我国是世界秸秆产量第一大国。沼气池厌氧发酵技术是将农业废弃物转化为沼气的有效手段之是秸秆资源化的重要途径。然而,在生产沼气的同时也会均衡地产生大量的副产品一沼气池沼液沼渣,同时秸秆中的纤维素、半纤维素和木质素的含量直接影响到秸秆沼气池厌氧发酵产气的效果,不同种类秸秆沼气池厌氧发酵产沼气的效果差别较大。沼气池沼液回流技术可以从源头上减少沼气池沼液排放,预防农田消纳时潜在的环境风险,对大中型沼气工程沼气池沼液的减排和节约淡水资源具有重要的理论和现实意义。沼气池沼液回流可以减少氨氮损失,实现单秸秆发酵,同时减少功能微生物损失4,实现菌群水解和产甲烷过程的平衡。

但过高的回流比会导致氨氮积累6,粘度增加(,导致发酵产气量下降。有关沼气池沼液回流能够提高发酵效率、反应器运行稳定性和增加原料利用率的研究大多是建立在批次发酵的基础上,或者将用于回流的沼气池沼液进行稀释,而对于在低含固率发酵条件下,沼气池沼液过筛后全部回流对单秸秆特别是木质化程度较高的秸秆发酵效果的影响较少有相关报道8。实验以棉花秸秆为原料,在固定进水负荷4gTS·Ld及HRT(15d)下,通过沼气池沼液回流再利用,研究回流对产甲烷效率及微生物群的影响。

1材料与方法

1.1棉花秸秆及污泥特性

实验启动的活性污泥取自笔者实验室在中温条件50 L CSTR发酵罐长期培养的种泥,活性污泥的TS和VS分别为6%,4.1%,pH值为7.2,在有效体积为6L的发酵罐内接种污泥3.2L。棉花秸秆粉碎成秸秆粉,过40目筛备用,其理化性质见表1。

1.2实验装置与操作

沼气池厌氧发酵装置为2个相同的CSTR反应器  图1),总体积7.2L有效体积为61。每天投  次,每次10min,搅拌速度为200r·mi  350尼龙纱网过滤后用于进料稀释,回流到  罐中重新利用,而未回流组使用清水代替

1.3实验监测方法

总固体(T),挥发固体(VS)采用干重法出料的pH值采用 SANXIN牌SXTS610型笔式由计测量;沼气采用SY-TS120L氧气袋收集;甲烷体积分数采用便携式沼气分析仪( Geotech Bi5000型,英国);纤维素含量用 ANKOM220纤维析仪测量;SCOD采用标准重铬酸钾氧化法;氨采用水杨酸TSL次氯酸盐光度法测定0;出料挥发性脂肪酸VFAs采用岛津LC-TS20A高效液相色仪测定,色谱柱为BO- TSLRAD HPX- TSL87HLExclusion Column;微生物群结构分析采用16NA基因克隆文库法"。

2结果与讨论

2.1回流对甲烷产率的影响

甲烷产率是衡量厌氧消化系统运行效率的重要指标。在固定进水负荷4gTS·Ld-条件下,从第31天开始回流,从图2可知,回流初始阶段不会对产气有影响,但随着回流时间延长,甲烷产率会下降,当运行到153天时,两组甲烷产率开始出现差

沼气池沼液回流开始对沼气池厌氧发酵产生抑制作用,回流组的甲烷产率由332.4mL·Ld降低到255mL·Ld-,下降了23.1%。有文献表明2),回使沼气池沼液中未降解掉的有机物及携带的产甲烷菌群新进入发酵罐中,能够在一定程度上提高沼气含量笔者研究显示前152天回流并未增加产气,可能为在相对较低的有机负荷4gS·Ld下,初期  系粘度及挥发性脂肪酸含量相对较低,对产甲烷系无明显抑制作用,厌氧过程完全且有机物利用为充分,使得回流液中可降解物质较少,对体系了  增加不明显。徐霄通过渗滤液回流技术对发种  干式厌氧消化反应进行研究,利用合适的回流比,∥高纤维素和半纤维素的降解率,从而提高了厌  酵产气量。王星研究了消化液回流比对餐  圾厌氧消化的影响发现在低负荷条件下,停园  比可以使系统的产气量明显提高,但在高负荷条

下,较高的消化液回流比会造成挥发性有机酸积累,从而对厌氧消化反应有抑制作用。回流比及负荷高低是影响回流效果的两个重要因素,而本实验在固定回流比及有机负荷的条件下,以棉花秸秆为原料进行单发酵,沼气池沼液未经调节直接回流,结果显示到第9个HRT时,回流开始会对沼气发酵产生抑制作用,与长期沼气池沼液回流造成的粘度增加以及难降解物质积累有关,因此回流时间长短是一项重要的工艺参数。整个实验过程中,每天进料量为24gTs,回流组单位TS产甲烷量为7.3mL·Ld-1,未回流组单位TS产甲烷量为829mL·L-d-1,回流使产甲烷量降低了6.8%。实验中观测到回流并未影响甲烷含量,回流组和未回流组均维持在52%~55%。

2.2回流对pH值和氨氮浓度的影响

水解产酸菌的最佳pH值在7附近,产甲烷菌生长的最适pH值介于6.8~7.56(见图3)。随着实验的进行,未回流组的pH值呈下降的趋势并维持在6.8,而回流组为7以上,均处于适宜的H值条件下。未回流组氨态氮平均浓度在71mg·L左右,而回流组为108mg·L,氨氮是厌氧缓冲体系的致碱物质,也正是氨氮的回流增加了回流组体系的缓冲能力使回流组pH值较高。一般情况下,NH浓度在50~200mg·L是有益的。由于原料使用的是棉花秸秆,氮元素含量比较低,所以氨氮的浓度远没有达到抑制沼气池厌氧发酵的程度。

2.3回流对粘度的影响

回流开始后,回流组沼气池沼液粘度由54mPa·s增至139mPa·s,而未回流组粘度处于57~79mPa·s之

间(见图4)。粘度反映了液体流动时的内摩擦程度,是发酵液流变性的重要指标,能够影响厌氧反应器的整体混合行为、物质传质和热传递过程,即微生物与有机物之间的传质过程,从而影响沼气池厌氧发酵的水解和产甲烷效率。实验以棉花秸秆为原料,其具有较难降解的纤维素、木质素、半纤维素等成分,随着沼气池沼液的回流,难以充分降解的大分子物质不断积累,沼气池沼液中悬浮颗粒及胶体物质增长明显,因而使粘度增加,在一定程度上抑制了产气。

2.4回流对挥发性脂肪酸含量的影响

VFAs的质量浓度反映出体系中酸化和产甲烷之间的平衡,回流会导致VFAs的积累2)。乙酸质量浓度超过1.5g·L就会抑制纤维素酶的活性,从而抑制水解反应3。当乙酸质量浓度降到0.3g·L-时,嗜乙酸型甲烷菌有更高的亲和性,乙酸发酵产甲烷成为主要途径18。由图5~图7可知,回流组乙酸由0.1g·L增长到1.6g·L-,而未回流组维持在0.1~0.3g·L之间,说明未回流组以乙酸发酵产甲烷为主,而回流组乙酸积累到一定程度已经开始抑制纤维素的水解。丙酸氧化生成乙酸、氢和二氧化碳是吸能反应,热力学上不能自发进行,丙酸的积累是厌氧消化甲烷产出率低的主要原因2,当丙酸浓度达到15g·L时,会抑制50%的产甲烷活性21。在实验中,丙酸在回流的初始阶段浓度为0.2g·L,回流一段时间后增至0.5g·L,而未回流组在0.2g·L左右波动,回流组虽有丙酸积累但并未到抑制产甲烷的程度,可能与较合理的进水负荷有关。乳酸在短时间乙酸化过程中,会释放较高浓度的二氧化碳和氢气,这会降低嗜氢产甲烷菌的代谢效率降低甲烷产率2)。实验未回流组乳酸的浓度一直维持在0.3g·L左右,而回流组有明显的上升,浓度大约在1.3g·L,是回流组甲烷产率较低的原因之一。

2.5回流对产甲烷体系细菌的影响

细菌16 S rDNA基因克隆文库分析取样点为190天,即回流组产气受抑制阶段。通过限制酶切技术对16sDNA基因克隆文库归类后测序。如图8所示, Ruminofilibacter xylanolyticum能够利用木聚糖,曾在以玉米、小麦秸秆为原料的沼气发酵罐中检测出来23); Acetivibrio cellulolyticus为厌氧的纤维素分解菌,主要发酵产物是乙酸、氢气和二氧化碳2Thermoanaerobacter能够利用包括木糖、纤维二糖、淀粉、葡萄糖和麦芽糖在内的多种碳水化合物,并且能够还原硫代硫酸盐产生硫化氢21; Prevotella ruminacola在利用多糖、多肽及蛋白质代谢中中起着重要的作用,均在未回流组中发现,反映了其纤维素降解菌群的种类多样性,有利于其水解产酸,继而获  得较高的产甲烷率。回流使反应器有毒物质积累  可能影响了纤维素降解菌群落多样性。

2.6回流对产甲烷体系古菌的影响

对原始污泥及反应器内颗粒污泥进行取样,基于16SDNA基因序列构建的系统树如图9中所示。其中B和C为回流尚未影响产气时的取样点,D和E为回流明显抑制产气时的取样点。如表2所示 原始污泥中古菌种类丰富,经过以单一棉花秸秆为原料的驯化阶段后,嗜乙酸产甲烷菌 Methanosaeta占有绝对的优势,而嗜氢产甲烷菌 Methanomicrobiales和 Methanobacterium丰度比较低。5个样品克隆子序列分析结果见表2。

Methanosaeta独有的丝状纤维形成特定网格结  构将其他细菌联结到一起,在颗粒污泥形成过程中  起到骨架、细胞联合和支配作用2,研究表明在活  性较好的颗粒污泥中 Methanosaeta是主导的产甲烷菌。实验以单一棉花秸秆为原料,回流组中Methanosaeta的比例不断增加,有利于污泥的颗粒化过程及难降解物质积累下系统的稳定。在回流尚未抑制产气阶段,通过分析两组在第70天的颗粒污泥中古菌比例,发现主要产甲烷菌 Methanosaeta的比例相近,此时两组产甲烷率差异不大;未回流组中仍检测出 Uncultured euryarchaeota,而回流组未能检出,可能因为回流沼气池沼液中积累的有毒物质抑制了该种微生物的生长,其分类地位和代谢功能还需进一步研究。回流组中嗜氢产甲烷菌为 Methanobacteriaum,可利用H2/C02及甲酸生成甲烷;到了回流抑制产气阶段,回流组中 Methanosaeta比例增加,与回流组乙酸浓度较高有关,在稳定沼气池厌氧发酵系统中起到重要作用

3结论

(1)在进水有机负荷为4g·Ld的条件下,沼气池沼液回流并没有增加产气,回流到第9个HRT时,回流组产气受到抑制。以棉花秸秆为原料,回流组单位Ts产甲烷量为73mL·Ld,未回流组单位TS产甲烷量为82.9mL·Ld-,回流使产甲烷量降低了6.8%

(2)回流对pH值影响显著,回流组的pH值要高于未回流组,这主要由于回流组的氨态氮浓度高  于未回流组,氨态氮作为致碱物质增强了回流组的  冲能力;沼气池沼液粘度的增加,降低了沼气池厌氧发酵效率;回流组的VFAs要高于未回流组,其中乙酸和乳酸的积累是回流组甲烷产率较低的原因之

(3)未回流组纤维素分解菌种类更加丰富,是其能够有效水解纤维素,进而产甲烷率高的原因;经过长期单秸秆发酵,污泥中 Methanosaeta的比例不断增加,随着回流组乙酸浓度的增加, Methanosaeta

例也在增长,对稳定沼气池沼液回流条件下的沼气池厌氧发酵体系起到重要作用。

摘自《中国沼气》2018第一期