微氧連續(xù)導(dǎo)入沼氣發(fā)酵系統(tǒng)原位脫硫研究

林春綿，劉 雯，樓畢覺，陳文佳

(浙江工業(yè)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，浙江 杭州 310014)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國煤能源消耗總量為46.4 億噸，增速達(dá)到5 年來最高水平。其中，天然氣消費(fèi)量增速加快，同比增長約17.7%，達(dá)到2 808 億立方米，創(chuàng)歷史新高[1]。國內(nèi)天然氣需求量遠(yuǎn)大于天然氣的產(chǎn)量[2]，如何降低煤炭的消費(fèi)比重，填補(bǔ)天然氣缺口，優(yōu)化能源供應(yīng)結(jié)構(gòu)是當(dāng)前能源發(fā)展的新方向。沼氣中含有CH460%～70%，CO230%～40%，H2S 0.1%～3%，并含有少量的H2O、SO2、H2、N2、CO和鹵代烴等[3-4]，其中H2S是有毒氣體，會(huì)對(duì)收集管道及設(shè)備產(chǎn)生腐蝕作用，其燃燒后生成的SO2不僅會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染和危害人體健康[5]，還會(huì)降低沼氣的利用率。因此，沼氣在拓寬應(yīng)用領(lǐng)域前需要進(jìn)行凈化(脫硫)處理。

目前常用的沼氣脫硫工藝有：干法脫硫、濕法脫硫及其他方法(如生物脫硫、原位脫硫等[6-13])。干法和濕法脫硫都屬于傳統(tǒng)脫硫方法，都存在脫硫效率低、易產(chǎn)生二次污染和運(yùn)行管理費(fèi)用高等缺點(diǎn)，限制其進(jìn)一步發(fā)展。相比之下，微氧原位脫硫是一種向厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中導(dǎo)入微量的O2，使之與沼氣中的H2S反應(yīng)生成單質(zhì)硫或硫酸鹽的新興脫硫方法[14]。Fdz-Polanco等[15]將微氧(0.013～0.024 L/L)通入污泥厭氧發(fā)酵反應(yīng)器中，能去除沼氣中99%的H2S。結(jié)合課題組前期研究可知[16]：在厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中間歇通入微氧的脫硫技術(shù)，通氧組的硫氧化菌體積分?jǐn)?shù)明顯高于不通氧組，硫氧化菌利用O2作為H2S氧化的電子受體，將沼氣中的H2S氧化成硫磺(約80%)和少量的硫酸根，發(fā)酵系統(tǒng)中豐富的C、N等元素為硫氧化菌的生長提供足夠的營養(yǎng)。硫氧化菌的存在使得沼氣中的H2S及時(shí)轉(zhuǎn)化，減輕了H2S對(duì)產(chǎn)甲烷菌的抑制作用，從而提高甲烷產(chǎn)量。由于通常實(shí)驗(yàn)裝置較小，對(duì)O2的需求量很小，目前的研究主要采用間歇式通入一定的O2。但是，間歇式供氧不能保證發(fā)酵系統(tǒng)O2質(zhì)量濃度的穩(wěn)定性，從而影響H2S的脫除效果，乃至對(duì)發(fā)酵系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊。筆者搭建一套可連續(xù)通入微量O2的小試裝置，以草坪干草為發(fā)酵底物，探索是否補(bǔ)加底物及通氧量對(duì)沼氣發(fā)酵的影響，為微氧原位脫硫的實(shí)際工程應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

草坪干草取自浙江工業(yè)大學(xué)朝暉校區(qū)草坪，總固體(TS)為(85.4±0.5)%，揮發(fā)性固體(VS)為(80.3±0.7)%，水分質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.6%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.136%，實(shí)驗(yàn)前將干草粉碎，粒徑大小為20～40 目。沼液取自杭州正興牧業(yè)有限公司，總固體為(4.1±0.8)%，揮發(fā)性固體為(2.7±0.9)%，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.064%，氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.506%，硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.029%，pH為7.26。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1為沼氣發(fā)酵實(shí)驗(yàn)裝置圖。采用容積為1 L的發(fā)酵瓶發(fā)酵，向發(fā)酵瓶中加入46.4 g草坪干草、400 mL新鮮沼液和水，控制總體積為700 mL，TS為(8±0.1)%。發(fā)酵瓶用橡膠塞密封，橡膠塞上帶有取液針的，用氬氣置換發(fā)酵液上方的空氣，營造厭氧氛圍。利用蠕動(dòng)泵向壓氧瓶連續(xù)注入純凈水，將O2連續(xù)壓入發(fā)酵瓶。發(fā)酵瓶置于恒溫(35±1)℃水浴鍋內(nèi)，產(chǎn)生的沼氣進(jìn)入浮力式集氣桶。根據(jù)前日沼氣產(chǎn)量和H2S體積分?jǐn)?shù)，通氧量分別為H2S量的1倍、2倍、3倍。當(dāng)發(fā)酵至第8 天(產(chǎn)氣量顯著降低)，取出發(fā)酵瓶中的沼渣，并補(bǔ)加等量的草坪干草，繼續(xù)發(fā)酵至第16 天。設(shè)置3 組平行實(shí)驗(yàn)和不通O2的對(duì)照組。在整個(gè)厭氧發(fā)酵周期中，每日通氧量如表1所示。

1—純水瓶；2—蠕動(dòng)泵；3—壓氧瓶；4—恒溫水浴鍋；5—發(fā)酵瓶；6—浮力式集氣桶。

表1 發(fā)酵過程通氧量

1.3 分析方法

草坪干草和沼液的TS、VS采用干重法測(cè)定；沼氣中的CO2和殘留的O2體積分?jǐn)?shù)利用氣相色譜(GC-1690，科曉)和熱導(dǎo)檢測(cè)器(TCD)測(cè)定；沼氣中的H2S采用氣相色譜(GC-2014，島津)和火焰光度檢測(cè)器(PFD)測(cè)定；沼液的pH用pH計(jì)(雷磁PHB-4)測(cè)定；沼液中的揮發(fā)性脂肪酸質(zhì)量濃度(VFAS)采用氣相色譜(GC-6890，Agilent)和火焰離子化檢測(cè)器(FID)測(cè)定；沼液中的產(chǎn)甲烷菌落采用高通量測(cè)序技術(shù)鑒別。

2 結(jié)果與分析

2.1 補(bǔ)加干草對(duì)沼氣的發(fā)酵影響

是否補(bǔ)加干草的沼氣日產(chǎn)量如圖2所示。由圖2可知：在整個(gè)發(fā)酵周期中，不補(bǔ)加干草的沼氣日產(chǎn)量總體呈緩慢下降的趨勢(shì)，第16 天已降至99.9 cm3。相比不補(bǔ)加干草組，補(bǔ)加干草組在發(fā)酵前期(即1～8 d)沼氣日產(chǎn)量同樣呈下降趨勢(shì)，但第8 天補(bǔ)加干草后，第9 天的沼氣日產(chǎn)量明顯升高，達(dá)到整個(gè)發(fā)酵周期的最高日產(chǎn)氣量1 676.7 cm3，可能是由于微生物經(jīng)歷發(fā)酵前期已具有較高的活性，在補(bǔ)加干草后底物充足，促進(jìn)了發(fā)酵產(chǎn)氣。發(fā)酵第16 天，補(bǔ)加干草組比不補(bǔ)加干草的沼氣日產(chǎn)量多將近600 cm3，表明補(bǔ)加干草可以使發(fā)酵始終處于高產(chǎn)氣狀態(tài)，提高沼氣產(chǎn)量，且補(bǔ)加底物與實(shí)際工程應(yīng)用中的連續(xù)投料更加接近，更具優(yōu)勢(shì)和指導(dǎo)意義，所以后續(xù)實(shí)驗(yàn)均在補(bǔ)加底物條件下進(jìn)行。

圖2 是否補(bǔ)加干草的沼氣日產(chǎn)量變化圖

2.2 通氧量對(duì)沼氣中CH4的影響

不同通氧條件下發(fā)酵系統(tǒng)中CH4體積分?jǐn)?shù)及日產(chǎn)量如圖3，4所示。由圖3可知：發(fā)酵1～8 d，CH4體積分?jǐn)?shù)先上升后隨著底物的消耗而下降，發(fā)酵第8 天，補(bǔ)加干草后，發(fā)酵體系又進(jìn)入到水解酸化過程，導(dǎo)致CH4體積分?jǐn)?shù)迅速下降；發(fā)酵的9～16 d，實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組的CH4體積分?jǐn)?shù)均呈先上升后平緩的趨勢(shì)，基本都穩(wěn)定在62%左右，可能是微生物活性穩(wěn)定、發(fā)酵底物消耗導(dǎo)致CH4的體積分?jǐn)?shù)也處于平穩(wěn)的狀態(tài)。結(jié)合圖4可知：實(shí)驗(yàn)組CH4產(chǎn)量均高于對(duì)照組，其中通氧量為H2S量的2倍時(shí)，CH4產(chǎn)量明顯高于其他幾組。有研究指出：H2S會(huì)影響產(chǎn)甲烷菌的活性，通入微量的O2后，O2可以作為H2S氧化的電子受體，不僅達(dá)到將其從厭氧發(fā)酵體系中脫除的目的，同時(shí)也降低了其對(duì)產(chǎn)甲烷菌活性的抑制作用，從而促進(jìn)了產(chǎn)甲烷菌對(duì)底物的分解，提高了CH4的體積分?jǐn)?shù)[17]。說明發(fā)酵體系通入微氧有利于提高產(chǎn)甲烷菌活性，且在此實(shí)驗(yàn)條件下，通氧量為H2S的2倍具有較好的產(chǎn)甲烷效果。

圖3 不同通氧量下甲烷體積分?jǐn)?shù)變化圖

圖4 不同通氧量下甲烷日產(chǎn)量變化圖

不同通氧條件下發(fā)酵系統(tǒng)在不同發(fā)酵階段CH4體積分?jǐn)?shù)如表2所示。在通氧倍數(shù)相同的情況下，發(fā)酵9～16 d的CH4體積分?jǐn)?shù)高于1～8 d，說明補(bǔ)加干草在一定程度上促進(jìn)CH4體積分?jǐn)?shù)增加；在發(fā)酵階段相同的情況下，通2倍O2的CH4體積分?jǐn)?shù)都高于其他幾組；相比對(duì)照組，該組在整個(gè)發(fā)酵周期中，CH4體積分?jǐn)?shù)高出4.2%，表明通2倍O2的條件對(duì)沼氣發(fā)酵更有利。

表2 不同發(fā)酵階段各通氧量下CH4體積分?jǐn)?shù)

2.3 通氧量對(duì)H2S脫除效果及殘留O2體積分?jǐn)?shù)的影響

不同通氧條件下發(fā)酵系統(tǒng)沼氣中H2S質(zhì)量濃度隨發(fā)酵時(shí)間的變化如圖5所示。發(fā)酵初期H2S質(zhì)量濃度先升高然后逐漸降低，可能是產(chǎn)氫產(chǎn)酸階段蛋白質(zhì)水解導(dǎo)致較多H2S產(chǎn)生，隨著發(fā)酵進(jìn)入到產(chǎn)甲烷階段，H2S質(zhì)量濃度慢慢下降[18]；第8 天補(bǔ)加干草后，H2S質(zhì)量濃度再次呈先升高后下降的趨勢(shì)，但實(shí)驗(yàn)組H2S質(zhì)量濃度均低于對(duì)照組，其中2倍O2組下降最為明顯，達(dá)到平均每天1 939 mg/m3。Díaz等研究指出[19]：在中溫條件下，沼氣微氧脫硫方法(每天通氧量為0.013～0.024 L/L)能使H2S去除率達(dá)到99%，且微氧運(yùn)行過程沒有對(duì)沼氣產(chǎn)量和甲烷產(chǎn)率產(chǎn)生不利影響。說明通適量的O2并不影響發(fā)酵且有利于H2S脫除。

圖5 不同通氧量下硫化氫質(zhì)量濃度變化圖

不同通氧條件下H2S質(zhì)量濃度及去除效果如表3所示。由表3可知：發(fā)酵第16 天通1倍O2組H2S去除率僅為73.3%，說明1倍O2量不足以完全氧化沼氣中的H2S；通3倍O2組H2S去除率最高，達(dá)96.2%，但是3倍O2組較2倍O2組的H2S脫除效果增加并不明顯，表明繼續(xù)加大通氧量，H2S的去除率也不會(huì)有明顯的提高，可能還要考慮殘留O2對(duì)發(fā)酵體系造成的影響。不同通氧條件下發(fā)酵系統(tǒng)中殘留O2體積分?jǐn)?shù)如圖6所示。發(fā)酵第1天體系中O2的體積分?jǐn)?shù)較高，可能是加入發(fā)酵瓶中的水或者沼液的溶解氧較高，在中溫條件下溶解氧逸出導(dǎo)致的O2體積分?jǐn)?shù)偏高。從第2 天直至發(fā)酵結(jié)束，O2體積分?jǐn)?shù)因?yàn)檠a(bǔ)加干草有略微波動(dòng)，但始終未超過0.5%，說明在小試裝置中，解除完全密封狀態(tài)的補(bǔ)加底物并不會(huì)對(duì)微氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用。

表3 不同通氧量下H2S質(zhì)量濃度及去除率

圖6 不同通氧量下殘留O2體積分?jǐn)?shù)變化圖

2.4 通氧量對(duì)發(fā)酵液VFAs質(zhì)量濃度和pH的影響

不同通氧條件下發(fā)酵液中VFAs質(zhì)量濃度如表4和圖7所示。發(fā)酵第4 天，丁酸占較大優(yōu)勢(shì)，可能是由于水解酸化產(chǎn)生的揮發(fā)性短鏈脂肪酸(如丙酸、丁酸)等產(chǎn)物[20]，未及時(shí)被產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌利用轉(zhuǎn)化為CO2、H2和乙酸[21]，導(dǎo)致大量的丙酸、丁酸積累。發(fā)酵至第8 天，乙酸、丙酸和丁酸質(zhì)量濃度迅速下降。重新補(bǔ)加干草后，整個(gè)系統(tǒng)再一次經(jīng)歷水解酸化階段使各有機(jī)酸質(zhì)量濃度升高，但未達(dá)到第4 天的質(zhì)量濃度高峰，可能是因?yàn)楫a(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌保持著較高的活性，迅速將積累的丙酸、丁酸轉(zhuǎn)化為乙酸、H2和CO2等產(chǎn)物，而乙酸則被產(chǎn)甲烷菌利用而消耗。結(jié)合圖7可知：發(fā)酵后期實(shí)驗(yàn)組的VFAs質(zhì)量濃度均略低于對(duì)照組，說明通適量的O2并未抑制VFAs降解，可能是因?yàn)槊摮鼿2S的同時(shí)也解除了H2S對(duì)產(chǎn)甲烷菌的毒害作用，促進(jìn)了VFAs的降解[22]。

表4 發(fā)酵液中的VFAs質(zhì)量濃度變化表

圖7 不同通氧量下發(fā)酵液中VFAs質(zhì)量濃度變化圖

表5為發(fā)酵液pH隨發(fā)酵時(shí)間的變化。如表5所示，發(fā)酵液整體的pH變化趨勢(shì)并不明顯，始終介于6.5～8.5。有文獻(xiàn)指出，若pH高于8.5或低于6.5，均會(huì)對(duì)沼氣發(fā)酵產(chǎn)生負(fù)面影響[23]，這表明通氧量均未超過發(fā)酵系統(tǒng)可承受范圍。再結(jié)合圖7可知：pH隨著VFAs質(zhì)量濃度的變化而變化，發(fā)酵初期系統(tǒng)中VFAs大量累積，pH處于較低水平，至發(fā)酵后期VFAs逐漸降解，pH也逐漸升高。

表5 發(fā)酵液pH變化表

2.5 通氧量對(duì)沼氣發(fā)酵系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

不同通氧條件下發(fā)酵液中產(chǎn)甲烷菌在屬水平上Alpha多樣性指數(shù)如表6所示。由表6可知：群落覆蓋度Coverage指數(shù)均大于99.9%，表明本次測(cè)序數(shù)據(jù)量足夠大，測(cè)序結(jié)果代表了樣品的真實(shí)情況[24]。對(duì)比微生物群落豐度Sobs及Chao指數(shù)，實(shí)驗(yàn)組產(chǎn)甲烷菌豐度與對(duì)照組基本持平，通3倍O2組的豐度略高于對(duì)照組，說明通微量O2會(huì)使產(chǎn)甲烷菌群落豐度略微提高，可能是因?yàn)槲⒘縊2的存在使發(fā)酵系統(tǒng)中的好氧菌及兼性厭氧菌能夠存活下來，從而提高了群落豐度[25]。同樣，對(duì)比多樣性Shannon指數(shù)，在發(fā)酵結(jié)束后，實(shí)驗(yàn)組的Shannon指數(shù)均略高于對(duì)照組，說明微氧通入?yún)捬醢l(fā)酵體系中并未對(duì)其造成不利影響，并且在屬水平上略微提高了產(chǎn)甲烷菌的多樣性。

表6 產(chǎn)甲烷菌的多樣性指數(shù)分析

表7 發(fā)酵液中產(chǎn)甲烷菌在屬水平上的組成

3 結(jié) 論

以草坪干草為底物在發(fā)酵過程中補(bǔ)加底物可以使發(fā)酵一直處于高產(chǎn)氣狀態(tài)，可以提高沼氣產(chǎn)量，對(duì)工程應(yīng)用更具指導(dǎo)作用。連續(xù)通微氧的實(shí)驗(yàn)組甲烷體積分?jǐn)?shù)及日產(chǎn)量從整體上均高于對(duì)照組。在發(fā)酵末期，通氧量為2倍時(shí)，甲烷體積分?jǐn)?shù)達(dá)到54.8%，高出對(duì)照組4.2%；通氧量為3倍時(shí)，甲烷體積分?jǐn)?shù)略低于2倍O2組，但相較對(duì)照組高2.4%。表明沼氣發(fā)酵體系通入適量的O2有利于甲烷的合成。H2S的去除率隨通氧量增大而升高。通氧量為2倍時(shí)H2S去除率達(dá)到93.1%；通氧量提高到3倍時(shí)H2S去除率為96.2%，但提高并不明顯。實(shí)驗(yàn)條件下沼氣中氧氣體積分?jǐn)?shù)均低于0.5%，符合車用壓縮天然氣的要求。通入微量的氧氣后，并未對(duì)VFAs降解產(chǎn)生抑制作用；同時(shí)pH隨著VFAs的變化而變化，整體呈升高趨勢(shì)，但始終維持在6.5～8.5。微生物群落分析結(jié)果表明：微量O2的通入不僅未破壞產(chǎn)甲烷菌的群落結(jié)構(gòu)，而且增加了產(chǎn)甲烷菌的群落豐度及多樣性；Methanosaeta和Methanospirillum屬的微生物為優(yōu)勢(shì)菌屬；微量O2導(dǎo)入發(fā)酵系統(tǒng)可有效地?cái)U(kuò)大Methanospirillum、Methanocorpusculum和Methanosarcina等菌群在屬水平上的優(yōu)勢(shì)，從而提升甲烷產(chǎn)量。