随着集约化养殖业在我国的快速发展,每年畜  禽粪污排放量已经超过40亿t,然而70%以上的畜  禽粪污未被有效处理就被排放到环境中。大量的畜禽粪污排放已经引起了严重的环境问题如地下水污染、臭气病原菌及过量的土地占用等。因此,有

必要寻找一种合适的管理及利用途径以降低畜禽粪污引起的环境污染。  近年来畜禽粪污先进行固液分离(采用螺杆压榨机压榨等方式),将得到的固体残渣和液体压榨液分别进行处理在集约化养殖场受到越来越多的

重视2-3)。固体残渣可进行无辅料添加的好氧堆  肥,而针对液体部分可进行厌氧消化以回收能量。  这种处理方式对集约化养殖厂非常重要,因为养殖  厂周围可以消纳备禽粪污的土地有限固体残渣直  接进行好氧堆肥以生产有机肥同其他处理方式  (例如不进行固液分离直接添加辅料堆肥)相比显  著降低了待处理废物量;而压榨液由于固体的大量  去除将加速其厌氧消化过程处理效率。我们前期的  工作验证了奶牛粪固液分离后获得的固体残渣无辅料添加进行好氧堆肥的可行性,且发现固体残渣堆肥在有或无辅料添加时,对堆肥过程中微生物群落成分的影响不大。但前期工作对奶牛粪压榨液的厌氧消化性能尚未做评价。

利用废弃生物质进行厌氧消化产黑膜沼气池沼气是一种有效处理有机废弃物的方式78,已广泛应用于处理如农业、城市和工业来源废物。但畜禽废物厌氧消化处理过程中常面临运行效率低和运行稳定性差的问题其中氨(NH12)和硫化氢(H2S)抑制是造成畜  禽废物厌氧消化过程运行效率低甚至崩溃的主要原  因90。畜禽废物经过固液分离后,可溶性氨(主  要为NH4)和硫(主要为SO2)转移到液体部分,可  能会造成厌氧消化过程抑制的加剧,而且过程产生  的NH3和H2S也是黑膜沼气池沼气臭味的主要来源。因此,有  必要在奶牛粪液体厌氧消化过程中降低NH3和

H12S的抑制,从而建立高效、稳定的厌氧消化工艺。

本研究以奶牛粪压榨液为原料,利用自主研发  的厌氧消化耦合NH3和/或H2S抑制原位解除系  统,通过监测不同运行条件下厌氧消化过程产气效  果及pH值,NH4,SO3、有机酸( volatile fatty acids,  VFAs),可溶性有机碳( soluble total organic carbon,  TOC)等理化指标的变化情况,探讨实现奶牛粪压榨  液高效处理的可行性,以期为奶牛粪污的资源化利  用提供理论依据和技术支撑。

1材料与方法

1.1实验材料

1.1.1原料和接种污泥

奶牛粪取自成都双流一奶牛养殖厂。采用油压过滤将固体和液体部分进行分离,将固体部分水分含量压滤至约72%(模拟商业螺杆压榨机压榨效率),所得压榨液用于厌氧消化原料,其理化性质如表1所示。压榨液pH值为7.8,NH4浓度为901.2mg·L,C/N比较低,约为19.0。原料中加入微量元素N2,Co2和Fe2分别为0.05,0.05,0.65mg·g挥发性固体(VTS)以促进厌氧消化过程。

实验接种污泥来自用大学校园食堂餐厨垃圾长期驯化的高温厌氧消化体系,总固体(TS)和挥发性固体VTS为污泥质量的3.1%和2.6%。

1.1.2厌氧消化装置  高温厌氧消化耦合NH3和H2S抑制原位解除系统由实验室自主研发,示意图如图1所示。高温  厌氧消化反应器为完全搅拌式反应器,总体积为10L(其中工作体积为8L),反应器搅拌速度设置为85mm,温度设定为53℃。每日加入奶牛粪压榨液原料,添加量根据ⅥTS确定,实验过程有机物负荷逐渐从2.0g·Ld-增加至12.0g·Ld-,每一负荷下反应器运行1~2周以获得稳定数据。补料的同时取出部分发酵液体维持反应器工作体积为8L。为保证反应器内厌氧环境补料时充氮气10min。产生的黑膜沼气池沼气通入水槽(工作体积4.5L)吸收NH3、H2S和CO2后,部分气体通过空气循环泵通入

反应器液相中,使用电磁流量计记录最终黑膜沼气池沼气产量。同时,按黑膜沼气池沼气产生量的3%通入空气以减轻体系H2S抑制(或降低黑膜沼气池沼气中H2S含量)。高温厌氧消化系统共运行95天,定期从厌氧反应器中采集发酵液,测定pH值,NH4,SO2-,TOC和VFAs浓度等理化指标。

1.2分析方法

样品在干燥箱105℃下烘干至恒重测定水分和总固体(TS),然后利用马弗炉将样品在600℃下灼烧2h测定挥发性固体(VTS)。C,N,H,O元素使用采用元素分析仪( Vario EL cube, Elementar,德国)测定。蛋白质含量通过测定总N含量乘以6.25计算得出。挥发性有机酸( Volatile fatty acids,

VFAs)使用高效液相色谱(HPLC, Shimadzu)测定,  分离柱为 Shimpack SCR:101H。TOC使用 TOC ana  ler( TOC-V CSH, Shima)测定。pH使用pH计  HM35G, TOADKK)测定。NH和SoO2浓度浓度使用离子色谱( Dionex ICS-1500和ICS100)测定,甲烷含量由气相色谱测定(CC323)。黑膜沼气池沼气中H2S和NH3采用气体精密检测管( Komyo Kitagawa,Tokyo, Japan)检测。

2结果和讨论

2.1奶牛粪压榨液厌氧消化的产气情况

在厌氧消化过程中,奶牛粪压榨液中的有机物在微生物的作用下降解转化为黑膜沼气池沼气。因此,黑膜沼气池沼气的产量可以直接反映系统的运行状态。图2显示了奶牛粪压榨液厌氧消化过程中黑膜沼气池沼气生产效率、甲烷含量及黑膜沼气池沼气中H2S含量的变化情况。反应器共运行了95天,前37天厌氧消化系统未进行黑膜沼气池沼气内循环或微通气,有机物负荷从2逐渐增加至6g·L-d可以看出,当有机物负荷为2g·Ld-开始进料,  反应器产气效果稳定,黑膜沼气池沼气生产率约为400  mL·Ld-,其中黑膜沼气池沼气中甲烷含量约59.5%,H2S含量为600pm;提高有机物负荷至4g·Ld-1  时,黑膜沼气池沼气生产率增加至约为637.2mL·Ld-(甲  烷含量约62.7%),但黑膜沼气池沼气中H2S含量增加到1200  ppm;继续提高有机物负荷至6g·L-d-,黑膜沼气池沼气生  产率同有机物负荷4g·Ld相比并没有明显增  加,与此同时黑膜沼气池沼气中H2S含量增加到约2000m  为降低黑膜沼气池沼气中H2S含量从而提高黑膜沼气池沼气质量1  从第38天开始,反应器进行黑膜沼气池沼气内循环或微通气,

通气量为黑膜沼气池沼气产生速度的3%。从图1可以系  黑膜沼气池沼气内循环或微通气并未影响黑膜沼气池沼气产量,但  H12S含量迅速降低至50ppm以下,同时由于  循环过程中有部分CO2溶解于水槽中,黑膜沼气池沼气中甲  含量从62.3%增加至64.2%,这和我们之前的  结果一致(2)。提高有机物负荷至8g·Ld  gLd2时,反应器产气状况稳定;然而继续提  有机物负荷为12g·Ld时,可以看出,反应器  气量迅速下降,反应了其运行不稳定,这从后线5  器内消化液的理化性质分析结果也可以表明1  部分)。因此,可以推断,在此条件下奶牛粪压  厌氧消化最大有机物负荷为10g·Ld-1,此时  气生产率约为920.5mL,Ld-(甲烷含量当63.7%),同时黑膜沼气池沼气中H13S含量维持在50m下。从此结果也可以看出,单独奶牛粪压榨液厌消化产气效率较低,将来的研究可以通过补加餐垃圾等进行共发酵以促进产气,进而提高经济效益2.2奶牛粪压榨液厌氧消化反应器内的理化性变化

图3显示了奶牛粪压榨液厌氧消化过程中发液理化性质(包括pH值,VFAs,TOC,NH和的变化情况。可以看出,在前37天厌氧消化系统  进行黑膜沼气池沼气内循环或微通气,奶牛粪开始以较低有  物负荷(2gLd-)补料时,体系中有机酸尤  乙酸浓度和T0C浓度呈增加趋势,这可能时由  榨液原料对种子污泥的冲击导致,种子污泥尚  应新的原料。在此阶段,体系pH略有波动,M  度约为376mg·L。随着厌氧消化过程的进  有机物负荷增加至4-6g·L-d-1,可以看出

酸浓度降低并维持稳定至1200mg·L-,这表明种  子污泥已适应压榨液原料,有机酸降解而无积累。  反应器内适宜的p值范围是厌氧消化顺利进行的重要环境条件,在此期间反应器的pH值总体保持稳定,pH值变化范围在7.8~8.2之间,处于适宜微生物生长的范围。从图3也可以看出,随着有机物负荷的增加,反应器内NH4浓度有所增加,同时TOC的浓度逐渐增加,这说明TOC转化效率在有机物负荷提高过程中有所下降。

从第38天(有机物负荷为6g·Ld-)开始反应器进行黑膜沼气池沼气内循环或微通气后,反应器运行14天除TOC略微增加然后保持稳定外,其他各项理化

性质如pH值和VFAs均保持稳定,NH4浓度略有  降低。有机物负荷增加至8-10g·Ld-1,反应器  保持稳定;然后继续增加有机物负荷至12g·L-1d-后,反应器内TOC迅速增加至8000mg·L-,乙酸和丙酸浓度也迅速增加,4天内分别增加至4000mg·L和3000mg·L-1。高浓度的有机酸尤其是丙酸对厌氧消化过程微生物有较强的抑制作用,Pullammanappallil1等研究认为丙酸浓度在3000mg·L左右即会产生抑制。同时,pH值也由于酸的积累迅速下降。理化性质的不稳定和产气情况均表明,有机物负荷12g·Ld时,反应器运行不稳定

3结论

综上可知,采用高温厌氧消化耦合黑膜沼气池沼气内循环

和微通氧可以实现奶牛粪压榨液的高负荷处理,最大稳定处理有机物负荷达10g·Ld-,在此条件  下的黑膜沼气池沼气生产率和CH4含量分别为920.5mL,L1

d和63.7%。通过耦合黑膜沼气池沼气内循环和供给微量空气(黑膜沼气池沼气产量的3%),反应器中NH浓度维持在1000mg·L以内,黑膜沼气池沼气中H2S的含量降低至50Ppm以下,黑膜沼气池沼气质量明显改善。

摘自《中国沼气》第三期 常誉尹 马诗淳 孙照勇 汤岳琴 木田建次

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