曹 杰 ,陳廣銀 ,常志州 *,葉小梅 ,杜 靜 (1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 10095；.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站,江蘇 南京10014)

有機負(fù)荷對秸稈床反應(yīng)器厭氧生物產(chǎn)沼氣的影響

曹 杰1,2,陳廣銀2,常志州2*,葉小梅2,杜 靜2(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210095；2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所,農(nóng)業(yè)部農(nóng)村可再生能源開發(fā)利用華東科學(xué)觀測實驗站,江蘇 南京210014)

在實驗室條件下,以打捆麥秸為固定相,以豬場廢水為流動相,采用半連續(xù)進料方式,考察了不同豬場廢水容積負(fù)荷對秸稈床反應(yīng)器產(chǎn)沼氣的影響.結(jié)果表明:發(fā)酵前25d,較高的豬場廢水有機負(fù)荷對反應(yīng)器產(chǎn)氣有一定抑制,之后日產(chǎn)氣量和容積產(chǎn)氣量迅速增加,并明顯高于低豬場廢水有機負(fù)荷的處理,當(dāng)豬場廢水容積負(fù)荷為 7.2kgCOD/(m3·d)時,厭氧反應(yīng)器最大容積產(chǎn)氣量達 2.29m3/(m3·d),產(chǎn)氣穩(wěn)定后維持在1.52～1.76m3/(m3·d),較豬場廢水容積負(fù)荷為2.4,1.44kgCOD/(m3·d)的處理分別提高了50%和130%以上,對產(chǎn)氣中甲烷含量無明顯影響;較高的豬場廢水容積負(fù)荷不利于麥秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,發(fā)酵后麥秸干物質(zhì)損失率、纖維素和半纖維素分解率均與豬場廢水容積負(fù)荷成反比,紅外的結(jié)果與之一致.對發(fā)酵后麥秸水浸提液的DGGE檢測表明,維持反應(yīng)器高有機負(fù)荷、低發(fā)酵液HRT,促進了厭氧微生物在麥秸表面定植,微生物種群數(shù)量和豐富度均明顯高于低有機負(fù)荷、高發(fā)酵液HRT的處理,反應(yīng)器耐高有機負(fù)荷沖擊的能力增強.采用秸稈床反應(yīng)器處理農(nóng)村常見的秸稈和畜禽養(yǎng)殖污水產(chǎn)沼氣是可行的,且較高的廢水有機負(fù)荷有利于提高反應(yīng)器容積產(chǎn)氣率.

豬場廢水；秸稈床反應(yīng)器；有機負(fù)荷；水力停留時間；沼氣

由于養(yǎng)殖廢水中含有大量易分解有機物和氮磷營養(yǎng)物,將其與農(nóng)業(yè)秸稈混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣具有以下優(yōu)點:避免了秸稈單獨發(fā)酵需外加水的問題;沼液的產(chǎn)量大幅降低;無需額外添加氮源;提高了厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣量.如果將秸稈與養(yǎng)殖廢水混合物調(diào)節(jié)至初始干物質(zhì)濃度至 10%,則每處理1t秸稈可至少處理7t養(yǎng)殖廢水,環(huán)境效益明顯.畜禽糞便的處理并不困難,可經(jīng)高溫好氧堆肥后還田[1-2],也可與農(nóng)業(yè)秸稈等混合厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣[3-5],這方面的研究報道已很多,且已規(guī)?；a(chǎn),但有關(guān)養(yǎng)殖廢水與秸稈混合發(fā)酵產(chǎn)沼氣的研究還不多.由于秸稈流動性差的特點,目前對畜禽養(yǎng)殖廢水與秸稈混合厭氧發(fā)酵的研究大多停留在批次實驗階段[6-7].

本文以打捆麥秸作為厭氧反應(yīng)器的固定相,以豬場廢水為流動相,研究豬場廢水有機負(fù)荷和水力停留時間對秸稈床反應(yīng)器水解產(chǎn)酸和產(chǎn)氣的影響,分析了試驗過程中水解液COD、pH值、揮發(fā)性脂肪酸(VFAs)、產(chǎn)氣特性、發(fā)酵前后秸稈物質(zhì)結(jié)構(gòu)和組成以及相關(guān)微生物群落的變化,以期為農(nóng)村廢棄物沼氣化工程應(yīng)用提供參考.

1 材料與方法

1.1 實驗材料

麥秸取自于江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥試驗田,風(fēng)干,人工打成圓柱形捆(高約20cm,直徑約18cm,容重為53kg/m3),于干燥陰涼處備用,秸稈干物質(zhì)(TS)質(zhì)量為 91.06%,揮發(fā)性固體(VS)質(zhì)量為85.26%,總有機碳含量為 48.78%,總氮為 0.86%,C/N 為 56.72;以豬糞水稀釋液模擬豬場廢水,豬糞取自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地,為新鮮豬糞,TS為 24.50%,總有機碳含量為 45.5%,總氮為3.47%,C/N為13.11,豬場廢水濃度根據(jù)實驗方案配制;接種物為前批次秸稈厭氧發(fā)酵后沼液經(jīng)馴化培養(yǎng)后待用,pH 7.70,TS為1.35%.

1.2 實驗方法

實驗在總?cè)莘e 5L的有機玻璃罐內(nèi)進行.將TS質(zhì)量265g的打捆麥秸和53g豬糞裝入發(fā)酵罐,加入接種物將發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵物(麥秸+豬糞)初始TS濃度調(diào)節(jié)至 10%,密封后于 35℃下進行厭氧發(fā)酵實驗,實驗啟動后每天向發(fā)酵罐內(nèi)進入一定量豬場廢水,并排出等量發(fā)酵液.前期實驗發(fā)現(xiàn),豬場廢水最大 COD不宜過高,濃度過高導(dǎo)致廢水流動性變差,進料困難,且進料后在發(fā)酵罐內(nèi)打捆秸稈的局部堆積,影響后續(xù)實驗結(jié)果.根據(jù)前期實驗結(jié)果,豬場廢水 COD最大為 36000mg/L.前期研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)豬場廢水 COD負(fù)荷提高至7.2kg/m3時,添加了與本實驗等量打捆麥秸的厭氧反應(yīng)器仍可正常運行,故本實驗豬場廢水最大COD容積負(fù)荷定為7.2kg/m3,研究豬場廢水不同滯留時間(不同有機負(fù)荷)對麥秸產(chǎn)沼氣的影響.實驗設(shè)發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液停留時間為 1(T1),3(T2),5d(T3),即實驗過程中每天排出發(fā)酵罐內(nèi)發(fā)酵液總量的100%、33.33%和20%,同時加入等量的豬場廢水,排出的發(fā)酵液,測定其 COD、pH 值和VFAs.實驗過程中,各處理發(fā)酵液最大排出量為1000mL,故T1、T2和T3每天發(fā)酵液排出量分別為1000,333.33,200mL,對應(yīng)的T1～T3每天補充的豬場廢水容積負(fù)荷為 7.20,2.40,1.44kgCOD/(m3·d),每個處理 3個平行,取平均值進行分析.同時,用等量接種物進行厭氧發(fā)酵實驗,扣除接種物產(chǎn)氣對實驗結(jié)果的影響.實驗共進行 50d,每天測定產(chǎn)氣量和甲烷含量.

1.3 測定指標(biāo)及方法

以排水集氣法收集氣體,每日測定產(chǎn)氣量;采用 GC-9890A氣相色譜儀分析產(chǎn)氣中甲烷含量(TCD檢測器);TS的測定采用105℃烘24h,差重法測定;VS的測定采用 550℃灼燒 4h,差重法測定;pH值采用雷磁pHS-2F型酸度計測定;有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法[8];全氮采用H2SO4-H2O2消煮,蒸餾定氮法[9];COD 的測定參照 GB1194-89;采用范氏法(Van Soest)測定麥秸纖維素、半纖維素和木質(zhì)素(FIWE-6,Velp Scientifica)[10];揮發(fā)性有機酸(VFA)采用氣相色譜儀(GC-2014)進行測定,使用 Stabil-Wax-DA30m×0.53mm×0.25μm 型毛細(xì)管柱,FID 檢測器,程序升溫,以 4-甲基戊酸為內(nèi)標(biāo)物;分別取發(fā)酵前后的麥秸用蒸餾水清洗干凈后冰凍干燥,粉碎,過100目篩后用于測定紅外光譜(Nexus 870,美國NICOLET公司)

將發(fā)酵后的麥秸用無菌水緩慢洗掉污泥和沼液,取10g鮮樣于250mL三角瓶中,加入100mL無菌水,于180rm/min常溫下振蕩1h,浸提液用于提取DNA.DNA的提取采用FastDNA?Spin soil kit (MP Biomedicals, Solon, OH)試劑盒, 提取方法參照試劑盒說明書,細(xì)菌引物為 GC338F(5′-CGCCCGCCGCGCGCGGCGGGCGGGGCGGG GGCACGGGGGGACTCC-TACGGGAGGCAG CAG-3′)和 518R(5′-ATTACCGCGGCTGCTGG-3′).PCR反應(yīng)體系都是 50uL,DNA模版 1uL,25umol/L引物各0.5uL,2×PCR mix 25uL,ddH2O 23uL.擴增程序為 94℃(5min)預(yù)變性;94℃(1min)變性,56℃(1min)退火;72℃(2min)延伸,33 次循環(huán);72℃(10min).PCR產(chǎn)物通過 DGGE(儀器為D-codeTMSystem(Bio-Rad))進行分離,聚丙烯酰胺凝膠濃度為 8%,變性梯度為 45%～65%,85V,1×TAE中電泳16h,膠用銀染法染色成像.

DGGE電泳圖譜采用Bio-Rad Quantity One 4.6.3 軟件對各樣品條帶多少及密度進行定量分析,以作為多樣性統(tǒng)計指標(biāo)的初步數(shù)據(jù).采用Shannon-Wiener指數(shù)(H′),[H′ = -ΣPi × lnPi( Pi表示每個種群在群落中的百分比)]、優(yōu)勢度指數(shù)[D,D=Σ(pi)2]、豐度(S)、均勻度指數(shù)( E,E = H/lnS)等指標(biāo)比較各個樣品的多樣性.DGGE條帶圖譜相似性聚類分析,由系統(tǒng)軟件依據(jù)戴斯系數(shù) Cs(Dice coefficient)按照UPGMA算法計算繪出.

2 結(jié)果與討論

2.1 實驗過程中各處理產(chǎn)氣特性的變化

由圖 1可以看出,各處理日產(chǎn)氣量變化趨勢相似,均為在實驗前期緩慢增加,T1、T2、T3日產(chǎn)氣量分別在實驗第34,33,33d達到最大值,分別為 11425,7015,6325mL,對應(yīng)的容積產(chǎn)氣量分別為 2.29,1.40,1.27m3/(m3·d),之后 T1、T2 和 T3 分別穩(wěn)定在 7600～8800,4800～5400,3000～3800mL,對應(yīng)的容積產(chǎn)氣量分別為 1.52～1.76, 0.96～1.08,0.6～0.76m3/(m3·d),T1 的容積產(chǎn)氣量較 T2、T3 分別高出 50%和 130%以上.實驗啟動初期,由于反應(yīng)器內(nèi)發(fā)酵底物濃度較高(該階段麥秸的水解產(chǎn)酸能力較強以及每天添加的豬場廢水),產(chǎn)甲烷微生物受發(fā)酵液出料的影響較大,較高的容積負(fù)荷(較低的pH值)也不利于甲烷菌繁殖,結(jié)果出現(xiàn)豬場廢水HRT越短、反應(yīng)器容積負(fù)荷越高,日產(chǎn)氣量越低的結(jié)果.隨著實驗的進行,麥秸的水解產(chǎn)酸能力逐漸減弱,加之大量厭氧微生物在麥秸表面定植,系統(tǒng)對高容積負(fù)荷沖擊的耐受力增加,日產(chǎn)氣量逐漸增加,且日產(chǎn)氣量與豬場廢水容積負(fù)荷成正比.實驗35d后,麥秸自身水解產(chǎn)酸的能力已經(jīng)很弱(麥秸批次實驗發(fā)酵周期一般為40～45d,30d后日產(chǎn)氣量已很低),其對系統(tǒng)有機負(fù)荷的貢獻很小,發(fā)酵液 COD主要來自每日添加的豬場廢水,故出現(xiàn)日產(chǎn)氣量T1>>T2>T3的結(jié)果.實驗前 25d,T3的日產(chǎn)氣量明顯大于 T1、T2,在實驗第5d～23d,T2的日產(chǎn)氣量稍高于T1,這與麥秸單獨厭氧發(fā)酵時 80%的產(chǎn)氣集中在發(fā)酵前25d的結(jié)果一致[11],表明秸稈床反應(yīng)器應(yīng)采用低有機負(fù)荷啟動的方式,發(fā)酵初期由于麥秸自身的水解產(chǎn)酸能力較強,添加較高濃度的外源有機物對系統(tǒng)產(chǎn)氣產(chǎn)生抑制,不利于秸稈床反應(yīng)器快速啟動.實驗第 25d后,T1的日產(chǎn)氣量迅速增加,增加速度和幅度均明顯高于T2和T3,表明秸稈床反應(yīng)器對高負(fù)荷豬場廢水具有較強的耐受力.

圖1 厭氧發(fā)酵過程中各處理日產(chǎn)氣量的變化Fig.1 Daily biogas yield of different treatments during the experiment

由圖 2可以看出,各處理甲烷含量的變化趨勢相似,均為先增加后降低,達到最低點后迅速回升,之后逐步達到穩(wěn)定.實驗啟動后,各處理產(chǎn)氣中甲烷含量迅速增加,T1、T2、T3均在實驗第5d產(chǎn)氣中甲烷含量達到第一個高峰,分別為51.34%、43.68%和46.44%.由于麥秸有機物的大量水解溶出以及每天添加的豬場廢水,加上實驗初期甲烷菌數(shù)量還不夠豐富,有機物的大量水解產(chǎn)酸對甲烷菌產(chǎn)生抑制,各處理產(chǎn)氣中甲烷含量下降,但隨著實驗的進行,系統(tǒng)中產(chǎn)烷菌的大量繁殖以及甲烷菌在麥秸表面的大量定植,甲烷菌對小分子有機酸的利用能力不斷提高,產(chǎn)氣中甲烷含量迅速增加,當(dāng)系統(tǒng)中甲烷菌數(shù)量達到相對穩(wěn)定后,其對小分子有機酸的利用速率與麥秸和豬場廢水有機物水解產(chǎn)酸速率間相對平衡,產(chǎn)氣中甲烷含量相對穩(wěn)定,在 60%左右波動,T1產(chǎn)氣中甲烷含量略低于 T2、T3,這與其較高的有機負(fù)荷、較低的HRT有關(guān),高負(fù)荷導(dǎo)致有機酸等含量相應(yīng)較高,pH值較低,對產(chǎn)甲烷菌有一定抑制作用,低 HRT可能帶入更多的分子氧,從而抑制甲烷菌活性,降低產(chǎn)氣中甲烷含量.40d后各處理產(chǎn)氣中甲烷含量均緩慢降低,最后穩(wěn)定在60%～70%之間,且T1甲烷含量高于T2、T3,T2、T3相近,具體原因還有待于進一步研究.

圖2 各處理產(chǎn)氣中甲烷含量的變化Fig.2 Changes of methane content of different treatments during the experiment

2.2 實驗過程中各處理發(fā)酵液理化特性的變化

2.2.1 發(fā)酵液 COD 的變化 本實驗中,由于采取每天進豬場廢水,同時排出等量發(fā)酵液的方式,當(dāng)排出的發(fā)酵液 COD、被厭氧微生物轉(zhuǎn)化為沼氣的COD和被厭氧微生物用于自身繁殖代謝的COD之和小于麥秸、豬糞水解溶出的COD和每天補充的豬場廢水COD之和時,發(fā)酵液COD增加,反之降低.由圖 3.可以看出,各處理發(fā)酵液COD變化趨勢相似,均為先迅速增加后緩慢降低.實驗啟動后,隨著麥秸有機物的水解溶出以及豬場廢水的不斷添加,各處理發(fā)酵液 COD不斷增加,表明該階段麥秸有機物水解溶出作用較強,T1、T2、T3分別在實驗第11,6,3d達到峰值,分別為56420,40810,35200mg/L.隨著實驗的進行,麥秸中大部分易分解有機物已水解溶出,可分解有機物和難分解有機物水解溶出較慢,相應(yīng)的反應(yīng)器日產(chǎn)氣量逐步增加,COD增加速度低于COD消耗速度,發(fā)酵液COD逐漸降低.實驗過程中,各處理發(fā)酵液 COD與外加的豬場廢水負(fù)荷成正比.對比各處理產(chǎn)氣的結(jié)果可以看出,實驗前25d,發(fā)酵液較高的COD不利于系統(tǒng)產(chǎn)沼氣,之后發(fā)酵液 COD與產(chǎn)氣的結(jié)果一致,再次說明秸稈床反應(yīng)器由于秸稈自身水解產(chǎn)酸的影響應(yīng)采取低負(fù)荷啟動的方式.

圖3 實驗過程中發(fā)酵液COD的變化Fig.3 Changes of COD content of different treatments during the experiment

2.2.2 發(fā)酵液TVFAs的變化 由圖4可以看出,各處理TVFAs的變化趨勢相似,均為先迅速增加,后迅速降低,達到一定濃度后緩慢下降.T1、T2、T3均在實驗第 6d達到最大,分別為 7865.87,9918.61,8226.04mg/L,之后迅速降低,20d后維持在較低水平,各處理間并無明顯差異.從本實驗TVFAs的結(jié)果看,發(fā)酵液中TVFAs主要來自麥秸水解產(chǎn)酸,豬場廢水對 VFAs的貢獻較低,這與呂利利等[12]研究結(jié)果一致.

圖4 厭氧發(fā)酵過程中各處理發(fā)酵液TVFAs的變化Fig.4 Changes of TVFAs content of different treatments during the experiment

2.2.3 發(fā)酵液pH值的變化 由圖5可以看出,各處理 pH值變化趨勢相似,均為先降低后緩慢增加,最后達到相對穩(wěn)定,這與各處理 TVFAs的結(jié)果一致.T1、T2、T3均在實驗室第5d達到最低值,分別為6.08、6.10和6.31,之后逐步回升并達到相對穩(wěn)定,T1穩(wěn)定在7.4左右,T2、T3穩(wěn)定在7.6～7.8之間.

2.3 厭氧發(fā)酵前后各處理麥秸理化特性和物質(zhì)組成的變化

圖5 實驗過程中各處理發(fā)酵液pH值的變化Fig.5 Changes of pH values of different treatments during the experiment

2.3.1 厭氧發(fā)酵前后麥秸理化特性的變化 由表1可以看出,經(jīng)50d厭氧發(fā)酵后,各處理麥秸干物質(zhì)質(zhì)量均大幅降低,T1、T2、T3分別降低了45.33%、50.58%、52.83%,麥秸 TS損失率隨著豬場廢水有機負(fù)荷的增加而降低,這可能是因為:本實驗采取半連續(xù)進料方式,微生物在有大量易分解有機物存在的情況下首先利用易分解有機物,造成豬場廢水有機負(fù)荷越高的處理麥秸降解率越低的結(jié)果.

表1 厭氧發(fā)酵前后麥秸理化特性的變化Table 1 Physico-chemical properties of wheat straw before and after anaerobic digestion

麥秸厭氧發(fā)酵過程中,厭氧微生物分解利用的主要有機物是纖維素和半纖維素,木質(zhì)素在厭氧發(fā)酵過程中幾乎不能被厭氧微生物分解[13].厭氧發(fā)酵后,各處理麥秸中半纖維素和纖維素含量均降低,木質(zhì)素含量相對增加,T1、T2、T3半纖維素和纖維素含量分別降低了 18.19%,21.36%,25.62%和 11.45%,9.09%,13.54%,木質(zhì)素含量增加了 40.55%,34.47%,40.71%,各處理間無明顯差異(P>0.05),這與 TS損失率的結(jié)果一致.同時,可以看出,在本實驗條件下,麥秸中半纖維素被分解利用的程度高于纖維素.

2.3.2 厭氧發(fā)酵前后麥秸FTIR分析 由圖6可以看出,各處理厭氧發(fā)酵前后紅外光譜譜圖相似,只是在某些吸收峰的吸收強度上不同,表明厭氧發(fā)酵并不能破壞麥秸的骨架結(jié)構(gòu),只是某些官能團的含量發(fā)生了變化.厭氧發(fā)酵后在 2920cm-1吸收峰強度增強,在 2852cm-1處的吸收峰從無到有,吸收峰強度均為 T2>T3>T1>發(fā)酵前,表明厭氧發(fā)酵后麥秸中脂族結(jié)構(gòu)中亞甲基C—H的伸縮振動和—CH3官能團的C—H伸縮振動增強[14].

圖6 發(fā)酵前后麥秸的紅外光譜變化Fig.6 FT-IR spectra patterns of wheat straw obtained before and after anaerobic digestion

圖7 發(fā)酵前后麥秸紅外光譜指紋區(qū)的變化Fig.7 Fingerprint region of FTIR spectra of wheat straw obtained before and after anaerobic digestion

由圖 7可以看出,厭氧發(fā)酵后一些吸收峰的強度發(fā)生了明顯變化,在 1733,1512, 1462,1426,1375,1254,1162,895cm-1處吸收峰強度明顯降低,降低幅度均為 T3>T2>T1,T3在 1375, 1254,895cm-1處的吸收峰幾乎消失,在 1651cm-1處吸收峰強度增加,1733cm-1處是半纖維素中未鍵和的C=O伸縮振動,1651cm-1處是O—H和共振C—O振動,1512cm-1處是木質(zhì)素中苯環(huán)的股價伸縮振動,1462和1426cm-1處是木質(zhì)素和碳水化合物中 C—H的彎曲振動,1375cm-1處是纖維素和半纖維素中 C—H的變形振動,1254cm-1處是木質(zhì)素中紫丁香基芳香環(huán)和 C—O的伸縮振動,1162cm-1處是纖維素和半纖維素中C—O—C的振動,895cm-1處纖維素中C—H的彎曲振動[14-15].紅外的結(jié)果表明,厭氧發(fā)酵后,各處理麥秸的物質(zhì)結(jié)構(gòu)破壞嚴(yán)重,T3的官能團破壞程度最大,這與產(chǎn)氣的結(jié)果一致.

2.4 厭氧發(fā)酵后麥秸水浸提液細(xì)菌DGGE分析

圖8 厭氧發(fā)酵后麥秸水浸提液細(xì)菌DGGE譜圖Fig.8 DGGE profile of bacteria produced from water extract of digested wheat straw

從圖8可見,各處理麥秸水浸提液DGGE譜圖條帶分布總體相似,但條帶數(shù)量和深淺有一定差異.從條帶數(shù)量看,T1和 T2均有較清晰的 11個條帶,T3可清晰辨別的條帶僅為1、3、4、5、6和7等6個條帶,條帶數(shù)量大幅減少,不同有機負(fù)荷和不同HRT處理后,富集在麥秸表面的微生物種類存在較大差異.從條帶深淺看,T1～T3在各條帶的顏色深淺均為遞減趨勢.從各處理麥秸水浸提液 DGGE譜圖的結(jié)果看,高有機負(fù)荷和低HRT促進了微生物在麥秸上的定植,微生物種群結(jié)構(gòu)和數(shù)量均明顯高于低有機負(fù)荷和長HRT處理的麥秸,這可能是高有機負(fù)荷、低發(fā)酵液HRT下厭氧反應(yīng)器仍可正常產(chǎn)氣的重要原因.

從表2的結(jié)果看,T1～T3豐度和多樣性指數(shù)均成遞減趨勢,優(yōu)勢度指數(shù)成遞增趨勢,均勻度指數(shù)無明顯差異,表明高有機負(fù)荷和低HRT環(huán)境均有利于微生物的定植,微生物豐度和多樣性均較高,但微生物中優(yōu)勢種集中程度稍有降低,對微生物均勻度的影響不大.

表2 不同處理細(xì)菌豐度(S)、多樣性指數(shù)(H′)、優(yōu)勢度指數(shù)(D)、均勻度指數(shù)(E)Table 2 Indices for richness (S), diversity (H′), dominance(D)and eveness (E)of bacterial commumities for DGGE profiles from different treatment

3 結(jié)論

3.1 以打捆麥秸為固定相,以豬場廢水為流動相進行厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣可以正常進行,不同豬場廢水COD負(fù)荷下厭氧反應(yīng)器均能正常產(chǎn)沼氣.

3.2 豬場廢水容積負(fù)荷對厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣量影響較大,對產(chǎn)氣中甲烷含量無明顯影響,當(dāng)豬場廢水容積負(fù)荷為7.2kgCOD/(m3·d)時,厭氧反應(yīng)器最大容積產(chǎn)氣量達 2.29m3/(m3·d),產(chǎn)氣穩(wěn)定后維持在 1.52～1.76m3/(m3·d),較豬場廢水容積負(fù)荷為2.4,1.44kgCOD/(m3·d)的處理分別提高了50%和130%.

3.3 較高的豬場廢水負(fù)荷雖可提高厭氧反應(yīng)器容積產(chǎn)氣量,但不利于麥秸厭氧發(fā)酵產(chǎn)沼氣,發(fā)酵后麥秸干物質(zhì)損失率、纖維素、半纖維素分解率均與豬場廢水有機負(fù)荷成反比,紅外的結(jié)果與之對應(yīng).

3.4 DGGE的結(jié)果表明,在反應(yīng)器豬場廢水COD容積負(fù)荷達7.2kgCOD/(m3·d)、發(fā)酵液HRT僅為1d條件下反應(yīng)器仍能正常產(chǎn)氣的原因在于,經(jīng)過一段時間的馴化后,反應(yīng)器內(nèi)麥秸表面附著的微生物種類和數(shù)量(豐富度)明顯高于低豬場廢水有機負(fù)荷、高發(fā)酵液HRT的處理,增強了反應(yīng)器耐高有機負(fù)荷沖擊的能力.

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Effect 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)：1200～1206

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). Volume 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.

piggery wastewater；straw-bed bioreactor；OLR；HRT；biogas

X705

A

1000-6923(2014)05-1200-07

2013-08-26

國家水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07101-004);江蘇省農(nóng)業(yè)自主創(chuàng)新項目(CX(12)1002)

* 責(zé)任作者, 研究員, czhizhou@hotmail.com

曹 杰(1988-),男,江蘇句容人,南京農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士研究生,主要從事固體廢物處理與資源化方面的研究.