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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行固液分離(采用螺桿壓榨機壓榨等方式),將得到的固體殘渣和液體壓榨液分別進行處理在集約化養(yǎng)殖場受到越來越多的

重視2-3)。固體殘渣可進行無輔料添加的好氧堆  肥,而針對液體部分可進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,因為養(yǎng)殖  廠周圍可以消納備禽糞污的土地有限固體殘渣直  接進行好氧堆肥以生產(chǎn)有機肥同其他處理方式  (例如不進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  工作驗證了奶牛糞固液分離后獲得的固體殘渣無輔料添加進行好氧堆肥的可行性,且發(fā)現(xiàn)固體殘渣堆肥在有或無輔料添加時,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。

利用廢棄生物質(zhì)進行厭氧消化產(chǎn)黑膜沼氣池沼氣是一種有效處理有機廢棄物的方式78,已廣泛應用于處理如農(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行效率低和運行穩(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)測不同運行條件下厭氧消化過程產(chǎn)氣效  果及pH值,NH4,SO3、有機酸( volatile fatty acids,  VFAs),可溶性有機碳( soluble total organic carbon,  TOC)等理化指標的變化情況,探討實現(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)和技術支撐。

1材料與方法

1.1實驗材料

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)以促進厭氧消化過程。

實驗接種污泥來自用大學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)由實驗室自主研發(fā),示意圖如圖1所示。高溫  厭氧消化反應器為完全攪拌式反應器,總體積為10L(其中工作體積為8L),反應器攪拌速度設置為85mm,溫度設定為53℃。每日加入奶牛糞壓榨液原料,添加量根據(jù)ⅥTS確定,實驗過程有機物負荷逐漸從2.0g·Ld-增加至12.0g·Ld-,每一負荷下反應器運行1~2周以獲得穩(wěn)定數(shù)據(jù)。補料的同時取出部分發(fā)酵液體維持反應器工作體積為8L。為保證反應器內(nèi)厭氧環(huán)境補料時充氮氣10min。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

反應器液相中,使用電磁流量計記錄最終黑膜沼氣池沼氣產(chǎn)量。同時,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)共運行95天,定期從厭氧反應器中采集發(fā)酵液,測定pH值,NH4,SO2-,TOC和VFAs濃度等理化指標。

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計算得出。揮發(fā)性有機酸( 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  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。反應器共運行了95天,前37天厭氧消化系統(tǒng)未進行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣,有機物負荷從2逐漸增加至6g·L-d可以看出,當有機物負荷為2g·Ld-開始進料,  反應器產(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;提高有機物負荷至4g·Ld-1  時,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)提高有機物負荷至6g·L-d-,黑膜沼氣池沼氣生  產(chǎn)率同有機物負荷4g·Ld相比并沒有明顯增  加,與此同時黑膜沼氣池沼氣中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,反應器進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  結果一致(2)。提高有機物負荷至8g·Ld  gLd2時,反應器產(chǎn)氣狀況穩(wěn)定;然而繼續(xù)提  有機物負荷為12g·Ld時,可以看出,反應器  氣量迅速下降,反應了其運行不穩(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  厭氧消化最大有機物負荷為10g·Ld-1,此時  氣生產(chǎn)率約為920.5mL,Ld-(甲烷含量當63.7%),同時黑膜沼氣池沼氣中H13S含量維持在50m下。從此結果也可以看出,單獨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加餐垃圾等進行共發(fā)酵以促進產(chǎn)氣,進而提高經(jīng)濟效益2.2奶牛糞壓榨液厭氧消化反應器內(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  物負荷(2gLd-)補料時,體系中有機酸尤  乙酸濃度和T0C濃度呈增加趨勢,這可能時由  榨液原料對種子污泥的沖擊導致,種子污泥尚  應新的原料。在此階段,體系pH略有波動,M  度約為376mg·L。隨著厭氧消化過程的進  有機物負荷增加至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  子污泥已適應壓榨液原料,有機酸降解而無積累。  反應器內(nèi)適宜的p值范圍是厭氧消化順利進行的重要環(huán)境條件,在此期間反應器的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,隨著有機物負荷的增加,反應器內(nèi)NH4濃度有所增加,同時TOC的濃度逐漸增加,這說明TOC轉(zhuǎn)化效率在有機物負荷提高過程中有所下降。

從第38天(有機物負荷為6g·Ld-)開始反應器進行黑膜沼氣池沼氣內(nèi)循環(huán)或微通氣后,反應器運行14天除TOC略微增加然后保持穩(wěn)定外,其他各項理化

性質(zhì)如pH值和VFAs均保持穩(wěn)定,NH4濃度略有  降低。有機物負荷增加至8-10g·Ld-1,反應器  保持穩(wěn)定;然后繼續(xù)增加有機物負荷至12g·L-1d-后,反應器內(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。高濃度的有機酸尤其是丙酸對厭氧消化過程微生物有較強的抑制作用,Pullammanappallil1等研究認為丙酸濃度在3000mg·L左右即會產(chǎn)生抑制。同時,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,有機物負荷12g·Ld時,反應器運行不穩(wěn)定

3結論

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)

和微通氧可以實現(xiàn)奶牛糞壓榨液的高負荷處理,最大穩(wěn)定處理有機物負荷達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 常譽尹 馬詩淳 孫照勇 湯岳琴 木田建次

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