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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(yán)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。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(jìn)行固液分離(采用螺桿壓榨機(jī)壓榨等方式),將得到的固體殘?jiān)鸵后w壓榨液分別進(jìn)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?jiān)蛇M(jìn)行無輔料添加的好氧堆  肥,而針對液體部分可進(jìn)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?yàn)轲B(yǎng)殖  廠周圍可以消納備禽糞污的土地有限固體殘?jiān)?nbsp; 接進(jìn)行好氧堆肥以生產(chǎn)有機(jī)肥同其他處理方式  (例如不進(jìn)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(yàn)證了奶牛糞固液分離后獲得的固體殘?jiān)鼰o輔料添加進(jìn)行好氧堆肥的可行性,且發(fā)現(xiàn)固體殘?jiān)逊试谟谢驘o輔料添加時(shí),對堆肥過程中微生物群落成分的影響不大。但前期工作對奶牛糞壓榨液的厭氧消化性能尚未做評價(jià)。

利用廢棄生物質(zhì)進(jìn)行厭氧消化產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣是一種有效處理有機(jī)廢棄物的方式78,已廣泛應(yīng)用于處理如農(nóng)業(yè)、城市和工業(yè)來源廢物。但畜禽廢物厭氧消化處理過程中常面臨運(yùn)行效率低和運(yùn)行穩(wěn)定性差的問題其中氨(NH12)和硫化氫(H2S)抑制是造成畜  禽廢物厭氧消化過程運(yùn)行效率低甚至崩潰的主要原  因90。畜禽廢物經(jīng)過固液分離后,可溶性氨(主  要為NH4)和硫(主要為SO2)轉(zhuǎn)移到液體部分,可  能會(huì)造成厭氧消化過程抑制的加劇,而且過程產(chǎn)生  的NH3和H2S也是黑膜沼氣池沼氣臭味的主要來源。因此,有  必要在奶牛糞液體厭氧消化過程中降低NH3和

H12S的抑制,從而建立高效、穩(wěn)定的厭氧消化工藝。

本研究以奶牛糞壓榨液為原料,利用自主研發(fā)  的厭氧消化耦合NH3和/或H2S抑制原位解除系  統(tǒng),通過監(jiān)測不同運(yùn)行條件下厭氧消化過程產(chǎn)氣效  果及pH值,NH4,SO3、有機(jī)酸( volatile fatty acids,  VFAs),可溶性有機(jī)碳( soluble total organic carbon,  TOC)等理化指標(biāo)的變化情況,探討實(shí)現(xiàn)奶牛糞壓榨  液高效處理的可行性,以期為奶牛糞污的資源化利  用提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1實(shí)驗(yàn)材料

1.1.1原料和接種污泥

奶牛糞取自成都雙流一奶牛養(yǎng)殖廠。采用油壓過濾將固體和液體部分進(jìn)行分離,將固體部分水分含量壓濾至約72%(模擬商業(yè)螺桿壓榨機(jī)壓榨效率),所得壓榨液用于厭氧消化原料,其理化性質(zhì)如表1所示。壓榨液pH值為7.8,NH4濃度為901.2mg·L,C/N比較低,約為19.0。原料中加入微量元素N2,Co2和Fe2分別為0.05,0.05,0.65mg·g揮發(fā)性固體(VTS)以促進(jìn)厭氧消化過程。

實(shí)驗(yàn)接種污泥來自用大學(xué)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%。

1.1.2厭氧消化裝置  高溫厭氧消化耦合NH3和H2S抑制原位解除系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā),示意圖如圖1所示。高溫  厭氧消化反應(yīng)器為完全攪拌式反應(yīng)器,總體積為10L(其中工作體積為8L),反應(yīng)器攪拌速度設(shè)置為85mm,溫度設(shè)定為53℃。每日加入奶牛糞壓榨液原料,添加量根據(jù)ⅥTS確定,實(shí)驗(yàn)過程有機(jī)物負(fù)荷逐漸從2.0g·Ld-增加至12.0g·Ld-,每一負(fù)荷下反應(yīng)器運(yùn)行1~2周以獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)。補(bǔ)料的同時(shí)取出部分發(fā)酵液體維持反應(yīng)器工作體積為8L。為保證反應(yīng)器內(nèi)厭氧環(huán)境補(bǔ)料時(shí)充氮?dú)?0min。產(chǎn)生的黑膜沼氣池沼氣通入水槽(工作體積4.5L)吸收NH3、H2S和CO2后,部分氣體通過空氣循環(huán)泵通入

反應(yīng)器液相中,使用電磁流量計(jì)記錄最終黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)量。同時(shí),按黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)生量的3%通入空氣以減輕體系H2S抑制(或降低黑膜沼氣池沼氣中H2S含量)。高溫厭氧消化系統(tǒng)共運(yùn)行95天,定期從厭氧反應(yīng)器中采集發(fā)酵液,測定pH值,NH4,SO2-,TOC和VFAs濃度等理化指標(biāo)。

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2h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(jì)算得出。揮發(fā)性有機(jī)酸( Volatile fatty acids,

VFAs)使用高效液相色譜(HPLC, Shimadzu)測定,  分離柱為 Shimpack SCR:101H。TOC使用 TOC ana  ler( TOC-V CSH, Shima)測定。pH使用pH計(jì)  HM35G, TOADKK)測定。NH和SoO2濃度濃度使用離子色譜( Dionex ICS-1500和ICS100)測定,甲烷含量由氣相色譜測定(CC323)。黑膜沼氣池沼氣中H2S和NH3采用氣體精密檢測管( Komyo Kitagawa,Tokyo, Japan)檢測。

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(jī)物在微生物的作用下降解轉(zhuǎn)化為黑膜沼氣池沼氣。因此,黑膜沼氣池沼氣的產(chǎn)量可以直接反映系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。圖2顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中黑膜沼氣池沼氣生產(chǎn)效率、甲烷含量及黑膜沼氣池沼氣中H2S含量的變化情況。反應(yīng)器共運(yùn)行了95天,前37天厭氧消化系統(tǒng)未進(jìn)行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣,有機(jī)物負(fù)荷從2逐漸增加至6g·L-d可以看出,當(dāng)有機(jī)物負(fù)荷為2g·Ld-開始進(jìn)料,  反應(yīng)器產(chǎn)氣效果穩(wěn)定,黑膜沼氣池沼氣生產(chǎn)率約為400  mL·Ld-,其中黑膜沼氣池沼氣中甲烷含量約59.5%,H2S含量為600pm;提高有機(jī)物負(fù)荷至4g·Ld-1  時(shí),黑膜沼氣池沼氣生產(chǎn)率增加至約為637.2mL·Ld-(甲  烷含量約62.7%),但黑膜沼氣池沼氣中H2S含量增加到1200  ppm;繼續(xù)提高有機(jī)物負(fù)荷至6g·L-d-,黑膜沼氣池沼氣生  產(chǎn)率同有機(jī)物負(fù)荷4g·Ld相比并沒有明顯增  加,與此同時(shí)黑膜沼氣池沼氣中H2S含量增加到約2000m  為降低黑膜沼氣池沼氣中H2S含量從而提高黑膜沼氣池沼氣質(zhì)量1  從第38天開始,反應(yīng)器進(jìn)行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣,

通氣量為黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)生速度的3%。從圖1可以系  黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣并未影響黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)量,但  H12S含量迅速降低至50ppm以下,同時(shí)由于  循環(huán)過程中有部分CO2溶解于水槽中,黑膜沼氣池沼氣中甲  含量從62.3%增加至64.2%,這和我們之前的  結(jié)果一致(2)。提高有機(jī)物負(fù)荷至8g·Ld  gLd2時(shí),反應(yīng)器產(chǎn)氣狀況穩(wěn)定;然而繼續(xù)提  有機(jī)物負(fù)荷為12g·Ld時(shí),可以看出,反應(yīng)器  氣量迅速下降,反應(yīng)了其運(yùn)行不穩(wěn)定,這從后線5  器內(nèi)消化液的理化性質(zhì)分析結(jié)果也可以表明1  部分)。因此,可以推斷,在此條件下奶牛糞壓  厭氧消化最大有機(jī)物負(fù)荷為10g·Ld-1,此時(shí)  氣生產(chǎn)率約為920.5mL,Ld-(甲烷含量當(dāng)63.7%),同時(shí)黑膜沼氣池沼氣中H13S含量維持在50m下。從此結(jié)果也可以看出,單獨(dú)奶牛糞壓榨液厭消化產(chǎn)氣效率較低,將來的研究可以通過補(bǔ)加餐垃圾等進(jìn)行共發(fā)酵以促進(jìn)產(chǎn)氣,進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益2.2奶牛糞壓榨液厭氧消化反應(yīng)器內(nèi)的理化性變化

圖3顯示了奶牛糞壓榨液厭氧消化過程中發(fā)液理化性質(zhì)(包括pH值,VFAs,TOC,NH和的變化情況。可以看出,在前37天厭氧消化系統(tǒng)  進(jìn)行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣,奶牛糞開始以較低有  物負(fù)荷(2gLd-)補(bǔ)料時(shí),體系中有機(jī)酸尤  乙酸濃度和T0C濃度呈增加趨勢,這可能時(shí)由  榨液原料對種子污泥的沖擊導(dǎo)致,種子污泥尚  應(yīng)新的原料。在此階段,體系pH略有波動(dòng),M  度約為376mg·L。隨著厭氧消化過程的進(jìn)  有機(jī)物負(fù)荷增加至4-6g·L-d-1,可以看出

酸濃度降低并維持穩(wěn)定至1200mg·L-,這表明種  子污泥已適應(yīng)壓榨液原料,有機(jī)酸降解而無積累。  反應(yīng)器內(nèi)適宜的p值范圍是厭氧消化順利進(jìn)行的重要環(huán)境條件,在此期間反應(yīng)器的pH值總體保持穩(wěn)定,pH值變化范圍在7.8~8.2之間,處于適宜微生物生長的范圍。從圖3也可以看出,隨著有機(jī)物負(fù)荷的增加,反應(yīng)器內(nèi)NH4濃度有所增加,同時(shí)TOC的濃度逐漸增加,這說明TOC轉(zhuǎn)化效率在有機(jī)物負(fù)荷提高過程中有所下降。

從第38天(有機(jī)物負(fù)荷為6g·Ld-)開始反應(yīng)器進(jìn)行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣后,反應(yīng)器運(yùn)行14天除TOC略微增加然后保持穩(wěn)定外,其他各項(xiàng)理化

性質(zhì)如pH值和VFAs均保持穩(wěn)定,NH4濃度略有  降低。有機(jī)物負(fù)荷增加至8-10g·Ld-1,反應(yīng)器  保持穩(wěn)定;然后繼續(xù)增加有機(jī)物負(fù)荷至12g·L-1d-后,反應(yīng)器內(nèi)TOC迅速增加至8000mg·L-,乙酸和丙酸濃度也迅速增加,4天內(nèi)分別增加至4000mg·L和3000mg·L-1。高濃度的有機(jī)酸尤其是丙酸對厭氧消化過程微生物有較強(qiáng)的抑制作用,Pullammanappallil1等研究認(rèn)為丙酸濃度在3000mg·L左右即會(huì)產(chǎn)生抑制。同時(shí),pH值也由于酸的積累迅速下降。理化性質(zhì)的不穩(wěn)定和產(chǎn)氣情況均表明,有機(jī)物負(fù)荷12g·Ld時(shí),反應(yīng)器運(yùn)行不穩(wěn)定

3結(jié)論

綜上可知,采用高溫厭氧消化耦合黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)

和微通氧可以實(shí)現(xiàn)奶牛糞壓榨液的高負(fù)荷處理,最大穩(wěn)定處理有機(jī)物負(fù)荷達(dá)10g·Ld-,在此條件  下的黑膜沼氣池沼氣生產(chǎn)率和CH4含量分別為920.5mL,L1

d和63.7%。通過耦合黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)和供給微量空氣(黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)量的3%),反應(yīng)器中NH濃度維持在1000mg·L以內(nèi),黑膜沼氣池沼氣中H2S的含量降低至50Ppm以下,黑膜沼氣池沼氣質(zhì)量明顯改善。

摘自《中國沼氣》第三期 常譽(yù)尹 馬詩淳 孫照勇 湯岳琴 木田建次

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