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我國是世界秸稈產(chǎn)量第一大國。沼氣池厭氧發(fā)酵技術是將農(nóng)業(yè)廢棄物轉(zhuǎn)化為沼氣的有效手段之是秸稈資源化的重要途徑。然而,在生產(chǎn)沼氣的同時也會均衡地產(chǎn)生大量的副產(chǎn)品一沼氣池沼液沼渣,同時秸稈中的纖維素、半纖維素和木質(zhì)素的含量直接影響到秸稈沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)氣的效果,不同種類秸稈沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣的效果差別較大。沼氣池沼液回流技術可以從源頭上減少沼氣池沼液排放,預防農(nóng)田消納時潛在的環(huán)境風險,對大中型沼氣工程沼氣池沼液的減排和節(jié)約淡水資源具有重要的理論和現(xiàn)實意義。沼氣池沼液回流可以減少氨氮損失,實現(xiàn)單秸稈發(fā)酵,同時減少功能微生物損失4,實現(xiàn)菌群水解和產(chǎn)甲烷過程的平衡。

但過高的回流比會導致氨氮積累6,粘度增加(,導致發(fā)酵產(chǎn)氣量下降。有關沼氣池沼液回流能夠提高發(fā)酵效率、反應器運行穩(wěn)定性和增加原料利用率的研究大多是建立在批次發(fā)酵的基礎上,或者將用于回流的沼氣池沼液進行稀釋,而對于在低含固率發(fā)酵條件下,沼氣池沼液過篩后全部回流對單秸稈特別是木質(zhì)化程度較高的秸稈發(fā)酵效果的影響較少有相關報道8。實驗以棉花秸稈為原料,在固定進水負荷4gTS·Ld及HRT(15d)下,通過沼氣池沼液回流再利用,研究回流對產(chǎn)甲烷效率及微生物群的影響。

1材料與方法

1.1棉花秸稈及污泥特性

實驗啟動的活性污泥取自筆者實驗室在中溫條件50 L CSTR發(fā)酵罐長期培養(yǎng)的種泥,活性污泥的TS和VS分別為6%,4.1%,pH值為7.2,在有效體積為6L的發(fā)酵罐內(nèi)接種污泥3.2L。棉花秸稈粉碎成秸稈粉,過40目篩備用,其理化性質(zhì)見表1。

1.2實驗裝置與操作

沼氣池厭氧發(fā)酵裝置為2個相同的CSTR反應器  圖1),總體積7.2L有效體積為61。每天投  次,每次10min,攪拌速度為200r·mi  350尼龍紗網(wǎng)過濾后用于進料稀釋,回流到  罐中重新利用,而未回流組使用清水代替

1.3實驗監(jiān)測方法

總固體(T),揮發(fā)固體(VS)采用干重法出料的pH值采用 SANXIN牌SXTS610型筆式由計測量;沼氣采用SY-TS120L氧氣袋收集;甲烷體積分數(shù)采用便攜式沼氣分析儀( Geotech Bi5000型,英國);纖維素含量用 ANKOM220纖維析儀測量;SCOD采用標準重鉻酸鉀氧化法;氨采用水楊酸TSL次氯酸鹽光度法測定0;出料揮發(fā)性脂肪酸VFAs采用島津LC-TS20A高效液相色儀測定,色譜柱為BO- TSLRAD HPX- TSL87HLExclusion Column;微生物群結構分析采用16NA基因克隆文庫法"。

2結果與討論

2.1回流對甲烷產(chǎn)率的影響

甲烷產(chǎn)率是衡量厭氧消化系統(tǒng)運行效率的重要指標。在固定進水負荷4gTS·Ld-條件下,從第31天開始回流,從圖2可知,回流初始階段不會對產(chǎn)氣有影響,但隨著回流時間延長,甲烷產(chǎn)率會下降,當運行到153天時,兩組甲烷產(chǎn)率開始出現(xiàn)差

沼氣池沼液回流開始對沼氣池厭氧發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用,回流組的甲烷產(chǎn)率由332.4mL·Ld降低到255mL·Ld-,下降了23.1%。有文獻表明2),回使沼氣池沼液中未降解掉的有機物及攜帶的產(chǎn)甲烷菌群新進入發(fā)酵罐中,能夠在一定程度上提高沼氣含量筆者研究顯示前152天回流并未增加產(chǎn)氣,可能為在相對較低的有機負荷4gS·Ld下,初期  系粘度及揮發(fā)性脂肪酸含量相對較低,對產(chǎn)甲烷系無明顯抑制作用,厭氧過程完全且有機物利用為充分,使得回流液中可降解物質(zhì)較少,對體系了  增加不明顯。徐霄通過滲濾液回流技術對發(fā)種  干式厭氧消化反應進行研究,利用合適的回流比,∥高纖維素和半纖維素的降解率,從而提高了厭  酵產(chǎn)氣量。王星研究了消化液回流比對餐  圾厭氧消化的影響發(fā)現(xiàn)在低負荷條件下,停園  比可以使系統(tǒng)的產(chǎn)氣量明顯提高,但在高負荷條

下,較高的消化液回流比會造成揮發(fā)性有機酸積累,從而對厭氧消化反應有抑制作用?；亓鞅燃柏摵筛叩褪怯绊懟亓餍Ч膬蓚€重要因素,而本實驗在固定回流比及有機負荷的條件下,以棉花秸稈為原料進行單發(fā)酵,沼氣池沼液未經(jīng)調(diào)節(jié)直接回流,結果顯示到第9個HRT時,回流開始會對沼氣發(fā)酵產(chǎn)生抑制作用,與長期沼氣池沼液回流造成的粘度增加以及難降解物質(zhì)積累有關,因此回流時間長短是一項重要的工藝參數(shù)。整個實驗過程中,每天進料量為24gTs,回流組單位TS產(chǎn)甲烷量為7.3mL·Ld-1,未回流組單位TS產(chǎn)甲烷量為829mL·L-d-1,回流使產(chǎn)甲烷量降低了6.8%。實驗中觀測到回流并未影響甲烷含量,回流組和未回流組均維持在52%~55%。

2.2回流對pH值和氨氮濃度的影響

水解產(chǎn)酸菌的最佳pH值在7附近,產(chǎn)甲烷菌生長的最適pH值介于6.8~7.56(見圖3)。隨著實驗的進行,未回流組的pH值呈下降的趨勢并維持在6.8,而回流組為7以上,均處于適宜的H值條件下。未回流組氨態(tài)氮平均濃度在71mg·L左右,而回流組為108mg·L,氨氮是厭氧緩沖體系的致堿物質(zhì),也正是氨氮的回流增加了回流組體系的緩沖能力使回流組pH值較高。一般情況下,NH濃度在50~200mg·L是有益的。由于原料使用的是棉花秸稈,氮元素含量比較低,所以氨氮的濃度遠沒有達到抑制沼氣池厭氧發(fā)酵的程度。

2.3回流對粘度的影響

回流開始后,回流組沼氣池沼液粘度由54mPa·s增至139mPa·s,而未回流組粘度處于57~79mPa·s之

間(見圖4)。粘度反映了液體流動時的內(nèi)摩擦程度,是發(fā)酵液流變性的重要指標,能夠影響厭氧反應器的整體混合行為、物質(zhì)傳質(zhì)和熱傳遞過程,即微生物與有機物之間的傳質(zhì)過程,從而影響沼氣池厭氧發(fā)酵的水解和產(chǎn)甲烷效率。實驗以棉花秸稈為原料,其具有較難降解的纖維素、木質(zhì)素、半纖維素等成分,隨著沼氣池沼液的回流,難以充分降解的大分子物質(zhì)不斷積累,沼氣池沼液中懸浮顆粒及膠體物質(zhì)增長明顯,因而使粘度增加,在一定程度上抑制了產(chǎn)氣。

2.4回流對揮發(fā)性脂肪酸含量的影響

VFAs的質(zhì)量濃度反映出體系中酸化和產(chǎn)甲烷之間的平衡,回流會導致VFAs的積累2)。乙酸質(zhì)量濃度超過1.5g·L就會抑制纖維素酶的活性,從而抑制水解反應3。當乙酸質(zhì)量濃度降到0.3g·L-時,嗜乙酸型甲烷菌有更高的親和性,乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷成為主要途徑18。由圖5~圖7可知,回流組乙酸由0.1g·L增長到1.6g·L-,而未回流組維持在0.1~0.3g·L之間,說明未回流組以乙酸發(fā)酵產(chǎn)甲烷為主,而回流組乙酸積累到一定程度已經(jīng)開始抑制纖維素的水解。丙酸氧化生成乙酸、氫和二氧化碳是吸能反應,熱力學上不能自發(fā)進行,丙酸的積累是厭氧消化甲烷產(chǎn)出率低的主要原因2,當丙酸濃度達到15g·L時,會抑制50%的產(chǎn)甲烷活性21。在實驗中,丙酸在回流的初始階段濃度為0.2g·L,回流一段時間后增至0.5g·L,而未回流組在0.2g·L左右波動,回流組雖有丙酸積累但并未到抑制產(chǎn)甲烷的程度,可能與較合理的進水負荷有關。乳酸在短時間乙酸化過程中,會釋放較高濃度的二氧化碳和氫氣,這會降低嗜氫產(chǎn)甲烷菌的代謝效率降低甲烷產(chǎn)率2)。實驗未回流組乳酸的濃度一直維持在0.3g·L左右,而回流組有明顯的上升,濃度大約在1.3g·L,是回流組甲烷產(chǎn)率較低的原因之一。

2.5回流對產(chǎn)甲烷體系細菌的影響

細菌16 S rDNA基因克隆文庫分析取樣點為190天,即回流組產(chǎn)氣受抑制階段。通過限制酶切技術對16sDNA基因克隆文庫歸類后測序。如圖8所示, Ruminofilibacter xylanolyticum能夠利用木聚糖,曾在以玉米、小麥秸稈為原料的沼氣發(fā)酵罐中檢測出來23); Acetivibrio cellulolyticus為厭氧的纖維素分解菌,主要發(fā)酵產(chǎn)物是乙酸、氫氣和二氧化碳2Thermoanaerobacter能夠利用包括木糖、纖維二糖、淀粉、葡萄糖和麥芽糖在內(nèi)的多種碳水化合物,并且能夠還原硫代硫酸鹽產(chǎn)生硫化氫21; Prevotella ruminacola在利用多糖、多肽及蛋白質(zhì)代謝中中起著重要的作用,均在未回流組中發(fā)現(xiàn),反映了其纖維素降解菌群的種類多樣性,有利于其水解產(chǎn)酸,繼而獲  得較高的產(chǎn)甲烷率?；亓魇狗磻饔卸疚镔|(zhì)積累  可能影響了纖維素降解菌群落多樣性。

2.6回流對產(chǎn)甲烷體系古菌的影響

對原始污泥及反應器內(nèi)顆粒污泥進行取樣,基于16SDNA基因序列構建的系統(tǒng)樹如圖9中所示。其中B和C為回流尚未影響產(chǎn)氣時的取樣點,D和E為回流明顯抑制產(chǎn)氣時的取樣點。如表2所示 原始污泥中古菌種類豐富,經(jīng)過以單一棉花秸稈為原料的馴化階段后,嗜乙酸產(chǎn)甲烷菌 Methanosaeta占有絕對的優(yōu)勢,而嗜氫產(chǎn)甲烷菌 Methanomicrobiales和 Methanobacterium豐度比較低。5個樣品克隆子序列分析結果見表2。

Methanosaeta獨有的絲狀纖維形成特定網(wǎng)格結  構將其他細菌聯(lián)結到一起,在顆粒污泥形成過程中  起到骨架、細胞聯(lián)合和支配作用2,研究表明在活  性較好的顆粒污泥中 Methanosaeta是主導的產(chǎn)甲烷菌。實驗以單一棉花秸稈為原料,回流組中Methanosaeta的比例不斷增加,有利于污泥的顆?；^程及難降解物質(zhì)積累下系統(tǒng)的穩(wěn)定。在回流尚未抑制產(chǎn)氣階段,通過分析兩組在第70天的顆粒污泥中古菌比例,發(fā)現(xiàn)主要產(chǎn)甲烷菌 Methanosaeta的比例相近,此時兩組產(chǎn)甲烷率差異不大;未回流組中仍檢測出 Uncultured euryarchaeota,而回流組未能檢出,可能因為回流沼氣池沼液中積累的有毒物質(zhì)抑制了該種微生物的生長,其分類地位和代謝功能還需進一步研究?；亓鹘M中嗜氫產(chǎn)甲烷菌為 Methanobacteriaum,可利用H2/C02及甲酸生成甲烷;到了回流抑制產(chǎn)氣階段,回流組中 Methanosaeta比例增加,與回流組乙酸濃度較高有關,在穩(wěn)定沼氣池厭氧發(fā)酵系統(tǒng)中起到重要作用

3結論

(1)在進水有機負荷為4g·Ld的條件下,沼氣池沼液回流并沒有增加產(chǎn)氣,回流到第9個HRT時,回流組產(chǎn)氣受到抑制。以棉花秸稈為原料,回流組單位Ts產(chǎn)甲烷量為73mL·Ld,未回流組單位TS產(chǎn)甲烷量為82.9mL·Ld-,回流使產(chǎn)甲烷量降低了6.8%

(2)回流對pH值影響顯著,回流組的pH值要高于未回流組,這主要由于回流組的氨態(tài)氮濃度高  于未回流組,氨態(tài)氮作為致堿物質(zhì)增強了回流組的  沖能力;沼氣池沼液粘度的增加,降低了沼氣池厭氧發(fā)酵效率;回流組的VFAs要高于未回流組,其中乙酸和乳酸的積累是回流組甲烷產(chǎn)率較低的原因之

(3)未回流組纖維素分解菌種類更加豐富,是其能夠有效水解纖維素,進而產(chǎn)甲烷率高的原因;經(jīng)過長期單秸稈發(fā)酵,污泥中 Methanosaeta的比例不斷增加,隨著回流組乙酸濃度的增加, Methanosaeta

例也在增長,對穩(wěn)定沼氣池沼液回流條件下的沼氣池厭氧發(fā)酵體系起到重要作用。

摘自《中國沼氣》2018第一期