程中各項(xiàng)參數(shù)的追蹤，分析苧麻廢棄物的產(chǎn)氣特性，為下一步研究和利用到實(shí)際生產(chǎn)中做準(zhǔn)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(zhì)見表1。

表1 苧麻廢棄物的主要性質(zhì) (%)

1.1.2 污泥

試驗(yàn)所用污泥取自本公司豬糞厭氧消化反應(yīng)器中的厭氧污泥，其主要性質(zhì)見表2。

表2 接種污泥的主要性質(zhì) (%)

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)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(yīng)瓶放入水浴中，并保證水浴液面高于反應(yīng)瓶內(nèi)液面。水浴用加熱棒控溫在35℃±1℃。

圖1 厭氧消化反應(yīng)裝置圖

1.3 試驗(yàn)方法

馴化實(shí)驗(yàn)按照污泥∶苧麻廢棄物TS=4∶1進(jìn)料，發(fā)酵罐TS=7.5%～8%，分實(shí)驗(yàn)組和對照組，每組3個平行。發(fā)酵過程持續(xù)12 d，每12小時搖動1次反應(yīng)瓶，保證有機(jī)質(zhì)被充分利用。

表3 馴化實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)組組成 (g)

馴化后實(shí)驗(yàn)按照接種物∶苧麻廢棄物TS=2∶1進(jìn)料，發(fā)酵罐TS=7.5%～8%，接種物采用馴化實(shí)驗(yàn)后的厭氧消化液，TS約7.5%。分實(shí)驗(yàn)組和對照組，每組3個平行。發(fā)酵過程持續(xù)29 d，每12 h搖動1次反應(yīng)瓶，保證有機(jī)質(zhì)被充分利用。

表4 正式實(shí)驗(yàn)各實(shí)驗(yàn)組組成 (g)

1.4 參數(shù)測定及方法

pH值、總固體(TS)、可揮發(fā)性固體(VS)、污泥體積指數(shù)(SVI)等常規(guī)參數(shù)使用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定[11]。CH4和CO2百分比利用氣相色譜法進(jìn)行測定，色譜柱使用PEG-20M毛線管柱，以氮?dú)鉃檩d氣，流速30 mL·min-1。柱箱、進(jìn)樣器和檢測器的溫度分別是180℃，180℃和200℃。產(chǎn)氣量采用排水集氣法測定。纖維素、半纖維素、木質(zhì)素、灰分根據(jù)文獻(xiàn)方法[12]測定。

圖2 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化日產(chǎn)氣量曲線

圖3 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化累計產(chǎn)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(jié)果與討論

2.1 污泥馴化前苧麻廢棄物產(chǎn)氣特性分析

厭氧消化過程中日產(chǎn)氣量變化規(guī)律如圖2 圖5所示，3組平行實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)2個產(chǎn)氣高峰，第1個高峰出現(xiàn)在發(fā)酵第2天，日產(chǎn)氣量約500 mL左右，第2個高峰出現(xiàn)在發(fā)酵1周左右，日產(chǎn)氣量大于1300 mL。CO2百分比(見圖5)的高峰與第1個產(chǎn)氣高峰時間一致，說明發(fā)酵第2天底物出現(xiàn)強(qiáng)烈的水解并產(chǎn)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(chǎn)物逐漸被產(chǎn)甲烷菌利用，并且在第7～8天達(dá)到日產(chǎn)氣(見圖2)最大值。隨后日產(chǎn)氣量逐漸下降，累計產(chǎn)氣量(見圖3)的增加也隨之變得緩慢。在第12天累計產(chǎn)氣量達(dá)到7000 mL左右。

在整個反應(yīng)過程中1#，2#，3#3組平行實(shí)驗(yàn)的CO2百分比變化相對一致，僅在發(fā)酵初期產(chǎn)生較多CO2，而CH4百分比也逐步穩(wěn)定上升，同時，此過程中pH值都穩(wěn)定在7.1～7.5，這說明苧麻廢棄物作為原料進(jìn)行厭氧消化的過程并不易發(fā)生酸化。第9天之后CH4百分比穩(wěn)定于60%，且產(chǎn)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(xù)的厭氧消化實(shí)驗(yàn)提供了接種物。

圖6 污泥馴化后苧麻廢棄物日產(chǎn)氣量曲線

圖7 污泥馴化后苧麻廢棄物累計產(chǎn)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(chǎn)氣特性分析

經(jīng)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(chǎn)氣量變化規(guī)律如圖6所示，3組平行實(shí)驗(yàn)均出現(xiàn)兩個產(chǎn)氣高峰，第1個高峰在發(fā)酵第1天，日產(chǎn)氣量約1000 mL左右，第2個高峰出現(xiàn)在發(fā)酵一周左右，日產(chǎn)氣量大于1100 mL。CO2百分比(見圖9)的高峰與第1個產(chǎn)氣高峰時間一致，說明發(fā)酵第1天底物出現(xiàn)強(qiáng)烈的水解并產(chǎn)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(dá)到55%，說明這段時間水解產(chǎn)物逐漸被產(chǎn)甲烷菌利用，并且在第7～12天達(dá)到日產(chǎn)氣(見圖6)最大值。隨后日產(chǎn)氣量逐漸下降，累計產(chǎn)氣量(見圖7)的增加也隨之變得緩慢。在第19天累計產(chǎn)氣量達(dá)到14000 mL左右，后續(xù)產(chǎn)氣增加非常緩慢。在第27天，日產(chǎn)氣量接近0。因此，可計算出苧麻廢棄物原料產(chǎn)甲烷潛力為44 mL·g-1鮮料，即194 mL·g-1TS。

在整個反應(yīng)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(fā)酵初期產(chǎn)生較多CO2，到第10天降至20%左右，而CH4百分比也逐步穩(wěn)定上升至60%，可見采用馴化后的污泥進(jìn)一步確認(rèn)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(chǎn)氣高峰提前，表明馴化后的污泥更易水解底物，為后續(xù)反應(yīng)加速；2)可延長第2個產(chǎn)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(chǎn)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(nèi)，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(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)生化反應(yīng)快速進(jìn)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(chǎn)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(tǒng)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(chǎn)甲烷量曲線

圖11 污泥馴化前苧麻廢棄物厭氧消化累計產(chǎn)甲烷量曲線

圖12 污泥馴化后苧麻廢棄物厭氧消化日產(chǎn)甲烷量曲線

圖13 污泥馴化后苧麻廢棄物厭氧消化累計產(chǎn)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(chǎn)甲烷量產(chǎn)生了較大影響。對比圖10和圖12可知，污泥馴化使得日產(chǎn)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(chǎn)氣量變化一致，但污泥馴化后的日產(chǎn)甲烷量，從第1天開始迅速上升，無緩滯期，而馴化前的日產(chǎn)甲烷量則在第1～4天，存在一個顯著的緩滯期。累積產(chǎn)甲烷量方面，從圖11和圖13可知，污泥馴化使得累積產(chǎn)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(chǎn)氣量變化一致，但污泥馴化后的累積產(chǎn)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(chǎn)甲烷量則在第1～4天，存在一個顯著的緩滯期，與日產(chǎn)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(chǎn)甲烷量的高峰期，縮減或消除緩滯期，提高了原料產(chǎn)甲烷速率，有利于快速獲取甲烷能源。

3 結(jié)論

苧麻廢棄物厭氧消化產(chǎn)沼氣出現(xiàn)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)甲烷緩滯期，延長產(chǎn)氣高峰期，提升原料產(chǎn)甲烷速率。所以下一步計劃在厭氧消化過程中進(jìn)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(jī)理，通過調(diào)控微生物活性，進(jìn)一步增加其產(chǎn)甲烷量和處理效率。