沼液回流比与有机负荷对秸秆厌氧发酵特性的影响
有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响
中国环境科学 2014,34(5)：1200~1206 China Environmental Science 有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响曹杰1,2,陈广银2,常志州2*,叶小梅2,杜静2(1.南京农业大学资源与环境科学学院,江苏南京 210095；2.江苏省农业科学院农业资源与环境研究所,农业部农村可再生能源开发利用华东科学观测实验站,江苏南京210014)摘要：在实验室条件下,以打捆麦秸为固定相,以猪场废水为流动相,采用半连续进料方式,考察了不同猪场废水容积负荷对秸秆床反应器产沼气的影响.结果表明:发酵前25d,较高的猪场废水有机负荷对反应器产气有一定抑制,之后日产气量和容积产气量迅速增加,并明显高于低猪场废水有机负荷的处理,当猪场废水容积负荷为7.2kgCOD/(m3⋅d)时,厌氧反应器最大容积产气量达2.29m3/(m3⋅d),产气稳定后维持在1.52~1.76m3/(m3⋅d),较猪场废水容积负荷为2.4,1.44kgCOD/(m3⋅d)的处理分别提高了50%和130%以上,对产气中甲烷含量无明显影响;较高的猪场废水容积负荷不利于麦秸厌氧发酵产沼气,发酵后麦秸干物质损失率、纤维素和半纤维素分解率均与猪场废水容积负荷成反比,红外的结果与之一致.对发酵后麦秸水浸提液的DGGE检测表明,维持反应器高有机负荷、低发酵液HRT,促进了厌氧微生物在麦秸表面定植,微生物种群数量和丰富度均明显高于低有机负荷、高发酵液HRT的处理,反应器耐高有机负荷冲击的能力增强.采用秸秆床反应器处理农村常见的秸秆和畜禽养殖污水产沼气是可行的,且较高的废水有机负荷有利于提高反应器容积产气率.关键词：猪场废水；秸秆床反应器；有机负荷；水力停留时间；沼气中图分类号：X705 文献标识码：A 文章编号：1000-6923(2014)05-1200-07Effect of organic loading rate of piggery wastewater on biogas production of straw-bed bioreactor. CAO Jie1,2, CHENG Guang-yin2, CHANG Zhi-zhou2*, YE Xiao-mei2, DU Jing2 (1.College of Resources and Environmental Sciences, Nanjing Agricultural University, Nanjing 210095, China；2.East China Scientific Observing and Experimental Station of Development and Utilization of Rural Renewable Energy, Ministry of Agriculture, Institute of Agricultural Resources and Environment, Jiangsu Academy of Agricultural Sciences, Nanjing 210014, China). China Environmental Science, 2014,34(5)：1200~1206Abstract：Influence of organic loading rate (OLR) of piggery wastewater on biogas production of straw-bed bioreactor was conducted under (37±1)℃ at lab scale. Higher OLR of piggery wastewater was adverse to biogas production during day 0to 25, and then daily biogas yield and volume biogas yield increased rapidly and higher than that of treatment with lower organic loading rate of piggery wastewater. The highest volume biogas yield of 2.29m3/(m3·d) was obtained at 34d with OLR of piggery wastewater of 7.2kgCOD/(m3·d). V olume biogas yield of treatment with OLR of piggery wastewater of 7.2kgCOD/(m3·d) was 1.52~1.76m3/(m3·d) which was 50% and 130% higher than that of treatment with OLR of piggery wastewater of 2.4and 1.44kgCOD/(m3·d). The higher OLR of piggery wastewater was adverse to biogas production of wheat straw and higher OLR of piggery wastewater with lower total solid, cellulose and hemicelloluse removal rate which was consistent with the result of FTIR. The result of DGGE of water extract of digested wheat straw showed that higher OLR of piggery wastewater promoted the colonization of microorganisms in the straw surface and anaerobic microbial community structure and number were much more than that of treatment with lower organic loading rate of piggery wastewater. It was feasible to use straw-bed bioreactor for biogas production with agricultural straw and livestock wastewater as fermentation materials and higher OLR of livestock wastewater with higher volume biogas yield. Key words：piggery wastewater；straw-bed bioreactor；OLR；HRT；biogas收稿日期：2013-08-26基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07101-004);江苏省农业自主创新项目(CX(12)1002)* 责任作者, 研究员, czhizhou@5期曹杰等：有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响 1201由于养殖废水中含有大量易分解有机物和氮磷营养物,将其与农业秸秆混合厌氧发酵产沼气具有以下优点:避免了秸秆单独发酵需外加水的问题;沼液的产量大幅降低;无需额外添加氮源;提高了厌氧反应器容积产气量.如果将秸秆与养殖废水混合物调节至初始干物质浓度至10%,则每处理1t秸秆可至少处理7t养殖废水,环境效益明显.畜禽粪便的处理并不困难,可经高温好氧堆肥后还田[1-2],也可与农业秸秆等混合厌氧发酵产沼气[3-5],这方面的研究报道已很多,且已规模化生产,但有关养殖废水与秸秆混合发酵产沼气的研究还不多.由于秸秆流动性差的特点,目前对畜禽养殖废水与秸秆混合厌氧发酵的研究大多停留在批次实验阶段[6-7].本文以打捆麦秸作为厌氧反应器的固定相,以猪场废水为流动相,研究猪场废水有机负荷和水力停留时间对秸秆床反应器水解产酸和产气的影响,分析了试验过程中水解液COD、pH值、挥发性脂肪酸(VFAs)、产气特性、发酵前后秸秆物质结构和组成以及相关微生物群落的变化,以期为农村废弃物沼气化工程应用提供参考.1材料与方法1.1实验材料麦秸取自于江苏省农业科学院小麦试验田,风干,人工打成圆柱形捆(高约20cm,直径约18cm,容重为53kg/m3),于干燥阴凉处备用,秸秆干物质(TS)质量为91.06%,挥发性固体(VS)质量为85.26%,总有机碳含量为48.78%,总氮为0.86%, C/N为56.72;以猪粪水稀释液模拟猪场废水,猪粪取自江苏省农业科学院六合基地,为新鲜猪粪, TS为24.50%,总有机碳含量为45.5%,总氮为3.47%,C/N为13.11,猪场废水浓度根据实验方案配制;接种物为前批次秸秆厌氧发酵后沼液经驯化培养后待用,pH 7.70,TS为1.35%.1.2实验方法实验在总容积5L的有机玻璃罐内进行.将TS质量265g的打捆麦秸和53g猪粪装入发酵罐,加入接种物将发酵罐内发酵物(麦秸+猪粪)初始TS浓度调节至10%,密封后于35℃下进行厌氧发酵实验,实验启动后每天向发酵罐内进入一定量猪场废水,并排出等量发酵液.前期实验发现,猪场废水最大COD不宜过高,浓度过高导致废水流动性变差,进料困难,且进料后在发酵罐内打捆秸秆的局部堆积,影响后续实验结果.根据前期实验结果,猪场废水COD最大为36000mg/L.前期研究发现,当猪场废水COD负荷提高至7.2kg/m3时,添加了与本实验等量打捆麦秸的厌氧反应器仍可正常运行,故本实验猪场废水最大COD容积负荷定为7.2kg/m3,研究猪场废水不同滞留时间(不同有机负荷)对麦秸产沼气的影响.实验设发酵罐内发酵液停留时间为1(T1),3(T2), 5d(T3),即实验过程中每天排出发酵罐内发酵液总量的100%、33.33%和20%,同时加入等量的猪场废水,排出的发酵液,测定其COD、pH值和VFAs.实验过程中,各处理发酵液最大排出量为1000mL,故T1、T2和T3每天发酵液排出量分别为1000,333.33,200mL,对应的T1~T3每天补充的猪场废水容积负荷为7.20,2.40,1.44kgCOD/ (m3⋅d),每个处理3个平行,取平均值进行分析.同时,用等量接种物进行厌氧发酵实验,扣除接种物产气对实验结果的影响.实验共进行50d,每天测定产气量和甲烷含量.1.3 测定指标及方法以排水集气法收集气体,每日测定产气量;采用GC-9890A气相色谱仪分析产气中甲烷含量(TCD检测器);TS的测定采用105℃烘24h,差重法测定;VS的测定采用550℃灼烧4h,差重法测定;pH值采用雷磁pHS-2F型酸度计测定;有机碳含量采用重铬酸钾氧化-外加热法[8];全氮采用H2SO4-H2O2消煮,蒸馏定氮法[9];COD的测定参照GB1194-89;采用范氏法(Van Soest)测定麦秸纤维素、半纤维素和木质素(FIWE-6,Velp Scientifica)[10];挥发性有机酸(VFA)采用气相色谱仪(GC-2014)进行测定,使用Stabil-Wax- DA30m×0.53mm×0.25μm型毛细管柱,FID检测器,程序升温,以4-甲基戊酸为内标物;分别取发酵前后的麦秸用蒸馏水清洗干净后冰冻干燥,粉碎,过100目筛后用于测定红外光谱(Nexus 870,美国NICOLET公司)1202 中国环境科学 34卷将发酵后的麦秸用无菌水缓慢洗掉污泥和沼液,取10g鲜样于250mL三角瓶中,加入100mL 无菌水,于180rm/min常温下振荡1h,浸提液用于提取DNA.DNA的提取采用FastDNA® Spin soil kit (MP Biomedicals, Solon, OH)试剂盒, 提取方法参照试剂盒说明书,细菌引物为GC338F(5′- CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGG GGCACGGGGGGACTCC-TACGGGAGGCAG CAG-3′)和518R(5′-ATTACCGCGGCTGCTG- G-3′).PCR反应体系都是50uL,DNA模版1uL, 25umol/L引物各0.5uL,2×PCR mix 25uL,ddH2O 23uL.扩增程序为94℃(5min)预变性;94℃(1min)变性,56℃(1min)退火;72℃(2min)延伸,33次循环;72℃(10min).PCR产物通过DGGE(仪器为D-code TM System(Bio-Rad)) 进行分离,聚丙烯酰胺凝胶浓度为8%,变性梯度为45%~65%, 85V,1×TAE中电泳16h,胶用银染法染色成像.DGGE电泳图谱采用Bio-Rad Quantity One 4.6.3 软件对各样品条带多少及密度进行定量分析,以作为多样性统计指标的初步数据.采用Shannon-Wiener指数(H′),[H′ = -ΣP i × ln P i( P i表示每个种群在群落中的百分比)]、优势度指数[D,D=Σ(p i)2]、丰度(S)、均匀度指数( E,E = H/ln S) 等指标比较各个样品的多样性.DGGE条带图谱相似性聚类分析,由系统软件依据戴斯系数Cs (Dice coefficient)按照UPGMA算法计算绘出.2 结果与讨论2.1实验过程中各处理产气特性的变化由图1可以看出,各处理日产气量变化趋势相似,均为在实验前期缓慢增加,T1、T2、T3日产气量分别在实验第34,33,33d达到最大值,分别为11425,7015,6325mL,对应的容积产气量分别为2.29,1.40,1.27m3/(m3⋅d),之后T1、T2和T3分别稳定在7600~8800,4800~5400,3000~3800mL,对应的容积产气量分别为1.52~1.76, 0.96~1.08, 0.6~0.76m3/(m3⋅d),T1的容积产气量较T2、T3分别高出50%和130%以上.实验启动初期,由于反应器内发酵底物浓度较高(该阶段麦秸的水解产酸能力较强以及每天添加的猪场废水),产甲烷微生物受发酵液出料的影响较大,较高的容积负荷(较低的pH值)也不利于甲烷菌繁殖,结果出现猪场废水HRT越短、反应器容积负荷越高,日产气量越低的结果.随着实验的进行,麦秸的水解产酸能力逐渐减弱,加之大量厌氧微生物在麦秸表面定植,系统对高容积负荷冲击的耐受力增加,日产气量逐渐增加,且日产气量与猪场废水容积负荷成正比.实验35d后,麦秸自身水解产酸的能力已经很弱(麦秸批次实验发酵周期一般为40~45d,30d后日产气量已很低),其对系统有机负荷的贡献很小,发酵液COD主要来自每日添加的猪场废水,故出现日产气量T1>>T2>T3的结果.实验前25d,T3的日产气量明显大于T1、T2,在实验第5d~23d,T2的日产气量稍高于T1,这与麦秸单独厌氧发酵时80%的产气集中在发酵前25d的结果一致[11],表明秸秆床反应器应采用低有机负荷启动的方式,发酵初期由于麦秸自身的水解产酸能力较强,添加较高浓度的外源有机物对系统产气产生抑制,不利于秸秆床反应器快速启动.实验第25d后,T1的日产气量迅速增加,增加速度和幅度均明显高于T2和T3,表明秸秆床反应器对高负荷猪场废水具有较强的耐受力.0102030 40 50 0300060009000日产气量(mL)时间(d)图1 厌氧发酵过程中各处理日产气量的变化Fig.1 Daily biogas yield of different treatments during theexperiment由图2可以看出,各处理甲烷含量的变化趋势相似,均为先增加后降低,达到最低点后迅速回升,之后逐步达到稳定.实验启动后,各处理产气5期 曹 杰等：有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响 1203中甲烷含量迅速增加,T1、T2、T3均在实验第5d 产气中甲烷含量达到第一个高峰,分别为51.34%、43.68%和46.44%.由于麦秸有机物的大量水解溶出以及每天添加的猪场废水,加上实验初期甲烷菌数量还不够丰富,有机物的大量水解产酸对甲烷菌产生抑制,各处理产气中甲烷含量下降,但随着实验的进行,系统中产烷菌的大量繁殖以及甲烷菌在麦秸表面的大量定植,甲烷菌对小分子有机酸的利用能力不断提高,产气中甲烷含量迅速增加,当系统中甲烷菌数量达到相对稳定后,其对小分子有机酸的利用速率与麦秸和猪场废水有机物水解产酸速率间相对平衡,产气中甲烷含量相对稳定,在60%左右波动,T1产气中甲烷含量略低于T2、T3,这与其较高的有机负荷、较低的HRT 有关,高负荷导致有机酸等含量相应较高,pH 值较低,对产甲烷菌有一定抑制作用,低HRT 可能带入更多的分子氧,从而抑制甲烷菌活性,降低产气中甲烷含量.40d 后各处理产气中甲烷含量均缓慢降低,最后稳定在60%~70%之间,且T1甲烷含量高于T2、T3,T2、T3相近,具体原因还有待于进一步研究.0 5 10 15 20253035 4045 50甲烷含量(%)时间(d)图2 各处理产气中甲烷含量的变化Fig.2 Changes of methane content of different treatmentsduring the experiment2.2 实验过程中各处理发酵液理化特性的变化 2.2.1 发酵液COD 的变化 本实验中,由于采取每天进猪场废水,同时排出等量发酵液的方式,当排出的发酵液COD 、被厌氧微生物转化为沼气的COD 和被厌氧微生物用于自身繁殖代谢的COD 之和小于麦秸、猪粪水解溶出的COD 和每天补充的猪场废水COD 之和时,发酵液COD 增加,反之降低.由图3.可以看出,各处理发酵液COD 变化趋势相似,均为先迅速增加后缓慢降低.实验启动后,随着麦秸有机物的水解溶出以及猪场废水的不断添加,各处理发酵液COD 不断增加,表明该阶段麦秸有机物水解溶出作用较强,T1、T2、T3分别在实验第11,6,3d 达到峰值,分别为56420,40810,35200mg/L.随着实验的进行,麦秸中大部分易分解有机物已水解溶出,可分解有机物和难分解有机物水解溶出较慢,相应的反应器日产气量逐步增加,COD 增加速度低于COD 消耗速度,发酵液COD 逐渐降低.实验过程中,各处理发酵液COD 与外加的猪场废水负荷成正比.对比各处理产气的结果可以看出,实验前25d,发酵液较高的COD 不利于系统产沼气,之后发酵液COD 与产气的结果一致,再次说明秸秆床反应器由于秸秆自身水解产酸的影响应采取低负荷启动的方式.0510152025 30 35 40 45 50 015000300004500060000C OD (m g /L )时间(d)图3 实验过程中发酵液COD 的变化Fig.3 Changes of COD content of different treatmentsduring the experiment2.2.2 发酵液TVFAs 的变化 由图4可以看出,各处理TVFAs 的变化趋势相似,均为先迅速增加,后迅速降低,达到一定浓度后缓慢下降.T1、T2、T3均在实验第6d 达到最大,分别为7865.87, 9918.61,8226.04mg/L,之后迅速降低,20d 后维持在较低水平,各处理间并无明显差异.从本实验TVFAs 的结果看,发酵液中TVFAs 主要来自麦秸1204 中 国 环 境 科 学 34卷水解产酸,猪场废水对VFAs 的贡献较低,这与吕利利等[12]研究结果一致.0 5 10 15 20253035 4045 50T V F A s 含量(m g /L )时间(d)图4 厌氧发酵过程中各处理发酵液TVFAs 的变化 Fig.4 Changes of TVFAs content of different treatmentsduring the experiment2.2.3 发酵液pH 值的变化 由图5可以看出,各处理pH 值变化趋势相似,均为先降低后缓慢增加,最后达到相对稳定,这与各处理TVFAs 的结果一致.T1、T2、T3均在实验室第5d 达到最低值,分别为6.08、6.10和6.31,之后逐步回升并达到相对稳定,T1稳定在7.4左右,T2、T3稳定在7.6~7.8之间.2.3 厌氧发酵前后各处理麦秸理化特性和物质组成的变化51015202530 35 40 45 50 45678p H 值时间(d)图5 实验过程中各处理发酵液pH 值的变化 Fig.5 Changes of pH values of different treatments duringthe experiment2.3.1 厌氧发酵前后麦秸理化特性的变化 由表1可以看出,经50d 厌氧发酵后,各处理麦秸干物质质量均大幅降低,T1、T2、T3分别降低了45.33%、50.58%、52.83%,麦秸TS 损失率随着猪场废水有机负荷的增加而降低,这可能是因为:本实验采取半连续进料方式,微生物在有大量易分解有机物存在的情况下首先利用易分解有机物,造成猪场废水有机负荷越高的处理麦秸降解率越低的结果.表1 厌氧发酵前后麦秸理化特性的变化Table 1 P hysico -chemical properties of wheat straw before and after anaerobic digestionTS 质量(g) 半纤维素(%) 纤维素(%) 木质素(%) 处理发酵前发酵后发酵前 发酵后 发酵前 发酵后 发酵前发酵后T1 265.00±0.25 144.88±3.42a 32.87±0.6826.89±1.36a 41.05±1.0536.35±0.70a 12.33±0.98 17.33±1.39a T2 265.00±0.32 130.95±10.38ab 32.87±0.6825.85±2.33a 41.05±1.0537.32±1.97a 12.33±0.98 16.58±2.56a T3 265.00±0.28 125.00±5.52b32.87±0.6824.45±1.14a41.05±1.0535.49±2.29a12.33±0.98 17.35±1.08a注::同列同字母表示无显著差异(P >0.05),否则差异显著(P <0.05)麦秸厌氧发酵过程中,厌氧微生物分解利用的主要有机物是纤维素和半纤维素,木质素在厌氧发酵过程中几乎不能被厌氧微生物分解[13].厌氧发酵后,各处理麦秸中半纤维素和纤维素含量均降低,木质素含量相对增加,T1、T2、T3半纤维素和纤维素含量分别降低了18.19%,21.36%, 25.62%和11.45%,9.09%,13.54%,木质素含量增加了40.55%,34.47%,40.71%,各处理间无明显差异(P >0.05),这与TS 损失率的结果一致.同时,可以看出,在本实验条件下,麦秸中半纤维素被分解利用的程度高于纤维素.2.3.2 厌氧发酵前后麦秸FTIR 分析 由图6可以看出,各处理厌氧发酵前后红外光谱谱图相似,只是在某些吸收峰的吸收强度上不同,表明厌氧发酵并不能破坏麦秸的骨架结构,只是某些官能团的含量发生了变化.厌氧发酵后在2920cm -1吸5期 曹 杰等：有机负荷对秸秆床反应器厌氧生物产沼气的影响 1205收峰强度增强,在2852cm -1处的吸收峰从无到有,吸收峰强度均为T2>T3>T1>发酵前,表明厌氧发酵后麦秸中脂族结构中亚甲基C —H 的伸缩振动和—CH 3官能团的C —H 伸缩振动增强[14].4000 3500 3000 250020001500 1000500T3T2吸收强度波数(cm -1)发酵前T1图6 发酵前后麦秸的红外光谱变化Fig.6 FT -IR spectra patterns of wheat straw obtainedbefore and after anaerobic digestion1800 1650 1500 1350 12001050900 750600T3T2吸收强度波数(cm -1)发酵前 T18951162125413751426 1462 1512 16511735图7 发酵前后麦秸红外光谱指纹区的变化 Fig.7 Fingerprint region of FTIR spectra of wheat strawobtained before and after anaerobic digestion由图7可以看出,厌氧发酵后一些吸收峰的强度发生了明显变化,在1733,1512, 1462,1426,1375,1254,1162,895cm -1处吸收峰强度明显降低,降低幅度均为T3>T2>T1,T3在1375, 1254,895cm -1处的吸收峰几乎消失,在1651cm -1处吸收峰强度增加,1733cm -1处是半纤维素中未键和的C=O 伸缩振动,1651cm -1处是O —H 和共振C—O 振动,1512cm -1处是木质素中苯环的股价伸缩振动,1462和1426cm -1处是木质素和碳水化合物中C —H 的弯曲振动,1375cm -1处是纤维素和半纤维素中C —H 的变形振动,1254cm -1处是木质素中紫丁香基芳香环和C —O 的伸缩振动,1162cm -1处是纤维素和半纤维素中C —O —C 的振动,895cm -1处纤维素中C —H 的弯曲振动[14-15].红外的结果表明,厌氧发酵后,各处理麦秸的物质结构破坏严重,T3的官能团破坏程度最大,这与产气的结果一致.2.4 厌氧发酵后麦秸水浸提液细菌DGGE 分析T 1T 2T 31 2 9 34 5 67 8 10 11图8 厌氧发酵后麦秸水浸提液细菌DGGE 谱图Fig.8 DGGE profile of bacteria produced from waterextract of digested wheat straw从图8可见,各处理麦秸水浸提液DGGE 谱图条带分布总体相似,但条带数量和深浅有一定差异.从条带数量看,T1和T2均有较清晰的11个条带,T3可清晰辨别的条带仅为1、3、4、5、6和7等6个条带,条带数量大幅减少,不同有机负荷和不同HRT 处理后,富集在麦秸表面的微生物种类存在较大差异.从条带深浅看,T1~T3在各条带的颜色深浅均为递减趋势.从各处理麦秸水浸提液DGGE 谱图的结果看,高有机负荷和低HRT 促进了微生物在麦秸上的定植,微生物种群结构和数量均明显高于低有机负荷和长HRT 处1206 中 国 环 境 科 学 34卷理的麦秸,这可能是高有机负荷、低发酵液HRT 下厌氧反应器仍可正常产气的重要原因.从表2的结果看,T1~T3丰度和多样性指数均成递减趋势,优势度指数成递增趋势,均匀度指数无明显差异,表明高有机负荷和低HRT 环境均有利于微生物的定植,微生物丰度和多样性均较高,但微生物中优势种集中程度稍有降低,对微生物均匀度的影响不大. 表2 不同处理细菌丰度(S )、多样性指数(H ′)、优势度指数(D )、均匀度指数(E )Table 2 Indices for richness (S ), diversity (H ′), dominance (D ) and eveness (E ) of bacterial commumities for DGGEprofiles from different treatment处理丰度多样性指数优势度指数均匀度指数T1 43 3.62 0.0306 0.96T2 42 3.58 0.0310 0.96 T3 38 3.46 0.0323 0.953 结论3.1 以打捆麦秸为固定相,以猪场废水为流动相进行厌氧发酵产沼气可以正常进行,不同猪场废水COD 负荷下厌氧反应器均能正常产沼气. 3.2 猪场废水容积负荷对厌氧反应器容积产气量影响较大,对产气中甲烷含量无明显影响,当猪场废水容积负荷为7.2kgCOD/(m 3⋅d)时,厌氧反应器最大容积产气量达2.29m 3/(m 3⋅d),产气稳定后维持在1.52~1.76m 3/(m 3⋅d),较猪场废水容积负荷为2.4,1.44kgCOD/(m 3⋅d)的处理分别提高了50%和130%.3.3 较高的猪场废水负荷虽可提高厌氧反应器容积产气量,但不利于麦秸厌氧发酵产沼气,发酵后麦秸干物质损失率、纤维素、半纤维素分解率均与猪场废水有机负荷成反比,红外的结果与之对应. 3.4 DGGE 的结果表明,在反应器猪场废水COD 容积负荷达7.2kgCOD/(m 3⋅d)、发酵液HRT仅为1d 条件下反应器仍能正常产气的原因在于,经过一段时间的驯化后,反应器内麦秸表面附着的微生物种类和数量(丰富度)明显高于低猪场废水有机负荷、高发酵液HRT 的处理,增强了反应器耐高有机负荷冲击的能力. 参考文献：[1] 赵 娜,林威鹏,蔡昆争,等.家畜粪便堆肥对番茄青枯病、土壤酶活性及土壤微生物功能多样性的影响 [J]. 生态学报, 2010, 30(19):5327-5337.[2] 黄向东,韩志英,石德智,等.畜禽粪便堆肥过程中氮素的损失与控制 [J]. 应用生态学报, 2010,21(1):247-254. [3] Ye JQ, Li D, Sun YM, et al. I mproved biogas production fromrice straw by co -digestion with kitchen waste and pig manure [J].Waste Management, /10.1016/j.wasman, 2013.05.014.[4] Lehtomaki A, Huttunen S, Rintala J A. Laboratory investigationson co -digestion of energy crops and crop residues with cow manure for methane production: Effect of crop to manure ratio [J]. Resources, Conservation and Recycling, 2007,51:591–609. [5] 陈广银,郑 正,邹星星,等.稻草与猪粪混合厌氧消化特性研究[J]. 农业环境科学学报, 2009,28(1):185-188.[6] 鲍习峰,叶小梅,陈广银,等.麦秸与奶牛场废水高固体混合厌氧发酵产甲烷研究 [J]. 环境化学, 2012,31(9):1387-1392.[7] 陈广银,鲍习峰,叶小梅,等.堆肥预处理对麦秸与奶牛废水混合物厌氧产沼气的影响 [J]. 中国环境科学, 2013,33(1):111-117. [8] 鲍士旦.土壤农化分析 [M]. 3版.北京:中国农业出版社, 2000:12.[9] 国家环保局《水和废水监测分析方法》编委会.水和废水监测分析方法 [M]. 3版.北京:中国环境科学出版社, 1989.[10] 杨 胜.饲料分析及饲料质量监测技术 [M]. 北京:北京农业大学出版社, 1983. [11] 陈广银,马慧娟,常志州,等.堆肥预处理温度控制促进麦秸厌氧发酵产沼气 [J]. 农业工程学报, 2013,29(23):179-185.[12] 吕利利,陈广银,叶小梅,等.混合水解对打捆麦秸水解产酸的影响研究 [J]. 环境工程学报, 2013,11(1):4519-4524.[13] Komilis D P, Ham R K. The effect of lignin and sugars to the anaerobic decomposition of solid waste [J]. Waste Management,2003,23:419-423. [14] Stark N M, Matuana L M. Characterization of weatheredwood -plastic composite surfaces using FT I R spectroscopy,contact angle, and XPS [J]. Polymer Degradation and Stability,2007,92:1883-1890. [15] Pandey K K, Pitman A J. FTI R studies of the changes in woodchemistry following decay by brown -rot and white -rot fungi [J]. International Biodeterioration and Biodegradation, 2003,52:151-160.作者简介：曹 杰(1988-),男,江苏句容人,南京农业大学硕士研究生,主要从事固体废物处理与资源化方面的研究.。
玉米秸秆中高温厌氧消化产甲烷性能影响研究
影 响厌 氧消化 过程 的 因素 有很 多 ，比如 ｐＨ 值 、 有机 负荷 和温度 等 。在 众 多影 响 因素 中 ，适 宜 的厌 氧消化 温度 非常 重要 ，因为 厌 氧 反应 器 中的微 生 物 对温度 的 变 化 非 常 敏 感 ，厌 氧 消 化 度 通 常 在 中 温 （３０ｏＣ～４０ｃＩ Ｃ）或高温 （５０℃ ～６５￣Ｃ）条 件下 进行 Ｊ。 Ｍｅｎｇ 等人 指 出玉 米 秸 秆 厌 氧 消 化 的最 佳 温 度 为 ３９℃ ，Ｒｅｎ 等 人则 指 出 玉米 秸 秆 厌 氧 消 化 的 最 佳 温度 为 ３５℃和 ５５℃ 。当厌 氧 消化温 度上 升到 ５５ｃｃ 时 ，玉 米秸秆 的产 甲烷速 率将会 增加 Ｊ。
ｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈａｎｅ ｙｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒ ５５℃ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ ＯＬＲ ｗｅｒｅ ２６０．６０ ｍＬ ·ｇＴＳ～ ．２６１．７１ ｍＬ ·ｇＴＳ ａｎｄ ２５２．３１ ｍＬ ·ｇＴＳ ，ｗｈｉｃｈ ｗｅｒｅ ９．０３％ ，４８．２２％ ａｎｄ ４４．６８％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｕｎｄｅｒ ４５℃ ，ａｎｄ ３１．５７％ ， ６３．７９％ ａｎｄ ６４．０８％ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｏｓｅ ｕｎｄｅｒ ３５￣Ｃ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｔｈｅ ｙｉｅｌｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｓｈｏｗｅｄ ａｎ ｏｂｖｉｏｕｓ ｕｐｗａｒｄ ｔｒｅｎｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｏｆ ｔｅｍ ｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｕｌｄ ｒｅｃｅｉｖｅ ｈｉｇｈｅｒ ｏｒｇａｎｉｃ ｌｏａｄｉｎｇ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅ ｂｅｔｔｅｒ ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｆｏｒ ｃｏｒｎ ｓｔａｌｋ ｔｈａｎ ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ，ａｎｄ ｗａｓ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｃ ａｎａｅｒｏｂｉｃ ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ ｗａｓ ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ ｆｏｒ ＣＯＭ ｓｔａｌｋ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｒ ｎ ｓｔａｌｋ； ａｎａｅｒｏｂｉｃ ｄｉｇｅｓｔｉｏｎ；ｍｅｓｏｐｈｉｌｉｃ；ｔｈｅｒｍｏｐｈｉｌｉｅ；ｍｅｔｈａｎｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ
回流液的曝气处理对两相联合厌氧发酵过程的影响
回流液的曝气处理对两相联合厌氧发酵过程的影响王媛媛;王建波;马芳;张衍林【摘要】在两相联合厌氧发酵产氢气-甲烷系统中,采用上清液回流可以避免产氢相中的酸积累现象,但容易导致菌种混合,影响有机质降解.针对该问题,论文将回流液经过曝气处理,研究曝气时间和曝气方式对发酵系统产气及有机质降解特性的影响规律.试验发现,曝气可以有效抑制产氢相中产甲烷菌活性、提高气体产量,经过间歇曝气10 min的处理组,产氢相气体产量最高,比对照组提高29.7％,同时发酵液的VFA 浓度峰值也最高,但曝气对产甲烷相气体产量有消极作用.曝气处理对产氢相及产甲烷相的挥发性脂肪酸浓度变化趋势无明显影响.间歇曝气、曝气时间分别为7min 和10 min的试验中发酵系统总COD降解率最高,分别达到82.1％,78.7％,比空白组分别提高了30.1％,26.7％,但连续曝气工艺在提高产气量和COD去除率方面不如间歇曝气效果显著.【期刊名称】《中国沼气》【年(卷),期】2014(032)001【总页数】5页(P61-64,12)【关键词】两相联合发酵;氢气;甲烷;回流液;曝气处理【作者】王媛媛;王建波;马芳;张衍林【作者单位】华中农业大学工学院,武汉430070;湖北水利水电职业技术学院机电工程系,武汉430070;山东省日照市环境保护局,山东日照276826;华中农业大学工学院,武汉430070【正文语种】中文【中图分类】X705;S216.4目前，对两相联合厌氧发酵产氢气-甲烷的工艺研究较多，针对目前该工艺存在的酸积累、产氢发酵过程持续时间短等问题［4，6 ～7］，有研究者采用产甲烷相上清液回流工艺，使产氢相的产气顺利进行。
回流工艺在提高经济性、防止酸积累方面是有效的。
但是，众多研究者对回流及回流液的预处理工艺能否提高气体产率方面观点不一，所得结论也不同。
究其原因，可能由于回流导致菌种混合，从而加剧产氢相的耗氢产甲烷过程［5，8，10］。
沼液絮凝上清液预处理对甜高梁秸秆厌氧发酵特性的影响
农业工程学现代农业科技2018年第22期摘要研究沼液絮凝上清液预处理对甜高粱秸秆发酵产气特性的影响,结果表明,经过沼液絮凝上清液预处理后的甜高粱秸秆产气率与未絮凝沼液预处理的秸秆相当,高达418mL/g TS ,且在第3天达到产气峰值2400mL ,产气周期为27d 。
该研究结果可为大型沼气工程降低回流沼液固体含量提供一定的理论依据。
关键词沼液;絮凝;秸秆;产气中图分类号S216.4文献标识码A 文章编号1007-5739(2018)22-0176-03Effects of Biogas Slurry Flocculating Supernatant Pretreatement on Anaerobic Digestion Characteristicsof Sweet Sorghum StrawYU Meng-meng LI Kai ZHANG Yuan-cheng *(Shandong Bori Bioenergy Co.,Ltd.,Dongying Shandong 257000)Abstract The effects of biogas slurry flocculation supernatant pretreatment on anaerobic digestion characteristics of sweet sorghum straw were studied.The results showed that the gas production rate of sweet sorghum straw pretreated by biogas slurry flocculation supernatant was the same as that of the controled group ,up to 418mL/g TS.On the third day ,the gas production reached a maximum of 2400mL and the gas production cycle was 27days.The research can provide a theoretical basis for reducing the solids content of the biogas slurry in large-scale biogas projects.Key words biogas slurry ;flocculation ;straw ;gas production沼液絮凝上清液预处理对甜高粱秸秆厌氧发酵特性的影响于萌萌李凯张元成*(山东宝力生物质能源股份有限公司,山东东营257000)在秸秆发酵产沼气的大型工程中,为了打破木质素、纤维素、半纤维素的屏障作用,经常采取水解相与发酵相分离的好氧-厌氧两相发酵法[1-2]。
秸秆原料沼液预处理技术研究分析及评价
秸秆原料沼液预处理技术研究分析及评价李秋敏杨洋（云南农业职业技术学院，云南昆明650220）摘要秸秆原料的结构组成复杂，阻碍了其有效厌氧消化。
沼液预处理技术能有效改变秸秆类原料结构，促进其厌氧消化。
本文在介绍秸秆类原料预处理方法的基础上，对秸秆原料沼液预处理技术研究现状进行了分析，总结了目前秸秆原料沼液预处理技术的处理对象、方法、评价指标等，同时针对现状分析评价了目前秸秆类原料沼液预处理技术存在的问题和不足，并进行了展望，以期为该技术的推广应用提供参考。
关键词秸秆；厌氧发酵；沼液预处理；技术评价中图分类号X712文献标识码A文章编号1007-5739（2023）22-0115-04DOI：10.3969/j.issn.1007-5739.2023.22.029开放科学（资源服务）标识码（OSID）：Research Analysis and Evaluation of Biogas Slurry Pretreatment Technology ofStraw Raw MaterialLI Qiumin YANG Yang(Yunnan Vocational College of Agriculture,Kunming Yunnan650220)Abstract The complex structure and composition of straw raw materials hinders their effective anaerobic digestion.Biogas slurry pretreatment technology can effectively change the structure of straw raw materials and promote their anaerobic digestion.Based on the introduction of pretreatment methods of straw raw materials,this paper analyzed the research status of biogas slurry pretreatment technology of straw raw materials,and summarized the current processing objects,methods,evaluation indicators and other aspects of the technology.At the same time,according to the current situation,this paper analyzed and evaluated the existing problems and shortcomings of biogas slurry pretreatment technology of straw raw materials,and made prospects,so as to provide references for the promotion and application of this technology.Keywords straw;anaerobic fermentation;biogas slurry pretreatment;technology evaluation通过厌氧消化产甲烷是秸秆资源化利用的有效手段，既可减少焚烧带来的环境污染，又能产生清洁能源，沼渣、沼液还可用于农业种植。
消化液回流比与有机负荷率对餐厨垃圾厌氧消化的影响
关 键 词 餐 厨 垃 圾
厌 氧 消化
有 机 负 荷 率
Ｅｆ ｅ ｔ ｆ ｒ ｃｒ ｕｌｔｏ ｎ ｏｒ ａ ｃ ｌａ ｎ ｎ ａ ｅ ｏ ｃ ｄｉ ｓｉ ｎ ｏ ｔ ｈ ｎ ｗａ ｔ ｓ Ｗ ａｎ ｆｃ ｓｏ ｅ ｉｃ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｇ ｎｉ ｏ ｄｉ ｇ ｏ ｎａ ｒ ｂｉ ｇｅｔｏ ｆ ｋｉｃ ｅ ｓｅ ｇ Ｘ ｉ ｇ 。 ａｎｇ ｈａｎ。。 ｎ ～ Ｗ Ｄｅ
Ｚ ａ ｇ Ｙｕ ｈ ａ 。ＬｕＲｉ ｎ 。Ｌｉ ｎ ｅ ．（ ． ｔ ｔ ｙ Ｌ ｂ ｒ ｏ ｙ ｏ ｌｕ ｉｎ Ｃｏ ｔｏ ｄ Ｒｅｏ ｒｅ ｕ ｅ 。 ｈ ｎ ｓｕｉ ｍｉ ｇ ｆｉ Ｊｕ １ Ｓ ａ ｅＫｅ ａ ｏａｔｒ Ｊ Ｐｏｌ ｔｏ ｎｒ ｌａｎ ｓｕ ｃ ｓＲｅ ｓｓ
ｔ ｅ ｔ ｎ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｕ ｄ ｄ ｔ ｒｏ ａ ｅ ｄ ｅ ｔ ｃ ｕ ｌ ｔ ｎ ｏ ｏ ａ ｉ ａ ｔ ｃ ｄ ｎ ｏ ｉ ｍ ｎ ｒ ａ ｍｅ ｔｐ ｒｏ ｍ ｎ ｅ ｗｏ ｌ ｅ ｅ ｉｒ ｔ ｕ ｏ ａ ｃ ｍｕ ａ ｉ ｆｖ ｌｔｌ ｆ ｔｙ ａ ｉ ｓ ａ ｄ ｓ ｄ ｕ ｉ ． ｏ ｅ ｏ
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环 境 污 染 与 防 治 第 ２ ８卷
第 １ Ｏ期
２０ ０ ６年 １ Ｏ月
消化液回流比与有机负荷率对餐厨垃圾厌氧消化的影响
王 星 王德 汉。 。 张玉 帅。 陆 日明。 李俊 飞。
（． 济 大 学 污 染 控 制 与 资 源 化 研 究 国 家 重 点 实 验 室 ， 海 ２０ ９ ；． 南 农 业 大 学 资 源 环 境 学 院 ， 东 广 州 ５ ０ ４ ） １同 上 ００２２华 广 １ ６２
＆ １ ． ０ ／（ ・ｄ ９ ０ｇ Ｌ ４ ），ｒｓ ｅ ｔ ｅｙ ｏ ｐｅ ｔ ｒ ｔ ａ ｅ ｐ ｏ ｕ ｔ ｎ； ｔｅ ｃ ｒｅ ｐ ｎ ｉｇ Ｃ ｅｐ ｃｉ ｌ ，ｃ ｕ ｌｄ ｗｉｈ ｍｏ ｅ ｍｅｈ ｎ ｒ ｄ ｃｉ ｖ ｏ ｈ ｏ ｒｓ ｏ ｄｎ ＯＤ ｅ ｕ ｔ ｎ ｄ — ｒ ｄ ｃｉ ｅ ｏ ｃｅ ｓｄ ｄ ａ ｔ ａｌ ｅ ｒａ ｅ ｒｓｉ ｌ ｗｈ ｎＯＬＲ ｗａ ｅ ｔａ ｉｈ ｌｖ ｌｏ ９ ８ ６ｇ （ ・ｄ ． Ｔｈ ｒｆ ｒ ｈ ｉｈ ｒｃｒｕａｉｎ ｒ ｔ ｆ ｃ ｙ ｓｋ ｐ ｔａｈｇ ｅ ｅ ｆ１ ． ６ ／ Ｌ ） ｅｅｏ ｅｔ ｅｈｇ ｅｉｃ ｌｔ ａｅｏ ｏ １ ０ ｗａ ｉｂｅｏ ｔ ｎｏ ｌ ｅ ８ ｓａｖａ ｌ ｐ ｉ ｎｙｗｈ ｎＯＬＲ ｗａ ｄ ｒ ｔ ９ ９ ３～ １ ． ０ ／ Ｌ ・ｄ ） ｔａ ｍｕ ｈ ｈｇ ｅ Ｒ ，ｔｅ ｏ ｓｍｏ ｅ ａｅ（ ． ３ ４ ９０ｇ （ ） ；ａ ｃ ｉｈ ｒＯＬ ｈ
有机负荷与回流比对餐厨垃圾两相厌氧消化的影响
有机负荷与回流比对餐厨垃圾两相厌氧消化的影响黄红辉;王德汉;罗子锋;杨洁;尚卫辉【摘要】[目的]研究产甲烷相的有机负荷与沼液的不同回流比在餐厨垃圾两相厌氧消化过程中对产酸和产气的影响.[方法]以餐厨垃圾为原料,采用两相厌氧消化工艺,分别设置了不同的有机负荷与回流比,考察两者对两相厌氧消化产酸和产气的影响.[结果]沼液回流可以提高产酸相的pH,促进餐厨垃圾酸化,在产酸相有机负荷(以挥发性固体物含量计,下同)为11.33 g·L-1·d-1时,回流比为10％、30％和50％处理的挥发性脂肪酸(VFA)质量浓度分别为11598.48、12998.41和14967.64 mg·L-1,比空白处理(CK)分别提高了9.06％、22.23％和40.74％;在沼液不回流时,产甲烷相的最适有机负荷为6.38 g·L-1·d-1,当负荷提高至8.50 g·L-1·d-1时,系统出现了酸抑制现象,而回流比为50％时,可以提高系统的缓冲性,维持系统的稳定;回流比50％处理的平均负荷产气量(以挥发性固体物含量计)为486.14 mL·g-1,比CK、回流比10％和30％处理分别提高了29.84％、20.80％和9.13％.[结论]餐厨垃圾两相厌氧消化过程中,沼液不回流时,产甲烷相的最适有机负荷为6.38 g·L-1·d-1;继续提高有机负荷,系统会产生酸抑制现象;当沼液回流比为50％时,产甲烷相的最适有机负荷可以提高至8.50 g·L-1·d-1,系统可以保持稳定运行.【期刊名称】《华南农业大学学报》【年(卷),期】2018(039)006【总页数】7页(P47-53)【关键词】餐厨垃圾;两相厌氧消化;有机负荷;回流比【作者】黄红辉;王德汉;罗子锋;杨洁;尚卫辉【作者单位】华南农业大学资源环境学院,广东广州 510642;华南农业大学资源环境学院,广东广州 510642;华南农业大学资源环境学院,广东广州 510642;华南农业大学资源环境学院,广东广州 510642;广东华扬环保科技股份有限公司,广东肇庆 526300【正文语种】中文【中图分类】X799.3据统计，我国每年餐厨垃圾产量约为9 000万t[1]，由于餐厨垃圾富含有机物，含水率高、易生化降解，容易散发恶臭[2-4]，厌氧消化技术能在处理废物的同时回收能源，被广泛用于餐厨垃圾处理[5]，且两相厌氧消化工艺是其中具代表性的一项工艺。
沼液回流对厌氧沼气工程的影响
沼液回流对厌氧沼气工程的影响厌氧沼气工程是指利用有机物进行厌氧降解得到沼气的工程。
沼气工程的原料通常为富含有机物的生物质原料，如秸秆、青贮玉米等，以及城市生活垃圾中的有机部分，例如餐厨垃圾、厨余垃圾。
这些物质经过厌氧沼气工程的处理后，原料转化为可以资源化利用的沼气，沼气可用来发电或作为燃料使用。
在产生沼气的同时，发酵后会产生固液混合剩余物，这些剩余物不能直接进行填埋或进入污水处理厂处理，需要经过脱水处理。
脱水后形成的沼渣和沼液再进行最终处理，沼渣可以进行填埋，或作为肥料；沼液也可以进入污水处理厂处理，或作为过程水回流等来调节厌氧消化。
对于厌氧沼气工程来说，针对不同的原料，生产过程中可能需要加水进行稀释，且用水量较大，导致生产成本增高，同时沼液进入污水处理厂处理也会增加运行成本。
为了降低运行成本，减轻后端污水处理的负担，同时为厌氧系统提供具有活性的菌群，工艺上通常选择设计沼液作为过程水回流，稀释原料或调整浆液的固含量，以保证后端厌氧发酵的顺利运行。
笔者尝试讨论餐厨垃圾厌氧沼气工程中的沼液回流时可能对厌氧过程产生的影响，对厌氧菌的影响、对厌氧环境的影响、对设备的影响等。
讨论沼液回流是否可行。
1 沼液性质沼液是有机物厌氧发酵后的剩余物经过脱水后产生的液体。
想了解沼液回流对厌氧过程的影响，首先要了解沼液的性质。
脱水方式对沼液性质可能会产生不同的影响，餐厨垃圾厌氧沼气工程中，由于原料颗粒较小，含有纤维状组分，在脱水时多选择离心脱水机，脱水时加入絮凝药剂。
表 1 沼气工程出水离心脱水方式下沼液的性质从表1中可知，沼液的COD，氨氮含量较高，可能会对厌氧过程产生影响，应对其进行研究。
沼液pH 值较高，也会对厌氧过程产生影响。
同时，沼液中的氮磷以酸根的形式存在，与液体中的金属离子结合会产生盐类，长期运行会在管道或设备中结垢，造成堵塞或设备减寿。
2 沼液回流对 pH 值的影响由表1可知，沼液 pH 值＞8，回流后对厌氧过程的 pH 值会产生影响。
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沼液回流比与有机负荷对秸秆厌氧发酵特性的影响邓玉营;黄振兴;阮文权;缪恒峰;赵明星;任红艳【摘要】以混合秸秆为唯一原料,混合接种瘤胃液与污泥,在半连续固态进料反应器中研究不同回流比和有机负荷组合对甲烷产率、发酵特性的影响.结果表明,在6个阶段中,当有机负荷(0 LR)为4 g/(L·d),回流比为1:1时,甲烷平均产率达到了768 mL/(L·d);单位秸秆TS产甲烷量为202 mL/g,具有明显成本优势.当OLR升高到6 g/(L·d)时,VFA积累明显,丙酸质量浓度高达6.54 g/L,并且出现丁酸的积累;该阶段氨氮质量浓度明显升高,达到了632.51 mg/L.固渣中纤维素和半纤维素在第2阶段降解程度最高,降解率达到了88.81％,而水解酶活和产甲烷效率的变化相关.通过三维荧光光谱分析,发现沼液中类酪氨酸产物、辅酶F420及腐殖酸类有机物的变化受回流比和有机负荷的影响,能直接反映产甲烷和发酵特性,而且腐殖酸类物质的积累是产甲烷作用受到抑制的重要原因.因此,合适的回流比和有机负荷对秸秆沼气工程长期稳定运行尤为关键.【期刊名称】《农业机械学报》【年(卷),期】2016(047)011【总页数】10页(P198-206,133)【关键词】秸秆;厌氧发酵;沼液回流比;有机负荷;发酵特性【作者】邓玉营;黄振兴;阮文权;缪恒峰;赵明星;任红艳【作者单位】江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;常州工程职业技术学院制药与环境学院,常州213164;江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;江南大学江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡214122;江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;江南大学江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡214122;江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;江南大学江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡214122;江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;江南大学江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡214122;江南大学环境与土木工程学院,无锡214122;江南大学江苏省厌氧生物技术重点实验室,无锡214122【正文语种】中文【中图分类】S216.4农作物秸秆一直是生物质能源中非常有潜力的原料之一。
而厌氧发酵是在缺少无机电子受体(如氧气、硝酸盐、硫酸盐、氧化态铁锰等)的条件下，经过水解、发酵产酸、产氢产乙酸阶段，最终产生二氧化碳和甲烷的过程[1]，被认为是秸秆资源化的重要途径[2]。
由于秸秆本身氮源缺乏，沼气工程中常投加牲畜粪便等原料混合发酵来平衡碳氮比[3-5]，产生的沼液氨氮等有机污染物浓度高。
尽管还田利用是一种有效的沼液减量化方式，但由于沼液成分复杂，还田利用还受土地承载能力、季节性变化等诸多因素影响[6]，导致沼液不能被充分消纳，需进一步无害化处理，从而制约了秸秆沼气工程的发展[7-8]。
采用沼液回流工艺不仅可以减少氨氮损失，实现单秸秆发酵，而且可减少功能微生物损失[9]，实现菌群水解和产甲烷过程的平衡。
但回流比过高，易导致氨氮积累[10-11]，粘度增加[12]，悬浮性颗粒提高等问题[13]，使产甲烷效率降低，因此合适的回流比对秸秆沼气工程的长期稳定运行尤为关键。
但对单秸秆发酵沼液回流研究的文献较少[11]，尤其是不同回流比和负荷条件下秸秆产气及发酵特性的研究更少，从而限制了该工艺在工程上的应用。
本文以混合秸秆为单一原料，在半连续反应器中，设置不同回流比和有机负荷，考察长期消化过程中两者对甲烷产率和液固相发酵特性的影响；并通过液相中可溶性有机物的变化，分析操作参数发挥作用的机制。
从而寻找最优产甲烷及发酵条件，为秸秆沼气工程高效运行和过程控制提供参考。
接种物有2类来源：从无锡生牛屠宰厂取新鲜牛瘤胃内含物，两层纱布过滤后获得瘤胃液；同时从苏州某处理餐厨垃圾厌氧装置取厌氧产甲烷污泥，接种物提供厌氧微生物的同时，还提供氮源：收集3种典型农作物(玉米秸、草秸和稻秸)粉碎成秸秆粉，过40目筛备用，按挥发性固体(VS)含量相同形成混合秸秆原料，接种物与原料特性如表1所示。
瘤胃液与污泥混合后(VS相等)，按体积分数25%接种于立式半连续固态进料反应器(组成装置原理见图1)，搅拌速度维持在80 r/min，料液有效体积2.5 L，启动秸秆厌氧消化实验。
为了保持体系中含固率在较小范围内波动，随着有机负荷(OLR)的提高，可增加排出料液的体积，从而获得相应的固渣停留时间(SRT)。
发酵过程根据操作参数的不同分为6个阶段，具体如表2所示。
每隔2 d，在加入干秸秆原料前分别收集气体和料液，气体经过4 mol/L NaOH溶液吸收得到甲烷的体积。
料液用100目尼龙纱网挤压过滤后，沼渣用于分析秸秆各组分的变化；沼液留样后, 按照回流比设置补足水分，返回至反应器内。
固渣样品在干燥箱中以60℃干燥12 h至恒质量，用于测定碳氮比及各组分比例。
固体总有机碳(TOC)使用总有机碳分析仪(Shimadzu型，日本)测定，凯氏氮通过凯氏分析仪 (KT-260型，中国)测定。
纤维素、半纤维素和木质素的比例根据范氏洗涤法原理测定[14]。
沼液经过5 000 r/min离心15 min后，用超纯水稀释10倍用于各指标的测定。
氨氮质量浓度使用纳氏试剂测定。
样品加入3 mol/L磷酸离心后，使用岛津GC-2010 Plus型(Shimadzu，美国)测定VFAs，升温程序参考以前的方法[15]。
纤维素酶和木聚糖酶酶活在分光光度计上利用DNS法测定[16]；酶活力单位(U)定义为，pH值为6.4，50℃条件下，每分钟每毫升酶液释放1 μg葡萄糖(木糖)的酶量。
溶解有机物(Dissolved organic matter, DOM)质量浓度用总有机碳分析仪(Shimadzu，日本)测定，然后稀释样品质量浓度到10 mg/L以下，使用三维荧光光谱仪(FluorMax-4型，美国)测定三维荧光，参数设定为: 激发波长范围200～500 nm，发射波长200～600 nm，激发和发射狭缝宽度均为4 nm，波长扫描间隔均为10 nm，为避免出现二级瑞利散射，在出光一侧添加290 nm的截止滤片[17]。
甲烷产率是衡量厌氧消化效率的重要指标，各阶段甲烷产率如图2所示，第1阶段的有机负荷为1.5 g/(L·d)，甲烷产率缓慢，反应器内微生物菌群对单秸秆原料的环境适应性及甲烷菌较长的世代周期都会影响到产甲烷效率。
从第2阶段开始，反应器进入平稳运行。
第5阶段OLR达到4 g/(L·d)，回流比减少为1∶1，甲烷最高产率达到970 mL/(L·d)，该阶段的平均甲烷产率为768 mL/(L·d)。
但当OLR 再次增加后，甲烷产率下降至587 mL/(L·d)。
表3 不同阶段甲烷产量和液相中VFAs、pH值和氨氮质量浓度的变化Tab.3 Methane production yields and VFAs, pH values and ammonia nitrogen concentrations of liquid portions at different stages参数阶段序号123456甲烷产率/(mL·(L·d)-1)189±94.11370±35.57534±30.64579±57.93768±124.80587±152.12单位TS甲烷产量/(mL·g-1)132±66194±19187±11152±15202±33103±27单位VS 甲烷产量/(mL·g-1)142±71209±20201±12163±16217±35110±29乙酸质量浓度/(g·L-1)0.29±0.340.25±0.030.34±0.081.04±0.571.81±0.782.02±0.97丙酸质量浓度/(g·L-1)2.70±0.850.57±0.860.08±0.120.81±0.433.50±1.256.54±1.34丁酸质量浓度/(g·L-1)0.06±0.120000.31±0.140.53±0.34pH值7.21±0.167.35±0.137.30±0.157.13±0.076.94±0.116.99±0.18氨氮质量浓度/(mg·L-1)225.06±44.69213.60±16.37262.79±26.50363.59±61.97349.92±68.09632. 51±54.05单位秸秆产甲烷量的变化受到回流比和OLR的共同影响(见表3)，第2阶段TS甲烷产量达到了194 mL/g，但随着OLR逐渐提高到4 g/(L·d)，产甲烷量反而降到152 mL/g。
在同样的OLR条件下，当减小沼液回流比为1∶1时(第5阶段)，产甲烷量达到了最大的202 mL/g(VS产甲烷量217 mL/g)，负荷继续提高，单位秸秆产甲烷量开始下降。
研究表明，利用混合微生物菌群间的协同作用是提高秸秆等纤维素类物质厌氧消化的有效途径[18-19]。
同时FUMA等[20]研究证实，通过易降解的纤维素原料能激活Fibrobacter succinogenes等水解菌群，从而提高稻秸的降解。
本研究将易降解的草秸、玉米秸同稻秸混合，利用牛瘤胃液和厌氧产甲烷污泥共接种开展降解实验。
根据一般秸秆理论产值0.35～0.36来计算[21],最高产量达到了理论产值的56%～58%，和经过物化、生物预处理的各种秸秆厌氧消化研究相比，甲烷产量有明显成本优势[22-23]。
另外从单位秸秆产甲烷量的研究来看，李东等[5]利用1∶1的稻草与牛粪为混合原料，连续中温厌氧消化，在OLR为3.6 g/(L·d)时，甲烷产量达到了最大220 mL/g，随后下降。
杜静等[24]在研究秸秆负荷对沼气产率影响的实验中，同样发现负荷越高，各种有毒物质的积累是导致厌氧发酵受到抑制的原因。
本研究单位秸秆产甲烷量有2个峰值，分别在第2和5阶段，表明，产甲烷量随着OLR增加有所提高，超过6 g/(L·d)时，产量下降，与上述研究的变化趋势一致。