豬糞沼液預(yù)處理對麥秸厭氧消化性能的影響

楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學(xué) 資源與環(huán)境研究中心， 北京 100029)

項目來源： 大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目(zd2016002)； 十二五支撐計劃項目(2015BAD21B03，2014BAC24B01-02)

豬糞沼液預(yù)處理對麥秸厭氧消化性能的影響

楊 春， 劉艷茹， 郭蕊潔， 李思媛， 楊 鵬， 蘭艷艷， 袁海榮

(北京化工大學(xué) 資源與環(huán)境研究中心， 北京 100029)

文章研究了沼液預(yù)處理麥秸對厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響，以麥秸為原料，豬糞沼液做預(yù)處理劑，預(yù)處理含水率分別為30%，50%，70%和90%。結(jié)果表明：在中溫預(yù)處理3 d的條件下，含水率為70%時產(chǎn)氣性能最佳。單位VS產(chǎn)甲烷量為243.90 mL·g-1，較未預(yù)處理麥秸提高了38.89%；VS去除率為61.84%，較未預(yù)處理組提高了24.01%。由此可見，沼液可以作為一種很好的預(yù)處理劑用于厭氧消化工程實踐。

麥秸； 沼液； 預(yù)處理； 厭氧消化

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，每到收獲季節(jié)，大部分秸稈都被丟棄在田間或被焚燒，環(huán)保部2015年衛(wèi)星秸稈焚燒火點的監(jiān)測報告[1]顯示：2015年共監(jiān)測到4454處秸稈焚燒火點，產(chǎn)生了大量的污染性氣體，危害環(huán)境并容易引發(fā)火災(zāi)，因此，急需一種更為環(huán)保有效的秸稈利用方式。

秸稈是由纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等難降解的物質(zhì)和碳水化合物組成，半纖維素、木質(zhì)素和纖維素相互纏繞，形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，成為秸稈厭氧消化過程的一大阻礙[2]。因此，對秸稈進行預(yù)處理是必需的。預(yù)處理方法包括物理法、化學(xué)法和生物法，目前化學(xué)預(yù)處理是最有效的處理方式[3]。最新研究表明沼液預(yù)處理可以達到與NaOH和氨水等化學(xué)預(yù)處理等同的效果[4]，沼液預(yù)處理已經(jīng)被研究者關(guān)注，主要集中在沼液預(yù)處理的可行性初步研究中。李建[5]等人研究發(fā)現(xiàn)沼液預(yù)處理后的玉米秸稈結(jié)構(gòu)被破壞，可以加快纖維素的水解；楚莉莉[6]等人研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)沼液預(yù)處理后的秸稈產(chǎn)氣速率和產(chǎn)氣量顯著增大，產(chǎn)氣高峰提前，并有較好的緩沖能力；魏域芳[4,7]等人研究發(fā)現(xiàn)沼液預(yù)處理玉米秸稈5天后與牛糞混合厭氧消化產(chǎn)氣，單位VS產(chǎn)甲烷量為217.48 mL·g-1，較未預(yù)處理組提高了25.40%；胡赟[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，在中溫條件(35℃)下用沼液預(yù)處理玉米秸稈3 d時的產(chǎn)氣效果最佳(有機負荷率75 g·L-1)，甲烷產(chǎn)量較未預(yù)處理組增加了66.3%。

預(yù)處理含水率等預(yù)處理參數(shù)對預(yù)處理有顯著影響[9-11]，在沼液預(yù)處理的相關(guān)研究中，尚未發(fā)現(xiàn)預(yù)處理參數(shù)方面的詳細報道。因此，筆者提出用豬糞沼液對秸稈進行預(yù)處理，以麥秸為原料，旨在選出適合厭氧消化的沼液預(yù)處理參數(shù)，為實際工程提供設(shè)計依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

實驗所用麥秸取自北京郊區(qū)農(nóng)田，取回后先將秸稈切至3～4 cm，自然風(fēng)干后用帶篩網(wǎng)20目粉碎機(YSW-180，北京燕山正德機械設(shè)備有限公司)粉碎，放在通風(fēng)干燥處備用；實驗所用沼液為豬糞產(chǎn)沼氣發(fā)酵液，放置陰涼干燥處備用；實驗所用污泥取自北京小紅門污水處理廠。原料與接種物的性質(zhì)如表1所示。

表1 實驗材料理化性質(zhì) (%)

1.2 實驗裝置

厭氧消化實驗裝置由1 L藍蓋瓶，1 L集氣瓶，燒杯和橡膠管等，連接方式如圖1所示。

1.恒溫水箱； 2.1 L藍蓋瓶(工作體積0.8 L)； 3.平臺； 4.集氣瓶(有刻度)； 5.燒杯； 6.三通玻璃管和止水夾圖1 厭氧消化實驗裝置圖

1.3 實驗方法

將麥秸自然風(fēng)干后粉碎至20～30目，加入至250 mL容量瓶中，加入不同量的豬糞沼液調(diào)節(jié)含水率為30%，50%，70%和90%，用橡膠塞及封口膜密封后放置在35℃的恒溫水箱中預(yù)處理3 d[8]，測其pH值和失重，分析性質(zhì)變化，然后進行厭氧消化實驗, 實驗進料負荷為65 gTS·L-1，污泥接種量為15 g·L-1MLSS，接種后加自來水定容至0.8 L，密封后置于恒溫水箱中進行厭氧消化，每天定時記錄產(chǎn)氣量、測定氣體成分，卸料時測定氨氮，堿度，TS，VS和pH值。并與未預(yù)處理組進行對比，每組設(shè)置3個平行，取平均值。

1.4 分析方法

日產(chǎn)氣量采用排水法測定；氣體成分用氣相色譜(SP2100(A)，北京中科慧杰分析科技有限公司)進行測定，進樣器溫度150℃，TCD檢測器溫度150℃，柱箱溫度為140℃，載氣為高純氬氣，0.3～0.4 MPa；TS與VS采用重量法測定；pH值采用玻璃電極法測定；氨氮濃度采用凱氏定氮儀(蒸餾滴定法)測定；堿度采用滴定法測定。

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)處理階段性質(zhì)變化

預(yù)處理階段pH值變化如圖2所示，整體呈下降趨勢，其中含水率為30%和90%的下降趨勢不明顯，含水率為30%的pH值由7.57降至7.21；含水率為90%的pH值由8.2降至7.89；含水率為50%的在第2天降至最低值6.57；含水率為70%的由8.35逐漸降低至6.81。

預(yù)處理階段失重變化如圖3所示，含水率為30%和50%的變化較小，含水率為30%的減少了0.097 g，含水率為50%的減少0.223 g，含水率為70%的減少0.535 g，含水率為90%的減少1.73 g，損耗較大。

圖2 不同含水率下pH值變化圖

圖3 不同含水率下失重變化圖

2.2 日甲烷產(chǎn)量

厭氧消化過程中的日產(chǎn)甲烷量如圖4所示。從圖中可以看出：在整個厭氧消化過程中，會出現(xiàn)2～3個產(chǎn)甲烷高峰。第1個峰值在前4 d出現(xiàn)，40 d后甲烷產(chǎn)量逐漸接近于0。麥秸經(jīng)過預(yù)處理后產(chǎn)甲烷高峰出現(xiàn)時間提前，且峰值隨含水率的增加而增加。但含水率為90%時日甲烷量呈下降趨勢；含水率為70%的日產(chǎn)甲烷峰值最先出現(xiàn)，且峰值最高，第2個峰值出現(xiàn)在第5 天，較其他組提前了2～10 d，峰值為632.23 mL，較未預(yù)處理組的峰值提高了25.59%；第3個峰值出現(xiàn)在11 d，峰值為687.01 mL，較未預(yù)處理組的提高了34.32%。相比魏域芳[4]等人用沼液預(yù)處理玉米秸稈5 d時的第3個日產(chǎn)甲烷高峰提前了9～19 d。

圖4 日產(chǎn)甲烷量

2.3 累積產(chǎn)甲烷量

不同含水率下豬糞沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化的累積產(chǎn)甲烷量如圖5所示。從圖中可以看出：不同含水率下累積產(chǎn)甲烷量隨時間的變化趨勢基本一致，在前22±1 d內(nèi)累計甲烷量顯著上升，后期增加緩慢，40 d后甲烷產(chǎn)量接近0。含水率為70%的累積產(chǎn)甲烷量最高，為11353.74 mL，比含水率為30%，50%，90%和未預(yù)處理組分別提高了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。比魏域芳[4]等人經(jīng)沼液預(yù)處理玉米秸稈后與牛糞混合發(fā)酵的甲烷產(chǎn)量(相比對照組提高了25.40%)增加了13.49%。

圖5 累積甲烷產(chǎn)量

與袁海榮[12]等人氨預(yù)處理玉米秸稈含水率為70%的產(chǎn)氣效果最好的研究結(jié)果一致。

2.4 厭氧消化時間

T80是累計產(chǎn)甲烷量達到甲烷總量80%時所需的時間，是評價秸稈厭氧消化性能的一個重要指標(biāo)。從表2可以看出，經(jīng)過預(yù)處理的麥秸甲烷產(chǎn)量明顯提高，T80為17～23 d，與未處理組相比，T80縮短了8～14 d (25.80%～45.16%)。含水率為70%的累積產(chǎn)甲烷量最高，相比未處理組提高了45.16%，消化時間的提前能縮短厭氧消化周期，有效節(jié)約成本，并帶來較高的工作效率，增加經(jīng)濟效益。

表2 消化時間(T80) (d)

2.5 單位VS甲烷產(chǎn)量

不同含水率下豬糞沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化單位VS產(chǎn)氣量如圖6所示。從圖中可以看出：與未處理組相比，用豬糞沼液預(yù)處理后的麥秸單位VS甲烷產(chǎn)量明顯提高，增加了19.26%～38.89%。其中含水率為70%的單位VS甲烷產(chǎn)量最高，為243.90 mL·g-1，相對于含水率為30%，50%，90%和未預(yù)處理組分別增加了16.45%，7.19%，4.76%和38.89%。

圖6 單位VS產(chǎn)甲烷量

2.6 TS和VS去除率

厭氧消化過程中的TS和VS去除率如圖7所示。從圖中可以看出預(yù)處理組的TS和VS去除率均有顯著性提高，且去除率隨含水率的增加而增加，預(yù)處理組的TS和VS去除率為50.90%～59.73%和58.90%～67.68%，較未預(yù)處理組提高19.06%～39.73%和18.11%～35.73%。高于馮磊[13]等人用NaOH固態(tài)預(yù)處理秸稈時的TS和VS去除率(41.7%和52.4%)，進一步證實了沼液預(yù)處理的可行性。

圖7 TS和VS去除率

2.7 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(氨氮、堿度)

適度的氨氮對微生物的生長有刺激作用，氨氮與堿度如圖8所示。從圖中可以看出：經(jīng)過50 d的厭氧消化各組氨氮值在294.00～1397.20 mg·L-1之間，堿度在3167～7652 mg·L-1之間，預(yù)處理組的氨氮和堿度均顯著提高。氨氮和堿度均為甲烷菌活性范圍內(nèi)[14-15]。由此可知本厭氧消化系統(tǒng)緩沖能力較強，有利于厭氧過程的穩(wěn)定進行。

圖8 氨氮和堿度

3 結(jié)論

通過對沼液預(yù)處理麥秸厭氧消化性的研究發(fā)現(xiàn)，預(yù)處理含水率可以影響麥秸厭氧消化的產(chǎn)氣性能。在35℃條件下，預(yù)處理時間為3 d，含水率為70%時麥秸厭氧消化性能最好，總甲烷產(chǎn)量為11353.74 mL，單位VS產(chǎn)甲烷量為243.90 mL·g-1，均較未預(yù)處理組提高了38.89%。VS去除率為61.84%，較未預(yù)處理組提高了24.01%。

[1] 中華人民共和國環(huán)境保護部.2015年環(huán)境衛(wèi)星秸稈焚燒火點監(jiān)測報告[R].http://hjj.mep.gov.cn/jgjs/index.htm，2016-07-24.

[2] 李 萍,韋秀麗,蔣 滔,等. 不同預(yù)處理方式對玉米秸稈結(jié)構(gòu)及產(chǎn)氣特性的模擬研究[J].生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報,2014,01:84-89.

[3] 楊懂艷.生物與化學(xué)預(yù)處理對玉米秸稈生物氣產(chǎn)量的影響研究[D].北京：北京化工大學(xué),2004.

[4] Wei Y F, Li X J, Yu L, et al.Mesophilic anaerobic co-digestion of cattle manure and corn stover with biological and chemical pretreatment.[J].Bioresource Technology, 2015, 198(1):431-436.

[5] 李 建,劉慶玉,郎咸明,等.響應(yīng)面法優(yōu)化沼液預(yù)處理玉米秸稈條件的研究[J].可再生能源,2016,02:292-297.

[6] 楚莉莉,李軼冰,馮永忠,等.沼液預(yù)處理對小麥秸稈厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣特性的影響[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究,2011,01:247-251.

[7] 魏域芳,李秀金,劉研萍,等.不同預(yù)處理玉米秸稈與牛糞混合厭氧消化產(chǎn)氣性能比較[J].中國沼氣,2016,02:36-40.

[8] Hu Y, Pang Y Z, Yuan H R, et al.Promoting anaerobic biogasification of corn stover through biological pretreatment by liquid fraction of digestate (LFD)[J].Bioresource Technology, 2015, 175:167-173.

[9] Yuan H R, Zhang Y T, Li X J, et al.Effects of ammoniation pretreatment at low moisture content on anaerobic digestion performance of rice straw[J].Bioresources, 2014, 9(4).

[10] 楊懂艷,李秀金,龐云芝,等.氨化預(yù)處理參數(shù)對麥秸厭氧消化產(chǎn)氣性能的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2013,01:185-190.

[11] Kim T H, Kim J S, Sunwoo C, et al.Pretreatment of corn stover by aqueous ammonia[J].Bioresource Technology, 2003, 90(1):39-47.

[12] Yuan H R, Li R P, Zhang Y T, et al.Anaerobic digestion of ammonia-pretreated corn stover[J].Biosystems Engineering, 2015, 129:142-148.

[13] 馮 磊,李潤東,李延吉.NaOH固態(tài)預(yù)處理對秸稈厭氧消化的影響[J].深圳大學(xué)學(xué)報(理工版),2010,03:367-373.

[14] Fricke K, Santen H, Wallmann R, et al.Operating problems in anaerobic digestion plants resulting from nitrogen in MSW[J].Waste Management, 2007, 27(1):30-43.

[15] Duan N, Dong B, Wu B, et al.High-solid anaerobic digestion of sewage sludge under mesophilic conditions: feasibility study.[J].Bioresource Technology, 2012, 104:150-156.

PretreatingWheatStalkwithPigManureBiogasSlurryforItsAnaerobicDigestion/

YANGChun,LIUYan-ru,GUORui-jie,LISi-yuan,YANGPeng,LANYan-yan,YUANHai-rong/

(BeijingUniversityofChemicalTechnology,CenterforResourcesandEnvironmentalResearch,Beijing100029,China)

The article studied the effect of wheat straw pretreatment with pig manure biogas slurry on the performance of wheat straw anaerobic digestion. The different amount of biogas slurry were added to wheat straw to make the pretreatment moisture content at 30%, 50%, 70% and 90%, respectively. The result showed that, with the moisture content of 70%, at the mesophilic condition and pretreated for 3days, the pretreated wheat straw obtained the best biogas production, reaching the VS methane production rate of 243.90 mL·g-1, increasing 38.89% comparing with non-pretreated wheat stalk; the VS removal rate was 61.84%, increasing 24.01% comparing with non-pretreated wheat straw. It demonstrated that pretreating wheat straw with pig manure biogas slurry was a good way for improving its anaerobic digestion.

wheat straw; biogas; pretreatment; anaerobic digestion

2016-07-24

2016-09-22

楊 春(1995-)，女，黑龍江省齊齊哈爾人，本科，研究方向為化學(xué)污染控制，E-mail：1528486626@qq.com

袁海榮，E-mail：yuanhairong75@163.com

S216.4; X713

A

1000-1166(2017)04-0010-04